Ciekły, nadkrytyczny, gazowy: Czyszczenie wafli krzemowych z nadkrytycznym dwutlenkiem węgla

Elementy elektroniczne, takie jak układy scalone (w skrócie IC), są produkowane z wafli krzemowych. Uważane są za podstawowe komponenty każdego urządzenia elektronicznego, takiego jak laptopy, tablety, smartfony, aparaty i telewizory LCD. (Źródło: LEWA GmbH) / Electronic components such as integrated circuits (ICs) are produced from silicon wafers. They are the basic components of all electronic devices, including laptops, tablets, smartphones, cameras, and LCD televisions. (Source: LEWA GmbH)

Po podgrzaniu do ponad 35°C CO₂ osiąga swój nadkrytyczny stan skupienia, co fizycznie oznacza mieszankę gazową i ciekłą. W tym stanie posiada bardzo dobre właściwości rozpuszczalnikowe wobec określonych zanieczyszczeń, takich jak fotorezysty i pokrywające je warstwy metalowe. (Źródło: LEWA GmbH) / By heating to at least 35°C CO₂ has reached its supercritical state, meaning SCCO₂ – between that of gas and liquid. In this state, it has excellent solvent properties against certain non-polar impurities such as resin and particles. (Source: LEWA GmbH)

Pompa membranowa jest zainstalowana w tak zwanej „Szafie do czyszczenia wafli”. W tym urządzeniu płynne CO₂ jest sprężane przez pompę membranową w komorze procesu do co najmniej 75 barów, aby osiągnąć odpowiednie właściwości czyszczące. (Źródło: 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)

Higiena odgrywa kluczową rolę w produkcji silikonowych wafli, aby zapewnić prawidłową przewodność i funkcję z produkowanych z nich układów scalonych (IC). W tym celu powierzchnia wafli musi zostać zredukowana do kilku nanometrów w wielu etapach pracy, a wafle muszą być czyszczone podczas procesów obróbki. Zaawansowana metoda czyszczenia z użyciem nadkrytycznego CO₂ (ang. SCCO₂) ma kilka zalet w porównaniu z wcześniej stosowaną metodą, czyli czyszczeniem w wannie ultradźwiękowej z wodą i chemikaliami, szczególnie w zakresie usuwania cząstek metalicznych. Proces ten był trudny w przypadku metod mokrych. Pompy membranowe firmy LEWA GmbH sprawdziły się doskonale w branży półprzewodnikowej do czyszczenia wafli z CO₂. W tym procesie CO₂ jest sprężany w komorze procesu w urządzeniu czyszczącym za pomocą pompy membranowej do co najmniej 75 barów, a następnie podgrzewany do ponad 35 °C. W ten sposób CO₂ przechodzi ze stanu ciekłego w nadkrytyczny (ang.: supercritical). Firma LEWA posiada niezbędną wiedzę w zakresie obsługi cieczy sprężonych i w swojej ofercie ma optymalnie dopasowaną technologię pomp, w tym serie Ecoflow oraz Triplex. Certyfikat zgodności z czystością w warunkach czystego pomieszczenia wydany przez Instytut Fraunhofera (Fraunhofer-Gesellschaft - TESTED DEVICE®) potwierdza zgodność pomp z obowiązującymi normami i wytycznymi.

Elementy elektroniczne, takie jak na przykład układy scalone (krótko IC), są produkowane z wafli silikonowych. Są to podstawowe komponenty w każdym urządzeniu elektronicznym do obrazowania, takim jak laptopy, tablety, smartfony, kamery i telewizory LCD. Produkcja wafli opiera się na skomplikowanym procesie obejmującym ponad 100 etapów produkcyjnych, trwającym kilka tygodni. Wiele z tych etapów kończy się procesem czyszczenia, który jest kluczowy dla uzyskania wysokiej jakości końcowego produktu na różnych etapach produkcji. W przeszłości – a częściowo także dzisiaj – czyszczenie wafli odbywało się głównie za pomocą ultradźwiękowych kąpieli w wodzie lub chemikaliach. Metoda ta jest z jednej strony bardzo pracochłonna, a z drugiej strony wiąże się z dużym zużyciem wody i kosztami utylizacji chemikaliów, co ma wpływ na środowisko. Często wyniki czyszczenia mokrego nie są idealne, podczas gdy czyszczenie nadkrytycznym CO₂ oferuje liczne korzyści dla przemysłu półprzewodnikowego. „Proces czyszczenia wafli, podobnie jak stosowana technologia, podlega ciągłemu rozwojowi,” wyjaśnia Joachim Bund, kierownik działu sprzedaży Process Industry & Downstream w LEWA. „W branży półprzewodnikowej jest wielu renomowanych producentów, którzy już całkowicie przeszli na metodę czyszczenia dwutlenkiem węgla z użyciem pomp membranowych.”

