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在保持化学品纯度的同时减少半导体含氟聚合物流体处理系统中的静电放电
录入时间:2017/2/13 13:20:06

在保持化学品纯度的同时减少半导体含氟聚合物流体处理系统中的静电放电

作者:Mark Caulfield、John Leys、Jim Linder 和 Brett Reichow,Entegris 公司,马萨诸塞州比勒利卡市

含氟聚合物静电放电 (ESD) 软管可将静电电荷降低至可燃半导体化学品的点火能量以下的水平,同时保持化学品纯度,从而确保安全性和改进工艺良率。

半导体工艺,例如光刻和湿法蚀刻和清洗,在先进工艺节点上对金属更加敏感。因此,来自化学品输送系统的析出金属可能导致严重的晶圆缺陷,对工艺良率产生负面影响。为了消除对良率的这种负面影响,晶圆厂不再使用过去针对易燃溶剂采用的不锈钢流体处理系统,而改为使用含氟聚合物系统。改用含氟聚合物使得制程化学品中的析出金属减少。

 但是,随着越来越多的含氟聚合物系统投入使用,在 PFA 软管等部件中,又出现了静电放电的新问题。半导体行业中使用的溶剂导电率较低,因而能够产生和保留电荷。当这些溶剂在含氟聚合物系统中输送时,由于含氟聚合物材料的不导电特性和溶剂的低电导率特性,产生静电和放电的风险也大幅增加。在输送易燃溶剂的含氟聚合物系统中发生的 ESD 效应可能形成穿透软管的泄漏路径,还可能点燃周围富含溶剂的易燃环境。 1 显示了 ESD 产生的穿透软管的泄漏路径示例。

 

 

图 1:穿透 PFA 软管壁的放电示例(0.062 英寸直径的软管壁厚度)

 

影响静电荷积聚的因素

低电导率的流体在不导电的软管中流动,能够导致流体与软管壁边界处的电荷分离,如 2 所示。这种电荷分离类似于两种材料相互摩擦时发生的现象,并会转移电荷,如 3 所示。由于电子的转移而产生电荷,类似于在干燥条件下在地毯上行走时产生的电荷。

 

图 2:流体与软管壁边界处的电荷分离 [1]。

  

 

 

图 3:摩擦导致的电荷转移 [1]。

 

影响电荷产生的软管特性

1 列出了一些软管特性,它们都是影响电荷产生和积聚的因素。对于每种特性,表格都注明了它们对电场强度的影响。例如,当软管的内径增加时,可供电荷产生的表面积也越大,因而电荷和电场强度都会增加。

                  

表 1.影响在软管上形成的电荷的软管特性

 

流体处理系统中的电荷产生和积聚的整体机制非常复杂。Walmsley, H. L. (1996) 描述了这种电荷产生和积聚机制的模型。[2]这种模型说明了影响静电荷产生和积聚的因素,它是由于流体处理系统中的流体流动导致的。

 

影响电荷产生的流体特性和条件

2 列出了一些流体特性,它们都会影响电荷产生和积聚。美国国家消防协会 (NFPA®) 77 标准的第 9.3.3.1 条指出:“在接地系统中,液相的电导率对液体或其中悬浮物质的电荷积聚有很大影响。”[3]

 



表 2:影响产生或积聚的电荷数量的流体特性
 

 

3 列出了行业中使用的一些低电导率化学品。

 

 

表 3:半导体工艺中常用流体的电导率

非溶剂应用中的高流速 ESD 效应示例

在清洁新安装的 PFA 化学品管线的过程中,我们将稀释的化学品注入管线中,然后进行氮清洗,然后使用超纯去离子水。在能够将完全浓缩的化学品注入大宗化学品输送管线之前,必须去掉管线中的水。为了去掉残留的去离子清洁水,我们吹入高纯度的干燥氮气,使其高速通过管线。高纯度氮气和粘附在软管的内壁上的水滴,会产生和保留大量静电荷。这些流动条件可能引发 ESD 效应,导致软管和流体处理部件穿孔。使用高纯度蒸气进行处理时,也可能出现相同的电荷产生和积聚机制。

