O-pečlivky v polovodičovém zařízení nejsou „běžné těsnicí díly“, ale kombinace řízení kontaminace procesu, udržování vakua, chemicky odolných dílů, spotřebních materiálů pro plazma a stopovatelnosti kvality. Běžné průmyslové scénáře se zaměřují především na těsnost, odolnost vůči korozi, stárnutí a dlouhou životnost; v polovodičových scénářích je nutné současně prokázat, že nedochází ke kontaminaci waferu, komory, plynového okruhu, ultračistého systému uvolňováním organických látek, kovových iontů, iontových kontaminantů, částic a dalších korozních produktů plazmatu – a to je hlavní příčinou vysokých O-kroužek požadavky.

Vysvětlení společnosti SIA týkající se kontroly znečištění polovodičů lze shrnout do následující logiky: rozměry prvků zařízení se zmenšují a trojrozměrné struktury se stávají složitějšími, čímž se částice, nečistoty nebo jiné mikroznečištění stávají pravděpodobnou příčinou problémů s bezporuchovostí nebo výtěžností; polovodičová zařízení jsou také zjevně citlivá na částice, kovové ionty, chemické látky, bakterie a poškození prostorovými ionty atd., a to velmi citlivá. Norma SEMI F51 se také speciálně zaměřuje na diskuzi o výdechu O-kroužků a těsnicích kroužků, a to proto, že tradiční normy ASTM nebo obecné průmyslové normy nezahrnují komplexně dostatečně požadavky na hodnocení výkonu, čištění a balení polovodičových těsnicích dílů.

1. Zvláštní povaha polovodičových O-kroužků: Nacházejí se „příliš blízko“ zóny vad na waferu

O-kroužky v polovodičovém zařízení se obvykle vyskytují u dveří komory, krytů komory, pozorovacích oken, štěrbinových uzávěrů, vakuumových přírub, přívodních/odvodních plynových portů, čerpadlových systémů, mokrých pracovních stanic, CVD/ALD/PECVD, leptacích zařízeních, ash/strip a podobných místech. Mohou přímo kontaktovat technologický plyn, plazma, silné kyseliny a zásady, rozpouštědla, ultračistou vodu a mohou být také vystaveny vysokým teplotám, vakuu, tlakové deformaci, opotřebení třením a periodickému demontáži.

To znamená, že jejich porucha není pouze „únikem nebo prasknutím“. Typičtějšími způsoby poruchy jsou:

Na těsnicí ploše vznikají stopy uvolnění, odpařování, rozpouštění, práškové nebo částicové iontové kontaminace → tyto kontaminanty se usazují na povrchu waferu nebo tenké vrstvy → vznikají částicové defekty, elektrické anomálie, únik ventilů, poruchy adheze vrstvy, nerovnoměrná korozní/usazovací vrstva → pokles výtěžku nebo riziko spolehlivosti.

Oficiální abstrakt SEMI F51 zdůrazňuje, že se zaměřuje na standardy pro těsnicí díly zařízení pro výrobu polovodičů a poskytuje informace o výběru těsnicích materiálů, posouzení jejich výkonu, čistotě, balení a zpracování, aby se snížily celkové náklady na vlastnictví a zvýšila dostupnost zařízení. To ukazuje, že hodnotící kritéria pro polovodičové O-kroužky se již „rozšířila“ od samotné pryžové součásti k dostupnosti zařízení, stabilitě procesu a kontrole znečištění.

2. Nízké uvolňování plynů: Ne „materiál je čistý“, ale materiál nemůže uvolňovat molekuly do procesu

Nízké riziko výdechu u polovodičového zařízení zahrnuje tři kategorie: první je skutečný výdech ve vakuu/při vysoké teplotě, tj. uvolňování těkavých látek s nízkou molekulovou hmotností z elastomerů, zbytkových monomerů, vedlejších produktů síťování, přísad a adsorbované vlhkosti do plynné fáze; druhá je vyluhovatelné/extrahovatelné látky z kapalných médií, tj. kovové ionty, anionty a celkový organický uhlík (TOC) extrahované z ultracízné vody (UPW), kyselin, zásad nebo rozpouštědel; třetí jsou rozkladné produkty způsobené technologickými procesy, např. plazma, silné oxidační činidlo nebo amoniak/kyslík obsahující plyn způsobují degradaci povrchu těsnicího materiálu a vznik migrujících kontaminantů.

