O-rings v polovodičovom vybavení nie sú „obyčajné tesniace diely“, ale superpozícia kontroly kontaminácie procesu, udržiavania vákua, chemicky kompatibilných dielov, plazmových spotrebných materiálov a sledovateľnej kvality. V bežných priemyselných scenároch sa hlavne zameriava na to, aby nedochádzalo k únikom, odolnosť voči korózii, starnutiu a dlhú životnosť; v polovodičových scenároch je však nevyhnutné súčasne dokázať, že nedochádza k kontaminácii kremíkového substrátu, komory, plynových vedení, ultračistých systémov uvoľňovaním organických látok, kovových iónov, iónových kontaminantov, časticových látok a iných vedľajších produktov plazmového poškodenia, a práve to je základnou príčinou vysokých O-ring požiadavky.

Vysvetlenie SIA týkajúce sa kontroly znečistenia polovodičov môže tento logický postup zhrnúť nasledovne: rozmerové charakteristiky zariadení sa zmenšujú a trojrozmerné štruktúry sa stávajú zložitejšími, čo zvyšuje pravdepodobnosť, že častice, nečistoty alebo iné mikroznečistoty spôsobia problémy s spoľahlivosťou alebo výťažnosťou; polovodičové zariadenia sú tiež výrazne citlivé na častice, kovové ióny, chemikálie, baktérie a poškodenie priestorovými iónmi atď., teda sú extrémne citlivé. Norma SEMI F51 sa tiež špeciálne zameriava na diskusiu o výdajoch plynov z O-krúžkov a tesniacich krúžkov, pretože tradičné normy ASTM alebo všeobecné priemyselné normy nedostatočne komplexne pokrývajú hodnotenie výkonu, čistenie a balenie tesniacich častí pre polovodičové aplikácie.

1. Špecifická povaha polovodičových O-krúžkov: sú „príliš blízko“ zóny chýb v kremíkových platničkách

O-krúžky v polovodičovom zariadení sa zvyčajne nachádzajú na dverách komory, krytoch komory, pozorovacích oknách, štrbinových uzáveroch, vývodu pod tlakom, vstupoch a výstupoch pre plyn, čerpadlových systémoch, mokrých pracovných stoloch, CVD/ALD/PECVD, leptacích a popolovacích/odstraňovacích zariadeniach a podobných miestach. Môžu priamo kontaktovať procesný plyn, plazmu, silné kyseliny a zásady, rozpúšťadlá, ultračistú vodu a môžu byť tiež vystavené vysokým teplotám, vákuu, deformácii spôsobenej stlačením, opotrebovaniu trením a pravidelnému demontážu.

To má za následok, že ich porucha nie je jednoducho „únik alebo zlomenie“. Typickejšími cestami poruchy sú:

Na tesniacej ploche vznikajú stopové uvoľnenia, odparovanie, rozpustenie, práškové alebo časticové iónové kontaminácie → tieto kontaminácie sa usadzujú na povrchu kremíkovej platničky alebo tenkej vrstvy → vznikajú časticové defekty, elektrické anomálie, úniky ventilov, poruchy adhézie vrstiev, nejednotná korózia/depozícia → pokles výtvarnosti alebo riziko nespôsobilosti.

Oficiálny abstrakt SEMI F51 zdôrazňuje, že sa sústredí na štandardy pre tesniace časti vybavenia na výrobu polovodičov a poskytuje informácie o výbere tesniacich materiálov, posudzovaní ich výkonu, čistote, balení a spracovaní, aby sa znížili celkové náklady na vlastníctvo a zvýšila dostupnosť vybavenia. To ukazuje, že rozsah hodnotenia O-krúžkov pre polovodiče sa už „rozšíril“ od samotnej gumovej súčasti po prevádzkovú dostupnosť vybavenia, stabilitu procesu a kontrolu znečistenia.

