湿法工艺设备高温化学液的直排技术研究

吴 ，祝福生，赵宝君，秦亚奇，安稳鹏

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

湿法工艺设备中，经常使用120℃的SPM溶液以及80℃的强酸强碱类化学液。在半导体产业高速发展的今天，120℃的工艺温度已无法满足部分工艺需求。例如图形化衬底工艺（PSS）、外延层腐蚀工艺等，经常会使用到工艺温度为160℃的SPM和温度为270℃的H2SO4+H3PO4混合液[1]。

随着工艺温度的升高，更换化学液时的换液时间成倍增长，大大的降低了生产效率。然而，近年来我国半导体产业突飞猛进，半导体晶圆的市场需求量不断增加，生产效率极为重要。

1 国内外研究现状

目前国内外市场上，湿法工艺设备中高温化学液的排放方式主要是在工艺槽内降温后排放。降温过程中，工艺槽无法生产。其降温方式主要有以下3种：

1）自然冷却：降温时间长，通常情况下需要降温十几个小时；

2）鼓氮：冷氮气经过化学液带走热量，从而达到降温的效果；该方法需要消耗大量的高纯氮气，必须保证排风强度，且通冷氮气的过程中存在化学液飞溅及槽内压力过高等安全隐患；

3）增设冷却盘管：盘管内通入循环冷却水带走热量；冷却盘管制造成本高，一旦盘管发生漏水等缺陷，冷却水会与化学液发生剧烈反应，加大安全隐患。

2 气虹吸吸液器和水虹吸泵的工作原理

射流泵是依靠一定压力的工作流体通过喷嘴高速喷出带走被输送流体的机械元件，其结构简单，属无动力元件[2]。

射流泵原理的实质如图1所示。工作流体从喷嘴高速喷出时，在喉管入口处因周围的空气被射流卷走而形成真空，被输送的流体即被吸入。

图1 射流泵原理

虹吸是利用液面高度差，将液体充满一根倒U形的管状结构内后，将开口高的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管向更低的位置流出[2]。

虹吸原理的实质如图2所示。因为h2＜h1，所以根据帕斯卡定律P=ρgh，装置中高位管内的液体压强小于低位管的液体压强，另外，在A点跟B点分别有大气压的作用，大气压表现为上低下高，但在此处A点与B点间高度相对地球的大气压计算高度来说，可以忽略两者间的大气压强差值。所以，P1-ρgh1＜P2-ρgh2，即C点左端的压强小于C点右端的的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，液体沿着虹吸管从B点向A点流动。

图2 虹吸原理示意图

假设图2中A点处的截面为1-1断面，B点处的截面为2-2断面，列伯努利方程，取速度ν1=0，得：

其中hvmax为最大真空高度；hs为A点的压力水柱高度，一般取hs=1.0～2.0 m水柱高度；

hv为当地大气压水柱高度，一般取[hv]=7～8.5 m水柱；

λ为吸水管沿程摩阻系数；∑ζ-吸水管各项局部水头损失系数之和

即保证虹吸管正常工作，必须满足hvmax＜[hv]。

在湿法工艺设备中工艺槽和副槽之间距离较近，管路连接尺寸一般在0.8～1.5 m，远小于最大真空高度，可以满足虹吸排放要求。

3 气虹吸液器和水虹吸泵材料的选用

湿法工艺设备中使用的虹吸管，可供选择的材料有石英、PTFE、PVDF等。考虑到材料的耐温性能、热稳定性等，优先选择石英材料。

气虹吸过程中，只需要在排放开始时，往喷嘴吹一路氮气，将化学液吸入虹吸管内。当液体充满虹吸管后，即可利用虹吸现象将化学液排空。且石英材料内壁光滑，热稳定性好。气虹吸管结构示意如图3所示。在吸液器端部增加旁路，该旁路接氮气，用于真空破坏，其目的在于排放过程中可以随时终止排放。

图3 气虹吸管结构示意

然而水虹吸直排过程中，需要一直注水降温，才可以达到直排至废液管路的基本条件。虹吸泵一端为温度很高的化学液，一端为冷水，石英材料虽然热稳定性极高，但是内部结构中长期存在温差骤变，在温差骤变处容易断裂，安全性难以保证，所以水虹吸泵选用PTFE材料。水虹吸泵结构如图4所示。

