Pusvadītāju slapjiem soliem, kuros izmanto karstu dejonizētu ūdeni (95 grādi), vai titāna sildītāji var izraisīt metāla jonu piesārņojumu, kas pārsniedz 0,1 ppb?

Pusvadītāju slapjiem soliem ir nepieciešams īpaši tīrs ūdens (UPW) ar metāla jonu piesārņojuma līmeni < 0,1 daļas uz miljardu (ppb) svarīgos procesa posmos, piemēram, plāksnīšu tīrīšanai, kodināšanai un noņemšanai. Skalošana tiek veikta ar dejonizētu ūdeni un vannas temperatūra mitrās stacijās tiek uzturēta 95 grādu līmenī. Titāna iegremdējamie sildītāji ir pievilcīgi šim pakalpojumam, jo ​​tiem ir izturība pret koroziju un augsta siltumvadītspēja. Tomēr nopietnas bažas rada titāna izskalošanās iespēja īpaši tīrā ūdenī, kas var būt lielāka par ļoti zemo 0,1 ppb robežvērtību pārejas metāliem, kas izraisa savienojuma noplūdi un aizbīdņu oksīda defektus. Šajā pētījumā ir noteikts titāna jonu izdalīšanās ātrums no 2. un 7. pakāpes titāna sildītājiem 95 °C dejonizētā ūdenī un tiek noteikts, vai titāna sildītājus var izmantot pusvadītāju slapjos stendos, neietekmējot ūdens tīrību.

Titāna atbrīvošanas mehānisms īpaši tīrā ūdenī
Titāns veido termodinamiski stabilu pasīvo TiO2 plēvi augstas -pretestības dejonizētā ūdenī (18,2 MΩ·cm, kopējais izšķīdušo cieto vielu daudzums < 1 ppb). Taču filma nav gluži inerta. Notiek lēna oksīda ķīmiskā sadalīšanās: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (šķīstošs) Izšķīdušie titāna veidi, parasti Ti(OH)₄ vai TiO²⁺ joni, nonāk ūdenī ar ātrumu, kas ir atkarīgs no temperatūras, pH un ūdens kvalitātes. Amorfā TiO 2 šķīdība ir 1-5 ppb kā titānam pie neitrāla pH un 95 grādiem. Tā ir līdzsvara koncentrācija; faktiskais izplūdes ātrums no sildītāja ir atkarīgs no ūdens plūsmas ātruma, virsmas laukuma un tā, vai ūdens tiek nepārtraukti papildināts (vienreiz cauri) vai cirkulēts.

Electrochemical tests demonstrate that titanium Grade 2 has a passive current density of 0.01-0.05 µA/cm² in deionized water (resistivity >18 MΩ·cm, izšķīdis skābeklis 8 ppm) pie 95 grādiem. Šī strāva ir līdzvērtīga titāna šķīdināšanai 0,003–0,015 mm/gadā, kas ir nenozīmīga attiecībā uz caurules sieniņu biezumu, bet ievērojama attiecībā uz metāla jonu piesārņojumu. Pārvēršana no strāvas blīvuma uz jonu izdalīšanos: 0,05 μA/cm² × 1 stunda × virsmas laukums nodrošina aptuveni 0,09 ng/cm² izšķīdušā titāna katrā darbības stundā.

Titāna koncentrācija, kas mērīta mitrā stendā
Kvantitatīvie rezultāti tika iegūti, veicot kontrolētu testēšanu uz pusvadītāju kvalitātes slapjiem stendiem ar recirkulācijas dejonizēta ūdens sistēmu 95 C temperatūrā. Titāna koncentrācija tika uzraudzīta 1000 stundu laikā, izmantojot induktīvi savienotas plazmas masas spektrometriju (ICP- MS, noteikšanas robeža 0,01 immersiona ppbb) 2, 1,65 mm siena, 800 cm2 virsmas laukums), kas darbojas 100 litru slapjā stendā ar recirkulāciju ar ātrumu 20 l/min.

Titāna saturs kļuva stabils 0, 06–0, 10 ppb pēc pirmās pasivēšanas (pirmās 24 stundas). Paraugu ņemšana ik pēc 24 stundām sniedza rādījumus no 0,05 līdz 0,12 ppb, vidēji 0,08 ppb. Siltuma cikliskums (sildītājs izslēgts un ieslēgts) izraisīja neregulāru pieaugumu līdz 0,15 ppb. Konstantā 95 grādu stāvoklī vidējā titāna koncentrācija bija 0,1 ppb līmenī vai nedaudz zemāka par to.

Tādos pašos apstākļos titāna izdalīšanās no 7. pakāpes titāna (Ti-0,15Pd) bija 0,03–0,07 ppb, un pallādija izdalīšanās bija zem noteikšanas robežas 0,01 ppb. Zemāks izdalīšanās ātrums ir saistīts ar stabilāku pasīvo plēvi 7. pakāpē pallādija katoda efekta dēļ.

