龐昊斐　祝錫晶　趙軒達(dá)

(①中北大學(xué)山西省先進(jìn)制造重點實驗室，山西 太原 030051；②北京清大天達(dá)光電科技股份有限公司，北京 101204)

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高速氣流噴射干式清洗理論及實驗研究

龐昊斐①②祝錫晶①趙軒達(dá)①②

(①中北大學(xué)山西省先進(jìn)制造重點實驗室，山西 太原 030051；②北京清大天達(dá)光電科技股份有限公司，北京 101204)

為進(jìn)一步發(fā)展環(huán)保經(jīng)濟的清洗方式，提出一種高速氣流噴射的干式清洗方法。建立了高速氣流噴射條件下去除光滑表面球形微粒的物理模型，將拖拽力與粘附力的比值定義為無量綱的再懸浮參數(shù)F*并給出其值的計算方法。選取玻璃基板和單晶硅片為樣本平面、單分散的聚苯乙烯微粒為樣本微粒，進(jìn)行高速氣流噴射清洗實驗，實驗探討了F*與去除效率的關(guān)系。結(jié)果表明：高速氣流噴射法為去除光滑表面微粒的有效方式；再懸浮參數(shù)F*可以作為評估去除效率的有效依據(jù)。

干式清洗；高速氣流噴射；再懸浮參數(shù)；去除效率

清洗技術(shù)的發(fā)展對于處理微電子、半導(dǎo)體和光學(xué)工業(yè)中亞微米顆粒的污染[1-2]、室內(nèi)有毒氣體和粉塵污染[3]以及核污染[4]有重要意義。在微電子產(chǎn)品的制備工藝過程和搬運包裝過程中，塵埃粒子、纖維紙屑和SiO2等無機微粒附著在產(chǎn)品表面會造成產(chǎn)品缺陷[5]。隨著產(chǎn)品制備工藝條件的越加嚴(yán)格精準(zhǔn)，污染物的去除要求也越來越苛刻，環(huán)保經(jīng)濟的高效清洗方法亟待研發(fā)。

清洗方式主要分為兩大類，即以液體為清洗介質(zhì)的濕式清洗和以氣體為清洗介質(zhì)的干式清洗。濕式清洗以其高清洗性能和低清洗成本而得到普遍應(yīng)用。近幾年，出現(xiàn)了二流體清洗[6]、超聲清洗[7]等新型的濕式清洗技術(shù)。然而在濕式清洗中，沖洗過程會產(chǎn)生水痕等二次污染，干燥過程會增加額外的能量消耗，酸類等化學(xué)添加劑的使用會對環(huán)境造成危害。此外，一些硅晶片和玻璃基板需要在高真空環(huán)境下制備，水吸附在表面會造成產(chǎn)品缺陷。隨著濕式清洗弊端的顯露，先進(jìn)的干式清洗方法大量涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展。Yi-Hung Liu等[8]研究了干冰微粒噴射清洗法去除效率的影響因素，發(fā)現(xiàn)在-70 ℃左右的環(huán)境下去除效率最高。Ye Y等[9]采用激光等離子體沖擊波清洗法去除K9玻璃表面的SiO2污染顆粒，去除率達(dá)到95%以上。干式清洗方法已實現(xiàn)對環(huán)境無污染的高效清洗，但由于其清洗成本較高，并不能得到普及。

為進(jìn)一步發(fā)展環(huán)保經(jīng)濟的高效清洗方式，本文提出一種高速氣流噴射的干式清洗方法，即通過高速氣流產(chǎn)生大于微粒與被清洗表面粘附力的拖拽力，將微粒分離去除。建立高速氣流作用下表面微粒去除的物理模型，用再懸浮參數(shù)關(guān)聯(lián)去除效率，設(shè)計實驗驗證所建模型和去除效率關(guān)聯(lián)的有效性。

1　表面微粒去除的物理模型

圖1所示為高速氣流噴射條件下去除表面微粒的物理模型。一個直徑為d的球形微粒粘附在光滑表面，在粘附力Fad的作用下，微粒發(fā)生變形α并產(chǎn)生一個半徑為r的接觸面。高速氣流作用在微粒表面A點的拖拽力為Fd，其方向由θ角確定，作用點的位置由Φ角確定。

