Долговечность и устойчивость к внешним условиям наряду с требованием непроницаемости по отношению к газам из окружающей среды являются главными факторами при выборе материала труб для транспортировки высокочистой воды к зачастую удаленным точкам ее использования. Однако первостепенное значение имеет предотвращение загрязнения воды растворимыми органическими или неорганическими веществами, а также локальными очагами генерации частиц. Ключевым моментом в этом отношении является полярная природа молекулы воды, которая придает воде (в особенности чистой) свойства сильного растворителя, в частности, в отношении ионных веществ. Поэтому выбор материалов для труб остается довольно ограниченным, даже когда речь идет о металлических или полимерных материалах с самым высоким качеством, трубы из которых должны иметь очень гладкую непористую внутреннюю поверхность для минимизации адсорбции и выделения частиц, а также участков роста и размножения бактерий. Сохранение гладких поверхностей и предотвращение образования трещин является предметом особой заботы в местах соединения труб.
Материалы труб или соединительных элементов, которые содержат потенциально выщелачиваемые добавки, примеси, пигменты, модификаторы, стабилизаторы, клеи, растворители, герметики или смазочные материалы должны всегда быть объектом пристального внимания. Считается, что пластификаторы служат питательным веществом для роста бактерий.
Хотя ПВХ и акрилонитрилбутадиенстирол использовались раньше для транспортировки очищенной воды, сейчас существуют возражения для применения этих материалов на критических участках, где требуется очень высокая чистота. Известно, что ПВХ выделяет органические соединения (и даже иногда металлические), наличие которых в полимере обусловлено процессом его производства, а акрилонитрилбутадиенстирол может выделять стирол, поэтому соединения трубопроводов, выполненных из обоих материалов методом холодной сварки, могут стать источниками загрязнений. ПП, например, содержит в качестве добавок антиоксиданты или другие вещества, являющиеся вспомогательными в процессе синтеза полимера и которые потенциально являются загрязнителями.
Незначительная коррозия металлических труб может лишить получаемую воду требуемых качеств, и этот факт ставит под сомнение применение труб из металлических сплавов, например таких, как медь/никель, несмотря на промежуточное положение, которое они занимают по ценам среди других материалов. Чтобы сохранить высокое качество, присущее продукту, в настоящее время для новых систем трубопроводов общепринято применять более дорогие материалы, которые характеризуются высокими эксплуатационными свойствами, например нержавеющую сталь и фторопласты. В этом отношении нержавеющая сталь марки 316 (особенно, если она предварительно подвергнута пассивации с целью образования на поверхности защитной пленки окиси хрома) может быть подходящей для многих целей, и ее все еще предпочитают использовать в системах получения чистой воды в фармацевтической промышленности (частично потому, что она хорошо ведет себя при стерилизации паром). Однако система трубопроводов из нее менее удобна для сборки и разборки, чем такая же система из полимеров, и этот фактор также может сократить разрыв между окончательной стоимостью систем из нержавеющей стали по сравнению с системой, выполненной из ПВДФ.
Архив
Хотя в прошлом использовался ПВХ, а сейчас все чаще в ходу ПВДФ, главным материалом для трубопроводов высокочистой воды в фармацевтической промышленности остается нержавеющая сталь. Поскольку известны редкие случаи коррозии нержавеющей стали (см. ранее), то вероятна и возможность загрязнения медицинских продуктов Fe, Сг, Ni и т. п. продуктами. По-видимому, такие случаи являются следствием нарушения производственного процесса. Соображения, которые объясняют столь устойчивую традицию выбора нержавеющей стали для изготовления трубопроводов в фармацевтической промышленности, основаны на уверенности в ее поведении при эксплуатации и сомнении в том, что при транспортировке чистой воды при высоких температурах ПВДФ способен сохранить свою стабильность в течение длительного времени.
