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        電子級(jí)硫酸制備工藝及發(fā)展現(xiàn)狀

        2012-11-14 06:24:32李天祥
        無(wú)機(jī)鹽工業(yè) 2012年3期

        曹 攀 ,李天祥 ,2,朱 靜

        [1.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550003;2.甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司]

        電子級(jí)硫酸制備工藝及發(fā)展現(xiàn)狀

        曹 攀1,李天祥1,2,朱 靜1

        [1.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550003;2.甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司]

        電子級(jí)硫酸廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路(IC)、半導(dǎo)體等微電子工業(yè),用作清洗和蝕刻劑。隨著中國(guó)微電子工業(yè)的高速發(fā)展,電子級(jí)硫酸的需求量日益增加,電子級(jí)硫酸有著良好的應(yīng)用前景。介紹了電子級(jí)硫酸的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝、檢測(cè)手段、應(yīng)用、包裝技術(shù),重點(diǎn)介紹了近年來(lái)電子級(jí)硫酸制備技術(shù)的改進(jìn),并對(duì)電子級(jí)硫酸的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

        電子級(jí)硫酸;質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);制備工藝;檢測(cè)

        電子級(jí)硫酸又稱高純硫酸、超純硫酸,屬于超凈高純?cè)噭?,是一種微電子技術(shù)發(fā)展過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵基礎(chǔ)化學(xué)試劑,廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、超大規(guī)模集成電路的裝配和加工過(guò)程,主要用于硅晶片的清洗和蝕刻,可有效除去晶片上的雜質(zhì)顆粒、無(wú)機(jī)殘留物和碳沉積物。電子級(jí)硫酸的純度和潔凈度對(duì)電子元件的成品率、電性能及可靠性有著重要的影響。目前,中國(guó)已成為世界IT工業(yè)和液晶顯示器(LCD)需求增長(zhǎng)最快的國(guó)家,2011年中國(guó)將成為世界重要的集成電路制造基地之一。“十一·五”期間,中國(guó)電子化學(xué)品年均增長(zhǎng)率超過(guò)20%,2015年保守估計(jì)市場(chǎng)銷售總額將達(dá)到400億~450億元,中國(guó)優(yōu)勢(shì)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力正在不斷增強(qiáng),長(zhǎng)期成長(zhǎng)空間巨大,已成為化工行業(yè)中發(fā)展速度最快、最具活力的行業(yè)之一[1]。而與之配套的超凈高純?cè)噭┑男枨笠彩侵鸩皆黾?,電子?jí)硫酸的消耗量約占高純?cè)噭┛偭康?0%,電子級(jí)硫酸的市場(chǎng)需求前景廣闊[2]。

        1 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法

        電子集成電路對(duì)超凈高純化學(xué)品的要求高且使用量大,但該類化學(xué)品貯存有效期短,其純度和潔凈度對(duì)集成電路的成品率、電性能及可靠性影響重大。隨著電子集成電路向大規(guī)模和超大規(guī)模、極大規(guī)模的發(fā)展(IC-LSIC-VLSIC-ULSIC),芯片集成度越來(lái)越高,晶圓表面的光刻線條越來(lái)越精細(xì),IC的更新?lián)Q代速度越來(lái)越快,ULSI對(duì)超凈高純化學(xué)品也提出了越來(lái)越嚴(yán)格的質(zhì)量要求和分析檢測(cè)要求[3]。

        1975年,美國(guó)的國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié)會(huì)(Semiconductor Equipment and Materials International,SEMI)首先為微電子工業(yè)配套的超凈高純化學(xué)品制定了國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(SEMI標(biāo)準(zhǔn));1978年,德國(guó)的伊默克公司也制定了MOS標(biāo)準(zhǔn)。兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超凈高純化學(xué)品中金屬雜質(zhì)和微粒(塵埃)的要求各有側(cè)重,分別適用于不同級(jí)別IC的制作要求。ULSI在全球的快速發(fā)展使得這些標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)有逐步接近的趨勢(shì),但SEMI標(biāo)準(zhǔn)更早取得世界范圍內(nèi)的普遍認(rèn)可。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將超純?cè)噭┌磻?yīng)用范圍分為4個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表1)。到目前為止,中國(guó)還沒(méi)有電子級(jí)硫酸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)的試劑企業(yè)一般將電子級(jí)硫酸劃分為低塵高純級(jí)、MOS級(jí)和BV-Ⅲ級(jí),其中BV-Ⅲ級(jí)電子級(jí)硫酸的單項(xiàng)金屬雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)1×10-8,相當(dāng)于SEMI-C7標(biāo)準(zhǔn)。

