【技术沙龙】超洁净磁悬浮无轴承泵在微电子领域的应用

求是缘半导体联盟会员单位：槃实科技（深圳）有限公司

槃实科技（深圳）有限公司成立于2019年12月，专注于磁悬浮技术在工业、尤其在泛半导体、生物医学和智能制造领域的应⽤，致力于成为中国磁悬浮技术工业应⽤的领军企业。公司基于磁悬浮核⼼技术，在半导体核心设备、生物制药、高端医疗设备、先进制造等领域进⾏应⽤推⼴及布局，提供⾯向超洁净、节能及精密控制场景的核心部件和系统解决方案，打破国际技术垄断，促进产业升级以及新质⽣产力的发展。创始团队源于瑞⼠洛桑联邦理工⼤学，是磁悬浮领域专家，深圳市“孔雀计划”海外高层次⼈才。公司自成⽴以来，已布局核心专利40余项，获得了国家级⾼新技术企业认定。项⽬获得了2022年度科技部全国颠覆性技术创新创业⼤赛总决赛最高奖，2023年完成了数千万元Pre-A轮融资，并通过了ISO9001生产体系认证。

槃实科技自主开发的PT-BPS系列磁悬浮无轴承泵产品，基于自主知识产权，核心部件全部自研自产，广泛应用于泛半导体湿法制程、医疗领域的体外循环生命支持、生物医药及精细化工等领域。

1 引言

在当今科技日新月异的时代背景下，微电子行业正以前所未有的速度发展，同时也对相关工艺设备的洁净度、精度和可靠性提出了前所未有的要求。其中，超洁净磁悬浮无轴承泵作为一项前沿技术，以其独特的无摩擦、超洁净、流量精确平稳等特性，正在重塑微电子制造领域的流体输送标准。本文旨在深入探讨磁悬浮无轴承泵的关键技术及其在微电子领域的广泛应用，揭示其如何满足行业对超洁净环境的严格要求，并引领未来微电子制造技术的发展趋势。

2 磁悬浮无轴承泵的关键技术

磁悬浮无轴承泵具有无摩擦、超洁净、流量精确平稳等多种优异特性，这得益于磁悬浮无轴承电机技术的应用，通过电磁场实现叶轮转子的5自由度悬浮控制及旋转驱动，取消了传统机械轴承和轴系，实现了无摩擦的革命性运动方式，同时避免了摩擦产生的颗粒杂质以及轴承润滑剂可能带来的污染，满足了晶圆级洁净度需求。

磁悬浮无轴承电机技术作为磁悬浮领域内的巅峰技术之一，一直存在许多技术难题，例如旋转驱动及多自由度悬浮电磁场解耦控制难题，无轴承电机需要同时实现悬浮和旋转功能，这就要求悬浮力和转矩力能够有效地解耦，以便独立控制，但这在实际操作中往往较为复杂，需要精确的控制算法和系统设计；还有高精度磁场编码及大气隙精准电磁控制难题，由于无轴承电机的特殊结构，其磁场编码必须具有极高的精度，这样才能确保叶轮转子的稳定悬浮和精确定位。然而，在实际应用中，磁场编码的精度容易受到温度变化、材料性能波动等因素的影响。因此，开发高精度、稳定性强的磁场编码技术成为关键。同时，无轴承电机中的大气隙设计也对电磁控制提出了更高的要求。大气隙能够有效扩大应用场景，并减少外界扰动使转子产生摩擦或撞机的风险，但这也增加了电磁力的衰减和控制难度，需要通过优化电磁结构设计和先进的电磁控制技术来解决，同时需要配合开发大量程高精度的位移传感器。

磁悬浮无轴承泵是以磁悬浮无轴承电机为底层技术的新型流体输送设备，对于泵类所必须的泵头和叶轮结构，也存在流体力学方面的优化问题，例如叶轮轴向力的平衡，以及大流量、高扬程、高介质温度输送能力等性能需求带来的泵头结构开发难题。同时，面对微电子领域的超洁净需求，所有过流件必须采用超纯材料并使用超洁净加工工艺，此外，微电子领域众多强腐蚀性试剂的使用，也使得该领域的泵必须具有极高的耐腐蚀性及安全性，这些都是磁悬浮无轴承泵长期以来被国外所垄断的重要原因。

