如何替代用于潔凈化學(xué)品交付的玻璃容器

　　隨著半導(dǎo)體行業(yè)塌縮到更小的節(jié)點(diǎn)和/或采用 3D NAND等復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，以繼續(xù)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)，而此類技術(shù)對(duì)于滿足當(dāng)今細(xì)微特征和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需求而言同樣重要。在半導(dǎo)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(xiàn)在正變得越來越重要。

　　以加侖玻璃瓶為例，它用于包裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和交付潔凈的制程用化學(xué)品，如光刻膠、蝕刻劑、前驅(qū)體、電介質(zhì)等。多年來，這些容器對(duì)于當(dāng)時(shí)的任務(wù)而言是適合的而且經(jīng)濟(jì)上很劃算。然而， 隨著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(dá) 20 種不同的化學(xué)物質(zhì) - 如何運(yùn)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(duì)制造過程來說是至關(guān)重要的。本白皮書探討了依賴傳統(tǒng)玻璃瓶所帶來的挑戰(zhàn)，探索了不同的替代方法，最終提出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的可行性解決方案。

　　玻璃容器面臨的挑戰(zhàn)

　　晶圓廠和操作人員的安全、成本、可持續(xù)性以及對(duì)元件良率的影響是很關(guān)鍵的制造問題，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和交付潔凈化學(xué)品的過程中必須予以考慮。很遺憾，玻璃瓶作為當(dāng)前的解決方案，為上述所有方面帶來了挑戰(zhàn)。一般來說，與玻璃瓶有關(guān)的問題可以按照安全性、靈活性和完整性挑戰(zhàn)來進(jìn)行分類。

　　安全性挑戰(zhàn)包括玻璃瓶破損、溢出、因密封不當(dāng)導(dǎo)致的泄漏以及由此帶來的環(huán)境影響。靈活性挑戰(zhàn)源自于當(dāng)今先進(jìn)的晶圓廠?，F(xiàn)在很難找到可以避免人為連接錯(cuò)誤的玻璃瓶。完整性挑戰(zhàn)是指任何可能導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)污染，從而致使晶圓和元件缺陷的因素。這包括微量金屬的滲入、微粒污染、可提取的有機(jī)物、水分和氧化。下面，讓我們看看其中一些問題的根本原因。

　　健康與安全

　　玻璃瓶破損是造成晶圓廠工人受傷的主要原因。伴隨著晶圓廠的擴(kuò)建和提效，一些晶圓廠將玻璃瓶交付轉(zhuǎn)移到了遠(yuǎn)離地面的運(yùn)輸系統(tǒng)中。

　　由于玻璃瓶的適應(yīng)性較差，不好拿放，這種發(fā)展趨勢(shì)給玻璃瓶帶來了另一個(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(dǎo)致操作人員出現(xiàn)健康問題。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)帶來引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)，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)，并且晶圓廠的擴(kuò)建更加劇了這一問題。在不改變玻璃瓶設(shè)計(jì)的情況下通過采用更大的容器來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)注意到由于這些問題導(dǎo)致的晶圓廠安全風(fēng)險(xiǎn)的增加。尤其是在韓國(guó)，先進(jìn)技術(shù)制造商正加倍努力，以便用更安全的容器來替代玻璃瓶。

　　成本增加

　　玻璃瓶在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的旅程從玻璃瓶制造商處開始。為飲料業(yè)生產(chǎn)玻璃瓶的供應(yīng)商同樣也供應(yīng)化學(xué)品供應(yīng)商所使用的棕色的工業(yè)級(jí)加侖玻璃容器。然而，由于半導(dǎo)體市場(chǎng)不是這些供應(yīng)商的優(yōu)先供貨對(duì)象，這些玻璃瓶的設(shè)計(jì)并未考慮到半導(dǎo)體的應(yīng)用和潔凈要求。因此，它們的運(yùn)營(yíng)效率較低。由于最小發(fā)貨量通常為 10 萬瓶，因此化學(xué)品供應(yīng)商通常每次需要采購(gòu)和儲(chǔ)存多達(dá) 50 萬瓶，這就增加了制造成本。

　　寬松的玻璃瓶制造標(biāo)準(zhǔn)意味著化學(xué)品供應(yīng)商必須對(duì)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?yàn)椴环蠞崈羰覙?biāo)準(zhǔn)而被拒收。此外，這些玻璃瓶的潔凈度也達(dá)不到半導(dǎo)體化學(xué)品所需的標(biāo)準(zhǔn)。它們?cè)谑褂们昂褪褂煤蟊仨氝M(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(dǎo)致玻璃瓶破裂。為了防止出現(xiàn)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?jī)?nèi)外的壓力。這些輔助容器系統(tǒng)的安全設(shè)施體積龐大，占用了寶貴的晶圓廠空間。

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

　　使用問題

　　輔助容器系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)中成為了一個(gè)問題，會(huì)導(dǎo)致晶圓出現(xiàn)缺陷。

　　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。由于容器沒有內(nèi)襯，加壓氣體會(huì)與瓶?jī)?nèi)的化學(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。

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

　　可持續(xù)性

　　為了確定用于化學(xué)品儲(chǔ)存、運(yùn)輸和交付的玻璃瓶對(duì)環(huán)境的影響，業(yè)界按照日本政府制定的指導(dǎo)方針開展了一項(xiàng)獨(dú)立研究。這項(xiàng)研究確定，制造、運(yùn)輸和處理玻璃瓶的產(chǎn)品生命周期有較高的碳排放，并且玻璃瓶最終對(duì)環(huán)境有害^1。

　　為了確保安全地存儲(chǔ)、運(yùn)輸和交付在半導(dǎo)體元件制造中使用的化學(xué)品，同時(shí)還要做到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和環(huán)保，這就促使領(lǐng)先的制造商尋找玻璃容器的替代品。

