郭春華，史 霄，吳光慶，秦亞奇

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601）

基于MATLAB的升降式抖動機構運動仿真

郭春華，史 霄，吳光慶，秦亞奇

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601）

通過對晶圓清洗過程中常用抖動機構的分析，將其等效為偏心曲柄-滑塊機構。建立數學模型，分別推導出曲柄的角位移、角速度、角加速度和滑塊的位移、速度、加速度，并應用MATLAB軟件進行仿真，得到了滑塊的位移、速度及加速度曲線。

晶圓；清洗；抖動機構；偏心曲柄-滑塊

隨著半導體技術的不斷發(fā)展，對工藝技術的要求也越來越高，特別是對晶圓的表面質量要求也越來越嚴［1］。僅僅除去晶圓表面的污染物已不再是最終的要求［2］，在清洗過程中造成的表面化學態(tài)、氧化膜厚度、表面粗糙度、表面均勻性等也已成為同樣重要的參數。根據文獻統(tǒng)計，目前由于清洗不佳引起的產品失效已超過半導體制造中總損失的一半［3］。因此，晶圓清洗技術成為晶圓加工、半導體制造和超大規(guī)模集成電路等工藝研究的一大熱點。

目前已研制出的晶圓清洗技術主要有：濕法化學清洗、超聲波清洗、兆聲清洗、鼓泡清洗、RCA清洗、等離子體清洗等，這些方法和技術已被廣泛應用于半導體圓片的清洗工藝中。其中濕法化學清洗是指利用各種化學試劑和有機溶劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質及油污發(fā)生化學反應或溶解作用，或伴以超聲、加熱、抖動等物理措施，使雜質從被清洗物體的表面脫附（解吸），然后用大量高純熱、冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈表面的過程［4］。

常用的濕法化學清洗系統(tǒng)主要包括一組濕法化學工藝槽和抖動裝置，即在工藝槽中浸入一可以帶動晶圓做升降式運動的抖動機構，通過帶動晶圓做上下往復攪拌［5］，增加晶圓表面與清洗液的摩擦面積和摩擦力，進而達到晶圓與污染物分離的目的。

1 抖動機構工作原理

圖1所示為晶圓清洗過程中常用的抖動機構。可以看出，其主要由片盒、花籃、花籃定位塊、提籃、提籃調節(jié)板、提籃壓塊、抖動上連接板、抖動下連接板、防護罩、導向機構、連桿機構、滑動組件、偏心輪機構、檢測開關和驅動單元等組成。

圖1 抖動機構

工作原理：需要清洗的晶圓放置在片盒中，片盒固定在花籃中，花籃通過花籃定位塊固定在提籃上，提籃安裝在提籃調節(jié)板上，為防止提籃移動，采用提籃壓塊將其壓緊。

驅動單元帶動偏心輪機構運動，偏心輪機構帶動連桿機構運動，連桿機構帶動滑動組件沿導向機構上下滑移，從而通過抖動上連接板和抖動下連接板帶動提籃做上下往復運動。

由此可知，驅動單元帶動偏心輪機構轉動，與偏心輪機構連接的連桿機構將旋轉轉化為直線運動，帶動滑動組件實現垂直方向的往復運動，進而帶動提籃做垂直方向的升降運動，完成片盒及晶圓在工藝槽中的攪拌，達到清洗晶圓的目的。

2 曲柄-滑塊機構

曲柄-滑塊機構是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿和滑塊通過移動副和轉動副所組成的機構［6］，如圖2所示。常用于將曲柄的回轉運動變換為滑塊的往復直線運動，或者將滑塊的往復直線運動轉換為曲柄的回轉運動。曲柄-滑塊機構可通過改變偏心距來得到不同的急回特性。

對曲柄-滑塊機構進行運動特性分析時，是當已知各構件尺寸參數、位置參數和原動件運動規(guī)律時，研究機構其余構件上各點的軌跡、位移、速度和加速度等，從而評價機構是否滿足工作性能要求以及機構是否發(fā)生運動干涉等。曲柄-滑塊機構具有運動副為低副，各元件間為面接觸，構成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點，因而在各類機械中得到了廣泛的應用［7］。其優(yōu)點如下：

