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    设备材料
    《如何替代用于洁净化学品交付的玻璃容器》
    出自:Entegris

    引言
    随着半导体行业塌缩到更小的节点和/或采用 3D NAND等复杂的体系结构,以继续追赶或取 代摩尔定律,业界关注的焦点往往是制程优化和化学配方改良。业界似乎很少考虑辅助技术,而此类技术对于满足当今细微特征和复杂结构的需求而言同样重要。在半导体制造制程中,以前化学品的交付并未被视为关键领域之一,但现在正变得越来越重要。

    以加仑玻璃瓶为例,它用于包装、存储、运输和交付洁净的制程用化学品,如光刻胶、蚀刻剂、前驱体、电介质等。多年来,这些容器对于当时的任务而言是适合的而且经济上很划算。然而, 随着今天的制造制程使用比以往更多的化学物质 - 在某些情况下甚至多达 20 种不同的化学物质 - 如何运输这些经常易挥发且腐蚀性的配方,同时保持它们的纯度,对制造过程来说是至关重要的。本白皮书探讨了依赖传统玻璃瓶所带来的挑战,探索了不同的替代方法,最终提出了应对这些挑战的可行性解决方案。

    玻璃容器面临的挑战
    晶圆厂和操作人员的安全、成本、可持续性以及对元件良率的影响是很关键的制造问题,在储存、运输和交付洁净化学品的过程中必须予以考虑。很遗憾,玻璃瓶作为当前的解决方案,为上述所有方面带来了挑战。一般来说,与玻璃瓶有关的问题可以按照安全性、灵活性和完整性挑战来进行分类。

    安全性挑战包括玻璃瓶破损、溢出、因密封不当导致的泄漏以及由此带来的环境影响。灵活性挑战源自于当今先进的晶圆厂。现在很难找到可以避免人为连接错误的玻璃瓶。完整性挑战是指任何可能导致化学物质污染,从而致使晶圆和元件缺陷的因素。这包括微量金属的渗入、微粒污染、可提取的有机物、水分和氧化。下面,让我们看看其中一些问题的根本原因。

    玻璃瓶非常易碎,从 30 厘米的高度落下便可摔碎;而且,如果玻璃瓶在轨道中未固定好,破损的可能性也会增加。随后发生的化学品溢出可能会导致操作人员出现健康问题。

    健康与安全
    玻璃瓶破损是造成晶圆厂工人受伤的主要原因。伴随着晶圆厂的扩建和提效,一些晶圆厂将玻璃瓶交付转移到了远离地面的运输系统中。

    由于玻璃瓶的适应性较差,不好拿放,这种发展趋势给玻璃瓶带来了另一个难题。玻璃瓶非常易碎, 从 30 厘米的高度落下便可摔碎;而且,如果玻璃瓶在轨道中未固定好,破损的可能性也会增加。随后发生的化学品溢出可能会导致操作人员出现健康问题。其中的许多化学成分都具有腐蚀性,并且易燃。这些化学物质释放到洁净室环境中会带来引发火灾的危险,使工具操作人员暴露在有害的烟雾和化学品中,并污染洁净的空间,从而需要成本高昂的清理工作并造成生产中断。

    使用手指拿放沉重的玻璃瓶而造成的劳损伤害是使用玻璃瓶的另一个缺点,并且晶圆厂的扩建更加剧了这一问题。在不改变玻璃瓶设计的情况下通过采用更大的容器来减少换瓶频次的做法,则会增加操作人员受伤以及相关诉讼的可能性。

    业界已经注意到由于这些问题导致的晶圆厂安全风险的增加。尤其是在韩国,先进技术制造商正加倍努力,以便用更安全的容器来替代玻璃瓶。

    成本增加
    玻璃瓶在半导体供应链中的旅程从玻璃瓶制造商处开始。为饮料业生产玻璃瓶的供应商同样也供应化学品供应商所使用的棕色的工业级加仑玻璃容器。然而,由于半导体市场不是这些供应商的优先供货对象,这些玻璃瓶的设计并未考虑到半导体的应用和洁净要求。因此,它们的运营效率较低。由于最小发货量通常为 10 万瓶,因此化学品供应商通常每次需要采购和储存多达 50 万瓶,这就增加了制造成本。

