模塊化設計在半導體濕法清洗設備中的應用

張雅麗

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、擴散和引線蒸發(fā)等工藝前，采用物理或化學的方法去除硅片表面的污染物顆粒、有機物、金屬和自然氧化層，以得到符合清潔度要求的硅片表面的過程。在硅片的整個加工工藝過程中，每一工藝步驟都是硅片表面潛在沾污源，這就要求在每一工藝步驟后或下一工藝步驟前須對硅片表面進行徹底清洗，因此在整個硅片加工工藝過程中，有多達20%工藝步驟為清洗。在清洗過程中，由于有許多可能情形的沾污及不同的工藝技術所要求的硅片最終表面態(tài)不同，其所需要的清洗方法不相同，對應的清洗設備也就不同，因此，清洗設備種類、型號繁多且大多為根據(jù)用戶生產(chǎn)線要求專門設計制造的定制機，這就形成了半導體濕法清洗設備需要針對不同用戶獨立設計且無法實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的特點。當前，清洗設備用戶要求的設備供貨周期一般為3～4個月，可是隨著電子信息產(chǎn)業(yè)及太陽能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，半導體濕法清洗設備需求迅猛增長，清洗設備制造商接收的訂單成倍增加，面對繁重的研發(fā)任務，國內(nèi)清洗設備制造商約有50%不能按時兌現(xiàn)合同，如何提高研發(fā)效率，保證按期交貨成為各設備制造商目前面臨的主要矛盾。在半導體濕法清洗設備研發(fā)過程中，設備的設計周期約占設備供貨周期的1/2甚至更長，是設備研發(fā)中的關鍵環(huán)節(jié)，因此，縮短設計周期、減小設計周期占設備供貨周期的比重，是保證能夠按時兌現(xiàn)合同的關鍵。我所作為國內(nèi)最大的半導體濕法清洗設備制造商，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在設備設計、制造及清洗工藝方面積累了豐富經(jīng)驗并根據(jù)清洗類設備同一種類、不同系列間功能模塊的替代性較強的特點，采用了模塊化的設計方法，解決了上述矛盾。

1 模塊化設計方法的應用

（1）按照半導體濕法清洗設備功能及結(jié)構的不同特點，首先將設備分為清洗類、甩干類及輔助清洗類，再將每類產(chǎn)品中各系列及型號的設備分解成機架、水槍、氣槍、QDR槽、石英加熱槽、NPP循環(huán)加熱槽、排風口等獨立機構；這些獨立結(jié)構能單獨完成某種特定功能且不能再分解成更小的結(jié)構單元。

（2）將分解后的各獨立結(jié)構按照其設計方式分成標準化結(jié)構和專用結(jié)構。對于半導體濕法清洗設備而言專用結(jié)構主要是指機架、門板及根據(jù)用戶使用要求添加的某些特殊結(jié)構，機架、門板等需要根據(jù)其上放置槽體的大小、位置不同及用戶生產(chǎn)線對設備外形尺寸限制等不斷調(diào)整尺寸；特殊結(jié)構需要根據(jù)用戶要求重新設計；其它獨立結(jié)構均屬于標準結(jié)構，既可以進行系列化、標準化設計的結(jié)構，如各種槽體、水槍、氣槍、排風口等。對槽體等獨立結(jié)構結(jié)合我所十幾年半導體濕法設備開發(fā)、設計過程中積累起來的大量資料，運用統(tǒng)計、分析、篩選等方法，找出已有的全部規(guī)格并結(jié)合設備發(fā)展趨勢，將這些獨立機構簡化統(tǒng)一成系列化標準模塊，例如，對于輔助清洗設備爐管清洗機中的槽體結(jié)構，其尺寸是根據(jù)所清洗物品爐管的尺寸來制定的，對應各種規(guī)格爐管尺寸，槽體尺寸也各不相同，近十年來在用戶生產(chǎn)線上使用的各種規(guī)格爐管及設備數(shù)量統(tǒng)計見表1。

表1 生產(chǎn)線中使用的各種規(guī)格爐管及設備數(shù)量統(tǒng)計

從上表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，φ100 mm×2450mm、φ250mm×2330mm、φ350mm×2660 mm三種規(guī)格的爐管生產(chǎn)線上應用較多，結(jié)合其他爐管規(guī)格，將槽體尺寸規(guī)格簡化成400 mm×2700 mm、430 mm×2480 mm、500 mm×2900 mm系列標準模塊，即滿足主流生產(chǎn)線需求，也可兼容大部分其它規(guī)格爐管的清洗。其它槽體結(jié)構均可按照此方式簡化統(tǒng)一成系列化標準模塊。對于不同要求的清洗設備，接到用戶的訂單以后，只需采用現(xiàn)成模塊及添加少量專用模塊來集合成用戶所要求的設備。

（3）設備上使用的各種標準件如標牌、銘牌、按鈕、管路、接頭等，按照具體使用條件優(yōu)化設計成盡量少的規(guī)格系列，例如標牌從以前使用的5種規(guī)格優(yōu)化設計成現(xiàn)在的2種規(guī)格。

（4）系列化標準模塊統(tǒng)一存放在服務器上，供設計人員設計時調(diào)用。由于技術不斷向前發(fā)展，新工藝、新設備不斷出現(xiàn)，因此需要對標準化模塊進行及時更新、維護，使設備不斷向多樣化、先進化、集成化方向發(fā)展。

2 模塊化設計方法應注意事項

（1）不同種類設備的模塊有不同的劃分順序，在半導體濕法清洗設備的模塊化設計中，按照先整體后局部，先功能后結(jié)構的順序來進行各個模塊的劃分，對于其他類設備，應根據(jù)設備特點具體分析確定。

（2）模塊化結(jié)構應劃分到能實現(xiàn)某種特定功能的最小結(jié)構，這樣才能保證統(tǒng)一簡化后的系列化標準模塊具有廣泛的通用性、互換性。

（3）標準化模塊應結(jié)合產(chǎn)品特點及發(fā)展方向，數(shù)量盡量少，而壽命比較長，便于采用大批量加工及采用先進的加工設備、加工工藝提高生產(chǎn)效率。

（4）作為標準的模塊化結(jié)構應是經(jīng)過試驗、實際使用驗證的結(jié)構優(yōu)化、通用性強的典型性結(jié)構。

（5）標準化模塊應建立在以往設備研發(fā)經(jīng)驗的積累上，運用統(tǒng)計學理論和經(jīng)驗分析的方法并結(jié)合產(chǎn)品特點及發(fā)展方向，能夠代表產(chǎn)品的發(fā)展方向。標準化模塊應設專人統(tǒng)一存放及更新、改進。

3 結(jié) 論

通過采用模塊化的設計方法，避免了設計工程師們的重復設計，使他們將主要精力放在了技術創(chuàng)新、不斷提高設備性能及質(zhì)量上。由于采用了標準化模塊，單件小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成了大批量生產(chǎn)，不僅縮短了設備的設計時間，而且縮短了制造時間，提高了制造質(zhì)量，為設備制造商按時兌現(xiàn)合同作出了貢獻。

[1]童時中.模塊化原理設計方法及應用[M].重慶：重慶出版社，1997.12.6-10.

[2]機械工程手冊編輯委員會.機械工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.152-158.