        表1 超純?cè)噭㏒EMI標(biāo)準(zhǔn)[1-3]

        電子級(jí)硫酸的檢測(cè)主要包括顆粒、金屬雜質(zhì)及非金屬雜質(zhì)的分析測(cè)試。顆粒分析采用激光散射法,通過(guò)激光散射顆粒測(cè)定儀來(lái)測(cè)量單個(gè)粒子通過(guò)狹窄的光束時(shí)所散發(fā)出來(lái)的散射光的強(qiáng)度,較好地解決了樣品中氣泡的干擾問(wèn)題。金屬離子的檢測(cè)主要采用石墨爐原子吸收光譜(GFAA)法、等離子發(fā)射光譜(ICP)法、電感耦合等離子體-質(zhì)譜(ICP-MS)法等。其中ICP-MS有最低的檢出限、最寬的動(dòng)態(tài)線性范圍,分析精度高、速度快,且ICP-MS技術(shù)在不斷進(jìn)步,檢出限可低至10-15。隨著IC技術(shù)向亞微米及深亞微米方向的發(fā)展,電子級(jí)硫酸的純度越來(lái)越高,ICP-MS法將取代傳統(tǒng)無(wú)機(jī)分析技術(shù),成為金屬雜質(zhì)分析測(cè)試的主要手段。非金屬雜質(zhì)的分析測(cè)試主要指陰離子的測(cè)試,最為常用的方法就是離子色譜法。離子色譜法是一種用電導(dǎo)檢測(cè)器對(duì)陽(yáng)離子和陰離子混合物作常量和痕量分析的色譜法,分析時(shí)在分離柱后串接一根抑制柱,來(lái)抑制流動(dòng)相中的電解質(zhì)的背景電導(dǎo)率,采用電導(dǎo)檢測(cè)器測(cè)定電子級(jí)硫酸中的 Cl-、NO3-、PO43-等[4]。

        2 制備工藝

        2.1 精餾法

        精餾是利用回流使液體混合物得到高純度分離的蒸餾方法。工業(yè)硫酸一般是微黃色黏稠液體,內(nèi)含大量金屬雜質(zhì)離子和二氧化硫、亞硫酸根、有機(jī)物等。工業(yè)硫酸在精餾提純前需進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理,即在預(yù)處理槽中加入適量強(qiáng)氧化劑(高錳酸鉀、重鉻酸鉀等),使硫酸中的還原性雜質(zhì)氧化成硫酸和二氧化碳,再將處理后的硫酸加入石英精餾塔內(nèi)進(jìn)行精餾。由于金屬雜質(zhì)離子主要以硫酸鹽的形式存在,硫酸鹽的沸點(diǎn)很高,在精餾的過(guò)程中會(huì)和蒸餾殘液一起留在釜底,可以很容易地被除去。待精餾速度穩(wěn)定后,收集成品在儲(chǔ)罐內(nèi),再用微孔濾膜過(guò)濾,除去微細(xì)固體顆粒雜質(zhì),最后在超凈工作臺(tái)內(nèi)分裝成品,包裝瓶需在超凈條件下清洗,檢測(cè)合格后方可使用[5]。

        黃山市歙縣中佳實(shí)業(yè)有限公司的孫國(guó)忠[6]發(fā)明了一種醫(yī)用電子級(jí)硫酸提純?cè)O(shè)備,主要包括進(jìn)料管、換熱器、濃酸管、稀酸管、蒸發(fā)室、螺旋預(yù)熱器等。該設(shè)備采用三次蒸餾技術(shù),比一次蒸餾得到的產(chǎn)品質(zhì)量更高。其利用余熱將螺旋預(yù)熱器中的原料預(yù)熱,節(jié)約了能源,并且加熱器由原來(lái)的煤加熱改為電爐絲加熱,減少了環(huán)境污染。但是,該設(shè)備只能小規(guī)模生產(chǎn)醫(yī)用電子級(jí)硫酸,離工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)電子級(jí)硫酸還有一定距離[6]。

        目前,中國(guó)電子級(jí)硫酸的生產(chǎn)一般采用精餾法,常壓精餾的溫度高達(dá)330℃,對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求較高;減壓精餾的溫度為175~190℃,壓力為1.33~2.67 kPa。精餾法能耗大,成本高,有些雜質(zhì)難以除去,產(chǎn)生的廢氣、酸霧對(duì)人體有害,不利于環(huán)境保護(hù),只適合于小規(guī)模生產(chǎn)。

