祝福生，郭春華，夏楠君

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601）

工業(yè)泵在濕法腐蝕清洗設(shè)備中的應(yīng)用

祝福生，郭春華，夏楠君

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601）

介紹了幾種常用泵的原理及在濕法腐蝕清洗設(shè)備中的典型應(yīng)用。

泵；濕法腐蝕清洗；自動(dòng)供液系統(tǒng)

濕法腐蝕清洗設(shè)備是集成電路、LED、太陽(yáng)能、MEMS等芯片制造中必不可少的工藝設(shè)備之一，泵作為其常用的關(guān)鍵部件有著廣泛的應(yīng)用。泵是輸送液體或使液體增壓的通用機(jī)械，濕法腐蝕清洗設(shè)備中泵主要用來(lái)輸送水、酸、堿、有機(jī)等化學(xué)藥液。

隨著芯片制造特征尺寸的縮小，工藝水平的不斷提高，對(duì)晶片腐蝕的均勻性，晶片表面顆粒及金屬污染等潔凈度指標(biāo)提出了更高的要求，為之，濕法腐蝕清洗設(shè)備在采取其它措施（如晶片旋轉(zhuǎn)、抖動(dòng)、超聲清洗、兆聲清洗等）的同時(shí)，業(yè)內(nèi)普遍采用以泵為動(dòng)力源的工藝槽循環(huán)過(guò)濾方式，用以凈化槽內(nèi)藥液、均勻流場(chǎng)保證藥液濃度和溫度的均勻性，這也是泵的最典型應(yīng)用；泵的另一應(yīng)用是用于化學(xué)藥液的自動(dòng)供給及廢液的輸送。

濕法腐蝕清洗設(shè)備使用的化學(xué)藥液很多，有酸性腐蝕劑，堿性腐蝕劑以及有機(jī)腐蝕劑等，這些化學(xué)藥液通常具有較強(qiáng)的腐蝕性，特別是有機(jī)藥液還具有易燃、易爆特性，同時(shí)它們的使用溫度也不盡相同，有常溫也有高溫，依據(jù)不同使用要求，選擇相適應(yīng)的泵的類型，是保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。目前，濕法腐蝕清洗設(shè)備中常使用的泵有氣動(dòng)隔膜泵、風(fēng)囊泵、磁力泵等。

1　氣動(dòng)隔膜泵

1.1氣動(dòng)隔膜泵工作原理

氣動(dòng)隔膜泵的工作原理見(jiàn)圖1所示。壓縮空氣通過(guò)氣閥進(jìn)入中間腔體，其中有兩個(gè)導(dǎo)氣口將空氣導(dǎo)向左氣室或右氣室。泵有兩個(gè)液體腔室，兩個(gè)氣體腔室和兩個(gè)隔膜片。每一個(gè)氣室和液室被柔軟的隔膜分隔開(kāi)。在氣室中，當(dāng)氣壓作用在一個(gè)膜片的背側(cè)時(shí)，就會(huì)迫使液體腔室中的液體進(jìn)入出料口管。由于兩塊膜片被中心軸桿連接著，另一個(gè)膜片就會(huì)被拉向泵中間，這就導(dǎo)致另一邊吸料。球閥通過(guò)交替的開(kāi)關(guān)動(dòng)作來(lái)充滿腔室并阻止回流。當(dāng)中心軸桿行程結(jié)束時(shí)，空氣裝置（氣閥活塞）自動(dòng)轉(zhuǎn)換氣壓到相反側(cè)，從而改變泵的運(yùn)動(dòng)方向，使泵1:1地往復(fù)動(dòng)作。

圖1　氣動(dòng)隔膜泵工作原理示意圖

1.2氣動(dòng)隔膜泵的特點(diǎn)

氣動(dòng)隔膜泵采用壓縮空氣為動(dòng)力源，對(duì)于各種腐蝕性液體，帶顆粒的液體，高黏度、易揮發(fā)、易燃、劇毒的液體，均能可靠輸送。這種泵的主要特點(diǎn)是：具有自吸的功能，可空轉(zhuǎn)運(yùn)行；無(wú)機(jī)械密封，不會(huì)產(chǎn)生顆粒及污染；適用于中高黏度的流體；接地后不產(chǎn)生火花，工作中無(wú)熱量產(chǎn)生，可在易燃易爆的環(huán)境中使用；可通過(guò)含顆粒液體；通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣壓力和流量可調(diào)整液體輸出壓力；液體脈動(dòng)較大；成本較低。

