超临界流体清洗设备.docx

超临界流体二氧化碳用于设备表面清洗摘要：超临界流体(Supercfitical Fluids)是一种温度和压力处 于其临界点以上的兼具液体和气体性质的流体超临界流体技术是利 用超临界流体的这种特性而发展起来的一门新兴技术超临界二氧化碳无损伤清洗设备拥有良好的温度和压力控制系 统，并配有远程智能化操作系统，是一个适合高校和科研机构的半导 体工艺平台该设备有望解决微电子行业清洗工艺中的许多难题，例 如刻蚀以及灰化后高纵深比结构清洗、刻蚀以及灰化后多孔低介电材 料清洗、清洗后干燥、半导体器件金属颗粒的清洗等，并且设备的成 本低，二氧化碳使用量少，并且可以循环使用，属于绿色无污染的新 型半导体清洗设备关键词：超临界流体；二氧化碳超临界清洗；表面张力1. 引言从目前半导体清洗工艺发展来看，传统湿法清洗已经到了清洗洁 净度的极限从一些初期试验结果来看，以超临界二氧化碳为媒体的 清洗技术是克服以上缺点的最佳途径超临界二氧化碳的表面张力很 小，黏度低，并且扩散能力和溶解能力很高，适合作为有机溶剂清洗 剂的替代品二氧化碳超流体清洗技术已在日本等国开始研究2007 年7月31日，二氧化碳超流体清洗技术被美国国家半导体发展战略定 为在2010年进入实用阶段的下一代清洗技术。

在硅片清洗和光刻版的 清洗上，都明确列出了详细的发展规划本文提出研制一台绿色二氧 化碳超临界清洗干燥设备，该设备能够进行超临界二氧化碳的清洗， 表面自由终端释放改性，同时还可以进行超临界干燥本文提出的 设备利用超临界二氧化碳来干燥释放结构层，解决了微细加工中干燥 时粘连的问题超临界状态下微细结构之间的液体变成了一种没有表 面张力的液体，此时再进行等温减压汽化就不会发生液体缓慢蒸发汽 化时因表面张力造成的粘连现象2. 超临界二氧化碳特性及与清洗技术的结合超临界流体一般指用于溶解物质的超临界状态溶剂，当该溶剂处 于气态和液态平衡时，流体密度和饱和蒸汽密度相同，气液界面消失， 该消失点称为临界点，而在临界点以上的区域称为超临界状态区域 超临界流体具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力，同时具有黏度 和表面张力低的特性很多物质都能够进入超临界状态，采用二氧化碳超流体的主要原 因是由于二氧化碳的超临界状态比较容易实现（T >31.19 oC，P >7.38 MPa），并且超临界二氧化碳没有腐蚀性，不可燃，无毒，无臭，价格 比较低，可以循环使用，不污染环境，完全具有“绿色”的特性将二氧化碳气体加温、加压至超临界点以上时，可获得超临界二 氧化碳流体，图1为二氧化碳的相态分布。

超临界二氧化碳流体既具 有气体的部分性质，又具有液体的部分性质从表1中可以看出，超 临界二氧化碳流体具有以下特点：（1）黏度极小，相当于气体的黏度， 具有良好的传递性和快速的移动能力；（2）具有较大的扩散力，是液 体扩散能力的100倍以上；（3）表面张力很小，可以进入狭缝和微槽中 进行清洗；（4）对材料表面的有机污物和一些无机污物具有较强的溶解能力一般来讲，超临界流体的密度越大，其溶解度就越大在恒 温下，超临界流体中物质的溶解度随着压力升高而增大实际应用中， 通过改变超临界二氧化碳的压力和温度达到最大溶解度的超临界状 态，使溶质与二氧化碳达到互溶的平衡状态，然后经分离装置减压后， 即可使超临界二氧化碳的密度处于与溶质不平衡的状态，溶解能力下 降，溶质与二氧化碳分离析出，所需溶质被提取出来超临界二氧化 碳的溶解对象一般限于非极性或弱极性物质，可以通过掺加极性溶剂 来改变其极性，使其对不同的溶质具有不同的溶解性能3. 超临界二氧化碳清洗设备的基本结构及原理二氧化碳超流体清洗设备是依托于传统湿法清洗技术之上的，只 是在传统清洗的最后将清洗液体用液态二氧化碳置换，然后进行超流 体干燥，它继承了传统湿法清洗技术的优点，消除了湿法最后干燥时 的致命弱点。

