氣動增壓泵在單片晶圓清洗過程中的應用

杜建科，劉永進，馮小強

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

1 氣動增壓泵的組成及工作原理

氣動增壓泵又叫氣動增壓器/機/缸/閥，最早產生于美國，主要是得利于發展航空業，各種航空元器件的測試，因為要求比較高，對測試源要求非常嚴格。相關部門研究出很多的測試源和測試辦法，從而產生了氣動增壓泵及相關產品。氣動增壓泵利用大面積活塞端的低壓氣體驅動而產生小面積活塞端的高壓流體。例如氣動增壓泵的增壓比為35∶1，即100 kPa的驅動氣壓將產生3500 kPa的液體壓力。

當驅動氣體作用于活塞時，氣動增壓泵的活塞隨氣驅動就可獲得較大的輸出流量。由于其特有的無污染、操作簡單、維護簡單，可調性強、多種氣體驅動等優點，廣泛應用于一些要求標準較高、保持無污染以及一些至關重要的工藝場合。

氣動增壓泵主要由氣體部分、液壓部分、空氣循環閥組成。（1）氣體部分。當壓縮空氣送入氣動裝置時，迫使活塞進入壓縮沖程，然后空氣驅動活塞返回進行吸入沖程。（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。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。它的作用是通過進口控制閥將液體吸入，并在較高壓力下通過出口控制閥使其流出。該裝置裝有彈簧止回閥，用于控制液體進出通道。當液壓裝置的活塞/沖桿處于吸入沖程時，進口控制閥打開,出口控制閥通過彈簧保持關閉時，將液體引入泵內。升壓沖程時，進口控制閥關閉，液壓裝置的活塞/沖桿通過出口控制閥迫使液體流出。（3）氣體循環閥。這一部分由一個控制器和一個柱塞構成，它根據位置狀態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控制閥，對滑閥的大面積進行交替增壓和換氣，以控制氣流向氣體活塞往復運動，保持循環狀態。空氣從泵中排出時，需通過排氣消聲器。氣動增壓泵的結構示意圖如圖1所示。

圖1 氣動增壓泵的結構示意圖

2 氣動增壓泵在單片晶圓清洗過程中應用優勢

半導體器件生產中難免會產生一些微粒，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、有機溶劑殘留物、合成蠟和人接觸器件、工具、器皿帶來的油脂或纖維；重金屬類如金、銅、鐵、鉻等，會嚴重影響少數載流子壽命和表面電導，這些微粒會導致各種缺陷，甚至會導致器件失效。半導體器件生產中硅片須經嚴格清洗，去除表面污染雜質。氣動增壓泵能夠提供高壓的去離子水，可以增強去離子水除去晶圓表面的污染雜質的能力。氣動增壓泵特有的優勢在單片晶圓清洗過程中被廣泛應用。

（1）維護簡單。氣動增壓泵的零件及密封少，維護簡單且成本低。性價比高：具有輸出性能高的特性。

（2）可調性強。輸出壓力和流量都由驅動氣體的壓力調節閥準確地調節。調節驅動氣壓，使氣動增壓泵的輸出壓力在預增氣壓和最大輸出壓力之間精確調整。

（3）輸出壓力高。氣動增壓泵的最高工作壓力可達到300 MPa。

（4）材質優良。高壓部分材質為硬質鋁合金。高壓柱塞材質為不銹鋼。并采用雙層密封。關鍵部位材質可以根據介質性質選配。

（5）多種氣體驅動。壓縮空氣、氮氣、水蒸汽等。

（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增壓泵無需使用潤滑劑。

（7）自動保壓。工作時，氣動增壓泵迅速往復工作，隨著輸出壓力接近設定壓力值時泵的往復運動速度減小直至停止。并保持這個壓力，此時能量消耗很小，無熱量產生，無零件運動。當壓力平衡打破氣動增壓泵自動開始工作到下一個平衡。

3 氣動增壓泵的控制方式

硅片是半導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硅片制造工藝中極為重要的環節之一。完全清潔的基片表面是實現功能性處理的第一步。為了滿足自動化加工的生產要求，去離子水和一些化學液的供給也要由早期的手動供給，不斷改進到自動供給和流量、壓力可以自動調節發展。氣動增壓泵靠壓縮空氣驅動，泵的輸出壓力大小與驅動空氣壓力大小成正比，輸出壓力可以通過調節驅動空氣壓力大小進行無級調節，在本系統中采用電氣比例閥調節驅動空氣壓力，進而控制泵的輸出壓力和輸出流量。從而實現在顯示屏上可以直接控制泵的輸出壓力和輸出流量，滿足自動化生產的要求。氣動增壓泵的控制原理圖如2所示。

圖2 氣動增壓泵的控制原理圖

4 氣動增壓泵的選用依據

氣動增壓泵在選擇過程中主要考慮的因素為輸出壓力、輸出流量、機身材料等。為特定應用選擇合適的氣動氣體增壓泵，首先要確定哪一系列的氣動增壓泵可以滿足流量的需求。此項可以根據各個廠家提供的流量對壓力曲線確定。應用的可能比例通過用空氣壓力和流量檢驗氣動增壓泵工作數據來確定。氣動增壓泵產生壓力的能力是驅動壓力、理想增壓比和最大壓縮比的函數。產生流量的能力是可用空氣流量、泵每一循環的排量和泵容積效率的函數。通過查這些廠家給定的函數曲線就能得到此氣動增壓泵的性能參數。為選擇合適的泵提供定量指標。氣動增壓泵一般都是由常用材料制造，對于涉及到腐蝕性氣體的應用，可以更換部分材料，以滿足不同場合的應用。其中(1)單作用氣動增壓泵為小零件的測試或其它類似應用提供了增壓的經濟解決方案，這些應用中增壓容器的體積都非常小，而且效率要求不高。此系列氣動增壓泵可以通過使用便宜的氣動壓力控制設備來控制實際最大輸出壓力。氣動增壓泵最大輸出壓力等于驅動空氣壓力與氣動增壓泵活塞大、小面積之比的乘積。(2)雙作用氣動增壓泵不僅使泵的排量增大了1倍，而且所消耗的驅動空氣也減少了，這是因為輸入氣體的壓力本身提供了所需驅動力的一部分。此系列氣動增壓泵為實現低、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動面積比乘以驅動空氣壓力后，再加上輸入氣體壓力。

5 結束語

通過以上分析可以看出，氣動增壓泵特有的性質很適合在單片晶圓清洗中的應用。可以很好的選擇氣動增壓泵。隨著時代的進步，技術不斷的更新，氣動增壓泵可選性在不斷增加。其中特定的應用要求決定了選購泵產品時特別需要考慮的因素。隨著氣動增壓泵設計和制造技術的不斷提高，其使用壽命、增壓能力、可通過的化學液種類等其應用的制約因素也將不斷改善，其應用場合范圍也會越來越廣闊。

[1]儲佳，馬向陽，楊德仁，闕端林.硅片清洗研究進展[J].半導體，2001,26(3):16-22.

[2]Singer P.Wafer Cleaning，Making the Transition to SurfaceEngincering[J].SemiconductorInt'l，1995，18(11)：88.

[3]王瑞.氣動增壓器的理論分析及試驗[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2008.

[4]董飛，何國強，張志恒，等.氣動增壓泵的設計[J].機械科學與技術.2008,27(1)：23-26.