Что касается выбора подходящей марки нержавеющей стали, то он, как правило, ограничивается выбором между марками 304 и 316, причем последняя обычно более популярна благодаря большей стойкости к питтинговой и щелевой коррозии. Там, где есть сварные соединения, экономным и благоразумным является выбор либо низкоуглеродистой стали марки L, либо разновидностей нержавеющей стали, содержащих добавки Ti/Nb (см. изложенное ранее). К тому же для внутренней поверхности таких труб часто задается требование по электрополировке.
Нержавеющая сталь, ко всему прочему, широко применяется в фармацевтической промышленности и для накопителей - хранилищ очищенной воды, особенно часто для хранилищ горячей (+80°С) воды. Сталь марки 316L иногда предварительно пассивируется, и для этого назначения именно такой вариант является предпочтительным.
Системы подготовки воды
для микроэлектронной промышленности
Хотя случаи использования нержавеющей стали или очень дорогого полимера, например, полиэфирэфиркетона не являются редкостью, последнее время наблюдается явная тенденция применения в системах распределения воды конечной стадии очистки фторполимеров, особенно ПВДФ.
Вопреки относительно высокой его стоимости, ПВДФ является фактически одним из самых дешевых из доступных фторполимеров, чрезвычайно инертным и выпускается в промышленных масштабах и сортаментах. Он может соединяться довольно легко непосредственно путем сплавления без участия растворителя. Обычные трубопроводы из ПВДФ используются на участках, начиная от фильтров смешанного действия и далее. Другие подобные материалы, например, сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами и этилен-хлортрифторэтилен могут применяться, в частности, в качестве фитингов. Первоначальный переход от использования таких традиционных полимеров, как ПВХ, акрилонитрилбутадиенстирол и ПП в сторону ПВДФ был обусловлен экспериментальными данными, полученными в результате изучения относительных скоростей выщелачивания из материалов, выступающих в роли кандидатов для этих целей. Более информативными из этих экспериментов оказались те, которые получены в результате измерения следов веществ исследуемых образцов в реальных условиях транспортировки воды, по сравнению с экспериментами, проведенными в статическом состоянии, заключающимися в выдержке проб в фиксированном количестве воды. Некоторые современные работы по исследованию выщелачивания и других свойств поверхностей трубопроводов, например, склонности к обрастанию, проводили с целью сравнения свойств разных фторполимеров, например, ПВДФ, сополимера тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами и этилен-трифторэтилена. Разные исследования иногда показывают отсутствие явного преимущества других фторполимеров по отношению к ПВДФ. Все же общие характеристики ПВДФ, в смысле механической прочности, способности к обработке, стоимости и срока эксплуатации, послужили причиной того, что ПВДФ является наиболее широко распространенным материалом в системах транспортировки высокочистой воды.
Если речь идет о сложных и больших системах трубопроводов, следует избегать применения чрезмерно дорогих материалов, таких как ПВДФ. Для этих случаев альтернативой ПВДФ становится использование акрилонитрилбутадиенстирола или ПВХ (материалов, которые хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, как в прошлом, так и сейчас) в сочетании с конечными фильтрами, если требуется устранить какие-либо органические примеси.
В процессе производства интегральных схем полупроводниковые пластины требуют обработки различными кислотами, такими как серная, фтористоводородная, дымящая азотная и соляная кислота. Другой агрессивной жидкостью, с которой приходится иметь дело, является перекись водорода. Критическое требование, на основе которого производят выбор труб для таких жидкостей - предотвращение коррозии или деструкции труб. Оно выдвигается с целью обеспечения адекватной надежности системы и по соображениям безопасности. Марки полимеров менее качественных сортов, например, ПП, ПЭ, ПВХ и акрилонитрилбутадиенстирол обычно не годятся для эксплуатации в контакте со многими концентрированными кислотами. Хотя нержавеющая сталь типа 316 или более качественных марок (например, 20Cr/18Ni/6Mo) может эксплуатироваться в условиях контакта с серной кислотой и перекисью водорода, она не годится для работы с соляной и фтористоводородной кислотами. Следовательно, можно отметить, что в общем наблюдается тенденция выбора высококачественных марок полимеров, например, ПТФЭ и ПВДФ, для использования в условиях работы с кислотами, но сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами, по некоторым данным, особенно предпочтителен.Технологические трубопроводы для этих целей подробно описаны в главе 12 этой книги, поэтому здесь будет сделано только несколько обобщающих замечаний и наблюдений.С точки зрения старения и окисления металлических трубопроводов, они не должны создавать проблем, поскольку сухие газы оказывают разрушающее воздействие на металлы только при значительных скоростях потока и повышенных температурах (в несколько сотен градусов Цельсия). Главным критерием при выборе материала трубопроводов для газов является предотвращение загрязнения высокочистых газов при их прохождении по трубам, и это требование исключает применение полимеров из-за их частичной воздухопроницаемости.
