二氧化碳的临界点位于温度31.1摄氏度压力7.38MPa处，当温度和压力同时超过这个阈值，二氧化碳进入超临界流体状态。这种状态下的物质密度接近液体而粘度和扩散系数接近气体，表面张力几乎为零，兼具气体的强渗透性和液体的溶解能力。超临界二氧化碳的密度随压力变化十分敏感，在10MPa时密度约为0.6g/cm3，在20MPa时可升至0.8g/cm3以上，这种可调的密度特性使其溶解能力可以通过压力进行精确控制。
超临界二氧化碳对有机物质的溶解能力来自其类液体的密度和溶剂化效应。光刻胶的主要成分是酚醛树脂或聚甲基丙烯酸甲酯类聚合物，超临界二氧化碳能够渗透到聚合物分子链之间，削弱分子间作用力使光刻胶溶胀直至溶解剥离。溶解过程遵循相似相溶原理，二氧化碳的四极矩使其对含羰基和酯基的聚合物有较好的亲和力。对于经过深紫外或极紫外曝光后的光刻胶，交联程度较高，通常需要添加共溶剂来增强溶解效果，共溶剂可以提高混合流体的极性和溶解参数。
颗粒去除的机理则有所不同。传统湿法清洗依靠液体的表面张力和化学腐蚀来去除颗粒，但在高深宽比结构中液体难以进入沟槽底部。超临界二氧化碳几乎没有表面张力，能够自由渗透到宽深比超过10比1的沟槽和通孔内部，通过流体的剪切力和溶解作用将颗粒带走。对于亚微米级颗粒，超临界流体的高扩散系数使其传质效率远高于液体。在三维闪存芯片的堆叠结构中，通孔深度可达数微米而宽度仅几十纳米，湿法清洗的液体根本无法到达底部，超临界清洗成为唯一可行的方案。
实际工艺参数通常设定在温度35至60摄氏度，压力10至20MPa的范围内。去除光刻胶时压力偏高，一般在15至20MPa，温度控制在40至50摄氏度。共溶剂多选用甲醇或丙酮，添加比例约为5%至10%，通过共溶剂泵精确计量注入反应腔。完整的清洗流程包括预润湿主清洗漂洗和干燥四个阶段，预润湿阶段用低压超临界二氧化碳置换腔体内空气，主清洗阶段维持高压并添加共溶剂，漂洗阶段用纯超临界二氧化碳带走溶解的残留物，干燥阶段缓慢降压使二氧化碳气化。清洗时间根据残留物厚度和类型调整，通常在5至15分钟之间。
与传统RCA湿法清洗相比，超临界二氧化碳清洗的优势集中在几个方面。整个过程不使用水，不会在晶圆表面留下水痕和颗粒沉积。RCA清洗需要使用SC-1氨水过氧化氢混合液和SC-2盐酸过氧化氢混合液，每步之后都需要大量去离子水冲洗，单片晶圆耗水量可达数升。超临界清洗后晶圆直接干燥，无需额外的旋转干燥或异丙醇干燥步骤。化学试剂用量大幅减少，仅需少量共溶剂，废液处理成本低。对于脆弱的低k介电材料和MEMS可动结构，无液体表面张力的清洗方式能有效避免结构倒塌和粘连。目前该工艺已在部分先进封装和MEMS制造中实现量产应用，在逻辑芯片的后道互连清洗中也处于逐步导入阶段。随着芯片结构日益复杂，超临界清洗的应用范围还在持续扩展。
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