模块化设计在半导体湿法清洗设备中的应用

张雅丽

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、扩散和引线蒸发等工艺前，采用物理或化学的方法去除硅片表面的污染物颗粒、有机物、金属和自然氧化层，以得到符合清洁度要求的硅片表面的过程。在硅片的整个加工工艺过程中，每一工艺步骤都是硅片表面潜在沾污源，这就要求在每一工艺步骤后或下一工艺步骤前须对硅片表面进行彻底清洗，因此在整个硅片加工工艺过程中，有多达20%工艺步骤为清洗。在清洗过程中，由于有许多可能情形的沾污及不同的工艺技术所要求的硅片最终表面态不同，其所需要的清洗方法不相同，对应的清洗设备也就不同，因此，清洗设备种类、型号繁多且大多为根据用户生产线要求专门设计制造的定制机，这就形成了半导体湿法清洗设备需要针对不同用户独立设计且无法实现规模化生产的特点。当前，清洗设备用户要求的设备供货周期一般为3～4个月，可是随着电子信息产业及太阳能产业的迅速发展，半导体湿法清洗设备需求迅猛增长，清洗设备制造商接收的订单成倍增加，面对繁重的研发任务，国内清洗设备制造商约有50%不能按时兑现合同，如何提高研发效率，保证按期交货成为各设备制造商目前面临的主要矛盾。在半导体湿法清洗设备研发过程中，设备的设计周期约占设备供货周期的1/2甚至更长，是设备研发中的关键环节，因此，缩短设计周期、减小设计周期占设备供货周期的比重，是保证能够按时兑现合同的关键。我所作为国内最大的半导体湿法清洗设备制造商，经过十几年的发展，在设备设计、制造及清洗工艺方面积累了丰富经验并根据清洗类设备同一种类、不同系列间功能模块的替代性较强的特点，采用了模块化的设计方法，解决了上述矛盾。

1 模块化设计方法的应用

（1）按照半导体湿法清洗设备功能及结构的不同特点，首先将设备分为清洗类、甩干类及辅助清洗类，再将每类产品中各系列及型号的设备分解成机架、水枪、气枪、QDR槽、石英加热槽、NPP循环加热槽、排风口等独立机构；这些独立结构能单独完成某种特定功能且不能再分解成更小的结构单元。

（2）将分解后的各独立结构按照其设计方式分成标准化结构和专用结构。对于半导体湿法清洗设备而言专用结构主要是指机架、门板及根据用户使用要求添加的某些特殊结构，机架、门板等需要根据其上放置槽体的大小、位置不同及用户生产线对设备外形尺寸限制等不断调整尺寸；特殊结构需要根据用户要求重新设计；其它独立结构均属于标准结构，既可以进行系列化、标准化设计的结构，如各种槽体、水枪、气枪、排风口等。对槽体等独立结构结合我所十几年半导体湿法设备开发、设计过程中积累起来的大量资料，运用统计、分析、筛选等方法，找出已有的全部规格并结合设备发展趋势，将这些独立机构简化统一成系列化标准模块，例如，对于辅助清洗设备炉管清洗机中的槽体结构，其尺寸是根据所清洗物品炉管的尺寸来制定的，对应各种规格炉管尺寸，槽体尺寸也各不相同，近十年来在用户生产线上使用的各种规格炉管及设备数量统计见表1。

表1 生产线中使用的各种规格炉管及设备数量统计

从上表的统计数据可以看出，φ100 mm×2450mm、φ250mm×2330mm、φ350mm×2660 mm三种规格的炉管生产线上应用较多，结合其他炉管规格，将槽体尺寸规格简化成400 mm×2700 mm、430 mm×2480 mm、500 mm×2900 mm系列标准模块，即满足主流生产线需求，也可兼容大部分其它规格炉管的清洗。其它槽体结构均可按照此方式简化统一成系列化标准模块。对于不同要求的清洗设备，接到用户的订单以后，只需采用现成模块及添加少量专用模块来集合成用户所要求的设备。

（3）设备上使用的各种标准件如标牌、铭牌、按钮、管路、接头等，按照具体使用条件优化设计成尽量少的规格系列，例如标牌从以前使用的5种规格优化设计成现在的2种规格。

（4）系列化标准模块统一存放在服务器上，供设计人员设计时调用。由于技术不断向前发展，新工艺、新设备不断出现，因此需要对标准化模块进行及时更新、维护，使设备不断向多样化、先进化、集成化方向发展。

2 模块化设计方法应注意事项

（1）不同种类设备的模块有不同的划分顺序，在半导体湿法清洗设备的模块化设计中，按照先整体后局部，先功能后结构的顺序来进行各个模块的划分，对于其他类设备，应根据设备特点具体分析确定。

（2）模块化结构应划分到能实现某种特定功能的最小结构，这样才能保证统一简化后的系列化标准模块具有广泛的通用性、互换性。

（3）标准化模块应结合产品特点及发展方向，数量尽量少，而寿命比较长，便于采用大批量加工及采用先进的加工设备、加工工艺提高生产效率。

（4）作为标准的模块化结构应是经过试验、实际使用验证的结构优化、通用性强的典型性结构。

（5）标准化模块应建立在以往设备研发经验的积累上，运用统计学理论和经验分析的方法并结合产品特点及发展方向，能够代表产品的发展方向。标准化模块应设专人统一存放及更新、改进。

3 结 论

通过采用模块化的设计方法，避免了设计工程师们的重复设计，使他们将主要精力放在了技术创新、不断提高设备性能及质量上。由于采用了标准化模块，单件小批量生产转变成了大批量生产，不仅缩短了设备的设计时间，而且缩短了制造时间，提高了制造质量，为设备制造商按时兑现合同作出了贡献。

[1]童时中.模块化原理设计方法及应用[M].重庆：重庆出版社，1997.12.6-10.

[2]机械工程手册编辑委员会.机械工程手册[M].北京：机械工业出版社，1997.152-158.