El papel de los cartuchos filtrantes plisados en los sistemas de agua ultrapura para la fabricación de semiconductores

Resumen

El agua ultrapura (UPW) desempeña un papel fundamental en la industria de semiconductores, donde incluso niveles submicrónicos de contaminación pueden provocar pérdidas de rendimiento, degradación de las prestaciones o el fallo completo del dispositivo. A medida que los nodos de fabricación de semiconductores se reducen por debajo de los 5 nm, aumenta la demanda de sistemas de tratamiento de agua de mayor pureza y fiabilidad. Entre las soluciones de filtración más utilizadas se encuentran los cartuchos filtrantes plisados, que combinan una gran superficie, retención de partículas finas y una larga vida útil. Este artículo explora el papel de los cartuchos filtrantes plisados en los sistemas de agua ultrapura (UPW) para la fabricación de semiconductores, analizando sus principios de diseño, parámetros de rendimiento, integración en los trenes de purificación de agua y contribuciones a la reducción de defectos. También se discuten los retos y las orientaciones futuras, haciendo hincapié en las innovaciones de los materiales, las capacidades de nanofiltración y los problemas de sostenibilidad.

1. Introducción

La industria de los semiconductores es uno de los sectores de fabricación más sensibles a la contaminación del mundo. La fabricación de circuitos integrados (CI) y microchips avanzados requiere agua ultrapura (UPW) para la limpieza de las obleas, los procesos de aclarado, la dilución química y el tratamiento final de las superficies. Según la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS), más de Se pueden consumir 2.000 litros de UPW por oblea de 300 mm durante los procesos avanzados de fabricación. La calidad del UPW influye directamente en la densidad de defectos de las obleas, lo que a su vez determina el rendimiento y la rentabilidad.

Para garantizar una producción fiable de UPW, se emplea un enfoque multibarrera que incluye ósmosis inversa (RO), resinas de intercambio iónico, oxidación ultravioleta (UV), desgasificación y etapas de filtración final. Dentro de este tren de purificación de múltiples pasos, cartuchos filtrantes plisados se utilizan estratégicamente para eliminar partículas contaminantes, coloides y fragmentos microbianos que pueden eludir los procesos anteriores. Su alta eficacia de filtración, su larga vida útil y su compatibilidad con sistemas de alta pureza las hacen indispensables.

Este artículo se centra específicamente en el papel de los cartuchos filtrantes plisados en los sistemas UPW para la fabricación de semiconductores, ofreciendo una revisión exhaustiva de su diseño, principios operativos, rendimiento y desarrollos futuros.

2. Antecedentes: El agua ultrapura en la fabricación de semiconductores

2.1 Importancia del UPW

El UPW se diferencia del agua purificada convencional en que requiere prácticamente cero contaminantes detectablesincluyendo:

Carbono orgánico total (COT) < 1 ppb
Resistividad cercana a 18,2 MΩ-cm a 25°C
Concentración de partículas < 1 partícula/mL con un tamaño de 0,05 μm.
Bacterias < 1 UFC/100 ml

Cualquier desviación de estos parámetros puede introducir partículas no deseadas o residuos químicos en las obleas, provocando una reducción del rendimiento, cortocircuitos o un rendimiento degradado en dispositivos de alta densidad.

2.2 Uso del agua en los procesos de semiconductores

El UPW se consume en múltiples pasos, entre ellos:

Limpieza de obleas: Eliminación de partículas y residuos de litografía y grabado.
Aclarado: Después de tratamientos químicos como la limpieza con HF (ácido fluorhídrico).
Dilución química: Mezcla con ácidos, bases o lodos para concentraciones controladas.
Aclarado final: Garantizar la neutralidad de la superficie antes del envasado.

En cada etapa, el agua sin partículas es esencial. Una sola partícula de 50 nm puede dañar potencialmente la estructura de un transistor en un dispositivo de nodo de 7 nm.

3. Cartuchos filtrantes plisados: Diseño y principios

3.1 Estructura y configuración

Los cartuchos filtrantes plisados son dispositivos de filtración en profundidad diseñados con un membrana plegada o soporte no tejidoaumentando la superficie disponible sin aumentar el tamaño total del cartucho. Este diseño plisado mejora capacidad de retención de suciedad y reduce la caída de presión en comparación con los filtros de profundidad cilíndricos.

