甩干機隔振系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究

王勇威，張偉鋒，劉盈楹，胡天水，王麗江

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

現(xiàn)代社會是一個信息爆炸的社會，信息的載體已經(jīng)由傳統(tǒng)紙質(zhì)媒介，轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆姷葦?shù)字媒介。作為信息產(chǎn)業(yè)核心的半導(dǎo)體技術(shù)，迅猛發(fā)展，同時也對其中涉及到的關(guān)鍵工藝提出了更高要求。據(jù)統(tǒng)計，晶圓的清洗工藝在整個半導(dǎo)體制造工藝過程中所占比例達到20%～50%[1]，在每道清洗工藝處理完畢后，都必須對晶圓進行干燥處理[2]。在噴吹熱氮氣的同時，通過高速旋轉(zhuǎn)去除晶圓表面水分，才能進行下一道處理工藝[3]，而甩干機則是晶圓清洗去污干燥工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。甩干機的性能直接關(guān)系到后續(xù)工藝能否有效展開，對半導(dǎo)體制造工藝有很大的影響，而其整機振動情況將直接制約機器的使用，發(fā)揮具體的效果[4]。

實際工程應(yīng)用中，通常是用減振器將振源隔離開來，以最大降低振源對外圍設(shè)備及關(guān)鍵元器件的影響。本文將從甩干機的振源及傳遞情況，主動隔振原理和減振器選擇的實際案例展開。

1　整機振動情況分析

甩干機是將盛有晶圓的片盒置入與之相匹配的轉(zhuǎn)子中，通過電機帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，完成晶圓的沖洗甩干等工藝，并保持晶圓表面的潔凈度在要求的范圍內(nèi)。由于在生產(chǎn)制造及調(diào)試后，電機軸、轉(zhuǎn)子和片盒的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸心不可避免的存在一定偏差，旋轉(zhuǎn)過程中便會產(chǎn)生離心力，其計算方程如下：

其中：M為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)質(zhì)量，e為質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸心的距離，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

由公式(1)可知在已調(diào)好動平衡的系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)質(zhì)量M，質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸心的距離e已固定，則離心力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，此離心力成為整機系統(tǒng)的振源。

圖1為臥式甩干機振動傳遞的示意圖，黑色箭頭標記為振動傳遞路線，振動沿電機、連接部件經(jīng)機架傳遞到頂部的操作控制單元，中間的清洗腔體以及下部的電氣控制單元。

清洗腔的持續(xù)振動，使內(nèi)部的氣體與片盒、轉(zhuǎn)子等產(chǎn)生摩擦，引發(fā)靜電，造成經(jīng)清洗甩干后的晶圓表面顆粒度增加[5]。

振動傳遞到電氣控制單元和操作控制單元后，容易使電子元器件脫焊、器件斷腳失效、元器件短路失效，可調(diào)元件參數(shù)變化等，引發(fā)設(shè)備故障，使用壽命降低[6]。振動傳遞過程中還會造成設(shè)備緊固件松動、不穩(wěn)定，所產(chǎn)生的噪音會對操作者的身心造成一定的傷害。

為此，選擇合適的減振器隔絕聲橋及降低設(shè)備其他附屬關(guān)鍵元器件的振動變得尤為重要。

圖1　振動傳動示意圖

2　隔振理論

根據(jù)振源位置及傳遞的方向，隔振主要分為以下兩種情況[7]：

（1）主動隔振。防止機器設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生振動傳遞給地基及外圍設(shè)備，多用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備、沖擊設(shè)備及振動發(fā)生裝置。

（2）被動隔振。防止基礎(chǔ)的振動傳遞給機器設(shè)備，避免對設(shè)備的靈敏度和精確度造成影響，多用于精密儀器設(shè)備。

顯然，在甩干機的應(yīng)用中屬于主動隔振。如果機器設(shè)備直接固定在基礎(chǔ)上，機器所產(chǎn)生的激振力將全部傳遞到基礎(chǔ)上，為了減小力的傳遞，一般在機器設(shè)備與基礎(chǔ)之間添加彈簧、橡膠墊、毛氈和軟木等墊料，相當于機器底部與基礎(chǔ)之間被彈簧和阻尼器隔離開[8]。這樣研究設(shè)備振動對基礎(chǔ)的影響，就簡化設(shè)備所產(chǎn)生的激振力通過彈簧和阻尼后對基礎(chǔ)力的影響，可以將整個系統(tǒng)簡化為如圖2所示模型。

圖2　主動隔振簡化模型

由文獻[8]，主動隔振其傳遞率可由以下方程表達：

其中：η為振動傳遞率，即諧波激勵傳遞給地基或支撐結(jié)構(gòu)的尺度，ζ為系統(tǒng)的阻尼比，ω為激振頻率，及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，ωn為系統(tǒng)的固有頻率，F(xiàn)tr為激振力，即轉(zhuǎn)子偏心造成的離心力，F(xiàn)0為經(jīng)減振系統(tǒng)傳遞到機架的力。

由式(2)得到的傳遞率隨阻尼比、頻率比變化的曲線如圖3所示。

3　橡膠減振器

能用來制造減振器的材料有很多，主要有金屬彈簧、毛氈、橡膠等。主要是利用材料的彈性來控制固有頻率，利用阻尼特性來控制振幅或者力的傳遞比。減振橡膠同時兼顧了以上兩種特性，從而在隔振領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。根據(jù)具體使用情況，不同形狀、不同材料屬性、不同填充物例如油液、空氣等[10]的減振器被源源不斷的研發(fā)出來。其主要特征如下：

