有机清洗槽共振与噪声控制方法研究

万 弋，张继静，刘鸿儒

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

硅片清洗指在氧化、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，以得到复合清洁度要求的硅片表面过程。在硅片清洗过程中，由于有许多可能情形的玷污及不同的工艺技术所要求的硅片最终表面形态不同，其所需要的清洗方法不同。随着半导体制造工艺对湿法腐蚀均匀性的要求越来越高，目前最常用的方法之一是在工艺处理槽中设置抖动机构，以带动晶片往复搅拌。在抖动机构装调和使用过程中，发现了振动不平稳、噪声大等问题。严重影响到抖动机构的使用和推广。

1 噪声与共振

1.1 环境及噪声

从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音都统称为噪声。从物理角度看，噪声是发声体做无规则振动时发出的声音。噪声给人的生理上和心理上带来多方面的危害，如：使工作效率降低，损伤听觉、视觉器官，对人体的心脑血管等造成损害。噪声污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪声、建筑施工、社会噪声等。工业噪声主要来自机器和高速运转的设备。我国《城市区域噪声标准》中则明确规定了工业区域的环境噪声最高限值是昼间65 dB、夜间55 dB，超过这个限值的声音就属于对工作人员有危害的噪声，应该采取措施加以控制。

清洗设备调试过程中如果有很大噪音，首先安装人员要从装配方面分析噪声产生的原因，并进行调整改进以降低噪音，这在一定程度上浪费了工时。而且长时间在高噪音环境下工作，会影响工作人员的情绪和身体健康，产生诸多不利影响，应该找出噪音产生原因并采取对策控制其产生。

1.2 振动—共振

固有频率是某种物质特有的固定振动频率。因为物质中微观粒子的差异性，每种物质的振动频率都不同。物质在一定频率的外力作用下会以该外力的频率振动，在物理学上叫做受迫振动，但因为受迫振动会消耗能量，所以它的振幅会变小。当外力的频率与物质的固有频率相同时，振幅会达到最大，也就发生了共振，也就是两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另一个物体振动的现象。振动波形见图1。

图1 振动波形

清洗机内抖动机构振动频率与清洗槽的固有频率相同时则会产生共振。长时间在共振频率工作，一方面会产生很高的噪音，另一方面抖动时产生的振动过大，则会增加碎片率，提高使用者的生产成本，此外过高的振动会降低抖动机构的使用寿命。总之，设计、安装过程中要避免共振产生，以减弱对各方面的不利影响。

2 有机清洗槽内噪声与共振试验

由于客户要求以及所清洗硅片种类需要，有机清洗槽内溶液要求加热到85℃。为此，设备采用石英槽体，外包PP外壳，中间填充保温岩棉。石英缸内口有效尺寸为：300 mm×250 mm×230 mm。

由于清洗槽内溶液的均匀性直接影响到腐蚀的均匀性，所以在槽体外侧安装步进电机，电机运转时带动底托运动，清洗时携带片盒的花篮在底托上随步进电机的运动上下抖动。抖动机构如图3所示，振幅为30 mm，频率为10～40次/min。

调试过程中发现：抖动机构在一定工作频率时产生很大噪音。下面通过实验采集数据，以便于分析处理。

电机振动频率由PLC所发脉冲频率以及驱动器的参数决定，噪声大小由袖珍型数字式声级计TES-1350A测量得出。经过试验测得数据如表1所示。

图2 抖动机构示意图及工作原理

表1 抖动频率与振动情况关系表

在安装抖动装置的清洗槽内，当抖动次数在31个/s左右时，抖动噪声在70 dB左右，同时系统出现共振特征。根据试验情况判断此时抖动频率与抖动机构的固有频率相近或相同，因此噪声增大产生共振。

3 振动噪声控制方法及试验

控制振动主要从以下几个方面入手：

（1）减小传动系统的不平衡量，从源头控制振动产生。

（2）采用振动隔离技术，控制振动能量的传播。

（3）合理利用阻尼吸收振动能量，并控制振动响应。

目前常用的减振装置主要是根据运动隔振和力隔振原理设计，具体的减振方法主要有挤压油膜减振器、摩擦减振器等。其基本原理是利用材料内阻尼或者结构阻尼衰减振动能量。性能优良的减振装置不但要具有良好的减振效果，还应满足体积、质量、结构，使用维护，以及经济和技术上的可行性等多方面的使用要求。充分的噪声控制，必须考虑噪声源、传音途径、受音者所组成的整个系统。控制噪声的措施可以针对上述三个部分或其中任何一个部分。显然，减弱清洗设备中抖动产生的噪声不能依赖在人耳处减弱噪声的方法进行，而要在另外两个方面展开研究。

