氣動(dòng)增壓泵在單片晶圓清洗過(guò)程中的應(yīng)用

杜建科，劉永進(jìn)，馮小強(qiáng)

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

1 氣動(dòng)增壓泵的組成及工作原理

氣動(dòng)增壓泵又叫氣動(dòng)增壓器/機(jī)/缸/閥，最早產(chǎn)生于美國(guó)，主要是得利于發(fā)展航空業(yè)，各種航空元器件的測(cè)試，因?yàn)橐蟊容^高，對(duì)測(cè)試源要求非常嚴(yán)格。相關(guān)部門(mén)研究出很多的測(cè)試源和測(cè)試辦法，從而產(chǎn)生了氣動(dòng)增壓泵及相關(guān)產(chǎn)品。氣動(dòng)增壓泵利用大面積活塞端的低壓氣體驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生小面積活塞端的高壓流體。例如氣動(dòng)增壓泵的增壓比為35∶1，即100 kPa的驅(qū)動(dòng)氣壓將產(chǎn)生3500 kPa的液體壓力。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣體作用于活塞時(shí)，氣動(dòng)增壓泵的活塞隨氣驅(qū)動(dòng)就可獲得較大的輸出流量。由于其特有的無(wú)污染、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單，可調(diào)性強(qiáng)、多種氣體驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于一些要求標(biāo)準(zhǔn)較高、保持無(wú)污染以及一些至關(guān)重要的工藝場(chǎng)合。

氣動(dòng)增壓泵主要由氣體部分、液壓部分、空氣循環(huán)閥組成。（1）氣體部分。當(dāng)壓縮空氣送入氣動(dòng)裝置時(shí)，迫使活塞進(jìn)入壓縮沖程，然后空氣驅(qū)動(dòng)活塞返回進(jìn)行吸入沖程。（2）液壓部分。液壓裝置的活塞/沖桿直接與活塞連接，其下端裝入液壓裝置殼體之內(nèi)。它的直徑確定了泵的壓縮比，從而確定輸出流量和最大壓力。它的作用是通過(guò)進(jìn)口控制閥將液體吸入，并在較高壓力下通過(guò)出口控制閥使其流出。該裝置裝有彈簧止回閥，用于控制液體進(jìn)出通道。當(dāng)液壓裝置的活塞/沖桿處于吸入沖程時(shí)，進(jìn)口控制閥打開(kāi),出口控制閥通過(guò)彈簧保持關(guān)閉時(shí)，將液體引入泵內(nèi)。升壓沖程時(shí)，進(jìn)口控制閥關(guān)閉，液壓裝置的活塞/沖桿通過(guò)出口控制閥迫使液體流出。（3）氣體循環(huán)閥。這一部分由一個(gè)控制器和一個(gè)柱塞構(gòu)成，它根據(jù)位置狀態(tài)使壓縮空氣流到氣體活塞的任何一端。該活塞在其沖程的上端和底部推動(dòng)控制閥，對(duì)滑閥的大面積進(jìn)行交替增壓和換氣，以控制氣流向氣體活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保持循環(huán)狀態(tài)?？諝鈴谋弥信懦鰰r(shí)，需通過(guò)排氣消聲器。氣動(dòng)增壓泵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)增壓泵的結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣動(dòng)增壓泵在單片晶圓清洗過(guò)程中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中難免會(huì)產(chǎn)生一些微粒，這些微粒有的以薄膜形式或顆粒形式存在于硅片表面。比如光刻膠、有機(jī)溶劑殘留物、合成蠟和人接觸器件、工具、器皿帶來(lái)的油脂或纖維；重金屬類如金、銅、鐵、鉻等，會(huì)嚴(yán)重影響少數(shù)載流子壽命和表面電導(dǎo)，這些微粒會(huì)導(dǎo)致各種缺陷，甚至?xí)?dǎo)致器件失效。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中硅片須經(jīng)嚴(yán)格清洗，去除表面污染雜質(zhì)。氣動(dòng)增壓泵能夠提供高壓的去離子水，可以增強(qiáng)去離子水除去晶圓表面的污染雜質(zhì)的能力。氣動(dòng)增壓泵特有的優(yōu)勢(shì)在單片晶圓清洗過(guò)程中被廣泛應(yīng)用。

（1）維護(hù)簡(jiǎn)單。氣動(dòng)增壓泵的零件及密封少，維護(hù)簡(jiǎn)單且成本低。性價(jià)比高：具有輸出性能高的特性。

（2）可調(diào)性強(qiáng)。輸出壓力和流量都由驅(qū)動(dòng)氣體的壓力調(diào)節(jié)閥準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓，使氣動(dòng)增壓泵的輸出壓力在預(yù)增氣壓和最大輸出壓力之間精確調(diào)整。

（3）輸出壓力高。氣動(dòng)增壓泵的最高工作壓力可達(dá)到300 MPa。

（4）材質(zhì)優(yōu)良。高壓部分材質(zhì)為硬質(zhì)鋁合金。高壓柱塞材質(zhì)為不銹鋼。并采用雙層密封。關(guān)鍵部位材質(zhì)可以根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)選配。

