求是緣半導體聯盟會員單位：槃實科技（深圳）有限公司
槃實科技（深圳）有限公司成立于2019年12月，專注于磁懸浮技術在工業、尤其在泛半導體、生物醫學和智能制造領域的應?，致力于成為中國磁懸浮技術工業應?的領軍企業。公司基于磁懸浮核?技術，在半導體核心設備、生物制藥、高端醫療設備、先進制造等領域進?應?推?及布局，提供?向超潔凈、節能及精密控制場景的核心部件和系統解決方案，打破國際技術壟斷，促進產業升級以及新質?產力的發展。創始團隊源于瑞?洛桑聯邦理工?學，是磁懸浮領域專家，深圳市“孔雀計劃”海外高層次?才。公司自成?以來，已布局核心專利40余項，獲得了國家級?新技術企業認定。項?獲得了2022年度科技部全國顛覆性技術創新創業?賽總決賽最高獎，2023年完成了數千萬元Pre-A輪融資，并通過了ISO9001生產體系認證。
槃實科技自主開發的PT-BPS系列磁懸浮無軸承泵產品，基于自主知識產權，核心部件全部自研自產，廣泛應用于泛半導體濕法制程、醫療領域的體外循環生命支持、生物醫藥及精細化工等領域。
1 引言
在當今科技日新月異的時代背景下，微電子行業正以前所未有的速度發展，同時也對相關工藝設備的潔凈度、精度和可靠性提出了前所未有的要求。其中，超潔凈磁懸浮無軸承泵作為一項前沿技術，以其獨特的無摩擦、超潔凈、流量精確平穩等特性，正在重塑微電子制造領域的流體輸送標準。本文旨在深入探討磁懸浮無軸承泵的關鍵技術及其在微電子領域的廣泛應用，揭示其如何滿足行業對超潔凈環境的嚴格要求，并引領未來微電子制造技術的發展趨勢。
2 磁懸浮無軸承泵的關鍵技術
磁懸浮無軸承泵具有無摩擦、超潔凈、流量精確平穩等多種優異特性，這得益于磁懸浮無軸承電機技術的應用，通過電磁場實現葉輪轉子的5自由度懸浮控制及旋轉驅動，取消了傳統機械軸承和軸系，實現了無摩擦的革命性運動方式，同時避免了摩擦產生的顆粒雜質以及軸承潤滑劑可能帶來的污染，滿足了晶圓級潔凈度需求。
磁懸浮無軸承電機技術作為磁懸浮領域內的巔峰技術之一，一直存在許多技術難題，例如旋轉驅動及多自由度懸浮電磁場解耦控制難題，無軸承電機需要同時實現懸浮和旋轉功能，這就要求懸浮力和轉矩力能夠有效地解耦，以便獨立控制，但這在實際操作中往往較為復雜，需要精確的控制算法和系統設計；還有高精度磁場編碼及大氣隙精準電磁控制難題，由于無軸承電機的特殊結構，其磁場編碼必須具有極高的精度，這樣才能確保葉輪轉子的穩定懸浮和精確定位。然而，在實際應用中，磁場編碼的精度容易受到溫度變化、材料性能波動等因素的影響。因此，開發高精度、穩定性強的磁場編碼技術成為關鍵。同時，無軸承電機中的大氣隙設計也對電磁控制提出了更高的要求。大氣隙能夠有效擴大應用場景，并減少外界擾動使轉子產生摩擦或撞機的風險，但這也增加了電磁力的衰減和控制難度，需要通過優化電磁結構設計和先進的電磁控制技術來解決，同時需要配合開發大量程高精度的位移傳感器。
磁懸浮無軸承泵是以磁懸浮無軸承電機為底層技術的新型流體輸送設備，對于泵類所必須的泵頭和葉輪結構，也存在流體力學方面的優化問題，例如葉輪軸向力的平衡，以及大流量、高揚程、高介質溫度輸送能力等性能需求帶來的泵頭結構開發難題。同時，面對微電子領域的超潔凈需求，所有過流件必須采用超純材料并使用超潔凈加工工藝，此外，微電子領域眾多強腐蝕性試劑的使用，也使得該領域的泵必須具有極高的耐腐蝕性及安全性，這些都是磁懸浮無軸承泵長期以來被國外所壟斷的重要原因。
圖1：磁懸浮無軸承泵原理圖
3微電子領域的潔凈泵需求
3.1化學機械拋光
