SEMI® F57-0301和更高标准： 用于超高纯含氟聚合物部件的先进标准
James M. Hanson, 世伟洛克（Swagelok）公司, Ronnie A. Browne & Robert A. Shutler, 世伟洛克半导体服务公司, Santa Clara, 美国加利福尼亚州
| 半导体制造业新的湿法处理技术，在高压高温条件下使用研磨液以及HCI 和HF，这些都对纯度以及改进流体系统部件的设计和材料标准提出更高要求。原始设备制造商、工具制造商和整合商都要求能延长设备的使用寿命，使维护能更加容易，具有更强的抗渗透能力，并且可以减少阀门及其它系统部件内发生颗粒脱落的现象。 |
SEMI F57-0301提供了纯度方面的基本标准，该标准假定只要选择正确的材料并采用正确的设计、制造和质量控制测试方法，这些标准是可以达到的。本文中提供的第三方测试结果证实了这一观点。然而，如果SEMI F57 要想保持一直适用，那么它必须将更多的测试方法包括进来，甚至要采用由主要的原始设备制造商制定并在整个行业内通用的更严格的测试标准。这些测试包括BOC Edwards’ Dycon ExSM使用37%的HCI的动态萃取测试，以及其它用研磨液、HCI 和HF进行的可靠性测试。在文中讨论的方法和结论不仅适用于阀门，而且也适用于许多其它的流体系统部件，如流量计、过滤器外壳和调压阀。
为何要制定更高标准
由于越来越多地使用液体处理方法以及新的工艺和材料，例如适用于化学机械研磨（CMP）工艺的研磨液，这必然会要求改进流体系统部件的性能和可靠性。随着整个工业向更大的晶圆尺寸和更窄更密集的线宽发展，业界对流体系统部件的纯度也提出了更高的要求。生产率、利润率以及制程良率都与整个系统部件的性能直接相关。这样的发展趋势促使于2000年10月18日公布的SEMI标准F57-0301的制定和通过。
该标准的目的旨在规定用于整个半导体超纯水和化学分配系统的超高纯（UHP）聚合物部件的最低性能要求。该标准的范围包括聚合物部件的纯度和机械规格，以及用于质量测试方法的参考文献。证明、可追溯性和封装要求也包括在内。然而，该标准主要集中在对纯度要求的规定上，而对机械方面的要求，如尺寸公差、流量特性、泄漏完整性、以及机械强度则留给供应商自己决定。本文将就SEMI F57进行讨论并提供证据对其表示支持，同时支持出台更严格的行业标准并将其纳入SEMI标准中。本文还将就流体系统部件的设计、材料选择及制造方法提出一些指导原则，以使部件供应商能符合本行业最严格的标准要求。
最重要的设计标准
在为超高纯应用设计部件时，流体系统设计者必须全面了解主要原始设备制造商、工具制造商以及整合商当前提出的以及将来提出的要求。与他们的沟通必须贯穿整个设计过程的始终。以下关于下一代阀门设计的几点反映出了与主要设备制造商进行沟通的情况。 - 设计应在可能和可行的情况下超越SEMI F57现有的纯度要求。
- 设计工作应把重点放在最具挑战性的对制程设计的要求上，例如涉及到CMP和酸的制程。下一代阀门应在任何流体化学分配系统中表现出更高的性能。
- 设计应考虑到更长的使用寿命、更高的可靠性和易维护性。与最初的对性能的要求相比，例如压力/温度额定值和所占空间，这些问题应获得同等的重视。
- 设计应根据统计资料和有关数据进行，假设能够获得整个行业所必需的极限值。
材料选择与制造
鉴于以上设计标准，尤其是以上带有#的参考条目，材料选择至关重要。传统上，半导体行业的高纯度阀门供应商选择全氟烷氧基（PFA）用于润湿部件。PFA是通过TFE和全氟烷基单体的共聚合作用形成。它们的生产方法是使氟环氧物与一种金属氟化物发生反应以获得一种酰基氟，然后在碳酸钙上热解以获得聚乙烯基乙醚（PVE）。最近几年，杜邦、泰良及其它含氟聚合物树脂制造商一直致力于提高PFA的纯度。
然而，正如在SEMI F57标准以及对酸和CMP制程的更高的性能要求中所证明的，随着人们对更高纯度润湿表面要求的不断提高，在某些流体部件里，例如阀门，仍有充分的理由对PFA提出质疑。PFA的替代品是PTFE（聚四氟乙烯），它本身就比PFA更不活跃而且在纯度方面拥有超强的耐化学性和质量。它极有可能成为下一代润湿部件所选择的材料。
PTFE为原先的含氟聚合物树脂，它其实就是聚合的TFE。与PFA相比它的结构没有那么复杂，而且只需简单加工即可使用。杜邦公司的Teflon® NXT级PTFE（改进型PTFE）具有以下几点突出的好处：高纯度、易于加工、耐酸、耐磨损及其它工作应力。它含有不到0.01%的PPVE，因此它仍被认为是PTFE。
