在高温下处理复杂化学成分时Sub-fab密封件的作用至关重要

原创半导体芯科技SiSC ACT半导体芯科技

收录于合集

作者：Seema Gangatirkar, GREENE TWEED公司

△点击图片报名参会

对更高性能的追求使得半导体制造的复杂性节节攀升。腐蚀性气体、稀有气体和高活性气体，连同新的金属化化学成分，对Sub-fab真空和减污减排系统提出了越来越大的挑战，因而需要采用先进的密封件以帮助确保更多的系统正常运行时间。Greene Tweed公司在文章中介绍了用于应付最棘手化学成分的最新解决方案。

近年来，随着半导体行业欣然采纳FinFET和3DNAND技术，制造工艺开始要求在较高的温度下使用更多的稀有气体。由于同时面对新的气体和较高的工作温度，因此推动了对于能在这些严苛条件下可靠运行的新型Sub-fab密封解决方案的开发。

Sub-fab对于保持位于其上方的洁净室环境的运作效能至关重要。由于晶圆片将经历包括刻蚀和沉积在内的多种工艺过程，因此像易燃物、氧化剂和腐蚀剂等物品所产生的废气穿梭般地通过排气管道进入SubFab，以便进行安全处理。

进入SubFab的气体在系统排气管道内冷凝，产生颗粒沉积，这会导致设备过早发生故障。为了保持气体分子的运动，采用热管理系统来提高排气管道内的温度。由于使用了这些较高的温度，因此，在泵、减污减排装置和阀门中布设可靠密封件的要求也就随之升高。

在选择密封材料时，需要考虑的因素包括对高活性气体和自由基物质的耐温性和耐化学腐蚀性。如果在SubFab应用中选择或安装了错误的密封材料，就会损害密封的完整性，并且很有可能导致安全隐患和其他的计划外维护活动，这些都将影响位于SubFab上方的洁净室中的生产。

在SubFab内，常常选择弹性体作为密封材料，因为它们具有柔性，并且耐用又易于安装，能够很好地贴合许多不同的表面。弹性体或橡胶是一种具有粘弹性的聚合物链，这意味着它可以拉伸和收缩。弹性体具有自激特性，当被压缩时会提供密封力响应，因此成为极佳的密封材料。弹性体通常被做成O型圈或垫圈等形状。与金属或者塑料等其他密封解决方案相比，弹性体密封件在减少泄漏方面更加有效，因为它们一般更能容忍失误，而且可以很好地贴合大多数物体表面，从而建立更紧密、更可靠的密封；另有一个附带的好处，就是它们的正确安装也更容易完成。

通常，最佳弹性体材料的选择归根结底需要取决于应用要求，包括与流体的兼容性和工作温度在内的多种因素对此有着重要的影响。含氟弹性体（包括FKM和FFKM）经常被选作用于Sub-fab的密封材料。作为高性能材料，FKM（氟橡胶）和FFKM（全氟醚橡胶）被那些要求高耐热性和/或化学兼容性的应用所选用。FKM具有卓越的抗压缩永久变形性，以及对多种化学品的耐腐蚀性，并能在高达450°F的温度环境中工作。FFKM能够耐受几乎所有的化学品（包括等离子体），且能在最高615°F的温度条件下运作。

由于晶圆厂处理腔和反应器工作条件变得愈加激进大胆，因此，实际上影响了一般用途FKM在Sub-fab中的可靠性。半导体制造过程会产生等离子气体，这对大多数传统密封件都将造成极其严重的危害。即使是因具备对众多腐蚀性化学品（比如酸和溶剂）的广泛耐化学性而闻名的FKM聚合物，也会受到等离子体的侵蚀。

当传统FKM受到等离子体的侵蚀时，它们将会分解、破裂，或者过早失效。与等离子体的接触越多，密封件失效的速度越快。过去历史上，Sub-fab工艺制程与等离子体的接触非常少，因此传统FKM密封件是可以接受的。但是，随着半导体制造工艺采用更加激进大胆的等离子体形式和更高的温度，传统FKM开始出现分解。Greene Tweed的高性能Fusion®F10是由业界领先的材料科学家专为耐受半导体工艺制程中常见的中等程度等离子体暴露而特别设计的。Fusion F10的氟含量高于一般用途的FKM材料，与其他FKM的化学组成相比，这有助于它拥有针对等离子体的出色耐化学腐蚀性。

新涌现的活性化学成分（比如那些在原子层沉积ALD和外延SiGe工艺中使用的化学物质）发生冷凝的可能性较高，要求热管理系统提高前级管道和排气管道中的温度，以防止气体颗粒沉积在设备上。由于这些管道内的温度上升，因此许多主要的器件制造商已转变到采用FFKM（如Chemraz® SFX），以确保安全和生产工具的正常运行时间。因为Chemraz SFX拥有高达300°C/572°F的工作温度和比FKM更宽泛的耐化学腐蚀性，所以采用Chemraz®SFX密封件有助确保前向兼容性。有记录的实践经验证明，在上述温度范围内，它对很多Sub-fab废水废液具有耐化学腐蚀性，而且，Greene Tweed的内部分析显示，通过限制水分和氧气的加入，SFX提供了针对管道中化学相互作用的额外保护。

采用氮气和氦气进行的抗渗性能实验室测试表明，Chemraz SFX优于同类竞争材料。通常在抗氮渗透方面表现良好的材料，在防水和抗氧渗透方面也呈现出相似的效果。该性能可归功于SFX独特的填料和聚合物主链。

确保以正确的方式将合适的O型密封圈安装到FK接头总成中，可以最大限度地减小过早失效的可能性。与SubFab中一般为黑色的其他常用密封材料相比，Chemraz® SFX为灰色，Fusion F10为奶油色，从而使得它们更容易与其他弹性体区分开来，这样，安装错误密封材料的可能性就下降了。

除此之外，Chemraz® SFX在严酷条件下的性能优势还得益于其创新的密封件设计。Greene Tweed的定制工程设计组件克服了FK管道配件在极端工艺环境中的机械限制，并改善了密封性能。定制组件可以使用不同的材料，包括不锈钢、铝和聚四氟乙烯（PTFE）。Chemraz®SFX解决方案采用绿色组件，作为一种旨在确保使用合适材料和密封件的额外防护措施。

Greene Tweed在密封设计方面拥有专业技术。通过有限元分析，该公司的工程师能够了解安装在FK管道配件中的标准O型密封圈在应用中的运行状况，以及哪里有可能出现因密封套满溢而引起的潜在失效点。利用所掌握的这些信息，Greene Tweed按照一个新的定制截面（它现在将密封套满溢纳入考虑范围）重新设计了其FK管道配件的弹性组件，从而降低了发生过早失效的可能性。另外，内密封圈和外密封圈设计也要考虑到定制几何形状。

凭借广泛的弹性体材料产品系列（包括一般用途和高性能化合物），配以半导体行业的专业知识，Greene Tweed的工程师仔细地评估了每种应用，并推荐与之最适合的密封材料，从而确保更好的拥有成本。

Greene Tweed公司多种多样的密封件能够满足半导体Sub-fab要求，包括必需部署与采用了高腐蚀性和高活性化学成分的工艺相适应的真空系统及减污减排系统。