在芯片清洗行业中，CDA 是 Compressed Dry Air（压缩干燥空气） 或 Clean Dry Air（洁净干燥空气） 的缩写，指经过多级处理后达到无油、无尘、无水标准的高纯度压缩空气。其核心作用是为清洗设备提供动力气源、吹扫残留颗粒，并确保工艺环境的洁净度，直接影响晶圆良率与设备稳定性。以下从定义、工艺应用、制备流程、行业标准及与其他气体的差异展开详细分析：

一、CDA的核心定义与特性

1. 气体标准与物理特性

  • 纯度要求：需符合 ISO 8573-1:2010 Class 0 标准，即：
    • 颗粒：≤0.1 μm（计数浓度≤0.1个/m³）；
    • 水分：压力露点≤-70℃（相当于湿度≤0.01 ppm）；
    • 油分：≤0.01 mg/m³（近乎零残留）。
  • 物理特性：
    • 干燥性：通过吸附式干燥机去除水分，避免晶圆表面水痕或设备腐蚀；
    • 洁净性：经HEPA/ULPA过滤器过滤，颗粒清除率达99.999%（0.1 μm以上颗粒）；
    • 稳定性：压力通常为 8.5-10 bar，波动范围≤±0.1 bar，确保气动设备精准控制。

2. 与其他气体的本质区别

气体类型 核心用途 纯度要求 成本 典型场景
CDA 设备动力、吹扫、颗粒清除 ISO 8573-1 Class 0 低（空气为原料） 气动阀门驱动、腔室清洁
N₂ 干燥、氛围保护、防氧化 5N-6N（99.999%-99.9999%） 中高 晶圆干燥、金属层制程保护
DIW 化学清洗、冲洗 电阻率≥18.2 MΩ·cm 中 光刻胶剥离、金属离子去除

二、CDA在芯片清洗中的四大核心应用场景

1. 设备动力气源

  • 气动控制：
    • 驱动清洗机的阀门、机械臂、旋转卡盘等精密部件，例如：
    • 单片清洗机的药液喷淋臂需CDA压力稳定在 8.5 bar，确保流量误差＜±1%；
    • 晶圆传输系统的气浮吸附装置依赖CDA形成稳定气流，避免机械接触划伤晶圆。
  • 压力平衡：
    • 在 RCA清洗槽 中，CDA用于维持槽内压力平衡，防止药液飞溅或晶圆漂浮。

2. 晶圆表面吹扫与颗粒清除

  • 工艺节点：
    • 清洗后过渡阶段：DIW冲洗后，使用CDA吹扫晶圆表面，去除附着的水滴或微量药液（如SC-1/SC-2残留），为后续干燥“减负”；
    • 刻蚀后清洁：刻蚀腔室残留的聚合物颗粒（如AlCl₃）需CDA吹扫，避免二次污染。
  • 技术细节：
    • 喷嘴设计：采用环形多孔喷嘴（孔径0.5-1 mm），气流覆盖晶圆边缘至中心，吹扫压力控制在 0.2-0.3 MPa，避免冲击损伤纳米结构；
    • 颗粒清除效率：可将晶圆表面 ≥0.1 μm 颗粒残留量控制在 ＜5颗/cm²（满足EUV光刻要求）。

3. 设备腔室与管道清洁

  • 腔体吹扫：
    • 清洗机或刻蚀机在更换药液（如从酸性液切换为碱性液）前，需用CDA吹扫腔室 5-10分钟，流量 10-20 L/min，清除残留药液蒸汽（如NH₃、HF）；
    • 对 TSV通孔 或 3D IC深腔，采用脉冲式吹扫（通断比1:1，频率10 Hz），确保孔内颗粒完全排出。
  • 管道置换：
    • 输送高纯度气体（如NH₃、SiH₄）的管道，在切换气体前需用CDA置换 3-5次，避免气体混合反应生成杂质（如NH₃与O₂生成NOx）。

4. 辅助干燥与热管理

  • 辅助干燥：
    • 在 旋干机（Spin Dryer） 中，CDA与氮气（N₂）混合使用，可降低氮气消耗量 30%，同时维持干燥效果（水痕残留＜0.1%）；
    • 对 化合物半导体（如GaN），CDA用于干燥后快速降温，避免高温导致材料性能退化。
  • 设备冷却：
    • 部分清洗机的真空泵或激光传感器需CDA冷却，确保长期运行稳定性（温度波动≤±2℃）。