        2.2 氣體吸收法

        氣體吸收法是將提純后的三氧化硫直接用超純水或者超純硫酸吸收,三氧化硫的提純是產(chǎn)品達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。首先,向發(fā)煙硫酸(硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%~70%)中添加適量的過(guò)氧化氫溶液,使其中的二氧化硫(含量應(yīng)低于10 mg/kg)氧化為三氧化硫,隨后將發(fā)煙硫酸加入到降膜蒸發(fā)器中,在90~130℃蒸發(fā),蒸發(fā)出來(lái)的三氧化硫氣體經(jīng)過(guò)除霧器,除去其中夾帶的微量硫酸、亞硝酰基硫酸,通入高度純化的惰性氣體,混合后進(jìn)入吸收塔用電子級(jí)超純水或超純硫酸直接吸收,冷卻后即得到超純硫酸產(chǎn)品。如果最終產(chǎn)品達(dá)不到所要求的顆粒含量標(biāo)準(zhǔn),可在進(jìn)入吸收塔前進(jìn)行1~3階段過(guò)濾(濾膜孔徑為0.1~1 μm)。成品的超純硫酸由特殊設(shè)計(jì)的管道送入氟聚合物襯里的儲(chǔ)槽中,吸收過(guò)程產(chǎn)生的熱量由特制管束式換熱器收集[7-8]。

        上海華誼微電子材料有限公司的詹家榮等[9],采用二次氣化來(lái)提高三氧化硫原料的純度,用不同濃度的超純稀硫酸循環(huán)吸收純化的三氧化硫,制備出超純硫酸。首先將5~20℃工業(yè)三氧化硫料液在0.1~0.15 MPa壓力下通入圓形氣化器中,以2~5 m3/h空塔速度在40~55℃條件下氣化,控制冷卻塔溫度為0~10℃進(jìn)行冷凝;冷凝液通入二級(jí)圓形氣化器中,溫度控制在小于55℃的情況下進(jìn)行第二次氣化,得到純化的三氧化硫氣體。將純化的三氧化硫氣體通入循環(huán)吸收器中,利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~50%、溫度為0~10℃的稀硫酸吸收,得到高濃度超純硫酸。最終產(chǎn)品金屬雜質(zhì)離子含量低于1×10-10(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),非金屬雜質(zhì)含量低于 1×10-7(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),大于0.5 μm的顆粒數(shù)量低于5個(gè)/mL,達(dá)到了SEMIC12標(biāo)準(zhǔn)。

        上海哈勃化工有限公司的毛儉勤等[10]發(fā)明一種超純化學(xué)品的生產(chǎn)方法,包括吸收、解吸、吸收反應(yīng)、廢氣處理等4個(gè)過(guò)程,適合生產(chǎn)超純硫酸、超純鹽酸、超純氫氟酸等多種超純化學(xué)品。超純硫酸的生產(chǎn)過(guò)程:將原料SO3輸入到裝有超純水的吸收塔中,控制吸收塔的設(shè)備參數(shù)在0.05 MPa、150℃,形成含有大量游離SO3的發(fā)煙硫酸之后輸入到解吸塔;控制解吸塔的設(shè)備參數(shù)在0.02 MPa、250℃,使SO3從發(fā)煙硫酸中以氣相解吸,得到純度極高的SO3氣體,最后進(jìn)入產(chǎn)品吸收塔用超純水吸收得到超純硫酸。如果原料SO3中含有對(duì)終端產(chǎn)品質(zhì)量有影響的雜質(zhì),可在吸收塔前設(shè)置原料預(yù)處理器;如果產(chǎn)品達(dá)不到所要求的顆粒含量標(biāo)準(zhǔn),可在產(chǎn)品吸收塔后加入相應(yīng)的過(guò)濾器。最終產(chǎn)品H2SO4含量達(dá)到99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上,陽(yáng)離子雜質(zhì)含量均低于1×10-10(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),陰離子雜質(zhì)含量均低于5×10-8(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。該法工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,能耗低,過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢液可制成工業(yè)級(jí)硫酸,無(wú)需三廢處理。

