一種載片剛性轉架的動平衡校準探析

于高洋，陶利權，楊曉靜

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

剛性轉架是由各功能構件組焊成型的回轉體框架結構，通過與驅動電機直連同步定向旋轉，實現對盒裝晶圓片進行沖洗、干燥的功能。其工作環境處于非完全密閉圓筒腔內，接觸介質為高純水、熱氮氣、高壓電離氮氣離子流。由于剛性轉架中某些構件存在因設計需要而形成非對稱幾何形狀，加工及組焊時產生的誤差，運動過程中產生的腐蝕、磨損、熱變形等因素，造成剛性轉架在高速旋轉時會產生大小及方向均呈周期性變化的離心慣性力，離心力使剛性轉架發生變形或移位，且產生高應力集中區域[1]，由此產生的不平衡狀態而引發明顯的振動及噪音，造成晶圓片易出現碎片、干燥不徹底等不利因素，針對這些問題，結合承載200 mm（8英寸）滿載晶圓片盒的剛性轉架進行相應的校準分析。

1 剛性轉架的構成

剛性轉架作為晶圓片盒的載體，由前盤、后盤、定位支桿、限位支桿、配重支桿、銷軸、支軸通過組焊后成型，如圖1所示。各構件功能說明如表1所示。

表1 構件的功能說明

圖1 剛性轉架軸測圖

2 滿載晶圓片盒的剛性轉架構成

滿載晶圓片盒的剛性轉架如圖2所示。

將滿載晶圓片盒按圖2（a）所示手動推入剛性轉架中，如圖2（b）所示，其中片盒滿裝晶圓為25片，如圖3所示。

圖2 滿載晶圓片盒的剛性轉架圖

圖3 滿載晶圓片盒軸測圖

3 剛性轉架中構件及滿載晶圓片盒剛性轉架的校準分析

剛性轉架中的前、后盤構件因結構非完全對稱特征可按模型狀態進行校準，以此消除其不平衡量，依照CAD設計軟件中質量特性功能中的重心坐標系的修正來保證；滿載片盒的剛性轉架可先按模型狀態進行校準，以此消除其不平衡量，依照CAD設計軟件中質量特性功能中的重心坐標系的修正來保證，再通過相關公式計算及動平衡機校準驗證后，形成數據庫積累及完善，以此達到固化其重心修正值至合理范圍。

3.1 前盤模型的重心修正

參照CAD設計軟件中質量特性功能的重心坐標，在滿足結構功能前提下，調整前盤模型的非功能輪廓特征，因X向（水平方向）是處于左右對稱結構〔如圖4（a）所示〕，所以僅需修正致使前盤Y向（垂直方向）的重心接近坐標系（Y值）為0即可，如圖4（b）所示。

圖4 前盤重心修正圖

3.2 后盤模型的重心修正

參照CAD設計軟件中質量特性功能的重心坐標，在滿足結構功能前提下，因X向（水平方向）處于左右對稱結構，所以僅需調整后盤模型中作修正用的圓孔特征〔如圖5（a）所示〕的輪廓大小和位置致使后盤Y向（垂直方向）的重心接近坐標系（Y值）為0即可，如圖5（b）所示。

圖5 后盤重心修正圖

3.3 滿載晶圓片盒剛性轉架模型的重心修正

該組合實體在實際工作中進行高速旋轉時因離心力作用，晶圓片外徑面始終與套入限位支桿上的晶圓護管外徑面呈相切狀態，因此選取晶圓片與套入限位支桿上的晶圓護管呈相切時的位置作為其模型參照，可相對準確地進行重心修正，依照CAD設計軟件中質量特性功能的重心坐標，因該模型X向（水平方向）處于左右對稱結構〔如圖6（a）所示〕，所以僅需調整作修正用的配重支桿的輪廓和位置致使該模型Y向（垂直方向）的重心接近坐標系（Y值）為0即可，如圖6（b）所示。

