基于氟塑料的超潔凈氣動液體隔膜閥結構設計與制備

唐金鑫，杜 亮，李培源，陳 波，李超波

(1.中國科學院微電子研究所，北京 100029；2.中芯國際集成電路制造（北京）有限公司，北京 100176)

隨著集成電路芯片制備技術的高速發展，對潔凈度要求越來越高，硅片表面的污染物會對集成電路芯片的性能造成極大的影響，通過濕法設備對硅片表面進行清洗是保證芯片性能及提高芯片良率必不可少的一步。目前我國的濕法清洗、電鍍等濕法裝備中的氣動隔膜閥主要依賴進口，這對我國的芯片行業發展極其不利，因此，開發可靠性高、污染小的高潔凈氣動液體隔膜閥門具有重要意義。而且我國氟塑料行業飛速發展為規?；a高潔凈氣動液體隔膜閥創造了有利條件。

1 超潔凈氣動液體隔膜閥工作原理與結構組成

在集成電路行業中，與液體相關的閥門在濕法清洗、CMP和電鍍等設備上大量使用。濕法清洗[1-3]是利用酸堿溶液、有機溶劑、去離子水及其混合物，通過腐蝕、溶解、化學反應等方法去除晶圓表面的污染物，這就對閥門的材質提出了很高的要求。

在集成電路芯片的生產過程中，控制液體的閥門有許多種，如球閥、電磁閥、隔膜閥、柱塞閥、蝶閥等。其中隔膜閥在濕法設備中應用最廣泛。隔膜閥是通過一塊軟質材料制成的隔膜來實現開啟與關閉的功能，隔膜片將閥體內腔的流道與驅動部件及閥蓋隔開，且其與上閥體為過盈配合，在閉合時，隔膜片的邊緣保持不動，只有其中心部分隨閥桿運動，完成閉合操作。因此其具有靈敏度高、開閉狀態轉換迅速的優點。

1.1 工作原理

圖1為常閉型氣動液體隔膜閥的典型結構示意圖，包括塑料材質制成的閥座、密封接頭、閥體、隔膜膜片、墊圈、氣動隔膜和閥蓋。未開啟時，彈簧自然拉伸，將閥芯抵在閥座的閥口處實現密封，閥門保持關閉。氣動隔膜將氣動部分的腔室分隔成上下兩個獨立密閉的腔室，并有上下兩個托盤附于氣動隔膜，作用是保持氣動隔膜在充放氣時規則地發生形變。在上下兩個腔室各有一個氣口（圖1中未顯示），其中下腔室的氣嘴為進氣口，當閥門開始工作進氣時，下腔室的壓強逐漸增大，氣動隔膜在托盤的依托下水平地緩緩向上移動，從而帶動活塞桿向上移動，此時閥芯逐漸遠離閥座的閥口處，閥門打開。上腔室的氣嘴相當于一個“呼吸孔”，當下腔室充氣時，上腔室里的氣體需要排出。當閥門需要再次關閉時，下腔室的氣嘴停止進氣并開始排氣，此時借助彈簧的自我拉伸再次實現關閉。為了實時監測閥門的開閉，將閥蓋做成透明的，并印有刻度，在固定的活塞桿行程內為開，小于此行程范圍即為關。

圖1 常閉型液體氣動隔膜閥的典型結構示意圖

1.2 國外幾種氣動隔膜閥的結構比較

集成電路濕法裝備上使用的氣動隔膜閥主要是美國、日本和歐洲制造，近年來韓國發展也很迅速，正逐漸在一些韓國產的濕法設備上得到應用。圖2為日本CKD閥的結構示意圖，主要由彈簧、密封圈、活塞桿、進氣孔、呼吸孔、隔膜膜片、閥芯、螺紋密封接頭和閥座組成。

圖2 CKD閥的結構示意圖

圖3（a）和3（b）為美國Entegris閥的結構示意圖，主要由彈簧、活塞桿、螺紋密封接頭、密封圈、進氣孔、呼吸孔、隔膜膜片、閥芯和閥座組成。

圖3 Entegris閥的結構示意圖

圖4為韓國INNODIS閥的結構示意圖，主要由彈簧、Ο形密封圈、進氣孔、呼吸孔、活塞桿、螺紋密封接頭、安裝板、隔膜膜片和閥芯組成。

圖4 INNODIS閥的結構示意圖

從結構形式的角度來看，日本CKD閥、美國Entegris閥與韓國INNODIS閥的主要結構基本相同，均為截止式隔膜閥，通過活塞桿豎直移動來帶動閥芯遠離或者壓緊閥座，實現閥門的開閉功能。不同之處只是一些細小結構，如韓國INNODIS閥在閥內流道的具有高低差設計，當液體通過時，死區小，可以很順利地通過。當閥門關閉時，液體也不會堆積在管路內造成沉積淤塞。圖5為INNODIS閥的流道結構示意圖。