1.3氣動(dòng)隔膜泵的應(yīng)用

氣動(dòng)隔膜泵在濕法腐蝕清洗設(shè)備中主要有以下三方面的應(yīng)用：

（1）用于超純水及化學(xué)藥液的供給。作為動(dòng)力源，與閥門、管道、流量計(jì)等組成自動(dòng)供液系統(tǒng)，用于化學(xué)液配、補(bǔ)液，通?；瘜W(xué)藥液為常溫強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)等溶液。與DI水加熱儲(chǔ)液槽、閥門、管道等組成設(shè)備熱DI水供應(yīng)系統(tǒng)，以滿足機(jī)臺(tái)對(duì)熱水的需求。

（2）廢液回收。藥液溫度不高或通過(guò)降溫槽降溫后，利用隔膜泵、閥門、管道組成廢液回收系統(tǒng)，將廢液收集至廢液桶或直接排入廠務(wù)排酸管道中。

（3）藥液循環(huán)。與循環(huán)溢流槽、閥門、管件、過(guò)濾器等組成過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)過(guò)濾，均勻流場(chǎng)。由于隔膜泵在連續(xù)不間斷工作時(shí)膜片使用壽命較短，更換膜片較頻繁，目前這種應(yīng)用方式逐漸被風(fēng)囊泵所取代。

濕法腐蝕清洗設(shè)備中氣動(dòng)隔膜泵常用的流量為20～50 L/min。根據(jù)使用的化學(xué)藥液不同，可選用泵體的材料為：不銹鋼（可用于有機(jī)溶液，濃度較低的弱堿，水等）；PP（水，使用溫度較低的酸堿液，部分有機(jī)溶液）；PVDF（溫度較高，較強(qiáng)的酸溶液，由于PVDF耐堿性相對(duì)較弱，一般不用于強(qiáng)堿溶液）。用于低溫溶液（如5℃以下）的氣動(dòng)隔膜泵，不適宜采用PP材料的隔膜泵，可選用PVDF或其他材質(zhì)泵。

氣動(dòng)隔膜泵膜片材料有：TF（特氟龍）；SP（彈性體混合物）；BN（丁腈橡膠）；VT（氟橡膠）；HY（聚醚彈性體）；彈性混合體Santoprene可替代EPDM和部分PTFE膜片，PTFE材質(zhì)的耐腐蝕性最好。表1是幾種常用膜片材料特性。在實(shí)際使用中，對(duì)于酸、堿液膜片一般選用PTFE（特氟龍）材質(zhì)；對(duì)于HCL等滲透性較強(qiáng)的溶液，由于PTFE耐滲透性差，長(zhǎng)期使用時(shí)，HCL溶液透過(guò)PTFE膜層將襯膜腐蝕，從而使整個(gè)膜片損壞，使用證明，SP材質(zhì)的膜片較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

表1　幾種膜片材料特性

2　氣動(dòng)風(fēng)囊泵

2.1氣動(dòng)風(fēng)囊泵工作原理

圖2　美國(guó)White Knight氣動(dòng)風(fēng)囊泵結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)囊泵中兩個(gè)風(fēng)囊將泵腔分為兩個(gè)工作腔，風(fēng)囊之間用連接軸連接，每個(gè)工作腔分為氣相工作腔和液相工作腔兩部分，壓縮空氣進(jìn)入泵的氣相工作腔后，壓縮風(fēng)囊變形移動(dòng)，通過(guò)換向閥控制壓縮空氣依次進(jìn)入兩個(gè)氣相工作腔工作，利用液相腔的交替吸液排液，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的輸送。與隔膜泵最大的區(qū)別是用風(fēng)囊替代了隔膜，更適用于連續(xù)不間斷運(yùn)行，輸送的液體脈動(dòng)較隔膜泵小，使用壽命長(zhǎng)。

2.2氣動(dòng)風(fēng)囊泵的特點(diǎn)

目前，濕法腐蝕清洗設(shè)備中常用的風(fēng)囊泵均為國(guó)外品牌，如美國(guó)的White Knight、日本的IWAKI、日本PILLAR、法國(guó)的FURON等等。雖然結(jié)構(gòu)形式有所不同，但原理是相同的。