    宽松的玻璃瓶制造标准意味着化学品供应商必须对其接收的所有玻璃瓶进行检查。在某些情况下,40% 的玻璃瓶会因为不符合洁净室标准而被拒收。此外,这些玻璃瓶的洁净度也达不到半导体化学品所需的标准。它们在使用前和使用后必须进行清洗,而且一旦接触到化学品,就不能再循环使用。

    更有粘性的化学品(例如用于涂层制程的聚酰亚胺)是加压配送的。玻璃中的一个小疤痕都会导致玻璃瓶破裂。为了防止出现这种情况,这些玻璃瓶会被放置在一个压力容器中,以维持玻璃瓶内外的压力。这些辅助容器系统的安全设施体积庞大,占用了宝贵的晶圆厂空间。

    所有这些问题可能会导致因生产线中断、晶圆厂停产而引发的大量意外成本以及清洁洁净室所需的成本。

    使用问题

    为了确保半导体器件制造过程中化学品的安全存储、运输和交付,且保证制造过程兼顾成本效益与环保,一些领先的制造商正寻求玻璃容器的替代品。

    辅助容器系统的另一个副作用是晶圆污染。玻璃是由硅制成的,其中含有微量金属,这些金属可以渗入到化学品中,影响其纯度。这在 7 纳米节点中成为了一个问题,会导致晶圆出现缺陷。

    在盛放溶剂的情况下,必须为玻璃瓶排气以减轻压力。然而,化学品暴露在环境中也会改变其浓度。由于容器没有内衬,加压气体会与瓶内的化学品接触,并在管路中引入微气泡。切换到新的玻璃瓶时,操作人员必须将气泡从管路中排出——将气泡倾倒到排放管中,增加了产生废物的可能性。

    误操作问题(即工具操作人员在管路中换错化学品)也可能会污染制造制程。对于上述两种情况,化学相容性问题会显著影响良率。

    可持续性
    为了确定用于化学品储存、运输和交付的玻璃瓶对环境的影响,业界按照日本政府制定的指导方针开展了一项独立研究。这项研究确定,制造、运输和处理玻璃瓶的产品生命周期有较高的碳排放,并且玻璃瓶最终对环境有害^1。

    为了确保安全地存储、运输和交付在半导体元件制造中使用的化学品,同时还要做到经济实惠和环保,这就促使领先的制造商寻找玻璃容器的替代品。

    如何替代玻璃容器
    业界早已开始尝试解决玻璃瓶面临的问题。玻璃容器的替代品已经在市场上出现。尽管行业中 75% 的公司仍然使用玻璃瓶,但 25% 的公司已采用塑料瓶。然而,并不是所有可用的塑料瓶都能提供安全、环保和经济实惠的解决方案^2。

    三年前,一些半导体制造公司开始尝试用聚乙烯制造的瓶子来代替玻璃瓶。这个项目由于多个原因而失败了。首先,制造塑料容器的材料与所使用的制程化学品不相容。正如前面提到的,化学相容性可能会对元件良率产生相当大的影响,因此需要认真对待。它的形状也不像玻璃瓶,因此,需要对现有工具进行改造才能使用,这使得成本过高而无法负担。在试用聚乙烯瓶几个月之后,制造商又改回使用玻璃瓶。

    另一种经过探索但被放弃的方法是,在玻璃表面涂覆?;げ牧侠醇跎倨扑?。较厚的?;げ闶共A抗诒恐?, 无法放入到轨道中。尽管事实证明这种方案对于晶圆厂和化学品供应商来说成本都较高,但仍是一种值得考 虑的备选方案。成本较高的原因是,它需要对工具进 行修改以适应更大的容器尺寸,并且要求采用自动化 充填制程。

    寻找合适的解决方案
    经过 20 年的发展,一种替代玻璃容器的产品,即第一代采用内衬的瓶系统,被证明与其他替代产品相比是最 佳选择。自从 2011 年一家领先的集成元件制造商首先 开始采用镀铜的制程,这种新型的瓶系统现在占据了全球光刻技术市场份额的 20%,并且从 2017 年开始在 10 纳米节点制程中使用。

    这个系统的独特之处是可以防止误操作并提高良率,这也是一些公司采用它的初衷。每个塑料容器都附带各自的 SmartCap?,SmartCap? 上有一个独特的键码,它必须与具有相同代码的相应接头配对使用。这就避免了因操作人员出错而导致的错误连接问题。