Vakuové systémy se obvykle odvolávají na normu ASTM E595 pro tento rámec testování úniku plynů. NASA vysvětluje normu ASTM E595 takto: Tato metoda se používá k měření ztráty hmotnosti a kondenzovatelných těkavých látek z materiálů ve vakuu. Podle dat NASA platí pro počáteční screening nízkého úniku plynů pravidlo, že celková ztráta hmotnosti (TML) musí být ≤ 1,0 % a ztráta kondenzovatelných těkavých látek (CVCM) ≤ 0,10 %; tento přístup k testování vysvětluje, proč je ve vakuovém prostředí důležité zaměřit se na „kondenzovatelné látky“, nikoli pouze na rychlost úniku.

U mokré metody a scénářů dopravy ultracízné vody (UPW) je přímo relevantnější norma SEMI F57. CT Associates vysvětluje normu SEMI F57 takto: Tato specifikace se vztahuje na polymerové materiály a díly vysoce čisté kvality s důrazem na kontaminaci kovovými prvky, anionty a organickými látkami při ponoření do UPW v průtokovém režimu; vzorky se podle normy SEMI F40 extrahují po dobu 7 dnů v UPW při teplotě 85 °C. Tento typ logiky testování je stejně důležitý i pro těsnicí kroužky, protože těsnicí součásti nejsou pasivními pozorovateli, nýbrž potenciálními zdroji kontaminace při dlouhodobém ponoření, stlačení, tepelném cyklování a průplachu média.

3. Nízký obsah kovových iontů: Myšlení na úrovni ppm již nestačí

Kontaminace kovovými ionty je jedním z nejvíce podceňovaných problémů u těsnicích dílů pro polovodičové aplikace. Zdroje kovů v O-kroužcích jsou rozmanité: plniva, pigmenty, systémy přísad, technologické přísady, zbytek po odlévání do formy, zbytky po broušení/opravě, čistící voda, balicí materiál, kontakt s lidskou pokožkou a usazeniny z prostředí. Běžné průmyslové pryže mohou obsahovat popel, plniva nebo zbytky kovů v rámci přijatelných limitů, avšak ve front-end procesech výroby polovodičů se tyto látky mohou stát nepřijatelnými zdroji elektrické kontaminace.

Článek na ScienceDirectu s názvem „Essential high-purity sealing materials for semiconductor manufacturing“ upozorňuje, že kovové ionty mohou pronikat do polymerů, na rozhraní se šířit a dále difundovat; kovové kontaminace mohou způsobit tzv. „killer defects“. Článek také uvádí, že výběr těsnicích materiálů pro polovodičový průmysl vyžaduje přísnou kontrolu vysokoprostých těsnicích podmínek prostřednictvím konfigurace, extruze, formování, čištění a balení během výroby. Data řady SEMI F51-1115 od UCT ChemTrace rovněž sledují výluhy, stopové kovy v objemu, výdech plynů (outgassing) a celkový organický uhlík (TOC) u O-kroužků a těsnicích kroužků a uvádějí rozdíly v údajích o výluhách a stopových kovech v objemu pro O-kroužky stejného dodavatele.

Klíčový bod je zde: „stejný název materiálu“ neznamená „stejná úroveň kovových iontů.“ I když mají stejný název FFKM, FKM nebo EPDM, různé formulace, různé plniva, různé síťovací systémy, různé postupné zpracování a různé šarže mohou mít zcela odlišné pozadí kovových prvků. To, co si polovodičoví zákazníci ve skutečnosti zakoupí, je „konfigurační systém s nízkou kontaminací kovovými ionty + čistá výroba + data o šarži“, nikoli jen název rodiny materiálů.

Klíčové kategorie kovů/iontů, na které je třeba zaměřit kontrolu, zahrnují:

4. Nízký obsah částic: Částice na těsnicích plochách nejsou přirozeně statické – částice jsou „vyrobeny mimo“

Riziko částic u polovodičových O-kroužků má čtyři zdroje: za prvé, odlévání, tváření, opravy a sekundární zpracování zanechávají trhliny, hrany a mikroúlomky; za druhé, tření, tahání, zkroucení a kontaminace během dopravy a instalace způsobují vznik nových částic; za třetí, dynamické opotřebení v místech pohybu, jako jsou uzavírací klapky, štěrbinové klapky, čerpadla a příruby; za čtvrté, korozivní účinek plazmy nebo chemických médií, který způsobuje odprýskávání povrchu materiálu, jeho zhrubnutí nebo karbonizaci atd.

