【中玻網(wǎng)】隨著(zhù)半導體行業(yè)塌縮到更小的節點(diǎn)和/或采用3D NAND等復雜的體系結構，以繼續追趕或取代摩爾定律，業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)往往是制程優(yōu)化和化學(xué)配方改良。業(yè)界似乎很少考慮輔助技術(shù)，而此類(lèi)技術(shù)對于滿(mǎn)足當今細微特征和復雜結構的需求而言同樣重要。在半導體制造制程中，以前化學(xué)品的交付并未被視為關(guān)鍵領(lǐng)域之一，但現在正變得越來(lái)越重要。

　　以加侖玻璃瓶為例，它用于包裝、存儲、運輸和交付潔凈的制程用化學(xué)品，如光刻膠、蝕刻劑、前驅體、電介質(zhì)等。多年來(lái)，這些容器對于當時(shí)的任務(wù)而言是適合的而且經(jīng)濟上很劃算。然而，隨著(zhù)今天的制造制程使用比以往更多的化學(xué)物質(zhì)-在某些情況下甚至多達20種不同的化學(xué)物質(zhì)-如何運輸這些經(jīng)常易揮發(fā)且腐蝕性的配方，同時(shí)保持它們的純度，對制造過(guò)程來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。本白皮書(shū)探討了依賴(lài)傳統玻璃瓶所帶來(lái)的挑戰，探索了不同的替代方法，提出了應對這些挑戰的可行性解決方案。

　　玻璃容器面臨的挑戰

　　晶圓廠(chǎng)和操作人員的安全、成本、可持續性以及對元件良率的影響是很關(guān)鍵的制造問(wèn)題，在儲存、運輸和交付潔凈化學(xué)品的過(guò)程中必須予以考慮。很遺憾，玻璃瓶作為當前的解決方案，為上述所有方面帶來(lái)了挑戰。一般來(lái)說(shuō)，與玻璃瓶有關(guān)的問(wèn)題可以按照安全性、靈活性和完整性挑戰來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。

　　安全性挑戰包括玻璃瓶破損、溢出、因密封不當導致的泄漏以及由此帶來(lái)的環(huán)境影響。靈活性挑戰源自于當今先進(jìn)的晶圓廠(chǎng)?，F在很難找到可以避免人為連接錯誤的玻璃瓶。完整性挑戰是指任何可能導致化學(xué)物質(zhì)污染，從而致使晶圓和元件缺點(diǎn)的因素。這包括微量金屬的滲入、微粒污染、可提取的農業(yè)生產(chǎn)體系物、水分和氧化。下面，讓我們看看其中一些問(wèn)題的根本原因。

　　健康與安全

　　玻璃瓶破損是造成晶圓廠(chǎng)工人受傷的主要原因。伴隨著(zhù)晶圓廠(chǎng)的擴建和提效，一些晶圓廠(chǎng)將玻璃瓶交付轉移到了遠離地面的運輸系統中。

　　由于玻璃瓶的適應性較差，不好拿放，這種發(fā)展趨勢給玻璃瓶帶來(lái)了另一個(gè)難題。玻璃瓶非常易碎，從30厘米的高度落下便可摔碎;而且，如果玻璃瓶在軌道中未固定好，破損的可能性也會(huì )增加。隨后發(fā)生的化學(xué)品溢出可能會(huì )導致操作人員出現健康問(wèn)題。其中的許多化學(xué)成分都具有腐蝕性，并且易燃。這些化學(xué)物質(zhì)釋放到潔凈室環(huán)境中會(huì )帶來(lái)引發(fā)火災的危險，使工具操作人員暴露在有害的煙霧和化學(xué)品中，并污染潔凈的空間，從而需要成本高昂的清理工作并造成生產(chǎn)中斷。

　　使用手指拿放沉重的玻璃瓶而造成的勞損傷害是使用玻璃瓶的另一個(gè)缺點(diǎn)，并且晶圓廠(chǎng)的擴建更加劇了這一問(wèn)題。在不改變玻璃瓶設計的情況下通過(guò)采用更大的容器來(lái)減少換瓶頻次的做法，則會(huì )增加操作人員受傷以及相關(guān)訴訟的可能性。

　　業(yè)界已經(jīng)注意到由于這些問(wèn)題導致的晶圓廠(chǎng)安全風(fēng)險的增加。尤其是在韓國，先進(jìn)技術(shù)制造商正加倍努力，以便用更安全的容器來(lái)替代玻璃瓶。

　　成本增加

　　玻璃瓶在半導體供應鏈中的旅程從玻璃瓶制造商處開(kāi)始。為飲料業(yè)生產(chǎn)玻璃瓶的供應商同樣也供應化學(xué)品供應商所使用的棕色的工業(yè)級加侖玻璃容器。然而，由于半導體市場(chǎng)不是這些供應商的優(yōu)先供貨對象，這些玻璃瓶的設計并未考慮到半導體的應用和潔凈要求。因此，它們的運營(yíng)效率較低。由于發(fā)貨量通常為10萬(wàn)瓶，因此化學(xué)品供應商通常每次需要采購和儲存多達50萬(wàn)瓶，這就增加了制造成本。

