濕法工藝設(shè)備高溫化學(xué)液的直排技術(shù)研究

吳 ，祝福生，趙寶君，秦亞奇，安穩(wěn)鵬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

濕法工藝設(shè)備中，經(jīng)常使用120℃的SPM溶液以及80℃的強(qiáng)酸強(qiáng)堿類化學(xué)液。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，120℃的工藝溫度已無法滿足部分工藝需求。例如圖形化襯底工藝（PSS）、外延層腐蝕工藝等，經(jīng)常會(huì)使用到工藝溫度為160℃的SPM和溫度為270℃的H2SO4+H3PO4混合液[1]。

隨著工藝溫度的升高，更換化學(xué)液時(shí)的換液時(shí)間成倍增長(zhǎng)，大大的降低了生產(chǎn)效率。然而，近年來我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)，半導(dǎo)體晶圓的市場(chǎng)需求量不斷增加，生產(chǎn)效率極為重要。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，濕法工藝設(shè)備中高溫化學(xué)液的排放方式主要是在工藝槽內(nèi)降溫后排放。降溫過程中，工藝槽無法生產(chǎn)。其降溫方式主要有以下3種：

1）自然冷卻：降溫時(shí)間長(zhǎng)，通常情況下需要降溫十幾個(gè)小時(shí)；

2）鼓氮：冷氮?dú)饨?jīng)過化學(xué)液帶走熱量，從而達(dá)到降溫的效果；該方法需要消耗大量的高純氮?dú)?，必須保證排風(fēng)強(qiáng)度，且通冷氮?dú)獾倪^程中存在化學(xué)液飛濺及槽內(nèi)壓力過高等安全隱患；

3）增設(shè)冷卻盤管：盤管內(nèi)通入循環(huán)冷卻水帶走熱量；冷卻盤管制造成本高，一旦盤管發(fā)生漏水等缺陷，冷卻水會(huì)與化學(xué)液發(fā)生劇烈反應(yīng)，加大安全隱患。

2 氣虹吸吸液器和水虹吸泵的工作原理

射流泵是依靠一定壓力的工作流體通過噴嘴高速噴出帶走被輸送流體的機(jī)械元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬無動(dòng)力元件[2]。

射流泵原理的實(shí)質(zhì)如圖1所示。工作流體從噴嘴高速噴出時(shí)，在喉管入口處因周圍的空氣被射流卷走而形成真空，被輸送的流體即被吸入。

圖1 射流泵原理

虹吸是利用液面高度差，將液體充滿一根倒U形的管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)后，將開口高的一端置于裝滿液體的容器中，容器內(nèi)的液體會(huì)持續(xù)通過虹吸管向更低的位置流出[2]。

虹吸原理的實(shí)質(zhì)如圖2所示。因?yàn)閔2＜h1，所以根據(jù)帕斯卡定律P=ρgh，裝置中高位管內(nèi)的液體壓強(qiáng)小于低位管的液體壓強(qiáng)，另外，在A點(diǎn)跟B點(diǎn)分別有大氣壓的作用，大氣壓表現(xiàn)為上低下高，但在此處A點(diǎn)與B點(diǎn)間高度相對(duì)地球的大氣壓計(jì)算高度來說，可以忽略兩者間的大氣壓強(qiáng)差值。所以，P1-ρgh1＜P2-ρgh2，即C點(diǎn)左端的壓強(qiáng)小于C點(diǎn)右端的的壓強(qiáng)，在大氣壓和液體壓強(qiáng)的共同作用下，液體沿著虹吸管從B點(diǎn)向A點(diǎn)流動(dòng)。

圖2 虹吸原理示意圖

假設(shè)圖2中A點(diǎn)處的截面為1-1斷面，B點(diǎn)處的截面為2-2斷面，列伯努利方程，取速度ν1=0，得：

其中hvmax為最大真空高度；hs為A點(diǎn)的壓力水柱高度，一般取hs=1.0～2.0 m水柱高度；

hv為當(dāng)?shù)卮髿鈮核叨?，一般取[hv]=7～8.5 m水柱；

λ為吸水管沿程摩阻系數(shù)；∑ζ-吸水管各項(xiàng)局部水頭損失系數(shù)之和

即保證虹吸管正常工作，必須滿足hvmax＜[hv]。

在濕法工藝設(shè)備中工藝槽和副槽之間距離較近，管路連接尺寸一般在0.8～1.5 m，遠(yuǎn)小于最大真空高度，可以滿足虹吸排放要求。

3 氣虹吸液器和水虹吸泵材料的選用

濕法工藝設(shè)備中使用的虹吸管，可供選擇的材料有石英、PTFE、PVDF等。考慮到材料的耐溫性能、熱穩(wěn)定性等，優(yōu)先選擇石英材料。

氣虹吸過程中，只需要在排放開始時(shí)，往噴嘴吹一路氮?dú)?，將化學(xué)液吸入虹吸管內(nèi)。當(dāng)液體充滿虹吸管后，即可利用虹吸現(xiàn)象將化學(xué)液排空。且石英材料內(nèi)壁光滑，熱穩(wěn)定性好。氣虹吸管結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。在吸液器端部增加旁路，該旁路接氮?dú)猓糜谡婵掌茐?，其目的在于排放過程中可以隨時(shí)終止排放。

圖3 氣虹吸管結(jié)構(gòu)示意

然而水虹吸直排過程中，需要一直注水降溫，才可以達(dá)到直排至廢液管路的基本條件。虹吸泵一端為溫度很高的化學(xué)液，一端為冷水，石英材料雖然熱穩(wěn)定性極高，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期存在溫差驟變，在溫差驟變處容易斷裂，安全性難以保證，所以水虹吸泵選用PTFE材料。水虹吸泵結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水虹吸泵結(jié)構(gòu)示意

