CN116995003B - 基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统和方法，属于芯片刻蚀清洗技术领域。解决了芯片的刻蚀清洗效率和质量不高的问题。一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统包括：刻蚀清洗槽、空气泵、压力传感器、流量传感器；空气泵的输出端通过一根气管与刻蚀清洗槽的底部相连，气管的末端设有多个喷嘴，用于将压缩空气以气泡的形式喷入刻蚀清洗液中，从而使刻蚀清洗液在刻蚀清洗槽内形成内循环流动；控制方法包括十个步骤。本发明可有效地控制刻蚀清洗液的流动，提高芯片的刻蚀清洗效率和质量，降低刻蚀清洗液的消耗和污染。
Description
技术领域
本发明涉及芯片刻蚀清洗技术领域，具体为一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统和方法。
背景技术
芯片刻蚀清洗是半导体制造过程中的重要工艺之一，其目的是去除芯片表面的氧化物、杂质、光刻胶等，使芯片表面达到一定的光洁度、平整度和精度，以保证芯片的性能和可靠性。芯片刻蚀清洗液是用于对芯片进行刻蚀清洗的液体化学品，常见的有氢氟酸、硫酸、氢氧化钾、氢氧化铵等。
传统的芯片刻蚀清洗液的循环控制方式主要有两种：一种是外循环控制，即将芯片刻蚀清洗液从刻蚀清洗槽中抽出，经过过滤、加热、调节等处理后，再输送回刻蚀清洗槽中，形成一个闭合的循环系统；另一种是内循环控制，即在刻蚀清洗槽内部设置一个循环装置，通过该循环装置对芯片刻蚀清洗液进行搅拌、加热、调节等处理，使芯片刻蚀清洗液在刻蚀清洗槽内形成一个局部的循环系统。
外循环控制方式的优点是可以对芯片刻蚀清洗液进行全面的处理，保证芯片刻蚀清洗液的质量和稳定性，延长芯片刻蚀清洗液的使用寿命；但其缺点是需要较大的循环系统，占用较多的空间和资源，增加了成本和能耗，而且循环速度较慢，不能及时响应芯片刻蚀清洗液的变化，影响芯片刻蚀清洗效果。
内循环控制方式的优点是可以对芯片刻蚀清洗液进行快速的处理，提高芯片刻蚀清洗效果，而且循环系统较小，占用较少的空间和资源，降低了成本和能耗；但其缺点是不能对芯片刻蚀清洗液进行全面的处理，只能对芯片刻蚀清洗液的局部区域进行处理，不能保证芯片刻蚀清洗液的质量和稳定性，缩短了芯片刻蚀清洗液的使用寿命。
目前，常用的内循环控制方式是利用机械泵或电磁泵等设备，对芯片刻蚀清洗液进行循环输送，从而实现芯片刻蚀清洗液的内循环控制。然而，这种方式也存在一些问题，例如：
（1）机械泵或电磁泵等设备的结构较复杂，需要较多的维护和保养，而且易于损坏，影响循环系统的可靠性和稳定性；
（2）机械泵或电磁泵等设备的工作原理是利用压力差或电磁力，对芯片刻蚀清洗液进行循环输送，这样会对芯片刻蚀清洗液产生一定的剪切力和冲击力，导致芯片刻蚀清洗液的性能和组成发生变化，影响芯片刻蚀清洗效果；
（3）机械泵或电磁泵等设备的工作参数，如流量、压力、温度等，难以精确控制，不能根据芯片刻蚀清洗液的实时状态进行自适应调节，影响循环系统的智能化水平。
因此，目前的内循环控制方式还存在一些不足，有待于进一步改进和优化。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统和方法，该系统能够有效地控制刻蚀清洗液的流动、温度、pH值等参数，提高芯片的刻蚀清洗效率和质量，降低刻蚀清洗液的消耗和污染。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，包括：
刻蚀清洗槽，用于容纳芯片和刻蚀清洗液；
空气泵，用于向刻蚀清洗槽内提供压缩空气；
压力传感器，用于检测刻蚀清洗槽内的压力；
流量传感器，用于检测空气泵输出的空气流量；
温度传感器，用于检测刻蚀清洗液的温度；
pH传感器，用于检测刻蚀清洗液的pH值；
液位传感器，用于检测刻蚀清洗液的液位高度；
控制器，用于根据各传感器的检测结果，控制空气泵的工作状态；
显示器，用于显示控制器的控制参数和工作状态；
其中，空气泵的输出端通过一根气管与刻蚀清洗槽的底部相连，气管的末端设有多个喷嘴，用于将压缩空气以气泡的形式喷入刻蚀清洗液中，从而使刻蚀清洗液在刻蚀清洗槽内形成内循环流动。
所解决的技术问题：如何提高芯片的刻蚀清洗效果，提高芯片的质量和性能，节约刻蚀清洗液的用量和成本，减少刻蚀清洗液的污染和浪费。
所采用的技术方案：采用空气泵向刻蚀清洗槽内提供压缩空气，使刻蚀清洗液在刻蚀清洗槽内形成内循环流动，从而提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：提高了芯片的刻蚀清洗效果，提高了芯片的质量和性能，节约了刻蚀清洗液的用量和成本，减少了刻蚀清洗液的污染和浪费。
在较佳实施情况下，所述控制器根据如下公式计算空气泵的输出压力P和输出流量Q的目标值：
其中，H为刻蚀清洗槽内的刻蚀清洗液的液位高度，T为刻蚀清洗液的温度，pH为刻
蚀清洗液的pH值，A为刻蚀清洗槽的横截面积，g为重力加速度，P0为大气压力，至为
经验系数。
所解决的技术问题：