三、CDA的制备流程与关键设备

1. 多级处理工艺

  1. 空气压缩：
    • 采用无油螺杆压缩机或离心式压缩机，将大气压缩至 10-12 bar，避免润滑油污染。
  2. 初级冷却与除水：
    • 通过后冷却器将压缩空气温度降至 40-50℃，使水分冷凝；
    • 经气水分离器分离液态水，去除 90%以上水分。
  3. 深度干燥：
    • 吸附式干燥机（双塔结构）：
      • 吸附塔A：活性氧化铝/分子筛吸附水分，出口露点≤-70℃；
      • 再生塔B：加热至 150-200℃ 解析水分，通过CDA反吹排出。
    • 冷冻式干燥机（辅助）：
      • 适用于对露点要求较低的场景（如-20℃），通过制冷剂（如R404A）降温除水。
  4. 精密过滤：
    • 前置过滤器：去除 ≥1 μm 颗粒及油雾；
    • 活性炭过滤器：吸附残留油蒸气（浓度≤0.01 mg/m³）；
    • 终端过滤器：采用PTFE膜过滤器，截留 ≥0.01 μm 颗粒（效率99.999%）。
  5. 压力调节：
    • 通过精密减压阀将压力稳定在 8.5 bar，并配备储气罐（容量≥30分钟用量），应对瞬时用气高峰。

2. 关键设备选型

  • 压缩机：
    • 推荐品牌：Atlas Copco（无油螺杆机）、Hitachi（离心式）；
    • 功率计算：根据用气设备总耗气量（如 200 Nm³/h）选择机型，预留 20%冗余。
  • 干燥机：
    • 吸附式干燥机再生能耗占系统总能耗 15-20%，需通过余热回收或智能时序控制优化；
    • 典型型号：Parker Hannifin的HAD系列（处理量 50-5000 Nm³/h）。
  • 过滤器：
    • 滤芯更换周期：前置过滤器 3-6个月，终端过滤器 12-24个月，需通过压差传感器实时监测堵塞情况。

四、行业标准与安全要求

1. 国际与行业规范

  • ISO 8573-1:2010：定义了CDA的颗粒、水分、油分等级，Class 0为最高标准；
  • SEMI F21-0701：规定半导体级气体的纯度与检测方法，CDA需符合G3.5级（杂质总量≤0.1 ppm）；
  • SEMI S2-0706：要求CDA系统的颗粒释放量≤0.1个/m³（测试条件：ISO 14644-1 Class 5洁净室）。

2. 安全与环保要求

  • 窒息风险：
    • 压缩空气储罐需配备安全阀（开启压力 11 bar），并在车间安装氧气浓度报警器（阈值19.5%）；
    • 操作人员进入CDA管道井前，需用便携式测氧仪确认氧气含量≥20%。
  • 噪声控制：
    • 压缩机房需安装隔音罩，确保噪声≤85 dB（A），符合OSHA职业暴露限值。
  • 废液处理：
    • 干燥机再生排出的废气需通过活性炭吸附箱处理，去除微量油蒸气后排放；
    • 气水分离器排出的冷凝水需检测pH值（通常为6-8），达标后方可排入废水系统。

五、典型应用案例与技术趋势

1. 先进制程中的CDA优化

  • 7nm以下逻辑芯片：
    • 采用超洁净CDA系统（颗粒≤0.01 μm），配合晶圆边缘吹扫（Edge Bead Removal, EBR），可将光刻胶边缘残留量从 50 nm 降至 10 nm 以下。
  • 3D NAND存储芯片：
    • 在TSV通孔干燥中，CDA与兆声波（Megasonic）结合，可清除孔内 ≥0.05 μm 颗粒，提升存储单元可靠性。

2. 降本增效技术

  • 氮气-空气混合干燥：
    • 在非关键干燥步骤（如蓝宝石衬底清洗），将氮气与CDA按 1:3比例 混合，可降低气体成本 40%，同时满足干燥要求。
  • CDA余热回收：
    • 利用吸附式干燥机再生阶段的废热（150℃）预热 incoming air，降低加热能耗 25%。

六、与其他气体的协同与冲突

1. 与氮气（N₂）的协同

  • 混合干燥：
    • 在旋干机中，CDA（占比70%）与氮气（30%）混合，既保证干燥效率，又减少氮气消耗；
    • 混合气体纯度需维持 N₂≥99.99%，避免氧气含量超标（≤10 ppm）。

2. 与化学品的冲突风险

  • 酸性/碱性药液：
    • CDA管道需避免与HF、NH₃等腐蚀性气体接触，否则需采用PFA涂层或石英材质，防止管道腐蚀产生颗粒。
  • 光刻胶剥离液：
    • 含肼（N₂H₄）的溶液与CDA接触可能引发氧化反应，需在设备中集成惰性气体隔离阀，防止交叉污染。

总结

CDA 是芯片清洗行业的“隐形支柱”——从设备动力到颗粒清除，从干燥辅助到工艺保护，其质量直接影响晶圆良率与设备寿命。随着制程向3nm及以下演进，CDA的超洁净（0.01 μm颗粒控制）、超低露点（-90℃） 及智能化能耗管理将成为技术发展的核心方向。未来，CDA系统可能与物联网（IoT） 结合，通过实时监测（如颗粒计数器、露点传感器）与AI算法优化，实现“预测性维护”与工艺参数动态调整，进一步提升半导体制造的效率与可靠性。