SEMI® F57-0301: Normativas avanzadas para componentes de fluoropolímero para pureza ultra alta
James M. Hanson, Swagelok Company, Ronnie A. Browne y Robert A. Shutler, Swagelok Semiconductor Services Company, Santa Clara, California, EE.UU.
RESUMEN
Los nuevos procesos húmedos de fabricación de semiconductores, que utilizan lodos líquidos y HCI y HF a presiones y temperaturas más altas, requieren normativas más estrictas sobre la pureza y diseños y materiales más perfeccionados para la fabricación de componentes para sistemas de fluidos. Los OEM, los fabricantes de matrices y los promotores demandan válvulas y otros componentes de sistemas con mayor vida útil, mantenimiento más fácil, mayor resistencia a la permeabilidad y con menor adición de partículas al sistema. |
La normativa SEMI F57-0301 ofrece los niveles básicos de pureza que se pueden alcanzar adoptando métodos apropiados de diseño, de fabricación, de control de calidad y de selección de materiales. Los resultados de las pruebas independientes presentados en este artículo corroboran esta visión. No obstante, para que SEMI F57 permanezca vigente, debe incorporar otros métodos de prueba y normativas sobre pruebas incluso más estrictas que las que circulan por la industria desarrolladas por los OEM. Estas pruebas incluirían la prueba de extracción dinámica BOC Edwards’ Dycon ExSM., que se realiza con un 37 por ciento de ácido clorhídrico o HCI, así como otras pruebas de fiabilidad con lodos líquidos y con los ácidos HCI y HF. Las metodologías y conclusiones tratadas en este artículo son aplicables no sólo a válvulas, sino a muchos otros componentes para sistemas líquidos como los medidores de caudal, los filtros y los reguladores.
El camino hacia normativas más exigentes
El mayor uso de procesos líquidos, unido a los nuevos procesos y materiales, como los lodos líquidos abrasivos para el pulido químico y mecánico (CMP), ponen de manifiesto la necesidad de una capacidad de rendimiento y fiabilidad mejorados en cuanto a los componentes para sistemas de fluidos. A medida que la industria se mueve hacia tamaños mayores de obleas y circuitos más reducidos y densos, crece la demanda en cuanto a la pureza de los componentes para sistemas de fluidos. La productividad, la rentabilidad y el rendimiento del proceso están directamente relacionados con el buen funcionamiento de los componentes del sistema en su totalidad. Este tipo de tendencias son las que motivaron el desarrollo y aprobación de de la normativa SEMI F57 – 0301 el 18 de Octubre de 2000.
El propósito de la norma, es especificar los requisitos mínimos de funcionamiento de los componentes de polímero para pureza ultra alta (UHP), utilizados en los sistemas de distribución química y de agua ultra pura en la fabricación de semiconductores. El alcance de esta normativa abarca la pureza de los componentes fabricados de polímeros, las especificaciones mecánicas y los métodos de prueba para la calificación. Y también se refiere a los requisitos sobre los certificados, la traceabilidad y el embalaje. Sin embargo la norma se centra principalmente en los requisitos de pureza y los requisitos mecánicos, como las tolerancias dimensionales, características de caudales, integridad de los cierres y resistencia mecánica según criterio del suministrador. Este artículo habla sobre y ofrece evidencias como apoyo a SEMI F57 y como apoyo a otras normas industriales más estrictas, que deberían incorporarse a la normativa SEMI F57. También ofrece algunas guías en cuanto al diseño, selección de materiales y fabricación de componentes para sistemas de fluidos, que permiten a los suministradores de componentes satisfacer los más estrictos estándares de la industria.
Criterios de diseño fundamentales
En el desarrollo de componentes para aplicaciones de pureza ultra alta, el diseñador de los sistemas de fluidos debe ser consciente de los requisitos actuales y futuros de los principales OEM, fabricantes de matrices y los desarrolladores. La comunicación debe ser dinámica y rigurosa. A continuación se ofrecen algunos puntos que reflejan la comunicación con los principales fabricantes de equipos, en relación al diseño de las generaciones futuras de válvulas.
- De forma práctica y dentro de lo posible, el diseño debe superar los requisitos actuales de pureza de SEMI F57.
