有機清洗槽共振與噪聲控制方法研究

萬 弋，張繼靜，劉鴻儒

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

硅片清洗指在氧化、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，以得到復合清潔度要求的硅片表面過程。在硅片清洗過程中，由于有許多可能情形的玷污及不同的工藝技術(shù)所要求的硅片最終表面形態(tài)不同，其所需要的清洗方法不同。隨著半導體制造工藝對濕法腐蝕均勻性的要求越來越高，目前最常用的方法之一是在工藝處理槽中設置抖動機構(gòu)，以帶動晶片往復攪拌。在抖動機構(gòu)裝調(diào)和使用過程中，發(fā)現(xiàn)了振動不平穩(wěn)、噪聲大等問題。嚴重影響到抖動機構(gòu)的使用和推廣。

1 噪聲與共振

1.1 環(huán)境及噪聲

從環(huán)境保護的角度看，凡是影響人們正常學習，工作和休息的聲音都統(tǒng)稱為噪聲。從物理角度看，噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音。噪聲給人的生理上和心理上帶來多方面的危害，如：使工作效率降低，損傷聽覺、視覺器官，對人體的心腦血管等造成損害。噪聲污染主要來源于交通運輸、車輛鳴笛、工業(yè)噪聲、建筑施工、社會噪聲等。工業(yè)噪聲主要來自機器和高速運轉(zhuǎn)的設備。我國《城市區(qū)域噪聲標準》中則明確規(guī)定了工業(yè)區(qū)域的環(huán)境噪聲最高限值是晝間65 dB、夜間55 dB，超過這個限值的聲音就屬于對工作人員有危害的噪聲，應該采取措施加以控制。

清洗設備調(diào)試過程中如果有很大噪音，首先安裝人員要從裝配方面分析噪聲產(chǎn)生的原因，并進行調(diào)整改進以降低噪音，這在一定程度上浪費了工時。而且長時間在高噪音環(huán)境下工作，會影響工作人員的情緒和身體健康，產(chǎn)生諸多不利影響，應該找出噪音產(chǎn)生原因并采取對策控制其產(chǎn)生。

1.2 振動—共振

固有頻率是某種物質(zhì)特有的固定振動頻率。因為物質(zhì)中微觀粒子的差異性，每種物質(zhì)的振動頻率都不同。物質(zhì)在一定頻率的外力作用下會以該外力的頻率振動，在物理學上叫做受迫振動，但因為受迫振動會消耗能量，所以它的振幅會變小。當外力的頻率與物質(zhì)的固有頻率相同時，振幅會達到最大，也就發(fā)生了共振，也就是兩個振動頻率相同的物體，當一個發(fā)生振動時，引起另一個物體振動的現(xiàn)象。振動波形見圖1。

圖1 振動波形

清洗機內(nèi)抖動機構(gòu)振動頻率與清洗槽的固有頻率相同時則會產(chǎn)生共振。長時間在共振頻率工作，一方面會產(chǎn)生很高的噪音，另一方面抖動時產(chǎn)生的振動過大，則會增加碎片率，提高使用者的生產(chǎn)成本，此外過高的振動會降低抖動機構(gòu)的使用壽命。總之，設計、安裝過程中要避免共振產(chǎn)生，以減弱對各方面的不利影響。

2 有機清洗槽內(nèi)噪聲與共振試驗

由于客戶要求以及所清洗硅片種類需要，有機清洗槽內(nèi)溶液要求加熱到85℃。為此，設備采用石英槽體，外包PP外殼，中間填充保溫巖棉。石英缸內(nèi)口有效尺寸為：300 mm×250 mm×230 mm。

由于清洗槽內(nèi)溶液的均勻性直接影響到腐蝕的均勻性，所以在槽體外側(cè)安裝步進電機，電機運轉(zhuǎn)時帶動底托運動，清洗時攜帶片盒的花籃在底托上隨步進電機的運動上下抖動。抖動機構(gòu)如圖3所示，振幅為30 mm，頻率為10～40次/min。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：抖動機構(gòu)在一定工作頻率時產(chǎn)生很大噪音。下面通過實驗采集數(shù)據(jù)，以便于分析處理。

電機振動頻率由PLC所發(fā)脈沖頻率以及驅(qū)動器的參數(shù)決定，噪聲大小由袖珍型數(shù)字式聲級計TES-1350A測量得出。經(jīng)過試驗測得數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 抖動機構(gòu)示意圖及工作原理

表1 抖動頻率與振動情況關系表

在安裝抖動裝置的清洗槽內(nèi)，當抖動次數(shù)在31個/s左右時，抖動噪聲在70 dB左右，同時系統(tǒng)出現(xiàn)共振特征。根據(jù)試驗情況判斷此時抖動頻率與抖動機構(gòu)的固有頻率相近或相同，因此噪聲增大產(chǎn)生共振。