微粒與光滑表面發(fā)生分離的初始過程可能出現(xiàn)3種運動狀態(tài)[10]：拉升脫離表面、沿表面滑動和沿表面滾動。沿表面滾動為微粒初始運動的主要方式[11]，設(shè)B點為旋轉(zhuǎn)點，通過力和力矩平衡關(guān)系建立微粒初始滾動時刻粘附力和拖拽力之間的平衡方程，定義無量綱的再懸浮參數(shù)F*為：

(1)

其中：α為微粒變形量，(ax，ay)為A點的坐標(biāo)。再懸浮參數(shù)F*可由拖拽力Fd與粘附力Fad的比值或噴氣角度和拖拽力作用點的關(guān)系確定。

微粒與表面的粘附力主要有范德華力、靜電力、磁力和毛細(xì)力。對于低相對濕度環(huán)境下的中性微粒而言，范德華力在粘附力中起主要作用[12]。直徑為d的球形微粒與光滑表面間的范德華力Fv為[13]：

(2)

式中：A為微粒吸附在表面時的Hamaker常數(shù)；z為微粒分子表面與平面分子表面之間的最短距離，本文取z=0.1 nm[14]。

假設(shè)高速氣流從噴嘴口均勻穩(wěn)定噴出，根據(jù)氣體阻力方程，高速氣流作用于球形微粒表面形成的拖拽力Fd為：

(3)

式中：Cd為無量綱的風(fēng)阻系數(shù)；ρa為氣體密度；va為氣體流速。ρa和va由噴嘴的噴射壓力確定。

假定高速氣流在噴嘴中為絕熱膨脹，則氣體流速va為：

(4)

式中：Pu為噴嘴壓力腔內(nèi)的壓力；γc為臨界壓力比；Q為大氣壓P0下的氣體流速；As為噴嘴口橫截面。

(5)

其中：k為氣體比熱比。

氣體密度ρa可通過維里狀態(tài)方程近似計算：

(6)

其中：M為氣體平均相對分子質(zhì)量；Rg為理想氣體常數(shù)；T為氣體的熱力學(xué)溫度；Bv為第二維里系數(shù)。

當(dāng)雷諾數(shù)Re在2～500之間時，球形微粒在氣流中的風(fēng)阻系數(shù)Cd為[15]：

(7)

其中：μ為氣體動力粘度系數(shù)。將式(7)代入式(3)中得到：

(8)

將式(2)、(8)代入式(1)中，得到：

(9)

根據(jù)式(9)可計算出高速氣流作用下表面粘附微粒的再懸浮參數(shù)F*。為研究F*與去除效率之間的關(guān)系，設(shè)計實驗驗證F*是否可以有效關(guān)聯(lián)高速氣流作用在表面微粒的去除效率。

2　實驗及結(jié)果分析

2.1實驗設(shè)備

圖2所示為高速氣流噴射干式清洗系統(tǒng)的原理圖。高速氣流噴射干式清洗系統(tǒng)主要由增壓風(fēng)機、清洗頭、控制操作箱、過濾和冷卻裝置組成。增壓風(fēng)機將低壓氣體鼓入，壓縮氣體產(chǎn)生高速氣流，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)冷卻和空氣過濾器過濾后流入清洗頭。圖3為清洗頭的結(jié)構(gòu)示意圖，在清洗頭中，高速氣流流入壓力腔，被空氣壓縮機構(gòu)再次壓縮，從直徑0.5 mm的噴嘴口噴出。為防止二次揚塵，從表面分離出的微粒被吸入清洗頭真空腔，實現(xiàn)表面微粒的去除。

2.2實驗條件

表面微粒的去除實驗在上述高速氣流噴射干式清洗裝置中進(jìn)行。實驗參數(shù)見表1，選取直徑為4英寸的單晶硅圓片和150 mm×150 mm的玻璃基板作為樣本平面，采用單分散的聚苯乙烯微粒作為樣本微粒。實驗參數(shù)在實驗中保持不變。

表1實驗參數(shù)

參數(shù)數(shù)值樣本平面材料單晶硅片;玻璃基板球形微粒材料聚苯乙烯微粒直徑d/μm0.5;1.0壓力腔氣壓/kPa200～600噴氣時間/s0～20噴嘴口至表面距離l/mm5環(huán)境溫度/(℃)25相對濕度/(%)20～25

(10)