国外多家公司在多年前就已经开始了这方面的研究但 由于我国国情不同于国外，国外走的是大型全自动化的道路较高的 二氧化碳消耗、超高的设备运行成本迫使我们必须研制适合我国国情 的二氧化碳超流体清洗干燥设备基于以上情况的考虑设计了 一台二 氧化碳超流体清洗干燥设备，图2为二氧化碳超流体清洗干燥设备原 理图二氧化祕源示设侖内部结构图计他泵澤温禰坏 使用要用于硅片的清洗干燥；右侧为泄压室，主要用于二氧化碳与其中的图3设备图设备主要由两个高压腔室组成，如图3所示左侧为反应室，主*便界物岀口；2二氧化眯超流休清洸干燥设备原理图溶质分离该设备可用于2 in.〜4 in•硅片的清洗、干燥，如图4所硅片清洗干燥的主要过程如下：气瓶中的液体二氧化碳通过气管 先进入一个压缩泵中，经过压缩压力达到7. 4 MPa，同时有微量的助 溶剂和清洗剂通过计量泵注入到液态二氧化碳中，助溶剂的作用是把 不易溶于超临界态二氧化碳的大质量分子有机聚合物分解为易溶的 小质量分子有机聚合物，而清洗剂的作用则是把二氧化碳无法清洗的 金属、颗粒等部分溶解或从硅片上剥离然后进入加热室加热，温度 上升到32 cC，此时二氧化碳达到超临界状态。

这时开启反应室的人 口电磁阀和出VI电磁阀，通过在反应室中的导流槽对二氧化碳的路径 进行规定，以实现环流对硅片的冲洗，经过一段时间，硅片充分清洗 干净，即完成了清洗过程下面开始进行硅片的干燥停止加入助溶 剂和清洗剂，继续通人超临界二氧化碳，把带有助溶剂和清洗剂的二 氧化碳全部冲入泄压室，过0. 5 h左右关闭反应室的进口阀和出口阀， 加热反应室，开启出口电磁阀使得超临界二氧化碳在等温条件下缓慢 降压，超临界二氧化碳沿着等温线气化，这时既不会产生液态，也不 会产生气液的界面，当然也就不会产生表面张力，最后完成干燥过 程泄压室中的二氧化碳由于压力减小，因此溶解能力下降，助溶剂 和清洗剂与二氧化碳分离析出，从而实现溶剂分离而且，二氧化碳 经过降温压缩可循环使用图5和图6是二氧化碳超临界清洗技术相位 图和技术原理图淞相 升谢 超腫界图5二範化碳超临界清洗技忒稲位图＞废体物岀口1*(6二氧化碳趙临界清洗技术原理图锻洗剂助藩剂趾度控制4结论未来清洗技术的要求主要包括：可以满足集成电路对洁净表面的 要求，清洗操作简便，使用的化学溶剂种类少，清洗浓度低，使用的 清洗剂无毒无害，不污染环境，清洗的效率高，可以实现批量清洗。

超临界二氧化碳其表面张力小，扩散能力强，可以溶解有机溶剂，同 时无毒性，可以循环使用，可以满足未来清洗技术的要求随着超临 界流体技术的进一步成熟，超临界二氧化碳流体清洗和干燥的技术会 最终进入半导体生产线中本文提出的设备成本低，二氧化碳使用量 少，并且可以循环使用，可以用于微电子器件的清洗和干燥，是一种 有广泛应用前景的绿色设备参考文献：【1】田口玄一.实验设计法[M].北京：机械工业出版社，1984.【2】姚志强，王琴，钟炳.超临界流体干燥法制备MnZn铁氧体 超细粉末J].磁性材料及器件，1998, 29 (1)：【3】阎立峰，陈文明.超临界流体(SCF )技术进展J].化学通 报，1998, (4)： 10. 14。