　　寬松的玻璃瓶制造標準意味著(zhù)化學(xué)品供應商必須對其接收的所有玻璃瓶進(jìn)行檢查。在某些情況下，40%的玻璃瓶會(huì )因為不符合潔凈室標準而被拒收。此外，這些玻璃瓶的潔凈度也達不到半導體化學(xué)品所需的標準。它們在使用前和使用后必須進(jìn)行清洗，而且一旦接觸到化學(xué)品，就不能再循環(huán)使用。

　　更有粘性的化學(xué)品(例如用于涂層制程的聚酰亞胺)是加壓配送的。玻璃中的一個(gè)小疤痕都會(huì )導致玻璃瓶破裂。為了防止出現這種情況，這些玻璃瓶會(huì )被放置在一個(gè)壓力容器中，以維持玻璃瓶?jì)韧獾膲毫?。這些輔助容器系統的安全設施體積龐大，占用了寶貴的晶圓廠(chǎng)空間。

　　所有這些問(wèn)題可能會(huì )導致因生產(chǎn)線(xiàn)中斷、晶圓廠(chǎng)停產(chǎn)而引發(fā)的大量意外成本以及清潔潔凈室所需的成本。

　　使用問(wèn)題

　　輔助容器系統的另一個(gè)副作用是晶圓污染。玻璃是由硅制成的，其中含有微量金屬，這些金屬可以滲入到化學(xué)品中，影響其純度。這在7納米節點(diǎn)中成為了一個(gè)問(wèn)題，會(huì )導致晶圓出現缺點(diǎn)。

　　在盛放溶劑的情況下，必須為玻璃瓶排氣以減輕壓力。然而，化學(xué)品暴露在環(huán)境中也會(huì )改變其濃度。由于容器沒(méi)有內襯，加壓氣體會(huì )與瓶?jì)鹊幕瘜W(xué)品接觸，并在管路中引入微氣泡。切換到新的玻璃瓶時(shí)，操作人員必須將氣泡從管路中排出——將氣泡傾倒到排放管中，增加了產(chǎn)生廢物的可能性。

　　誤操作問(wèn)題(即工具操作人員在管路中換錯化學(xué)品)也可能會(huì )污染制造制程。對于上述兩種情況，化學(xué)相容性問(wèn)題會(huì )顯著(zhù)影響良率。

　　可持續性

　　為了確定用于化學(xué)品儲存、運輸和交付的玻璃瓶對環(huán)境的影響，業(yè)界按照日本相關(guān)部門(mén)制定的指導方針開(kāi)展了一項單獨研究。這項研究確定，制造、運輸和處理玻璃瓶的產(chǎn)品生命周期有較高的碳排放，并且玻璃瓶對環(huán)境有害^1。

　　為了確保安全地存儲、運輸和交付在半導體元件制造中使用的化學(xué)品，同時(shí)還要做到經(jīng)濟實(shí)惠和環(huán)保，這就促使優(yōu)異的制造商尋找玻璃容器的替代品。

　　如何替代玻璃容器

　　業(yè)界早已開(kāi)始嘗試解決玻璃瓶面臨的問(wèn)題。玻璃容器的替代品已經(jīng)在市場(chǎng)上出現。盡管行業(yè)中75%的公司仍然使用玻璃瓶，但25%的公司已采用塑料瓶。然而，并不是所有可用的塑料瓶都能提供安全、環(huán)保和經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案^2。

　　三年前，一些半導體制造公司開(kāi)始嘗試用聚乙烯制造的瓶子來(lái)代替玻璃瓶。這個(gè)項目由于多個(gè)原因而失敗了。首先，制造塑料容器的材料與所使用的制程化學(xué)品不相容。正如前面提到的，化學(xué)相容性可能會(huì )對元件良率產(chǎn)生相當大的影響，因此需要認真對待。它的形狀也不像玻璃瓶，因此，需要對現有工具進(jìn)行改造才能使用，這使得成本過(guò)高而無(wú)法負擔。在試用聚乙烯瓶幾個(gè)月之后，制造商又改回使用玻璃瓶。

　　另一種經(jīng)過(guò)探索但被放棄的方法是，在玻璃表面涂覆保護材料來(lái)減少破損。較厚的保護層使玻璃瓶過(guò)于笨重，無(wú)法放入到軌道中。盡管事實(shí)證明這種方案對于晶圓廠(chǎng)和化學(xué)品供應商來(lái)說(shuō)成本都較高，但仍是一種值得考慮的備選方案。成本較高的原因是，它需要對工具進(jìn)行修改以適應更大的容器尺寸，并且要求采用自動(dòng)化充填制程。