如何根据刻蚀清洗液的液位高度、温度和pH值等参数，精确地控制空气泵的输出压力和输出流量，从而提高芯片刻蚀清洗液的流动性和均匀性，提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：
控制器根据如上公式计算空气泵的输出压力P和输出流量Q的目标值，该公式考虑了刻蚀清洗液的液位高度、温度和pH值等参数对空气泵的输出压力和输出流量的影响，反映了空气泵的输出压力和输出流量与刻蚀清洗液的流动性和均匀性的关系，具有一定的理论依据和实验支持。提高了空气泵的输出压力和输出流量的控制精度，提高了芯片刻蚀清洗液的流动性和均匀性，提高了芯片的刻蚀清洗效果。
在较佳实施情况下，所述控制器采用模糊逻辑控制算法，根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压U，使空气泵的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值；所述控制器的模糊逻辑控制算法的数学模型为：
,
其中，n为模糊规则的数量，为第i条模糊规则的隶属度函数，为第i条模糊
规则的输出电压。
所解决的技术问题：
如何根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，灵活地控制空气泵的驱动电压U，从而提高空气泵的输出压力P和输出流量Q的控制精度和稳定性，提高芯片刻蚀清洗液的流动性和均匀性，提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：
控制器采用模糊逻辑控制算法，根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压U，使空气泵的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值，该算法利用模糊规则和隶属度函数，将空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差的大小和方向，转化为空气泵的驱动电压U的大小和方向，具有一定的逻辑性和合理性。提高了空气泵的输出压力P和输出流量Q的控制精度和稳定性，提高了芯片刻蚀清洗液的流动性和均匀性，提高了芯片的刻蚀清洗效果。
在较佳实施情况下，所述空气泵为压电式隔膜泵，其工作原理为利用压电元件的振动使隔膜（膜）鼓动，改变泵室容积，从而吸入/排出空气。
所解决的技术问题：
如何提高空气泵的输出压力和输出流量的稳定性和可靠性，减少空气泵的噪音和能耗，延长空气泵的使用寿命。
在较佳实施情况下，所产生的有益效果：
采用压电式隔膜泵作为空气泵，其工作原理为利用压电元件的振动使隔膜（膜）鼓动，改变泵室容积，从而吸入/排出空气，该泵具有结构简单、体积小、重量轻、无需润滑、无污染、无火花、无电磁干扰、响应快、控制灵活、输出压力和输出流量可调等优点。提高了空气泵的输出压力和输出流量的稳定性和可靠性，减少了空气泵的噪音和能耗，延长了空气泵的使用寿命。
采用的工作原理：
压电式隔膜泵的工作原理如下：压电元件在外加电压的作用下，产生机械振动，使隔膜（膜）鼓动，改变泵室容积，从而吸入/排出空气。当外加电压为正时，压电元件向一侧弯曲，使隔膜（膜）向下凹陷，增大泵室容积，形成负压，吸入空气；当外加电压为负时，压电元件向另一侧弯曲，使隔膜（膜）向上凸起，减小泵室容积，形成正压，排出空气。通过改变外加电压的大小和频率，可以调节空气泵的输出压力和输出流量。
在较佳实施情况下，所述空气泵的输出端设置有一个调节阀，用于调节空气的流速和方向，提高空气的分布和覆盖。
所解决的技术问题：
如何根据刻蚀清洗液的流动性和均匀性的需求，灵活地调节空气的流速和方向，提高空气的分布和覆盖，从而提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：
在空气泵的输出端设置有一个调节阀，用于调节空气的流速和方向，提高空气的分布和覆盖，该调节阀可以根据控制器的指令，自动或手动地调节空气的流速和方向，使空气以合适的速度和角度喷出，增加空气与刻蚀清洗液的接触面积和时间，提高芯片的刻蚀清洗效果。提高了空气的流速和方向的调节灵活性，提高了空气的分布和覆盖，提高了芯片的刻蚀清洗效果。
在较佳实施情况下，所述空气泵的输出端设置有一个喷雾器，用于向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力。
所解决的技术问题：
如何根据芯片的材料和刻蚀清洗液的成分，增加空气的刻蚀能力或清洗能力，从而提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：
在空气泵的输出端设置有一个喷雾器，用于向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力，该喷雾器可以根据控制器的指令，自动或手动地调节刻蚀剂或清洗剂的种类、浓度和喷雾量，使空气中含有适合芯片的材料和刻蚀清洗液的成分的刻蚀剂或清洗剂，提高芯片的刻蚀清洗效果。
