半導體設備回轉件設計中的動力學問題探究

王勇威，王文麗，黃鑫亮，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)

在半導體加工制造過程中存在大量回轉機構，如CMP中的回轉工作臺和拋光頭，多線切割中的刀盤，甩干設備中異形轉子等。據有關資料：由于回轉構件不平衡引起的機械設備振動約占所有引起原因的30%[1，2]。設備振動問題直接限制了設備的加工精度、可靠性和使用壽命。如果振動過大，很可能引起晶圓破碎，以致生產效率降低，生產成本增加，更為嚴重的會導致機組發生嚴重損壞，造成重大事故[3]。因此在設計回轉構件過程中必須考慮其轉子動力學問題，加工裝配完成后還需進行嚴格的動平衡調整。

1 轉子設計中的動力學

1.1 轉子系統的受迫振動

所有設備轉軸-轉子系統可以簡化為一個單自由度二階系統[4]，其模型如圖1所示，設偏心質量為m，偏心距為e的旋轉系統以角速度ω旋轉時，則偏心質量同樣以ω作等速圓周運動，它產生的離心力為：

圖1 設備簡化模型

則引起系統的受迫振動為:

式中：X為系統位移響應；φ為響應與激振力的相位差；λ為頻率比；ζ為阻尼比。

由上式可得出減小系統的受迫振動的方法為：減小偏心質量和偏心距，即在固定轉速下降低激振力的產生；降低頻率比，所設計系統的固有頻率應盡量遠離工作轉速，防止系統產生共振。

1.2 轉子臨界轉速

當轉子系統工作轉速靠近臨界轉速時，設備將產生劇烈振動，這是由不平衡離心慣性力引起的振動現象，要避免這一現象的產生，首先應研究轉子的臨界轉速位置。……