光刻機基礎(chǔ)防微振設(shè)計的新嘗試

王飛

【摘 要】 樁基一般未直接用于精密儀器基礎(chǔ)的防微振設(shè)計，而用于強振時的主動隔振。本文考慮樁土共同作用，提高地基剛度和地基阻尼比，減小變形，避免發(fā)生共振。以光刻機基礎(chǔ)防微振設(shè)計實例，并通過測試證實，樁基可用于防微振設(shè)計的新方法，可供類似的工程設(shè)計參考。

【關(guān)鍵詞】 防微振 地面振動 共振

1 某微電子廠房概況

浙江金華某兩層微電子廠房，上部結(jié)構(gòu)于2011年上半年施工完畢，一層層高7m，地坪還未施工。要求在地面上安裝10臺高精密步進(jìn)光刻機，光刻機廠家要求周圍地面振動對基礎(chǔ)的影響：豎向振幅≤3μm，振動速度≤0.1mm/s，外界干擾頻率在4Hz～25Hz時振動加速度≤4×10-3～8×10-3m/s2。

廠房地基土層情況如下：場地屬丘陵地貌經(jīng)人工填平后，東高西低。①層碎石填土，層厚1.2-10.5m，松散狀，稍濕，由風(fēng)化巖碎塊石夾少量粘性土，為新進(jìn)堆填，未經(jīng)分層壓實和自重固結(jié)。②層粉質(zhì)粘性，層厚0.4-3.1m，中壓縮性。③層強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚4-8.5m，為極軟巖。④層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚0.2-1.5m，為軟巖。廠房四周為廠區(qū)道路，常有汽車等行駛。

地下水位在地面5m以下，老廠房柱下采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為④層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，承臺底標(biāo)高-2.2m。

2 樁基用于防微振設(shè)計的分析研究

本次光刻機基礎(chǔ)設(shè)計時，乃是考慮采用樁基直接用于防微振，且為考慮樁土共同作用的一個新嘗試。與用鋼彈簧隔振相比，基礎(chǔ)塊體增大不多，但省去彈簧和放置隔振系統(tǒng)的鋼筋混凝土地坑，總費用減少很多，且施工簡單，以后無維修及更換煩惱。

3 光刻機基礎(chǔ)防微振設(shè)計的原理

光刻機基礎(chǔ)防微振設(shè)計首先應(yīng)盡量通過總體工藝流程與平面布置，對振源采取有效的主動隔振措施，使它的干擾影響盡量小。為避免共振，應(yīng)根據(jù)場地的工程地質(zhì)情況與周圍有影響的振源振動情況，對地基進(jìn)行有效、合理的處理，以提高防微振設(shè)備基礎(chǔ)體系的豎向抗壓剛度，使體系的固有頻率適度地超過周圍已有及將來可能會有的振源的強迫振動頻率[4]。另外，根據(jù)振源振動對于地層的干擾，以及振動波的能量在土中傳播衰減后對基礎(chǔ)振動體系的干擾，采取有效的被動隔振措施，使光刻機基礎(chǔ)底座豎向振幅小于允許值，振動速度最大值小于允許值，以及在一定外界干擾頻率范圍內(nèi)的振動加速度最大值小于允許值[5]。

本工程動力模型中，將承臺及其上光刻機看作一個質(zhì)量為M的剛體[6]，將樁基及其間土層看作沒有質(zhì)量的彈簧，簡化為研究支承在彈簧上剛體的振動問題，彈簧的剛度即樁基及其間土層的豎向抗壓剛度，底座即樁端以下的④層土。底座的振動是由于附近振源的振動能量在土中傳播至底座引起的，由于樁基及其間土層整體剛度較大，因此經(jīng)土層衰減傳播來的能量干擾影響很小，引起它發(fā)生的振動也是很小的。

4 光刻機基礎(chǔ)防微振設(shè)計

10臺高精密步進(jìn)光刻機，其基礎(chǔ)做成獨立的、與周圍地面完全脫開的、由群樁支承的整板式鋼筋混凝土基礎(chǔ)。這主要根據(jù)地質(zhì)情況、周圍振源的振動干擾情況、地面使用荷載、機器與儀器的底座允許最大振幅很小（3μm）而確定的。樁型、樁持力層、樁斷面尺寸、單樁承載力試驗、布樁原則同一般樁。在確定樁數(shù)時，必須確保防微振設(shè)備基礎(chǔ)體系的固有頻率一定要適度超過周圍已有振源和將來可能會有振源的強迫振動頻率，不發(fā)生共振現(xiàn)象，同時必須滿足基礎(chǔ)沉降均勻。

根據(jù)工藝平面布局，每臺步進(jìn)光刻機外形尺寸2500（長）×2000（寬）×3000（高），單臺總重5200kg。最終采用的由群樁支承的整板式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，其整板厚度1000mm， C25混凝土，整板下總計10根900直徑的C25挖孔灌注樁。整板基礎(chǔ)四周設(shè)置300mm寬減振溝內(nèi)填中粗砂，整板基礎(chǔ)與建筑地坪設(shè)縫50mm脫開。

5 防微振基礎(chǔ)的現(xiàn)場測試

防微振工程的測試應(yīng)分四次進(jìn)行[7]。10臺光刻機基礎(chǔ)于2011年下半年施工完畢后，請當(dāng)?shù)氐卣鹁謱＜业浆F(xiàn)場測試，結(jié)果表明光刻機底座的振幅小于允許振幅，振動速度最大值小于允許值，以及在一定外界干擾頻率范圍內(nèi)的振動加速度最大值小于允許值。光刻機安裝后運行正常，說明設(shè)計是成功的。

6 結(jié)束語

1、光刻機防微振基礎(chǔ)宜安置在直接與地基土接觸的底層，應(yīng)做成獨立的、周圍與地面完全脫開的整板式基礎(chǔ)，本文采用樁基直接用于防微振基礎(chǔ)設(shè)計，是一新嘗試，已獲成功，今后似可推廣應(yīng)用。

2、光刻機防微振基礎(chǔ)設(shè)計最關(guān)鍵的問題是確保不發(fā)生共振現(xiàn)象，通過主動隔振和被動隔振等措施，盡量減小周圍振動的干擾。

3、由于場地周圍振源振動干擾的復(fù)雜性及其在土中傳播衰減的不規(guī)則性，目前部分計算公式為較近似的，或半經(jīng)驗半理論的。因此，光刻機防微振基礎(chǔ)設(shè)計主要依靠的是概念設(shè)計、現(xiàn)場測試以及工程實踐經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉巧伶.理論力學(xué)（第三版） [M]. 北京， 科學(xué)出版社， 2005

[4] 吳邦達(dá).樁基用于防微振基礎(chǔ)的分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報， 2007（06）

[5] 動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB 50040-96 [S]

[6] 鄭華山.防微振設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計研究[J].建筑結(jié)構(gòu)， 2008（09）

[7] 電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范（2009年送審稿） [S]