- El diseño debe estar enfocado en los requisitos de los procesos más desafiantes, como los relacionados con el CMP y los ácidos. La nueva generación de válvulas debe demostrar ser superior en cuanto al rendimiento en cualquier sistema líquido de distribución química.
- Los diseños deben centrarse en vidas de servicio más largas, fiabilidad y facilidad de mantenimiento. Estos puntos son de igual importancia que los puntos de rendimiento básicos, como la presión, la temperatura y el volumen.
- Por ultimo, los diseños deben ser estadísticos y empíricos, dada la disponibilidad de los umbrales requeridos por la industria.
Selección del material y fabricación
Vistos los criterios de diseño, especialmente los puntos anteriores, la selección del material es crítica. Tradicionalmente los suministradores de válvulas de alta pureza para la industria de los semiconductores, han elegido el perfluoroalcoxil o PFA para los componentes húmedos. El PFA proviene de la copolimerización del TFE y de los monómeros de perfluoroalkyl. Éstos se producen mediante la reacción del fluoruro de epoxi con un fluoruro de metal para obtener un fluoruro ácido, que es entonces pirolizado sobre carbonato cálcico para obtener el éter de propilvinilo (PVE). En los últimos años, Dupont, Dyneon y otros fabricantes de resinas de fluoropolímeros han ido mejorando la pureza del PFA.
No obstante, y en el caso de ciertos componentes para sistemas de fluidos como las válvulas, hay buenas razones para cuestionar el PFA, dada la creciente demanda de superficies húmedas más puras tal y como evidencia el SEMI F57, y de mejores rendimientos en los procesos CMP. La alternativa al PFA es el PTFE, que es menos reactivo y tiene una mayor resistencia química y cualidades de pureza que el primero. Podría muy bien ser el material elegido para los componentes húmedos de nueva generación.
El PTFE, o la resina de fluoropolímero original, es simplemente TFE polimerizado. Tiene una estructura menos compleja que el PFA y necesita menos proceso para alcanzar un estado útil. El grado Teflón® NXT del PTFE de Dupont, (PTFE modificado) ofrece las siguientes ventajas superiores: alta pureza, mecanizado fácil y resistencia a los ácidos, abrasivos y otros esfuerzos de operación. Contiene menos de un 0,01 por ciento de PPVE, por lo que se le considera PTFE.
Tradicionalmente, las válvulas de mayor pureza se han fabricado utilizando la tecnología de moldeado por inyección, aunque esta tecnología supone ciertos riesgos desde el punto de vista de la pureza. El PFA, el material elegido para el moldeado por inyección, debe ser sometido a varios procesos durante los cuales está en contacto con el metal. La extrusión por fundición del PFA para formar gránulos de moldeado, se produce en un extrusor con un tambor y una hélice metálicos, que transportan la fundición de PFA altamente corrosiva a temperaturas superiores a 300°C, a través de una matriz metálica que da forma a los gránulos. Los gránulos de PFA son entonces vueltos a fundir a más de 300°C durante el proceso de moldeado por inyección. De nuevo, el PFA líquido es transportado a través de un tambor y una hélice metálicos, hasta una matriz de moldeado de alta temperatura para dar forma a la configuración final de la válvula.
En contraste, el proceso de fabricación de componentes húmedos de PTFE es más limpio y ayuda a eliminar la contaminación metálica. El sinterizado del PTFE se da en forma de bloque. Y el mecanizado del bloque para formar la válvula se realiza sin lubricantes, utilizando herramientas especiales de corte y a temperatura ambiente. Además, el mecanizado de precisión permite ajustar más las tolerancias en comparación con el moldeado por inyección. Finalmente, la mecanización abarata los costes, y facilita el desarrollo tanto del producto como de los procesos de fabricación en tiempos más cortos. Ofrece por tanto, una gran flexibilidad para los cambios entre configuraciones de válvulas.
