工业泵在湿法腐蚀清洗设备中的应用

2016-10-28祝福生郭春华夏楠君

电子工业专用设备 2016年1期

关键词：隔膜泵膜片湿法

祝福生，郭春华，夏楠君

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601）

工业泵在湿法腐蚀清洗设备中的应用

祝福生，郭春华，夏楠君

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601）

介绍了几种常用泵的原理及在湿法腐蚀清洗设备中的典型应用。

泵；湿法腐蚀清洗；自动供液系统

湿法腐蚀清洗设备是集成电路、LED、太阳能、MEMS等芯片制造中必不可少的工艺设备之一，泵作为其常用的关键部件有着广泛的应用。泵是输送液体或使液体增压的通用机械，湿法腐蚀清洗设备中泵主要用来输送水、酸、碱、有机等化学药液。

随着芯片制造特征尺寸的缩小，工艺水平的不断提高，对晶片腐蚀的均匀性，晶片表面颗粒及金属污染等洁净度指标提出了更高的要求，为之，湿法腐蚀清洗设备在采取其它措施（如晶片旋转、抖动、超声清洗、兆声清洗等）的同时，业内普遍采用以泵为动力源的工艺槽循环过滤方式，用以净化槽内药液、均匀流场保证药液浓度和温度的均匀性，这也是泵的最典型应用；泵的另一应用是用于化学药液的自动供给及废液的输送。

湿法腐蚀清洗设备使用的化学药液很多，有酸性腐蚀剂，碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等，这些化学药液通常具有较强的腐蚀性，特别是有机药液还具有易燃、易爆特性，同时它们的使用温度也不尽相同，有常温也有高温，依据不同使用要求，选择相适应的泵的类型，是保证设备稳定运行的重要因素。目前，湿法腐蚀清洗设备中常使用的泵有气动隔膜泵、风囊泵、磁力泵等。

1　气动隔膜泵

1.1气动隔膜泵工作原理

气动隔膜泵的工作原理见图1所示。压缩空气通过气阀进入中间腔体，其中有两个导气口将空气导向左气室或右气室。泵有两个液体腔室，两个气体腔室和两个隔膜片。每一个气室和液室被柔软的隔膜分隔开。在气室中，当气压作用在一个膜片的背侧时，就会迫使液体腔室中的液体进入出料口管。由于两块膜片被中心轴杆连接着，另一个膜片就会被拉向泵中间，这就导致另一边吸料。球阀通过交替的开关动作来充满腔室并阻止回流。当中心轴杆行程结束时，空气装置（气阀活塞）自动转换气压到相反侧，从而改变泵的运动方向，使泵1:1地往复动作。

图1　气动隔膜泵工作原理示意图

1.2气动隔膜泵的特点

气动隔膜泵采用压缩空气为动力源，对于各种腐蚀性液体，带颗粒的液体，高黏度、易挥发、易燃、剧毒的液体，均能可靠输送。这种泵的主要特点是：具有自吸的功能，可空转运行；无机械密封，不会产生颗粒及污染；适用于中高黏度的流体；接地后不产生火花，工作中无热量产生，可在易燃易爆的环境中使用；可通过含颗粒液体；通过调整进气压力和流量可调整液体输出压力；液体脉动较大；成本较低。

1.3气动隔膜泵的应用

气动隔膜泵在湿法腐蚀清洗设备中主要有以下三方面的应用：

（1）用于超纯水及化学药液的供给。作为动力源，与阀门、管道、流量计等组成自动供液系统，用于化学液配、补液，通常化学药液为常温强酸、强碱、有机等溶液。与DI水加热储液槽、阀门、管道等组成设备热DI水供应系统，以满足机台对热水的需求。

（2）废液回收。药液温度不高或通过降温槽降温后，利用隔膜泵、阀门、管道组成废液回收系统，将废液收集至废液桶或直接排入厂务排酸管道中。

（3）药液循环。与循环溢流槽、阀门、管件、过滤器等组成过滤循环系统，实现药液的循环过滤，均匀流场。由于隔膜泵在连续不间断工作时膜片使用寿命较短，更换膜片较频繁，目前这种应用方式逐渐被风囊泵所取代。

