張 潤，張 峰，王 玉，郭帝江

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于濕法清洗設(shè)備自動供液系統(tǒng)的研究

張 潤，張 峰，王 玉，郭帝江

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

濕法清洗設(shè)備是半導(dǎo)體清洗行業(yè)中最普遍的設(shè)備，其電氣控制方式受環(huán)境因素影響有其特殊性和專業(yè)性，清洗設(shè)備中的電氣控制需要配合其清洗的特殊工藝而實(shí)現(xiàn)。同時(shí)清洗工藝過程具有強(qiáng)腐蝕性，也應(yīng)該考慮電氣設(shè)備的安全耐腐蝕防護(hù)。

自動供液；計(jì)量泵；流量計(jì)

1 概述

常見的濕法清洗設(shè)備中用到的化學(xué)試劑大多為：99%的濃硫酸、H3PO4、HF、KOH、HCl等強(qiáng)腐蝕性溶液。以往清洗設(shè)備中所需的化學(xué)溶液均采用人工手動添加的方式，人工手動添加對設(shè)備操作人員存在一定的安全隱患，另外受人為因素影響，每次溶液的配置精度均不相同。故目前很多RCA清洗設(shè)備采用計(jì)量泵自動供液的方式來添加溶液[1]，既解決了之前存在的一些問題，同時(shí)也大大的提高了清洗設(shè)備對自動化程度的要求。

2 自動供液系統(tǒng)

隨著清洗工藝要求的不斷提高，對計(jì)量泵的計(jì)量精度、自動化程度等都提出了較高的要求，頻率調(diào)節(jié)是計(jì)量泵控制器計(jì)量的重要方式。本文要介紹的自動供液方式是基于計(jì)量泵來實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)增加了自循環(huán)和除泡的功能，大大的提高了系統(tǒng)的供液精度。

2.1 傳統(tǒng)自動供酸系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)供酸系統(tǒng)由供液柜、供液源、傳輸系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)等組成[2]。供酸原理如圖1所示。

圖1 強(qiáng)酸化學(xué)供液系統(tǒng)原理圖

2.2 改進(jìn)后自動供液系統(tǒng)組成

計(jì)量泵作為流體精密計(jì)量的理想設(shè)備，在化學(xué)工藝過程中承擔(dān)著強(qiáng)毒害性、腐蝕性、高壓介質(zhì)和高粘性的計(jì)量添加任務(wù)。并且廣泛應(yīng)用于制藥行業(yè)、食品飲料以及石油化工行業(yè)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域之中。

計(jì)量泵的過流端材質(zhì)是根據(jù)添加溶液的化學(xué)性質(zhì)來選型的，常見的清洗設(shè)備中計(jì)量泵的材質(zhì)是PVDF的泵頭和膜片。

本文介紹的自動供液系統(tǒng)在傳統(tǒng)的供液系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自循環(huán)和除泡裝置。現(xiàn)供液系統(tǒng)包含：供液源、供液泵、過濾器、自循環(huán)、除泡器、供液管道等。圖2為自動供液示意圖。

圖2 自動供液示意圖

2.3 自動供液系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)使用一種化學(xué)溶液，配備2只供液桶(1#和2#供液桶)一備一用，可以實(shí)現(xiàn)不間斷供液。假設(shè)1#桶為主供液桶，2#桶為備用供液桶。自循環(huán)流程為：1#桶→1#閥→2#閥→計(jì)量泵→3#閥→4#閥→1#桶；除泡流程為：1#桶→2#閥→計(jì)量泵→3#閥→除泡器→10#閥→5#閥→1#桶；自動添加流程為：1#桶→2#閥→計(jì)量泵→3#閥→除泡器→9#閥→11#閥→BOE實(shí)驗(yàn)槽。當(dāng)1#桶內(nèi)無溶液時(shí)，可以按圖2中切換按鈕，手動切換到2#桶繼續(xù)供液。

8月28日，湖北省發(fā)改委已正式同意“東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司在武漢市建設(shè)乘用車擴(kuò)建項(xiàng)目”，據(jù)了解，該項(xiàng)目將用于提升東風(fēng)日產(chǎn)的在華產(chǎn)能，但是具體運(yùn)營模式仍處在內(nèi)部探討階段。新工廠位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)鳳凰工業(yè)園，分兩期建設(shè)，年產(chǎn)能30萬輛，能夠生產(chǎn)包括乘用車（含傳統(tǒng)燃油車和純電動車型）及其他類乘用車（含傳統(tǒng)燃油車和混合動力車型），建設(shè)期為2019年1月至2022年12月。該項(xiàng)目總投資為98.51億元，其中東風(fēng)公司持有66.86%的股份。

每個供液桶都配有液位傳感器，傳感器可檢測到桶內(nèi)液位情況，由計(jì)量泵自動進(jìn)行供液，空桶時(shí)系統(tǒng)會在上位機(jī)中提示報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)補(bǔ)液。原液在添加時(shí)桶內(nèi)充一定壓力的氮?dú)?，?jīng)過氣動隔膜泵傳輸，泵和氣動隔膜閥的切換，最終經(jīng)過流量開關(guān)進(jìn)入混合配液槽。供液管路在隔膜泵下側(cè)均設(shè)有流量傳感器，當(dāng)運(yùn)行時(shí)，流量傳感器未檢測到液體流過將自動關(guān)閉，并發(fā)出報(bào)警信號。