TABLA 1: CRITERIO DE SELECCIÓN DE VÁLVULAS |
| Atributo de válvula |
Directrices de diseño |
| Baja tasa de arrastre |
Evitar giros agudos o restricciones en el paso del caudal |
| Mínima pérdida de carga a máximo caudal |
Evitar cambios bruscos de la velocidad del fluido |
| Minimizar la aglomeración |
Evitar áreas muertas o de restricción del paso del caudal |
| Minimizar la generación de partículas |
Todo lo anterior más una superficie suave |
| Maximizar la vida del diafragma con permeabilidad mínima |
Equilibrar el espesor y la flexibilidad del diafragma |
| Sustitución fácil del diafragma |
Mantenimiento en campo |
| Limpieza y purgado rápidos y completos |
Geometría de la cavidad abierta y dinámica |
| Totalmente drenable |
La cavidad debe estar por encima de las conexiones de
entrada y salida |
Diseño y paso de caudal
 |
Figura 2. Sección cruzada de una válvula de cierre de fluoropolímero UHP. El cuerpo de PTFE tiene una cavidad grande para suavizar el manejo de medios sensibles como los lodos de cobre CMP. |
La Tabla 1 convierte los atributos que serían deseables para una válvula, en directrices de diseño. Los atributos están basados en los requisitos de SEMI F57 y otros estándares de la industria, mientras que las directrices de diseño están basadas en los principios de la física y de la geometría de las válvulas. Esta tabla subraya el siguiente axioma: La válvula no debe afectar de forma adversa a los fluidos críticos (como los lodos), y los fluidos críticos no deben afectar adversamente a la válvula. Seis de las ocho directrices de la Tabla 1 son en parte, sino en su totalidad, relativas al paso de caudal en el interior de la válvula. El paso del caudal es una consideración crítica, no sólo desde el punto de vista de los requisitos de pureza de SEMI F57 en cuanto a la generación de partículas, sino también desde el punto de vista de los últimos avances en la fabricación de semiconductores, como el CMP con cobre, que necesita un tratamiento delicado de los lodos para minimizar la aglomeración.
Muchas válvulas utilizadas en la actualidad en la industria de los semiconductores, no han sido diseñadas para los avanzados procesos actuales. De hecho, esos diseños a veces preceden la invención y generalización de los procesos actuales. La dinámica de fluidos por ordenador (CFD), la herramienta principal de modelos asistidos por ordenador para los sistemas de fluidos, permite a los ingenieros probar diferentes geometrías (con diferentes fluidos críticos de sistemas) para saber cómo éstas rendirán y también si satisfacen las directrices de diseño establecidas en la Tabla 1. La CFD predice el coeficiente de caudal para cualquier diseño de válvula dado. También ilustra y calcula la velocidad del fluido; fuerzas de arrastre e incremento de los diferenciales de presión a través de la válvula.
Por ejemplo, un diseñador puede probar los tamaños de los orificios de entrada y salida, o sus ángulos en relación uno con el otro. O, puede centrarse en la forma de la cavidad interna en sí misma, y en combinación con la geometría del diafragma. Además del paso del caudal, la Tabla 1 tiene también en cuenta aspectos como la integridad y desgaste del material, la generación de partículas y la permeabilidad, los cuales deben ser probados en la fase de diseño por medio del análisis de elementos finitos (FEA según sus siglas en inglés).
El FEA ofrece al diseñador de los componentes de fluidos un análisis paso a paso de los esfuerzos y deformación de cada sección de material o componente, como el diafragma o el cierre en el asiento. Es una herramienta particularmente valiosa para el diseño de los diafragmas de fluoropolímero de larga duración, que deben resistir la permeabilidad y los ataques de los ácidos, lodos y otros productos químicos críticos utilizados en la industria de los semiconductores. Mientras una vida de servicio prolongada requiere un diafragma flexible, la resistencia a los ácidos requiere un diafragma grueso. Así, el FEA ayuda al diseñador a encontrar el equilibrio entre dos requisitos que compiten entre sí.
Mediante el empleo del software FEA, los diseñadores pueden decidir las propiedades de los materiales; las condiciones que suponen límites, como la temperatura y la presión; las limitaciones de esfuerzo; y la geometría del diafragma. El programa entonces, modela y prueba los diseños en un espacio de tres dimensiones. Los resultados permiten a los ingenieros probar los diferentes contornos de los diafragmas, su espesor y funcionalidad hasta alcanzar el diseño necesario u óptimo.
Pruebas de alta pureza
Como hemos visto anteriormente, la normativa SEMI F57 se centra en la pureza, particularmente en las pruebas de filtrado estático con agua desionizada. Dada la creciente demanda de los OEM, de los promotores y de los fabricantes de matrices, los niveles de rendimiento de SEMI F57 deberían ser tenidos en cuenta como puntos de referencia o como requisitos mínimos.
