Vloeibaar, overdreven kritisch, gasvormig: reiniging van siliciumwafern met superkritisch kooldioxide

Elektronische onderdelen zoals geïntegreerde schakelingen (IC's) worden vervaardigd uit siliciumwafer. Ze vormen de fundamentele componenten van alle elektronische apparaten, waaronder laptops, tablets, smartphones, camera's en LCD-televisies. (Bron: LEWA GmbH)

Door opwarmen tot meer dan 35°C bereikt het CO₂ zijn superkritische toestand, wat fysisch gezien een mengsel is van gasvormig en vloeibaar. In deze toestand bezit het zeer goede oplossende eigenschappen tegen bepaalde verontreinigingen zoals photoresists en daaroverheen liggende metalen lagen. (Bron: LEWA GmbH) / Door te verwarmen tot minstens 35°C heeft CO₂ zijn superkritische toestand bereikt, wat SCCO₂ betekent – tussen die van gas en vloeistof. In deze toestand heeft het uitstekende oplosvermogen tegen bepaalde niet-polaire verontreinigingen zoals hars en deeltjes. (Bron: LEWA GmbH)

De membraanpomp is geïnstalleerd in een zogenaamde "Wafer Cleaning Cabinet". Hier wordt het vloeibare CO₂ met de membraanpomp in de proceskamer gecomprimeerd tot minimaal 75 bar om de juiste reinigingseigenschappen te bereiken. (Bron: 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)

Netheid speelt een essentiële rol bij de productie van siliciumwafers om een goede geleidbaarheid en functionaliteit van de daarop geproduceerde geïntegreerde schakelingen (IC's) te waarborgen. Daarbij moet de oppervlakteruwheid van de wafers in meerdere bewerkingsstappen worden gereduceerd tot enkele nanometers en moeten de wafers tijdens de bewerkingsprocessen worden gereinigd. Het geavanceerde reinigingsproces met superkritisch CO₂ (Engels: SCCO₂) biedt ten opzichte van het eerder gevestigde proces, de reiniging in een ultrasone bad met water en chemicaliën, enkele voordelen, vooral wat betreft het verwijderen van metaaldeeltjes. Dit was bij natte processen moeilijk te realiseren. De membraanpompen van LEWA GmbH hebben zich in de halfgeleiderindustrie uitstekend bewezen voor de wafer-reiniging met CO₂. Hierbij wordt het CO₂ in de proceskamer van de reinigingsinstallatie met behulp van een membraanpomp gecomprimeerd tot minimaal 75 bar en vervolgens op meer dan 35 °C verwarmd. Hierdoor gaat het CO₂ over van de vloeibare naar de superkritische toestand. LEWA beschikt over de benodigde expertise in het omgaan met vloeistoffen en heeft met de membraanpompen van de series Ecoflow en Triplex de optimale pomptechniek in haar productprogramma. Het certificaat voor cleanroomgeschiktheid van de Fraunhofer-Gesellschaft (Fraunhofer IPA - TESTED DEVICE®) bevestigt dat de pompen voldoen aan erkende normen en richtlijnen voor cleanroomgebruik.

Elektronische componenten, zoals bijvoorbeeld geïntegreerde schakelingen (kortweg IC's), worden vervaardigd uit siliciumwafers. Dit zijn de fundamentele componenten in elk beeldvormend elektronisch apparaat, zoals laptops, tablets, smartphones, camera's en LCD-televisies. De productie van de wafers volgt een complex proces dat meer dan 100 productiestappen omvat en meerdere weken duurt. Veel van de afzonderlijke productiestappen worden afgesloten met een reinigingsproces dat cruciaal is voor een kwalitatief hoogstaand resultaat in de verschillende fabricagestadia. In het verleden – en soms nog steeds – werd de reiniging van de wafers hoofdzakelijk uitgevoerd met ultrasone baden in water of met chemicaliën. Dit proces is enerzijds zeer arbeidsintensief, anderzijds vormen het hoge waterverbruik en de verwijdering van een reeks chemische stoffen milieuproblemen en kostenfactoren. Vaak is het resultaat van de natte reiniging bovendien niet perfect, terwijl de reiniging met superkritisch CO₂ enkele voordelen voor de halfgeleiderindustrie biedt. "Bij wafer-reiniging ondergaat het proces, evenals de gebruikte techniek, een voortdurend ontwikkelingsproces," legt Joachim Bund uit, hoofd van de verkoopafdeling Process Industry & Downstream bij LEWA. "In de halfgeleiderindustrie zijn er talloze gerenommeerde fabrikanten die inmiddels volledig zijn overgestapt op het CO₂-reinigingsproces met membraanpompen."

