基于MATLAB的升降式抖動機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

郭春華，史 霄，吳光慶，秦亞奇

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601）

基于MATLAB的升降式抖動機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

郭春華，史 霄，吳光慶，秦亞奇

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601）

通過對晶圓清洗過程中常用抖動機(jī)構(gòu)的分析，將其等效為偏心曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)。建立數(shù)學(xué)模型，分別推導(dǎo)出曲柄的角位移、角速度、角加速度和滑塊的位移、速度、加速度，并應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，得到了滑塊的位移、速度及加速度曲線。

晶圓；清洗；抖動機(jī)構(gòu)；偏心曲柄-滑塊

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對工藝技術(shù)的要求也越來越高，特別是對晶圓的表面質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)［1］。僅僅除去晶圓表面的污染物已不再是最終的要求［2］，在清洗過程中造成的表面化學(xué)態(tài)、氧化膜厚度、表面粗糙度、表面均勻性等也已成為同樣重要的參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，目前由于清洗不佳引起的產(chǎn)品失效已超過半導(dǎo)體制造中總損失的一半［3］。因此，晶圓清洗技術(shù)成為晶圓加工、半導(dǎo)體制造和超大規(guī)模集成電路等工藝研究的一大熱點(diǎn)。

目前已研制出的晶圓清洗技術(shù)主要有：濕法化學(xué)清洗、超聲波清洗、兆聲清洗、鼓泡清洗、RCA清洗、等離子體清洗等，這些方法和技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體圓片的清洗工藝中。其中濕法化學(xué)清洗是指利用各種化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或溶解作用，或伴以超聲、加熱、抖動等物理措施，使雜質(zhì)從被清洗物體的表面脫附（解吸），然后用大量高純熱、冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈表面的過程［4］。

常用的濕法化學(xué)清洗系統(tǒng)主要包括一組濕法化學(xué)工藝槽和抖動裝置，即在工藝槽中浸入一可以帶動晶圓做升降式運(yùn)動的抖動機(jī)構(gòu)，通過帶動晶圓做上下往復(fù)攪拌［5］，增加晶圓表面與清洗液的摩擦面積和摩擦力，進(jìn)而達(dá)到晶圓與污染物分離的目的。

1 抖動機(jī)構(gòu)工作原理

圖1所示為晶圓清洗過程中常用的抖動機(jī)構(gòu)?？梢钥闯?，其主要由片盒、花籃、花籃定位塊、提籃、提籃調(diào)節(jié)板、提籃壓塊、抖動上連接板、抖動下連接板、防護(hù)罩、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、滑動組件、偏心輪機(jī)構(gòu)、檢測開關(guān)和驅(qū)動單元等組成。

圖1 抖動機(jī)構(gòu)

工作原理：需要清洗的晶圓放置在片盒中，片盒固定在花籃中，花籃通過花籃定位塊固定在提籃上，提籃安裝在提籃調(diào)節(jié)板上，為防止提籃移動，采用提籃壓塊將其壓緊。

驅(qū)動單元帶動偏心輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動，偏心輪機(jī)構(gòu)帶動連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，連桿機(jī)構(gòu)帶動滑動組件沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上下滑移，從而通過抖動上連接板和抖動下連接板帶動提籃做上下往復(fù)運(yùn)動。

由此可知，驅(qū)動單元帶動偏心輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，與偏心輪機(jī)構(gòu)連接的連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，帶動滑動組件實(shí)現(xiàn)垂直方向的往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)而帶動提籃做垂直方向的升降運(yùn)動，完成片盒及晶圓在工藝槽中的攪拌，達(dá)到清洗晶圓的目的。

2 曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)

曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿和滑塊通過移動副和轉(zhuǎn)動副所組成的機(jī)構(gòu)［6］，如圖2所示。常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動，或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)可通過改變偏心距來得到不同的急回特性。

對曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動特性分析時，是當(dāng)已知各構(gòu)件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運(yùn)動規(guī)律時，研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度和加速度等，從而評價(jià)機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求以及機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動干涉等。曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動副為低副，各元件間為面接觸，構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點(diǎn)，因而在各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用［7］。其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）面接觸為低副，壓強(qiáng)小，便于潤滑，磨損輕，壽命長，傳遞動力大；