过去，大部分高纯度阀门都是用注模成型制造技术制成，但这种技术从纯度的角度看有一定的风险。注模成型所用的PFA必须通过几个与金属密切接触的工艺过程（图1）。PFA被熔化挤压注模成球形，在带有金属桶和固定螺钉的挤压机内将高腐蚀性的熔化的PFA在超过300°C的温度下传送进金属球形模具内。这些注模成球形的PFA在超过300°C的温度下在注模成型工艺中重熔。熔化的PFA再次利用金属桶和固定镙钉传送，进入到高温金属注模成型模具内形成最终的阀形。
相比较之下，用PTFE制造润湿部件是一个更为清洁的过程，它有助于消除金属污染。PTFE的烧结是以块状结构完成。把块状结构加工成阀门是在无润滑剂的情况下在室温使用特殊切削工具进行的。另外，与注模成型相比，精确机加工是在很小的公差范围内进行的。此外，这种加工方法有助于在产品开发和制造工艺开发方面实现更快的和更经济的开发和周转时间。它为不同阀门配置之间的转换提供了很大的灵活性。
设计和流道
表1把理想的阀门特性转化成了设计指导方针。这些特性是以SEMI F57及其它行业要求为基础，而设计指导方针则以物理原理和阀门几何学为基础。在很大程度上，表1强调了以下原则：阀门不得对关键流体（如研磨液）造成不利影响，而关键流体也不得对阀门造成不利影响。表1的8条指导方针中，如果不是全部的话至少也有6条是与阀门内的流道有关。流道是一个关键的考虑因素，这不仅是出于对SEMI F57关于粒子成分的纯度要求的考虑，而且也是出于对半导体制造业近期的发展考虑，例如铜质CMP，这种材料要求对研磨液进行温和的处理以使结块最小。
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图2. 含氟聚合物UHP关闭阀横截面，其中包括已标出的部件和零件。PTFE阀体包含了一个用于对铜CMP研磨液等敏感介质进行温和处理的碗或腔体。 |
半导体工业目前使用的许多阀门都不是为今天的先进工艺设计的。事实上，它们的设计有时比这些工艺的发明和广泛使用还要早。计算流体动力学（CFD）是用于流体系统的先进的计算机辅助模型工具，它使工程师可以为各种不同的几何结构建模（供不同的重要系统流体使用），以便确定这些几何结构性能如何及能否达到表1中的设计指导方针的要求。CFD可以预测任何给定阀门设计的流量系数。它还说明和计算了流体的速度、剪切力及整个阀门逐渐增加的压降。就流体流量而言，阀体和隔膜是阀门最重要的部分（图2）。CFD使设计者在对其它设计要素进行实验以优化流道性能的同时，能保持某些设计要素恒定不变。
例如，设计者可以对进口和出口孔径的尺寸及其相互间的角度进行测试。或者，他或她可以结合隔膜的几何形状把重点放在碗或腔的形状本身。除流道之外，表1还探讨了材料整体性和磨损问题，颗粒脱落和渗透问题，所有这些都可以在设计阶段通过有限元分析（FEA）进行测试。
有限元分析为流体部件工程师提供了对每种材料或部件组成部分（如隔膜和阀座密封）的应力和变形进行时间步进分析的方法。在设计使用寿命更长的含氟聚合物隔膜时，有限元分析特别有价值，因为这种隔膜必须抵抗半导体行业所使用的酸、研磨液和其它重要化学品的渗透和侵袭。尽管延长寿命周期要求使用柔软的隔膜，但耐酸性要求使用厚隔膜。有限元分析可协助工程师在这两种相互矛盾的要求之间找到最好的平衡。
在使用有限元分析软件时，设计者需指定材料特性；限制条件，例如温度和压力；应力极限；以及隔膜的几何结构。然后程序会在三维空间里对设计进行模拟和测试。测试结果将使工程师可以对隔膜的形状、厚度和功能性进行实验，直到找到理想的或最佳的设计。
高纯度测试
如前所述，SEMI F57把重点放在纯度上，尤其是使用DI水进行的静态过滤测试。该标准具体指出了有可能在半导体制造过程中造成复杂化的离子金属污染和总有机碳污染程度。鉴于原始设备制造商、整合商和工具制造商的要求越来越高，SEMI F57的性能等级应被视为基准或最低程度要求。
不幸的是，行业中有人对SEMI F57是否现实、是否可以达到或是否过于苛求提出了质疑。首先，SEMI标准是使用和制造流体系统部件的人之间的一种交流手段。如果原始设备制造商或工具制造商希望实行某项特定标准，那么事实上流体系统制造商必须决定该标准在独立的测试条件下是否可以达到和是否可以重复。表2-4包含了在 世伟洛克® DRP™ 系列 UHP含氟聚合物隔膜阀上进行表面可萃取污染物测试的结果。这些独立测试由CT Associations公司根据SEMI标准F40的测试程序进行。表中也提供了SEMI F57的污染限制以供参考和比较。