    一家亚洲制造商受到此系统的启发,但并不满意其在 7 纳米及以下的所有制程中采用此系统现有的形式,正在带头重新设计一种塑料容器,以满足更严格的要求。例如,为了最大程度地减少工具转换的工作,晶圆厂正在寻求设计一种防漏瓶来替换玻璃瓶。它的熔出微量金属必须很少并且具有化学相容性。

    这些努力催生出了下一代瓶系统,该系统通过从内衬到轨道工具的封闭路径配送化学品,从而?;せ镏什换崾艿酵獠课廴?。这也可防止溶剂的蒸发损耗。此外, 这种瓶子独特的形状设计可以使化学品利用率达到 99.6% 以上。

    为了增加?;?,它还采用了外壳二级防护。外层包装材料提供了强大的紫外线 (UV) 阻隔,可?;す饪探夯访馐苡谰眯运鸷?。

    这种瓶子的外形尺寸与玻璃瓶一样。这种容器重量更轻、强度更高且不易破碎,并具有全氟烷氧基烷烃 (PFA) 瓶体以及由聚四氟乙烯 (PTFE) 制成的内衬,而该内衬可拆卸、更换和焚化。内衬进行了完全密封,以防止蒸发??刹鹦兜哪诔氖沟猛獍翱梢匝防?。内衬具有阻隔功能,可将化学品与外部气体隔离开。因此,与以前使用的玻璃瓶不同,现在不需要辅助的压力容器。

    这种新设计的另一个优点是容器充填重量。装满化学品的玻璃容器重约 5.3 千克,而塑料替代品的充填重量为 4.1 千克——就标准的一加仑瓶而言,两者重量相差 20%。

    这些不易碎的下一代聚乙烯容器尺寸更小,所需包装材料更少,从而减少了运输成本??悸堑焦饪探夯返谋V势诮隙?,因此需采用航空运输。这种新设计可实现更低成本的运输。

    装满化学品的玻璃容器重约 5.3 千克,而塑料替代品的填充重量为 4.1千克——就标准的一加仑瓶而言,两者重量相差 20%。

    在日本的晶圆厂,玻璃瓶处理的成本为 2-3 美元/瓶。而处理采用 PTFE/PFA 内衬的聚乙烯瓶几乎不需要任何费用。这是因为,尽管内衬无法重复使用,但很容易从瓶中拆下并存储在 55 加仑的大桶中。当这些大桶装满后,便可运送到废品处理公司并支付一些象征性的费用(这部分费用将由制造商予以补偿)。废品处理公司然后会将它们出售给能源发电厂进行焚烧。此外,外包装是完全可以循环使用的。总而言之,此系统设计为尽可能多地重复使用或循环使用,以减少浪费。

    总结
    这种采用内衬的瓶系统重量更轻、强度更高且不易碎,相比玻璃瓶更安全,而且运输成本更低。

    多年来,玻璃瓶一直是半导体器件制造过程中存储、运输和配送化学品的标准容器。随着器件尺寸越来越小, 玻璃瓶成为了导致元器件缺陷的新根源。除此之外,随着晶圆厂的规模扩大和自动化程度提高,人们对安全性日益关注,这促使业界开发玻璃容器的替代品。

    最初使用塑料容器代替玻璃容器的尝试很快失败了。当时只有某些塑料可以使用,而必要的额外包装成本使这些塑料容器变得不切实际。主要由亚洲元件制造商推动的新尝试获得了一个可行的、可在全球范围实施的解决方案。这种以聚乙烯内衬为基础的瓶系统采用 PTFE/ PFA 内衬,完全密封设计,减少了通过溢出或蒸发产生的化学品废物。这种瓶系统重量更轻、强度更高并且不易破碎,相比玻璃瓶更为安全,而且运输成本更低。

    参考文献
    1 “The CO2 Assessment of Chemical Containers” E.A.Solutions, Report 2010
    2 百分比基于 NOWPak? 内存系统的客户调查。75% 的容器为玻璃瓶,20% 的容器为 Entegris NOWPak 瓶,5% 的容器为其他 类型的塑料瓶。

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    文章收入时间: 2019-01-07
     
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