用于單晶片清洗的超臨界流體

引言

使用超臨界流體去除污染物的過程，即高于其臨界溫度和壓力的類氣體物質(zhì)。超臨界流體具有類液體溶劑化特性和類氣體擴散和粘度，使其能夠快速穿透縫隙和邊界層膜，并完全去除其中包含的有機和無機污染物。此外，通過在超臨界和亞臨界值之間循環(huán)壓力，顆粒可以在脈動的膨脹階段被非常有效地排出。超臨界流體的定義可以通過查看相圖來充分理解。

二氧化碳作為清洗液：

超臨界CO被選為主要清洗液，因為其低粘度（0.05厘米泊）、高擴散率、非常低的表面張力，以及其他環(huán)境、安全和成本考慮。對于CO，臨界溫度T為31℃，臨界壓力也在實際范圍內(nèi)(Pc=73bar=1050psi)。

圖1顯示了略高于臨界溫度的等溫線的密度與壓力。密度隨著臨界點附近的壓力而顯著變化。例如，在31℃時，在環(huán)境壓力下，密度僅為0.002g/cm3，而在PC下，密度為0.468g/cm3（增加了234倍）。

高于Pc的CO2具有與有機液體相當?shù)拿芏群腿軇┗芰?。對于恒定的溫度，CO2的溶劑濃度隨壓力而變化。物理化學性質(zhì)可以在Pc以上和以下使用，即超臨界和亞臨界性質(zhì)在設計良好的清洗過程中都很重要。在這一過程中，流體在兩個壓力之間循環(huán)，如圖3所示。

圖1

晶圓清洗工藝：

最近引入了一種使用CO2的晶圓清洗系統(tǒng)。如圖4所示。晶片被裝載在清洗室的上下方塊之間。在加載期間，腔室高度約為5mm，晶片通過頂部塊中的真空夾持保持在其中。然后較低的塊被抬高，直到室被密封，此時腔室高度僅略大于晶圓厚度(1 mm)。在~800磅/平方英寸下加壓的二氧化碳然后通過位于中心的孔供應。在清洗周期中，超臨界流體由液壓機構(gòu)脈動。下腔塊實際上是薄壁不銹鋼膜，即隔膜。液壓流體壓力通過隔膜的彈性變形改變腔室高度，即超臨界流體壓力根據(jù)清潔腔室的體積而變化。壓力通常以25至50赫茲的頻率在800至1200磅/平方英寸之間循環(huán)。

不太頻繁地使用單獨的排出循環(huán)(每1到3秒)來用新鮮流體重新充滿清洗流體。排出循環(huán)是通過降低下腔室塊來實現(xiàn)的，因此在清潔腔室的外周向大氣壓力打開了一個2 pm的間隙。攜帶污染物的液體然后通過通道向外沖入排氣系統(tǒng)。然后密封被重新關(guān)閉，新鮮流體通過入口閥進入，入口閥位于晶片室的上方和下方的中心。

超臨界流體的“儲存能量”是決定清洗效果的主要因素。殘余物在膨脹過程中噴出，超臨界流體在壓縮過程中被迫進入縫隙。40秒的過程通常以這種方式去除所有污染物。然而，可以包括添加劑來改變流體的化學性質(zhì)、極性或溶劑化能力。

微觀清洗動力學：

壓縮循環(huán)混合并旋轉(zhuǎn)上部和下部清潔間隙中的流體。密度增加三倍(從0.21到0.63克/立方厘米)。清洗液滲透到分子層和微米級的設備中。大量的流體運動有助于機械擦洗、顆粒移動和有機材料的溶解。在膨脹沖程期間，CO2從超臨界流體變成亞臨界氣體。密度降低三倍，導致快速混合作用和流體從晶片表面流出。高速運動的流體迅速重新定位懸浮的顆粒和溶解的污染物。在排出步驟中，它們被補充清洗液沖出腔室。流感樣病毒在整個過程中的快速流動阻止了病毒的再傳播。

懸浮的污染物從清洗室中被重新移走，在每1到3秒鐘的排出周期中。此時，幾乎所有的流體都以橫向向外的方向從中心排出。然后密封被關(guān)閉，向上的二氧化碳被集中注入上部和下部清潔間隙，使晶片變圓。

凈化設備：

雙浮動(DF)、pulsa晶圓清洗裝置如f所示,“DF”名稱指的是t?事實，即晶圓在臨界流體中自由浮動，不接觸晶片的頂部或底部。這是通過適當控制通過下部輸入閥的流體流入來實現(xiàn)的，因此晶圓始終浮動在早期設計的緩沖墊上，只允許清洗晶圓的一側(cè)。Th?裝置是一種先進的設計，可以同時清洗晶片的兩面。下部清潔間隙非常小(< 30 pm)。結(jié)果，晶片跟隨下腔塊的往復運動。中部的液壓驅(qū)動波輪驅(qū)動下腔塊。這在上晶片清潔間隙和下晶片清潔間隙中提供了最佳的晶片清潔動作。在未加壓(800磅/平方英寸)的位置，圍繞晶片所有側(cè)面的總流體體積只有大約S cm3 (= z N h - z 20 x 20 x 0.0125厘米)。這種低清洗液要求簡化了對液體純度的控制。

流體性質(zhì)和腔室設計使得壓力從晶片的頂面到底面變化很小。在任何給定的時間，甚至在沖程期間，腔室中存在基本均勻的壓力分布。在清洗過程中，水被清洗液完全淹沒。因此，晶片不會受到清洗液推力或壓力變化的物理壓力。隔膜是設備設計的關(guān)鍵要素。隔膜需要足夠薄，以承受顯著的彈性變形，同時足夠堅固，以承受工藝要求的高操作壓力。

化學處理，如高頻蝕刻(濕法或無水法)不適合留下靜電活化的晶片表面，該表面會吸引顆粒和化學污染物。這種氧化物去除或清潔過程之后通常是進一步的清洗和鈍化晶片表面的處理。用超臨界二氧化碳清洗可以緩解靜電問題，因為晶片和清洗室金屬壁之間的流體體積已經(jīng)最小化。此外，高壓清潔劑可以包括添加劑以鈍化表面。

　　審核編輯：湯梓紅