ISO 14644-1:2015 vysvětluje, že čistota vzduchu v čistých místnostech se klasifikuje podle koncentrace částic; rozsah velikosti částic zahrnuje 0,1 μm až 5 μm; v polovodičových aplikacích se nezajímáme pouze o částice ve vzduchu v čistém prostoru, ale také o částice na povrchu a v kapalné fázi, stejně jako o příspěvek částic ze systémů dopravy plynů; materiály SEMI SCIS a normy SEMI F114 a F115 se používají příslušně k měření částic a celkového počtu znovu usazených částic v systémech dodávky ultravysokoryzových (UHP) chemikálií a na površích částí zařízení pro mokré zpracování – to ukazuje, že polovodičový průmysl považuje „vlastní příspěvek částic/organické látky z komponent“ za metriku na úrovni celého systému.

U těsnících kroužků (O-kroužků) nízký obsah částic není otázkou jednorázového vyčištění. Je nutné začít již u formulace – používat méně nebo opatrně naplnění s volnými částicemi; optimalizovat formy, aby se snížily oříznutí a poškození při následné úpravě; minimalizovat čištění kontaktovým způsobem; balit v čistých místnostech; a ověřit tvorbu částic způsobenou třením a uvolňování iontů po instalaci.

Parker průvodce instalací polovodičových součástek společnosti 's rozlišuje problémy s elastomery podle typu procesu: plazmové/plynové usazování, tepelné a mokré procesy. U plazmového/plynového usazování se jedná o rychlost leptání, tvorbu částic a velikost částic; u mokrých procesů se jedná o chemickou kompatibilitu a vyluhovatelnost kovových iontů. To přesně ukazuje, že kontrola částic u polovodičových O-kroužků musí být stanovena podle konkrétního procesu, nikoli použitím jediné obecné třídy čistoty.

5. Odolnost vůči plazmě: Chemická odolnost není totožná s odolností vůči plazmě

Plazma používaná v suchých polovodičových technologiích není pouze „plyn“, ale obsahuje ionty, volné radikály, UV záření, tepelné zatížení a fyzický bombardment; její poškozující mechanismus se liší od korozního působení kapalných chemikálií. Kyslík a jiné iontové složky mohou oxidovat/korodovat kostru gumy; fluorové ionty mohou způsobit povrchové změny. Materiál, který je „odolný vůči chemikáliím“ v kapalné fázi, nemusí být nutně odolný vůči nízkému výdechu plynů a nízké tvorbě částic v plazmě.

Plazmové procesy PPE s materiálem výslovně ukazují, že chemické a tepelné výzvy plazmového těsnění jsou závažné, těsnicí materiál na klíčových pozicích se postupně rozkládá a neexistuje žádný univerzální těsnicí materiál vhodný pro všechny chemické systémy, polohy nástrojů a typy výrobků; průvodce Parkeru pro těsnění v polovodičovém průmyslu rovněž často uvádí chemii depozice plazmou/plynem, včetně F, Cl, ClF₃, O₂, CF₄, O₃, SiH₄, C₂F₆, NF₃, WF₆ atd., a jako typické zaměření uvádí rychlost leptání, tvorbu částic a velikost částic.

Klíčovým faktorem při použití FFKM v polovodičovém průmyslu tedy není „vysoká cena FFKM“, ale spíše skutečnost, že určité vysoce čisté formulace FFKM nabízejí lepší rovnováhu mezi požadavky na odolnost vůči silné korozi obsahující fluor, vakuum, vysokou teplotu a nízkou kontaminaci. Vlastnosti Trelleborgu pro polovodičový průmysl popisují pokročilé FFKM jako materiál s vysokou stabilitou, vysokou čistotou a extrémně nízkým obsahem stopových kovů a zdůrazňují jeho sníženou odolnost proti plazmě ve vysoce čistých prostředích; to však neznamená, že jsou „všechny FFKM“ automaticky způsobilé – plniva, síťovací systém, dodatečné zpracování, čistící výrobní procesy a kontrola šarží mají stejnou důležitost jako samotný název rodiny materiálů.

6. Čisté balení: Poslední linie obrany proti kontaminaci, která je zároveň běžným místem ztráty kontroly

Mnoho podniků hodnotí pouze výběr materiálů a zanedbává balení, skladování, dopravu, otevírání, dočasné skladování, nástroje a ruční montáž a další články. Pokud samotný materiál obalu uvolňuje organické látky nebo vlákna nebo pokud je proces těsnění kontaminován přímým kontaktem rukou, usazením z prostředí nebo nevhodným čištěním před otevřením obalu, může být celé těsnění zbytečné.