氣動(dòng)風(fēng)囊泵除具有氣動(dòng)隔膜泵的主要優(yōu)點(diǎn)外，因采用全氟材料，無(wú)任何金屬，耐腐蝕性，耐高溫性更強(qiáng)，最高使用溫度可達(dá)到210℃；采用風(fēng)囊結(jié)構(gòu)使用壽命更長(zhǎng)，更適用于連續(xù)工作情況；液體脈動(dòng)較氣動(dòng)隔膜泵小，如在管路中加裝脈沖緩沖器，脈動(dòng)將會(huì)大幅度減??；在流體路徑中沒(méi)有任何葉輪部件，不會(huì)產(chǎn)生微型氣泡、粒子和離子污染，而且產(chǎn)品都是在class 100級(jí)的潔凈室內(nèi)完成測(cè)試包裝，非常適合半導(dǎo)體等潔凈度要求較高的行業(yè)使用。

2.3氣動(dòng)風(fēng)囊泵的應(yīng)用

氣動(dòng)風(fēng)囊泵在濕法腐蝕清洗設(shè)備中主要有以下應(yīng)用：

（1）藥液恒溫控制：由風(fēng)囊泵、循環(huán)溢流槽、閥門、過(guò)濾器、管件、熱交換器，制冷機(jī)或加熱器等組成溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)泵使藥液循環(huán)并在熱交換器內(nèi)進(jìn)行熱交換用以實(shí)現(xiàn)藥液的恒溫控制。工作原理見(jiàn)圖3所示。

圖3　藥液循環(huán)過(guò)濾恒溫控制示意圖

（2）藥液的循環(huán)過(guò)濾：由風(fēng)囊泵、循環(huán)溢流槽、閥門、過(guò)濾器、管件等組成藥液的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)過(guò)濾，均勻流場(chǎng)。保證工藝槽藥液

圖4　藥液循環(huán)過(guò)濾示意圖

（3）廢液回收和再利用：120℃以上強(qiáng)腐蝕性藥液（如SPM）使用后廢液如直接從工藝槽排至廢液管道，由于溫度高，將導(dǎo)致排液管道的損壞，引起安全事故，采用工藝槽內(nèi)自然冷卻的方法又耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。一般采用高溫風(fēng)囊泵將槽內(nèi)藥液輸送至降溫槽，在降溫槽內(nèi)降溫后再排入排廢管道，這種方法即節(jié)省了時(shí)間，又保證了生產(chǎn)的安全性，被業(yè)界所廣泛采用。

濕法腐蝕清洗設(shè)備中經(jīng)常配置多個(gè)功能相同的工藝槽體（如有機(jī)去膠槽），工藝流程為晶圓片依次通過(guò)各工藝槽進(jìn)行相同工藝處理，先處理的工藝槽藥液較臟，后處理的較干凈，為了節(jié)省藥液，降低生產(chǎn)使用成本，換液時(shí)，一般將前槽較臟的藥液排掉，利用風(fēng)囊泵和過(guò)濾器將后槽的藥液輸送到前槽再利用，最后將新藥液注入到后槽使用。

氣動(dòng)風(fēng)囊泵一般有普通系列和高溫系列之分，泵的風(fēng)囊及接液部分均為PTFE或PFA材質(zhì)。普通系列的一般工作溫度在100℃以內(nèi)，高溫系列使用溫度介于100℃和200℃之間，隨著使用溫度的提高，泵的耐壓下降，供氣壓力和出液壓力都相應(yīng)降低。常用的流量為20～50 L/min。雙150 mm（6英寸）以下標(biāo)準(zhǔn)工藝槽，用于化學(xué)液循環(huán)（包括帶制冷功能），一般采用最大流量為20 L/min的風(fēng)囊泵。雙150 mm以下標(biāo)準(zhǔn)槽，當(dāng)對(duì)流量有一定要求時(shí)，如刻蝕槽，使用最大流量為40 L/min或更大流量的風(fēng)囊泵，以保證刻蝕速率。

3　磁力泵

3.1磁力泵的原理及特點(diǎn)