湿法腐蚀清洗设备中气动隔膜泵常用的流量为20～50 L/min。根据使用的化学药液不同，可选用泵体的材料为：不锈钢（可用于有机溶液，浓度较低的弱碱，水等）；PP（水，使用温度较低的酸碱液，部分有机溶液）；PVDF（温度较高，较强的酸溶液，由于PVDF耐碱性相对较弱，一般不用于强碱溶液）。用于低温溶液（如5℃以下）的气动隔膜泵，不适宜采用PP材料的隔膜泵，可选用PVDF或其他材质泵。

气动隔膜泵膜片材料有：TF（特氟龙）；SP（弹性体混合物）；BN（丁腈橡胶）；VT（氟橡胶）；HY（聚醚弹性体）；弹性混合体Santoprene可替代EPDM和部分PTFE膜片，PTFE材质的耐腐蚀性最好。表1是几种常用膜片材料特性。在实际使用中，对于酸、碱液膜片一般选用PTFE（特氟龙）材质；对于HCL等渗透性较强的溶液，由于PTFE耐渗透性差，长期使用时，HCL溶液透过PTFE膜层将衬膜腐蚀，从而使整个膜片损坏，使用证明，SP材质的膜片较好地解决了这个问题。

表1　几种膜片材料特性

2　气动风囊泵

2.1气动风囊泵工作原理

图2　美国White Knight气动风囊泵结构图

风囊泵中两个风囊将泵腔分为两个工作腔，风囊之间用连接轴连接，每个工作腔分为气相工作腔和液相工作腔两部分，压缩空气进入泵的气相工作腔后，压缩风囊变形移动，通过换向阀控制压缩空气依次进入两个气相工作腔工作，利用液相腔的交替吸液排液，实现对液体的输送。与隔膜泵最大的区别是用风囊替代了隔膜，更适用于连续不间断运行，输送的液体脉动较隔膜泵小，使用寿命长。

2.2气动风囊泵的特点

目前，湿法腐蚀清洗设备中常用的风囊泵均为国外品牌，如美国的White Knight、日本的IWAKI、日本PILLAR、法国的FURON等等。虽然结构形式有所不同，但原理是相同的。

气动风囊泵除具有气动隔膜泵的主要优点外，因采用全氟材料，无任何金属，耐腐蚀性，耐高温性更强，最高使用温度可达到210℃；采用风囊结构使用寿命更长，更适用于连续工作情况；液体脉动较气动隔膜泵小，如在管路中加装脉冲缓冲器，脉动将会大幅度减小；在流体路径中没有任何叶轮部件，不会产生微型气泡、粒子和离子污染，而且产品都是在class 100级的洁净室内完成测试包装，非常适合半导体等洁净度要求较高的行业使用。

2.3气动风囊泵的应用

气动风囊泵在湿法腐蚀清洗设备中主要有以下应用：

（1）药液恒温控制：由风囊泵、循环溢流槽、阀门、过滤器、管件、热交换器，制冷机或加热器等组成温度控制系统。通过泵使药液循环并在热交换器内进行热交换用以实现药液的恒温控制。工作原理见图3所示。

图3　药液循环过滤恒温控制示意图

（2）药液的循环过滤：由风囊泵、循环溢流槽、阀门、过滤器、管件等组成药液的循环过滤系统。实现药液的循环过滤，均匀流场。保证工艺槽药液

图4　药液循环过滤示意图

（3）废液回收和再利用：120℃以上强腐蚀性药液（如SPM）使用后废液如直接从工艺槽排至废液管道，由于温度高，将导致排液管道的损坏，引起安全事故，采用工艺槽内自然冷却的方法又耗时过长，影响生产效率。一般采用高温风囊泵将槽内药液输送至降温槽，在降温槽内降温后再排入排废管道，这种方法即节省了时间，又保证了生产的安全性，被业界所广泛采用。