        國(guó)外主要采用氣體吸收法來(lái)生產(chǎn)電子級(jí)硫酸,該法適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),雜質(zhì)去除率高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,能耗低,能充分滿足半導(dǎo)體工業(yè)的需求。目前,中國(guó)一些企業(yè)經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān),對(duì)氣體吸收法進(jìn)行改進(jìn),成功生產(chǎn)出超純硫酸,產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了SEMIC12標(biāo)準(zhǔn)。

        3 應(yīng)用

        電子級(jí)硫酸主要應(yīng)用于電子硅晶片生產(chǎn)過(guò)程的清洗和蝕刻。硅圓片在加工過(guò)程中,常常會(huì)被不同的雜質(zhì)所沾污,可引起IC產(chǎn)率下降50%左右。硅圓片上不溶性固體顆?;蚪饘匐x子可能在微細(xì)電路之間導(dǎo)電,使之短路,幾個(gè)金屬離子或灰塵足以使線寬較小的IC報(bào)廢。Na、Ca等堿金屬雜質(zhì)會(huì)融進(jìn)氧化膜中,導(dǎo)致耐絕緣電壓下降。當(dāng)硅圓片表面附著有Cu、Fe、Cr、Ag等重金屬雜質(zhì)時(shí),會(huì)使P—N結(jié)耐電壓降低,影響IC電性能。硼、磷、砷等雜質(zhì)離子會(huì)影響擴(kuò)散劑的擴(kuò)散效果,塵埃顆粒會(huì)造成光刻缺陷,氧化層不平整,影響制版質(zhì)量和等離子蝕刻工藝。為了獲得高質(zhì)量、高產(chǎn)率的集成電路芯片,必須除去各種沾污物,這就需要使用非常純凈的化學(xué)試劑來(lái)清洗硅圓片,硫酸和過(guò)氧化氫按比例組成有強(qiáng)氧化性的SPM清洗液,在120~150℃下對(duì)硅片進(jìn)行清洗時(shí),可將金屬氧化后溶于溶液中,并能把有機(jī)物氧化成CO2和H2O。它還可用于光刻過(guò)程中的濕法蝕刻及最終的去膠,借助于化學(xué)反應(yīng)從硅圓片的表面除去固體物質(zhì),導(dǎo)致固體表面全部或局部溶解[4,11]。

        4 包裝技術(shù)

        電子級(jí)硫酸屬于強(qiáng)腐蝕的危險(xiǎn)品,包裝后的產(chǎn)品在運(yùn)輸及使用過(guò)程中不能泄漏。在貯存的有效期內(nèi)包裝容器必須耐腐蝕,雜質(zhì)溶出要低,內(nèi)表面顆粒脫落要少,不能引入二次污染而降低產(chǎn)品質(zhì)量。此外,對(duì)于超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線,小包裝試劑無(wú)法滿足生產(chǎn)需求,包裝容器需要向大包裝方向發(fā)展,這些都對(duì)包裝技術(shù)提出了很高的要求。目前,包裝容器材料一般使用高密度聚乙烯(HDPE)、四氟乙烯和氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)和硬質(zhì)硼硅玻璃。其中HDPE穩(wěn)定性較好,易于加工,并具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度,因此HDPE可以在室溫下存放濃硫酸,但是溫度升高后濃硫酸會(huì)浸蝕HDPE而生成衍生物導(dǎo)致“酸暗”。對(duì)于使用周期較長(zhǎng)的管線、貯罐、周轉(zhuǎn)罐、高溫反應(yīng)器等,可采用PFA或PTFE材料做內(nèi)襯,設(shè)備和管道內(nèi)襯的PTFE厚度為1~6 mm,內(nèi)襯材料在生產(chǎn)成型過(guò)程中的環(huán)境要潔凈,且不能添加對(duì)電子級(jí)硫酸有污染的助劑[4,11-12]。

        5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        目前,電子級(jí)硫酸的核心技術(shù)被德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家壟斷,其關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道甚少。在國(guó)際上能大規(guī)模生產(chǎn)電子級(jí)硫酸的公司僅有少數(shù)幾家,如德國(guó)的E.Merck公司,美國(guó)的Ashland公司、Arch公司及Mallinckradt Baker公司,日本的Wako、Sumitomo、住友合成、德川及三菱等,中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)主要有臺(tái)灣Merck、長(zhǎng)春、長(zhǎng)新化學(xué)、臺(tái)硝股份及恒誼等,韓國(guó)主要有東友(DongwooFine Chem)、東進(jìn)(Donjin Semichem)及Samyoung FineChem等公司。在技術(shù)方面,美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)目前已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)0.09~0.2 μm及以上技術(shù)用的超凈高純?cè)噭娮蛹?jí)硫酸生產(chǎn)規(guī)模在5 000~10 000 t/a,65 nm及以下技術(shù)用工藝化學(xué)品也已完成技術(shù)研究,具備相應(yīng)的生產(chǎn)能力[2,13]。

