Ужесточение требований к средствам доставки химикатов

Ужесточение требований к средствам доставки химикатов

Выпуск 21 (6720) от 29 октября 2020 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Из всех отраслей промышленности, которым требуются постоянные поставки как сырья, так и специальных химикатов, полупроводниковая промышленность устанавливает самую высокую планку чистоты. По мере того как производители полупроводниковых приборов продолжают осваивать новейшие технологии со все меньшим размером топологических элементов, что обусловлено основными тенденциями технологического развития человечества (включая искусственный интеллект, сети и средства связи 5G, технологии больших данных), требования к чистоте материалов продолжают ужесточаться.

Ужесточение требований к чистоте материалов связано с тем, что при переходе на каждое следующее технологическое поколение с уменьшением размеров топологических элементов логических приборов и запоминающих устройств данные схемы становятся более чувствительными к загрязнениям и дефектам. Это, в свою очередь, может приводить к снижению выхода годных, производительности и надежности. Соответственно, отраслевые органы стандартизации прилагали и прилагают большие усилия к разработке и совершенствованию стандартов на сырье, компоненты и аналитические методы, что должно гарантировать точную поставку химических веществ высокой чистоты по всей отраслевой цепочке поставок.

Поставщики сырья и специализированных химических веществ для полупроводниковой промышленности стараются неизменно соответствовать стандартам. Снижение уровня чистоты полупроводниковых материалов, возникающее по различным причинам, крайне нежелательно, поскольку может отрицательно сказаться как на поставщике, так и на промышленном потребителе этих материалов.


Проблемы поставщиков химических веществ

Основная проблема поставщиков химических веществ для полупроводниковой промышленности – ​поддержание чистоты материалов на протяжении всего процесса производства, хранения, обработки, фильтрования и транспортировки до конечного потребителя.

Поскольку требования к чистоте материалов, используемых при производстве новейших ИС с минимальными проектными нормами, достигли уровня нескольких загрязняющих частиц на миллиард (particles-per-billion, PPB) и даже на триллион (particles-per-trillion, PPT), вероятность загрязнения возникает во многих точках прохождения данных химикатов от производителя к заказчику. Возможность привнесения частиц размером менее 100 нм или металлических загрязнений появляется при производстве, хранении или доставке конечному потребителю. Как ни странно, наиболее распространенной причиной загрязнения становится химическое взаимодействие целевого материала с полиэтиленом высокой плотности (high-density polyethylene, HDPE), применяющимся для изготовления складских или транспортных цилиндрических контейнеров, соединительных систем и т. п. Из-за подобных загрязнений химическая чистота материала может снизиться с уровня РРВ до уровня нескольких частиц на миллион (particles-per-million, PPM).

Уровень загрязнений у поставщиков сырья и специализированных химических веществ и соединений неодинаков. Так, например, 80% продукции поставщиков химического сырья обладает степенью чистоты промышленного класса, в то время как чистоту полупроводникового класса демонстрирует только 20% материалов. Контейнеры для хранения, транспортные цилиндрические контейнеры, промежуточные контейнеры для насыпных материалов (intermediate bulk containers, IBC) и соединительные системы выполняются по разным стандартам качества в зависимости от области применения и обязательных промышленных требований. Например, требования к химикатам для обработки воды в плавательных бассейнах на порядки мягче требований, предъявляемых к химикатам, используемым в полупроводниковом производстве. Однако зачастую эти химикаты поставляются одним и тем же поставщиком. Для поддержания требуемого уровня чистоты крайне важно, чтобы поставщики химического сырья для упаковки материалов полупровод-никового класса использовали соответствующие контейнеры и соединительные системы.