2. Nízke výdajovanie plynov: Nie je to „čistota materiálu“, ale skôr jeho neschopnosť uvoľňovať molekuly do procesu

Nízke riziko výdaja plynov z polovodičového vybavenia zahŕňa tri kategórie: prvá je skutočný výdaj plynov vo vákuu/vysokoteplotný výdaj plynov, t. j. uvoľňovanie do plynu nízkomolekulárnych летúcich látok z elastomérov, zvyškových monomérov, vedľajších produktov sieťovania, prísad a adsorbovanej vlhkosti; druhá je vylúhovateľné/extrahovateľné látky z kvapalných médií, t. j. kovové ióny, anióny a celkový organický uhlík (TOC) extrahované z ultračistej vody (UPW), kyslín, zásad alebo rozpúšťadiel; tretia je rozkladné produkty vznikajúce pri technologických procesoch, napr. plazma, silné oxidačné prostriedky alebo amoniak/kyslík obsahujúce plyny spôsobujú povrchovú degradáciu tesniacich materiálov a vznik migráciou kontaminujúcich látok.

Vakuumné systémy sa bežne odvolávajú na štandard ASTM E595 pre tento rámec testovania výdychu. Vysvetlenie ASTM E595 od NASA uvádza, že táto metóda sa používa na meranie straty hmotnosti a kondenzovateľnej letivej látky materiálov vo vákuu. Údaje NASA spomínajú skoré pokyny pre nízky výdych: celková strata hmotnosti (TML) ≤ 1,0 % a kondenzovateľná letivá látka (CVCM) ≤ 0,10 %; takéto kritérium však vysvetľuje, prečo sa vo vákuovom prostredí musí zamerať pozornosť na „kondenzovateľné látky“, nie iba na rýchlosť úniku.

Pri mokrej metóde a scenároch prepravy ultračistej vody (UPW) je štandard SEMI F57 priamo relevantnejší. Podľa vysvetlenia spoločnosti CT Associates sa tento špecifikáciu vzťahuje na polymérne materiály a súčiastky vysoké čistoty, pričom sa zameriava na ponorenie do UPW pri meraní kovov, aniónov a organických kontaminantov. Vzorky sa podľa štandardu SEMI F40 extrahujú po dobu 7 dní v UPW pri teplote 85 °C. Tento typ logiky testovania je rovnako dôležitý aj pre tesniace krúžky, pretože tesniace súčiastky nie sú pasívnymi pozorovateľmi, ale potenciálnymi zdrojmi kontaminácie pri dlhodobom ponorení, stlačení, tepelnom cyklovaní a preplachovaní médiami.

3. Nízke množstvo kovových iónov: Myšlienkou na úrovni ppm už nie je dosť

Kontaminácia kovovými iónmi je jednou z najľahšie podceňovaných problémov pri tesniacich častiach v polovodičovom priemysle. Zdroje kovových iónov v O-krúžkoch sú rozmanité: plnivo, farbivo, systém prísad, technologické prísady, odlitok z formy, zvyšky po brousení/oprave, čistiaci voda, obalový materiál, kontakt s ľudskou pokožkou a usadeniny z prostredia. Bežné priemyselné gumy s akceptovateľným obsahom popola, plniva alebo kovových zvyškov môžu v prednej časti polovodičového výrobného procesu stať neakceptovateľnými zdrojmi elektrickej kontaminácie.

Článok na ScienceDirect s názvom „Essential high-purity sealing materials for semiconductor manufacturing“ uvádza, že kovové ióny môžu prenikať polymérmi, rozšíriť sa cez rozhranie a šíriť sa difúziou; kontaminácia kovmi môže spôsobiť tzv. „killer defects“. Článok tiež uvádza, že pri výbere tesniacich materiálov pre polovodičové zariadenia je potrebné prísne kontrolovať podmienky vysokého stupňa čistoty počas konfigurácie, extrúzie, formovania, čistenia, balenia a výroby. Údaje série SEMI F51-1115 od UCT ChemTrace tiež sledujú výlučné látky (leachables), stopové kovové nečistoty v hromadnom materiáli (bulk trace metals), výdaj plynov (outgassing) a celkový obsah organického uhlíka (TOC) ako monitorované parametre pre O-krúžky a tesniace krúžky a uvádzajú rozdiely v údajoch o výlučných látkach a stopových kovových nečistotách pre O-krúžky od toho istého dodávateľa.

