Thermal Shock Challenge
Puolijohdekiekkojen puhdistusprosessit kiertävät kuumien kemikaalien ja kylmän huuhteluveden välillä nopeasti peräkkäin. SC-1- tai SC-2-puhdistuskylvyssä olevan upotuslämmönvaihtimen pintalämpötila voi vaihdella 80 astetta 20 asteeseen sekunneissa kylvyn kemian muuttuessa. Tämä lämpöshokki testaa lämmönvaihdinmateriaalin mekaaniset perusrajat.
Piikarbidia käytetään laajalti puolijohteiden märkäkäsittelyssä sen kemiallisen inerttisyyden ja korkean lämmönjohtavuuden vuoksi. Se siirtää lämpöä tehokkaasti ja vastustaa aggressiivisten puhdistuskemioiden, kuten APM-, HPM- ja SPM-seosten, hyökkäyksiä.
PTFE on myös kemiallisesti inertti kaikissa puolijohteiden puhdistuskemioissa. Sen lämmönjohtavuus on pienempi kuin piikarbidilla, mikä vaatii suuremman pinta-alan vastaavaan lämpökäyttöön. Mutta PTFE:llä on yksi ominaisuus, joka piikarbidilta pohjimmiltaan puuttuu: kyky absorboida lämpöshokkia murtumatta.
Piikarbidin lämpöshokkivikamekanismi
Piikarbidi on keramiikka. Sen atomisidokset ovat vahvoja ja suuntautuvia, mikä antaa sille erinomaisen kovuuden, kemiallisen kestävyyden ja korkean lämpötilan{1}}lujuuden. Nämä samat sidokset tekevät siitä hauraan. Keramiikka ei voi deformoida plastisesti lämpöjännityksen lievittämiseksi. Kun piikarbidikomponentin poikki kehittyy lämpötilagradientti, erolaajeneminen luo jännitystä, joka materiaalin on mukauduttava elastisesti. Jos jännitys ylittää murtolujuuden, komponentti halkeilee.
Materiaalin lämpösokinkestävyys kvantifioidaan sen lämpöshokkiparametrilla: R=σ(1-ν)/E, missä σ on lujuus, ν on Poissonin suhde, on lämpölaajenemiskerroin ja E on kimmokerroin. Korkea arvo osoittaa hyvää lämpöiskun kestävyyttä.
Piikarbidilla on korkea lujuus, mutta myös korkea kimmokerroin ja kohtalainen lämpölaajenemiskerroin. Sen lämpöshokkiparametri on noin 200-300 W/m. PTFE:llä on pienempi lujuus, mutta erittäin alhainen kimmokerroin - noin 500 kertaa pienempi kuin piikarbidilla. Sen lämpölaajenemiskerroin on suurempi, mutta moduulivaikutus hallitsee. PTFE:n tehokas lämpöiskunkestävyys on ylivoimainen, koska materiaali yksinkertaisesti taipuu murtumisen sijaan.
Taulukko 1: Lämpöshokin suorituskyvyn vertailu kiekkojen puhdistusolosuhteissa
| Omaisuus | Piikarbidi | PTFE |
|---|---|---|
| Lämmönjohtavuus (W/m·K) | 120-200 | 0.25 |
| Kimmomoduuli (GPa) | 400-450 | 0.5-0.6 |
| Lämpölaajenemiskerroin (10⁻⁶/aste) | 4.0-4.5 | 100-120 |
| Lämpösokkiparametri (suhteellinen) | 1.0 (perustaso) | 5-8× |
| Vastaus 60 asteen lämpöshokkiin | Voi murtuma; vaatii ohjatun rampin | Ei vaurioita; välitön vastaus |
| Pienin sallittu ΔT turvallisen toiminnan takaamiseksi | 50-80 astetta (valmistajakohtainen) | >200 astetta |
| Vikatila | Hauras murtuma ja hiukkasten vapautuminen | Elastinen muodonmuutos; ei murtumaa |
| Hiukkasten muodostumisriski lämpösyklin jälkeen | Kohtalainen-Korkea (murtumajätteet) | Erittäin alhainen |
Hiukkasten tuottaminen puhdastilaympäristöissä
Vakavin seuraus piikarbidin lämpöshokin epäonnistumisesta kiekkojen puhdistustyökalussa on hiukkasten muodostuminen. Halkeileva tai murtunut lämmönvaihdin vapauttaa keraamisia hiukkasia puhdistuskylpyyn. Nämä hiukkaset voivat kerrostua kiekkojen pinnoille ja luoda vikoja, jotka vähentävät saantoa.
