有機(jī)清洗槽共振與噪聲控制方法研究

萬(wàn) 弋，張繼靜，劉鴻儒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(kuò)散和引線蒸發(fā)等工藝前，采用物理或化學(xué)的方法去除硅片表面的污染物顆粒、有機(jī)物、金屬和自然氧化層，以得到復(fù)合清潔度要求的硅片表面過(guò)程。在硅片清洗過(guò)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(dǎo)體制造工藝對(duì)濕法腐蝕均勻性的要求越來(lái)越高，目前最常用的方法之一是在工藝處理槽中設(shè)置抖動(dòng)機(jī)構(gòu)，以帶動(dòng)晶片往復(fù)攪拌。在抖動(dòng)機(jī)構(gòu)裝調(diào)和使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)不平穩(wěn)、噪聲大等問(wèn)題。嚴(yán)重影響到抖動(dòng)機(jī)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(hù)的角度看，凡是影響人們正常學(xué)習(xí)，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(wú)規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音。噪聲給人的生理上和心理上帶來(lái)多方面的危害，如：使工作效率降低，損傷聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)器官，對(duì)人體的心腦血管等造成損害。噪聲污染主要來(lái)源于交通運(yùn)輸、車(chē)輛鳴笛、工業(yè)噪聲、建筑施工、社會(huì)噪聲等。工業(yè)噪聲主要來(lái)自機(jī)器和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備。我國(guó)《城市區(qū)域噪聲標(biāo)準(zhǔn)》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(guò)這個(gè)限值的聲音就屬于對(duì)工作人員有危害的噪聲，應(yīng)該采取措施加以控制。

清洗設(shè)備調(diào)試過(guò)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(jìn)行調(diào)整改進(jìn)以降低噪音，這在一定程度上浪費(fèi)了工時(shí)。而且長(zhǎng)時(shí)間在高噪音環(huán)境下工作，會(huì)影響工作人員的情緒和身體健康，產(chǎn)生諸多不利影響，應(yīng)該找出噪音產(chǎn)生原因并采取對(duì)策控制其產(chǎn)生。

1.2 振動(dòng)—共振

固有頻率是某種物質(zhì)特有的固定振動(dòng)頻率。因?yàn)槲镔|(zhì)中微觀粒子的差異性，每種物質(zhì)的振動(dòng)頻率都不同。物質(zhì)在一定頻率的外力作用下會(huì)以該外力的頻率振動(dòng)，在物理學(xué)上叫做受迫振動(dòng)，但因?yàn)槭芷日駝?dòng)會(huì)消耗能量，所以它的振幅會(huì)變小。當(dāng)外力的頻率與物質(zhì)的固有頻率相同時(shí)，振幅會(huì)達(dá)到最大，也就發(fā)生了共振，也就是兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體，當(dāng)一個(gè)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，引起另一個(gè)物體振動(dòng)的現(xiàn)象。振動(dòng)波形見(jiàn)圖1。

圖1 振動(dòng)波形

清洗機(jī)內(nèi)抖動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)頻率與清洗槽的固有頻率相同時(shí)則會(huì)產(chǎn)生共振。長(zhǎng)時(shí)間在共振頻率工作，一方面會(huì)產(chǎn)生很高的噪音，另一方面抖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)過(guò)大，則會(huì)增加碎片率，提高使用者的生產(chǎn)成本，此外過(guò)高的振動(dòng)會(huì)降低抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用壽命。總之，設(shè)計(jì)、安裝過(guò)程中要避免共振產(chǎn)生，以減弱對(duì)各方面的不利影響。

2 有機(jī)清洗槽內(nèi)噪聲與共振試驗(yàn)

由于客戶要求以及所清洗硅片種類需要，有機(jī)清洗槽內(nèi)溶液要求加熱到85℃。為此，設(shè)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(jìn)電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)底托運(yùn)動(dòng)，清洗時(shí)攜帶片盒的花籃在底托上隨步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)上下抖動(dòng)。抖動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，振幅為30 mm，頻率為10～40次/min。

調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：抖動(dòng)機(jī)構(gòu)在一定工作頻率時(shí)產(chǎn)生很大噪音。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，以便于分析處理。

電機(jī)振動(dòng)頻率由PLC所發(fā)脈沖頻率以及驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)決定，噪聲大小由袖珍型數(shù)字式聲級(jí)計(jì)TES-1350A測(cè)量得出。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 抖動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖及工作原理

表1 抖動(dòng)頻率與振動(dòng)情況關(guān)系表

在安裝抖動(dòng)裝置的清洗槽內(nèi)，當(dāng)抖動(dòng)次數(shù)在31個(gè)/s左右時(shí)，抖動(dòng)噪聲在70 dB左右，同時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)共振特征。根據(jù)試驗(yàn)情況判斷此時(shí)抖動(dòng)頻率與抖動(dòng)機(jī)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(dòng)噪聲控制方法及試驗(yàn)

