El problema d'incrustació abrasiva en l'escalfament de purins CMP
Els purins de planarització mecànica química contenen partícules abrasives de sílice, ceria o alúmina amb mides de partícules primàries de 20 a 150 nm que formen aglomerats de fins a 1 a 5 micres durant l'emmagatzematge i el transport. Quan el purín escalfat passa per les superfícies de l'escalfador de PFA, aquests aglomerats es poden incrustar al polímer, creant rugositat que accelera l'acumulació de partícules. L'anàlisi quantitativa de 31 sistemes de distribució CMP en fàbriques de semiconductors mostra que la microduresa de la superfície de PFA (mesurada per sagnat de Vickers) es correlaciona inversament amb la profunditat d'incrustació, amb cada augment de 5 MPa de duresa que redueix la profunditat d'incrustació de 0,3 a 0,5 micres després de 2000 hores de funcionament.
Mecanisme d'incrustació i dependència de la duresa
La incrustació de partícules abrasives a les superfícies de PFA es produeix quan la tensió aplicada del contacte amb la paret-de partícules supera el límit elàstic del polímer. Per a un aglomerat de 2-micres que viatja a 1,5 m/s en purins, la tensió d'impacte es calcula a aproximadament 35 MPa. El PFA estàndard presenta una microduresa Vickers de 55 a 65 MPa a 25 graus, baixant de 25 a 35 MPa a 60 graus típic de la distribució de purins CMP. Quan l'estrès d'impacte de partícules supera la duresa-corregida per la temperatura, el polímer es deforma plàsticament i encapsula l'aglomerat. Els graus de PFA endurits que incorporen entre un 10% i un 20% de polieteretercetona o una barreja de poliimida aconsegueixen una duresa a temperatura ambient-de 85 a 100 MPa, conservant de 50 a 65 MPa a 60 graus. La microscòpia transversal dels escalfadors després de 2000 hores mostra una profunditat d'incrustació de 2,8 micres per a PFA estàndard enfront de 0,9 micres per a PFA endurit.
Llindar de mida de l'aglomerat de partícules per a la incrustació
El diàmetre crític de l'aglomerat per a l'inici de l'encaixament s'escala inversament amb la duresa superficial. Per a PFA estàndard a 60 graus (duresa 30 MPa), els aglomerats de més d'1,8 micres creen una tensió de contacte suficient per incrustar-se. Per a PFA endurit (duresa 55 MPa a 60 graus), el llindar augmenta a 3,2 micres. Els sistemes de filtració de purins CMP solen utilitzar filtres absoluts d'1 o 2 micres, el que significa que la majoria dels aglomerats que passen pel filtre estan per sota de 2 micres. En sistemes amb escalfadors PFA estàndard, el llindar d'1,8 micres significa aglomerats d'entre 1,8 i 2,0 micres encastats, contribuint a la rugositat de la superfície. En sistemes amb PFA endurit, el llindar de 3,2 micres garanteix que pràcticament tots els aglomerats filtrats passin sense incrustar-se. Les dades de camp confirmen que els escalfadors de PFA endurits mantenen Ra per sota de 0,8 micres durant les primeres 3000 hores, mentre que els escalfadors de PFA estàndard superen Ra 1,5 micres en 1500 hores.
Intercanvi de conductivitat tèrmica-desactivat per graus endurits
La barreja de polímers que augmenta la microduresa de PFA també redueix la conductivitat tèrmica. El PFA estàndard condueix la calor a 0,19 W/m·K a 60 graus. Graus endurits amb un 15% de conducta de barreja de PEEK a 0,17 W/m·K, una reducció del 11%. Per a un escalfador que dissipa 15 W/cm² a través d'una paret de 2,0 mm, la caiguda de temperatura a través del PFA augmenta de 15,8 graus a 17,9 graus, augmentant la temperatura interna del cable en 2,1 graus. Aquest augment és generalment acceptable per a aplicacions de CMP on les temperatures dels purins són moderades (35 a 45 graus) i els marges de degradació de PFA són amplis. Tanmateix, per als processos CMP d'alta-temperatura que superin els 55 graus , els efectes combinats de la conductivitat tèrmica reduïda i la temperatura de funcionament elevada poden provocar temperatures internes del cable per sobre dels 200 graus , accelerant l'envelliment de l'aïllament. En aquests casos, el benefici de la duresa s'ha de ponderar amb la reducció de la vida útil de l'escalfador.
