甩干機隔振系統設計及實驗研究

王勇威，張偉鋒，劉盈楹，胡天水，王麗江

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

現代社會是一個信息爆炸的社會，信息的載體已經由傳統紙質媒介，轉變為光電等數字媒介。作為信息產業核心的半導體技術，迅猛發展，同時也對其中涉及到的關鍵工藝提出了更高要求。據統計，晶圓的清洗工藝在整個半導體制造工藝過程中所占比例達到20%～50%[1]，在每道清洗工藝處理完畢后，都必須對晶圓進行干燥處理[2]。在噴吹熱氮氣的同時，通過高速旋轉去除晶圓表面水分，才能進行下一道處理工藝[3]，而甩干機則是晶圓清洗去污干燥工藝中的關鍵設備。甩干機的性能直接關系到后續工藝能否有效展開，對半導體制造工藝有很大的影響，而其整機振動情況將直接制約機器的使用，發揮具體的效果[4]。

實際工程應用中，通常是用減振器將振源隔離開來，以最大降低振源對外圍設備及關鍵元器件的影響。本文將從甩干機的振源及傳遞情況，主動隔振原理和減振器選擇的實際案例展開。

1　整機振動情況分析

甩干機是將盛有晶圓的片盒置入與之相匹配的轉子中，通過電機帶動轉子高速旋轉，完成晶圓的沖洗甩干等工藝，并保持晶圓表面的潔凈度在要求的范圍內。由于在生產制造及調試后，電機軸、轉子和片盒的質心與旋轉軸心不可避免的存在一定偏差，旋轉過程中便會產生離心力，其計算方程如下：

其中：M為旋轉系統質量，e為質心與旋轉軸心的距離，ω為轉子轉速。

由公式(1)可知在已調好動平衡的系統中，旋轉系統質量M，質心與旋轉軸心的距離e已固定，則離心力與轉速的二次方成正比，隨轉速的增大而增加，此離心力成為整機系統的振源。

圖1為臥式甩干機振動傳遞的示意圖，黑色箭頭標記為振動傳遞路線，振動沿電機、連接部件經機架傳遞到頂部的操作控制單元，中間的清洗腔體以及下部的電氣控制單元。

清洗腔的持續振動，使內部的氣體與片盒、轉子等產生摩擦，引發靜電，造成經清洗甩干后的晶圓表面顆粒度增加[5]。

振動傳遞到電氣控制單元和操作控制單元后，容易使電子元器件脫焊、器件斷腳失效、元器件短路失效，可調元件參數變化等，引發設備故障，使用壽命降低[6]。振動傳遞過程中還會造成設備緊固件松動、不穩定，所產生的噪音會對操作者的身心造成一定的傷害。

為此，選擇合適的減振器隔絕聲橋及降低設備其他附屬關鍵元器件的振動變得尤為重要。

圖1　振動傳動示意圖

2　隔振理論

根據振源位置及傳遞的方向，隔振主要分為以下兩種情況[7]：

（1）主動隔振。防止機器設備在運行過程中產生振動傳遞給地基及外圍設備，多用于旋轉設備、沖擊設備及振動發生裝置。

（2）被動隔振。防止基礎的振動傳遞給機器設備，避免對設備的靈敏度和精確度造成影響，多用于精密儀器設備。

顯然，在甩干機的應用中屬于主動隔振。如果機器設備直接固定在基礎上，機器所產生的激振力將全部傳遞到基礎上，為了減小力的傳遞，一般在機器設備與基礎之間添加彈簧、橡膠墊、毛氈和軟木等墊料，相當于機器底部與基礎之間被彈簧和阻尼器隔離開[8]。這樣研究設備振動對基礎的影響，就簡化設備所產生的激振力通過彈簧和阻尼后對基礎力的影響，可以將整個系統簡化為如圖2所示模型。

圖2　主動隔振簡化模型

由文獻[8]，主動隔振其傳遞率可由以下方程表達：

其中：η為振動傳遞率，即諧波激勵傳遞給地基或支撐結構的尺度，ζ為系統的阻尼比，ω為激振頻率，及轉子的轉速，ωn為系統的固有頻率，Ftr為激振力，即轉子偏心造成的離心力，F0為經減振系統傳遞到機架的力。

由式(2)得到的傳遞率隨阻尼比、頻率比變化的曲線如圖3所示。

3　橡膠減振器

能用來制造減振器的材料有很多，主要有金屬彈簧、毛氈、橡膠等。主要是利用材料的彈性來控制固有頻率，利用阻尼特性來控制振幅或者力的傳遞比。減振橡膠同時兼顧了以上兩種特性，從而在隔振領域被廣泛應用。根據具體使用情況，不同形狀、不同材料屬性、不同填充物例如油液、空氣等[10]的減振器被源源不斷的研發出來。其主要特征如下：