　　如何替代玻璃容器

　　業(yè)界早已開始嘗試解決玻璃瓶面臨的問題。玻璃容器的替代品已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)。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(jì)實(shí)惠的解決方案^2。

　　三年前，一些半導(dǎo)體制造公司開始嘗試用聚乙烯制造的瓶子來代替玻璃瓶。這個(gè)項(xiàng)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(duì)元件良率產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，因此需要認(rèn)真對(duì)待。它的形狀也不像玻璃瓶，因此，需要對(duì)現(xiàn)有工具進(jìn)行改造才能使用，這使得成本過高而無法負(fù)擔(dān)。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)過探索但被放棄的方法是，在玻璃表面涂覆保護(hù)材料來減少破損。較厚的保護(hù)層使玻璃瓶過于笨重， 無法放入到軌道中。盡管事實(shí)證明這種方案對(duì)于晶圓廠和化學(xué)品供應(yīng)商來說成本都較高，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(duì)工具進(jìn) 行修改以適應(yīng)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 20 年的發(fā)展，一種替代玻璃容器的產(chǎn)品，即第一代采用內(nèi)襯的瓶系統(tǒng)，被證明與其他替代產(chǎn)品相比是最 佳選擇。自從 2011 年一家領(lǐng)先的集成元件制造商首先 開始采用鍍銅的制程，這種新型的瓶系統(tǒng)現(xiàn)在占據(jù)了全球光刻技術(shù)市場(chǎng)份額的 20%，并且從 2017 年開始在 10 納米節(jié)點(diǎn)制程中使用。

　　這個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)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(dú)特的鍵碼，它必須與具有相同代碼的相應(yīng)接頭配對(duì)使用。這就避免了因操作人員出錯(cuò)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤連接問題。

　　一家亞洲制造商受到此系統(tǒng)的啟發(fā)，但并不滿意其在 7 納米及以下的所有制程中采用此系統(tǒng)現(xiàn)有的形式，正在帶頭重新設(shè)計(jì)一種塑料容器，以滿足更嚴(yán)格的要求。例如，為了最大程度地減少工具轉(zhuǎn)換的工作，晶圓廠正在尋求設(shè)計(jì)一種防漏瓶來替換玻璃瓶。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(tǒng)，該系統(tǒng)通過從內(nèi)襯到軌道工具的封閉路徑配送化學(xué)品，從而保護(hù)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(dú)特的形狀設(shè)計(jì)可以使化學(xué)品利用率達(dá)到 99.6% 以上。

　　為了增加保護(hù)，它還采用了外殼二級(jí)防護(hù)。外層包裝材料提供了強(qiáng)大的紫外線 (UV) 阻隔，可保護(hù)光刻膠化學(xué)品免受永久性損害。

　　這種瓶子的外形尺寸與玻璃瓶一樣。這種容器重量更輕、強(qiáng)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(nèi)襯，而該內(nèi)襯可拆卸、更換和焚化。內(nèi)襯進(jìn)行了完全密封，以防止蒸發(fā)?？刹鹦兜膬?nèi)襯使得外包裝可以循環(huán)利用。內(nèi)襯具有阻隔功能，可將化學(xué)品與外部氣體隔離開。因此，與以前使用的玻璃瓶不同，現(xiàn)在不需要輔助的壓力容器。

　　這種新設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容器充填重量。裝滿化學(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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(yùn)輸。這種新設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更低成本的運(yùn)輸。

　　在日本的晶圓廠，玻璃瓶處理的成本為 2-3 美元/瓶。而處理采用 PTFE/PFA 內(nèi)襯的聚乙烯瓶幾乎不需要任何費(fèi)用。這是因?yàn)椋M管內(nèi)襯無法重復(fù)使用，但很容易從瓶中拆下并存儲(chǔ)在 55 加侖的大桶中。當(dāng)這些大桶裝滿后，便可運(yùn)送到廢品處理公司并支付一些象征性的費(fèi)用(這部分費(fèi)用將由制造商予以補(bǔ)償)。廢品處理公司然后會(huì)將它們出售給能源發(fā)電廠進(jìn)行焚燒。此外，外包裝是完全可以循環(huán)使用的?？偠灾讼到y(tǒng)設(shè)計(jì)為盡可能多地重復(fù)使用或循環(huán)使用，以減少浪費(fèi)。

　　總結(jié)

　　多年來，玻璃瓶一直是半導(dǎo)體器件制造過程中存儲(chǔ)、運(yùn)輸和配送化學(xué)品的標(biāo)準(zhǔn)容器。隨著器件尺寸越來越小， 玻璃瓶成為了導(dǎo)致元器件缺陷的新根源。除此之外，隨著晶圓廠的規(guī)模擴(kuò)大和自動(dòng)化程度提高，人們對(duì)安全性日益關(guān)注，這促使業(yè)界開發(fā)玻璃容器的替代品。

　　最初使用塑料容器代替玻璃容器的嘗試很快失敗了。當(dāng)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、可在全球范圍實(shí)施的解決方案。這種以聚乙烯內(nèi)襯為基礎(chǔ)的瓶系統(tǒng)采用 PTFE/ PFA 內(nèi)襯，完全密封設(shè)計(jì)，減少了通過溢出或蒸發(fā)產(chǎn)生的化學(xué)品廢物。這種瓶系統(tǒng)重量更輕、強(qiáng)度更高并且不易破碎，相比玻璃瓶更為安全，而且運(yùn)輸成本更低。

　　本白皮書探討了依賴傳統(tǒng)玻璃瓶所帶來的挑戰(zhàn)，探索了不同的替代方法，最終提出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的可行性解決方案。