化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是一種結合化學腐蝕與機械研磨的先進工藝，能夠實現超精密無損傷表面加工，滿足集成電路特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求，是超大規模集成電路（ULSI）制造過程中表面平坦化的關鍵技術之一。
在CMP工藝中，拋光液是其核心材料之一。拋光液對拋光效果、效率及最終的表面質量起決定性作用。拋光液通常由去離子水、氧化劑、腐蝕抑制劑、pH調節劑、分散劑和納米級磨料顆粒等成分組成。每種成分在拋光過程中均發揮著重要作用。然而，拋光液中的磨料顆粒及其他化學成分在輸送過程中容易發生沉降、團聚等現象，導致拋光液成分分布不均，進而影響拋光效果。此外，研磨液輸送過程中要求流量均勻一致，因此如何高效、穩定地輸送拋光液成為CMP工藝中的一個重要課題。
傳統的研磨液供應系統通常采用氣動泵作為動力裝置。在其工作過程中，容積的變化必然會引起壓力的波動，這也導致了研磨液供應流量的不穩定。同時，氣動泵活塞直接與研磨液接觸，反復碰撞易導致研磨液顆粒聚集，產生大量噪音。由于氣動泵中的軸承必須潤滑，其潤滑油脂的油蒸汽返流會污染真空室，產生微塵顆粒。因此，傳統流體輸送泵已無法滿足半導體先進制程日益增長的性能需求。
圖2：CMP過程示意
圖3：CMP實際加工過程
3.2濕法清洗
清洗工藝是貫穿整個半導體制造過程中的關鍵環節，直接影響半導體器件的性能和良率。在芯片制造過程中，任何污染物都可能影響半導體器件的性能，甚至導致失效。因此，幾乎在每一道芯片制造工序的前后都需要進行清洗工藝，以確保晶圓表面的潔凈度。
半導體生產中的清洗工藝分為濕法和干法兩種，其中濕法工藝占據了90%的比例，包括單片清洗、槽式清洗、兆聲清洗等多種工藝路線。而無論采用哪種濕法清洗工藝，都離不開超純水的使用。半導體精密加工所需的超純水要求其電阻率無限接近18.24兆歐厘米，水質接近絕對純度，因此對流體輸送設備的潔凈度要求也極高。除純水外，為了有效清除各類金屬離子、有機物等雜質，不同工藝路徑會使用腐蝕性試劑以增強清洗效果，同時清洗步驟的數量約占所有芯片制造工序步驟的30%以上，若流體輸送設備出現意外故障，將會影響整個生產環節，帶來巨大的經濟損失。因此，除潔凈度需求外，還對泵設備的耐腐蝕性、安全性、可靠性和免維護性提出了嚴苛的要求。
圖4：晶圓單片清洗過程
3.3電鍍
在半導體制造過程中，電鍍是一項關鍵的金屬化技術，用于在基板和載板等表面形成金屬層，從而實現電路的互連。電鍍工藝中，電鍍液的質量和穩定性對最終金屬層的互聯性能至關重要。
電鍍液通常由金屬離子、絡合劑、緩沖劑和添加劑等組成。在電鍍過程中，需要對電鍍液的流量穩定性、溫度以及顆粒等雜質進行嚴格控制。半導體器件的高性能依賴于電鍍層的均勻性和一致性，而流量的穩定性是實現這一目標的關鍵因素之一。如果流量不穩定，可能導致局部電流密度和電鍍液中各組分比例的變化，進而影響鍍層的厚度和均勻性。
電鍍液的溫度直接影響金屬離子的活性和沉積速率。溫度過高可能導致鍍層出現裂紋或孔洞，而溫度過低可能導致鍍層不連續或粗糙。溫度的變化還可能影響添加劑的溶解度、活性及其與金屬離子的相互作用，從而影響鍍層的性能。此外，電鍍液中的顆粒等雜質也需要嚴格限制，因為任何外來顆粒的污染都可能導致電鍍層的缺陷，如短路、開路或局部厚度不均，從而影響器件的性能和可靠性。
