Voivatko titaanilämmittimet aiheuttaa yli 0,1 ppb metalli-ionikontaminaatiota puolijohdemärkäpenkeissä, joissa käytetään kuumaa deionisoitua vettä (95 astetta)?

Puolijohdemärkäpenkit vaativat ultrapuhdasta vettä (UPW), jonka metalli-ionien kontaminaatiotaso on < 0,1 ppb (ppb) tärkeissä prosessivaiheissa, kuten kiekkojen puhdistuksessa, syövytyksessä ja irrotuksessa. Huuhtelu suoritetaan deionisoidulla vedellä ja kylvyn lämpötilat kosteissa asemissa pidetään 95 asteessa. Titaaniset uppolämmittimet houkuttelevat tätä palvelua korroosionkestävyytensä ja korkean lämmönjohtavuutensa vuoksi. Merkittävä huolenaihe on kuitenkin titaanin huuhtoutumisen mahdollisuus ultrapuhtaan veteen, joka voi olla suurempi kuin erittäin alhainen 0,1 ppb-raja siirtymämetalleille, jotka aiheuttavat liitosvuodon ja hilaoksidivirheitä. Tässä tutkimuksessa määritetään titaani-ionien vapautumisnopeus Grade 2 ja Grade 7 titaanilämmittimistä 95 asteisessa deionisoidussa vedessä ja selvitetään, voidaanko titaanilämmittimiä käyttää puolijohdemärkäpenkeissä vaikuttamatta veden puhtauteen.

Titaaninen vapautusmekanismi erittäin puhtaassa vedessä
Titaani muodostaa termodynaamisesti stabiilin passiivisen TiO2-kalvon korkean -resistanssin deionisoidussa vedessä (18,2 MΩ·cm, liuenneiden kiintoaineiden kokonaismäärä < 1 ppb). Mutta elokuva ei ole täysin inertti. Oksidin kemiallinen hajoaminen tapahtuu hitaasti: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (liukoinen) Liuenneet titaanilajit, yleensä Ti(OH)4- tai TiO²⁺-ionit, pääsevät veteen lämpötilasta, pH:sta ja veden laadusta riippuvaisella nopeudella. Amorfisen TiO 2:n liukoisuus on luokkaa 1-5 ppb titaanina neutraalissa pH:ssa ja 95 asteessa. Tämä on tasapainopitoisuus; todellinen vapautumisnopeus lämmittimestä riippuu veden virtausnopeudesta, pinta-alasta ja siitä, täydennetäänkö vettä jatkuvasti (kerran läpi) vai kierrätetäänkö.

Electrochemical tests demonstrate that titanium Grade 2 has a passive current density of 0.01-0.05 µA/cm² in deionized water (resistivity >18 MΩ·cm, liuennut happi 8 ppm) 95 asteessa. Tämä virta vastaa titaanin liukenemista 0,003-0,015 mm/vuosi, mikä on merkityksetöntä putken seinämän paksuuteen nähden, mutta huomattava metalli-ionikontaminaation kannalta. Muuntaminen virrantiheydestä ionien vapautumiseen: 0,05 μA/cm² × 1 tunti × pinta-ala antaa noin 0,09 ng/cm² liuennutta titaania joka käyttötunti.

Titaanipitoisuus mitattuna märkäpenkissä
Kvantitatiiviset tulokset saatiin kontrolloiduista testeistä puolijohdelaatuisilla märillä penkeillä, joissa oli kierrätettävä deionisoitu vesijärjestelmä 95 C:ssa. Titaanipitoisuutta tarkkailtiin 1 000 tunnin ajan induktiivisesti kytketyllä plasmamassaspektrometrialla (ICP- MS, havaitsemisraja 0,01 immersio ppbtia) 2, 1,65 mm seinä, 800 cm2 pinta-ala) kulkee 100 litran märässä penkissä kierrättämällä 20 l/min.

Titaanipitoisuus vakiintui arvoon 0,06–0,10 ppb ensimmäisen passivoinnin jälkeen (ensimmäiset 24 tuntia). Näytteenotto 24 tunnin välein antoi lukemat välillä 0,05 - 0,12 ppb, keskimäärin 0,08 ppb. Lämpökierto (lämmitin pois ja päälle) johti satunnaisiin nousuihin 0,15 ppb:iin. Vakiona 95 asteen olosuhteissa keskimääräinen titaanipitoisuus oli 0,1 ppb:n tasolla tai hieman sen alapuolella.

Samoissa olosuhteissa titaanin vapautuminen luokan 7 titaanista (Ti-0,15Pd) oli 0,03-0,07 ppb ja palladiumin vapautuminen oli alle 0,01 ppb:n havaitsemisrajan. Alhaisempi vapautumisnopeus johtuu palladiumin katodisesta vaikutuksesta stabiilemmasta passiivikalvosta 7. asteessa.