Los componentes clave incluyen:

Medio filtrante: Normalmente se fabrica con polipropileno (PP), politetrafluoroetileno (PTFE) o fluoruro de polivinilideno (PVDF) para la compatibilidad química y los requisitos hidrófobos/hidrófilos.
Capas de soporte: Revestimientos no tejidos para evitar el colapso bajo presión.
Tapas y núcleo: Fabricados en polipropileno o acero inoxidable, unidos mediante soldadura térmica para garantizar que no se filtren adhesivos al agua.
Mecanismo de sellado: Juntas tóricas o juntas de EPDM, silicona o perfluoroelastómeros (FFKM) para garantizar una integración estanca.

3.2 Mecanismos de filtración

Los cartuchos plisados funcionan mediante filtración superficialdonde las partículas mayores que el tamaño del poro se bloquean en la superficie, y filtración en profundidad, donde las partículas más pequeñas son capturadas dentro del tortuoso recorrido del medio filtrante. En los sistemas UPW, filtros plisados de clasificación absoluta (normalmente de 0,1 μm a 0,03 μm) son preferibles a los filtros de clasificación nominal por su reproducibilidad y fiabilidad.

3.3 Ventajas de los cartuchos plisados en los sistemas UPW

Alta eficacia de retención para partículas submicrónicas y coloidales.
Mayor vida útil debido a su mayor superficie.
Extraíbles bajos y compatibilidad química con UPW.
Baja caída de presiónreduciendo los costes energéticos.
Pruebas de integridad (punto de burbuja, pruebas de difusión).

4. Integración en sistemas de agua ultrapura

4.1 Colocación en el tren UPW

Los cartuchos filtrantes plisados se utilizan generalmente en las siguientes etapas:

Filtración post-RO: Para capturar coloides y partículas no eliminadas por las membranas de ósmosis inversa.
Etapa de pulido: Aguas abajo de las resinas de intercambio iónico para eliminar finos de resina o fragmentos microbianos.
Filtración en el punto de uso (POU): En las estaciones de limpieza de obleas para garantizar la eliminación absoluta de cualquier partícula residual antes del contacto con la oblea.

4.2 Filtración en el punto de uso en herramientas de semiconductores

A nivel de fabricación de obleas, los cartuchos plisados suelen instalarse dentro de Lazos de distribución UPW y en las entradas de herramientas. Por ejemplo:

Las herramientas litográficas requieren Filtros de 0,05 μm para proteger la calidad fotorresistente.
Los bancos húmedos se basan en Filtros de 0,1 μm para líneas de dilución de productos químicos.
Las estaciones de aclarado final pueden emplear Filtros plisados sub-0,05 μm para un mayor control de las partículas.

4.3 Caso práctico: Reducción de defectos en obleas

Un estudio de 2022 realizado en Taiwán informó de que la sustitución de los filtros de profundidad convencionales por Cartuchos de PTFE plisado de 0,03 μm en las ubicaciones POU redujo el recuento de partículas en las obleas en un 45% y mejora del rendimiento 8% en una fábrica de 5 nm. Esto pone de relieve el impacto económico y técnico de la optimización de la filtración.

5. Análisis del rendimiento de cartuchos filtrantes plisados en sistemas de agua ultrapura

5.1 Eficacia de la filtración

Los filtros plisados de clasificación absoluta pueden conseguir 99,9991 Retención de TTP3T (valor logarítmico de reducción, LRV > 5) para partículas por encima de su tamaño de poro nominal. En los sistemas UPW, las clasificaciones más comunes son 0,1 μm, 0,05 μm y 0,03 μmcada uno de ellos seleccionado en función de los requisitos del proceso.

5.2 Consideraciones sobre la pérdida de carga

La geometría plisada minimiza la caída de presión en comparación con los filtros de profundidad. Un filtro Cartucho plisado de 10 pulgadas puede gestionar flujos de 10-15 L/min con una caída de presión inferior a 0,1 bar en las condiciones iniciales.

5.3 Vida útil y ciclos de sustitución

La vida útil depende de la carga de partículas, la eficacia del proceso anterior y el diseño del sistema. En las fábricas de semiconductores, los filtros plegados pueden durar 3-6 meses en etapas de pulido y 1-3 meses en ubicaciones POU.