Estabilitat de la duresa superficial sota l'abrasió de purins
La microduresa de les superfícies de PFA no és estàtica en el servei de purins CMP a causa del desgast abrasiu i el possible suavització per atac químic. El PFA estàndard a 60 graus en purins a base de ceria-(pH 10,5) mostra una reducció de la duresa de 30 MPa a 22 MPa després de 1000 hores a causa de la plastificació superficial per ions hidròxid. Els graus de PFA endurits amb barreja de PEEK mostren menys sensibilitat, disminuint de 55 MPa a 48 MPa en condicions idèntiques. La retenció de la duresa en purins químicament agressius és tan important com la duresa inicial. Els proveïdors haurien de proporcionar dades de duresa després d'una immersió de 1.000 hores en la química específica dels purins, ja que l'envelliment accelerat en aigua desionitzada no representa condicions reals de servei. Els purins de ceria són especialment agressius als fluoropolímers a causa de la combinació de pH elevat i partícules abrasives mecànicament dures.
Prevenció d'incrustacions per duresa i filtració
| Tipus de purins CMP i temperatura de funcionament | Grau de duresa PFA | Duresa Vickers a la temperatura de funcionament | Profunditat d'incrustació d'aglomerats prevista a les 2000 hores | Classificació de filtració necessària per a la incorporació zero |
|---|---|---|---|---|
| Sílice, pH 10,5, 40 graus, òxid CMP | Estàndard (65 MPa a 25 graus) | 35 MPa | 1,8 a 2,2 micres | 1,0 micres absoluts |
| Sílice, pH 10,5, 40 graus, òxid CMP | Endurit (95 MPa a 25 graus) | 60 MPa | 0,6 a 0,9 micres | 2,0 micres absoluts |
| Ceria, pH 10,8, 45 graus, STI CMP | Endurit (95 MPa a 25 graus) | 55 MPa | 0,8 a 1,1 micres | 2,0 micres absoluts amb resistència química |
| Alúmina, pH 4,0, 35 graus, metall CMP | Endurit o estàndard | 35 a 50 MPa | 1,2 a 2,5 micres depenent del grau | 1,5 micres absoluts |
Impacte de la incrustació en el condicionament i la defectivitat de purins
Les partícules abrasives incrustades a les superfícies de l'escalfador de PFA creen dos mecanismes de defecte en els processos CMP. En primer lloc, les partícules incrustades s'alliberen parcialment al corrent de purins amb el pas del temps, introduint aglomerats de grans dimensions que ratllen les hòsties. En segon lloc, la superfície rugosa de l'escalfador es converteix en un lloc per a l'aglomeració de purins, creant compostos abrasius de polímer-que es desprenen com a partícules grans. Les dades d'inspecció de defectes de les hòsties de fàbriques de 300 mm mostren que els escalfadors PFA estàndard aporten una mitjana de 12 a 18 defectes afegits per pas d'hòstia d'aquests mecanismes després de 1500 hores de funcionament. Els escalfadors de PFA endurit mostren de 3 a 5 defectes afegits després de 3000 hores. Per als nodes avançats on els defectes totals han de romandre per sota de 10 per hòstia, el PFA endurit amb filtració absoluta de 2,0 micres proporciona el marge necessari.
Guia d'especificacions per a escalfadors de purins CMP
Per als sistemes automatitzats de distribució de purins CMP, especifiqueu escalfadors de PFA amb una microduresa superior a 80 MPa a 25 graus (Vickers, càrrega de 50 g) i que demostrin una retenció per sobre de 50 MPa a la temperatura màxima de funcionament després d'una immersió de 1.000 -hores en la química de purins específica. Requereix la certificació de duresa del proveïdor mesurada a les superfícies de l'escalfador de producció, no en cupons de prova modelats per separat, ja que la duresa de la superfície varia amb la velocitat de refrigeració durant la fabricació. Per a l'òxid CMP amb purins de sílice a 40 graus, el PFA endurit amb filtració absoluta de 2,0 micres aconsegueix una incrustació mesurable zero per a la vida útil esperada de l'escalfador de 5000 hores. Per a STI CMP amb purins de ceria, es recomana la combinació de PFA endurit i filtració absoluta d'1,5 micres a causa de la major agressivitat química del ceria. Quan actualitzeu els sistemes existents de PFA estàndard a endurit, comproveu que la carcassa del filtre i els segells de la bomba siguin compatibles amb qualsevol química de purins modificada, ja que el canvi de l'escalfador de PFA no altera altres components del sistema. Sol·liciteu seccions transversals de profunditat d'incrustació als proveïdors com a dades de validació, que no mostrin cap penetració d'aglomerats més enllà d'1,0 micres després de proves accelerades de 2000 hores a 5 graus per sobre de la temperatura màxima de funcionament per proporcionar un marge de seguretat.