Oficiální shrnutí normy SEMI F51 explicitně zahrnuje čistotu těsnění, informace o balení a manipulaci s cílem zachovat optimální výkon těsnicích dílů. Klasifikace čistoty vzduchu podle ISO 14644-1 se vztahuje na samostatné určení materiálů pro balení, prostředí pro balení a samotného dvouvrstvého balení, nikoli na nezávislost čistého balení.

Vysoce kvalitní O-kroužky pro polovodičové aplikace by měly čisté balení považovat za specifikační požadavek, nikoli za fyzikální vlastnost. Doporučujeme tento požadavek uvést v bílé knize následovně:

Výrobek prochází čistou úpravou, kontrolou v čistém prostředí a čistým balením, následuje dodání; materiál vnitřního i vnějšího obalu splňuje požadavky na nízký obsah částic, nízký obsah kovových iontů a organických těkavých látek; každá jednotka balení má označení šarže, materiálu, specifikace, šarže úpravy, stavu kontroly a identifikaci pro sledovatelnost.

7. Konzistence šarží: Co polovodičoví zákazníci požadují, je „opakovatelnost“.

U běžných O-kroužků se konzistence šarží obvykle zaměřuje na rozměry, tvrdost, pevnost v tahu a trvalou deformaci při stlačení. U polovodičových O-kroužků je nutné dále zohlednit konzistenci údajů o kontaminaci, např. konzistenci údajů o kovových iontech, celkovém organickém uhlíku (TOC), aniontech, částicích a vývěvě (outgassing).

Data od UCT ChemTrace ukazují, že pro O-kroužky lze použít standard SEMI F51-1115 k ověření vyluhovatelných látek, stopových kovů, hromadných stopových kovů, výdechu plynů (outgassing), celkového organického uhlíku (TOC) atd. pro kvalifikaci a monitorování; koncový uživatel tyto údaje porovná se svým dodavatelem a určí specializovanou procesní aplikaci. To znamená, že dodavatel O-kroužků pro polovodičový průmysl nesmí pouze uvést: „tato dávka splnila požadavky“, ale musí být schopen prokázat, že „fluktuace mezi dávkami je říditelná.“

Základní kontrolní body pro konzistenci dávek zahrnují:

8. Sledovatelnost: Od šaržového čísla O-kroužku k procesnímu odchylkovému jevu

Jedním z důvodů, proč mají zákazníci z oboru polovodičů vysoké požadavky na sledovatelnost, je skutečnost, že kontaminační odchylka se často neprojeví v okamžiku instalace. Jedna šarže uzavírací součásti může ovlivnit určité zařízení, určitou komoru, určitý cyklus údržby (PM) nebo určitou šarži waferů či podobné parametry šaržového typu. Pokud nelze zpětně dohledat odchylku na waferu z umístění zařízení, šarže těsnění, šarže materiálu a čísla čištění nebo podobných údajů, náklady na analýzu poruchy výrazně stoupnou.

Data SEMI SCIS ukazují, že standardizační práce v průmyslu zahrnují ověření sledovatelnosti, výměnu součástí, výměnu dat a další směry. To znamená, že sledovatelnost již není pouze záležitostí kvalitního přístupu jedné společnosti, ale součástí unifikovaného standardizačního trendu v polovodičovém průmyslu.

Sledovatelnost vysoce kvalitních polovodičových O-kroužků by měla zahrnovat alespoň:

9. Proč je FFKM často výchozí volbou pro klíčové polohy, ale „FFKM ≠ automaticky kvalifikovaný“

Výhodou FFKM je zcela fluorovaná nebo vysoce fluorovaná struktura, která zajišťuje lepší chemickou stabilitu, tepelnou stabilitu a nízkou reaktivitu. V pozadí dokumentů SIA týkajících se PFAS/fluorovaných materiálů se uvádí, že polovodičová zařízení a související materiály vyžadují neinertnost, čistotu, širokou chemickou a tepelnou stabilitu, nízké tření, elektrické vlastnosti a další kombinované charakteristiky. V plazmových, CVD, leptacích, ALD, mokrých chemických a vakuových aplikacích tyto vlastnosti skutečně činí vysoce čisté FFKM důležitou volbou pro klíčové těsnicí polohy.