Desafortunadamente, hay parte de la industria que cuestiona si la normativa SEMI F57 es realista, si es alcanzable o demasiado rigurosa. La normativa SEMI F57 es primordialmente un medio de comunicación entre aquellos que utilizan y aquellos que fabrican componentes para sistemas de fluidos. Si los OEM o los fabricantes de matrices desean tener una normativa en particular, quienes deberían determinar si en la práctica ésta es alcanzable y repetitiva bajo condiciones de pruebas independientes, son los fabricantes de sistemas de fluidos. Las tablas 2 y 4 ofrecen resultados sobre pruebas de contaminación superficial, realizadas a la válvula de Diafragma Swagelok® de Fluoropolímero UHP serie DRP™. Las pruebas independientes fueron realizadas por CT Associates Inc., de acuerdo con los procedimientos de pruebas de la normativa SEMI F40. En las tablas también se incluyen los límites de contaminación de SEMI F57 para ofrecer una referencia comparativa.
TABLA 2: CONTAMINACIÓN IÓNICA EXTRAÍBLE DE LA SUPERFICIE |
| Anión |
Límite detectable |
NORMA SEMI F57-0301 |
µg/m² |
µg/m² |
| Bromuro |
0,06 |
≤100 |
| Cloruro |
0,06 |
≤3000 |
| Fluoruro |
0,3 |
≤60.000 |
| Nitrato |
0,06 |
≤100 |
| Nitrito |
0,06 |
≤100 |
| Fosfato |
0,06 |
≤300 |
| Sulfato |
0,06 |
≤300 |
TABLA 3: TRAZAS DE METALES CON AGUA ULTRA PURA |
| Elemento |
Límite detectable |
NORMA SEMI F57-0301 |
µg/m² |
µg/m² |
| Aluminio |
0,009 |
≤10 |
| Bario |
0,003 |
≤15 |
| Boro |
0,15 |
≤10 |
| Calcio |
0,6 |
≤30 |
| Cobre |
0,009 |
≤15 |
| Cromo |
0,012 |
≤1 |
| Estroncio |
0,003 |
≤0,5 |
| Hierro |
0,06 |
≤5 |
| Litio |
0,006 |
≤2 |
| Magnesio |
0,006 |
≤5 |
| Manganeso |
0,006 |
≤5 |
| Plomo |
0,009 |
≤1 |
| Potasio |
0,3 |
≤15 |
| Sodio |
0,021 |
≤15 |
| Zinc |
0,015 |
≤10 |
| TABLA 4: CONTAMINACIÓN TOC EXTRAÍBLE DE LA SUPERFICIE |
| Unidades |
DRP UHP |
NORMA SEMI F57-0301 |
µg/m² |
µg/m² |
| Referencia |
< 30 |
≤60.000 |
| Cero ciclos |
< 30 |
≤60.000 |
| 10.000 ciclos |
< 30 |
≤60.000 |
| 20.000 ciclos |
< 30 |
≤60.000 |
Mientras las pruebas de filtrado estático requeridas por SEMI F57 ofrecen directrices sólidas de referencia en cuanto al rendimiento, la mayoría de las aplicaciones en campo no son estáticas sino dinámicas. Y los principales OEM están demandando pruebas de filtrado dinámicas, no sólo para el agua desionizada, sino para los ácidos clorhídrico o HCI y fluorhídrico o HF, por lo que éstas deberían también formar parte de la norma SEMI.
Una de esas pruebas es la prueba de extracción dinámica BOC Edwards’ Dycon ExSM, que se realiza con HCI al 37 por ciento. El HCI es un medio muy adecuado para una prueba agresiva, ya que es uno de los agentes químicos con mayor índice de permeabilidad a través de los fluoropolímeros, y también con mayor capacidad de extracción de partículas metálicas. El Dycon ExSM utiliza un mínimo volumen de producto químico durante el ensayo, permitiendo la detección de las partículas extraídas en niveles muy bajos. La expectativa de contaminación de la superficie de área normalizada, sobre extracción química en grueso de elementos extraídos al 37 de la industria es de <20 ng/cm2. El requisito para el ratio de extracción en área normalizada es de <0,5 ng/cm2/día durante 7días. Y esta norma es alcanzable con un diseño de componentes y procedimientos de fabricación adecuados.