4 關(guān)鍵尺寸喉嘴距和噴嘴直徑的確定

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)液氣射流泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況條件等進(jìn)行過深入研究，研究表明，在液氣射流泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)參數(shù)（尤其是喉嘴距）對(duì)射流泵的性能影響很大，喉嘴距L即噴嘴出口與喉管起點(diǎn)的距離（見圖4）。噴嘴距對(duì)液氣射流泵效率的影響存在最優(yōu)范圍，大致在1～1.7倍噴嘴直徑之間[4-6]。若噴嘴距過小，兩相流接觸表面積很小，對(duì)氣體的卷吸性能較差。若噴嘴距過大，雖然接觸表面積增大了，但同時(shí)會(huì)在噴嘴與喉管入口之間形成很大漩渦，導(dǎo)致能量損失增大，不僅不能很好地吸氣，甚至?xí)a(chǎn)生倒吸現(xiàn)象[3-6]。

4.1 氣虹吸關(guān)鍵尺寸喉嘴距和噴嘴直徑的確定

采用的工作流體不同，其密度、黏度等都存在差異，射流管的結(jié)構(gòu)也有所區(qū)別。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，工作流體為氮?dú)鈺r(shí)，采用1.5倍喉管距，取噴嘴直徑d=1.5 mm，喉管距L=2.5 mm，實(shí)驗(yàn)失敗，無法將化學(xué)液排出。

通過多次實(shí)驗(yàn)，調(diào)整喉嘴距L，最終確定噴嘴直徑d=1.5 mm，喉管距L=6 mm時(shí)，排放效果最好，可以將工藝槽內(nèi)液體抽空，排放時(shí)間短，此時(shí)喉嘴距為4倍的噴嘴直徑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

噴嘴直徑（d）/mm 1.5喉嘴距（L）/mm 2.5 4.5 6 10排空情況無法排放可以排放，但是排放提前停止，槽內(nèi)仍有殘余化學(xué)液，無法實(shí)現(xiàn)化學(xué)液的排空?？梢耘趴?，且排放時(shí)間最短，排空時(shí)間在4～5 min。排空效果良好，但是排放過程中，吸入室內(nèi)產(chǎn)生旋渦，排空時(shí)間過長(zhǎng)。

利用FLUENT計(jì)算仿真，得出以下結(jié)果：

1）喉嘴距L=2.5 mm時(shí)，轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)，其速度矢量圖如圖5所示。

圖5 L=2.5 mm，噴嘴出口附近速度矢量圖

結(jié)果分析：氮?dú)饪焖俚剡M(jìn)入了喉管，但是氮?dú)馀c管內(nèi)氣體的接觸面積很小，氮?dú)馀c管內(nèi)氣體之間的動(dòng)量交換過程過短，未能將吸入室內(nèi)部的氣體抽空，真空度不足。無法排放化學(xué)液。

2）喉嘴距L=6 mm時(shí)，轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)，其速度矢量圖如圖6所示。

圖6 L=6 mm，噴嘴出口附近速度矢量圖

結(jié)果分析：該狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)液的排空，排放時(shí)間僅為4～5 min，排放效果好。

氮?dú)鈴膰娮旄咚偕涑龊螅瑤?dòng)了周圍流場(chǎng)，將槽內(nèi)化學(xué)液吸出，起到了排放的目的。

3）喉嘴距L=10 mm時(shí)，轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)，其速度矢量圖如圖7所示。

如圖7所示，氮?dú)庠趪娮斓胶砉芴幮纬闪藘蓚€(gè)旋渦，損失部分能量，且在吸入室內(nèi)液體產(chǎn)生了回流，排放效率降低，排放時(shí)間約10 min。

圖7 L=10 mm，噴嘴出口附近速度矢量圖

4.2 水虹吸泵關(guān)鍵尺寸喉嘴距和噴嘴直徑的確定

做水虹吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，以參考文獻(xiàn)作為理論依據(jù)，采用1.5倍喉嘴距。通過FLUENT計(jì)算仿真，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果為取噴嘴直徑d=2 mm，喉管距L=3 mm，排放效果良好，排空時(shí)間在3～5 min。

利用FLUENT計(jì)算仿真，噴嘴直徑2 mm，喉管距L=2.5 mm時(shí)，排放效果較差，速度矢量圖（見圖5）。

利用FLUENT計(jì)算仿真，噴嘴直徑2 mm，喉管距L=3 mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)液的排空，排空時(shí)間在3～5 min，速度矢量圖（見圖6）。

5 結(jié) 論

利用射流泵原理可以將吸液器中的氣體抽空，形成真空環(huán)境，再結(jié)合氣虹吸原理，利用高度差，實(shí)現(xiàn)將工藝槽內(nèi)的高溫液體直接排放至副槽的功能。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知：

a.使用氮?dú)鉃樯淞鞅玫墓ぷ髁黧w，噴嘴直徑為1.5 mm，喉嘴距為6 mm，此時(shí)喉嘴距為4倍的噴嘴直徑，此時(shí)，在本套化學(xué)液系統(tǒng)中，排放速度快，無殘液，排空效果最好。

b.使用水為虹吸泵的工作流體時(shí)，取噴嘴直徑2 mm，喉管距L=3 mm，喉嘴距為1.5倍噴嘴直徑時(shí)，能夠高效的完成排空過程，并且起到有效降溫的作用。

整套虹吸排放系統(tǒng)如圖8所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無動(dòng)力元件，安全可靠，排放效率高，可以有效的提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)能。

圖8 氣虹吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意