Metoda czyszczenia CO₂ z użyciem pomp membranowych w czystym pomieszczeniu

LEWA produkuje pompy dozujące z membranami przeznaczone do czystych pomieszczeń, wyposażone w membranę PTFE-Sandwich, które są szczególnie odpowiednie do tego procesu. Niezawodność, absolutnie czyste i wolne od cząstek dozowanie, możliwość czyszczenia inline, a także wysokie dokładności dozowania i powtarzalność wyników to kluczowe parametry w tej aplikacji. Specjalnie opracowane zabezpieczenie przed uszkodzeniem membrany zapewnia dodatkowe bezpieczeństwo procesu. Pompa membranowa jest zainstalowana w tak zwanej „Szafie do czyszczenia wafli” (Wafer Cleaning Cabinet). W tym urządzeniu płynny CO₂ jest sprężany przez pompę membranową w komorze procesu do co najmniej 75 barów, aby uzyskać odpowiednie właściwości czyszczące. „W kolejnym kroku CO₂ jest podgrzewany za pomocą wymiennika ciepła do ponad 35°C,” wyjaśnia Claudia Schweitzer, menedżer produktu w LEWA, opisującą proces. W ten sposób CO₂ osiąga stan nadkrytyczny, który fizycznie jest mieszanką gazu i cieczy. W tym stanie ma bardzo dobre właściwości rozpuszczające w stosunku do niektórych zanieczyszczeń, takich jak fotorezystory i nałożone na nie warstwy metaliczne. Ze względu na bardzo niską viskozę, SCCO₂ penetruje nawet najmniejsze szczeliny i struktury wafla. Po czyszczeniu następuje płukanie czystym CO₂, aby upewnić się, że na waflu nie pozostają żadne resztki. Następnie ciśnienie w systemie jest obniżane, co powoduje sublimację CO₂. Dzięki temu bezpośredniemu przejściu do fazy gazowej wszystkie elementy po czyszczeniu są całkowicie wysuszone i wolne od resztek i zanieczyszczeń. Czyszczenie SCCO₂ jest bardziej przyjazne dla środowiska i ekonomiczne w porównaniu z tradycyjnymi metodami czyszczenia.

Wymagana dodatkowa chłodnica przy sprężaniu

W zakresie transportu cieczy sprężonych LEWA posiada wieloletnie doświadczenie zdobyte w różnych projektach. Szczególnie istotne jest powstawanie niepożądanej energii cieplnej podczas sprężania CO₂ i innych gazów. „Chłodzenie jest zawsze kluczowym aspektem przy cieczach sprężonych, ponieważ podczas sprężania w głowicy pompy powstaje ciepło,” wyjaśnia Bund. „Gdy płyn zbliża się do punktu wrzenia, istnieje ryzyko powstania pary wciągowej. Efekt ten nazywa się kawitacją w głowicy ssącej.” Aby zapobiec temu niepożądanemu procesowi, LEWA wyposaża swoje pompy w dodatkową chłodnicę, która zapobiega kawitacji w przypadku CO₂. Chłodzenie dodatkowo poprawia sprawność hydraulicznej pompy.

Dobór materiałów do części przepływowych jest dostosowany indywidualnie do danego procesu. Obejmuje to na przykład ograniczenie udziału metali mających kontakt z płynem oraz specjalne wymagania dotyczące jakości powierzchni głowicy pompy. Te indywidualne parametry i dane materiałowe są dostosowywane do wymagań konkretnego zastosowania, w zależności od potrzeb procesu. „W ten sposób możemy skonfigurować odpowiedni układ do każdego zadania czyszczenia,” podsumowuje Bund.