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《晶洲十二时辰系列》—辰时篇:关于利用机能水洗净技术开发与应用

关键词:晶洲装备,化学清洗,平板显示,半导体,RCA清洗,超纯

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前言

化学清洗是利用各种化学试剂去除附着在物体表面上的杂质的方法。在平板显示及半导体行业,化学清洗是指清除吸附在半导体、金属材料以及用具表面上的各种有害杂质或油污的工艺过程。
其中RCA清洗是目前工业界最为广泛采用的工艺方法。该方法由RCA公司的Kern 和 Puotinen在1965年发明,1970年发布。现有清洗工艺大都基于RCA清洗基础上进行针对性改良和创新。
对平板显示和半导体的洗净,一般使用浓硫酸、氢氟酸、双氧水或强碱性的洗净液等化学品对玻璃基板和硅基表面进行洗净,现场安全管理风险高、废液排放环境影响大。而水素水(H2水)和臭氧水(O3水)等机能水在抑制氧化和去除有机物的效果方面已获得公认,其对环境造成的影响也相对较少。在这样的背景下,机能水的开发及应用今年来得到广泛关注,本文重点以平板显示制造玻璃基板洗净为对象来进行说明。
 
 
 
一般称为机能水的添加型超纯水种类

上表中酸性和碱性并不是传统意义对于是否含有氢离子和氢氧根离子的描述,它属于路易斯酸碱理论:凡能接受电子对的物质(分子、离子或原子团)都称为酸,凡能给出电子对的物质(分子、离子或原子团)都称为碱。酸是电子对的受体,碱是电子对的给体,它们也称为路易斯酸和路易斯碱。

机能水通过特定浓度物质的添加改变了溶液的ZETA电位(指剪切面的电位,又叫电动电位或电动电势,是表征胶体分散系稳定性的重要指标)。利用化学势的概念改变清洗对象表面离子分布,获得同种电荷相斥的作用,对于小粒径颗粒污染物去除及污染物再附着防止具有针对性解决方案。

聚焦平板显示制造玻璃基板洗净来看,受镀膜制程工艺影响,颗粒污染物一般以硅系列的氮氧化物及铝氧化物、钼氧化物为主。水素水(H2水)中玻璃基板表面负电荷集中分布,而前述特定类型颗粒污染物往往也呈负电荷包裹状态,利用负负同种电荷相互排斥的作用获得洁净基板表面。随溶液中氢氧根离子浓度增加洗净效果有增强趋势,一般使用碱性还原水来获得最佳洗净效果,即溶解有H2、NH4OH的水溶液,但应用过程需要注意强碱环境下金属膜层腐蚀问题,一般可通过改良工艺条件来平衡。

建立在这样的理论基础上,目前平板显示制造玻璃基板洗净应用上以所溶解物质来看,主要包括水素水(H2水)、臭氧水(O3水)、碳酸水(CO2溶解水)、氮素水(N2溶解水)。目前有些厂商也在关注和开发电解离子水清洗装置,从本质上来看是利用电解过程阴极产生H2,阳极产生O3/O2并溶解于水中提高洗净能力,本质上与水素水、臭氧水并无差异,本处不做新类型进行说明。

 

一、水素水(H2水)

因为水是由氢原子和氧原子组成的,所以人们习惯称H2溶解水为水素水。H2-DIW能使玻璃基板基底和颗粒污染物表面具有同样的ZETA电势(负电势),通过静电排斥力能有效的将颗粒污染物从基板表面去除并预防再次附着。

以下图来看,随着氢气在水中的溶解度提升,颗粒污染物去除效果增强,但是在2ppm溶解度以后去除率差异不大,另外因为氢气在水中溶解度不高,一般以饱和氢气水用于洗净工艺。为了进一步提高颗粒污染物去除效果会搭配兆声波发生器增强震荡效果,可有效去除0.3μm以上粒径颗粒污染物。