        盡管中國(guó)高純?cè)噭┑难芯科鸩捷^早,并取得了一定成果,但成果產(chǎn)業(yè)化速度較慢,還不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求,與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相比尚有一定差距。目前,MOS級(jí)試劑的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟,中國(guó)現(xiàn)有超凈高純?cè)噭┥a(chǎn)廠家大多生產(chǎn)這個(gè)檔次的產(chǎn)品,BV-Ⅲ級(jí)電子級(jí)硫酸也已形成年產(chǎn)千噸級(jí)的規(guī)模,高規(guī)格的BV-Ⅳ、BV-Ⅴ級(jí)產(chǎn)品則主要依賴進(jìn)口?!笆の濉逼陂g,國(guó)家科技部將“ULSI用超凈高純?cè)噭┭芯俊闭n題列入“863”超大規(guī)模集成電路配套材料重大專項(xiàng)計(jì)劃之中,由北京化學(xué)試劑研究所、上海華誼(集團(tuán))公司等單位承擔(dān),其研究的主要目的是完成0.13~0.10 μm技術(shù)ULSI用超凈高純?cè)噭┑难芯颗c開發(fā)工作,并取得較大突破,部分產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)也將能夠形成規(guī)?;a(chǎn),相關(guān)分析測(cè)試方法的研究也有較大突破,但總體上仍然受支撐條件落后、工藝技術(shù)不完善、配套設(shè)施及材料基礎(chǔ)差等客觀因素的制約,關(guān)鍵的工藝設(shè)備、分析測(cè)試用儀器設(shè)備和包裝容器等必須依賴進(jìn)口,這也導(dǎo)致真正要實(shí)現(xiàn)BV-Ⅴ級(jí)試劑的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)存在較大的差距[14]。

        6 展望

        中國(guó)巨大的市場(chǎng)潛力和日趨完善的產(chǎn)業(yè)體系正吸引著世界集成電路制造業(yè)、封裝測(cè)試業(yè)以及整機(jī)裝配業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移。“十一·五”期間,中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展最快的歷史階段,年均增長(zhǎng)率超過(guò)30%,市場(chǎng)規(guī)模翻兩番達(dá)到3 800億元,占全球的1/4,并形成了以長(zhǎng)江三角洲和京津地區(qū)為中心的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。作為集成電路制造業(yè)、封裝測(cè)試業(yè)以及整機(jī)裝配業(yè)原料供應(yīng)的上游行業(yè),高規(guī)格的電子級(jí)硫酸供不應(yīng)求,中國(guó)硫酸企業(yè)應(yīng)充分關(guān)注這一趨勢(shì),加強(qiáng)對(duì)電子級(jí)硫酸生產(chǎn)工藝技術(shù)的研究,適當(dāng)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的工藝和裝置,早日生產(chǎn)出高規(guī)格、高附加值的產(chǎn)品,搶占國(guó)內(nèi)外電子級(jí)硫酸市場(chǎng),促進(jìn)中國(guó)電子級(jí)硫酸工業(yè)的發(fā)展。

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        Preparation technology and present development status of electronic-grade sulphuric acid

        Cao Pan1,Li Tianxiang1,2,Zhu Jing1
        [1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003,China;2.Wengfu(Group) Co.,Ltd.]

        Electronic-grade sulphuric acid is widely used in large scale integrated circuit(IC),semiconductor,and other microelectronics industries,for cleaning and etching agents.With the rapid development of microelectronics industry in China,demand for electronic-grade sulphuric acid is growing and it has a very good prospect.Quality standards,preparation technology,detecting methods,applications,and packaging technology of electronic-grade sulphuric acid were reviewed,and the improvements of preparation technology in recent years were introduced in detail.Finally,the future development of electronicgrade sulphuric acid was prospected.

        electronic-grade sulphuric acid;quality standard;preparation technology;detection

        TQ111.17

        A

        1006-4990(2012)03-0008-04

        2011-10-08

        曹攀(1985— ),男,在讀碩士研究生,主要從事精細(xì)化工工藝研究。

        聯(lián) 系 人:李天祥

        聯(lián)系方式:ce.txli@gzu.edu.cn

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