　　尋找合適的解決方案

　　經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，一種替代玻璃容器的產(chǎn)品，即第1代采用內襯的瓶系統，被證明與其他替代產(chǎn)品相比是很好選擇。自從2011年一家優(yōu)異的集成元件制造商首先開(kāi)始采用鍍銅的制程，這種新型的瓶系統現在占據了大部分國家光刻技術(shù)市場(chǎng)份額的20%，并且從2017年開(kāi)始在10納米節點(diǎn)制程中使用。

　　這個(gè)系統的獨特之處是可以防止誤操作并提高良率，這也是一些公司采用它的初衷。每個(gè)塑料容器都附帶各自的SmartCap™，SmartCap™上有一個(gè)獨特的鍵碼，它必須與具有相同代碼的相應接頭配對使用。這就避免了因操作人員出錯而導致的錯誤連接問(wèn)題。

　　一家亞洲制造商受到此系統的啟發(fā)，但并不滿(mǎn)意其在7納米及以下的所有制程中采用此系統現有的形式，正在帶頭重新設計一種塑料容器，以滿(mǎn)足更嚴格的要求。例如，為了很大程度地減少工具轉換的工作，晶圓廠(chǎng)正在尋求設計一種防漏瓶來(lái)替換玻璃瓶。它的熔出微量金屬必須很少并且具有化學(xué)相容性。

　　這些努力催生出了下一代瓶系統，該系統通過(guò)從內襯到軌道工具的封閉路徑配送化學(xué)品，從而保護化學(xué)物質(zhì)不會(huì )受到外部污染。這也可防止溶劑的蒸發(fā)損耗。此外，這種瓶子獨特的形狀設計可以使化學(xué)品利用率達到99.6%以上。

　　為了增加保護，它還采用了外殼二級防護。外層包裝材料提供了強大的紫外線(xiàn)(UV)阻隔，可保護光刻膠化學(xué)品免受損害。

　　這種瓶子的外形尺寸與玻璃瓶一樣。這種容器重量更輕、強度更高且不易破碎，并具有全氟烷氧基烷烴(PFA)瓶體以及由聚四氟乙烯(PTFE)制成的內襯，而該內襯可拆卸、更換和焚化。內襯進(jìn)行了完全密封，以防止蒸發(fā)?？刹鹦兜膬纫r使得外包裝可以循環(huán)利用。內襯具有阻隔功能，可將化學(xué)品與外部氣體隔離開(kāi)。因此，與以前使用的玻璃瓶不同，現在不需要輔助的壓力容器。

　　這種新設計的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容器充填重量。裝滿(mǎn)化學(xué)品的玻璃容器重約5.3千克，而塑料替代品的充填重量為4.1千克——就標準的一加侖瓶而言，兩者重量相差20%。

　　這些不易碎的下一代聚乙烯容器尺寸更小，所需包裝材料更少，從而減少了運輸成本?？紤]到光刻膠化學(xué)品的保質(zhì)期較短，因此需采用航空運輸。這種新設計可實(shí)現更低成本的運輸。

　　在日本的晶圓廠(chǎng)，玻璃瓶處理的成本為2-3美元/瓶。而處理采用PTFE/PFA內襯的聚乙烯瓶幾乎不需要任何費用。這是因為，盡管內襯無(wú)法重復使用，但很容易從瓶中拆下并存儲在55加侖的大桶中。當這些大桶裝滿(mǎn)后，便可運送到廢品處理公司并支付一些象征性的費用(這部分費用將由制造商予以補償)。廢品處理公司然后會(huì )將它們出售給能源發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行焚燒。此外，外包裝是完全可以循環(huán)使用的?？偠灾?，此系統設計為盡可能多地重復使用或循環(huán)使用，以減少浪費。

　　總結

　　多年來(lái)，玻璃瓶一直是半導體器件制造過(guò)程中存儲、運輸和配送化學(xué)品的標準容器。隨著(zhù)器件尺寸越來(lái)越小，玻璃瓶成為了導致元器件缺點(diǎn)的新根源。除此之外，隨著(zhù)晶圓廠(chǎng)的規模擴大和自動(dòng)化程度提高，人們對安全性日益關(guān)注，這促使業(yè)界開(kāi)發(fā)玻璃容器的替代品。

　　使用塑料容器代替玻璃容器的嘗試很快失敗了。當時(shí)只有某些塑料可以使用，而必要的額外包裝成本使這些塑料容器變得不切實(shí)際。主要由亞洲元件制造商推動(dòng)的新嘗試獲得了一個(gè)可行的、可在大部分國家范圍實(shí)施的解決方案。這種以聚乙烯內襯為基礎的瓶系統采用PTFE/PFA內襯，完全密封設計，減少了通過(guò)溢出或蒸發(fā)產(chǎn)生的化學(xué)品廢物。這種瓶系統重量更輕、強度更高并且不易破碎，相比玻璃瓶更為安全，而且運輸成本更低。