基于湿法清洗设备自动供液系统的研究

张 润，张 峰，王 玉，郭帝江

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于湿法清洗设备自动供液系统的研究

张 润，张 峰，王 玉，郭帝江

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

湿法清洗设备是半导体清洗行业中最普遍的设备，其电气控制方式受环境因素影响有其特殊性和专业性，清洗设备中的电气控制需要配合其清洗的特殊工艺而实现。同时清洗工艺过程具有强腐蚀性，也应该考虑电气设备的安全耐腐蚀防护。

自动供液；计量泵；流量计

1 概述

常见的湿法清洗设备中用到的化学试剂大多为：99%的浓硫酸、H3PO4、HF、KOH、HCl等强腐蚀性溶液。以往清洗设备中所需的化学溶液均采用人工手动添加的方式，人工手动添加对设备操作人员存在一定的安全隐患，另外受人为因素影响，每次溶液的配置精度均不相同。故目前很多RCA清洗设备采用计量泵自动供液的方式来添加溶液[1]，既解决了之前存在的一些问题，同时也大大的提高了清洗设备对自动化程度的要求。

2 自动供液系统

随着清洗工艺要求的不断提高，对计量泵的计量精度、自动化程度等都提出了较高的要求，频率调节是计量泵控制器计量的重要方式。本文要介绍的自动供液方式是基于计量泵来实现的，该系统增加了自循环和除泡的功能，大大的提高了系统的供液精度。

2.1 传统自动供酸系统组成

传统供酸系统由供液柜、供液源、传输系统，流量控制系统等组成[2]。供酸原理如图1所示。

图1 强酸化学供液系统原理图

2.2 改进后自动供液系统组成

计量泵作为流体精密计量的理想设备，在化学工艺过程中承担着强毒害性、腐蚀性、高压介质和高粘性的计量添加任务。并且广泛应用于制药行业、食品饮料以及石油化工行业在内的众多领域之中。

计量泵的过流端材质是根据添加溶液的化学性质来选型的，常见的清洗设备中计量泵的材质是PVDF的泵头和膜片。

本文介绍的自动供液系统在传统的供液系统基础上增加了自循环和除泡装置。现供液系统包含：供液源、供液泵、过滤器、自循环、除泡器、供液管道等。图2为自动供液示意图。

图2 自动供液示意图

2.3 自动供液系统流程

本系统使用一种化学溶液，配备2只供液桶(1#和2#供液桶)一备一用，可以实现不间断供液。假设1#桶为主供液桶，2#桶为备用供液桶。自循环流程为：1#桶→1#阀→2#阀→计量泵→3#阀→4#阀→1#桶；除泡流程为：1#桶→2#阀→计量泵→3#阀→除泡器→10#阀→5#阀→1#桶；自动添加流程为：1#桶→2#阀→计量泵→3#阀→除泡器→9#阀→11#阀→BOE实验槽。当1#桶内无溶液时，可以按图2中切换按钮，手动切换到2#桶继续供液。

8月28日，湖北省发改委已正式同意“东风汽车集团股份有限公司在武汉市建设乘用车扩建项目”，据了解，该项目将用于提升东风日产的在华产能，但是具体运营模式仍处在内部探讨阶段。新工厂位于武汉经济技术开发区凤凰工业园，分两期建设，年产能30万辆，能够生产包括乘用车（含传统燃油车和纯电动车型）及其他类乘用车（含传统燃油车和混合动力车型），建设期为2019年1月至2022年12月。该项目总投资为98.51亿元，其中东风公司持有66.86%的股份。

每个供液桶都配有液位传感器，传感器可检测到桶内液位情况，由计量泵自动进行供液，空桶时系统会在上位机中提示报警，提醒操作人员及时补液。原液在添加时桶内充一定压力的氮气，经过气动隔膜泵传输，泵和气动隔膜阀的切换，最终经过流量开关进入混合配液槽。供液管路在隔膜泵下侧均设有流量传感器，当运行时，流量传感器未检测到液体流过将自动关闭，并发出报警信号。

