工業(yè)泵在濕法腐蝕清洗設備中的應用

祝福生，郭春華，夏楠君

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601）

工業(yè)泵在濕法腐蝕清洗設備中的應用

祝福生，郭春華，夏楠君

（中國電子科技集團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備中的典型應用。

泵；濕法腐蝕清洗；自動供液系統

濕法腐蝕清洗設備是集成電路、LED、太陽能、MEMS等芯片制造中必不可少的工藝設備之一，泵作為其常用的關鍵部件有著廣泛的應用。泵是輸送液體或使液體增壓的通用機械，濕法腐蝕清洗設備中泵主要用來輸送水、酸、堿、有機等化學藥液。

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提出了更高的要求，為之，濕法腐蝕清洗設備在采取其它措施（如晶片旋轉、抖動、超聲清洗、兆聲清洗等）的同時，業(yè)內普遍采用以泵為動力源的工藝槽循環(huán)過濾方式，用以凈化槽內藥液、均勻流場保證藥液濃度和溫度的均勻性，這也是泵的最典型應用；泵的另一應用是用于化學藥液的自動供給及廢液的輸送。

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

1　氣動隔膜泵

1.1氣動隔膜泵工作原理

氣動隔膜泵的工作原理見圖1所示。壓縮空氣通過氣閥進入中間腔體，其中有兩個導氣口將空氣導向左氣室或右氣室。泵有兩個液體腔室，兩個氣體腔室和兩個隔膜片。每一個氣室和液室被柔軟的隔膜分隔開。在氣室中，當氣壓作用在一個膜片的背側時，就會迫使液體腔室中的液體進入出料口管。由于兩塊膜片被中心軸桿連接著，另一個膜片就會被拉向泵中間，這就導致另一邊吸料。球閥通過交替的開關動作來充滿腔室并阻止回流。當中心軸桿行程結束時，空氣裝置（氣閥活塞）自動轉換氣壓到相反側，從而改變泵的運動方向，使泵1:1地往復動作。

圖1　氣動隔膜泵工作原理示意圖

1.2氣動隔膜泵的特點

氣動隔膜泵采用壓縮空氣為動力源，對于各種腐蝕性液體，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。這種泵的主要特點是：具有自吸的功能，可空轉運行；無機械密封，不會產生顆粒及污染；適用于中高黏度的流體；接地后不產生火花，工作中無熱量產生，可在易燃易爆的環(huán)境中使用；可通過含顆粒液體；通過調整進氣壓力和流量可調整液體輸出壓力；液體脈動較大；成本較低。

1.3氣動隔膜泵的應用

氣動隔膜泵在濕法腐蝕清洗設備中主要有以下三方面的應用：

（1）用于超純水及化學藥液的供給。作為動力源，與閥門、管道、流量計等組成自動供液系統，用于化學液配、補液，通?；瘜W藥液為常溫強酸、強堿、有機等溶液。與DI水加熱儲液槽、閥門、管道等組成設備熱DI水供應系統，以滿足機臺對熱水的需求。

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

（3）藥液循環(huán)。與循環(huán)溢流槽、閥門、管件、過濾器等組成過濾循環(huán)系統，實現藥液的循環(huán)過濾，均勻流場。由于隔膜泵在連續(xù)不間斷工作時膜片使用壽命較短，更換膜片較頻繁，目前這種應用方式逐漸被風囊泵所取代。

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

氣動隔膜泵膜片材料有：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材質的耐腐蝕性最好。表1是幾種常用膜片材料特性。在實際使用中，對于酸、堿液膜片一般選用PTFE（特氟龍）材質；對于HCL等滲透性較強的溶液，由于PTFE耐滲透性差，長期使用時，HCL溶液透過PTFE膜層將襯膜腐蝕，從而使整個膜片損壞，使用證明，SP材質的膜片較好地解決了這個問題。

表1　幾種膜片材料特性

2　氣動風囊泵

2.1氣動風囊泵工作原理

圖2　美國White Knight氣動風囊泵結構圖

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

2.2氣動風囊泵的特點

目前，濕法腐蝕清洗設備中常用的風囊泵均為國外品牌，如美國的White Knight、日本的IWAKI、日本PILLAR、法國的FURON等等。雖然結構形式有所不同，但原理是相同的。

氣動風囊泵除具有氣動隔膜泵的主要優(yōu)點外，因采用全氟材料，無任何金屬，耐腐蝕性，耐高溫性更強，最高使用溫度可達到210℃；采用風囊結構使用壽命更長，更適用于連續(xù)工作情況；液體脈動較氣動隔膜泵小，如在管路中加裝脈沖緩沖器，脈動將會大幅度減?。辉诹黧w路徑中沒有任何葉輪部件，不會產生微型氣泡、粒子和離子污染，而且產品都是在class 100級的潔凈室內完成測試包裝，非常適合半導體等潔凈度要求較高的行業(yè)使用。

