Puhtuse imperatiiv
Pooljuht-ultra{0}}puhta veesüsteemid tarnivad vett, mille orgaaniline süsinik on kokku alla 0,5 ppb ja metalliioonide kontsentratsioon alla 0,1 ppb. Ükski soojusvaheti, mis soojendab seda vett pärast poleerimist, ei tohi seda puhtust halvendada. Isegi alla-osa-miljardi-metalli leostumine on vastuvõetamatu.
Selle rakenduse nimel võistlevad kaks materjali: tantaal ja PTFE. Tantaal on tulekindel metall, millel on erakordne korrosioonikindlus hapetes ja looduslik oksiidkile, mis on stabiilne laias pH vahemikus. PTFE on täielikult fluoritud polümeer, mis ei sisalda metallilisi koostisosi. Mõlemad suudavad uuena tagada vajaliku keemilise puhtuse. Erinevus ilmneb aastatepikkuse termilise tsükli ja kemikaalidega kokkupuute tõttu.
Tantaal: silmapaistev, kuid mitte lõpmatu korrosioonikindlus
Tantaal talub korrosiooni läbi stabiilse Ta2O5 passiivse kile, mis tekib õhus või oksüdeerivates lahustes koheselt. See kile on tihe, kleepuv ja ise{1}}paranev. UPW-s ja enamikus pooljuhtkemikaalides korrodeerub tantaal kiirusega, mida mõõdetakse mikronites aastas.
Tantaalil on aga haavatavus. Leeliselistes lahustes, mille pH on üle 10, lahustub oksiidkile. Fluoriidioonide -ilmumisel HF-st või puhverdatud oksiidsöövituskeemiast- korrodeerub tantaal kiiresti, moodustades lahustuvad tantaal-fluoriidikompleksid. Isegi fluoriidi jääk UPW-s, mis võib olla tingitud ülesvoolu komponendi rikkest, võib algatada lokaliseeritud rünnaku.
Olulisem puhtuseprobleem ei ole mitte puistekorrosioon, vaid metalliioonide leostumine. UPW-ga kokkupuutel tantaal vabastab ideaalsetes tingimustes tantaaliioone kiirusega ligikaudu 0,01–0,1 ppb. See on alla tüüpiliste avastamispiiride. Aastatepikkuse termilise tsükli jooksul läbib passiivne kile aga korduvalt lahustumist ja ümberkujundamist, vabastades iga tsükliga metalliioone. Kumulatiivne metallide vabanemine, kuigi mõõdetuna osades triljoni kohta, võib läheneda kõige tundlikumate pooljuhtprotsesside piiridele.
Tabel 1: UPW kuumutusteenuse puhtuse ja kulude võrdlus
| Hindamiskriteerium | Tantaal | PTFE |
|---|---|---|
| Metalliioonide leostumine (esialgne) | < 0.1 ppb | Null (metallid puuduvad) |
| Metalliioonide leostumine (5 aasta pärast) | 0,05–0,3 ppb (kumulatiivne passiivne filmitsükkel) | Null |
| Fluoriidikindlus | Puudub (kiire rünnak) | Täielik (inertne) |
| Soojusjuhtivus (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Nõutav suhteline pindala | 1.0 (alustase) | 3-4× |
| Materjali maksumus (suhteline) | 50-80× | 1× |
| Soojusvaheti maksumus (suhteline) | 8-12× | 1× |
| Paigaldamise keerukus | Kõrge (raske, vajab tuge) | Madal (kerge, paindlik) |
| Kasutusiga õigel kasutamisel | 10-15 aastat | 15+ aastat |
PTFE: definitsiooni järgi nullmetall
PTFE ei sisalda metalle. Polümeeriahel koosneb täielikult süsiniku ja fluori aatomitest. Materjali töövahemikus keemilistes või termilistes tingimustes ei ole UPW-sse leostuvaid metallelemente.
See ei ole väide vähese leostumise või aeglase korrosiooni kohta. See on elementaarse koostise avaldus. PTFE soojusvaheti ei saa vabastada metalliioone, kuna materjalis metalliioone ei ole. See absoluutse puhtuse garantii ei sõltu töötemperatuurist, pH-st, keemilisest koostisest ja kasutuseast.