 用于溶剂化学品输送的 PFA 系统也可以依次进行去离子水冲洗和氮气清洗。但是,仅进行氮气清洗的做法要普遍得多,而在氮气导入时则会引发 ESD 效应。

 

ESD 对含氟聚合物流体处理系统的潜在影响

介电强度是材料绝缘强度的度量指标。NFPA 77 标准将介电强度定义为“在不发生电击穿的前提下,材料能够耐受的最大电场。”[3]

 介电强度通常以伏特每毫米厚度为单位。随着壁厚度和介电强度增加,软管更能抗击电击穿,防止通过软管壁放电。

标准含氟聚合物软管,例如 PFA,是非常好的绝缘体,具有很高的介电强度。PFA 的绝缘特性使得它很难接地,而且有利于软管系统中的电荷产生和积聚。在一些现场实例中,产生的电荷能够形成穿过软管壁的放电路径,进而导致泄漏。在放电形成第一个流体泄漏路径之后,很可能会在更低的电荷水平下,通过同一个泄漏路径放电,产生更多静电。

 

软管外部的火花可以点燃富含溶剂的环境

发生起火或爆炸必须满足的两个条件是:充电产生足够的能量;易燃或可燃的环境。穿透软管壁的放电或从软管外部到接地处的放电可能导致易燃溶剂泄漏,进而引起爆炸。

火花产生多大的能量,能否点燃易燃的流体或气体,这些都与放电电压的平方值直接相关,如公式 1 所示。[3] 随着电压升高,产生的能量也随之增加,可能点燃易燃环境。

 

公式 1:

W = ½ CV2

其中:

W = 能量(焦耳)

C = 电容(法拉)

V = 电势差(伏特)

为了评估放电能量是否足以导致点燃,我们要考虑流体或蒸气的最小点火能 (MIE) 值。 4 列出了常用半导体流体的 MIE 值。

 

 

 

表 4:半导体工艺中常用的流体的 MIE 值

ESD 软管:减少静电放电的提议解决方案

NFPA 77 标准列出了在不导电管道中减少由于不导电流体流动而导致的电荷积聚数量的多种策略。[4] 其中几种策略是:

 

1. 减小流动速度

2. 将管壁电阻率降低至 10^8 ohm-m 以下

3. 通过以下方法,提高管壁材料的击穿强度:

a. 增加厚度

b. 将材料更换为击穿强度更高的其他材料

4. 提高流体的电导率。(与其他行业不同,在半导体工艺行业中,不允许有任何附加的微粒,特别是导电的微粒,因此采用这种方法的可能性极小。)

5. 在管道上附加一个外部接地导电层

 

 

图 4:Entegris 的 FluoroLine ESD 软管可以最大程度地减少与晶圆厂的静电放电相关的潜在问题

 

Entegris 选择采用策略 5,并且开发了 FluoroLine® 软管,

软管外部带有静电耗散型 PFA 条纹,可以连接到地面(请参见 4)。在软管外部发生电荷积聚的原因是流体流动被重新引导至外部接地路径( 5)。这种方法符合 NFPA 77 标准的论述“可在某些塑料或橡胶中加入炭黑,以提高电导率。”[3] 填充炭的塑料和橡胶微粒有时具有足够的导电性,能够像金属物体那样接地。

 

 

 

图 5:1⁄2 英寸 FuoroLine 静电耗散型软管

 

软管外部的共挤 PFA 炭条纹旨在保持软管的纯 PFA 内层清洁。 使用这些条纹的另外一个目的是让我们能够看到软管内部的流体。

 我们制作了用于固定 4 英尺和 28 英尺长软管样品的测试组件,用于模拟客户使用此种软管的情况( 6)。软管末端连接到 PFA 接头上,与客户使用的接头相同,因此电荷不会通过末端连接释放。

 


 

图 6:英尺和 28 英尺长度软管的测试设置

 

为了模拟客户在系统试运行过程中常见的流动条件,我们让不导电 18 Mohm 去离子 (DI) 水和超洁净干燥空气(XCDA® 清洗气)在软管中交替流动。 5 列出了 XCDA 和去离子水的流速范围,以及软管进口处的相应压力。

 

 

表 5:压力和流动条件

 

 

 

表 6:用于静电放电测试的软管和材料
 

 

 

 

 

