Thermal Shock Challenge
Procesi čišćenja poluprovodničkih pločica kruže između vrućih hemikalija i hladne vode za ispiranje u brzom nizu. Uranjajući izmjenjivač topline u kadi za čišćenje SC-1 ili SC-2 može vidjeti da se temperatura površine koleba od 80 do 20 stepeni u sekundi kada se promijeni kemijski sastav kupke. Ovaj termalni udar testira osnovne mehaničke granice materijala izmjenjivača topline.
Silicijum karbid se široko koristi u mokroj preradi poluprovodnika zbog svoje hemijske inertnosti i visoke toplotne provodljivosti. Efikasno prenosi toplotu i otporan je na napade agresivnih hemikalija za čišćenje uključujući APM, HPM i SPM mešavine.
PTFE je takođe hemijski inertan za sve hemije za čišćenje poluprovodnika. Njegova toplotna provodljivost je niža od silicijum karbida, što zahteva veću površinu za ekvivalentno toplotno opterećenje. Ali PTFE posjeduje jedno svojstvo koje silicijum karbidu suštinski nedostaje: sposobnost da apsorbuje toplotni udar bez loma.
Mehanizam kvara termičkog udara u silicijum karbidu
Silicijum karbid je keramika. Njegove atomske veze su jake i usmjerene, dajući mu odličnu tvrdoću, hemijsku otpornost i čvrstoću na visokim{1}}temperaturama. Ove iste veze ga čine krhkim. Keramika se ne može plastično deformirati kako bi ublažila termički stres. Kada se temperaturni gradijent razvije preko komponente od silicijum karbida, diferencijalno širenje stvara naprezanje koje materijal mora elastično prihvatiti. Ako napon premašuje snagu loma, komponenta puca.
Otpornost materijala na toplotni udar je kvantifikovana njegovim parametrom toplotnog udara: R=σ(1-ν)/ E, gde je σ čvrstoća, ν Poissonov koeficijent, koeficijent toplotnog širenja, a E je modul elastičnosti. Visoka vrijednost ukazuje na dobru otpornost na termički udar.
Silicijum karbid ima visoku čvrstoću, ali i visok modul elastičnosti i umeren koeficijent termičke ekspanzije. Njegov parametar toplotnog udara je približno 200-300 W/m. PTFE ima manju čvrstoću, ali vrlo nizak modul elastičnosti – otprilike 500 puta niži od silicijum karbida. Njegov koeficijent toplinske ekspanzije je veći, ali dominira efekat modula. Efikasna otpornost na termički udar PTFE je superiorna jer se materijal jednostavno savija umjesto da se lomi.
Tabela 1: Poređenje performansi termičkog udara u uvjetima čišćenja pločice
| Nekretnina | Silicon Carbide | PTFE |
|---|---|---|
| Toplotna provodljivost (W/m·K) | 120-200 | 0.25 |
| Modul elastičnosti (GPa) | 400-450 | 0.5-0.6 |
| Koeficijent toplinske ekspanzije (10⁻⁶/ stepen) | 4.0-4.5 | 100-120 |
| Parametar termičkog šoka (relativan) | 1.0 (osnovni) | 5-8× |
| Reakcija na termalni šok od 60 stepeni | Majski prijelom; zahtijeva kontroliranu rampu | Bez oštećenja; trenutni odgovor |
| Minimalni dozvoljeni ΔT za siguran rad | 50-80 stepeni (zavisno od proizvođača) | >200 stepeni |
| Režim greške | Krhki lom sa oslobađanjem čestica | Elastična deformacija; nema frakture |
| Rizik stvaranja čestica nakon termičkog ciklusa | Umjereno-Visoka (frakturni ostaci) | Veoma niska |
Generisanje čestica u okruženju čistih soba
Najozbiljnija posljedica kvara termičkog udara silicijum karbida u alatu za čišćenje pločice je stvaranje čestica. Napuknut ili slomljen izmjenjivač topline ispušta keramičke čestice u kadu za čišćenje. Ove čestice se mogu taložiti na površini pločice, stvarajući defekte koji smanjuju prinos.
Čak i bez katastrofalnog loma, mikro-pukotine na površini silicijum karbida mogu tokom vremena osloboditi sub{1}}mikronske čestice. Svaki termički ciklus može malo proširiti postojeće mikro{3}}pukotine. Kumulativno oslobađanje čestica postepeno degradira čistoću kade.
PTFE se ne može slomiti u krtom smislu. Njegova elastična i duktilna reakcija na termičko naprezanje znači da se ne stvaraju pukotine i čestice se ne stvaraju iz termičkog ciklusa. Površina fluoropolimera može se polako istrošiti zbog erozije tokom mnogo godina, ali ovaj mehanizam trošenja je neovisan o termičkom ciklusu.
Kompenzacija prenosa toplote
Razlika u toplotnoj provodljivosti između silicijum karbida (120-200 W/m·K) i PTFE (0,25 W/m·K) je značajna. PTFE izmjenjivači topline zahtijevaju proporcionalno veću površinu da bi isporučili isti toplinski učinak. Ovo je pravi nedostatak alata za čišćenje pločica sa ograničenim prostorom.
Međutim, prednost u pouzdanosti PTFE-a opravdava veći otisak u mnogim aplikacijama. PTFE izmjenjivač topline koji radi bez kvara godinama, nikada ne stvarajući čestice od termičkog udara, pruža stabilnost procesa koju jedinica silicijum karbida ne može garantirati kada je brzi termički ciklus dio procesnog recepta.
Tankozidne PTFE cijevi-debljine zida od 0,5 mm do 0,8 mm-minimiziraju smanjenje toplotne provodljivosti. U kombinaciji sa konfiguracijama mreže velike -površine, PTFE izmjenjivači topline mogu ispuniti zahtjeve topline većine kupatila za čišćenje pločica unutar prihvatljivog prostora.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline su superiorniji od silicijum karbida za brze primjene termičkog šoka u čišćenju pločica jer PTFE apsorbira toplinski stres kroz elastičnu deformaciju dok silicijum karbid akumulira oštećenja koja mogu dovesti do krhkog loma. Otpornost PTFE na termički udar je otprilike 5-8 puta veća uprkos njegovoj nižoj toplotnoj provodljivosti.
Generisanje čestica iz termičkog ciklusa eliminisano je PTFE-om. Smanjenje prijenosa topline PTFE-a je kompenzirano tankim-cijevima i povećanom površinom. Prednost pouzdanosti i čistoće opravdava veći otisak u većini aplikacija za čišćenje poluvodiča.
Inženjerska analiza za izbor izmenjivača toplote PTFE u odnosu na silicijum karbid u specifičnim alatima za čišćenje pločica dostupna je nakon podnošenja profila ciklične temperature, dostupnog prostora za instalaciju, zahteva za toplotnim opterećenjem i specifikacija čestica čiste sobe.