CO₂-reinigingsproces met membraanpompen in de cleanroom

LEWA produceert cleanroomgeschikte membraandoseerpompen met PTFE-sandwichmembraan, die bijzonder geschikt zijn voor dit proces. Betrouwbaarheid, een volledig schone, partikelfrije dosering, de mogelijkheid tot inline-reiniging, evenals hoge doseringsnauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van de resultaten, zijn essentiële parameters bij deze toepassing. Een speciaal ontwikkelde membraanbreukmelding biedt extra procesveiligheid. De membraanpomp is geïnstalleerd in een zogenaamde 'Wafer Cleaning Cabinet'. In dit apparaat wordt het vloeibare CO₂ met de membraanpomp in de proceskamer gecomprimeerd tot minimaal 75 bar om de juiste reinigingseigenschappen te bereiken. "In een volgende stap wordt het kooldioxide via een warmtewisselaar verwarmd tot meer dan 35 °C," legt Claudia Schweitzer, productmanager bij LEWA, de procedure uit. Hierdoor bereikt het CO₂ zijn superkritische aggregatietoestand, die fysisch gezien een mengsel is van gasvormig en vloeibaar. In deze toestand heeft het zeer goede oplossende eigenschappen tegen bepaalde verontreinigingen zoals photoresists en de daarboven liggende metalen lagen. Door de daarbij verkregen zeer lage viscositeit dringt het SCCO₂ door in de kleinste spleten en structuren van de wafer. Na de reiniging wordt overgegaan tot een spoelgang met puur CO₂ om zeker te stellen dat geen resten op de wafer achterblijven. Vervolgens wordt de druk in het systeem verlaagd, waardoor het CO₂ sublimeert. Door deze directe overgang naar de gasfase worden alle componenten na de reiniging volledig gedroogd en zijn vrij van resten en verontreinigingen. De reiniging met SCCO₂ is milieuvriendelijker en kosteneffectiever dan conventionele reinigingsmethoden.

Compressiewarmte vereist extra koelmantel

Op het gebied van het transport van vloeistoffen beschikt LEWA over jarenlange uitgebreide ervaring uit zeer diverse projecten. Vooral de vorming van ongewenste compressiewarmte speelt een bijzondere rol bij de compressie van CO₂ en andere gassen. "Koeling is bij vloeistoffen altijd een centraal thema, omdat er warmte ontstaat tijdens de compressie in de pompkop," aldus Bund. "Wanneer de vloeistof de kookpunt nadert, bestaat de kans dat er damp ontstaat in de zuighub. Dit effect wordt ook wel cavitatie in de zuighub genoemd." Om dit ongewenste proces te voorkomen, voorziet LEWA haar pompen van een extra koelmantel die cavitatie bij CO₂ voorkomt. De koeling verbetert bovendien het hydraulisch rendement van de pomp.

De materiaalselectie van de vloeistofgeleide onderdelen wordt individueel afgestemd op het betreffende proces. Dit omvat bijvoorbeeld het verminderen van het aandeel metalen dat in contact komt met de vloeistof, evenals speciale eisen aan de oppervlakteruwheid van de pompkop. Deze individuele parameters en materiaaldetails worden afhankelijk van de toepassing aangepast aan de eisen van het proces. "Op deze manier kunnen wij voor elke reinigingsopdracht het juiste apparaat configureren," vat Bund samen.