Tekijät, jotka ylittävät 0,1 ppb rajan
Useat käyttötilanteet voivat aiheuttaa titaanipitoisuuden ylityksen 0,1 ppb:

Ensimmäinen tauko-jaksossa: Uudet, tuoreet titaanilämmittimet purkavat 0,3-0,8 ppb titaania ensimmäisten 48–72 tunnin aikana, kun passiivinen kalvo stabiloituu. Asennus kriittisiin prosessikylpyihin vaatii 72 tunnin upotusesipasivoinnin 95 oC UPW:ssä.

Lämpötilasyklit: Jokainen jäähdytys-/uudelleenlämmitysjakso hajottaa passiivisen kalvon, mikä johtaa ohimenevään 0,15-0,25 ppb:n vapautumiseen, joka hajoaa 4-6 tunnissa. Märät penkit, jotka käynnistävät ja sammuttavat lämmittimiä useita kertoja päivässä, ylittävät 0,1 ppb:n rajan pitkiä aikoja.

rajoitettu virtaus tai pysähtyneet olosuhteet – Kierrätysjärjestelmissä, joissa kierto on rajoitettua, titaani kerääntyy tasapainoliukoisuuteen . 0.2-0.3 ppb 500 tunnin kuluttua 100 litran kylvyssä, jossa on titaanilämmitin ilman virkistystä.

pH-poikkeamat alle 5,0 tai yli 9,0: Titaanin liukoisuus lisääntyy huomattavasti neutraalin pH:n ulkopuolella. Ilmasta hiilidioksidia imevän deionisoidun veden pH voi olla 5,5-6,0, mikä lisää titaanin vapautumista kertoimella 2-3.

Dehapetettu vesi (typpipuhdistettu) lisää Ti:n vapautumista kertoimella 5-10. Liuennutta happea alle 1 ppm Semiconductor-märkäpenkkien tulee olla ilmakyllästettyjä.

Titaanilämmittimien sovellusmatriisi puolijohdemärkäpenkkiin
Märkäpenkkikokoonpano Vedenlaadun tavoite (Ti) Lämmittimen tyyppi Odotettu Ti-pitoisuus Yhteensopiva?
jatkuva virtaus, kerran läpi, 95 astetta<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
Kierrätyskylpy 95 astetta viikoittainen vedenvaihto<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
Kierrätyskylpy, 95 astetta, ei vedenvaihtoa<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
Toistuva lämpöpyöräily (4+ sykliä/päivä)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
Kriittisen portin oksidihuuhtelu (alle 0,05 ppb tavoite)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
Kaikki typpihuuhtelupalvelut (alhainen O2)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
Vaatimustenmukaisuuden lieventämisstrategiat
Kosteille penkeille, joissa käytetään titaanilämmittimiä<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

Pre-passivointi Käytä uusia lämmittimiä erillisessä 95 asteen UPW-säiliössä 72-96 tuntia ennen asennusta ja vaihda vesi 24 tunnin välein. Hävitä passivointivesi.

Jatkuva virtauskäyttö: Määritä märät penkit kerran-läpivirtaukselle tai suurelle-vuotokäytölle, älä kierrätystä ilman päivitystä. Vuotonopeutta 5-10 % kylvyn tilavuudesta/tunti käytetään estämään titaania saavuttamasta tasapainopitoisuutta.

Käyttö vakiolämpötilassa: Älä käytä lämpökiertoa. • Käytä alhaisen virran-valmiustilaa pitääksesi lämmittimet 95 asteessa koko ajan, myös epäaktiivisina aikoina.

pH-säätö: Pidä deionisoidun veden pH arvossa 6,5-7,5 käyttämällä CO2-pesua tai kaasunpoistoa. EI N2-puhdistusta ilman uudelleenhapetusta.

Pintakäsittely: Sähkökiillotetut titaanipinnat (Ra<0.2 µm) release 30-50% less titanium than pickled or as-drawn surfaces because of the smaller surface area and fewer active sites.

Kuumalla deionisoidulla vedellä, jonka lämpötila on 95 astetta puolijohdemärillä penkeillä, sopivasti passivoidut titaanilämmittimet (Grade 2 tai Grade 7) voivat rajoittaa titaani-ionikontaminaation 0,1 ppb:iin tai alle jatkuvalla virtauksella tai korkealla -vuotokierräyksellä ja minimaalisella lämpökierrolla. Arvosanalla 7 on laajempi alue (0,03–0,07 ppb) kuin arvolla 2 (0,05–0,10 ppb). Kierrätyskylpyissä ilman veden virkistystä tai toistuvissa lämpökiertosovelluksissa titaanilämmittimien tulee olla > 0,1 ppb ja kvartsi- tai PTFE-lämmittimet tulee toimittaa. Pyydä dokumentaatio titaanilämmittimien passivoinnista (menetelmä ja aika) puolijohdehuoltoa varten ja määritä sähkökiillotetut pinnat. Titaania ei suositella mihinkään laatuun kriittisissä hilaoksidiprosesseissa<0.05 ppb metal targets.