尽管SEMI F57所要求的静态过滤测试提供了一致的基准性能指导方针，但大多数现场应用都是动态的而不是静态的。因此正如半导体工业的主要原始设备制造商所要求的，动态过滤测试，不仅仅是DI水而且还包括HCI和HF，必须在SEMI标准中找到一席之地。
BOC Edwards’ Dycon ExSM 动态萃取测试便是此类测试中的一个，它使用37%的HCI。HCI是进行侵蚀性测试的适当介质，因为它在渗入含氟聚合物及萃取金属颗粒方面是最有效的化学品之一。Dycon ExSM使用最小的化学体积一段时间，能够在非常低的水平探测到提取物。从被提取的37种元素看，对大宗化学品提取一定区域的表面污染物，工业期望<20 ng/cm2。在七天，一定区域提取率的要求是<0.5 ng/cm2/day ，采用正确的组件设计和生产过程，这些标准都可以达到。
CT Associates 用DRP系列阀门进行了Dycon ExSM 动态萃取测试，结果也是完全在工业极限以下（表5）。从37个萃取单元中发现的区域标准化表面污染为9.36 ng/cm2。区域标准化萃取率是在7天里为0.06 ng/cm2/天。
除了测试离子、金属和总有机碳污染之外，SEMI F57还要求对颗粒影响进行一次测试。该测试要求用DI水进行一次冲洗计时测试，在循环评估后进行。目的是测量由于阀门驱动所造成的颗粒脱落。这是一项重要的测试，但不幸的是，由于没有达成一致意见，标准中没有规定颗粒影响的具体限制。
尽管有人（或公司）怀疑能否对颗粒影响进行可靠的、有可重复结果的测量，但是越来越多的人已经承认这是可以的。主要的原始设备制造商已就颗粒的脱落颁布了有关标准。表6介绍了对DRP进行颗粒影响测试得出的结果，该测试由Air Liquide-Balazs™ 分析服务公司进行并得到了CT Associates公司的验证。
在现场应用中，处理酸性化学品的半导体部件在某些情况下会损害部件的整体性并增加发生颗粒脱落的可能性。未来重新修订SEMI F57时应考虑到更多的介质，如HCI和HF。关于酸、研磨液及其它重要化学品的测试协议应成为UHP含氟聚合物阀门设计、制造和测试过程中不可缺少的一个组成部分。
SEMI F57还应考虑对颗粒脱落进行更长时间和更严格的测试。尽管寿命周期测试不是SEMI F57的重点，但它与纯度及颗粒脱落问题密切相关。以HF或HCI进行的延长的寿命周期测试会对阀门的颗粒脱落产生什么影响？在用HF或HCI进行测试后，要用多少升DI水才能把阀门冲洗干净？根据把颗粒数量降低到可接受的水平所使用的DI水的量，总计划持有成本是多少？
一位主要设备制造商发布的标准要求加快阀门专用流体的寿命周期测试，例如HCI或HF。加快的寿命周期测试用于评估周期的统计数量，这被指定为B10寿命，而且预计会有10%的阀门通不过测试。根据行业标准，CT Associates公司在49%的HF中对1/2内DRP进行了测试，以检验被测试的阀门每运行150,000个周期的开裂压力和端口至端口压力。由于这些阀门没有运转至失效，因此使用了Weibayes方法（R. B. Abernethy，《新威布尔手册》，2000年）来计算B10寿命。表7记录了计算结果，以及行业标准。
同样的行业标准规定了颗粒脱落测试的具体要求。首先，用被动冲洗测试测出把颗粒影响降低到<0.1颗粒/毫升所需要的DI水量，规定的颗粒尺寸为< 0.10 μm。标准要求达到<300 ml。第二，用循环测试记录使阀门达到每次阀动产生的颗粒少于100所需要的启动和关闭循环次数，规定的颗粒尺寸为< 0.10 μm。表8和表9包含了在HF寿命周期测试之前和之后对1/2英寸DRP进行测试的结果，所参照的是行业标准。这些测试是由CT Associates公司进行的。
结论
SEMI F57是一项用于测量含氟聚合物部件纯度的可以达到、适当和有用的标准。只要选择适当的材料（为所有润湿表面改进过的聚四氟乙烯），使用先进的制造方法（机械加工），运用计算机辅助模拟技术，并进行严格的第三方测试，是有可能设计和制造出符合或超过此项SEMI标准的部件的。
然而，如果SEMI F57要继续成为一项可行的和恰当的标准，那么它还必须把行业内已经在使用的其它测试和标准也包含在内。这些新的标准尽管非常严格，但从实际应用中现有的工艺和做法来看，它们是可以达到而且适当的。它们包括了动态过滤测试、寿命周期和颗粒影响测试、以及利用半导体制造工艺中使用的特定介质进行的测试，其中包括研磨液、HF和HCI。
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