Liquide, hypercritique, gazeux : Nettoyage de wafers en silicium avec du dioxyde de carbone supercritique

Composants électroniques tels que les circuits intégrés (CI) sont fabriqués à partir de wafers de silicium. Ils constituent les composants de base de tous les appareils électroniques, y compris les ordinateurs portables, les tablettes, les smartphones, les appareils photo et les téléviseurs LCD. (Source : LEWA GmbH)

En chauffant à plus de 35 °C, le CO₂ atteint son état supercritique, ce qui signifie que le SCCO₂ se situe entre celui d’un gaz et d’un liquide. Dans cet état, il possède d’excellentes propriétés de solvant contre certaines impuretés non polaires telles que les résines et les particules. (Source : LEWA GmbH)

La pompe à membrane est installée dans un « cabinet de nettoyage de wafers » où elle comprime le CO₂ liquide à au moins 75 bar afin d'obtenir les propriétés de nettoyage appropriées. (Source : LEWA GmbH) / La pompe à membrane est installée dans un cabinet de nettoyage de wafers où elle comprime le CO₂ liquide à au moins 75 bar afin d'atteindre les propriétés de nettoyage appropriées. (Source : LEWA GmbH)

La propreté joue un rôle essentiel dans la fabrication des wafers de silicium, afin de garantir une conductivité électrique et un fonctionnement appropriés des circuits intégrés (CI) qui en sont issus. La rugosité de surface des wafers doit être réduite à quelques nanomètres lors de plusieurs étapes de traitement, et les wafers doivent être nettoyés pendant les processus de fabrication. La méthode de nettoyage avancée utilisant du CO₂ supercritique (en anglais : SCCO₂) présente plusieurs avantages par rapport à la méthode traditionnellement utilisée, à savoir le nettoyage dans un bain à ultrasons avec de l’eau et des produits chimiques, notamment en ce qui concerne l’élimination des particules métalliques. Ce dernier était difficile à réaliser lors des processus humides. Les pompes à membrane de la société LEWA GmbH ont fait leurs preuves dans l’industrie des semi-conducteurs pour le nettoyage des wafers avec du CO₂. Le CO₂ est comprimé dans la chambre de processus de l’installation de nettoyage à l’aide d’une pompe à membrane jusqu’à au moins 75 bar, puis chauffé à plus de 35 °C. Cela permet au CO₂ de passer de l’état liquide à l’état supercritique (en anglais : supercritical). LEWA possède le savoir-faire nécessaire pour la manipulation des gaz liquéfiés et propose dans sa gamme de produits des pompes à membrane de série Ecoflow et Triplex, parfaitement adaptées. Le certificat de compatibilité pour les salles blanches délivré par la société Fraunhofer (Fraunhofer IPA - TESTED DEVICE®) atteste de la conformité des pompes aux normes et directives reconnues en matière de salles blanches.

Les composants électroniques, tels que les circuits intégrés (CI), sont fabriqués à partir de wafers de silicium. Il s’agit des composants fondamentaux de tout appareil électronique d’imagerie, comme les ordinateurs portables, tablettes et smartphones, les appareils photo et les téléviseurs LCD. La production des wafers suit un procédé complexe comprenant plus de 100 étapes de fabrication, s’étalant sur plusieurs semaines. Beaucoup de ces étapes sont suivies d’un processus de nettoyage, crucial pour assurer la qualité des différentes phases de fabrication. Par le passé – et encore aujourd’hui dans certains cas – le nettoyage des wafers était principalement effectué par ultrasons dans de l’eau ou avec des produits chimiques. Cette méthode est à la fois très coûteuse en termes de consommation d’eau et de gestion des déchets chimiques, ce qui représente un enjeu environnemental et financier. De plus, le résultat du nettoyage humide n’était pas toujours parfait, alors que le nettoyage par SCCO₂ offre plusieurs avantages pour l’industrie des semi-conducteurs. « Lors du nettoyage des wafers, le procédé ainsi que la technologie utilisée sont en constante évolution », explique Joachim Bund, responsable de la division Ventes Process Industry & Downstream chez LEWA. « Dans l’industrie des semi-conducteurs, de nombreux fabricants renommés ont déjà complètement adopté la méthode de nettoyage au dioxyde de carbone avec pompe à membrane. »

Procédé de nettoyage au CO₂ avec pompes à membrane en salle blanche

LEWA fabrique des pompes doseuses à membrane compatibles salles blanches, équipées d’une membrane en PTFE sandwich, particulièrement adaptées à ce procédé. La fiabilité, une dose parfaitement propre et sans particules, la possibilité de nettoyage en ligne, ainsi qu’une grande précision de dosage et une reproductibilité des résultats sont des paramètres essentiels pour cette application. Un système de détection de rupture de membrane spécialement développé offre une sécurité supplémentaire. La pompe à membrane est installée dans un « Wafer Cleaning Cabinet ». Dans ce dispositif, le CO₂ liquide est comprimé dans la chambre de processus à l’aide de la pompe à membrane jusqu’à au moins 75 bar, afin d’obtenir les propriétés de nettoyage souhaitées. « Ensuite, le dioxyde de carbone est chauffé à plus de 35 °C à l’aide d’un échangeur de chaleur », explique Claudia Schweitzer, responsable produit chez LEWA, décrivant la procédure. Cela permet au CO₂ d’atteindre son état supercritique, qui, d’un point de vue physique, correspond à un mélange entre gaz et liquide. Dans cet état, il possède d’excellentes propriétés de dissolution contre certaines impuretés telles que les résists photo et les couches métalliques situées au-dessus. En raison de sa viscosité très faible dans cette phase, le SCCO₂ pénètre dans les plus petites fissures et structures du wafer. Après le nettoyage, un rinçage avec du CO₂ pur est effectué pour s’assurer qu’aucun résidu ne reste sur le wafer. Ensuite, la pression dans le système est réduite, ce qui provoque la sublimation du CO₂. En passant directement à la phase gazeuse, tous les composants sont complètement séchés après le nettoyage et exempts de résidus ou de contaminants. Le nettoyage au SCCO₂ est plus respectueux de l’environnement et plus économique que les procédés traditionnels.

Chaleur de compression nécessitant un manteau de refroidissement supplémentaire

Dans le domaine du transport de gaz liquéfiés, LEWA possède une expérience approfondie acquise au cours de nombreux projets très variés. La production de chaleur de compression indésirable joue un rôle particulier lors de la compression du CO₂ et d’autres gaz. « Le refroidissement est toujours un enjeu central avec les gaz liquéfiés, car la compression dans la tête de pompe génère de la chaleur », explique Bund. « Lorsqu’un fluide approche de son point d’ébullition, il y a un risque de formation de vapeur dans la course d’aspiration. Cet effet est également appelé cavitation dans la course d’aspiration. » Pour éviter ce processus indésirable, LEWA équipe ses pompes avec un manteau de refroidissement supplémentaire, qui empêche la cavitation du CO₂. Ce refroidissement améliore également le rendement hydraulique de la pompe.

Le choix des matériaux pour les pièces en contact avec le fluide est adapté à chaque processus. Cela inclut, par exemple, la réduction de la proportion de métaux en contact avec le fluide, ainsi que des exigences spécifiques concernant la qualité de surface de la tête de pompe. Ces paramètres et matériaux sont ajustés en fonction des exigences du procédé. « De cette manière, nous pouvons configurer chaque unité pour chaque tâche de nettoyage », résume Bund.