2.3氣動風囊泵的應用

氣動風囊泵在濕法腐蝕清洗設備中主要有以下應用：

（1）藥液恒溫控制：由風囊泵、循環(huán)溢流槽、閥門、過濾器、管件、熱交換器，制冷機或加熱器等組成溫度控制系統。通過泵使藥液循環(huán)并在熱交換器內進行熱交換用以實現藥液的恒溫控制。工作原理見圖3所示。

圖3　藥液循環(huán)過濾恒溫控制示意圖

（2）藥液的循環(huán)過濾：由風囊泵、循環(huán)溢流槽、閥門、過濾器、管件等組成藥液的循環(huán)過濾系統。實現藥液的循環(huán)過濾，均勻流場。保證工藝槽藥液

圖4　藥液循環(huán)過濾示意圖

（3）廢液回收和再利用：120℃以上強腐蝕性藥液（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，將導致排液管道的損壞，引起安全事故，采用工藝槽內自然冷卻的方法又耗時過長，影響生產效率。一般采用高溫風囊泵將槽內藥液輸送至降溫槽，在降溫槽內降溫后再排入排廢管道，這種方法即節(jié)省了時間，又保證了生產的安全性，被業(yè)界所廣泛采用。

濕法腐蝕清洗設備中經常配置多個功能相同的工藝槽體（如有機去膠槽），工藝流程為晶圓片依次通過各工藝槽進行相同工藝處理，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，降低生產使用成本，換液時，一般將前槽較臟的藥液排掉，利用風囊泵和過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。

氣動風囊泵一般有普通系列和高溫系列之分，泵的風囊及接液部分均為PTFE或PFA材質。普通系列的一般工作溫度在100℃以內，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降低。常用的流量為20～50 L/min。雙150 mm（6英寸）以下標準工藝槽，用于化學液循環(huán)（包括帶制冷功能），一般采用最大流量為20 L/min的風囊泵。雙150 mm以下標準槽，當對流量有一定要求時，如刻蝕槽，使用最大流量為40 L/min或更大流量的風囊泵，以保證刻蝕速率。

3　磁力泵

3.1磁力泵的原理及特點

磁力泵主要由泵頭、磁力驅動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；磁力驅動裝置部分主要由內磁轉子、外磁轉子、隔離套等部件組成；其它零部件主要包括托架、底座、電機等。磁力泵的工作原理是：當電動機帶動外磁轉子旋轉時，磁場能穿透空氣隙和非磁性物質，帶動與葉輪相連的內磁轉子作同步旋轉，實現動力的無接觸傳遞，將動密封轉化為靜密封，達到輸送液體的目的。

磁力的特點：泵軸由動密封變成封閉式靜密封，徹底避免了介質泄漏。無需獨立潤滑和冷卻水，降低了能耗。過載時，內、外磁轉子相對滑脫，對電機、泵有保護作用。不允許有鐵磁雜質、顆粒進入磁力傳動器和軸承摩擦副；輸送易結晶或沉淀的介質后要及時沖洗，以保障滑動軸承的使用壽命；輸送含有固體顆粒的介質時，應在泵流管入口處過濾；在規(guī)定溫度條件下運行，嚴禁介質溫度超標，一般最高使用溫度在100℃以內，防止退磁。嚴禁空轉；在出口閥關閉的情況下，泵連續(xù)運轉時間不得超過2 min，以防磁力傳動器過熱而失效。

3.2磁力泵的應用

磁力泵在濕法腐蝕清洗設備中主要有以下應用：

（1）藥液的循環(huán)過濾：由磁力泵、循環(huán)溢流槽、過濾器、管件等組成藥液的循環(huán)過濾系統。實現藥液的循環(huán)過濾，保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。由于磁力泵長時間運行會引起藥液一定溫升，因此不適用于溫控精度較高的工藝槽中。常應用于太陽能電池片酸洗、制絨、清洗等設備中。

（2）熱水注入與噴淋：經過化學液處理后的晶片，有時需要熱DI水噴淋沖洗。一般先將DI水注入至預熱槽，通過加熱器加熱到所需供液溫度后，再通過磁力泵加壓輸送至噴淋裝置，實現對晶片的清洗。由于磁力泵軸承滑動摩擦會產生顆粒，不適用于顆粒要求高的清洗。

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

4　結束語

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

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

［2］美國White Knight公司產品樣本［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