Что касается медных трубопроводов, которые в прошлом использовались во многих случаях вместе с латунными фитингами, то им присущ один потенциальный источник загрязнения - осадок флюса, используемого при сварке, который не подвержен эффективному удалению без того, чтобы не оставить вместо себя другие загрязняющие вещества.
Следовательно, в настоящее время для современных систем трубопроводов преобладает тенденция выбора нержавеющей стали (такой как 316) с внутренней поверхностью, подвергнутой тщательной, доскональной поверхностной обработке, включающей эяектрополировку. Хотя применение элеетрополировки внутренних каналов трубопроводов является довольно распространенной технологией для многих деталей, она требует специального оборудования и квалификации, поэтому является дорогостоящим процессом. Сейчас электрополированные детали для систем распределения высокочистых газов из нержавеющей стали, включая трубопроводную арматуру и фитинги, выпускаются промышленностью.
Первым из критериев, которые должны быть рассмотрены в процессе выбора, является способность поставщика производить газ, качество которого соответствует требованиям процесса. В Великобритании основные компании-поставщики газа способны решить эту задачу созданием производства на месте потребления (on-site) или поставками со стороны (off-site). Усовершенствование методов заполнения цистерн (танков) и способов доставки свели к минимуму некоторый риск загрязнения, ранее свойственный привозному жидкому азоту. Следует также принять во внимание, что при производстве на месте потребления обычно используются испарители (газификаторы), которые могут работать на привозном жидком азоте или жидком азоте, производимом на месте. Поэтому, чтобы постоянно гарантировать качество газа, привозной жидкий азот должен соответствовать качеству газа, которое достигается производством на месте потребления.
Объем
На выбор способа снабжения азотом заметно влияют объемы его потребления, однако другие факторы могут иметь еще большее значение. Если объемы потребления невелики (например, менее 500 м7час), то это обычно исключает создание производства азота на месте потребления. По мере того как требуемые объемы растут, вариант производства азота на месте потребления становится намного более привлекательным в экономическом отношении. Могут существовать и другие условия, которые позволят отдать предпочтение «местному» варианту, например, возможность поставки местного сверхчистого жидкого азота.
Бесперебойность поставок
Полупроводниковая промышленность преимущественно полагается на специализированные газовые компании, чтобы обеспечить свои потребности в азоте прямым соглашением на поставку. Имеется несколько типов контракта, зависящих от местных ограничений и индивидуального предпочтения. Два фактора вносят вклад в общую стоимость обеспечения азотом: затраты на аренду оборудования, размещаемого на месте потребления, и стоимость хранилища для жидкого азота. Производство на месте потребления требует высоких капиталовложений и эксплуатационных затрат на обслуживание, и, следовательно, приводит к более высокой себестоимости. Энергозатраты для этого варианта также выше, поскольку полупроводниковая компания обычно должна сама обеспечивать производство азота энергией и охлаждающей водой. С другой стороны, при собственном производстве требуемое количество привозного жидкого азота минимально, и потребность в нем возникает главным образом только во время профилактических остановок. Пока размер завода, который должен быть установлен для стороннего производства, значительно меньше, и это приводит к более низкой себестоимости, весь применяемый азот следует получать из привозного жидкого азота. Стоимость его закупки будет зависеть от затрат газовой компании, которые включают стоимость транспортировки, затраты на энергию и их собственные издержки для обеспечения требуемых объемов поставок.