Jopa ilman katastrofaalista murtumaa, piikarbidin pinnan mikro{0}}halkeilu voi vapauttaa alle -mikronisia hiukkasia ajan myötä. Jokainen lämpösykli voi laajentaa olemassa olevia mikrohalkeamia hieman. Kumulatiivinen hiukkasten vapautuminen heikentää kylvyn puhtautta vähitellen.
PTFE ei voi murtua hauraassa mielessä. Sen elastinen ja taipuisa vaste lämpörasitukseen tarkoittaa, että halkeamia ei muodostu eikä hiukkasia synny lämpökierrosta. Fluoripolymeeripinta saattaa kulua hitaasti virtauseroosiosta useiden vuosien aikana, mutta tämä kulumismekanismi on riippumaton lämpökierrosta.
Lämmönsiirron kompensointi
Piikarbidin (120-200 W/m·K) ja PTFE:n (0,25 W/m·K) välinen lämmönjohtavuusero on huomattava. PTFE-lämmönvaihtimet vaativat suhteellisesti enemmän pinta-alaa tuottaakseen saman lämpötehon. Tämä on todellinen haitta tiukat kiekkojen puhdistustyökaluissa.
PTFE:n luotettavuusetu oikeuttaa kuitenkin suuremman jalanjäljen monissa sovelluksissa. PTFE-lämmönvaihdin, joka toimii virheettömästi vuosien ajan, eikä koskaan synnytä hiukkasia lämpösokista, tarjoaa prosessin vakauden, jota piikarbidiyksikkö ei voi taata, kun nopea lämpökierto on osa prosessireseptiä.
Ohut-seinämäinen PTFE-putki-0,5–0,8 mm seinämäpaksuus-minimoi lämmönjohtavuuden aiheuttaman vahingon. Yhdessä suuren-pinta-alan ristikkokokoonpanojen kanssa PTFE-lämmönvaihtimet voivat täyttää useimpien kiekkojen puhdistuskylpyjen lämpövaatimukset hyväksyttävien tilojen sisällä.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet ovat piikarbidia parempia nopeissa lämpöshokkisovelluksissa kiekkojen puhdistuksessa, koska PTFE absorboi lämpörasitusta elastisen muodonmuutoksen kautta, kun taas piikarbidi kerää vaurioita, jotka voivat johtaa hauraaseen murtumaan. PTFE:n lämpöiskunkestävyys on noin 5-8 kertaa suurempi huolimatta sen alhaisemmasta lämmönjohtavuudesta.
Lämpökierron hiukkasten muodostuminen eliminoidaan PTFE:llä. PTFE:n lämmönsiirron aiheuttamaa haittaa kompensoidaan ohutseinämäisellä-letkulla ja suuremmalla pinta-alalla. Luotettavuuden ja puhtauden edut oikeuttavat suuremman jalanjäljen useimmissa puolijohteiden puhdistussovelluksissa.
Tekninen analyysi PTFE- ja piikarbidilämmönvaihtimien valinnalle tietyissä kiekkojen puhdistustyökaluissa on saatavilla, kun lämpötilan kiertoprofiili, käytettävissä oleva asennustila, lämpökäyttövaatimukset ja puhdastilan hiukkasten tiedot on toimitettu.