（5）多種氣體驅(qū)動(dòng)。壓縮空氣、氮?dú)狻⑺羝取?/p>

（6）輸入氣體壓力要求底。只需0.2～0.8 MPa壓縮空氣。相同系列泵的易損部件可相互替換，提高的通用性，大大降低了維修成本其氣動(dòng)增壓泵無(wú)需使用潤(rùn)滑劑。

（7）自動(dòng)保壓。工作時(shí)，氣動(dòng)增壓泵迅速往復(fù)工作，隨著輸出壓力接近設(shè)定壓力值時(shí)泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度減小直至停止。并保持這個(gè)壓力，此時(shí)能量消耗很小，無(wú)熱量產(chǎn)生，無(wú)零件運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓力平衡打破氣動(dòng)增壓泵自動(dòng)開(kāi)始工作到下一個(gè)平衡。

3 氣動(dòng)增壓泵的控制方式

硅片是半導(dǎo)體器件和集成電路中使用最為廣泛的基底材料，而硅片的清洗又是整個(gè)硅片制造工藝中極為重要的環(huán)節(jié)之一。完全清潔的基片表面是實(shí)現(xiàn)功能性處理的第一步。為了滿足自動(dòng)化加工的生產(chǎn)要求，去離子水和一些化學(xué)液的供給也要由早期的手動(dòng)供給，不斷改進(jìn)到自動(dòng)供給和流量、壓力可以自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)展。氣動(dòng)增壓泵靠壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，泵的輸出壓力大小與驅(qū)動(dòng)空氣壓力大小成正比，輸出壓力可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)空氣壓力大小進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，在本系統(tǒng)中采用電氣比例閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)空氣壓力，進(jìn)而控制泵的輸出壓力和輸出流量。從而實(shí)現(xiàn)在顯示屏上可以直接控制泵的輸出壓力和輸出流量，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。氣動(dòng)增壓泵的控制原理圖如2所示。

圖2 氣動(dòng)增壓泵的控制原理圖

4 氣動(dòng)增壓泵的選用依據(jù)

氣動(dòng)增壓泵在選擇過(guò)程中主要考慮的因素為輸出壓力、輸出流量、機(jī)身材料等。為特定應(yīng)用選擇合適的氣動(dòng)氣體增壓泵，首先要確定哪一系列的氣動(dòng)增壓泵可以滿足流量的需求。此項(xiàng)可以根據(jù)各個(gè)廠家提供的流量對(duì)壓力曲線確定。應(yīng)用的可能比例通過(guò)用空氣壓力和流量檢驗(yàn)氣動(dòng)增壓泵工作數(shù)據(jù)來(lái)確定。氣動(dòng)增壓泵產(chǎn)生壓力的能力是驅(qū)動(dòng)壓力、理想增壓比和最大壓縮比的函數(shù)。產(chǎn)生流量的能力是可用空氣流量、泵每一循環(huán)的排量和泵容積效率的函數(shù)。通過(guò)查這些廠家給定的函數(shù)曲線就能得到此氣動(dòng)增壓泵的性能參數(shù)。為選擇合適的泵提供定量指標(biāo)。氣動(dòng)增壓泵一般都是由常用材料制造，對(duì)于涉及到腐蝕性氣體的應(yīng)用，可以更換部分材料，以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用。其中(1)單作用氣動(dòng)增壓泵為小零件的測(cè)試或其它類似應(yīng)用提供了增壓的經(jīng)濟(jì)解決方案，這些應(yīng)用中增壓容器的體積都非常小，而且效率要求不高。此系列氣動(dòng)增壓泵可以通過(guò)使用便宜的氣動(dòng)壓力控制設(shè)備來(lái)控制實(shí)際最大輸出壓力。氣動(dòng)增壓泵最大輸出壓力等于驅(qū)動(dòng)空氣壓力與氣動(dòng)增壓泵活塞大、小面積之比的乘積。(2)雙作用氣動(dòng)增壓泵不僅使泵的排量增大了1倍，而且所消耗的驅(qū)動(dòng)空氣也減少了，這是因?yàn)檩斎霘怏w的壓力本身提供了所需驅(qū)動(dòng)力的一部分。此系列氣動(dòng)增壓泵為實(shí)現(xiàn)低、中壓縮比下增壓大流量氣體提供了有效的解決方案。泵最大輸出壓力等于驅(qū)動(dòng)面積比乘以驅(qū)動(dòng)空氣壓力后，再加上輸入氣體壓力。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，氣動(dòng)增壓泵特有的性質(zhì)很適合在單片晶圓清洗中的應(yīng)用?？梢院芎玫倪x擇氣動(dòng)增壓泵。隨著時(shí)代的進(jìn)步，技術(shù)不斷的更新，氣動(dòng)增壓泵可選性在不斷增加。其中特定的應(yīng)用要求決定了選購(gòu)泵產(chǎn)品時(shí)特別需要考慮的因素。隨著氣動(dòng)增壓泵設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷提高，其使用壽命、增壓能力、可通過(guò)的化學(xué)液種類等其應(yīng)用的制約因素也將不斷改善，其應(yīng)用場(chǎng)合范圍也會(huì)越來(lái)越廣闊。

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