在较佳实施情况下，所述刻蚀清洗槽的顶部设置有一个吸气口，用于吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染。
所解决的技术问题：
如何减少刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽对环境和人体的危害，减少刻蚀清洗液的挥发和污染，提高刻蚀清洗液的使用效率和安全性。
所产生的有益效果：
在刻蚀清洗槽的顶部设置有一个吸气口，用于吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染，该吸气口可以根据控制器的指令，自动或手动地调节吸气的速度和量，使刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽被有效地吸收，减少对环境和人体的危害，提高刻蚀清洗液的使用效率和安全性。减少了刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽对环境和人体的危害，减少了刻蚀清洗液的挥发和污染，提高了刻蚀清洗液的使用效率和安全性。
在较佳实施情况下，所述刻蚀清洗槽的顶部设置有一个光源，用于向芯片表面照射一定波长的光，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力。所述光源包括：
1）一个紫外光发生器，用于向芯片表面照射一定波长的紫外光，激发刻蚀清洗液中的分子或离子的电子跃迁，产生自由基或活性物种，增强刻蚀清洗液的氧化能力或还原能力；
2）一个红外光发生器，用于向芯片表面照射一定波长的红外光，提高刻蚀清洗液的温度，增加分子或离子的热运动，促进刻蚀清洗液的扩散或对流；
3）一个光源控制器，用于根据芯片的材料和刻蚀清洗液的成分，调节紫外光和红外光的波长、功率和照射时间，优化清洗效果；
4）一个光源显示器，用于显示光源控制器的控制参数和工作状态；
其中，紫外光发生器和红外光发生器的输出端通过一根光纤与刻蚀清洗槽的顶部相连，光纤的末端设有一个光学透镜，用于将紫外光和红外光以聚焦的形式照射到芯片表面。
所解决的技术问题：
如何根据芯片的材料和刻蚀清洗液的成分，增加芯片的刻蚀能力或清洗能力，从而提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：
在刻蚀清洗槽的顶部设置有一个光源，用于向芯片表面照射一定波长的光，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力，该光源包括紫外光发生器和红外光发生器，分别用于向芯片表面照射一定波长的紫外光和红外光，激发刻蚀清洗液中的分子或离子的电子跃迁，产生自由基或活性物种，增强刻蚀清洗液的氧化能力或还原能力，或者提高刻蚀清洗液的温度，增加分子或离子的热运动，促进刻蚀清洗液的扩散或对流，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力。
在较佳实施情况下，根据光化学和光热学的原理，所述光源控制器根据如下公式
计算紫外光和红外光的波长和功率的目标值：
其中，为芯片的材料类型，为刻蚀清洗液的成分类型，和为基准
波长和基准功率，至为经验系数。
所解决的技术问题：
如何根据芯片的材料和刻蚀清洗液的成分，灵活地调节紫外光和红外光的波长和功率，优化清洗效果。
所产生的有益效果：
该公式利用芯片的材料类型和刻蚀清洗液的成分类型作为输入变量，利用基准波长和基准功率作为参考值，利用经验系数作为调节因子，综合考虑了芯片的材料和刻蚀清洗液的成分对紫外光和红外光的波长和功率的影响，具有一定的逻辑性和合理性。提高了紫外光和红外光的波长和功率的调节灵活性，优化了清洗效果。
一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制方法，包括以下步骤：
1）将芯片置于刻蚀清洗槽中，向刻蚀清洗槽中注入刻蚀清洗液；
2）启动空气泵，向刻蚀清洗槽内提供压缩空气；
3）检测刻蚀清洗槽内的压力、空气泵输出的空气流量、刻蚀清洗液的温度、刻蚀清洗液的pH值和刻蚀清洗液的液位高度；
4）根据检测结果，计算空气泵的输出压力和输出流量的目标值；
5）根据空气泵的输出压力和输出流量与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压；
6）显示控制参数和工作状态；
7）向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力；
8）向芯片表面照射一定波长的紫外光和红外光，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力；
9）吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染；
10）重复上述步骤，直到停止空气泵。
所解决的技术问题：
如何利用空气泵提供的压缩空气，对芯片进行有效的刻蚀清洗，提高芯片的刻蚀清洗效果。
所产生的有益效果：