3 计量泵的控制

计量泵流量计量的控制主要通过冲程长度和频率两个因素来实现，而目前计量泵流量控制的主要方式是频率调节。湿法清洗设备的自动供液系统对于计量泵的计量精度有较高的要求，所以采用合理的控制方式来精确的衡量计量泵的吐出量与冲程长度和频率的关系，是自动供液系统的主要工作。

当计量泵的控制器接收到单片机或PLC输出的脉冲信号时，计量泵的控制器通过计数控制的方法，按照乘法运算法则响应外部脉冲信号，即输入一个外部脉冲信号，计量泵动作n次。一般计量泵的脉冲控制存储器有脉冲的最大存储数，所以在设定响应外部脉冲信号的泵动作时，需要考虑最大添加量[3]。

图3 外部脉冲信号控制泵的动作

采用计数控制方法时，计量泵的冲程频率默认为最大，那么决定计量泵的添加量的因素是输出脉冲数以及冲程长度。首先需要计算出单位脉冲计量泵的添加量。通过多次添加的方式，用标准筒来测量添加量，计量泵每次添加的总量等于单位添加量的整数倍，通过输出脉冲到计量泵对溶液进行添加。

为使系统添加精度更加准确，供液系统应该增加一个中间缓冲罐，同时配有液位传感器，当液位过低时，控制系统发出报警提示不能添加溶液，并及时进行补液。

计量泵的计量精度除了受冲程和频率两个因素影响之外，出液口的压力也是一个不可忽略的因素，故为了更加精确的衡量计量精度，一般在出液口的管道处安装背压阀和止回阀。

4 计量泵实际流量的测定

计量泵的计量精度在溶液添加过程中存在一定的误差，其中实际添加的流量可以通过以下方法进行测定：

1) 定容法：定容法是将计量泵泵出的溶液注入到已知容积的容器中，同时监测计量泵的转数，计量泵的流量可以通过以下公式计算得出：

式中：Q为计量泵流暈，cm3/r；V为容器的容积，cm3；n为计量泵的转数，r。

2) 直接法：

式中：Q为计量泵流量，cm3/r；q为流量传感器测得的流量，cm3/min；w为计量泵的转速，r/min。

5 自动供液精度对比

增加了自循环和除泡功能的自动供液系统相比较于单纯通过管道直接添加溶液的系统，供液精度有了很大的提高。见表1所示。

表1 供液精度对比

添加相同容积液体情况下，增加了自循环和除泡功能系统的供液精度比传统自动供液系统的供液精度提高了近10%。

6 总结

以计量泵为基础，增加了自循环和除泡功能的自动供液系统，具备较高的自动化程度，在实际应用中能实现溶液的自动定量添加，计量误差较小，并且可以避免由于人为误操作或疏忽而导致的安全事故发生。

[1] 傅鹏，廖富迎.过氧乙酸自动添加系统的设计与应用[J].研制与开发,2011,17(6):32-24.

[2] 祝福生.LED湿法清洗设备CDS设计[J].电子工业专用设备,2013(6):43-45.

[3] 邓鸿英，张生昌，牟介刚，等.基于单片机的计量泵流量控制器[J].工业仪表与自动化装置,2009(3):51-53.

Automatic Chemical Acid Supply System Based on Meter Pump

Zhang Run, Zhang Feng, Wang Yu, Guo Dijiang

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Water wet cleaning equipment is the most common and necessary equipment in the semiconductor industry. Its electrical control parts have its particularity and specialization because of the influence of environmental factors. The electrical control in the cleaning equipment needs to be matched with the special process of cleaning. At the same time, for it has strong corrosivity in cleaning, the durability corrosion protection should also be considered for the safety of the electrical equipment.

automatic liquid replenishment; metering pump; flowmeter

2016-10-12

张 润(1987- )，女，山西怀仁人，助理工程师，硕士研究生，主要从事半导体清洗设备的研发。

1674- 4578(2016)06- 0080- 02

TP29

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