Важно отметить, что почти все специализированные полупроводниковые химикаты используются в технологических операциях, требующих высокого уровня чистоты – ​таких как литография, осаждение и травление. Только для химико-механической планаризации (СМР) столь жесткие требования оказываются избыточными, поэтому поставщики суспензий для этих процессов могут использовать цилиндрические контейнеры и соединительные системы более низкого качества. Остальные же поставщики обязаны использовать контейнеры, соответствующие самым высоким стандартам.

Таким образом как поставщики сырья, так и поставщики специализированных химических веществ сталкиваются с проблемой поиска поставщика соединительных систем, отвечающих требованиям чистоты полупроводникового класса. Многие поставщики средств хранения, обработки и фильтрации, как и собственно поставщики сыпучих химических веществ, обслуживают разные рынки, при этом производство полупроводниковых приборов является для них нишевым рынком.


Проблемы уровня производственной линии или участка

Из-за вышеупомянутых проблем, с которыми сталкиваются поставщики химических веществ, в сочетании с постоянно ужесточающимися требованиями к чистоте контроль непрерывных поставок чистых химикатов становится трудной задачей для менеджеров уровня производственной линии или участка – ​велик риск получить некачественные химикаты.

Если конструкции контейнера и соединительной системы выполнены разными поставщиками, то существенно возрастает риск утечек и разливов из-за неправильного подключения. Например, если между неподвижным соединителем и погружной трубкой барабана не будет образовано адекватное уплотнение, то не будет достигнута чистота потока химического вещества. Кроме того, менеджеры производственных линий и участков должны следить за тем, чтобы в каждую систему доставки распределялись соответствующие химические вещества. Обеспечить это без системы с кодовым ключом от одного поставщика гораздо сложнее. Если на инструментальное средство или пластину попадает не то химическое вещество, это чревато не только угрозой для безопасности, но и риском потенциального ущерба (иногда в миллионы долларов) из-за выбраковки пластин.


Что влияет на химическую чистоту контейнеров?

Несколько факторов, влияющих на чистоту химических веществ для полупроводникового производства, относятся к контейнерам и связанным с ними компонентам для хранения, транспортировки, обработки и распределения технологических химикатов.

Наиболее очевидный фактор – ​загрязнение частицами самих контейнеров и сопутствующих элементов (рис. 1). Например, при неправильной очистке после опорожнения контейнера могут сохраниться загрязняющие частицы в движущихся элементах, закрытых при промывке патрубках и т. п.

Менее очевидное загрязнение может быть получено в ходе взаимодействия между материалами, из которых изготовлен контейнер, и химическими веществами, перевозимыми или хранящимися в нем. Например, со временем из внутреннего смачиваемого слоя трубок, клапанов и очистителей могут выщелачиваться металлы, что, в свою очередь, несомненно, влияет на состав химических веществ.

Кроме того, решающее значение имеет выбор производителем контейнера полимеров для изготовления своей продукции – ​те или иные полимеры, по-разному взаимодействуя с различными химическими веществами, с большой долей вероятности могут образовывать органические загрязнения, отрицательно влияющие на чистоту.

Наконец, из-за несогласованных нормативных испытаний партий контейнеров и компонентов становится практически невозможно определить, будет ли конкретная партия столь же хороша, как предыдущая или последующая.


Что влияет на химическую безопасность контейнеров?

Одна из главных забот поставщиков химических веществ наряду с чистотой – ​безопасность доставки и транспортировки технологических химикатов на полупроводниковое предприятие. Как и в случае с чистотой, на пути доставки химических продуктов есть много точек, способных спровоцировать потенциально катастрофическую ситуацию.

Одним из факторов безопасности является общая конструкция цилиндрического контейнера или промежуточного контейнера для насыпных материалов, их стойкость к воздействиям во время транспортировки. Например, защищены ли верхние порты упаковки при хранении на складе или при транспортировке? С одной стороны, безопасность обеспечивается частыми проверками контейнеров на наличие повреждений или утечек. С другой стороны, большое внимание должно уделяться полимеру самого контейнера. В этот полимер должны входить вещества, защищающие содержимое от УФ-излучения, высоких температур и т. п.