圖5 INNODIS閥的流道結構示意圖

2 制備超潔凈氣動液體隔膜閥的主要材料加工方法

制備超潔凈氣動液體隔膜閥門常用的氟塑料為PTFE、PFA，金屬離子析出率極低。

2.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）俗稱“塑料王”，是一種以四氟乙烯為單體聚合而成的高分子聚合物，白色、無臭、無味、無毒，呈粉狀。由于C-F鍵能很高，且氟原子密集包裹C-C鍵，使其不易受到其他物質的侵蝕，因此聚四氟乙烯具有非常優異的耐酸堿化學液腐蝕和耐有機溶劑溶解的性能。PTFE具有很好的熱穩定性，在不超過400℃的溫度下質量幾乎不會減少。PTFE在低于熔點的溫度下幾乎不發生熱劣化。例如，PTFE即使在300℃加熱1個月，其拉伸強度也只會降低約10%～20%，在260℃長時間加熱，PTFE幾乎不會發生變化。PTFE零件常用的機加工方式有模壓加工、車加和沖壓加工，其中沖壓特別適合于生產薄的平墊片。

PTFE的成型性很大程度上取決于粉末的特性。粉末粒子較小且柔軟時，易于壓縮成型，但流動性較差；較硬而流動性好的粉末，則可用于自動壓縮成型。為了提高耐磨損性、耐蠕變性以及壓縮強度等機械性能，可以在PTFE粉末內混合各種填料?？筛鶕褂媚康模x擇如玻璃纖維、石墨、青銅、碳纖維等填料，以各種不同比率進行混合，即RPTFE。PTFE可用于加工半導體閥門的閥座和隔膜膜片等。

2.2 全氟烷氧基乙烯基醚(PFA)

PFA塑料為少量全氟丙基全氟乙烯基醚與聚四氟乙烯的共聚物，熔融流動性優良，可以像普通的熔融樹脂一樣進行加工。PFA在氯化物溶液中會稍受影響，而在其它酸、堿和有機溶劑中卻不受影響。在-200～260℃的溫度范圍內，均能保持一定的柔韌性。與PTFE相同，PFA的最高連續使用溫度為260℃。故PFA可用于加工閥門的閥嘴接口、擴口和硅片花籃等。與PTFE最主要的區別是PFA為可熔融加工的熱塑性塑料，可以通過擠出、射出、吹塑、傳遞等方法進行成型加工。PFA管具有優異的耐應力開裂性和較高的彎曲壽命，但是滲透性能不如PTFE。

集成電路工業用到的各種PFA制品可以使用注射成型來加工，一般使用螺桿式注射成型機。為了減小成型形變，模具設計時，應選擇稍大和較短的注口、流道和澆口，而且成型腔截面要接近圓形。模具應電鍍硬質鉻，并加熱到150～200℃。厚度1～2 mm的板狀制品可通過熱模壓機進行模壓成型加工，模壓機溫度應加熱到360℃，模具通常使用鍍鉻的碳鋼制成。如果成型品黏著于模具表面而不易脫模時，需使用鋁箔。

3 閥門的密封

閥門密封件除了基本的密封功能要求外，還應具備防泄漏、彈性好、蠕變性和應力松弛性低、抗壓性好、耐溫性好、耐化學品性好、環保性好等性能。氟塑料憑借其優于普通材料的功能特性表現一直深受關注，也推動了它在密封材料上的應用和研究進程[4]。

3.1 螺紋密封接頭

集成電路用超潔凈液體隔膜閥的螺紋密封接頭有三種，即：擴口式密封接頭、入珠式密封接頭和卡套式密封接頭。受國內市場驅動的影響，擴口式接頭的需求量最大，加工技術已相對成熟，產品的品質已得到了國內外客戶的認可。擴口式密封接頭的結構示意圖如圖6所示。帶有擴口的軟管前端可通過高溫加熱增強其韌性，并將其套進閥嘴的前端，直至推不動為止，隨后將螺帽通過螺紋連接抵住軟管，實現密封。

圖6 擴口式密封接頭的結構示意圖

入珠式接頭起初是日本Pillar發明的，為日本CKD半導體閥門的主打接口形式。其原理與前者類似，只是再需要借助一個入珠的接頭，本質上還是借助接頭、軟管的過盈配合和螺紋連接的鎖死來實現密封，如圖7所示。