Puhtuse eelis ulatub tavapärasest tööst kaugemale. Kui keemiline ärritus toob UPW-sse fluoriidi, korrodeerub tantaalsoojusvaheti ja vabastab metalliioone. PTFE soojusvahetit ei mõjuta. Kui reguleerimise rike põhjustab temperatuuri kõrvalekaldeid, võib tantaali passiivne kile pakseneda ja vabastada taastumistsükli ajal täiendavaid ioone. PTFE-l sellist muutust ei esine.
Kulude ja jalajälje{0}}allahindlused
Tantaalsoojusvahetid on kallid. Materjali maksumus kilogrammi kohta on 50-80 korda suurem kui PTFE. Valmistamine nõuab spetsiaalset keevitamist inertses atmosfääris. Saadud soojusvaheti maksab 8-12 korda rohkem kui samaväärne PTFE seade.
Tantaali eeliseks on soojusjuhtivus. Tantaal 54 W/m·K juures kannab soojust üle 200 korda tõhusamalt kui PTFE. Tantaalsoojusvaheti on kompaktne, nõudes oluliselt vähem paigaldusruumi. Rahvarohketes pooljuht-alam{5}}tehastes, kus ruumi on vähe, on sellel kompaktsusel tõeline väärtus.
PTFE kompenseerib madalat soojusjuhtivust õhukese{0}}seinaga torude ja suure-pinnaga-pindade konfiguratsioonide kaudu. PTFE soojusvaheti antud UPW küttevõimsuse jaoks on füüsiliselt suurem kui tantaali ekvivalent. See, kas see trahvi suurus on oluline, sõltub olemasolevast paigaldusruumist.
Rakendusjuhised
UPW soojendamisrakenduste jaoks, kus fluoriidiga saastumine on võimalik -allavoolu keemiliste-mehhaaniliste planariseerimisvahenditega, ühistes kemikaalide kohaletoimetamise süsteemides või mitut keemiat töötlevates rajatistes-PTFE pakub absoluutset ohutust fluoriidiga-seotud rikete vastu.
UPW rakenduste puhul kontrollitud keskkondades, kus on garanteeritud fluoriidivaba -vesi ja kus paigaldusruum on väga piiratud, võib vaatamata lisatasule eelistada tantaali. Puhtuse erinevus ideaalsetes tingimustes on piisavalt väike, et kumbki materjal vastab enamikule pooljuhtide spetsifikatsioonidele.
Kõrge -puhtusastmega keemiliseks kuumutamiseks, mis hõlmab happeid,-eriti HCl-i, HF-i või segatud happesöövitusi-on PTFE ühemõtteliselt parem. Tantaal on HF-ga kokkusobimatu ja kuumas HCl-s marginaalne. PTFE on mõlema suhtes inertne.
Kokkuvõte
PTFE ja tantaal konkureerivad erinevatel väärtuspakkumistel põhineva üli-kõrge-puhtusastmega kuumutamise pärast pooljuhtide rakendustes. Tantaal pakub kompaktsust ja kõrget soojusjuhtivust kõrgete kapitalikuludega ning metalli leostumist on äärmiselt väike, kuid mitte -null. PTFE pakub absoluutselt nulli metallisaastet, täielikku keemilist inertsust, sealhulgas fluorikindlust, ja madalamaid kapitalikulusid suurema paigaldatud jalajälje arvelt.
Valik sõltub paigaldusruumi saadavusest, fluoriidiga kokkupuute riskist ja pooljuhtprotsessi sõlme spetsiifilistest puhtusespetsifikatsioonidest. Kõige nõudlikumate puhtusnõuete ja keemiliselt agressiivsete keskkondade jaoks tagab PTFE, et ükski metallipõhine materjal ei vasta sellele.
Tehniline analüüs PTFE vs. tantaalsoojusvaheti valimiseks konkreetsetes pooljuhtide rakendustes on saadaval protsessikemikaalide, töötemperatuuride, puhtuse spetsifikatsioonide, olemasoleva paigaldusruumi ja fluoriidiga kokkupuute riski hindamisel.