| TABLA 5: TRAZAS DE METALES CON HCI AL 37% |
| Elemento |
Masa normalizada extraída |
(Ng/cm²) |
| Aluminio |
1,85 |
| Calcio |
1,15 |
| Hierro |
2,12 |
| Potasio |
0,80 |
| Sodio |
1,66 |
| Zinc |
0,80 |
| Miscelánea |
0,98 |
| Total |
9,36 |
TABLA 6: GENERACIÓN DE PARTÍCULAS |
| |
Datos de conteo de partículas (partículas/ml) |
Tamaño pequeño de válvula |
0,10 µm
|
0,15 µm
|
1,0 µm
|
| Referencia |
1 |
< 1 |
< 1 |
| Aclarado de 60 min. |
1 |
0 |
0 |
| Cero ciclos |
1 |
1 |
< 1 |
| 10.000 ciclos |
< 1 |
< 1 |
< 1 |
| 20.000 ciclos |
< 1 |
< 1 |
< 1 |
Tamaño mediano de válvula |
0,10 µm
|
0,15 µm
|
0,2 µm
|
| Referencia |
1 |
< 1 |
< 1 |
| Aclarado de 60 min. |
3 |
0 |
0 |
| Cero ciclos |
< 1 |
< 1 |
< 1 |
| 10.000 ciclos |
< 1 |
< 1 |
< 1 |
| 20.000 ciclos |
< 1 |
< 1 |
< 1 |
Tamaño grande de válvula |
0,10 µm
|
0,15 µm
|
1,0 µm
|
| Referencia |
2 |
2 |
1 |
| Aclarado de 60 min. |
14 |
5 |
4 |
| Cero ciclos |
1 |
1 |
2 |
| 10.000 ciclos |
1 |
1 |
0 |
| 20.000 ciclos |
1 |
0 |
1 |
CT Associates realizó la prueba de extracción dinámica Dycon ExSM a la válvula serie DRP con unos resultados que están por debajo de los límites de la industria (Tabla 5). La contaminación de la superficie de área normalizada de elementos extraídos al 37 fue de 9,36 ng/cm2. El ratio de extracción de área normalizada fue de 0,06 ng/cm2/día durante 7 días. Aparte de las pruebas de contaminación iónica, metálica y de carbono orgánico total, SEMI F57 requiere una prueba de adición o generación de partículas. Esta prueba exige una parte de aclarado con agua desionizada seguida de evaluaciones de ciclos. El objetivo es medir la generación de partículas como resultado de la actuación de la válvula tras distintos aclarados durante la prueba. Ésta es una prueba importante, aunque desafortunadamente no hay consenso sobre los límites específicos de generación de partículas y por tanto la normativa no los especifica.
Mientras algunas personas (o empresas) dudan de que se pueda medir con fiabilidad la generación de partículas con resultados repetitivos, también se va admitiendo que sí es posible. Los principales OEM tienen normas sobre la generación de partículas. La Tabla 6 muestra los resultados de la prueba de generación de partículas realizada a las DRP por Liquide-Balazs™ Analytical Services, y corroborada por CT Associates.
En aplicaciones en campo los componentes semiconductores procesan ácidos que, en algunos casos, minan la integridad de los componentes e incrementan la susceptibilidad de la generación de partículas. Las incorporaciones futuras de SEMI F57 deberían tener en cuenta otros medios, como el HCI y el HF. Los protocolos de pruebas para ácidos, lodos y otros productos químicos críticos deberían ser parte integral del diseño, fabricación y pruebas de todas las válvulas de fluoropolímero UHP.
SEMI F57 debería incorporar pruebas más largas y más rigurosas sobre la generación de partículas. Aunque las pruebas de ciclo de vida útil no están en el foco de SEMI F57, sí son relevantes para aspectos como la generación de partículas. ¿Cómo afecta a la generación de partículas en una válvula, una prueba extensiva sobre toda la vida útil con HF o HCI? ¿Cuántos litros de agua desionizada son necesarios para mantener la válvula limpia tras las pruebas con HF o HCI? ¿Cuál es el coste total para la propiedad, dada la cantidad de agua desionizada necesaria para hacer descender la generación de partículas hasta niveles aceptables?
