Імператив чистоти
Напівпровідникові системи ультра{0}}чистої води подають воду із загальним вмістом органічного вуглецю нижче 0,5 ppb і концентрацією іонів металу нижче 0,1 ppb. Будь-який теплообмінник, який повторно нагріває цю воду після полірування, не повинен погіршувати цю чистоту. Навіть менша-частина-на-мільярд вилуговування металу є неприйнятною.
Два матеріали змагаються за це застосування: тантал і PTFE. Тантал є тугоплавким металом з винятковою стійкістю до корозії в кислотах і власною оксидною плівкою, стабільною в широкому діапазоні pH. PTFE є повністю фторованим полімером без металевих складових. Обидва можуть забезпечити необхідну хімічну чистоту, коли вони нові. Ця різниця з’являється через роки термічного циклу та хімічного впливу.
Тантал: видатна, але не нескінченна стійкість до корозії
Тантал протистоїть корозії завдяки стабільній пасивній плівці Ta₂O₅, яка миттєво утворюється на повітрі або в окисних розчинах. Ця плівка щільна, щільна та самовідновлююча-. У UPW та більшості напівпровідникових хімікатів тантал кородує зі швидкістю, яка вимірюється в мікронах на рік.
Однак тантал має вразливість. У лужних розчинах вище рН 10 оксидна плівка розчиняється. У присутності фторид-іонів-від HF або забуферених оксидів травлення-тантал швидко кородує через утворення розчинних комплексів танталу-фториду. Навіть незначне забруднення фтором в UPW, можливо, внаслідок несправності компонента вище по течії, може ініціювати локалізовану атаку.
Більш важливим питанням чистоти є не масова корозія, а вилуговування іонами металу. Тантал при контакті з UPW вивільняє іони танталу зі швидкістю приблизно 0,01-0,1 ppb в ідеальних умовах. Це нижче типових меж виявлення. Однак протягом багатьох років термічного циклу пасивна плівка зазнає повторного розчинення та реформування, вивільняючи іони металу з кожним циклом. Сукупний викид металу, який все ще вимірюється в частках на трильйон, може наблизитися до меж для найбільш чутливих напівпровідникових процесів.
Таблиця 1: Порівняння чистоти та вартості послуг повторного нагріву UPW
| Критерій оцінки | тантал | PTFE |
|---|---|---|
| Вилуговування іонами металу (початкове) | < 0.1 ppb | Нуль (немає металів) |
| Вилуговування іонами металів (через 5 років) | 0,05-0,3 ppb (сукупний цикл пасивної плівки) | Нуль |
| Стійкість до фтору | Немає (швидка атака) | Повний (інертний) |
| Теплопровідність (Вт/м·K) | 54 | 0.25 |
| Необхідна відносна площа поверхні | 1.0 (базова лінія) | 3-4× |
| Вартість матеріалу (відносна) | 50-80× | 1× |
| Вартість теплообмінника (відносна) | 8-12× | 1× |
| Складність монтажу | Високий (важкий, вимагає підтримки) | Низький (легкий, гнучкий) |
| Термін служби при правильному застосуванні | 10-15 років | 15+ років |
PTFE: нуль металу за визначенням
PTFE не містить металів. Полімерний ланцюг повністю складається з атомів вуглецю і фтору. Немає металевих елементів, які можна вимивати в UPW за будь-яких хімічних або термічних умов у робочому діапазоні матеріалу.
Це не твердження про низьке вилуговування або повільну корозію. Це твердження елементного складу. Теплообмінник з PTFE не може вивільняти іони металу, оскільки в матеріалі немає іонів металу. Ця гарантія абсолютної чистоти не залежить від робочої температури, pH, хімічного складу та терміну служби.
Перевага чистоти виходить за межі звичайної роботи. Якщо хімічне порушення вводить фторид у UPW, танталовий теплообмінник кородує та виділяє іони металу. Теплообмінник PTFE не впливає. Якщо збій керування спричиняє температурні відхилення, пасивна плівка танталу може потовщуватися та вивільняти додаткові іони під час циклу відновлення. PTFE не відчуває таких змін.
Компроміси-від вартості та сліду
Танталові теплообмінники дорогі. Вартість матеріалу за кілограм у 50-80 разів перевищує вартість PTFE. Виготовлення вимагає спеціального зварювання в інертній атмосфері. Отриманий теплообмінник коштує у 8-12 разів дорожче, ніж еквівалентний PTFE блок.
Перевагою танталу є теплопровідність. Тантал при 54 Вт/м·K передає тепло в 200 разів ефективніше, ніж PTFE. Танталовий теплообмінник компактний, вимагає значно менше місця для установки. У переповнених напівпровідникових під-фабриках, де простір у великій вазі, ця компактність має справжню цінність.
ПТФЕ компенсує низьку теплопровідність за допомогою тонкостінних-трубок і великої-поверхні-конфігурації. Теплообмінник з ПТФЕ для заданого режиму опалення UPW фізично більший, ніж танталовий еквівалент. Чи має значення цей штраф розміру, залежить від доступного місця для встановлення.
Правила застосування
Для додатків повторного нагріву UPW, де можливе забруднення фтором-за хімічними-механічними планарними інструментами, у спільних системах подачі хімікатів або на підприємствах, де обробляються кілька хімічних речовин-PTFE забезпечує абсолютну безпеку від несправностей,-пов’язаних із фторидом.
Для застосувань UPW у контрольованому середовищі з гарантовано вільною водою-фтору та де простір для установки сильно обмежений, тантал може бути кращим, незважаючи на високу вартість. Різниця в чистоті за ідеальних умов досить мала, щоб будь-який матеріал задовольняв більшість специфікацій напівпровідників.
Для-хімічного повторного нагрівання високої чистоти з використанням кислот-зокрема HCl, HF або травлення змішаними кислотами-PTFE є однозначно кращим. Тантал несумісний з HF і маргінальний у гарячій HCl. PTFE інертний до обох.
Резюме
ПТФЕ й тантал конкурують за над-високо{1}}нагрівання-у напівпровідникових додатках на основі різних пропозицій вартості. Тантал забезпечує компактність і високу теплопровідність за високих капітальних витрат, з надзвичайно низьким, але не-нульовим вилуговуванням металу. ПТФЕ забезпечує абсолютну відсутність забруднення металом, повну хімічну інертність, включаючи стійкість до фтору, і нижчі капітальні витрати за рахунок більшої встановленої площі.
Вибір залежить від наявності місця для установки, ризику впливу фтору та конкретних характеристик чистоти напівпровідникового технологічного вузла. Для найвимогливіших вимог щодо чистоти та хімічно агресивних середовищ PTFE забезпечує гарантію, з якою не зможе зрівнятися жоден металевий -матеріал.
Технічний аналіз для вибору PTFE проти танталового теплообмінника для конкретних напівпровідникових застосувань доступний після надання технологічних хімікатів, робочих температур, специфікацій чистоти, доступного місця для встановлення та оцінки ризику впливу фтору.