Очевидно, что разные типы технологического оборудования предъявляют различные технические требования к чистоте газов. Однако обычно экономически невыгодно производить газы разного качества, поэтому обычная практика заключается в том, что качество технологического газа, подаваемого центральной станцией (установкой), определяется самым критическим процессом. Основным исключением из этого правила является азот, поскольку иногда с финансовой точки зрения может быть выгодно поставлять несколько разных сортов азота.
В табл. 12.1 приведен качественный перечень примесей, присутствие которых в технологических газах, создает проблемы при их использовании в производстве полупроводников, а также указаны причины этих проблем.
Далее следует рассмотреть путь, по которому газы подаются в производственную зону по обработке пластин и с качеством, соответствующим условиям их применения, поступают непосредственно к оборудованию.Как уже объяснялось, для производства кремниевых микросхем необходимы значительные объемы высокочистого азота, которые обычно превышают суммарный объем всех других потребляемых газов в 20-50 раз. Такое количество азота может производиться вне предприятия на центральной станции (установке), принадлежащей одной из больших компаний - поставщиков газов, или, в определенных ситуациях, непосредственно на месте использования. Факторы, влияющие на принятие этого решения, основываются на качестве газа, его объеме, экономических соображениях и безопасности снабжения.
Наиболее широко используемым газом является азот, потребляемое количество которого превышает все другие газы вместе взятые, по меньшей мере, на порядок. Азот, как правило, применяется в качестве псевдоинертного газа в печах во время отжига (обычно после процессов ионной имплантации или формирования оксидной пленки) и для управления скоростью роста окисла в печах (при этом он используется как разбавитель). Его применяют в системах химического осаждения из паровой фазы как инертный наполнитель на финишной стадии процесса, а также на этом же оборудовании в качестве инертной завесы, изолирующей продукт от воздуха и переносимых им загрязнителей. На некоторых производственных участках азот применяют в так называемых «мокрых процессах», чтобы обеспечить равномерное перемешивание в емкостях с деионизованной водой и другими технологическими жидкостями. Наконец, его применяют в качестве среды, свободной от воздуха и частиц, в различном оборудовании, начиная от сложного технологического оборудования (упомянутого выше) до простых шкафов для хранения фотошаблонов или пластин.
Водород
Этот газ применяют в печах совместно с кислородом для получения водяного пара (реакция является экзотермической и может вызывать проблемы с температурной стабильностью и повреждение кварца, если она происходит внутри кварцевых реакторов и строго не контролируется). Данная реакция способствует повышению скорости образования оксида и, следовательно, увеличению производительности реактора. При проведении технологических операций, включающих осаждение алюминия (в вакуумных установках распыления или испарителях), возможно возникновение дефектов на поверхности раздела кремний/диоксид кремния. Последствия этого эффекта можно снизить, помещая пластины в атмосферу смеси азота и водорода, поскольку молекулы водорода диффундируют к поверхности раздела, способствуя восстановлению химических связей.
Кислород
Кислород применяют главным образом в печах, чтобы выращивать оксидные пленки на кремниевых пластинах, или совместно с водородом, как упомянуто выше, для увеличения скорости их роста. Его также применяют в системах химического осаждения из газовой фазы для формирования пленки. Кислород используют и в системах плазменного травления для снятия фоторезиста.
Аргон
В основном этот газ также применяют в печах как более инертный (и дорогой) заменитель азота в случае, если использование последнего вызывает технологические проблемы, поскольку при высоких температурах азот может образовывать нитриды, в то время как аргон при тех же температурах остается стабильным. Его применяют в качестве разбавителя при проведении операций легирования, чтобы обеспечить равномерность скорости роста. При использовании аргона в процессе отжига снижается поверхностный заряд на границе раздела кремний/оксид, позволяя лучше контролировать величину пороговых напряжений.