Kľúčový bod je tu: „rovnaký názov materiálu“ sa nerovná „rovnaká úroveň kovových iónov“. Aj keď majú rôzne zloženia, plnivá, systémy sieťovania, post-spracovanie a pozadie kovov v jednotlivých šaržiach rovnaký názov FFKM, FKM alebo EPDM, môžu byť úplne odlišné. To, čo zákazníci z oblasti polovodičov skutočne nakupujú, je „konfiguračný systém s nízkou kontamináciou kovovými iónmi + čistá výroba + údaje o šarži“, nie názov rodiny materiálov.

Kľúčové kategórie kovov/iónov, na ktoré sa treba zamerať pri kontrole:

4. Nízky obsah častíc: Častice na tesniacej ploche nie sú prirodzene statické – častice sa „vyrábajú mimo“

Riziko častíc pri polovodičových tesniacich krúžkoch má štyri zdroje: po-za prvé, ostanúce hranoly, trhliny a mikrošpinavosti po formovaní, výrobe, oprave a sekundárnom spracovaní; druhé, trenie, ťahanie, skrúcanie a kontaminácia počas prepravy a inštalácie spôsobia nové častice; tretie, dynamické opotrebovanie v miestach otvárania a zatvárania, napr. uzávery brán, štrbinové uzávery, čerpadlá, príruby; štvrté, korózia povrchu materiálu plazmou alebo chemickými prostrediami, rozpad povrchu, hrubnutie alebo karbonizácia atď.

ISO 14644-1:2015 vysvetľuje, že čistota vzduchu v čistých miestnostiach sa klasifikuje podľa hustoty častíc; rozsah veľkosti častíc sa pohybuje od 0,1 μm do 5 μm; v polovodičových aplikáciách sa zohľadňujú nielen častice vo vzduchu v čistom priestore, ale aj častice na povrchu a v kvapalnej fáze, ako aj príspevok častíc zo systémov prepravy plynov; materiály SEMI SCIS a normy SEMI F114 a F115 sa používajú na meranie častíc a celkového počtu znovu usadených častíc v systémoch dodávky ultračistých chemikálií (UHP) a na povrchoch častí vybavenia pre mokré spracovanie – to ukazuje, že polovodičový priemysel považuje „vlastný príspevok častíc/organických látok zo súčastí“ za metriku na úrovni systému.

Pri O-krúžkoch nízka emisia častíc nie je vec, ktorá sa dosiahne jednorazovým vyčistením. Je potrebné začať už pri formulácii – používať menej alebo opatrne naplnenie voľnými prísadami; optimalizovať formy, aby sa znížili hrany a poškodenie pri ďalšom spracovaní; minimalizovať čistenie kontaktom; zabaliť v čistých miestnostiach; a overiť emisiu častíc pri trení a uvoľňovanie iónov po inštalácii.

Parker príručka na inštaláciu polovodičových zariadení spoločnosti 's rozdeľuje obavy týkajúce sa elastomérov podľa troch typov procesov: plazmového/plynového usadzovania, tepelného a mokrého. Pri plazmovom/plynovom usadzovaní sú kľúčové parametre rýchlosť leptania, generovanie častíc a veľkosť častíc; pri mokrom procese ide o chemickú kompatibilitu a extrahovateľnosť kovových iónov. To presne ukazuje, že kontrola častíc pri polovodičových tesniacich krúžkoch musí byť určená podľa konkrétneho procesu, nie jednotným všeobecným stupňom čistoty.

5. Odolnosť voči plazmovému poškodeniu: chemická odolnosť sa nerovná odolnosti voči plazme

Plazma v suchých polovodičových technológiách nie je len „plyn“ – obsahuje ióny, voľné radikály, UV žiarenie, tepelné zaťaženie a fyzické bombardovanie, a mechanizmus jej poškodzovania sa líši od korózie spôsobenej kvapalnými chemikáliami. Kyslík a iné iónové zložky môžu oxidovať/napadnúť kostru gumy; fluorobsahujúce ióny môžu spôsobiť povrchové zmeny. Materiál, ktorý je „odolný voči korózii“ kvapalnými chemikáliami, nemusí byť zároveň odolný voči nízkemu výdaju plynov a nískym úrovniam častíc v plazmovom prostredí.

