一種載片剛性轉(zhuǎn)架的動平衡校準(zhǔn)探析

于高洋，陶利權(quán)，楊曉靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

剛性轉(zhuǎn)架是由各功能構(gòu)件組焊成型的回轉(zhuǎn)體框架結(jié)構(gòu)，通過與驅(qū)動電機(jī)直連同步定向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對盒裝晶圓片進(jìn)行沖洗、干燥的功能。其工作環(huán)境處于非完全密閉圓筒腔內(nèi)，接觸介質(zhì)為高純水、熱氮?dú)?、高壓電離氮?dú)怆x子流。由于剛性轉(zhuǎn)架中某些構(gòu)件存在因設(shè)計(jì)需要而形成非對稱幾何形狀，加工及組焊時產(chǎn)生的誤差，運(yùn)動過程中產(chǎn)生的腐蝕、磨損、熱變形等因素，造成剛性轉(zhuǎn)架在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大小及方向均呈周期性變化的離心慣性力，離心力使剛性轉(zhuǎn)架發(fā)生變形或移位，且產(chǎn)生高應(yīng)力集中區(qū)域[1]，由此產(chǎn)生的不平衡狀態(tài)而引發(fā)明顯的振動及噪音，造成晶圓片易出現(xiàn)碎片、干燥不徹底等不利因素，針對這些問題，結(jié)合承載200 mm（8英寸）滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)分析。

1 剛性轉(zhuǎn)架的構(gòu)成

剛性轉(zhuǎn)架作為晶圓片盒的載體，由前盤、后盤、定位支桿、限位支桿、配重支桿、銷軸、支軸通過組焊后成型，如圖1所示。各構(gòu)件功能說明如表1所示。

表1 構(gòu)件的功能說明

圖1 剛性轉(zhuǎn)架軸測圖

2 滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架構(gòu)成

滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架如圖2所示。

將滿載晶圓片盒按圖2（a）所示手動推入剛性轉(zhuǎn)架中，如圖2（b）所示，其中片盒滿裝晶圓為25片，如圖3所示。

圖2 滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架圖

圖3 滿載晶圓片盒軸測圖

3 剛性轉(zhuǎn)架中構(gòu)件及滿載晶圓片盒剛性轉(zhuǎn)架的校準(zhǔn)分析

剛性轉(zhuǎn)架中的前、后盤構(gòu)件因結(jié)構(gòu)非完全對稱特征可按模型狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)，以此消除其不平衡量，依照CAD設(shè)計(jì)軟件中質(zhì)量特性功能中的重心坐標(biāo)系的修正來保證；滿載片盒的剛性轉(zhuǎn)架可先按模型狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)，以此消除其不平衡量，依照CAD設(shè)計(jì)軟件中質(zhì)量特性功能中的重心坐標(biāo)系的修正來保證，再通過相關(guān)公式計(jì)算及動平衡機(jī)校準(zhǔn)驗(yàn)證后，形成數(shù)據(jù)庫積累及完善，以此達(dá)到固化其重心修正值至合理范圍。

3.1 前盤模型的重心修正

參照CAD設(shè)計(jì)軟件中質(zhì)量特性功能的重心坐標(biāo)，在滿足結(jié)構(gòu)功能前提下，調(diào)整前盤模型的非功能輪廓特征，因X向（水平方向）是處于左右對稱結(jié)構(gòu)〔如圖4（a）所示〕，所以僅需修正致使前盤Y向（垂直方向）的重心接近坐標(biāo)系（Y值）為0即可，如圖4（b）所示。

圖4 前盤重心修正圖

3.2 后盤模型的重心修正

參照CAD設(shè)計(jì)軟件中質(zhì)量特性功能的重心坐標(biāo)，在滿足結(jié)構(gòu)功能前提下，因X向（水平方向）處于左右對稱結(jié)構(gòu)，所以僅需調(diào)整后盤模型中作修正用的圓孔特征〔如圖5（a）所示〕的輪廓大小和位置致使后盤Y向（垂直方向）的重心接近坐標(biāo)系（Y值）為0即可，如圖5（b）所示。

圖5 后盤重心修正圖

3.3 滿載晶圓片盒剛性轉(zhuǎn)架模型的重心修正

該組合實(shí)體在實(shí)際工作中進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時因離心力作用，晶圓片外徑面始終與套入限位支桿上的晶圓護(hù)管外徑面呈相切狀態(tài)，因此選取晶圓片與套入限位支桿上的晶圓護(hù)管呈相切時的位置作為其模型參照，可相對準(zhǔn)確地進(jìn)行重心修正，依照CAD設(shè)計(jì)軟件中質(zhì)量特性功能的重心坐標(biāo)，因該模型X向（水平方向）處于左右對稱結(jié)構(gòu)〔如圖6（a）所示〕，所以僅需調(diào)整作修正用的配重支桿的輪廓和位置致使該模型Y向（垂直方向）的重心接近坐標(biāo)系（Y值）為0即可，如圖6（b）所示。