Полупроводниковая промышленность потребляет огромное количество химических реагентов, обычно в жидкой или газообразной фазе. Любое химическое вещество, которое контактирует с поверхностью кремниевой пластины в течение производственного процесса, должно иметь соответствующее качество и практически быть свободным от любых примесей. По мере того как размер элемента (ширина линии) уменьшался и продолжает уменьшаться с каждым новым поколением полупроводниковых приборов, промышленность требует все более низких уровней содержания примесей во всех видах технологических сред. Когда-то допустимое содержание примесей устанавливалось на уровне миллионных долей (ррт), теперь же большинство систем работает с предельными концентрациями примесей, выражаемыми в частях на миллиард (ppb) и более низкими.
Химическими веществами, которые полупроводниковая промышленность потребляет в наибольших количествах, являются сверхчистая вода и магистральные газы - азот, аргон, кислород и водород. Современные технические требования к магистральным газам выходят за пределы традиционно измеряемых примесей, т. е. влаги, кислорода, углеводородов и частиц. Задача компаний-поставщиков газов в настоящее время состоит не только в получении все более чистых газов, но также и в разработке аналитических приборов, способных обнаруживать широкий спектр примесей с концентрациями на уровне менее одной миллиардной доли.
Уменьшение размеров следующих друг за другом поколений полупроводниковых приборов представляет серьезную проблему не только в части удаления загрязнений, но также и для разработки приборов-анализаторов, способных измерять все уменьшающийся уровень загрязнений. Времена, когда электросопротивление было единственным мерилом качества воды, давно прошли, и анализаторы ТОС (общего окисляемого углерода), диоксида кремния, растворенного кислорода и отдельных ионов с уровнем ниже единиц ppb уже стали стандартом.
Непрерывный мониторинг условий протекания процессов является жизненно важным на установке по производству сверхчистой воды. Начальные ступени установки более терпимы к изменениям технологии, чем финишный контур, тем не менее мониторинг здесь все же необходим для обнаружения аномальных изменений в исходной воде. Это может быть достигнуто с приемлемой стоимостью, поскольку уровень загрязнений (на этом этапе) высокий и легко обнаруживается. Однако стоимость обеспечения on-line мониторинга резко возрастает в системе распределения, где стоимость одной точки контроля сейчас приближается к 100 000 фунтов стерлингов. При этом указанная стоимость не включает измерение содержания отдельных ионов (именно на этот вид измерений приходятся как основные капитальные затраты, так и оплата труда высококвалифицированного персонала). Если возможности для серьезных капиталовложений отсутствуют, то контроль технологических параметров можно реализовать, заключив субконтракт со специальной лабораторией.
Существует большое количество факторов, которые должны быть учтены при проектировании финишного контура; основные элементы установки очистки и их анализ рассмотрены выше. Выбор системы трубопроводов является решающим, так как вся хорошо сделанная ранее работа может быть загублена плохо спроектированной распределительной системой. Относительно легко можно изменить тип ОО-мембраны, ионообменной смолы или фильтра по сравнению с первоначальным выбором, однако такую роскошь в отношении распределительного контура нельзя себе позволить без тяжелых последствий для производственных установок, потребляющих очищенную воду.
Наиболее часто используемые материалы - это фторполимеры и, в частности, поливинилиденфторид (ПВДФ). Хотя на начальных этапах процесса очистки воды наиболее часто используются традиционные пластмассы типа подивинилхлорида (ПВХ) и акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), для финишного контура предпочтителен ПВДФ из-за присущих ему преимуществ, несмотря на более высокую стоимость.
Эти преимущества сводятся к тому, что ПВДФ:
• поддается сварке плавлением и не требует клея;
• обеспечивает минимальный рост бактерий;
• устойчив к стерилизующим агентам, таким как пероксид водорода;
• является инертным материалом, который не выделяет в систему органические или ионные загрязнения (после первоначальной отмывки).
