半导体设备铝合金腔体水路堵塞、腐蚀问题分析

半导体设备铝合金腔体水路堵塞、腐蚀问题分析

陈英男

（沈阳拓荆科技有限公司110000）

摘要：半导体设备是芯片制备的载体,多用铝合金作腔体。本文以铝合金腔体出现的水路堵塞、腐蚀现象为研究对象。通过水路堵塞、腐蚀现象的状态展示，扫描电镜的化学成分分析及堵塞颗粒物成因模拟实验，探索、找寻堵塞、腐蚀现象的成因及解决办法。实验及分析结果表明：因铝本身的化学活性易与多种材料（铜、铁、镍等）发生化学乃至电化学反应，以致形成颗粒状氧化物造成材料表面腐蚀及管路堵塞。

关键词：半导体设备；水路；铝；颗粒；堵塞

半导体设备是芯片加工、制造及封装、测试的载体。因其研发技术难度大，成本高而制约着半导体产业的发展。本文以半导体设备研发过程中出现的铝制腔体水路堵塞、腐蚀问题为研究对象，针对其现象及成因分析进行讨论并找寻解决办法。

铝合金因其优良的性能，广泛应用为半导体设备的腔体材料。材料加工性上，铝合金比不锈钢成本低、重量轻、加工速度快；物理特性上，其具备高导热性、低磁导率和低碳等优点；铝合金无锈、不发尘，对洁净环境无损伤；并能更好的承受清洗、刻蚀等工艺所产生的氟离子侵蚀。

半导体设备在工艺过程中会产生反应热或其他介质辐射、传导的热量。为保证工艺稳定或安全考虑会选择对腔体进行一定的温度控制。水因获得容易，成本低，对环境无污染，换热率高等优点。通常用作加热或冷却的流体介质。以往的腔体水路多采用铜管或钢管等通过导热胶与腔体粘接。由于存在管壁材料、粘接材料及空气夹层等多层介质间的热传导，换热效率较低。在加工能力提升的今天,逐渐更改为采用机加工或焊接等方式实现的流体介质直接与腔体接触的水路方案。但在换热效率提高的同时也带来了新的问题。

在半导体设备实验机台中曾出现水路堵塞现象。拆卸管路吹扫后发现有不溶于水的颗粒状物质出现（图1）。同时发现水路进出口处有严重腐蚀迹象（图2）。对颗粒物样品进行扫描电镜分析所得电子照片及成分分析结果如图3所示。其中铝和氧含量远高于其他元素，即其主要成分是铝的氧化物。已知的是铝在干燥空气中其表面会形成厚约50埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水。那么堵塞物的氧化铝颗粒是如何而来呢？

图2管口腐蚀照片3颗粒物扫描电镜分析图

成分分析结果中，除主要成分铝和氧之外，还有铜的存在。多数电气部件选择导热率较高的铜作为冷却管路材料，以一台设备为整体来讲，铜管与铝腔体在同一水路系统内共存。为进一步验证颗粒物的成因，进行了以下实验。

实验目的：模拟颗粒物形成条件找寻其原因

实验材料：铝粉、铜粉，去离子水，矿泉水、自来水

实验条件：常温浸泡，加热浸泡

实验说明：1、为获得更大接触面积及便于观察反应现象，采用铜粉及铝粉为实验材料；

2、为判别水质的影响，选择三种不同水质进行实验；

3、为判别反应是否与温度有关，设置加热浸泡。

实验现象：四组配比实验条件所对应的现象如下：

铝粉+去离子水：铝粉颜色及光泽无明显变化，有絮状物出现。（图4）

铝粉+铜粉+自来水：铝粉颜色略加深；铜粉颜色无明显变化，有絮状物出现。（图5）

铝粉+铜粉+矿泉水：铝粉颜色加深较明显，色泽变暗（变化介于自来水与比去离子水之间）;铜粉颜色无明显变化，有絮状物出现。（图6）

铝粉+铜粉+去离子水：铝粉颜色呈棕绿色，色泽变暗几乎无金属光泽，数量略有减少；加热后尤其明显，并能观察到有少量气泡生成。铜粉颜色无明显变化，有絮状物出现。（图7）

图6铝粉+铜粉+矿泉水图7铝粉+铜粉+去离子水

实验结论：

1、单独铝在水中浸泡无明显的表面性状改变，铝与铜同时存在时发生较复杂化学反应，可能存在的反应如下：

电化学反应，铝做电极被消耗；（铝粉量减少）

置换反应：3CuO+2Al=3Cu+A12O3；（铝粉量减少）

与水反应：2Al+6H20=2Al(OH)3+3H2(加热）．（有气泡产生）

2、铝、铜在去离子水条件下反应较明显，在自来中水反应较小，但水质较差（絮状物较多）。

通过以上实验得到铝腔体水路与铜管路不能共存的结论。除了铜以外，普遍存在于钢材中的铁以及表面镀层材料的镍、锌等都会产生类似的颗粒物（颗粒物表面性状不同）。所以通过更换管路的材质来解决问题是比较困难的。另一个重要的影响因素就是流体介质，更改流体介质可以减缓或阻隔反应形成。但其成本要远远高于水的成本。另一个特殊性原因是，实验室机台的水路是一个闭环的独立循环系统，所有的反应材料在一个反应链中共存。而在半导体加工厂中大多采用的是开环的冷却水系统，这样除了避免电化学反应链的形成外，也能将引起反应的其他中间产物及时排除整个系统，从而避免了水路堵塞与腐蚀的问题。

目前中国半导体设备研发及生产制造与国外顶级公司比较，仍有着巨大的差距。在没有可参考借鉴资料或是有着森严技术壁垒的领域中，我们仍需不断的探索，可能还会遇到匪夷所思的问题或错误，也许正是这种对问题的分析才让我们找到了对的方向。让我们带着这种试错精神不断的探索向前，为未来的成功夯实基础。

参考文献：

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[2]徐成海真空工程技术[M]北京化学工业出版社2006

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