图 7:Monroe Electronics 257C-1 型号的 20 KV 至 20 KV 静电场测试仪,用于测试 ESD 电荷
 

 

100% 流速是在该测试设置下能够达到的通过软管的最大流速。我们对减小流速的情况进行了测试,以确定流速对产生的电荷量的影响。

我们使用了一部 Monroe Electronics 257C-1 型号的 20 KV 至 -20 KV 静电场测试仪,在距离软管外部 1 cm 的位置测量电荷量( 7)。测试过程中,我们还使用电阻表来监测去离子水的电阻。

注意:由于清洁氮气和 XCDA 具有极高清洁度,因此它们是良好的绝缘体,能够形成和保持很大的电势。

 

测试程序

• 将软管切割为适当长度,安装在固定装置上,每端都有不导电的 PFA 聚合物接头。安装之后,软管样品、接头和探针尖头都用 IPA 擦净。

• 在整个测试过程中,测量和监测去离子水的电阻。

• 放置静电场强计,探针位于距离软管外部 1 cm 的位置。

• 向软管中注入去离子水和 XCDA 的交替流,在软管长度的三个不同位置测量场强。每个软管都会

处于此种流动条件下,没有导电的接地带将软管连接到地面。另外,将流速降低至 75%、50% 和 25%

 

测试结论

1. 将标准 PFA 软管接地,不会降低由于 XCDA 和去离子水在内部流动而产生的软管外部电场电压。在 XCDA/去离子水输送系统中,测量到最高 20 KV 的电场电压( 8)。

2. 将 ESD PFA 软管和不锈钢接地,不会大幅降低由于 XCDA 和去离子水在内部流动的而产生的软管外部电场电压( 8)。

3. 对于 PFA、ESD PFA 和不锈钢而言,4 英尺和 28 英尺长的软管产生的电场电压不会发生很大变化。

4. 随着流速降低,接地 ESD PFA 软管和 PFA 软管的最大绝对电场电压都会减小( 9)。

5. 在 PFA 或 ESD PFA 软管中,整个测试过程中都没有形成流体泄漏路径。

6. 4 英寸长的 PFA 软管的电容值测量为 56 pF。使用此电容值,以及场强计在测试中测量的电压 20 KV,可以计算出放电能量为11.2 mJ。此能量水平超过了 4 所列的流体的 MIE 值,有可能导致流体点燃,从而产生烟雾。

将同一公式应用于接地的 ESD 软管,我们测量的最大 1.5 KV 电压的电场,电容为 52 pF,据此计算出的放电能量为 0.059 mJ,此值低于 4 所列的流体点燃能量的阈值。

 

 

图 8:软管外部的电场电压

  


   

 

图 9:在内部流速降低的情况下,软管外部的电场电压

 


结论

半导体工艺,例如光刻和湿法蚀刻和清洗,在先进工艺节点上对金属更加敏感。因此,晶圆厂改为使用含氟聚合物处理系统。随着含氟聚合物系统的使用增加,在 PFA 软管等部件中,又出现了静电放电的新问题。静电放电会增加潜在的泄漏、燃烧和爆炸风险。

由于含氟聚合物材料的不导电特性和溶剂的低电导率特性,在含氟聚合物系统中输送的溶剂将会大幅提高产生静电和放电的风险。Entegris 了解影响含氟聚合物流体处理系统中的电荷产生和积聚的因素,因此他们开发了有效的解决方案,事实证明它能够消除软管外部的静电积聚。Entegris 的 FluoroLine ESD 软管带有外部静电耗散型 PFA 炭条纹,可将外部的电荷积聚重新引导至外部接地路径。这种软管能够保持化学品纯度,当适当接地时,它还能最大程度地减少静电放电效应,有助于提高工艺良率,同时确保安全性。

 

参考资料

1.Walmsley, H. L.,“避免石油工业中的静电危害”,第 19 页和第 33 页。

2.Walmsley, H. L. (1996)。“液体流动产生的静电场和电势”,《Journal of Electrostatics》杂志,第 38 卷,第 249 – 266 页。

3.NFPA 77:3.3:16, 6:9:1, 7.4.3.4, 779.3.3.1.美国国家消防协会。

4.NFPA 77 (A.10.2) 美国国家消防协会。


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