（2）低副易于加工，可獲得較高精度，成本低；

（3）桿可較長，可用作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操縱控制；

（4）可利用連桿實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡。

圖2 抖動機(jī)構(gòu)等效數(shù)學(xué)模型

3 等效數(shù)學(xué)模型

通過上述分析可知，抖動機(jī)構(gòu)實(shí)際上可簡化為一偏心曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)，其等效簡圖如圖2所示。設(shè)曲柄和連桿的長度分別為S1和S2，偏心距為e，原動件曲柄的角速度為ω1，角位移為φ1，連桿的角位移為φ2，各參量意義詳見表1所示。建立如圖2所示坐標(biāo)系，由曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)的矢量封閉圖可得：

將式（1）整理、求導(dǎo)分別得連桿的角位移φ2、角速度ω2、角加速度a2：

4 算例仿真

根據(jù)式（1）-（3），結(jié)合抖動機(jī)構(gòu)工作實(shí)際，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表1 物理量索引

表2 曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)

設(shè)φ1的初始值為0，當(dāng)φ1變化時，連桿的角位移、角速度和角加速度以及滑塊的位移、速度和加速度的變化值可計(jì)算求得。曲柄角位移φ1在0～360°之間變化時，在MATLAB的計(jì)算窗口輸入推導(dǎo)出的公式后，滑塊的位移、速度和加速度變化曲線仿真結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3和圖4可以分析出，抖動機(jī)構(gòu)的時間-位移曲線為一光滑的正弦曲線，曲線等振幅不收斂；時間-速度曲線為一光滑的正弦曲線，曲線等振幅不收斂，表明機(jī)構(gòu)運(yùn)行歷程較連續(xù)。圖5所示的時間-加速度曲線在某些時間出現(xiàn)尖點(diǎn)和跳躍，表明機(jī)構(gòu)在這個歷程出現(xiàn)輕微振動或沖擊，出現(xiàn)這種情況的原因可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠合理或裝配誤差所導(dǎo)致，導(dǎo)致滑移機(jī)構(gòu)升降不平穩(wěn)。仿真結(jié)果使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡可視化，從而有效指導(dǎo)了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 時間-位移曲線

圖4 時間-速度曲線

圖5 時間-加速度曲線

5 結(jié)束語

通過對抖動機(jī)構(gòu)的分析，將其等效為偏心曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型，分別推導(dǎo)了曲柄的角位移、角速度、角加速度和滑塊的位移、速度、加速度。應(yīng)用MATLAB軟件對所求得公式迭代，輸出仿真特性曲線，使抖動機(jī)構(gòu)的軌跡可視化，從而有效指導(dǎo)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］張士偉.半導(dǎo)體晶圓的污染雜質(zhì)及清洗技術(shù)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43（7）：18-21.

［2］劉紅艷，萬關(guān)良，閆志瑞.硅片清洗及最新發(fā)展［J］.中國稀土學(xué)報(bào)，2003，21（增刊）：144-149.

［3］儲佳，馬向陽，楊德仁，等.硅片清洗研究進(jìn)展［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2001，26（3）：17-19.

［4］劉傳軍，趙權(quán)，劉春香，等.硅片清洗原理與方法綜述［J］.半導(dǎo)體情報(bào)，2000，37（2）：30-36.

［5］萬弋，張繼靜，劉鴻儒.有機(jī)清洗槽共振與噪聲控制方法研究［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41（5）：43-47.

［6］王知行，劉延榮.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［7］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版，第1卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

Motion Simulation of the Lift Type Shaking Mechanism Based on MATLAB

GUO Chunhua，SHI Xiao，WU Guangqing，QIN Yaqi
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Through the analysis of the common shaking mechanism in the process of wafer cleaning，it is equivalent to the eccentric crank-slider mechanism.The mathematical model is established，the angular displacement，angular velocity，angular acceleration of crank and displacement，velocity and acceleration of slider are deduced respectively，and the displacement，velocity and acceleration curves of slider are obtained by using MATLAB software.

Wafer；Cleaning；Shaking mechanism；Eccentric crank-slider

TH132

B

1004-4507（2015）12-0038-04

郭春華（1985-），男，河北保定人，助理工程師，畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，工學(xué)碩士，目前主要從事半導(dǎo)體濕法清洗設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究工作。

2015-11-30