С точки зрения безопасности получателя и высокой ценности химических веществ, используемых в полупроводниковом производстве, цилиндрические контейнеры предпочтительнее приобретать у поставщиков, обеспечивающих их структурную целостность, а также выполняющих в рамках соблюдения требований безопасности как физические испытания на падение, так и гидроиспытания ежедневно, а не ежегодно, что является минимальным нормативным требованием.

Во время транспортировки цилиндрические контейнеры могут подвергаться различным жестким воздействиям, включая вибрации. Плескание жидкостей внутри контейнера при вибрациях и колебаниях оказывает воздействие на целостность уплотнений. То же относится к уплотнениям, соединяющимся с дозирующей головкой и обеспечивающим защиту от утечек и разливов. Если контейнеры и компоненты для них поставляются разными поставщиками, существует риск недостаточно надежного соединения, что приведет к утечкам и разливам.

Если химические соединения не агрессивны, последствия разлива или утечки легко устранить. Однако в некоторых случаях, например при использовании фтористоводородных (HF) химикатов, утечки создают опасность гибели людей. В результате, если на внешней стороне контейнера при доставке обнаруживаются даже незначительные потеки, менеджер производственной линии или участка должен забраковать его, предположив протечку или загрязнение.


Некоторые замечания о средствах доставки химикатов для полупроводникового производства

Поскольку цилиндрические контейнеры, промежуточные контейнеры для насыпных материалов и соединительные системы используются в различных отраслях промышленности, все они обладают разными техническими характеристиками. Соответственно, важно найти именно те, что разработаны специально для химических материалов, используемых в полупроводниковой промышленности. Не все контейнеры и компоненты для них одинаково стойки, и последствиями их выбора исключительно с ценовой точки зрения могут стать существенные потери как для поставщиков материалов, так и для производителей полупроводниковых приборов.


Цилиндрические контейнеры

Конструктивно предпочтительнее цилиндрические контейнеры, спроектированные с высокими уторами14, чья высота перекрывает высоту портов (выпускных устройств). Если такие контейнеры штабелируются, то высокий утор поглощает нагрузку верхних контейнеров, снижая риск повреждения порта во время транспортировки.

В случае цилиндрических контейнеров большое значение также имеет выбор полимера для изготовления полиэтилена высокой плотности (HDPE) – ​он должен предотвращать загрязнения и поддерживать целостность самого контейнера в течение желаемого срока службы. Выбор полимера с подходящими стабилизаторами и правильными объемами их добавок положительно скажется на химической чистоте материалов и безопасности контейнера. Для правильного понимания свойства разных полимеров производителям контейнеров важно сотрудничать со специалистами в области материаловедения. Каждая партия полимера должна быть перед использованием проанализирована и подвергнута тестированию на загрязнения.

Цилиндрические контейнеры с высокочистым смачивающимся слоем обеспечивают дополнительную защиту чистоты содержимого и предпочтительны по сравнению с контейнерами без такого слоя. Наконец, каждая партия контейнеров должна пройти испытание на деионизированные частицы воды, давление паров и типы химических соединений, иметь сертификат подтверждения прохождения тестов.


Промежуточные контейнеры для насыпных материалов

Как и в случае с цилиндрическими контейнерами, решающее значение для поддержания химической чистоты содержимого имеет правильный выбор полимера. Промежуточные контейнеры для насыпных материалов (IBC) нечасто используются для перевозки сыпучих химических веществ под высоким давлением паров. Поскольку HDPE совместим не со всеми химическими веществами, некоторые IBC изготавливаются из перфторалкоксилов (PFA, сополимер ТФЭ и винилэфира), непроницаемых для химических веществ. Это вполне жизнеспособный вариант для транспортировки более агрессивных специальных химикатов.