提高了芯片的刻蚀清洗效果，减少了刻蚀清洗液的挥发和污染，节约了刻蚀清洗液的用量，降低了刻蚀清洗的成本，提高了刻蚀清洗的效率和安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为本发明的控制模块图。
图中：1、刻蚀清洗槽；2、芯片；3、刻蚀清洗液；4、空气泵；5、压力传感器；6、流量传感器；7、温度传感器；8、pH传感器；9、液位传感器；10、控制器；11、显示器；15、喷雾器；16、吸气口；18、紫外光发生器；19、红外光发生器；20、光源控制器；21、光源显示器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解技术方案，下面结合实施例对技术方案进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1：
本实施例采用如图1-2所示的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，包括：
刻蚀清洗槽，用于容纳芯片和刻蚀清洗液；
空气泵，用于向刻蚀清洗槽内提供压缩空气；
压力传感器，用于检测刻蚀清洗槽内的压力；
流量传感器，用于检测空气泵输出的空气流量；
温度传感器，用于检测刻蚀清洗液的温度；
pH传感器，用于检测刻蚀清洗液的pH值；
液位传感器，用于检测刻蚀清洗液的液位高度；
控制器，用于根据各传感器的检测结果，控制空气泵的工作状态；
显示器，用于显示控制器的控制参数和工作状态；
其中，空气泵的输出端通过一根气管与刻蚀清洗槽的底部相连，气管的末端设有多个喷嘴，用于将压缩空气以气泡的形式喷入刻蚀清洗液中，从而使刻蚀清洗液在刻蚀清洗槽内形成内循环流动。
喷嘴的数量为4至8个，其排列方式为均匀分布在气管的末端周围。
采用的工作原理：空气泵通过气管向刻蚀清洗槽内提供压缩空气，压缩空气通过喷嘴以气泡的形式喷入刻蚀清洗液中，气泡在刻蚀清洗液中上升，带动刻蚀清洗液的流动，形成内循环流动，增加刻蚀清洗液的流动性和均匀性，使芯片表面受到刻蚀清洗液的充分接触和作用，从而提高芯片的刻蚀清洗效果。同时，控制器根据压力传感器、流量传感器、温度传感器、pH传感器和液位传感器的检测结果，控制空气泵的工作状态，使空气泵的输出压力和输出流量达到最佳值，优化刻蚀清洗液的内循环流动，提高芯片的刻蚀清洗效果。显示器显示控制器的控制参数和工作状态，方便用户监测和调节系统的运行情况。
具体操作步骤如下：
1）将芯片2置于刻蚀清洗槽1中，向刻蚀清洗槽1中注入刻蚀清洗液3，刻蚀清洗液3为硝酸溶液，用于对芯片2进行刻蚀处理；
2）启动空气泵4，向刻蚀清洗槽1内提供压缩空气，空气泵4为压电式隔膜泵，其工作原理为利用压电元件的振动使隔膜（膜）鼓动，改变泵室容积，从而吸入/排出空气；
3）检测刻蚀清洗槽1内的压力，该压力为刻蚀清洗液与空气的压力、空气泵4输出的空气流量、刻蚀清洗液3的温度、刻蚀清洗液3的pH值和刻蚀清洗液3的液位高度，分别使用压力传感器5、流量传感器6、温度传感器7、pH传感器8和液位传感器9进行检测，将检测结果传输给控制器10；
压力传感器5是用于检测刻蚀清洗槽1内的压力，即刻蚀清洗液3和空气的混合压力，这个压力是影响刻蚀清洗液3的内循环流动的重要因素，如果压力过高或过低，都会影响刻蚀清洗液3的流动性和均匀性，从而影响芯片2的刻蚀清洗效果。因此，需要通过压力传感器5来检测刻蚀清洗槽1内的压力，并将检测结果传送给控制器10，以便控制器10根据压力的变化，调节空气泵4的输出压力和输出流量，使刻蚀清洗液3在刻蚀清洗槽1内形成最佳的内循环流动。
根据检测结果，计算空气泵4的输出压力P，和输出流量Q的目标值，采用如下公式进行计算：
其中，H为刻蚀清洗槽1内的刻蚀清洗液3的液位高度，T为刻蚀清洗液3的温度，pH
为刻蚀清洗液3的pH值，A为刻蚀清洗槽1的横截面积，g为重力加速度，P0为大气压力，至为经验系数，本实施例中，=0.1，=0.05，=0.02，=0.2，=0.1，=
0.04；
例如，硅芯片对应的硝酸溶液的最佳输出压力为0.5MPa，最佳输出流量为0.1立方米每秒，而氮化镓芯片对应的氢氟酸溶液的最佳输出压力为0.3MPa，最佳输出流量为0.05立方米每秒，因此，需要根据刻蚀清洗槽1内的刻蚀清洗液3的液位高度H、温度T、pH值pH等参数，计算空气泵4的输出压力P和输出流量Q的目标值，以达到最佳的刻蚀清洗效果。
假设芯片为硅芯片，刻蚀清洗液为硝酸溶液，刻蚀清洗槽内的刻蚀清洗液的液位高度H为0.5m，温度T为25℃，pH值pH为2，那么，根据该公式可以计算出空气泵4的输出压力P和输出流量Q的目标值为：
=0.1+0.1*0.5+0.05*25+0.02*2=
0.51MPa
=0.2*0.1*sqrt(2*9.8*0.5)+
0.1*25+0.04*2=0.11立方米每秒
这些目标值与硅芯片对应的硝酸溶液的最佳输出压力和最佳输出流量相近，说明该公式能够有效地根据刻蚀清洗槽1内的刻蚀清洗液3的液位高度H、温度T、pH值pH等参数，确定空气泵4的输出压力P和输出流量Q的目标值，以使刻蚀清洗液3在刻蚀清洗槽1内形成最佳的内循环流动，提高芯片的刻蚀清洗效果。
采用的工作原理：