在半導體行業中，常用的隔膜泵、風囊泵等容積泵都存在流量脈動的問題，并且與磁力泵一樣，無法避免因摩擦帶來的顆粒污染。另外，磁力泵由于使用機械軸承，導致溫升控制較差。隨著金屬互連精度的不斷提升，這些問題已逐漸難以接受。
圖5：先進封裝電鍍工藝示意圖
3.4太陽能電池及平板顯示器制造
太陽能電池及平板顯示器的制造過程同樣涉及多種濕法工藝，例如制絨清洗、濕法刻蝕和去膠等環節。這些工藝對相關試劑的顆粒雜質限制及潔凈度等要求極為嚴格，雖然其嚴苛程度不及半導體晶圓制造環節，但傳統泵類設備由于不可避免地受到摩擦和機械軸承的影響，在長期穩定輸送潔凈流體方面仍存在明顯的不足之處。
4磁懸浮無軸承泵的核心優點
（1）無摩擦、超潔凈
磁懸浮無軸承泵采用磁懸浮無軸承電機技術，實現葉輪的完全懸浮和無摩擦運行，從根本上杜絕了顆粒雜質的產生。取消機械軸承的同時，也避免了潤滑劑污染和金屬離子等雜質的引入。過流部件全部采用超純材料，能夠滿足SEMI F57甚至更嚴苛的檢測要求，完美滿足半導體先進制程及其他超潔凈領域的流體輸送需求。
（2）流量精準、無脈動
不同于隔膜泵、風囊泵等容積泵，磁懸浮無軸承泵屬于離心泵，不依靠容積變化驅動流體，因此不存在脈動問題。同時，磁懸浮無軸承泵能夠實現轉速的實時調控和葉輪的精準懸浮，使流體輸送效果達到連續、平穩、精確。
（3）耐腐蝕、高安全
由于磁懸浮無軸承泵取消了傳統軸系和軸承，泵頭與電機之間的連接不涉及密封問題，兩者可以完全分離且不產生液體泄漏，具有極高的安全性。這對于有毒、有害介質的輸送場景尤為重要。同時，泵頭及葉輪材質可選用超純特氟龍材料，能夠滿足濕法工藝中常用到腐蝕性試劑的需求。
（4）免維護、長壽命
磁懸浮技術的優勢還在于實現無摩擦的同時，降低了摩擦損耗帶來的維護需求。傳統隔膜泵、磁力泵由于摩擦問題，需要頻繁更換膜片或軸承，這對半導體等先進制造行業的生產效率產生嚴重影響。相比之下，磁懸浮無軸承泵具有更長的整體使用壽命，這不僅得益于無摩擦特性，還因為其高度集成化的設計。
圖6：磁懸浮無軸承泵泵頭爆炸視圖
5 磁懸浮無軸承泵產品系列
現如今以半導體先進制造為首的微電子行業正在快速發展，相關制程工藝不斷升級，磁懸浮無軸承泵作為高端工藝設備的核心零部件不可或缺，但長期以來只能依賴進口滿足日益增長的需求，隨著中美貿易戰的不斷升級及持續，該部件的進口已十分困難，國內相關行業的發展受到巨大制約。
為解決受制于人的窘境，完成國產替代，槃實科技不斷投入研發，在國內率先突破了業內最大功率的磁懸浮無軸承的量產（PT-BPS-4000）,并且完成了主流型號的全覆蓋，包括PT-BPS-200、PT-BPS-300、PT-BPS-600、PT-BPS-2000、PT-BPS-4000，相關產品的穩定性得到了業內客戶的一致認可，助力國內的高端制造業不斷升級，并將繼續致力于用磁懸浮技術為更多的產業進行賦能！
圖7：槃實科技多型號磁懸浮無軸承泵
6總結
磁懸浮無軸承泵憑借其無摩擦的革命性運動方式，展現出超潔凈、流量精準平穩及安全可靠等諸多優勢，在泛半導體等超潔凈應用場景中占據了不可或缺的重要地位。然而，以磁懸浮無軸承電機為基礎技術的多項難題，形成了較高的技術壁壘，這也是其長期被國外壟斷的主要原因之一。以槃實科技為代表的國內廠商，憑借自身實力不斷突破技術封鎖，在國產替代的道路上奮勇前行，為超潔凈磁懸浮無軸承泵的廣泛應用以及國內半導體先進制程等高端制造業的快速發展提供了重要保障。
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