2.3實驗結(jié)果分析

通過式(9)可計算出在不同噴嘴壓力和微粒直徑下去除單晶硅片(A聚苯乙烯-單晶硅片=1.29×10-19J)和玻璃基板(A聚苯乙烯-玻璃基板=8.34×10-20J)表面聚苯乙烯微粒的再懸浮參數(shù)F*，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，無論表面材料為玻璃基板還是單晶硅片，再懸浮參數(shù)F*都隨著噴嘴壓力的增大而變大。相同噴嘴壓力下，玻璃基板的F*值大于單晶硅片F(xiàn)*值，預(yù)示著聚苯乙烯微粒從玻璃基板表面去除要比從單晶硅片表面去除更容易。當(dāng)表面材料和噴嘴壓力相同，而微粒直徑分別為1.0 μm和0.5 μm時，前者的F*值較大，表明在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，大微粒比小微粒更容易被去除。

選擇微粒不易被去除的單晶硅片作為表面材料，當(dāng)噴嘴壓力和微粒直徑為290 kPa、1.0 μm或390 kPa、0.5 μm時，F(xiàn)*=1；當(dāng)噴嘴壓力和微粒直徑為195 kPa、1.0 μm或240 kPa、0.5 μm時，F(xiàn)*=0.5。選取單晶硅片為樣本平面，在上述4種噴嘴壓力和微粒直徑條件下，進(jìn)行單晶硅片表面微粒的去除實驗，并在試驗結(jié)束后計算去除效率。

以單晶硅片為樣本平面，在不同噴嘴壓力和微粒直徑下的去除效率如圖5所示。

從圖5中可以看出，相同的樣本平面在不同的噴嘴壓力和微粒直徑條件下，去除效率都隨著噴氣時間的增加而變大，當(dāng)噴氣時間相同時，若F*值相近則去除效率也相近。這表明表面材料相同時，去除效率與再懸浮參數(shù)F*具有很好的一致性。F*成為評估單晶硅片表面聚苯乙烯微粒去除效率的關(guān)鍵參數(shù)。

分別以玻璃基板和單晶硅片為樣本平面，在不同噴嘴壓力和微粒直徑下的去除效率如圖6所示。

從圖中可以看出，當(dāng)噴氣時間相同時，對比不同表面材料下的F*值，若F*值相近，則去除效率也相近。這表明表面材料不同時，去除效率與再懸浮參數(shù)F*也具有很好的一致性。

3　結(jié)語

本文提出一種高速氣流噴射干式清洗方法，通過理論和實驗展開初步研究。在高速氣流噴射條件下建立了光滑表面球形微粒的去除模型，提出再懸浮參數(shù)F*及其計算方法，通過實驗探討了F*與去除效率的關(guān)系。

實驗結(jié)果表明：高速氣流噴射法為去除光滑表面微粒的有效方式；玻璃基板表面微粒的去除要比單晶硅片表面微粒的去除更容易；當(dāng)微粒尺寸在亞微米～微米級時，大微粒比小微粒更容易被去除；使用高速氣流噴射的方法去除光滑堅硬表面(只有微粒產(chǎn)生變形)上亞微米～微米級的球形微粒時，再懸浮參數(shù)F*可以作為評估去除效率的有力依據(jù)。

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Theoretical and experimental study of dry cleaning method using high-speed air jet

PANG Haofei①②, ZHU Xijing①, ZHAO Xuanda①②

(①Key Laboratory for AMT of Shanxi, North University of China, Taiyuan 030051, CHN;②Beijing TSTD Photoelectric Technology Co., Ltd., Beijing 101204, CHN)

In order to develop an economical environmentally friendly cleaning method, a new dry cleaning method using high-speed air jet is investigated. A physical model of the removal of spherical particles on smooth surface is established under the condition of high-speed air jet. A calculation method of the dimensionless resuspension parameterF*which is defined as the ratio of drag force to adhesion force is given. Cleaning experiments using high-speed air jet are carried out with monodisperse polystyrene particles on glass substrate and monocrystalline silicon wafer plate. The relationship betweenF*and the removal efficiency is discussed during the experiment. As an experimental result, it is found that the cleaning method using high-speed air jet is an effective way to remove the particles on the smooth surface. Furthermore,F*can be taken as a key parameter to evaluate the removal efficiency.

dry cleaning; high-speed air jet; resuspension parameter; removal efficiency

X513；0355

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.013

龐昊斐，男，1990年生，碩士，研究方向為超聲加工、超聲清洗技術(shù)。

(編輯汪藝)(2016-01-26)

160722