图1：磁悬浮无轴承泵原理图

3微电子领域的洁净泵需求

3.1化学机械抛光

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是一种结合化学腐蚀与机械研磨的先进工艺，能够实现超精密无损伤表面加工，满足集成电路特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求，是超大规模集成电路（ULSI）制造过程中表面平坦化的关键技术之一。

在CMP工艺中，抛光液是其核心材料之一。抛光液对抛光效果、效率及最终的表面质量起决定性作用。抛光液通常由去离子水、氧化剂、腐蚀抑制剂、pH调节剂、分散剂和纳米级磨料颗粒等成分组成。每种成分在抛光过程中均发挥着重要作用。然而，抛光液中的磨料颗粒及其他化学成分在输送过程中容易发生沉降、团聚等现象，导致抛光液成分分布不均，进而影响抛光效果。此外，研磨液输送过程中要求流量均匀一致，因此如何高效、稳定地输送抛光液成为CMP工艺中的一个重要课题。

传统的研磨液供应系统通常采用气动泵作为动力装置。在其工作过程中，容积的变化必然会引起压力的波动，这也导致了研磨液供应流量的不稳定。同时，气动泵活塞直接与研磨液接触，反复碰撞易导致研磨液颗粒聚集，产生大量噪音。由于气动泵中的轴承必须润滑，其润滑油脂的油蒸汽返流会污染真空室，产生微尘颗粒。因此，传统流体输送泵已无法满足半导体先进制程日益增长的性能需求。

图2：CMP过程示意图3：CMP实际加工过程

3.2湿法清洗

清洗工艺是贯穿整个半导体制造过程中的关键环节，直接影响半导体器件的性能和良率。在芯片制造过程中，任何污染物都可能影响半导体器件的性能，甚至导致失效。因此，几乎在每一道芯片制造工序的前后都需要进行清洗工艺，以确保晶圆表面的洁净度。

半导体生产中的清洗工艺分为湿法和干法两种，其中湿法工艺占据了90%的比例，包括单片清洗、槽式清洗、兆声清洗等多种工艺路线。而无论采用哪种湿法清洗工艺，都离不开超纯水的使用。半导体精密加工所需的超纯水要求其电阻率无限接近18.24兆欧厘米，水质接近绝对纯度，因此对流体输送设备的洁净度要求也极高。除纯水外，为了有效清除各类金属离子、有机物等杂质，不同工艺路径会使用腐蚀性试剂以增强清洗效果，同时清洗步骤的数量约占所有芯片制造工序步骤的30%以上，若流体输送设备出现意外故障，将会影响整个生产环节，带来巨大的经济损失。因此，除洁净度需求外，还对泵设备的耐腐蚀性、安全性、可靠性和免维护性提出了严苛的要求。

图4：晶圆单片清洗过程

3.3电镀

在半导体制造过程中，电镀是一项关键的金属化技术，用于在基板和载板等表面形成金属层，从而实现电路的互连。电镀工艺中，电镀液的质量和稳定性对最终金属层的互联性能至关重要。

电镀液通常由金属离子、络合剂、缓冲剂和添加剂等组成。在电镀过程中，需要对电镀液的流量稳定性、温度以及颗粒等杂质进行严格控制。半导体器件的高性能依赖于电镀层的均匀性和一致性，而流量的稳定性是实现这一目标的关键因素之一。如果流量不稳定，可能导致局部电流密度和电镀液中各组分比例的变化，进而影响镀层的厚度和均匀性。

电镀液的温度直接影响金属离子的活性和沉积速率。温度过高可能导致镀层出现裂纹或孔洞，而温度过低可能导致镀层不连续或粗糙。温度的变化还可能影响添加剂的溶解度、活性及其与金属离子的相互作用，从而影响镀层的性能。此外，电镀液中的颗粒等杂质也需要严格限制，因为任何外来颗粒的污染都可能导致电镀层的缺陷，如短路、开路或局部厚度不均，从而影响器件的性能和可靠性。