湿法腐蚀清洗设备中经常配置多个功能相同的工艺槽体（如有机去胶槽），工艺流程为晶圆片依次通过各工艺槽进行相同工艺处理，先处理的工艺槽药液较脏，后处理的较干净，为了节省药液，降低生产使用成本，换液时，一般将前槽较脏的药液排掉，利用风囊泵和过滤器将后槽的药液输送到前槽再利用，最后将新药液注入到后槽使用。

气动风囊泵一般有普通系列和高温系列之分，泵的风囊及接液部分均为PTFE或PFA材质。普通系列的一般工作温度在100℃以内，高温系列使用温度介于100℃和200℃之间，随着使用温度的提高，泵的耐压下降，供气压力和出液压力都相应降低。常用的流量为20～50 L/min。双150 mm（6英寸）以下标准工艺槽，用于化学液循环（包括带制冷功能），一般采用最大流量为20 L/min的风囊泵。双150 mm以下标准槽，当对流量有一定要求时，如刻蚀槽，使用最大流量为40 L/min或更大流量的风囊泵，以保证刻蚀速率。

3　磁力泵

3.1磁力泵的原理及特点

磁力泵主要由泵头、磁力驱动装置和其它零部件共三部分组成。泵头部分主要由叶轮、泵体、轴承、轴套、泵盖、泵轴等零件组成；磁力驱动装置部分主要由内磁转子、外磁转子、隔离套等部件组成；其它零部件主要包括托架、底座、电机等。磁力泵的工作原理是：当电动机带动外磁转子旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的无接触传递，将动密封转化为静密封，达到输送液体的目的。

磁力的特点：泵轴由动密封变成封闭式静密封，彻底避免了介质泄漏。无需独立润滑和冷却水，降低了能耗。过载时，内、外磁转子相对滑脱，对电机、泵有保护作用。不允许有铁磁杂质、颗粒进入磁力传动器和轴承摩擦副；输送易结晶或沉淀的介质后要及时冲洗，以保障滑动轴承的使用寿命；输送含有固体颗粒的介质时，应在泵流管入口处过滤；在规定温度条件下运行，严禁介质温度超标，一般最高使用温度在100℃以内，防止退磁。严禁空转；在出口阀关闭的情况下，泵连续运转时间不得超过2 min，以防磁力传动器过热而失效。

3.2磁力泵的应用

磁力泵在湿法腐蚀清洗设备中主要有以下应用：

（1）药液的循环过滤：由磁力泵、循环溢流槽、过滤器、管件等组成药液的循环过滤系统。实现药液的循环过滤，保证工艺槽药液温度和浓度的均匀性。由于磁力泵长时间运行会引起药液一定温升，因此不适用于温控精度较高的工艺槽中。常应用于太阳能电池片酸洗、制绒、清洗等设备中。

（2）热水注入与喷淋：经过化学液处理后的晶片，有时需要热DI水喷淋冲洗。一般先将DI水注入至预热槽，通过加热器加热到所需供液温度后，再通过磁力泵加压输送至喷淋装置，实现对晶片的清洗。由于磁力泵轴承滑动摩擦会产生颗粒，不适用于颗粒要求高的清洗。

目前经常使用的磁力泵泵体材料主要有：PP、PVDF、ETFE三种。根据不同的溶液选择相适应的泵体材料、轴承材料以及密封圈材料。PP、PVDF、ETFE三种塑料泵体材质的磁力泵最高使用温度为80℃，特殊型号最高使用温度为100℃（台湾ASSOMA AMXI系列）。介质的黏度对泵的性能影响很大，当黏度增加时，泵的扬程曲线下降，最佳工况的扬程和流量均随之下降，而功率则随之上升，因而效率降低。对于黏度较大的介质，较小扬程的磁力泵可能无法工作。用于喷淋冲洗的磁力泵，在满足流量要求的前提下，选用扬程在20 m以上的能达到较佳的清洗效果。