3.1 阻断噪声传播

阻断噪声传播即在传音途径上降低噪声，或改变声源已经发出的噪声传播途径，可以采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施。清洗设备在所有功能槽上方覆盖工作台面板，主要为了保证设备外观的整洁、美观，可以在一定程度上降低噪声。但为了便于台面上水、液的排出，机台台面设计成多孔结构，这样在阻断噪声传播方面的作用就大大减弱了。

3.2 控制噪声源

经过分析，传动机构振动不平稳、噪音大的原因有以下几点：

（1）滑板导轨结构设计加工不合理；

（2）驱动轴承运动副设计加工不合理；

（3）隔板安装方式带来机构不稳定；

（4）加工及安装精度不合要求；

（5）驱动电机及减速器选取不当。

首先为了排除电机及减速器的因素，进行了更详细的电机选型转矩设计计算：

1）为提高振动机构的通用性，以双150 mm片盒及PTFE花篮的质量为最大负载。经测量，运动部件总质量为6.5 kg。

2)曲柄机构在旋转过程中，曲柄水平时力臂最大，为L＝15 mm。

3)曲柄机构在旋转过程中，曲柄水平向上运动瞬间负载最大，可近似等于运动部件的质量m，但运动时有加速负载，所以取运动部件质量为2倍的m。

4)运动过程中，摩擦及动载总系数取μ＝1.5，因为在垂直方向，所以安全系数取f＝1.5。

5)减速器减速比选i＝5。

6)电机的计算转矩为：

7)通过上述计算，选择电机额定转矩为：0.9 N·m。

原来选用的3HB86-97-H型三项混合式步进电机其额定转矩为4 N·m，完全符合要求，排除了驱动电机及减速器选取不当这一因素。

第二，本次加工及安装由多年工作经验的钳工师傅完成，加工精度降至最低后试验，共振情况没有改善。排除了加工及安装精度不合要求这一因素。

第三，在机构安装时，在电机与底托板接触处安装2 mm厚的胶皮垫，改刚性连接为弹性连接，试验表明噪音没有降低。排除了隔板安装方式带来机构不稳定这一因素。

试验发现第3～5个因素均不是主要因素，并且可以在装调过程中加以改进，达到提高系统性能的目的。最后锁定关键因素是：滑板导轨和驱动轴承运动副结构设计加工不合理。经过分析：降低声源噪声，可以选用低噪声的生产设备和改进生产工艺，或者改变噪声源的运动方式，如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动。经过机械设计人员改进设计后，抖动机构结构及工作原理图3所示。

图3 改进后抖动机构示意图及工作原理

表2 改进后抖动频率与振动情况关系表

由表2可见，抖动频率在30次/min时，噪声明显减小，在其他抖动频率时，声音也有一定的减弱。说明抖动机构的结构改进对系统固有频率改变起到了很大作用，从而噪声也控制到对工作人员及环境来讲的安全范围内。

4 结束语

硅片清洗设备是氧化、光刻、外延、扩散和引线蒸发等工艺前必不可少的工艺步骤。在工艺处理槽中设置抖动机构，带动晶片往复搅拌是目前最常用的使腐蚀均匀的方法之一。而清洗槽内共振与噪音的控制，对清洗机的推广起到了极大的推动作用。

中国电子科技集团第四十五研究所一直跟踪世界清洗机的先进水平和工艺，2000年开始生产该类设备，研制开发的兆声清洗机为国内首创，填补了国内在该领域的空白。现已生产的槽式、超声、兆声、全自动及太阳能等4000多台清洗机在全国多个厂家投入使用，目前四十五所生产的清洗设备已达到甚至超过国际同类产品水平。随着先进工艺手段的不断推出，加工能力的不断增强，控制精度的不断提高，手动、自动、步进等工作模式的增多，清洗机会带来更多的经济效益。作为半导体行业的主要设备之一，清洗设备必将在将来的产业链中发挥越来越重要的作用。

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