Plazmové procesy PPE s materiálom jasne ukazujú, že chemické a tepelné výzvy pri plazmovom tesnení sú závažné, tesniace materiály na kľúčových pozíciách sa časom postupne degradujú a neexistuje žiadny jediný tesniaci materiál, ktorý by bol vhodný pre všetky chemické systémy, polohy nástrojov a typy výrobkov; v semicondutorovom sprievodcovi tesnenia firmy Parker sa tiež bežne uvádzajú chemikálie používané pri plazmovom/plynovom usadzovaní, vrátane F, Cl, ClF₃, O₂, CF₄, O₃, SiH₄, C₂F₆, NF₃, WF₆ atď., a ako typické zamerania sa uvádzajú rýchlosť leptania, tvorba častíc a veľkosť častíc.

Preto kľúčovým faktorom pri používaní FFKM v polovodičovom priemysle nie je „vysoká cena FFKM“, ale skutočnosť, že určité vysokočisté formulácie FFKM poskytujú lepšiu rovnováhu medzi požiadavkami na odolnosť voči silnej korózii obsahujúcej fluór, vakuu, vysokým teplotám a nízkemu kontaminovaní. Charakteristiky polovodičových materiálov spoločnosti Trelleborg popisujú pokročilé FFKM ako materiál s vysokou stabilitou, vysokou čistotou a extrémne nízkym obsahom stopových kovov a zdôrazňujú jeho schopnosť znížiť odolnosť proti plazme v prostredí vysokého stupňa čistoty; to však neznamená, že „všetky FFKM“ sú automaticky vhodné – plnivo, sieťovací systém, ďalšie spracovanie, čistenie počas výroby a kontrola dávok majú rovnakú dôležitosť ako samotný názov materiálovej skupiny.

6. Čisté balenie: Posledná obranná línia proti kontaminácii, ktorá je zároveň bežným miestom straty kontroly

Mnoho podnikov hodnotí len výber materiálov a zanedbáva balenie, skladovanie, prepravu, otváranie, dočasné skladovanie, nástrojové a manuálne montážne kroky a iné súvisiace kroky. Ak sa samotný balivý materiál uvoľňuje organické látky, vlákna alebo ak je proces pečatenia kontaminovaný kontaktom ruky, usadzovaním prostredia alebo nevhodným čistením pred otvorením balenia, všetky opatrenia na utesnenie môžu byť zbytočné.

Oficiálny abstrakt SEMI F51 explicitne zahŕňa čistotu utesnení, informácie o balení a manipulácii s cieľom zachovať optimálny výkon utesňovacích komponentov. Klasifikácia čistoty vzduchu podľa ISO 14644-1 sa uplatňuje na nezávislé definovanie balivých materiálov, prostredia pre balenie a dvojvrstvového balenia samotného, nie na nezávislosť čistého balenia.

Vysokokvalitné O-kruhy pre polovodičov by mali čisté balenie považovať za špecifikačné pole, nie za fyzikálnu vlastnosť. Odporúča sa uviesť to v technickej dokumentácii nasledovne:

Výrobok prechádza čistením, kontrolou v čistom prostredí a čistým balením, potom sa odosle; materiál vnútorného a vonkajšieho vrecka spĺňa požiadavky na nízku úroveň častíc, nízku úroveň kovových iónov a organických летúcich látok; každá jednotka balenia má označenie šarži, materiálu, špecifikácie, šarže čistenia, stavu kontroly a identifikáciu sledovateľnosti.