控制振動(dòng)主要從以下幾個(gè)方面入手：

（1）減小傳動(dòng)系統(tǒng)的不平衡量，從源頭控制振動(dòng)產(chǎn)生。

（2）采用振動(dòng)隔離技術(shù)，控制振動(dòng)能量的傳播。

（3）合理利用阻尼吸收振動(dòng)能量，并控制振動(dòng)響應(yīng)。

目前常用的減振裝置主要是根據(jù)運(yùn)動(dòng)隔振和力隔振原理設(shè)計(jì)，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(dòng)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(yīng)滿足體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)，使用維護(hù)，以及經(jīng)濟(jì)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(gè)系統(tǒng)?？刂圃肼暤拇胧┛梢葬槍?duì)上述三個(gè)部分或其中任何一個(gè)部分。顯然，減弱清洗設(shè)備中抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲不能依賴在人耳處減弱噪聲的方法進(jìn)行，而要在另外兩個(gè)方面展開(kāi)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(shè)備在所有功能槽上方覆蓋工作臺(tái)面板，主要為了保證設(shè)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(tái)面上水、液的排出，機(jī)臺(tái)臺(tái)面設(shè)計(jì)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(guò)分析，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)不平穩(wěn)、噪音大的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）滑板導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工不合理；

（2）驅(qū)動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)加工不合理；

（3）隔板安裝方式帶來(lái)機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定；

（4）加工及安裝精度不合要求；

（5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器選取不當(dāng)。

首先為了排除電機(jī)及減速器的因素，進(jìn)行了更詳細(xì)的電機(jī)選型轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)計(jì)算：

1）為提高振動(dòng)機(jī)構(gòu)的通用性，以雙150 mm片盒及PTFE花籃的質(zhì)量為最大負(fù)載。經(jīng)測(cè)量，運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量為6.5 kg。

2)曲柄機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，曲柄水平時(shí)力臂最大，為L(zhǎng)＝15 mm。

3)曲柄機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，曲柄水平向上運(yùn)動(dòng)瞬間負(fù)載最大，可近似等于運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量m，但運(yùn)動(dòng)時(shí)有加速負(fù)載，所以取運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為2倍的m。

4)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，摩擦及動(dòng)載總系數(shù)取μ＝1.5，因?yàn)樵诖怪狈较颍园踩禂?shù)取f＝1.5。

5)減速器減速比選i＝5。

6)電機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：

7)通過(guò)上述計(jì)算，選擇電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為：0.9 N·m。

原來(lái)選用的3HB86-97-H型三項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)其額定轉(zhuǎn)矩為4 N·m，完全符合要求，排除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器選取不當(dāng)這一因素。

第二，本次加工及安裝由多年工作經(jīng)驗(yàn)的鉗工師傅完成，加工精度降至最低后試驗(yàn)，共振情況沒(méi)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(jī)構(gòu)安裝時(shí)，在電機(jī)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(yàn)表明噪音沒(méi)有降低。排除了隔板安裝方式帶來(lái)機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定這一因素。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第3～5個(gè)因素均不是主要因素，并且可以在裝調(diào)過(guò)程中加以改進(jìn)，達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。最后鎖定關(guān)鍵因素是：滑板導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工不合理。經(jīng)過(guò)分析：降低聲源噪聲，可以選用低噪聲的生產(chǎn)設(shè)備和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，或者改變?cè)肼曉吹倪\(yùn)動(dòng)方式，如用阻尼、隔振等措施降低固體發(fā)聲體的振動(dòng)。經(jīng)過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)人員改進(jìn)設(shè)計(jì)后，抖動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理圖3所示。

圖3 改進(jìn)后抖動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖及工作原理

表2 改進(jìn)后抖動(dòng)頻率與振動(dòng)情況關(guān)系表

由表2可見(jiàn)，抖動(dòng)頻率在30次/min時(shí)，噪聲明顯減小，在其他抖動(dòng)頻率時(shí)，聲音也有一定的減弱。說(shuō)明抖動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)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(duì)工作人員及環(huán)境來(lái)講的安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

硅片清洗設(shè)備是氧化、光刻、外延、擴(kuò)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(shè)置抖動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)晶片往復(fù)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(duì)清洗機(jī)的推廣起到了極大的推動(dòng)作用。

中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所一直跟蹤世界清洗機(jī)的先進(jìn)水平和工藝，2000年開(kāi)始生產(chǎn)該類設(shè)備，研制開(kāi)發(fā)的兆聲清洗機(jī)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白?，F(xiàn)已生產(chǎn)的槽式、超聲、兆聲、全自動(dòng)及太陽(yáng)能等4000多臺(tái)清洗機(jī)在全國(guó)多個(gè)廠家投入使用，目前四十五所生產(chǎn)的清洗設(shè)備已達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)際同類產(chǎn)品水平。隨著先進(jìn)工藝手段的不斷推出，加工能力的不斷增強(qiáng)，控制精度的不斷提高，手動(dòng)、自動(dòng)、步進(jìn)等工作模式的增多，清洗機(jī)會(huì)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。作為半導(dǎo)體行業(yè)的主要設(shè)備之一，清洗設(shè)備必將在將來(lái)的產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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