在半导体行业中，常用的隔膜泵、风囊泵等容积泵都存在流量脉动的问题，并且与磁力泵一样，无法避免因摩擦带来的颗粒污染。另外，磁力泵由于使用机械轴承，导致温升控制较差。随着金属互连精度的不断提升，这些问题已逐渐难以接受。

图5：先进封装电镀工艺示意图

3.4太阳能电池及平板显示器制造

太阳能电池及平板显示器的制造过程同样涉及多种湿法工艺，例如制绒清洗、湿法刻蚀和去胶等环节。这些工艺对相关试剂的颗粒杂质限制及洁净度等要求极为严格，虽然其严苛程度不及半导体晶圆制造环节，但传统泵类设备由于不可避免地受到摩擦和机械轴承的影响，在长期稳定输送洁净流体方面仍存在明显的不足之处。

4磁悬浮无轴承泵的核心优点

（1）无摩擦、超洁净

磁悬浮无轴承泵采用磁悬浮无轴承电机技术，实现叶轮的完全悬浮和无摩擦运行，从根本上杜绝了颗粒杂质的产生。取消机械轴承的同时，也避免了润滑剂污染和金属离子等杂质的引入。过流部件全部采用超纯材料，能够满足SEMI F57甚至更严苛的检测要求，完美满足半导体先进制程及其他超洁净领域的流体输送需求。

（2）流量精准、无脉动

不同于隔膜泵、风囊泵等容积泵，磁悬浮无轴承泵属于离心泵，不依靠容积变化驱动流体，因此不存在脉动问题。同时，磁悬浮无轴承泵能够实现转速的实时调控和叶轮的精准悬浮，使流体输送效果达到连续、平稳、精确。

（3）耐腐蚀、高安全

由于磁悬浮无轴承泵取消了传统轴系和轴承，泵头与电机之间的连接不涉及密封问题，两者可以完全分离且不产生液体泄漏，具有极高的安全性。这对于有毒、有害介质的输送场景尤为重要。同时，泵头及叶轮材质可选用超纯特氟龙材料，能够满足湿法工艺中常用到腐蚀性试剂的需求。

（4）免维护、长寿命

磁悬浮技术的优势还在于实现无摩擦的同时，降低了摩擦损耗带来的维护需求。传统隔膜泵、磁力泵由于摩擦问题，需要频繁更换膜片或轴承，这对半导体等先进制造行业的生产效率产生严重影响。相比之下，磁悬浮无轴承泵具有更长的整体使用寿命，这不仅得益于无摩擦特性，还因为其高度集成化的设计。

图6：磁悬浮无轴承泵泵头爆炸视图

5 磁悬浮无轴承泵产品系列

现如今以半导体先进制造为首的微电子行业正在快速发展，相关制程工艺不断升级，磁悬浮无轴承泵作为高端工艺设备的核心零部件不可或缺，但长期以来只能依赖进口满足日益增长的需求，随着中美贸易战的不断升级及持续，该部件的进口已十分困难，国内相关行业的发展受到巨大制约。

为解决受制于人的窘境，完成国产替代，槃实科技不断投入研发，在国内率先突破了业内最大功率的磁悬浮无轴承的量产（PT-BPS-4000）,并且完成了主流型号的全覆盖，包括PT-BPS-200、PT-BPS-300、PT-BPS-600、PT-BPS-2000、PT-BPS-4000，相关产品的稳定性得到了业内客户的一致认可，助力国内的高端制造业不断升级，并将继续致力于用磁悬浮技术为更多的产业进行赋能！

图7：槃实科技多型号磁悬浮无轴承泵

6总结

磁悬浮无轴承泵凭借其无摩擦的革命性运动方式，展现出超洁净、流量精准平稳及安全可靠等诸多优势，在泛半导体等超洁净应用场景中占据了不可或缺的重要地位。然而，以磁悬浮无轴承电机为基础技术的多项难题，形成了较高的技术壁垒，这也是其长期被国外垄断的主要原因之一。以槃实科技为代表的国内厂商，凭借自身实力不断突破技术封锁，在国产替代的道路上奋勇前行，为超洁净磁悬浮无轴承泵的广泛应用以及国内半导体先进制程等高端制造业的快速发展提供了重要保障。

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