3 計(jì)量泵的控制

計(jì)量泵流量計(jì)量的控制主要通過沖程長度和頻率兩個因素來實(shí)現(xiàn)，而目前計(jì)量泵流量控制的主要方式是頻率調(diào)節(jié)。濕法清洗設(shè)備的自動供液系統(tǒng)對于計(jì)量泵的計(jì)量精度有較高的要求，所以采用合理的控制方式來精確的衡量計(jì)量泵的吐出量與沖程長度和頻率的關(guān)系，是自動供液系統(tǒng)的主要工作。

當(dāng)計(jì)量泵的控制器接收到單片機(jī)或PLC輸出的脈沖信號時(shí)，計(jì)量泵的控制器通過計(jì)數(shù)控制的方法，按照乘法運(yùn)算法則響應(yīng)外部脈沖信號，即輸入一個外部脈沖信號，計(jì)量泵動作n次。一般計(jì)量泵的脈沖控制存儲器有脈沖的最大存儲數(shù)，所以在設(shè)定響應(yīng)外部脈沖信號的泵動作時(shí)，需要考慮最大添加量[3]。

圖3 外部脈沖信號控制泵的動作

采用計(jì)數(shù)控制方法時(shí)，計(jì)量泵的沖程頻率默認(rèn)為最大，那么決定計(jì)量泵的添加量的因素是輸出脈沖數(shù)以及沖程長度。首先需要計(jì)算出單位脈沖計(jì)量泵的添加量。通過多次添加的方式，用標(biāo)準(zhǔn)筒來測量添加量，計(jì)量泵每次添加的總量等于單位添加量的整數(shù)倍，通過輸出脈沖到計(jì)量泵對溶液進(jìn)行添加。

為使系統(tǒng)添加精度更加準(zhǔn)確，供液系統(tǒng)應(yīng)該增加一個中間緩沖罐，同時(shí)配有液位傳感器，當(dāng)液位過低時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示不能添加溶液，并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)液。

計(jì)量泵的計(jì)量精度除了受沖程和頻率兩個因素影響之外，出液口的壓力也是一個不可忽略的因素，故為了更加精確的衡量計(jì)量精度，一般在出液口的管道處安裝背壓閥和止回閥。

4 計(jì)量泵實(shí)際流量的測定

計(jì)量泵的計(jì)量精度在溶液添加過程中存在一定的誤差，其中實(shí)際添加的流量可以通過以下方法進(jìn)行測定：

1) 定容法：定容法是將計(jì)量泵泵出的溶液注入到已知容積的容器中，同時(shí)監(jiān)測計(jì)量泵的轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)量泵的流量可以通過以下公式計(jì)算得出：

式中：Q為計(jì)量泵流暈，cm3/r；V為容器的容積，cm3；n為計(jì)量泵的轉(zhuǎn)數(shù)，r。

2) 直接法：

式中：Q為計(jì)量泵流量，cm3/r；q為流量傳感器測得的流量，cm3/min；w為計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

5 自動供液精度對比

增加了自循環(huán)和除泡功能的自動供液系統(tǒng)相比較于單純通過管道直接添加溶液的系統(tǒng)，供液精度有了很大的提高。見表1所示。

表1 供液精度對比

添加相同容積液體情況下，增加了自循環(huán)和除泡功能系統(tǒng)的供液精度比傳統(tǒng)自動供液系統(tǒng)的供液精度提高了近10%。

6 總結(jié)

以計(jì)量泵為基礎(chǔ)，增加了自循環(huán)和除泡功能的自動供液系統(tǒng)，具備較高的自動化程度，在實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)溶液的自動定量添加，計(jì)量誤差較小，并且可以避免由于人為誤操作或疏忽而導(dǎo)致的安全事故發(fā)生。

[1] 傅鵬，廖富迎.過氧乙酸自動添加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].研制與開發(fā),2011,17(6):32-24.

[2] 祝福生.LED濕法清洗設(shè)備CDS設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2013(6):43-45.

[3] 鄧鴻英，張生昌，牟介剛，等.基于單片機(jī)的計(jì)量泵流量控制器[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2009(3):51-53.

Automatic Chemical Acid Supply System Based on Meter Pump

Zhang Run, Zhang Feng, Wang Yu, Guo Dijiang

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Water wet cleaning equipment is the most common and necessary equipment in the semiconductor industry. Its electrical control parts have its particularity and specialization because of the influence of environmental factors. The electrical control in the cleaning equipment needs to be matched with the special process of cleaning. At the same time, for it has strong corrosivity in cleaning, the durability corrosion protection should also be considered for the safety of the electrical equipment.

automatic liquid replenishment; metering pump; flowmeter

2016-10-12

張 潤(1987- )，女，山西懷仁人，助理工程師，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體清洗設(shè)備的研發(fā)。

1674- 4578(2016)06- 0080- 02

TP29

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