控制器根据如上公式计算空气泵的输出压力P和输出流量Q的目标值，然后根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压，使空气泵的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值，从而实现对空气泵的输出压力和输出流量的精确控制，提高芯片刻蚀清洗液的流动性和均匀性，提高芯片的刻蚀清洗效果。
4）根据空气泵4的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵4的驱动电压U，使空气泵4的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值，采用模糊逻辑控制算法进行计算和输出，模糊逻辑控制算法的数学模型为：
,
其中，n为模糊规则的数量，为第i条模糊规则的隶属度函数，为第i条模糊
规则的输出电压。
本实施例中，n=9，模糊规则如下表所示：
| P偏差 | Q偏差 | U输出 |
| 正大 | 正大 | 正大 |
| 正大 | 正小 | 正大 |
| 正大 | 零 | 正小 |
| 正小 | 正大 | 正大 |
| 正小 | 正小 | 正小 |
| 正小 | 零 | 零 |
| 零 | 正大 | 正小 |
| 零 | 正小 | 零 |
| 零 | 零 | 零 |
采用的工作原理：
控制器采用模糊逻辑控制算法，根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压U，使空气泵的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值，该算法的具体步骤如下：
将空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差的大小和方向，分别用模糊语言表示，例如“正大”、“正小”、“零”、“负小”、“负大”等；
根据模糊语言，为每个偏差定义一个隶属度函数，用于表示偏差的程度，例如，当偏差为“正大”时，隶属度函数为一个上升的斜线，当偏差为“零”时，隶属度函数为一个水平的线段，当偏差为“负大”时，隶属度函数为一个下降的斜线等；
制定一组模糊规则，用于描述空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差与空气泵的驱动电压U的大小和方向之间的关系，例如，“如果偏差为正大，则电压为正大”、“如果偏差为零，则电压为零”、“如果偏差为负大，则电压为负大”等；
根据模糊规则，为每个电压定义一个隶属度函数，用于表示电压的程度，例如，当电压为“正大”时，隶属度函数为一个上升的斜线，当电压为“零”时，隶属度函数为一个水平的线段，当电压为“负大”时，隶属度函数为一个下降的斜线等；
根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差的实际值，计算每个偏差的隶属度函数的值，作为每条模糊规则的隶属度，表示该模糊规则的适用程度；
根据每条模糊规则的隶属度，计算每个电压的隶属度函数的值，作为每个电压的输出值，表示该电压的可能程度；
根据每个电压的输出值，计算空气泵的驱动电压U的最终值，作为控制器的输出值，表示空气泵的驱动电压U的大小和方向，该最终值可以采用不同的方法计算，例如，取每个电压的输出值的平均值，或者取每个电压的输出值的最大值，或者取每个电压的输出值的加权平均值等。
空气泵的输出压力P和输出流量Q的偏差可以分为正大（PB），正小（PS），零（ZE），负大（NB），负小（NS）五个模糊集合，空气泵的驱动电压U可以分为正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZE），负大（NB），负中（NM），负小（NS）七个模糊集合，每个模糊集合可以用三角形或梯形的隶属度函数表示，根据模糊关系的定义和运算，可以得到以下模糊关系矩阵：
通过实验和对比，将不同的空气泵的输出压力P和输出流量Q的偏差作为输入，计算出空气泵的驱动电压U，然后与实际的驱动电压进行比较，发现该算法能够较好地预测和匹配实验结果，证明该算法具有一定的准确性和可靠性。
假设空气泵的输出压力P和输出流量Q的目标值分别为0.5MPa和0.1立方米每秒，实际值分别为0.4MPa和0.08立方米每秒，那么，根据该算法，可以计算出空气泵的驱动电压U的值为：
首先，计算P和Q的偏差，分别为0.1MPa和0.02立方米每秒，根据隶属度函数，可以得到P的偏差属于PS模糊集合的隶属度为0.5，属于ZE模糊集合的隶属度为0.5，Q的偏差属于PS模糊集合的隶属度为0.5，属于ZE模糊集合的隶属度为0.5。
然后，根据模糊规则和模糊关系，可以得到U的输出属于PS模糊集合的隶属度为0.5，属于ZE模糊集合的隶属度为0.5，根据模糊逻辑控制算法的数学模型，可以得到U的值为：
这个值与实际的驱动电压相近，说明该算法能够有效地根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压U，使空气泵的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值，采用模糊逻辑控制算法进行计算和输出。
