中國報告大廳網訊，化學機械拋光(CMP)技術作為半導體製造中實現晶圓全局平坦化的核心工藝，其輸控系統的可靠性直接決定晶片製造良品率。隔膜閥憑藉介質與驅動機構完全隔離的結構特性，成為超潔淨研磨液輸送系統的關鍵控制元件。2026年全球隔膜閥市場規模預計達到6.5億美元，其中半導體行業EP級隔膜閥市場規模同比增長12.8%，達到6.9億元。在這一產業背景下，研磨液在隔膜閥內的穩定性問題日益凸顯——當研磨液顆粒發生團聚形成大於0.5μm的聚團時，將導致拋光晶圓表面產生缺陷，引發電氣故障並顯著降低製造良品率。聚團不僅破壞矽片研磨拋光的曲度、平坦度和平行度，還會加速系統過濾器失效及隔膜閥膜片磨損。深入探究隔膜閥內研磨液顆粒的團聚-分散機理，對於優化隔膜閥結構設計、提升研磨液配方穩定性具有重要的工程價值與科學意義。

  一、隔膜閥內研磨液流動特性的CFD-DEM耦合建模方法

  《2025-2030年中國隔膜閥行業市場深度研究及發展前景投資可行性分析報告》指出，研磨液作為固液多相流體系，其流動特性研究需兼顧連續相與離散相的相互作用。採用計算流體動力學(CFD)與離散元方法(DEM)雙向耦合框架，液相通過有限體積法求解納維-斯托克斯方程，顆粒相則通過軟球碰撞模型追蹤運動軌跡。耦合算法採用CPU-GPU異構並行計算策略，CFD求解器運行於CPU設備，DEM求解器利用GPU設備加速，通過數據交換實現流固耦合。

  在顆粒受力分析層面，建立包含流場作用力、接觸作用力及DLVO作用力的綜合模型。流場作用力涵蓋曳力、壓力梯度力、升力、虛擬質量力及湍流擴散力，其中曳力係數根據顆粒形狀分別選用Schiller-Naumann模型(球形顆粒)、Marheineke-Wegener模型(橢球顆粒)及Haider-Levenspiel模型(多面體顆粒)。接觸作用力採用Hertzian彈簧-阻尼模型計算法向力，Mindlin-Deresiewicz模型計算切向力，並引入JKR粘附力模型表徵顆粒表面能效應。DLVO作用力包括范德華吸引力與雙電層靜電斥力，通過自定義Rocky SDK模塊實現代碼嵌入，其中范德華力作用距離設定為1-10nm，雙電層力通過Debye-Huckel參數與zeta電位計算。

  聚團識別採用配位數過濾算法：當顆粒配位數CRN≥1時判定為接觸狀態，通過連通性搜索構建聚團拓撲結構。聚團表徵參數包括分形維數Df(描述結構緊密程度)、迴轉半徑Rg(表徵空間尺度)、球形度φ(反映形狀規整性)及團聚率λ(定量團聚強度)。團聚率定義為發生接觸團聚的顆粒數目占計算域內顆粒總數的比率，計算公式為λ=NA/ND，其中NA為團聚顆粒數，ND為顆粒總數。

  二、隔膜閥結構特徵與研磨液流動死區分析

  以美國Parker公司MV-20-04系列氣動隔膜閥為研究對象，建立三維幾何模型。該隔膜閥採用機械加工PTFE閥體，最大閥口開度2.38mm，內徑3mm，碗式閥座直徑15mm，傾角45°。經SpaceClaim抽取流體域後，採用Fluent Meshing生成計算網格，最小網格尺寸300μm以滿足網格粒徑比≥3的要求。

  研磨液物性參數基於矽片粗磨工藝實際配比確定：去離子水質量分數81.95%、三氧化二鋁磨粒10%、螯合劑2%、分散劑2%、pH調節劑4%、消泡劑0.05%。計算得混合相密度1111kg/m³，粘度1.28mPa·s，固相體積分數2.785%。顆粒相選用α-Al₂O₃材料，密度4100kg/m³，楊氏模量434GPa，泊松比0.22，表面能3mJ/m²。顆粒粒徑分布60-100μm，符合對數正態分布特徵，其中80μm顆粒占比最高達40%，60μm與100μm顆粒各占10%，70μm與90μm顆粒各占20%。