圖6 滿載片盒的剛性轉架重心修正圖

4 剛性轉架中限位支桿同心包角（2θ）及晶圓護管材質的確定

剛性轉架中配置的兩根限位支桿及套入其上的晶圓護管起到限制晶圓片盒的擺動量和對探出片盒裸露區域晶圓片的緩沖保護，如圖7所示。

4.1 限位支桿同心包角（2θ）閾值確定

兩根限位支桿呈等徑對稱分布，當2θ逐漸小于90°時，如圖7所示其陰影區域呈現出明顯不均等，弊端是限位支桿上套入的晶圓護管不能對晶圓片進行等效離心阻擋，造成晶圓片沿X向（水平）左右擺動量增大，會加劇不平衡量，同時對晶圓護管磨損加大，嚴重時會出現晶圓片切入晶圓護管造成廢品，反之當2θ逐漸大于90°時，弊端等同于2θ逐漸小于90°。因此，2θ取值以90°為準。限位支桿包角（2θ）對晶圓片X向擺動量影響如圖8所示。

圖7 剛性轉架中限位支桿及晶圓護管示意圖

圖8 限位支桿包角（2θ）對晶圓片X向擺動量影響示意圖

4.2 晶圓護管材質選擇依據

該設備使用中，滿載晶圓片盒的剛性轉架組合實體的轉速范圍設定在600～2 400 r/min之間，通過實際離心力計算值可作為晶圓護管材質選擇的依據。

離心力計算公式[2]：F=m(2πn/60)2D

式中，F為離心力；m為回轉體質量；n為回轉體轉速；D為直徑。

以200 mm（8英寸）晶圓為例，具體計算值為：

m=9.96 kg（滿載片盒的剛性轉架質量）

D=1.5 mm（取值依據：晶圓片外徑面與晶圓護管的同心半徑間的側隙值為0.75 mm）

通過計算值可得出，高速旋轉的晶圓片離心力大小隨轉速遞增而增大，按計算出的最大離心力值作為選擇適宜材質中的抗剪切力模量為依據，以此選取合適的晶圓護管材質。

5 動平衡驗證

動平衡驗證參照國際標準ISO1940《轉子剛體的平衡質量》，如表2所示[2]。通過允用偏心量及殘余不平衡量的計算值得出驗證結果。其中，G值為平衡精度等級（mm/s）。

表2 平衡精度等級表

5.1 組合體的允用偏心量計算

通過e=(G×1000)/（n/10）計算滿載晶圓片盒的剛性轉架組合實體的允用偏心量[3]，式中e為允用偏心量；G為平衡精度等級；n為工作轉速。

以滿載晶圓片盒的剛性轉架為例，選用與之對標的平衡精度等級為G6.3。具體計算如下：

通過計算可得：當滿載晶圓片盒的剛性轉架最高轉速為2 400 r/min時，允許的最大偏心量值是26μm，按圖6（b）質量特性重心坐標的修正結果，偏心值16μm是滿足要求的。

5.2 組合體的殘余不平衡量計算

通過m=(e×M)/(r×2)計算滿載晶圓片盒的剛性轉架組合體的允許殘余不平衡量[3]，式中m為允許殘余不平衡量；e為允用偏心量；M為旋轉質量；r為旋轉半徑。

其中：旋轉質量：9.96 kg；旋轉半徑：142.5 mm；

通過計算得出：m1為轉速2 400 r/min時允許殘余不平衡量，m2為轉速600 r/min時允許殘余不平衡量，通過大量試驗及用戶端實用效果反饋該組合體的殘余不平衡量在＜5 g是適用的，由此驗證結果是完全達到要求。

6 結束語

對于該類設備，多數故障都與回轉體不平衡有關，通過優化剛性轉架的結構，確定Y向坐標系重心值的修正范圍（Y值）及限位支桿包角（2θ）的合理數值，進行相關公式計算和動平衡驗證，建立完善的數據庫，以便于準確分析，有效提升設備性能。