图4 水虹吸泵结构示意

4 关键尺寸喉嘴距和喷嘴直径的确定

目前国内外学者均对液气射流泵的结构参数、工况条件等进行过深入研究，研究表明，在液气射流泵的设计应用中，其结构参数（尤其是喉嘴距）对射流泵的性能影响很大，喉嘴距L即喷嘴出口与喉管起点的距离（见图4）。喷嘴距对液气射流泵效率的影响存在最优范围，大致在1～1.7倍喷嘴直径之间[4-6]。若喷嘴距过小，两相流接触表面积很小，对气体的卷吸性能较差。若喷嘴距过大，虽然接触表面积增大了，但同时会在喷嘴与喉管入口之间形成很大漩涡，导致能量损失增大，不仅不能很好地吸气，甚至会产生倒吸现象[3-6]。

4.1 气虹吸关键尺寸喉嘴距和喷嘴直径的确定

采用的工作流体不同，其密度、黏度等都存在差异，射流管的结构也有所区别。实验过程中发现，工作流体为氮气时，采用1.5倍喉管距，取喷嘴直径d=1.5 mm，喉管距L=2.5 mm，实验失败，无法将化学液排出。

通过多次实验，调整喉嘴距L，最终确定喷嘴直径d=1.5 mm，喉管距L=6 mm时，排放效果最好，可以将工艺槽内液体抽空，排放时间短，此时喉嘴距为4倍的喷嘴直径。实验数据如下：

喷嘴直径（d）/mm 1.5喉嘴距（L）/mm 2.5 4.5 6 10排空情况无法排放可以排放，但是排放提前停止，槽内仍有残余化学液，无法实现化学液的排空。可以排空，且排放时间最短，排空时间在4～5 min。排空效果良好，但是排放过程中，吸入室内产生旋涡，排空时间过长。

利用FLUENT计算仿真，得出以下结果：

1）喉嘴距L=2.5 mm时，转化为速度参数，其速度矢量图如图5所示。

图5 L=2.5 mm，喷嘴出口附近速度矢量图

结果分析：氮气快速地进入了喉管，但是氮气与管内气体的接触面积很小，氮气与管内气体之间的动量交换过程过短，未能将吸入室内部的气体抽空，真空度不足。无法排放化学液。

2）喉嘴距L=6 mm时，转化为速度参数，其速度矢量图如图6所示。

图6 L=6 mm，喷嘴出口附近速度矢量图

结果分析：该状态下，实现了化学液的排空，排放时间仅为4～5 min，排放效果好。

氮气从喷嘴高速射出后，带动了周围流场，将槽内化学液吸出，起到了排放的目的。

3）喉嘴距L=10 mm时，转化为速度参数，其速度矢量图如图7所示。

如图7所示，氮气在喷嘴到喉管处形成了两个旋涡，损失部分能量，且在吸入室内液体产生了回流，排放效率降低，排放时间约10 min。

图7 L=10 mm，喷嘴出口附近速度矢量图

4.2 水虹吸泵关键尺寸喉嘴距和喷嘴直径的确定

做水虹吸实验时，以参考文献作为理论依据，采用1.5倍喉嘴距。通过FLUENT计算仿真，最终实验结果为取喷嘴直径d=2 mm，喉管距L=3 mm，排放效果良好，排空时间在3～5 min。

利用FLUENT计算仿真，喷嘴直径2 mm，喉管距L=2.5 mm时，排放效果较差，速度矢量图（见图5）。

利用FLUENT计算仿真，喷嘴直径2 mm，喉管距L=3 mm时，可以实现化学液的排空，排空时间在3～5 min，速度矢量图（见图6）。

5 结 论

利用射流泵原理可以将吸液器中的气体抽空，形成真空环境，再结合气虹吸原理，利用高度差，实现将工艺槽内的高温液体直接排放至副槽的功能。

通过实验验证得知：

a.使用氮气为射流泵的工作流体，喷嘴直径为1.5 mm，喉嘴距为6 mm，此时喉嘴距为4倍的喷嘴直径，此时，在本套化学液系统中，排放速度快，无残液，排空效果最好。

b.使用水为虹吸泵的工作流体时，取喷嘴直径2 mm，喉管距L=3 mm，喉嘴距为1.5倍喷嘴直径时，能够高效的完成排空过程，并且起到有效降温的作用。

整套虹吸排放系统如图8所示，结构简单，无动力元件，安全可靠，排放效率高，可以有效的提高生产效率，提高产能。

图8 气虹吸系统结构示意