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行業新聞

半導體先進制造中液體接觸用PTFE和PFA的比較

半導體制造包括微芯片構建中的許多濕法工序。例如,在各種制造工序之間經常使用去離子水等液體和各種溶劑來清潔晶片表面和去除殘留的光刻膠。

在濕法蝕刻工序中,還可以使用其它更具侵蝕性的酸來幫助形成半導體設備本身的線和通孔。

在這些濕法工序中,所使用的清洗或蝕刻流體經常被加熱以提高其效率。人們開發了用于半導體制造的各種流體加熱器,并且這些加熱器通常使用含氟聚合物來構造接觸液體的部件(即加熱器中實際與待加熱流體接觸的部分)。

這些應用通常使用以下兩種特殊類型的含氟聚合物:聚四氟乙烯(PTFE)和可溶性四氟乙烯(PFA)。當批次需求量較少,使用PFA所需的模具分攤成本較高的時候,PTFE尤其廣泛地應用于泵和閥門和其它接觸液體的部件。本文將考查這兩種材料在半導體流體加熱器接觸液體的表面上使用的適宜性,特別是在制造下一代微芯片中的適宜性。

在先進的半導體制造設備中,設備的幾何尺寸量級現已達到10納米級;而幾家最大的芯片制造商已經宣布開始7納米技術節上的產能爬升。

在這些尺寸量級下,芯片的電路密度高得令人難以置信。因此導致芯片故障的微粒污染成為一個主要的問題。因而用于制造這些前沿芯片的制造設備必須采用確保工藝純度的設計。雖然PTFE和PFA都是高純度材料,對腐蝕性化學品和嚴苛環境都具有優異的抵抗力,且由于它們的擴散系數低而成為出色的阻擋材料,但在這兩種材料中,PFA更不容易受到污染,因而更適合用于亞10 nm制程中接觸液體的部件。

雖然PTFE和PFA分子結構和性能相似,但它們的加工方式有所不同。值得注意的是, PFA的加工工藝比PTFE的加工工藝成本更高。而工藝順序是這兩種材料哪種更適合半導體芯片制造的關鍵;下面的段落將會對此進行介紹。

由于PTFE熔體粘度高,在加熱時,其分子結構將阻止材料流動。因此PTFE通常使用多工序加工方式。首先,將粉末狀的PTFE樹脂倒入模具中,然后在高壓下壓縮。值得注意的是,這些前道工序本身具有將污染物引入PTFE原料的風險。接下來,燒結PTFE棒料,隨后根據塊體的形狀和尺寸完成自適應冷卻工序。最后,PTFE棒料被加工成合適的形狀,這是另一個存在污染風險的工序。如果PTFE棒料是干法加工的,那么引入污染物的風險相對較低。然而,如果PTFE棒料是濕法加工的,污染的風險將變高。

相比之下,PFA的分子結構允許熔融加工,因此PFA可以通過注塑成型等傳統的單一工序工藝進行制造。注塑時,PFA材料會在的界面表面產生一層表皮,造成幾乎無法測量的表面粗糙度。

因此,PFA的加工不需要進行任何后加工。加工工序確實會影響制造過程中與半導體工藝化學品接觸的聚合物的表面光潔度。此外,正如后面的段落將會進行介紹的那樣,接觸液體的部件的表面光潔度是這些部件使用時排斥(或吸引)潛在污染物的關鍵。

塑料工業學會(簡稱為“SPI”)已經對塑料的表面加工及其相應的平均粗糙度(簡稱為“RA”)做了對應。塑料工業學會的發現如表1所示。

 

表1:塑料工業學會提供的模具光潔度

表面光潔度塑料工業學會標準拋光方法相應表面粗糙度 (RA),  um
超高光A-1#3級,6000粒度砂紙和鉆石膏0.012至0.025
高光A-2#6級,3000粒度砂紙和鉆石膏0.025至0.05
標準光潔度A-3#15級,1200粒度砂紙和鉆石膏0.05至0.10
高半光B-1600粒度砂紙0.05至0.10
中等半光B-2400粒度砂紙0.10至0.15
標準半光B-3320粒度砂紙0.28至0.32
高啞光C-1600粒度礫石0.35至0.40
中等啞光C-2400粒度礫石0.45至0.55
標準啞光C-3320粒度礫石0.63至0.70
緞面紋理D-1干法噴砂處理的玻璃珠#110.80至1.00
暗紋理D-2干法噴砂處理  #240 氧化物1.00至2.80
粗糙紋理D-3干法噴砂處理  #24氧化物3.20至18.00
按機械加工后的樣子-機械師酌情拋光3.2(有明顯的機械加工痕跡)

在設備的幾何量級不斷降低的背景下,在半導體制造中用作液體接觸表面的材料表面粗糙度隨著人們對更高純度要求的增加而變得更加關鍵,這是因為表面粗糙度與顆粒生成直接相關。如表中所示,經過機加工的塑料,如使用PTFE制造的,通常其平均粗糙度值為3.20RA,相比之下,大多數注塑成型的,如使用PFA制造的,均符合塑料工業學會的B-1 SPI標準或更高標準,典型的表面粗糙度為0.05至0.10μm (B-1)。從而,PFA的光潔度比PTFE同等產品的光潔度高98.4%。

出于所有這些考慮,用于半導體制造的流體加熱器的制造商Heateflex公司和半導體行業含氟聚合物流體管理解決方案的全球供應商圣戈班高純系統業務部門決定考查各種PTFE和PFA部件的表面粗糙度。


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