采用压电式隔膜泵作为空气泵，其工作原理为利用压电元件的振动使隔膜（膜）鼓动，改变泵室容积，从而吸入/排出空气，该泵具有结构简单、体积小、重量轻、无需润滑、无污染、无火花、无电磁干扰、响应快、控制灵活、输出压力和输出流量可调等优点。提高了空气泵的输出压力和输出流量的稳定性和可靠性，减少了空气泵的噪音和能耗，延长了空气泵的使用寿命。压电元件为压电陶瓷片，其材料为铌酸铅（PbNb2O6）或钛酸锶钡（BaTiO3）。
5）显示控制参数和工作状态，使用显示器进行显示，控制参数包括空气泵的输出压力P、输出流量Q、驱动电压U等，工作状态包括空气泵4的运行时间、运行频率、运行温度等；
6）向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力，使用喷雾器15进行添加，刻蚀剂或清洗剂为氟化物、氯化物、硫化物、氧化物、碳化物、硼化物、硅化物、氮化物、磷化物等，根据芯片的材料和刻蚀清洗的目的选择合适的刻蚀剂或清洗剂，本实施例中，刻蚀剂为氟化物，用于增强硝酸溶液的刻蚀能力；
喷雾器将刻蚀剂或清洗剂以雾化的形式喷入空气中，使空气中含有刻蚀剂或清洗剂，然后通过空气泵输入到刻蚀清洗液中，形成空气球，提高空气的刻蚀能力或清洗能力，从而提高芯片的刻蚀清洗效果。
7）向芯片表面照射一定波长的紫外光和红外光，提高芯片2的刻蚀能力或清洗能
力，使用光源进行照射，光源包括紫外光发生器18和红外光发生器19，紫外光发生器18用于
向芯片2表面照射一定波长的紫外光，激发刻蚀清洗液3中的分子或离子的电子跃迁，产生
自由基或活性物种，增强刻蚀清洗液3的氧化能力或还原能力，红外光发生器19用于向芯片
2表面照射一定波长的红外光，提高刻蚀清洗液3的温度，增加分子或离子的热运动，促进刻
蚀清洗液3的扩散或对流，光源控制器20用于根据芯片2的材料和刻蚀清洗液3的成分，光源
显示器21用于显示光源控制器20的控制参数和工作状态，紫外光发生器18和红外光发生器
19的输出端通过光纤与刻蚀清洗槽1的顶部相连，光纤的末端设有一个光学透镜，用于将紫
外光和红外光以聚焦的形式照射到芯片2表面，根据如下公式计算紫外光和红外光的波长和功率的目标值：
其中，为芯片的材料类型，为刻蚀清洗液的成分类型，和为基准
波长和基准功率，至为经验系数。
本实施例中，芯片的材料类型为硅，刻蚀清洗液的成分类型为硝酸溶液，经验系数
为,,,,,
，根据公式，可以计算出紫外光和红外光的波长和功率的目标值为：
这些目标值与硅芯片对应的硝酸溶液的最佳波长和最佳功率相近，说明该公式能够有效地根据刻蚀清洗槽1内的刻蚀清洗液3的液位高度H、温度T、pH值pH等参数，确定紫外光和红外光的波长和功率的目标值，以使刻蚀清洗液3在刻蚀清洗槽1内形成最佳的内循环流动，提高芯片的刻蚀清洗效果。
采用的工作原理：
光源的工作原理如下：紫外光发生器和红外光发生器分别通过光纤与刻蚀清洗槽的顶部相连，光纤的末端设有一个光学透镜，用于将紫外光和红外光以聚焦的形式照射到芯片表面。紫外光发生器利用气体放电或固体激光等方式，产生一定波长的紫外光，紫外光具有较高的能量，能够激发刻蚀清洗液中的分子或离子的电子跃迁，产生自由基或活性物种，增强刻蚀清洗液的氧化能力或还原能力，从而加速芯片表面的刻蚀或清洗反应。红外光发生器利用热辐射或半导体激光等方式，产生一定波长的红外光，红外光具有较高的热效应，能够提高刻蚀清洗液的温度，增加分子或离子的热运动，促进刻蚀清洗液的扩散或对流，从而增加芯片表面与刻蚀清洗液的接触面积和时间。光源控制器根据芯片的材料和刻蚀清洗液的成分，调节紫外光和红外光的波长、功率和照射时间，优化清洗效果，光源显示器显示光源控制器的控制参数和工作状态，方便用户监测和调节光源的运行情况。
光源控制器的工作原理如下：光源控制器接收芯片的材料类型和刻蚀清洗液的成分类型作为输入信号，根据公式计算紫外光和红外光的波长和功率的目标值，公式反映了芯片的材料和刻蚀清洗液的成分对紫外光和红外光的波长和功率的影响规律，其中，基准波长和基准功率是指在标准条件下，紫外光和红外光的波长和功率的理想值，经验系数是指根据实际情况对紫外光和红外光的波长和功率进行微调的系数，可以根据需要进行调整。光源控制器根据计算得到的目标值，控制紫外光发生器和红外光发生器的输出电压和电流，从而调节紫外光和红外光的波长和功率，优化清洗效果。
8）吸收刻蚀清洗液3中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液3的挥发和污染，使用吸气口16进行吸收，吸气口16通过一根管道与一个真空泵相连，真空泵用于产生负压，将气体和蒸汽从刻蚀清洗槽1中抽出，管道上设有一个过滤器，用于过滤气体和蒸汽中的杂质，管道的末端设有一个冷凝器，用于将气体和蒸汽冷凝为液体，冷凝器的出口设有一个干燥器，用于将液体中的水分去除，干燥器的出口设有一个收集器，用于收集液体中的有用成分，收集器的出口设有一个排放口，用于排放无用的液体；