3 振動噪聲控制方法及試驗

控制振動主要從以下幾個方面入手：

（1）減小傳動系統(tǒng)的不平衡量，從源頭控制振動產(chǎn)生。

（2）采用振動隔離技術(shù)，控制振動能量的傳播。

（3）合理利用阻尼吸收振動能量，并控制振動響應。

目前常用的減振裝置主要是根據(jù)運動隔振和力隔振原理設計，具體的減振方法主要有擠壓油膜減振器、摩擦減振器等。其基本原理是利用材料內(nèi)阻尼或者結(jié)構(gòu)阻尼衰減振動能量。性能優(yōu)良的減振裝置不但要具有良好的減振效果，還應滿足體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)，使用維護，以及經(jīng)濟和技術(shù)上的可行性等多方面的使用要求。充分的噪聲控制，必須考慮噪聲源、傳音途徑、受音者所組成的整個系統(tǒng)。控制噪聲的措施可以針對上述三個部分或其中任何一個部分。顯然，減弱清洗設備中抖動產(chǎn)生的噪聲不能依賴在人耳處減弱噪聲的方法進行，而要在另外兩個方面展開研究。

3.1 阻斷噪聲傳播

阻斷噪聲傳播即在傳音途徑上降低噪聲，或改變聲源已經(jīng)發(fā)出的噪聲傳播途徑，可以采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施。清洗設備在所有功能槽上方覆蓋工作臺面板，主要為了保證設備外觀的整潔、美觀，可以在一定程度上降低噪聲。但為了便于臺面上水、液的排出，機臺臺面設計成多孔結(jié)構(gòu)，這樣在阻斷噪聲傳播方面的作用就大大減弱了。

3.2 控制噪聲源

經(jīng)過分析，傳動機構(gòu)振動不平穩(wěn)、噪音大的原因有以下幾點：

（1）滑板導軌結(jié)構(gòu)設計加工不合理；

（2）驅(qū)動軸承運動副設計加工不合理；

（3）隔板安裝方式帶來機構(gòu)不穩(wěn)定；

（4）加工及安裝精度不合要求；

（5）驅(qū)動電機及減速器選取不當。

首先為了排除電機及減速器的因素，進行了更詳細的電機選型轉(zhuǎn)矩設計計算：

1）為提高振動機構(gòu)的通用性，以雙150 mm片盒及PTFE花籃的質(zhì)量為最大負載。經(jīng)測量，運動部件總質(zhì)量為6.5 kg。

2)曲柄機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中，曲柄水平時力臂最大，為L＝15 mm。

3)曲柄機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中，曲柄水平向上運動瞬間負載最大，可近似等于運動部件的質(zhì)量m，但運動時有加速負載，所以取運動部件質(zhì)量為2倍的m。

4)運動過程中，摩擦及動載總系數(shù)取μ＝1.5，因為在垂直方向，所以安全系數(shù)取f＝1.5。

5)減速器減速比選i＝5。

6)電機的計算轉(zhuǎn)矩為：

7)通過上述計算，選擇電機額定轉(zhuǎn)矩為：0.9 N·m。

原來選用的3HB86-97-H型三項混合式步進電機其額定轉(zhuǎn)矩為4 N·m，完全符合要求，排除了驅(qū)動電機及減速器選取不當這一因素。

第二，本次加工及安裝由多年工作經(jīng)驗的鉗工師傅完成，加工精度降至最低后試驗，共振情況沒有改善。排除了加工及安裝精度不合要求這一因素。

第三，在機構(gòu)安裝時，在電機與底托板接觸處安裝2 mm厚的膠皮墊，改剛性連接為彈性連接，試驗表明噪音沒有降低。排除了隔板安裝方式帶來機構(gòu)不穩(wěn)定這一因素。

試驗發(fā)現(xiàn)第3～5個因素均不是主要因素，并且可以在裝調(diào)過程中加以改進，達到提高系統(tǒng)性能的目的。最后鎖定關鍵因素是：滑板導軌和驅(qū)動軸承運動副結(jié)構(gòu)設計加工不合理。經(jīng)過分析：降低聲源噪聲，可以選用低噪聲的生產(chǎn)設備和改進生產(chǎn)工藝，或者改變噪聲源的運動方式，如用阻尼、隔振等措施降低固體發(fā)聲體的振動。經(jīng)過機械設計人員改進設計后，抖動機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理圖3所示。

圖3 改進后抖動機構(gòu)示意圖及工作原理

表2 改進后抖動頻率與振動情況關系表

由表2可見，抖動頻率在30次/min時，噪聲明顯減小，在其他抖動頻率時，聲音也有一定的減弱。說明抖動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進對系統(tǒng)固有頻率改變起到了很大作用，從而噪聲也控制到對工作人員及環(huán)境來講的安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

硅片清洗設備是氧化、光刻、外延、擴散和引線蒸發(fā)等工藝前必不可少的工藝步驟。在工藝處理槽中設置抖動機構(gòu)，帶動晶片往復攪拌是目前最常用的使腐蝕均勻的方法之一。而清洗槽內(nèi)共振與噪音的控制，對清洗機的推廣起到了極大的推動作用。

中國電子科技集團第四十五研究所一直跟蹤世界清洗機的先進水平和工藝，2000年開始生產(chǎn)該類設備，研制開發(fā)的兆聲清洗機為國內(nèi)首創(chuàng)，填補了國內(nèi)在該領域的空白。現(xiàn)已生產(chǎn)的槽式、超聲、兆聲、全自動及太陽能等4000多臺清洗機在全國多個廠家投入使用，目前四十五所生產(chǎn)的清洗設備已達到甚至超過國際同類產(chǎn)品水平。隨著先進工藝手段的不斷推出，加工能力的不斷增強，控制精度的不斷提高，手動、自動、步進等工作模式的增多，清洗機會帶來更多的經(jīng)濟效益。作為半導體行業(yè)的主要設備之一，清洗設備必將在將來的產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮越來越重要的作用。

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