圖6 滿載片盒的剛性轉(zhuǎn)架重心修正圖

4 剛性轉(zhuǎn)架中限位支桿同心包角（2θ）及晶圓護(hù)管材質(zhì)的確定

剛性轉(zhuǎn)架中配置的兩根限位支桿及套入其上的晶圓護(hù)管起到限制晶圓片盒的擺動量和對探出片盒裸露區(qū)域晶圓片的緩沖保護(hù)，如圖7所示。

4.1 限位支桿同心包角（2θ）閾值確定

兩根限位支桿呈等徑對稱分布，當(dāng)2θ逐漸小于90°時，如圖7所示其陰影區(qū)域呈現(xiàn)出明顯不均等，弊端是限位支桿上套入的晶圓護(hù)管不能對晶圓片進(jìn)行等效離心阻擋，造成晶圓片沿X向（水平）左右擺動量增大，會加劇不平衡量，同時對晶圓護(hù)管磨損加大，嚴(yán)重時會出現(xiàn)晶圓片切入晶圓護(hù)管造成廢品，反之當(dāng)2θ逐漸大于90°時，弊端等同于2θ逐漸小于90°。因此，2θ取值以90°為準(zhǔn)。限位支桿包角（2θ）對晶圓片X向擺動量影響如圖8所示。

圖7 剛性轉(zhuǎn)架中限位支桿及晶圓護(hù)管示意圖

圖8 限位支桿包角（2θ）對晶圓片X向擺動量影響示意圖

4.2 晶圓護(hù)管材質(zhì)選擇依據(jù)

該設(shè)備使用中，滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架組合實(shí)體的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定在600～2 400 r/min之間，通過實(shí)際離心力計(jì)算值可作為晶圓護(hù)管材質(zhì)選擇的依據(jù)。

離心力計(jì)算公式[2]：F=m(2πn/60)2D

式中，F(xiàn)為離心力；m為回轉(zhuǎn)體質(zhì)量；n為回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速；D為直徑。

以200 mm（8英寸）晶圓為例，具體計(jì)算值為：

m=9.96 kg（滿載片盒的剛性轉(zhuǎn)架質(zhì)量）

D=1.5 mm（取值依據(jù)：晶圓片外徑面與晶圓護(hù)管的同心半徑間的側(cè)隙值為0.75 mm）

通過計(jì)算值可得出，高速旋轉(zhuǎn)的晶圓片離心力大小隨轉(zhuǎn)速遞增而增大，按計(jì)算出的最大離心力值作為選擇適宜材質(zhì)中的抗剪切力模量為依據(jù)，以此選取合適的晶圓護(hù)管材質(zhì)。

5 動平衡驗(yàn)證

動平衡驗(yàn)證參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1940《轉(zhuǎn)子剛體的平衡質(zhì)量》，如表2所示[2]。通過允用偏心量及殘余不平衡量的計(jì)算值得出驗(yàn)證結(jié)果。其中，G值為平衡精度等級（mm/s）。

表2 平衡精度等級表

5.1 組合體的允用偏心量計(jì)算

通過e=(G×1000)/（n/10）計(jì)算滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架組合實(shí)體的允用偏心量[3]，式中e為允用偏心量；G為平衡精度等級；n為工作轉(zhuǎn)速。

以滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架為例，選用與之對標(biāo)的平衡精度等級為G6.3。具體計(jì)算如下：

通過計(jì)算可得：當(dāng)滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架最高轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時，允許的最大偏心量值是26μm，按圖6（b）質(zhì)量特性重心坐標(biāo)的修正結(jié)果，偏心值16μm是滿足要求的。

5.2 組合體的殘余不平衡量計(jì)算

通過m=(e×M)/(r×2)計(jì)算滿載晶圓片盒的剛性轉(zhuǎn)架組合體的允許殘余不平衡量[3]，式中m為允許殘余不平衡量；e為允用偏心量；M為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量；r為旋轉(zhuǎn)半徑。

其中：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量：9.96 kg；旋轉(zhuǎn)半徑：142.5 mm；

通過計(jì)算得出：m1為轉(zhuǎn)速2 400 r/min時允許殘余不平衡量，m2為轉(zhuǎn)速600 r/min時允許殘余不平衡量，通過大量試驗(yàn)及用戶端實(shí)用效果反饋該組合體的殘余不平衡量在＜5 g是適用的，由此驗(yàn)證結(jié)果是完全達(dá)到要求。

6 結(jié)束語

對于該類設(shè)備，多數(shù)故障都與回轉(zhuǎn)體不平衡有關(guān)，通過優(yōu)化剛性轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)，確定Y向坐標(biāo)系重心值的修正范圍（Y值）及限位支桿包角（2θ）的合理數(shù)值，進(jìn)行相關(guān)公式計(jì)算和動平衡驗(yàn)證，建立完善的數(shù)據(jù)庫，以便于準(zhǔn)確分析，有效提升設(shè)備性能。