И хотя сам ПВДФ не выделяет питательных веществ, способствующих росту бактерий, очень важно обеспечить непрерывный поток воды в системе водоподготовки,поскольку бактерии с большей вероятностью будут расти в статических условиях. Система должна быть спроектирована так, чтобы исключить образование застойных зон в трубопроводах и оборудовании в целом и обеспечить скорость движения воды в любой части установки не менее 1 м/с. Теоретически это возможно, однако на практике ее не так легко обеспечить, особенно для ответвлений трубопроводов. Оборудование для очистки жидкостей не требует постоянного поступления воды, так как эти процессы по своей сути являются циклическими, и необходимо предусматривать линии рециркуляции для каждого случая с тем, чтобы гарантировать непрерывность потока воды в системе очистки. Неиспользованная вода возвращается в начало финишного контура установки, обычно в емкость-хранилище высокочистой воды, где она смешивается и циркулирует со свежепоступившей водой.
Для завода по обработке пластин с уже спроектированной и действующей системой водообеспечения часто требуются изменения технологии очистки воды, чтобы удовлетворить требованиям бизнеса или для внедрения нового оборудования, имеющего совершенно другие рабочие характеристики. В таких случаях кардинальное изменение проекта системы может оказаться невозможным и вполне допустимы компромиссные решения.
На рис. 11.10 показана предлагаемая схема установки получения сверхчистой воды. Некоторые стадии могут быть опущены, существуют также и другие установки, которые должны быть добавлены, чтобы справиться со специфичными загрязнениями. Однако если вы посетите современную установку получения сверхчистой воды, весьма вероятно, что вы найдете нечто очень похожее на то, что представлено на рис. 11.10.
Последняя «линия защиты» в системе получения сверхчистой воды - это фильтрация частиц, которые достаточно велики, чтобы повредить полупроводник. Считается, что частица размером, превышающим одну десятую ширины линии, потенциально может вызвать повреждение полупроводникового устройства. Наиболее распространенный тип фильтра для частиц представляет собой корпус из нержавеющей стали, в котором устанавливается патронный фильтр для улавливания частиц размером 0,1 мкм, имеющий длину от 20 до 40 дюймов (50,8 -н 101,6 см). Фильтры из ацетата целлюлозы в настоящее время уступают место таким материалам как нейлон, поливинилиденфторид, политетрафторэтилен; по желанию заказчика могут использоваться и положительно заряженные фильтры.
Фильтровальные элементы дороги, но поскольку обычно на этом этапе обработки концентрация дисперсных частиц очень мала, то срок службы фильтроэлементов достаточно большой - вплоть до нескольких лет. Особые меры предосторожности необходимо предпринимать при замене фильтровальных элементов, чтобы избежать внесения загрязнений частицами в распределительный трубопровод. Необходимо также учитывать химическую стойкость фильтроэлементов и ее зависимость от способа и процедуры стерилизации установки (непрерывной или периодической, применения реактивов и прочее). В общем, необходимо выбирать фильтры с наименьшими размерами пор, учитывая при этом допустимый по проекту перепад давления (или гидравлическое сопротивление). Проект должен предусматривать возможность применения фильтров с меньшими размерами пор с целью непрерывного совершенствования технологии очистки воды, например, при уменьшении размеров полупроводниковых изделий.
В последние годы для финишной фильтрации получил распространение процесс ультрафильтрации, который способен наряду с дисперсными частицами удалять органические молекулы больших размеров. Однако такая установка очистки воды у проектировщиков не является общепринятой в качестве финальной стадии и чаще применяется в дополнение (и при больших капитальных затратах) к стандартным патронным фильтрам. Она схожа с 00 в том, что примеси удаляются непрерывно в сливаемом потоке (потоке концентрата), расход которого обычно составляет 5 10% от объема входящего потока.