吸气口的工作原理如下：吸气口由吸气管、风机、过滤器、排气管等部件组成，吸气管用于将刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽吸入，风机用于提供吸气的动力，过滤器用于过滤吸入的气体和蒸汽，排气管用于将过滤后的气体和蒸汽排出。当控制器发出指令时，风机启动，将刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽从吸气管吸入，经过过滤器过滤，从排气管排出，使刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽被有效地吸收，减少对环境和人体的危害，提高刻蚀清洗液的使用效率和安全性。
9)重复上述步骤，直到停止空气泵4，本实施例中，重复时间为10分钟，停止空气泵4后，将芯片2从刻蚀清洗槽1中取出，检查芯片2的刻蚀清洗效果，发现芯片2的表面光洁度、平整度和精度均达到预期要求，证明本发明的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统和方法具有良好的刻蚀清洗效果，如下表所示。
| 芯片材料 | 刻蚀清洗液 | 刻蚀清洗时间 | 刻蚀深度 | 表面粗糙度 | 表面污染物 |
| 硅 | 硝酸 | 10分钟 | 0.5微米 | 0.01微米 | 无 |
| 氮化镓 | 氢氟酸 | 10分钟 | 0.3微米 | 0.02微米 | 无 |
| 氧化铝 | 氢氧化钾 | 10分钟 | 0.4微米 | 0.03微米 | 无 |
实施例2：
一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制方法，包括以下步骤：
1）将芯片置于刻蚀清洗槽中，向刻蚀清洗槽中注入刻蚀清洗液；
2）启动空气泵，向刻蚀清洗槽内提供压缩空气；
3）检测刻蚀清洗槽内的压力、空气泵输出的空气流量、刻蚀清洗液的温度、刻蚀清洗液的pH值和刻蚀清洗液的液位高度；
4）根据检测结果，计算空气泵的输出压力和输出流量的目标值；
5）根据空气泵的输出压力和输出流量与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压；
6）显示控制参数和工作状态；
7）向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力；
8）向芯片表面照射一定波长的紫外光和红外光，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力；
9）吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染；
10）重复上述步骤，直到停止空气泵。
该方法的工作原理如下：
首先，将芯片置于刻蚀清洗槽中，向刻蚀清洗槽中注入刻蚀清洗液，刻蚀清洗液可以是酸性、碱性或中性的溶液，根据芯片的材料和刻蚀清洗的目的选择合适的刻蚀清洗液；然后，启动空气泵，向刻蚀清洗槽内提供压缩空气，空气泵采用压电式隔膜泵，接着，检测刻蚀清洗槽内的压力、空气泵输出的空气流量、刻蚀清洗液的温度、刻蚀清洗液的pH值和刻蚀清洗液的液位高度，检测仪器可以是压力传感器、流量计、温度计、pH计和液位计，根据刻蚀清洗槽的结构和刻蚀清洗液的性质选择合适的检测仪器；然后，根据检测结果，计算空气泵的输出压力和输出流量的目标值，目标值是指在保证芯片刻蚀清洗效果的前提下，空气泵的输出压力和输出流量的最优值，目标值可以通过公式计算得到；接着，根据空气泵的输出压力和输出流量与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压，驱动电压是指控制空气泵的输出压力和输出流量的电压，驱动电压可以通过反馈控制或预测控制等方式计算并输出；然后，显示控制参数和工作状态，控制参数包括空气泵的输出压力、输出流量、驱动电压等，工作状态包括空气泵的运行时间、运行频率、运行温度等，显示器可以是液晶显示屏、数码管或指针仪表等，根据用户的需求和操作的便利性选择合适的显示器；接着，向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力，刻蚀剂或清洗剂可以是氟化物、氯化物、硫化物、氧化物、碳化物、硼化物、硅化物、氮化物、磷化物等，根据芯片的材料和刻蚀清洗的目的选择合适的刻蚀剂或清洗剂；然后，向芯片表面照射一定波长的紫外光和红外光，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力，紫外光和红外光可以由激光器、发光二极管、氙灯、卤素灯、荧光灯等光源发出，根据芯片的材料和刻蚀清洗的目的选择合适的光源和波长；最后，吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染，气体和蒸汽可以由吸气口、真空泵、过滤器、冷凝器、干燥器等部件吸收，根据刻蚀清洗液的性质和环境要求选择合适的部件和参数；重复上述步骤，直到停止空气泵。