Je však nutné se vyhnout třem omylům:

Za prvé, název rodiny materiálů není totožný s třídou čistoty. FFKM může být polovodičové kvality, ale také obyčejné průmyslové kvality; rozdíl vyplývá z formulace, plniva, síťovacího systému, čištění, následného zpracování, čištění, balení a kontroly.

Za druhé, chemická odolnost není totožná s nízkou úrovní znečištění. Materiál může odolávat HF, HCl, kyslíkovému plazmatu nebo NF₃, přesto však může mít relativně vysokou extrahovatelnost kovů, relativně vysoké uvolňování částic nebo relativně vysokou organickou těkavost. V Parkerově seznamu materiálů lze skutečně pozorovat, že stejná rodina polovodičových materiálů se liší podle různých atributů, jako je nízká tvorba částic, nízká extrahovatelnost, extrahovatelnost kovů, rychlost leptání atd.

Za třetí, nízká rychlost eroze není nutně totožná s nízkým uvolňováním částic. Některé plněné materiály mohou mít nižší rychlost iontové eroze, avšak plnivo nebo degradační povrchová vrstva může uvolňovat částice; u některých neplynulých materiálů může být uvolňování částic nižší, avšak v určitých plazmatu nemusí být životnost nejdelší. Proto je nutné pro klíčové polohy vybírat materiál podle konkrétního plynového systému, výkonu, teploty, tlaku, vzdálenosti od zdroje iontů a cyklu údržby (PM).

10. Požadavky na dělení O-kroužků podle scénáře polovodičového zařízení

11. Rámec specifikací přijatý pro odborné články o polovodičích vyšší třídy

Doporučuje se aktualizovat specifikaci polovodičových O-kroužků z „listu specifikací materiálu“ na „list specifikací pro kontrolu kontaminace“. Lze jej stanovit následujícími položkami:

12. Klíčové otázky k položení při ověřování dodavatelů

• Jde o běžný FFKM nebo o FFKM ověřený pomocí testování s nízkou kontaminací pro polovodičový průmysl?
• Lze poskytnout údaje o kovových iontech, aniontech, výparu a částicích ze stejné šarže?
• Jde o jednorázovou kvalifikační zkoušku nebo o pravidelný monitorovací proces?
• Jde o testovací vzorek materiálu nebo o test hotového O-kroužku?
• Je testování prováděno podle příslušných norem SEMI F57 pro UPW nebo chemickou extrakci?
• Zahrnuje testování iontové extrakce skutečné technologické plyny, např. O₂, CF₄, NF₃, Cl₂, HBr?
• Byly dokončeny čištění, tepelné zpracování (baking) a balení v kontrolovaném čistém prostředí?
• Má materiál vlastní inherentní kvalifikaci pro nízkou úroveň částic, nízké výdeje plynů (outgassing) a nízkou extrahovatelnost?
• Byly změny ve složení, surovinách, čištění, balicím materiálu nebo výrobní lince oznámeny prostřednictvím mechanismu PCN?

Závěr

Vysoké požadavky polovodičového zařízení na O-kroužky nejsou způsobeny tím, že zákazník chce „platit za drahý materiál“, ale protože O-kroužky leží v průsečíku vakua, plasmy, silně korozivních chemikálií, čistého prostředí (cleanroom), nanoúrovňových struktur a výroby s vysokým výtěžkem. Jejich hodnota není v tom, že „dokáží utěsnit“, ale spíše v tom, že:

Zajišťují spolehlivé utěsnění + nízké množství usazenin + žádný outgassing + žádné uvolňování částic + žádné uvolňování kovových iontů + odolnost proti plasmě + čisté balení + konzistence dávek + stopovatelnost.

Proto by měly být polovodičové O-kroužky pozicovány jako spotřební materiály pro vysoce kvalitní procesy a součásti pro kontrolu znečištění. Hlavní výhled bílé knihy lze formulovat takto:

U polovodičového zařízení není konkurenceschopnost O-kroužku určena jednotkovou cenou materiálu, ale komplexním výsledkem rozpočtu na znečištění, provozní dostupnosti procesu, intervalu preventivní údržby (PM), rizika výnosu a schopnosti sledovatelnosti dodavatelského řetězce. FFKM je pouze vstupní jistota; vysoká čistota, nízký obsah usazenin, nízký obsah částic, nízký obsah kovových iontů, odolnost vůči iontům a čistý systém dodávky jsou skutečnými rozhodujícími bariérami.