5.4 Pruebas de integridad

Para garantizar su fiabilidad, los cartuchos filtrantes plisados se someten a pruebas de punto de burbuja o pruebas de difusión, confirmando el tamaño de los poros y la ausencia de defectos antes de la instalación.

6. Retos en las aplicaciones de cartuchos filtrantes plisados

Aunque los cartuchos filtrantes plisados son indispensables en los sistemas UPW, siguen existiendo varios retos técnicos y operativos.

6.1 Control de partículas por debajo de 0,05 μm

A medida que la tecnología de semiconductores avanza 3 nm e inferiorEl tamaño de las partículas sigue disminuyendo. Los cartuchos filtrantes plisados convencionales, con tamaños de poro en torno a 0,03 μm, se acercan a su límite de rendimiento. En 0,01 μm de retención es técnicamente difícil debido a las restricciones de fabricación, los problemas de caída de presión y la limitada capacidad de flujo.

6.2 Extraíbles y lixiviables

A pesar de la cuidadosa selección de materiales, los cartuchos plisados pueden liberar trazas de sustancias orgánicas, especies iónicas o fragmentos de polímeros. En los sistemas UPW, incluso niveles de partes por trillón (ppt) de contaminación pueden alterar la química de la superficie de las obleas. Los fabricantes deben perfeccionar continuamente los procesos de producción para minimizar los extraíbles.

6.3 Riesgos de bioincrustaciones

Aunque las UPW suelen estar libres de microorganismos, pueden formarse biopelículas en los circuitos de distribución. Los filtros plegados, si no se sustituyen con regularidad, pueden albergar crecimiento microbiano. Esto presenta tanto riesgos de rendimiento como retos para el control de la contaminación.

6.4 Costes operativos

Aunque los filtros de pliegues tienen una vida útil más larga que los filtros de profundidad, sigue siendo necesario sustituirlos con frecuencia. punto de uso (POU) ubicaciones. En las fábricas a gran escala que consumen miles de cartuchos al año, los costes de sustitución y eliminación pueden ser significativos.

6.5 Cuestiones de normalización

Las diferentes fábricas pueden emplear diferentes clasificaciones de filtros, materiales y protocolos de prueba. La falta de normalización en todo el sector complica la evaluación comparativa y dificulta el establecimiento de mejores prácticas universales.

7. Evolución futura de la tecnología de cartuchos filtrantes plisados

Para hacer frente a estos retos, la investigación y los esfuerzos industriales en curso están impulsando la innovación en el diseño y los materiales de los filtros plegados.

7.1 Tecnologías de nanofibras y membranas avanzadas

La integración de nanofibras electrohiladas en estructuras plisadas permite mejorar la retención de partículas por debajo de 0,02 μm sin sacrificar el caudal. Membranas compuestas avanzadas que combinan PTFE con nanopartículas inorgánicas para mejorar la resistencia mecánica y reducir los extraíbles.

7.2 Filtración híbrida

Los sistemas UPW de nueva generación pueden adoptar cartuchos plisados de doble capacombinando microfiltración y nanofiltración en un único módulo. Este enfoque híbrido podría eliminar la necesidad de múltiples carcasas de filtros, reduciendo la complejidad del sistema.

7.3 Supervisión inteligente y mantenimiento predictivo

Se están estudiando sensores digitales incrustados en carcasas de filtros para control en tiempo real de la presión diferencial, el caudal y el recuento de partículas. Junto con los modelos predictivos basados en IA, las fábricas podrían optimizar los ciclos de sustitución de filtros, prolongando la vida útil y reduciendo el tiempo de inactividad.

7.4 Diseño sostenible de filtros

Dado el creciente énfasis en la sostenibilidad en la cadena de suministro de semiconductores, la investigación se está centrando en materiales filtrantes reciclables, cartuchos de plástico reducidoy técnicas de regeneración de alta eficacia. Los fabricantes también están estudiando programas de recogida de cartuchos usados.

7.5 Compatibilidad con procesos extremos

Los procesos semiconductores del futuro pueden implicar nuevas químicas, como deposición de capas atómicas (ALD) fluidos o lodos CMP avanzados. Los cartuchos filtrantes plisados con mayor resistencia a pH extremos, disolventes y altas temperaturas serán esenciales.