磁力泵主要由泵頭、磁力驅(qū)動(dòng)裝置和其它零部件共三部分組成。泵頭部分主要由葉輪、泵體、軸承、軸套、泵蓋、泵軸等零件組成；磁力驅(qū)動(dòng)裝置部分主要由內(nèi)磁轉(zhuǎn)子、外磁轉(zhuǎn)子、隔離套等部件組成；其它零部件主要包括托架、底座、電機(jī)等。磁力泵的工作原理是：當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)能穿透空氣隙和非磁性物質(zhì)，帶動(dòng)與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子作同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的無(wú)接觸傳遞，將動(dòng)密封轉(zhuǎn)化為靜密封，達(dá)到輸送液體的目的。

磁力的特點(diǎn)：泵軸由動(dòng)密封變成封閉式靜密封，徹底避免了介質(zhì)泄漏。無(wú)需獨(dú)立潤(rùn)滑和冷卻水，降低了能耗。過(guò)載時(shí)，內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子相對(duì)滑脫，對(duì)電機(jī)、泵有保護(hù)作用。不允許有鐵磁雜質(zhì)、顆粒進(jìn)入磁力傳動(dòng)器和軸承摩擦副；輸送易結(jié)晶或沉淀的介質(zhì)后要及時(shí)沖洗，以保障滑動(dòng)軸承的使用壽命；輸送含有固體顆粒的介質(zhì)時(shí)，應(yīng)在泵流管入口處過(guò)濾；在規(guī)定溫度條件下運(yùn)行，嚴(yán)禁介質(zhì)溫度超標(biāo)，一般最高使用溫度在100℃以內(nèi)，防止退磁。嚴(yán)禁空轉(zhuǎn)；在出口閥關(guān)閉的情況下，泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不得超過(guò)2 min，以防磁力傳動(dòng)器過(guò)熱而失效。

3.2磁力泵的應(yīng)用

磁力泵在濕法腐蝕清洗設(shè)備中主要有以下應(yīng)用：

（1）藥液的循環(huán)過(guò)濾：由磁力泵、循環(huán)溢流槽、過(guò)濾器、管件等組成藥液的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)過(guò)濾，保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。由于磁力泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)引起藥液一定溫升，因此不適用于溫控精度較高的工藝槽中。常應(yīng)用于太陽(yáng)能電池片酸洗、制絨、清洗等設(shè)備中。

（2）熱水注入與噴淋：經(jīng)過(guò)化學(xué)液處理后的晶片，有時(shí)需要熱DI水噴淋沖洗。一般先將DI水注入至預(yù)熱槽，通過(guò)加熱器加熱到所需供液溫度后，再通過(guò)磁力泵加壓輸送至噴淋裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片的清洗。由于磁力泵軸承滑動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生顆粒，不適用于顆粒要求高的清洗。

目前經(jīng)常使用的磁力泵泵體材料主要有：PP、PVDF、ETFE三種。根據(jù)不同的溶液選擇相適應(yīng)的泵體材料、軸承材料以及密封圈材料。PP、PVDF、ETFE三種塑料泵體材質(zhì)的磁力泵最高使用溫度為80℃，特殊型號(hào)最高使用溫度為100℃（臺(tái)灣ASSOMA AMXI系列）。介質(zhì)的黏度對(duì)泵的性能影響很大，當(dāng)黏度增加時(shí)，泵的揚(yáng)程曲線下降，最佳工況的揚(yáng)程和流量均隨之下降，而功率則隨之上升，因而效率降低。對(duì)于黏度較大的介質(zhì)，較小揚(yáng)程的磁力泵可能無(wú)法工作。用于噴淋沖洗的磁力泵，在滿足流量要求的前提下，選用揚(yáng)程在20 m以上的能達(dá)到較佳的清洗效果。

4　結(jié)束語(yǔ)

近幾年來(lái)，工業(yè)泵在性能及使用壽命等方面都有了較大的提高。隨著技術(shù)的發(fā)展，高性能泵的不斷出現(xiàn)，工業(yè)泵在濕法腐蝕清洗設(shè)備中必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］范德明.工業(yè)泵選用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］美國(guó)White Knight公司產(chǎn)品樣本［Z］.2013.

Application of Supply Pump in Wet Etching Cleaning Equipment

ZHU Fusheng，GUO chunhua，XIA nanjun
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China）

The principle of several common pump and it's typical application in wet etching cleaning equipment was introduced in this paper.

Pump；Wet etching cleaning；Automatic liquid supply system

TN305

B

1004-4507（2016）01-0043-04

2015-11-27