 

 

二、臭氧水(O3水)

随着LTPS-LCD及LTPS-OLED近些年来产线集中投资,臭氧水清洗作为LTPS工艺中硅基表面处理不可或缺的一道工艺,其应用越来越成熟。各面板厂对臭氧水应用极为关注。

晶洲装备在湿法领域整机臭氧水应用以洗净及杀菌两方面应用具有成熟经验,这里也从这两个维度做简要说明。

应用于清洗主要利用臭氧水极强还原性去除基板表面有机污染物,同时又能夺取大多数金属污染物外围电子将其离子化搭配酸洗进行去除。一般应用浓度7~35ppm,拥有远超过高锰酸钾的氧化能力,20ppm水溶液氧化还原点位可以达到-2.1V,即便是1ppm的水溶液也是接近-1V。

除此之外,以臭氧水杀菌为目的的应用近些年来也获得了更多关注。面板工厂在没有特别针对性方案情况下根据水质、产线环境等因素一般水线设备五年左右会开始面临比较严重的细菌污染问题,细菌滋生严重影响足球彩票品质及设备稼动。一般0.4mg/L臭氧水处理5分钟以上可以去除99%沙雷氏菌及线脓杆菌等菌落。

臭氧水应用是一个综合性课题,涉及材质选型、过滤系统拦截方案、浓度稳定性管理方案、流体喷淋及置换等系统解决方案。依据产线实际工艺需求晶洲装备进行针对性解决方案提供。

 

三、碳酸水(CO2溶解水)

关于碳酸水的应用比较好理解,往水中通入二氧化碳形成碳酸,通过游离的碳酸根、碳酸氢根、氢离子来提高水溶液的导电能力,用于预防静电损害。

H2O + CO2→ H2CO3
H2CO3 →H++ HCO3-
H2CO3 →H+ + CO3 2-

在特定工艺段,如高压水洗段,二流体水洗段,HPMJ段,甚至普通的水洗单元,由于水体在管路内的流速非?欤逵牍苈凡罅康哪Σ敛⑸删驳纭

使用晶洲自制的CO2 Bubble,利用Bubble内特制疏水膜物理特性,膜的外层压入CO2气体,膜的内层通水(如上原理图),CO2通过膜的内部大量超细微的孔隙中将CO2源源不断溶解至水体中,同时由于膜的疏水性,杜绝了水体倒灌至CO2管路中。利用电导率仪精确控制CO2的供给,实现了水体电导率精确的控制,可根据需求,将电导率从18MΩ.cm降至0.2MΩ.cm,最终实现了降低了水体中静电含量。

利用晶洲特制的CO2 Bubble技术,效果远超使用CO2直接将管路插入水体管路的做法,且电导率控制非常精确,工艺极其稳定。该技术可根据客户需求,应用于任何需要降低水体静电值的场合。

 

四、氮素水(N2溶解水)
从机理上来看其和水素水(H2水)洗净原理相近,均是以通过改变玻璃基板基底和颗粒污染物表面具有同样的ZETA电势来提高洗净效果。但是因为N2本身在水中饱和溶解度与最佳洗净浓度差异较大,要想获得比较好的洗净效果需要对N2溶解度进行定量管理。
 

另一个维度因为氮气本身成本优势明显,同时压缩氮气可以用于流体输送,所以很多工厂动力端实际供应饱和氮素水用于清洗,洗净效果也能获得一定程度提高,只是量化的洗净数据少有研究。

 

晶洲装备在湿制程装备及工艺技术综合解决方案上的深耕开拓

晶洲每年坚持10%以上营收用于新技术开发,在装备结构设计、硅基表面处理技术、面向应用终端的综合解决方案等维度深耕开拓。

在关注机能水洗净技术开发与应用方面,晶洲与上下游供应链深入协作,联合开发,为硅基材料的精密洗净或表面处理提供完善的解决方案。

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