Una norma emitida por un gran fabricante de equipos, requiere una prueba de vida en servicio útil acelerada con los fluidos para los que la válvula está diseñada, como el HCI o el HF. La prueba de vida en servicio acelerada evalúa el número de ciclos estadístico indicado como vida B10, donde la expectativa de válvulas que pueden fallar es el 10 por ciento de éstas. De acuerdo con la normativa industrial, CT Associates probó las DRP de 1/2 pulg. con HF al 49 por ciento, comprobando las válvulas de prueba a la presión de disparo y a la presión entre puertas cada 150.000 ciclos. Como las válvulas no fallaron, se utilizó el método Weibayes (R. B. Abernethy, The New Weibull Handbook , 2000) para calcular la vida B10. La Tabla 7 muestra los resultados calculados así como la normativa industrial.
TABLA 7: PRUEBA DE VIDA ÚTIL ACELERADA CON HF |
| Ciclos totales de la prueba |
1.050.000 ciclos* |
| Vida B10 |
1.000.000 ciclos** |
| Tiempo promedio de fallo Weibull |
1.900.000 ciclos |
Límite inferior en el tiempo promedio entre intervalos
de fallo con una fiabilidad del 90% |
3.600.000 ciclos |
*No se registraron fallos en válvulas durante 1.050.000 ciclos.
**La normativa industrial de vida B10 es de 1 millón. |
TABLA 8: VOLUMEN DE ACLARADO REQUERIDO ANTES DE QUE LAS VÁLVULAS
ALCANCEN LA GENERACIÓN DE PARTÍCULAS MEDIA DE < 0,1 PARTÍCULAS/ML |
| Criterio de aceptación |
≤ 300 litros |
| Válvulas de prueba después de la prueba con HF (promedio de 4 válvulas) |
45 litros |
| Válvulas de prueba antes de la prueba con HF (promedio de 4 válvulas) |
97 litros |
TABLA 9: NÚMERO DE CICLOS REQUERIDO PARA CUMPLIR LA ESPECIFICACIÓN
DE ACTUACIÓN DE VÁLVULAS (TAMAÑO DE PARTÍCULAS ≥ 0,10 µM) |
| |
Número de ciclos para cumplir la especificación de: |
< 100 partículas/actuación |
< 10 partículas/actuación |
| Criterio de aceptación |
≤500 |
≤10.000 |
| Válvulas de prueba tras prueba con HF |
< 38 |
< 38 |
| Válvulas de prueba antes prueba con HF |
430 |
1.500 |
La misma normativa industrial establece las especificaciones sobre las pruebas de generación de partículas. En primer lugar, una prueba de aclarado pasivo mide la cantidad de agua desionizada necesaria para hacer descender la generación de partículas hasta <0,1 partículas/ml, con un tamaño de partícula de < 0,10 μm. La prueba exige <300 ml. En segundo lugar, una prueba de ciclos graba el número de ciclos de apertura y cierre requeridos para que las válvulas produzcan menos de 100 partículas por actuación, con un tamaño de partícula de < 0,10 μm. Las Tablas 8 y 9 muestran los resultados de la prueba realizada a las DRP de 1/2, antes y después de la prueba de vida útil con la referencia de la normativa industrial. Las pruebas fueron realizadas por CT Associates.
Conclusión
SEMI F57 es una normativa alcanzable, adecuada y útil para la medición de la pureza de los componentes de fluoropolímero. Con una adecuada selección de materiales (con todas las superficies húmedas de PTFE modificado), prácticas avanzadas de fabricación (mecanización), utilización de técnicas de modelado asistidas por ordenador y pruebas independientes rigurosas, es posible diseñar y fabricar componentes que satisfagan o superen la norma SEMI F57.
No obstante, si SEMI F57 va a ser una normativa viable y de uso general, se deberían incorporar otras pruebas y normas que ya se utilizan en la industria. Estas nuevas normas, aunque estrictas, son alcanzables y apropiadas dados los actuales procesos y prácticas en campo. Éstas incluyen pruebas de filtrado dinámico, pruebas de generación de partículas durante la vida útil y pruebas que utilicen los medios que son específicos de los procesos de fabricación de semiconductores, como los lodos, el HF y el HCI.
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