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半导体先进制造中液体接触用PTFE和PFA的比较
发布时间:2020/9/25 15:03:52| 浏览次数:26

半导体制造包括微芯片构建中的许多湿法工序。例如,在各种制造工序之间经常使用去离子水等液体和各种溶剂来清洁晶片表面和去除残留的光刻胶。

在湿法蚀刻工序中,还可以使用其它更具侵蚀性的酸来帮助形成半导体设备本身的线和通孔。

在这些湿法工序中,所使用的清洗或蚀刻流体经常被加热以提高其效率。人们开发了用于半导体制造的各种流体加热器,并且这些加热器通常使用含氟聚合物来构造接触液体的部件(即加热器中实际与待加热流体接触的部分)。

 
这些应用通常使用以下两种特殊类型的含氟聚合物:聚四氟乙烯(PTFE)和可溶性四氟乙烯(PFA)。当批次需求量较少,使用PFA所需的模具分摊成本较高的时候,PTFE尤其广泛地应用于泵和阀门和其它接触液体的部件。本文将考查这两种材料在半导体流体加热器接触液体的表面上使用的适宜性,特别是在制造下一代微芯片中的适宜性。

 
在先进的半导体制造设备中,设备的几何尺寸量级现已达到10纳米级;而几家最大的芯片制造商已经宣布开始7纳米技术节上的产能爬升。

 
在这些尺寸量级下,芯片的电路密度高得令人难以置信。因此导致芯片故障的微粒污染成为一个主要的问题。因而用于制造这些前沿芯片的制造设备必须采用确保工艺纯度的设计。虽然PTFE和PFA都是高纯度材料,对腐蚀性化学品和严苛环境都具有优异的抵抗力,且由于它们的扩散系数低而成为出色的阻挡材料,但在这两种材料中,PFA更不容易受到污染,因而更适合用于亚10 nm制程中接触液体的部件。

 
虽然PTFE和PFA分子结构和性能相似,但它们的加工方式有所不同。值得注意的是, PFA的加工工艺比PTFE的加工工艺成本更高。而工艺顺序是这两种材料哪种更适合半导体芯片制造的关键;下面的段落将会对此进行介绍。

 
由于PTFE熔体粘度高,在加热时,其分子结构将阻止材料流动。因此PTFE通常使用多工序加工方式。首先,将粉末状的PTFE树脂倒入模具中,然后在高压下压缩。值得注意的是,这些前道工序本身具有将污染物引入PTFE原料的风险。接下来,烧结PTFE棒料,随后根据块体的形状和尺寸完成自适应冷却工序。最后,PTFE棒料被加工成合适的形状,这是另一个存在污染风险的工序。如果PTFE棒料是干法加工的,那么引入污染物的风险相对较低。然而,如果PTFE棒料是湿法加工的,污染的风险将变高。

 
相比之下,PFA的分子结构允许熔融加工,因此PFA可以通过注塑成型等传统的单一工序工艺进行制造。注塑时,PFA材料会在的界面表面产生一层表皮,造成几乎无法测量的表面粗糙度。

 
因此,PFA的加工不需要进行任何后加工。加工工序确实会影响制造过程中与半导体工艺化学品接触的聚合物的表面光洁度。此外,正如后面的段落将会进行介绍的那样,接触液体的部件的表面光洁度是这些部件使用时排斥(或吸引)潜在污染物的关键。

 
塑料工业学会(简称为“SPI”)已经对塑料的表面加工及其相应的平均粗糙度(简称为“RA”)做了对应。塑料工业学会的发现如表1所示。

 
表1:塑料工业学会提供的模具光洁度

表面光洁度

塑料工业学会标准

抛光方法

相应表面粗糙度 (RA), um

超高光

A-1

#3级,6000粒度砂纸和钻石膏

0.012至0.025

高光

A-2

#6级,3000粒度砂纸和钻石膏
0.025至0.05

标准光洁度

A-3

#15级,1200粒度砂纸和钻石膏

0.05至0.10

高半光

B-1

600粒度砂纸

0.05至0.10

中等半光

B-2

400粒度砂纸

0.10至0.15

标准半光

B-3

320粒度砂纸

0.28至0.32

高哑光

C-1

600粒度砾石

0.35至0.40

中等哑光

C-2

400粒度砾石

0.45至0.55

标准哑光

C-3

320粒度砾石

0.63至0.70

缎面纹理

D-1

干法喷砂处理的玻璃珠#11

0.80至1.00

暗纹理

D-2

干法喷砂处理 #240 氧化物

1.00至2.80

粗糙纹理

D-3

干法喷砂处理 #24氧化物

3.20至18.00

按机械加工后的样子

-

机械师酌情抛光

3.2(有明显的机械加工痕迹)

如表中所示,经过机加工的塑料,如使用PTFE制造的,通常其平均粗糙度值为3.20RA,相比之下,大多数注塑成型的,如使用PFA制造的,均符合塑料工业学会的B-1 SPI标准或更高标准,典型的表面粗糙度为0.05至0.10μm (B-1)。从而,PFA的光洁度比PTFE同等产品的光洁度高98.4%。


在设备的几何量级不断降低的背景下,在半导体制造中用作液体接触表面的材料表面粗糙度随着人们对更高纯度要求的增加而变得更加关键,这是因为表面粗糙度与颗粒生成直接相关。


出于所有这些考虑,用于半导体制造的流体加热器的制造商Heateflex公司和半导体行业含氟聚合物流体管理解决方案的全球供应商圣戈班高纯系统业务部门决定考查各种PTFE和PFA部件的表面粗糙度。

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