Соединительные системы

Как уже говорилось ранее, выбирать соединительную систему и цилиндрический контейнер по отдельности – ​не лучший вариант. Предпочтительнее получать их из одного и того же источника. На это есть несколько причин.

Во-первых, готовые стандартные соединения не предназначены для сохранения целостности химических веществ во время хранения, обработки, транспортировки и доставки. Попытка сочетать соединительные системы и цилиндрические контейнеры, не предназначенные для совместной работы, приводит к невозможности поддержания герметичности и может привести к опасным утечкам и разливам. Поэтому крайне важно использовать те соединительные системы, что разработаны в соответствии со строгими техническими требованиями и предназначены для совместной работы с отверстиями портов цилиндрических контейнеров. В идеале цилиндрические контейнеры, соединительные системы и дозирующие головки должны быть собраны или очищены в чистом помещении, чтобы обеспечить общую чистоту всего контейнера в сборке.

Во-вторых, для защиты от небезопасного смешивания химикатов некоторые поставщики предлагают соединительные системы с кодированными ключами, требующими согласования кодов порта или вставки барабана и дозирующей головки (рис. 2). Такие системы доступны только у поставщиков, предоставляющих как цилиндрические контейнеры, так и соединительные системы, а также аттестующих их в соответствии с нормативными требованиями.


Выбор надежного поставщика контейнеров и соединительных систем для химических материалов

Выбор надежного поставщика комплексных решений – ​наиболее эффективный и экономичный способ снижения как загрязнений, так и рисков безопасности при хранении, транспортировке или дозировании химических веществ. Такие поставщики предлагают контейнеры для химических веществ с контролируемыми уровнями загрязнений, обладают знаниями в области обработки фторполимеров и способов контроля потенциальных источников загрязнения. Кроме того, они предоставляют полный пакет услуг, соответствующий требованиям регулирующих органов, чего тяжело достичь при работе с несколькими поставщиками компонентов. Наконец, это просто наименее трудоемкий вариант.

Кроме того, важно выбрать партнера, который активно инвестирует в исследования по выявлению возможностей внесения загрязнений и принимает корректирующие меры для их предотвращения. Это важный первый шаг в усилиях по сокращению загрязнений.

Идеальные партнеры накапливают передовой опыт, такой как поиск ультрачистых PFA-материалов, проводят тесты на извлечение металлов и загрязнений из своей продукции и оптимизируют процессы снижения загрязнения. Они также должны уделять приоритетное внимание выбору полимеров и знать, как использовать средства управления технологическим процессом для контроля чистоты. Наконец, они должны быть готовы поставлять только самые чистые доступные материалы, чтобы обеспечить максимально надежные полимерные решения для защиты общего качества и эффективности процесса.


Заключение

Для обеспечения бесперебойной поставки химических веществ, отвечающих требованиям высокой чистоты, действующим в полупроводниковой промышленности, наиболее эффективным подходом для производителя химических веществ будет партнерство с поставщиком контейнеров, который может обеспечить сквозную систему обработки, транспортировки и доставки химических веществ, отвечающую нормативным требованиям как по чистоте, так и по безопасности. Таким образом возможно создать комплексное решение, благодаря которому материал сохранит химическую чистоту при отправке заказчику, а контейнер при поступлении на завод можно будет просто подключить к системе распределения химических веществ. В этом случае как производитель химикатов, так и полупроводниковое производство получают выгоду от упорядоченного процесса и могут быть уверены в чистоте химикатов и безопасности их доставки.


Ensuring Purity and Safety: How to Select the Right Container System for Safe, Clean Chemical Delivery. White Paper. Entegris, October 2020: https://info.entegris.com/white-paper-how-to-select-the-right-container-system-for-safe-clean-chemical-delivery?utm_campaign=AMH Clean Chemical Deliver&utm_source=semi-digest&utm_medium=newsletter&utm_term=purity-safety-clean-chemical-delivery&utm_content=whitepaper


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