Liquido, eccessivamente critico, in forma di gas: pulizia di wafer di silicio con anidride carbonica supercritica

Componenti elettronici come i circuiti integrati (IC) sono prodotti da wafer di silicio. Sono i componenti fondamentali di tutti i dispositivi elettronici, inclusi laptop, tablet, smartphone, fotocamere e televisori LCD. (Fonte: LEWA GmbH)

Riscaldando a oltre 35°C, il CO₂ raggiunge il suo stato supercritico, cioè SCCO₂ – tra quello di gas e liquido. In questo stato, possiede ottime proprietà solventi contro alcune impurità non polari come le resine e le particelle. (Fonte: LEWA GmbH)

La pompa a membrana è installata in un cosiddetto "Armadio di pulizia dei wafer". In questo, il CO₂ liquido viene compresso dalla pompa a membrana nella camera di processo a una pressione di almeno 75 bar, al fine di ottenere le proprietà di pulizia appropriate. (Fonte: LEWA GmbH) / The diaphragm pump is installed in a wafer cleaning cabinet where it compresses the liquid CO₂ to at least 75 bar in order to attain the appropriate cleaning properties. (Source: LEWA GmbH)

La pulizia gioca un ruolo essenziale nella produzione di wafer di silicio, per garantire una conduttività e una funzionalità corrette dei circuiti integrati (IC) prodotti da essi. In questo processo, la rugosità superficiale dei wafer deve essere ridotta a pochi nanometri in più fasi di lavorazione e i wafer devono essere puliti durante i processi di lavorazione. La tecnologia di pulizia avanzata con CO₂ supercritico (inglese: SCCO₂) presenta alcuni vantaggi rispetto al metodo tradizionale, ovvero la pulizia in bagno ad ultrasuoni con acqua e sostanze chimiche, in particolare per quanto riguarda la rimozione di particelle metalliche. Questa operazione risultava difficile nei processi a umido. Le pompe a membrana della LEWA GmbH si sono dimostrate molto affidabili nell'industria dei semiconduttori per la pulizia dei wafer con CO₂. In questo metodo, il CO₂ viene compresso nel vano di processo dell'impianto di pulizia mediante una pompa a membrana fino ad almeno 75 bar e successivamente riscaldato oltre i 35 °C. In questo modo, il CO₂ passa dallo stato liquido a quello supercritico (inglese: supercritical). LEWA possiede l'expertise necessaria nella gestione di gas liquidi e offre, con le serie Ecoflow e Triplex, tecnologie di pompa ottimali per questa applicazione. Il certificato di compatibilità con le camere bianche della Fraunhofer-Gesellschaft (Fraunhofer IPA - TESTED DEVICE®) attesta che le pompe rispettano gli standard e le linee guida riconosciuti per le ambienti controllati.

Componenti elettronici come, ad esempio, circuiti integrati (in breve IC) sono prodotti da wafer di silicio. Si tratta delle componenti fondamentali di ogni dispositivo elettronico di imaging, come laptop, tablet e smartphone, fotocamere e televisori LCD. La produzione dei wafer segue un procedimento complesso che comprende oltre 100 fasi di produzione e dura diverse settimane. Molti di questi passaggi sono conclusi da un processo di pulizia, decisivo per ottenere un risultato di alta qualità nelle varie fasi di lavorazione. In passato – e in parte ancora oggi – la pulizia dei wafer veniva effettuata principalmente con bagni ad ultrasuoni in acqua o con sostanze chimiche. Questo metodo, da un lato, è molto laborioso; dall’altro, il consumo elevato di acqua e lo smaltimento di numerose sostanze chimiche rappresentano fattori ambientali e di costo. Spesso, i risultati della pulizia a umido non sono perfetti, mentre la pulizia con CO₂ supercritico offre alcuni vantaggi per l’industria dei semiconduttori. «Nel wafer cleaning, il procedimento e la tecnologia impiegata sono soggetti a un continuo processo di sviluppo», spiega Joachim Bund, responsabile della divisione vendite Process Industry & Downstream presso LEWA. «Nel settore dei semiconduttori, numerosi produttori di rilievo hanno ormai adottato completamente il metodo di pulizia con CO₂ e pompe a membrana.»

Metodo di pulizia con CO₂ e pompe a membrana in ambiente di camera bianca

LEWA produce pompe dosatrici a membrana compatibili con le camere bianche, dotate di membrana in PTFE, particolarmente adatte a questa tecnologia. Affidabilità, dosaggio assolutamente pulito e privo di particelle, possibilità di pulizia in linea, alta precisione e ripetibilità dei risultati sono parametri fondamentali in questa applicazione. Una segnalazione di rottura della membrana appositamente sviluppata garantisce ulteriore sicurezza del processo. La pompa a membrana è installata in un cosiddetto «Armadio di Pulizia dei Wafer» (Wafer Cleaning Cabinet). In questo, il CO₂ liquido viene compresso con la pompa a membrana nella camera di processo fino ad almeno 75 bar, per ottenere le caratteristiche di pulizia desiderate. «In un passaggio successivo, il CO₂ viene riscaldato tramite uno scambiatore di calore a oltre 35°C», spiega Claudia Schweitzer, Product Manager di LEWA, descrivendo il procedimento. In questo stato, il CO₂ raggiunge la condizione supercritica, che, dal punto di vista fisico, rappresenta una miscela tra gas e liquido. In questa condizione, il CO₂ possiede ottime proprietà di dissoluzione contro alcune impurità come i fotoresist e gli strati metallici sovrastanti. Grazie alla viscosità molto bassa raggiunta, il SCCO₂ penetra nelle più piccole fessure e strutture del wafer. Dopo la pulizia, si effettua un risciacquo con CO₂ puro per assicurarsi che non rimangano residui sul wafer. Successivamente, la pressione nel sistema viene ridotta, causando la sublimazione del CO₂. Questo passaggio diretto allo stato gassoso permette di asciugare completamente tutti i componenti dopo la pulizia, eliminando residui e contaminanti. La pulizia con SCCO₂ è più ecologica ed economica rispetto ai metodi tradizionali.

Il calore di compressione richiede un rivestimento di raffreddamento aggiuntivo

Nel settore del trasporto di gas liquidi, LEWA vanta anni di esperienza in progetti molto diversificati. In particolare, la generazione di calore di compressione indesiderato svolge un ruolo importante nella compressione di CO₂ e altri gas. «Il raffreddamento è sempre un tema centrale nei gas liquidi, poiché durante la compressione nel gruppo pompa si genera calore», spiega Bund. «Quando il fluido si avvicina al punto di ebollizione, si rischia la formazione di vapore nel vuoto di aspirazione. Questo effetto si chiama cavitazione nel vuoto di aspirazione». Per prevenire questo processo indesiderato, LEWA equipaggia le sue pompe con un rivestimento di raffreddamento supplementare, che evita la cavitazione nel caso del CO₂. Il raffreddamento migliora anche l’efficienza idraulica della pompa.

La scelta dei materiali per le parti a contatto con il fluido viene adattata singolarmente al processo specifico. Ciò include, ad esempio, la riduzione della quantità di metalli a contatto con il fluido e requisiti particolari sulla qualità superficiale del gruppo pompa. Questi parametri e i dati sui materiali vengono personalizzati in base alle esigenze del processo. «In questo modo, possiamo configurare l’impianto più adatto a ogni compito di pulizia», riassume Bund.