（1）橡膠屬于高分子材料[11]，屬于長鏈分子且多支，在變形過程中分子間的摩擦[12]，在大尺度范圍表現為高阻尼。在振動傳遞過程中，振源通過減震器傳遞給基座，導致減振器往復變形，變形過程中分子間的摩擦將動能轉化為分子間的內能，從而達到吸收振動的目的。

（2）橡膠能夠被壓制成各種形狀，并且能與金屬部件牢固的粘連，并且在壓縮、拉伸、彎曲、扭轉等方向都能發生變形，所以可根據減振方向的需要，設計各個方向彈性系數。

（3）機械性能（彈性）硫化橡膠的彈性系數范圍較寬，且彈性模量比金屬要小很多，通過改變橡膠的配方和形狀，可以方便地設計減振器的剛度。

（4）減振橡膠在耐油性、耐高溫、耐老化比金屬彈簧要差[13]。但是不同種類的橡膠可以在單方面獲得較高的使用性能，例如丁腈橡膠具有非常優秀的耐油性，可以在具有腐蝕性的環境中正常使用。在高溫環境下橡膠的彈性模量會發生變化，導致固有頻率改變[10]，并且高溫會加劇橡膠的老化，在這一方面還有待繼續研究提高。

根據以上分析，結合甩干機的結構和使用環境，為了濕法清洗的后續環節，所處環境中酸堿的含量較低，且溫度在室溫范圍內，所以選用橡膠減振器作為甩干機的隔振元器件比較合理。

4　實例分析及實驗論證

以某型甩干機為例，減振墊上部支撐的電機、轉子、片盒和晶圓總質量m=18 kg，轉速范圍600～3 000 r/min，在清洗甩干工藝中清洗轉速為800 r/min，甩干轉速為2 000 r/min，最高轉速為3 000 r/min。

由振動系統的固有頻率計算公式：

可得減振器剛度計算公式為：

則可得到各個固有頻率對應橡膠減振器的剛度及各轉速的頻率比見表1。

表 1　系統固有頻率與剛度和頻率比對應關系

由于減振器剛度太低將導致電機-轉子系統晃動劇烈，剛度過高在高頻段減振效果不理想，綜合考慮后取固有頻率為20 Hz，因此橡膠減振器的剛度為28.40 kg/mm，按照甩干機的設計尺寸要求再結合各個減振器廠家不同型號的標定剛度，選擇與此相接近的橡膠減振器，根據廠家提供材料特性，阻尼比約為0.05～0.1。此時在轉速為800 r/min時激振力將放大1.6～1.8倍，在轉速為2 000 r/min時激振力衰減為原來的40%～50%。將減振器安裝到電機支撐板與機架之間，構成隔振系統。

圖4　實驗裝置

實驗裝置如圖4所示，采用德國普盧福VIB ExpertⅡ測振儀，利用轉子從0～3 000 r/min加速過程中提供的掃頻激振力，同時檢測電機支撐板通道A和經過減振墊后機架通道B的振動加速度如圖5所示，通過對時域內的加速度曲線進行快速傅里葉變換（FFT），得到結果如圖6所示。

圖5　加速過程時域波形

圖6　加速過程頻譜密度

從圖6可知由于機械系統的多模態特性，電機支座在轉子離心力激勵下會存在多個共振峰如236 Hz和390 Hz處，經減振器后，約200 Hz以上的振動會迅速衰減，并且在使用頻率10～50 Hz內有效降低了電機支撐板傳遞給機架的振動，降低約30%。并且由于高頻振動被隔斷，即可以隔絕聲橋，使噪音降低到最大程度。從圖5的時域圖和頻譜圖6中可得出由于在加速過程中前一階段，系統快速經過了共振區，所以圖中響應曲線并未在20 Hz呈現出理論上的共振峰。

在工作轉速800 r/min、2 000 r/min和最高轉速3 000 r/min下的振動情況如圖7～圖9所示。

從時域波形表明由于800 r/min轉速較低，離心力不足以片盒和片子穩定在轉架中，由于碰撞因素存在，導致某一瞬時加速度較高，經減振器后響應穩定在2 m/s2，說明減振器在降低瞬時激勵可以起到很好的效果。在2 000 r/min和3 000 r/min時的時域波形如圖8和圖9所示，此時減振器有效的衰減了高頻和低頻的振動，振動衰減為原來的30%～40%，達到了預期使用效果。

圖7　800 r/min時加速度時域波形

圖8　2 000 r/min時加速度時域波形

圖9　3 000 r/min時加速度時域波形

5　結　論

通過分析甩干機的振源及傳遞路線，結合隔振理論，提出了在電機支撐板下加裝減振器來隔離振源的方法。通過計算分析，為某型甩干機選取了合理的減振器，通過實驗表明減振器在隔離振源、降低振動的傳遞中起到了良好的效果。由于減振器只是降低振動的傳遞率，為達到標本兼治，應盡量降低離心力的產生，為此出廠前電機轉子系統需要經過嚴格的動平衡調整，通過實驗論證將電機后支板的振幅設定為40 μm為經濟可行指標。

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