  數值模擬設置質量流量入口2L/min，對應雷諾數11789，湍流模型選用RNG k-ε模型。顆粒相設置質量流量0.222kg/min，入口速度4.587m/s，DEM時間步長1.33×10⁻⁷s，數值軟化因子0.0001以加速計算，總模擬時長1s。

  流場分析揭示隔膜閥內存在顯著的速度分布不均與流動死區。入口直管段流速均勻約4.6m/s，流經45°彎管時因慣性效應在遠離曲率中心側形成高速區(7m/s)，靠近曲率中心側出現低速回流。流體進入碗式閥腔後速度驟降至1m/s以下，在閥杆底部衝擊後分為上下兩股：上股流體在閥腔左側形成渦流區1，與入口射流共同構成死區A;下股流體沿壁面上升形成渦流區2和3，在圓柱閥杆右側形成死區B。出口90°彎管處流道收縮，流速回升至7m/s，但靠近曲率中心側因逆壓梯度產生局部空化。

  顆粒運動軌跡與流場高度耦合。在45°彎管遠離曲率中心側，顆粒因慣性力和壓力梯度力聚集，局部體積分數達17%，碰撞頻率9979Hz。閥腔死區A內顆粒滯留時間最長0.56s，死區B內數密度更高但滯留時間較短。碗式閥座底部因流速低、顆粒補充快，形成體積分數超過40%的高濃度區。出口直管段受二次流影響，局部體積分數仍達15%。

  三、隔膜閥內顆粒形狀對團聚行為的影響機制

  在暫不考慮雙電層力的條件下，研究四種不同形狀顆粒的團聚特性：多面體顆粒A(球形度0.900，10個頂點)、多面體顆粒B(球形度0.958，20個頂點)、橢球顆粒C(球形度0.993，縱橫比1.2)及球形顆粒D(球形度1.0)。

  流動穩定後，四種顆粒在隔膜閥內的總數分別維持在32萬、30萬、27.5萬、30萬個，團聚顆粒數目分別為10000、6000、5000、4000個，對應團聚率3.1%、2.1%、2.0%、1.4%。數據表明團聚率與顆粒球形度呈顯著負相關：球形度越低，接觸面積越大，聚團越難在流場剪切作用下破碎分散。

  隔膜閥行業技術特點分析指出，多面體顆粒A、B因面接觸特性，接觸粘附力與范德華力合力更大，形成的聚團分形維數1.3-1.8，呈線性或網狀結構，配位數最高達5，聚團尺寸大且穩定。橢球顆粒C的曳力最大，流動性最差，局部體積分數峰值達50%，但碰撞恢復力大，聚團易分散。球形顆粒D的接觸面積最小，碰撞恢復力最大，團聚率最低，聚團幾乎均為二元結構。

  粒徑分布分析顯示，60μm最小顆粒在閥內滯留數占比從初始17.73%升至40%，團聚顆粒中60μm顆粒占比超過32%。小顆粒因慣性小、跟隨性差，更易在流場死區滯留並發生頻繁碰撞，從而促進團聚。80μm顆粒占比從36.79%降至18%，大顆粒因慣性大、跟隨性好，快速通過閥腔不易滯留。

  聚團空間分布呈現顯著的區域差異性。直管段剪切強度高，聚團基本為二元結構且數量稀少;45°彎管遠離曲率中心側聚團數目增加;閥腔死區因湍流剪切弱、顆粒聚集時間長，形成大量多元聚團，其中多面體顆粒A、B的聚團數目明顯多於橢球顆粒C和球形顆粒D。閥口與90°彎管收縮處應變速率超過3000s⁻¹，聚團流經此處經歷強烈剪切破碎，導致出口管道內基本為二元聚團。

  四、隔膜閥內雙電層力對團聚的抑制效應

  通過自定義模塊實現雙電層力模型，研究不同zeta電位(30mV、40mV)對團聚的抑制作用。雙電層力計算公式基於Gouy-Chapman-Stern理論，考慮緊密層與擴散層的電荷分布，通過泊松-玻爾茲曼方程求解電勢衰減特性。德拜長度設定20nm，相對介電常數80，屏蔽距離200μm。

  受力分析表明，雙電層力的量級(10⁻⁶N)顯著大於范德華力(10⁻⁹N)與接觸粘附力(10⁻⁷N)，在顆粒聚集區域形成有效勢壘。