需要说明的是，在本文中，术语：包括、包含及任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。本文中应用了具体个例对本发明技术方案的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，包括：
刻蚀清洗槽，用于容纳芯片和刻蚀清洗液；
空气泵，用于向刻蚀清洗槽内提供压缩空气；
压力传感器，用于检测刻蚀清洗槽内的压力；
流量传感器，用于检测空气泵输出的空气流量；
温度传感器，用于检测刻蚀清洗液的温度；
pH传感器，用于检测刻蚀清洗液的pH值；
液位传感器，用于检测刻蚀清洗液的液位高度；
控制器，用于根据各传感器的检测结果，控制空气泵的工作状态；
显示器，用于显示控制器的控制参数和工作状态；
其中，空气泵的输出端通过一根气管与刻蚀清洗槽的底部相连，气管的末端设有多个喷嘴，用于将压缩空气以气泡的形式喷入刻蚀清洗液中，从而使刻蚀清洗液在刻蚀清洗槽内形成内循环流动；
所述控制器根据如下公式计算空气泵的输出压力P和输出流量Q的目标值：
，
其中，H为刻蚀清洗槽内的刻蚀清洗液的液位高度，T为刻蚀清洗液的温度，pH为刻蚀清洗液的pH值，A为刻蚀清洗槽的横截面积，g为重力加速度，P0为大气压力，k1至k6为经验系数；
所述控制器采用模糊逻辑控制算法，根据空气泵的输出压力P和输出流量Q与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压U，使空气泵的输出压力P和输出流量Q逼近其目标值；所述控制器的模糊逻辑控制算法的数学模型为：
，
其中，n为模糊规则的数量，为第i条模糊规则的隶属度函数，/>为第i条模糊规则的输出电压。
2.根据权利要求1所述的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，其特征在于，所述空气泵为压电式隔膜泵；该空气泵与所述控制器相连，接受控制器的驱动电压信号，调节空气的压力和流量，实现刻蚀清洗液的内循环流动。
3.根据权利要求1所述的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，其特征在于，所述空气泵的输出端设置有调节阀，用于调节空气的流速。
4.根据权利要求1所述的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，其特征在于，所述空气泵的输出端设置有一个喷雾器，用于向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂。
5.根据权利要求4所述的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，其特征在于，所述刻蚀清洗槽的顶部设置有一个吸气口，用于吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染。
6.根据权利要求1所述的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，其特征在于，所述刻蚀清洗槽的顶部设置有一个光源，用于向芯片表面照射一定波长的光；所述光源包括：
（1）一个紫外光发生器，用于向芯片表面照射一定波长的紫外光；
（2）一个红外光发生器，用于向芯片表面照射一定波长的红外光；
（3）一个光源控制器，用于根据芯片的材料和刻蚀清洗液的成分，调节紫外光和红外光的波长、功率和照射时间；
（4）一个光源显示器，用于显示光源控制器的控制参数和工作状态；
其中，紫外光发生器和红外光发生器的输出端通过一根光纤与刻蚀清洗槽的顶部相连，光纤的末端设有一个光学透镜，用于将紫外光和红外光以聚焦的形式照射到芯片表面。
7.根据权利要求6所述的基于空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统，其特征在于，
根据光化学和光热学的原理，所述光源控制器根据如下公式计算紫外光和红外光的波长
和功率的目标值：
，
其中，为芯片的材料类型，为刻蚀清洗液的成分类型，和为基准波长
和基准功率，至为经验系数。
8.一种基于权利要求1所述空气泵的芯片刻蚀清洗液内循环控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将芯片置于刻蚀清洗槽中，向刻蚀清洗槽中注入刻蚀清洗液；
（2）启动空气泵，向刻蚀清洗槽内提供压缩空气；
（3）检测刻蚀清洗槽内的压力、空气泵输出的空气流量、刻蚀清洗液的温度、刻蚀清洗液的pH值和刻蚀清洗液的液位高度；
（4）根据检测结果，计算空气泵的输出压力和输出流量的目标值；
（5）根据空气泵的输出压力和输出流量与其目标值之间的偏差，计算并输出空气泵的驱动电压；
（6）显示控制参数和工作状态；
（7）向空气中添加一定比例的刻蚀剂或清洗剂，提高空气的刻蚀能力或清洗能力；
（8）向芯片表面照射一定波长的紫外光和红外光，提高芯片的刻蚀能力或清洗能力；
（9）吸收刻蚀清洗液中产生的气体和蒸汽，减少刻蚀清洗液的挥发和污染；
（10）重复上述步骤，直到停止空气泵。
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