7. Konzistencia šarží: To, čo polovodičoví zákazníci žiadajú, je „opakovateľnosť“

Pri bežných tesniacich krúžkoch sa konzistencia šarží zvyčajne zameriava na rozmery, tvrdosť, pevnosť v ťahu a trvalú deformáciu pri stlačení. Pri polovodičových tesniacich krúžkoch sa musí konzistencia šarží zameriavať aj na konzistenciu údajov o kontaminácii, napr. kovové ióny, celkový obsah organického uhlíka (TOC), anióny, častice, výdaj plynov (outgassing) a ďalšie jednotné údaje šarží.

Údaje UCT ChemTrace ukazujú, že pre O-krúžky sa môže odkazovať na štandard SEMI F51-1115 v súvislosti s vyplavovaním, stopovými kovmi, stopovými kovmi v hromadnom materiáli, výplynovaním, celkovým organickým uhlíkom (TOC) atď. na účely kvalifikácie a monitorovania; koncový používateľ tieto údaje porovnáva so zásobovateľom a určuje špecifický procesný postup. To znamená, že dodávateľ O-krúžkov pre polovodičové aplikácie nemôže len tvrdiť: „táto dávka prešla“, ale musí byť schopný dokázať, že „kolísanie parametrov dávky je kontrolovateľné.“

Základné kontrolné body konzistencie dávky zahŕňajú:

8. Stopovateľnosť: Od čísla šarži O-krúžku po technologickú anomáliu

Jednou z príčin vysokých požiadaviek zákazníkov z polovodičového priemyslu na stopovateľnosť je skutočnosť, že kontaminačná anomália sa často neprejaví v čase inštalácie. Jedna uzatváracia šarža môže ovplyvniť určité zariadenie, určitú komoru, určitý cyklus preventívnej údržby (PM) alebo určitú šaržu waferov alebo podobné parametre šaržového typu. Ak nie je možné stopevať anomáliu waferu späť k lokalite zariadenia, šarži tesnenia, šarži materiálu a číslu čistenia alebo podobným údajom, náklady na analýzu poruchy výrazne stúpnu.

Údaje SEMI SCIS ukazujú, že normalizačná práca v odvetví zahŕňa stopovateľnú verifikáciu, výmenu súčiastok a výmenu dát a iné smerovania. To znamená, že stopovateľnosť už nie je len kvalitatívnym predpokladom jednej spoločnosti, ale súčasťou jednotného normalizačného trendu v polovodičovom priemysle.

Stopovateľnosť high-end polovodičových O-krúžkov by mala zahŕňať aspoň:

9. Prečo je FFKM často predvolenou voľbou pre kľúčové pozície, avšak „FFKM ≠ automaticky kvalifikované“

Výhodou FFKM je úplne fluorovaná alebo vysoko fluorovaná štruktúra, ktorá zabezpečuje lepšiu chemickú stabilitu, tepelnú stabilitu a nízku reaktivitu. V dokumentoch SIA o pozadí materiálov obsahujúcich PFAS/fluor sa uvádza, že polovodičové zariadenia a súvisiace materiály musia spĺňať požiadavky na neaktívnosť, čistotu, širokú chemickú a tepelnú stabilitu, nízke trenie, elektrické vlastnosti a ďalšie kombinované charakteristiky. V plazmových, CVD, leptacích, ALD a mokrých chemických aplikáciách aj v podmienkach vákua tieto vlastnosti skutočne robia vysokoprehľadné FFKM dôležitou voľbou pre kľúčové tesniace pozície.

Avšak treba sa vyhnúť trom omylom:

Po prvé, názov materiálovej skupiny sa nerovná stupňu čistoty. FFKM môže byť polovodičového stupňa, ale aj bežného priemyselného stupňa; rozdiel vyplýva z formulácie, plniva, sieťovacieho systému, čistenia, ďalšej spracovateľnosti, čistenia, balenia a kontroly.

Po druhé, odolnosť voči chemikáliám nie je rovnaká ako nízka kontaminácia. Materiál môže odolať HF, HCl, kyslíkovému plazme alebo NF₃, avšak stále môže mať relatívne vysokú extrahovateľnosť kovov, relatívne vysoké uvoľňovanie častíc alebo relatívne vysokú organickú volatilitu. Z Parkerovej zoznamu materiálov sa skutočne dá vidieť, že rovnaká rodina polovodičových materiálov sa líši podľa atribútov, ako sú nízka generácia častíc, nízka extrahovateľnosť, extrahovateľnosť kovov, rýchlosť leptania atď.