（1）橡膠屬于高分子材料[11]，屬于長鏈分子且多支，在變形過程中分子間的摩擦[12]，在大尺度范圍表現(xiàn)為高阻尼。在振動傳遞過程中，振源通過減震器傳遞給基座，導(dǎo)致減振器往復(fù)變形，變形過程中分子間的摩擦將動能轉(zhuǎn)化為分子間的內(nèi)能，從而達到吸收振動的目的。

（2）橡膠能夠被壓制成各種形狀，并且能與金屬部件牢固的粘連，并且在壓縮、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等方向都能發(fā)生變形，所以可根據(jù)減振方向的需要，設(shè)計各個方向彈性系數(shù)。

（3）機械性能（彈性）硫化橡膠的彈性系數(shù)范圍較寬，且彈性模量比金屬要小很多，通過改變橡膠的配方和形狀，可以方便地設(shè)計減振器的剛度。

（4）減振橡膠在耐油性、耐高溫、耐老化比金屬彈簧要差[13]。但是不同種類的橡膠可以在單方面獲得較高的使用性能，例如丁腈橡膠具有非常優(yōu)秀的耐油性，可以在具有腐蝕性的環(huán)境中正常使用。在高溫環(huán)境下橡膠的彈性模量會發(fā)生變化，導(dǎo)致固有頻率改變[10]，并且高溫會加劇橡膠的老化，在這一方面還有待繼續(xù)研究提高。

根據(jù)以上分析，結(jié)合甩干機的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境，為了濕法清洗的后續(xù)環(huán)節(jié)，所處環(huán)境中酸堿的含量較低，且溫度在室溫范圍內(nèi)，所以選用橡膠減振器作為甩干機的隔振元器件比較合理。

4　實例分析及實驗論證

以某型甩干機為例，減振墊上部支撐的電機、轉(zhuǎn)子、片盒和晶圓總質(zhì)量m=18 kg，轉(zhuǎn)速范圍600～3 000 r/min，在清洗甩干工藝中清洗轉(zhuǎn)速為800 r/min，甩干轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

由振動系統(tǒng)的固有頻率計算公式：

可得減振器剛度計算公式為：

則可得到各個固有頻率對應(yīng)橡膠減振器的剛度及各轉(zhuǎn)速的頻率比見表1。

表 1　系統(tǒng)固有頻率與剛度和頻率比對應(yīng)關(guān)系

由于減振器剛度太低將導(dǎo)致電機-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)晃動劇烈，剛度過高在高頻段減振效果不理想，綜合考慮后取固有頻率為20 Hz，因此橡膠減振器的剛度為28.40 kg/mm，按照甩干機的設(shè)計尺寸要求再結(jié)合各個減振器廠家不同型號的標定剛度，選擇與此相接近的橡膠減振器，根據(jù)廠家提供材料特性，阻尼比約為0.05～0.1。此時在轉(zhuǎn)速為800 r/min時激振力將放大1.6～1.8倍，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時激振力衰減為原來的40%～50%。將減振器安裝到電機支撐板與機架之間，構(gòu)成隔振系統(tǒng)。

圖4　實驗裝置

實驗裝置如圖4所示，采用德國普盧福VIB ExpertⅡ測振儀，利用轉(zhuǎn)子從0～3 000 r/min加速過程中提供的掃頻激振力，同時檢測電機支撐板通道A和經(jīng)過減振墊后機架通道B的振動加速度如圖5所示，通過對時域內(nèi)的加速度曲線進行快速傅里葉變換（FFT），得到結(jié)果如圖6所示。

圖5　加速過程時域波形

圖6　加速過程頻譜密度

從圖6可知由于機械系統(tǒng)的多模態(tài)特性，電機支座在轉(zhuǎn)子離心力激勵下會存在多個共振峰如236 Hz和390 Hz處，經(jīng)減振器后，約200 Hz以上的振動會迅速衰減，并且在使用頻率10～50 Hz內(nèi)有效降低了電機支撐板傳遞給機架的振動，降低約30%。并且由于高頻振動被隔斷，即可以隔絕聲橋，使噪音降低到最大程度。從圖5的時域圖和頻譜圖6中可得出由于在加速過程中前一階段，系統(tǒng)快速經(jīng)過了共振區(qū)，所以圖中響應(yīng)曲線并未在20 Hz呈現(xiàn)出理論上的共振峰。

在工作轉(zhuǎn)速800 r/min、2 000 r/min和最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min下的振動情況如圖7～圖9所示。

從時域波形表明由于800 r/min轉(zhuǎn)速較低，離心力不足以片盒和片子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)架中，由于碰撞因素存在，導(dǎo)致某一瞬時加速度較高，經(jīng)減振器后響應(yīng)穩(wěn)定在2 m/s2，說明減振器在降低瞬時激勵可以起到很好的效果。在2 000 r/min和3 000 r/min時的時域波形如圖8和圖9所示，此時減振器有效的衰減了高頻和低頻的振動，振動衰減為原來的30%～40%，達到了預(yù)期使用效果。

圖7　800 r/min時加速度時域波形

圖8　2 000 r/min時加速度時域波形

圖9　3 000 r/min時加速度時域波形

5　結(jié)　論

通過分析甩干機的振源及傳遞路線，結(jié)合隔振理論，提出了在電機支撐板下加裝減振器來隔離振源的方法。通過計算分析，為某型甩干機選取了合理的減振器，通過實驗表明減振器在隔離振源、降低振動的傳遞中起到了良好的效果。由于減振器只是降低振動的傳遞率，為達到標本兼治，應(yīng)盡量降低離心力的產(chǎn)生，為此出廠前電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要經(jīng)過嚴格的動平衡調(diào)整，通過實驗論證將電機后支板的振幅設(shè)定為40 μm為經(jīng)濟可行指標。

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