8. Consideraciones sobre sostenibilidad

Mientras las fábricas de semiconductores se esfuerzan por objetivos de fabricación ecológicaLos cartuchos filtrantes plisados son objeto de escrutinio por su impacto medioambiental.

8.1 Generación de residuos

Cada cartucho gastado contribuye a los residuos plásticos. Una sola fábrica puede desechar decenas de miles de cartuchos al añoLa contaminación atmosférica es un problema medioambiental y económico.

8.2 Eficiencia energética

Aunque los diseños plisados minimizan la caída de presión, el bombeo continuo de grandes volúmenes de UPW sigue consumiendo mucha energía. Los filtros con menor resistencia pueden contribuir a los objetivos generales de sostenibilidad.

8.3 Reciclaje y regeneración

Se está investigando para permitir regeneración térmica o química de cartuchos plisadosprolongando la vida útil. Algunos proveedores están poniendo a prueba programas de reciclaje que recuperan el polipropileno de los cartuchos usados para su reutilización en aplicaciones no críticas.

8.4 Evaluación del ciclo de vida (ECV)

Las evaluaciones del ciclo de vida de los sistemas de filtración muestran que la fases de producción y eliminación de los cartuchos plisados suponen la mayor parte de su huella ambiental. Unos métodos de producción más sostenibles, como la fundición de membranas sin disolventes, podrían mitigar estos impactos.

9. Casos prácticos y prácticas del sector

9.1 La iniciativa de Intel sobre el agua ultrapura

Intel ha invertido mucho en tecnologías de purificación del agua, centrándose en reducir los defectos de las obleas relacionados con las partículas. Mediante la aplicación de Cartuchos de PTFE plisado de 0,03 μm en múltiples estaciones POU, Intel informó de un descenso significativo del número de partículas en las obleascontribuyendo a mejorar el rendimiento en los nodos de proceso de 7 nm.

9.2 Enfoque de fabricación ecológica de TSMC

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) hace hincapié tanto en el rendimiento como en la sostenibilidad. La empresa ha puesto a prueba programas de reciclaje de cartuchos y colabora con los proveedores en filtros plisados reciclables de baja extracción para alinearse con los objetivos corporativos de sostenibilidad.

9.3 Samsung Electronics: Retos de la fabricación de grandes volúmenes

Las fábricas de gran volumen de Samsung se enfrentan al doble reto de maximizar el rendimiento y controlar los costes operativos. Los cartuchos plisados se han optimizado para mayor vida útilreduciendo la frecuencia de sustitución en 20% y manteniendo los objetivos de densidad de defectos.

10. Conclusión

Los cartuchos filtrantes plisados son un componente esencial de sistemas de agua ultrapura en la fabricación de semiconductoresLa fabricación de productos de alta pureza es un factor clave para garantizar un suministro de agua libre de partículas, químicamente estable y fiable. Su diseño exclusivo, que combina una elevada superficie con una retención fina, permite a las fábricas reducir los defectos y mejorar el rendimiento en nodos tecnológicos cada vez más exigentes.

Sin embargo, sigue siendo difícil controlar las partículas inferiores a 0,01 μm, los extraíbles, la bioincrustación y la sostenibilidad medioambiental. El futuro de los cartuchos filtrantes plisados pasará probablemente por innovaciones en membranas de nanofibras, sistemas híbridos de filtración, vigilancia inteligente y materiales sostenibles.

A medida que los dispositivos semiconductores sigan reduciéndose, la fiabilidad de los UPW -y, por tanto, la eficacia de los cartuchos filtrantes plisados- será aún más crítica. Los esfuerzos de colaboración entre fabricantes de filtros, fábricas de semiconductores y expertos en sostenibilidad darán forma a la próxima generación de tecnologías de filtración UPW.

Referencias

Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS). (2021). Requisitos para la fabricación de semiconductores.
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Park, J., & Lee, S. (2020). Advances in Nanofiber Membrane Filtration for Ultrapure Water (Avances en la filtración de agua ultrapura con membranas de nanofibras). Revista de Ciencias de las Membranas, 597, 117617.