Po tretie, nízka rýchlosť erózie nie je nevyhnutne rovnaká ako nízke uvoľňovanie častíc. Niektoré naplnené materiály môžu mať nižšiu rýchlosť iontovej erózie, avšak plnič alebo povrchová degradačná vrstva môžu uvoľňovať častice; u niektorých nepreplnených materiálov je uvoľňovanie častíc možno nižšie, avšak v určitých plazmách nemusia mať najdlhšiu životnosť. Preto je potrebné pre kľúčové pozície vybrať materiál podľa konkrétneho plynového systému, výkonu, teploty, tlaku, vzdialenosti od zdroja iónov a cyklu údržby.

10. Požiadavky na rozdelenie O-krúžku podľa scénárov polovodičových zariadení

11. Rámec špecifikácií prijatý pre vysokej kvality polovodičové bielé knihy

Odporúča sa aktualizovať špecifikáciu polovodičových tesniacich krúžkov z „listu špecifikácií materiálu“ na „list špecifikácií kontroly znečistenia“. Možno ho stanoviť nasledujúcimi položkami:

12. Kľúčové otázky, ktoré je potrebné položiť pri overovaní dodávateľov

• Je to bežné FFKM alebo FFKM overené prostredníctvom testovania nízkej kontaminácie pre polovodičové aplikácie?
• Je možné poskytnúť údaje o kovových iónoch, aniónoch, výdajoch plynov a časticových emisiách pre tú istú šaržu?
• Je testovanie jednorazová kvalifikácia alebo pravidelné monitorovanie?
• Je testovaný materiálový vzorkový kus alebo hotový test O-krúžku?
• Prebieha testovanie podľa relevantných noriem SEMI F57 pre UPW alebo chemickú extrakciu?
• Zahŕňa testovanie iónovej extrakcie skutočné technologické plyny, napr. O₂, CF₄, NF₃, Cl₂, HBr?
• Bolo dokončené čistenie, vyhrievanie a balenie v kontrolovanej čistej prostredí?
• Majú materiály vlastné nízke úrovne častíc, nízke výdajové množstvo plynov a nízku extrakciu, ktoré sú založené na ich prirodzenej kvalifikácii?
• Boli zmeny vo formulácii, surovine, čistení, balení alebo výrobe oznámené prostredníctvom mechanizmu PCN?

Záver

Vysoké požiadavky polovodičového vybavenia na O-krúžky nie sú spôsobené tým, že zákazník chce „platiť za drahý materiál“, ale preto, lebo O-krúžky sa nachádzajú v mieste prekrývania medzi vakuumom, plazmou, silnými korozívnymi chemikáliami, čistými miestnosťami, nanoúrovňovou štruktúrou a výrobou s vysokým výnosom. Ich hodnota neleží v „schopnosti tesniť“, ale namiesto toho v:

Spoľahlivé tesnenie + nízky výraz precipitátov + bez výdaja plynov + bez uvoľňovania častíc + bez uvoľňovania kovových iónov + odolnosť voči plazme + čisté balenie + konzistentnosť dávok + sledovateľnosť.

Preto by sa O-krúžky pre polovodičové zariadenia mali považovať za spotrebné materiály vysokej kvality a súčasti na kontrolu znečistenia. Základný názor bielой knihy možno formulovať takto:

U polovodičových zariadení nie je konkurencieschopnosť O-krúžkov určená jednotkovou cenou materiálu, ale komplexným výsledkom rozpočtu na znečistenie, dostupnosti procesu, intervalu preventívnej údržby (PM), rizika straty výťažku a schopnosti sledovateľnosti dodávateľského reťazca. FFKM je len vstupenka; vysoká čistota, nízky obsah precipitátov, nízky obsah častíc, nízky obsah kovových iónov, odolnosť voči iónom a čistý systém dodávky sú skutočnými rozhodujúcimi bariérmi.