Faktori, kas pārsniedz 0,1 ppb ierobežojumu
Dažādas darbības situācijas var izraisīt titāna koncentrācijas pārsniegšanu par 0,1 ppb:

Sākotnējais pārtraukums{0}}: jauni, svaigi titāna sildītāji pirmajās 48–72 stundās izlādēs 0,3-0,8 ppb titāna, kad pasīvā plēve stabilizējas. Uzstādīšanai kritisko procesu vannās nepieciešama 72 stundu iegremdēšanas iepriekšēja pasivācija 95oC UPW.

Temperatūras cikls: katrs atdzesēšanas/sildīšanas cikls sadala pasīvo plēvi, kā rezultātā īslaicīgi palielinās izdalīšanās par 0,15–0,25 ppb, kas noārdās 4–6 stundu laikā. Slapjie soli, kas vairākas reizes dienā ieslēdz un izslēdz sildītājus, ilgstoši pārsniedz 0,1 ppb robežvērtību.

ierobežota plūsma vai stagnācijas apstākļi — recirkulācijas sistēmās ar ierobežotu apgrozījumu titāns uzkrājas līdzsvara šķīdībai . 0.2-0.3 ppb pēc 500 stundām 100 litru vannā ar titāna sildītāju un bez ūdens atsvaidzināšanas.

pH novirzes zem 5,0 vai virs 9,0: Titāna šķīdība ir ievērojami palielināta ārpus neitrāla pH. Dejonizēta ūdens pH, kas absorbē CO2 no gaisa, var būt 5,5-6,0, kas palielina titāna izdalīšanos 2-3 reizes.

Deoksigenēts ūdens (attīrīts ar slāpekli) palielina Ti izdalīšanos 5-10 reizes. Izšķīdinātais skābeklis zem 1 ppm Pusvadītāju slapjiem soliem jābūt piesātinātiem ar gaisu.

Titāna sildītāju pielietojuma matrica pusvadītāju slapjiem soliem
Slapjā stenda konfigurācija Ūdens kvalitātes mērķis (Ti) Sildītāja veids Paredzamā Ti koncentrācija atbilst?
nepārtraukta plūsma, vienreiz cauri, 95 grādi<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
Recirkulācijas vanna 95 grādu iknedēļas ūdens maiņa<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
Recirkulācijas vanna, 95 grādi, bez ūdens maiņas<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
Bieža termiskā ciklēšana (4+ cikli dienā)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
Kritiskā vārtu oksīda skalošana (mērķis ir mazāks par 0,05 ppb)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
Jebkurš pakalpojums ar slāpekļa attīrīšanu (zems O2)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
Atbilstības mazināšanas stratēģijas
Slapjiem soliņiem izmantojot titāna sildītājus ar<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

Pirms-pasivācija Darbiniet jaunos sildītājus atsevišķā 95 grādu UPW tvertnē 72–96 stundas pirms uzstādīšanas, mainot ūdeni ik pēc 24 stundām. Atbrīvojieties no pasivēšanas ūdens.

Nepārtrauktas plūsmas darbība: konfigurējiet slapjus soliņus vienreizējai -caurgaidošai vai lielai- atgaisošanai, nevis atkārtotai cirkulācijai bez atsvaidzināšanas. Lai novērstu titāna līdzsvara koncentrāciju, tiek izmantots asiņošanas ātrums no 5 līdz 10% no vannas tilpuma stundā.

Darbība ar pastāvīgu temperatūru: Neveiciet termisko ciklu. • Izmantojiet zemas-jaudas gaidstāves režīmu, lai sildītājus pastāvīgi uzturētu 95 grādu temperatūrā pat neaktīvos periodos.

pH kontrole: Uzturiet dejonizētu ūdeni pie pH 6,5-7,5, izmantojot CO2 skrubi vai iebūvētu degazēšanu. NAV N2 attīrīšanas bez reoksigenācijas.

Virsmas apstrāde: Elektropolētas titāna virsmas (Ra<0.2 µm) release 30-50% less titanium than pickled or as-drawn surfaces because of the smaller surface area and fewer active sites.

Karstam dejonizētam ūdenim 95 grādu temperatūrā uz pusvadītāju slapjiem stendiem atbilstoši pasivētie titāna sildītāji (2. vai 7. pakāpe) var ierobežot titāna jonu piesārņojumu līdz 0,1 ppb vai mazāk ar nepārtrauktu plūsmu vai augstu -atsūkšanas recirkulāciju un minimālu termisko ciklu. 7. pakāpei ir lielāks diapazons (0,03–0,07 ppb) nekā 2. pakāpei (0,05–0,10 ppb). Recirkulācijas vannām bez ūdens atsvaidzināšanas vai biežiem termiskiem cikliem titāna sildītāji būs > 0,1 ppb, un ir jāpiegādā kvarca vai PTFE sildītāji. Pieprasiet dokumentāciju par pasivāciju (metode un laiks) uz titāna sildītājiem pusvadītāju apkalpošanai un norādiet elektropulētās virsmas. Titāns nav ieteicams nevienai klasei kritiskos vārtu oksīda procesos ar<0.05 ppb metal targets.