圖7 入珠式密封接頭的結構示意圖

圖8為卡套式密封接頭的結構示意圖?？ㄌ资焦芙宇^由接頭體、卡套和螺母三部分組成。先將卡套和螺母套在管道上，插入接頭體后旋緊螺母。此時，卡套前端外側與接頭體錐面貼合，內刃均勻地咬入管道，從而形成有效密封。

圖8 卡套式密封接頭的結構示意圖

3.2 氟塑料密封墊片

目前國內生產的以PTFE為主要材料的密封墊片有2款，一款是純PTFE密封墊片，另一款是改性PTFE密封墊片。純PTFE密封墊片是由車加或者模壓成型，改性PTFE墊片是在PTFE樹脂中加入其它的功能材料來彌補純PTFE墊片某種功能特性不足的缺陷，如添加石墨改善其導熱性能、添加銅粉以改善其硬度、添加玻璃纖維以改善其強度等[5]。

3.3 氟塑料Ο形圈

目前使用最多的油封及密封圈為橡膠材料居多，但橡膠材料具有摩擦系數高、易老化，容易導致密封失效。氟塑料耐候性好、防滑性高，可以完美地取代橡膠密封材料。在國外，工程師多使用整體為氟塑料結構的油封，或在橡膠Ο形圈外部包裹氟塑料以提升其密封質量與壽命?，F如今，這種方式也逐漸得到了國內的認可。

4 集成電路用氣動液體隔膜閥生產過程中的一些問題

我國集成電路濕法設備的氣動液體隔膜閥門自主研發生產困難，生產過程中存在的問題主要表現在四個方面：

（1）原料質量難以得到保證。國產PTFE樹脂比比皆是，然而對于集成電路工藝要求來說，問題較多。如產品質量不穩定、專用樹脂品種分類不精細等，解決這些問題也是國產PTFE樹脂今后的一個方向[6]。

（2）高潔凈聚四氟類塑料件加工水平不高。高潔凈四氟類產品在國內加工量有限，國內加工廠對主要聚四氟零部件主要以機加工制造為主，缺少一次成型技術，制造的產品在實際使用中會有顆粒污染和壽命短等問題。例如隔膜閥的膜片主要由日本大金某標號PTFE粉末加工成型的，且使用需求頻繁，壽命要保證在500萬次開關后不被損壞，有了原料之后，用傳統的機加仍不能加工出合格的閥門零部件。另外一些專用設備，如高潔凈PFA擠塑機還受到西方國家的出口管制。

（3）密封性及防泄漏性難以達到標準。生產的閥門經過測試后，會出現外漏或者內漏。半導體工藝追求高純度和高配比精度，無論發生外漏還是內漏，都勢必會對下游工藝管路中的介質成分造成影響，無法實現精準的生產配比[7]。外漏易出現于閥體和閥蓋的聯接處，往往是以下幾個原因：①聯接處的螺栓出現了松動；②本身螺栓的設計強度不夠；③聯接處的密封墊片已損壞。造成內漏的主要原因有：①密封面受損；②氣動彈簧已不能再理想的工作，致使閥座與閥芯不能貼合，造成內漏。

（4）潔凈度高，難以符合要求。晶圓表面有4種常見的污染物類型，包括顆粒、有機殘留物、無機殘留物和需要去除的氧化層，哪怕一粒粉塵也會對集成電路的下游工藝造成不可逆轉及數以千萬計的經濟損失。這種問題主要是來自于材料、結構及加工工藝等多方面，比如閥門的空化氣蝕，當流道內部流體通過結構縮流處時，由于流速激增帶來的壓強驟降，壓強降至飽和蒸汽壓以下時，會產生氣泡，壓強回升后，空泡破裂，產生巨大的湍流動能，長期下去便會對閥門內壁產生破壞，從而發生顆粒污染，如何對閥門的結構進行優化減小這種失效與危害，是需要急切解決的問題。

5 結束語

超潔凈氣動液體隔膜閥結構上可分為閥座、密封接頭、閥體、隔膜膜片、墊圈、氣動隔膜和閥蓋等部件，其主要制備原料為聚四氟類塑料。目前集成電路濕法裝備中使用的隔膜閥主要來自國外，國內生產過程中主要存在原料、聚四氟塑料件加工、組裝密封等需要解決的問題。隨著對各種問題研究的深入，國產高潔凈隔膜閥正逐漸在集成電路芯片生產中得到應用。