（1）面接觸為低副，壓強小，便于潤滑，磨損輕，壽命長，傳遞動力大；

（2）低副易于加工，可獲得較高精度，成本低；

（3）桿可較長，可用作實現遠距離的操縱控制；

（4）可利用連桿實現較復雜的運動規(guī)律和運動軌跡。

圖2 抖動機構等效數學模型

3 等效數學模型

通過上述分析可知，抖動機構實際上可簡化為一偏心曲柄-滑塊機構，其等效簡圖如圖2所示。設曲柄和連桿的長度分別為S1和S2，偏心距為e，原動件曲柄的角速度為ω1，角位移為φ1，連桿的角位移為φ2，各參量意義詳見表1所示。建立如圖2所示坐標系，由曲柄-滑塊機構的矢量封閉圖可得：

將式（1）整理、求導分別得連桿的角位移φ2、角速度ω2、角加速度a2：

4 算例仿真

根據式（1）-（3），結合抖動機構工作實際，系統(tǒng)參數如表2所示。

表1 物理量索引

表2 曲柄-滑塊機構系統(tǒng)參數

設φ1的初始值為0，當φ1變化時，連桿的角位移、角速度和角加速度以及滑塊的位移、速度和加速度的變化值可計算求得。曲柄角位移φ1在0～360°之間變化時，在MATLAB的計算窗口輸入推導出的公式后，滑塊的位移、速度和加速度變化曲線仿真結果分別如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3和圖4可以分析出，抖動機構的時間-位移曲線為一光滑的正弦曲線，曲線等振幅不收斂；時間-速度曲線為一光滑的正弦曲線，曲線等振幅不收斂，表明機構運行歷程較連續(xù)。圖5所示的時間-加速度曲線在某些時間出現尖點和跳躍，表明機構在這個歷程出現輕微振動或沖擊，出現這種情況的原因可能是結構設計欠合理或裝配誤差所導致，導致滑移機構升降不平穩(wěn)。仿真結果使機構的運動軌跡可視化，從而有效指導了機構的優(yōu)化設計。

圖3 時間-位移曲線

圖4 時間-速度曲線

圖5 時間-加速度曲線

5 結束語

通過對抖動機構的分析，將其等效為偏心曲柄-滑塊機構，建立數學模型，分別推導了曲柄的角位移、角速度、角加速度和滑塊的位移、速度、加速度。應用MATLAB軟件對所求得公式迭代，輸出仿真特性曲線，使抖動機構的軌跡可視化，從而有效指導機構的優(yōu)化設計。

［1］張士偉.半導體晶圓的污染雜質及清洗技術［J］.電子工業(yè)專用設備，2014，43（7）：18-21.

［2］劉紅艷，萬關良，閆志瑞.硅片清洗及最新發(fā)展［J］.中國稀土學報，2003，21（增刊）：144-149.

［3］儲佳，馬向陽，楊德仁，等.硅片清洗研究進展［J］.半導體技術，2001，26（3）：17-19.

［4］劉傳軍，趙權，劉春香，等.硅片清洗原理與方法綜述［J］.半導體情報，2000，37（2）：30-36.

［5］萬弋，張繼靜，劉鴻儒.有機清洗槽共振與噪聲控制方法研究［J］.電子工業(yè)專用設備，2012，41（5）：43-47.

［6］王知行，劉延榮.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［7］成大先.機械設計手冊（第五版，第1卷）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

Motion Simulation of the Lift Type Shaking Mechanism Based on MATLAB

GUO Chunhua，SHI Xiao，WU Guangqing，QIN Yaqi
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Through the analysis of the common shaking mechanism in the process of wafer cleaning，it is equivalent to the eccentric crank-slider mechanism.The mathematical model is established，the angular displacement，angular velocity，angular acceleration of crank and displacement，velocity and acceleration of slider are deduced respectively，and the displacement，velocity and acceleration curves of slider are obtained by using MATLAB software.

Wafer；Cleaning；Shaking mechanism；Eccentric crank-slider

TH132

B

1004-4507（2015）12-0038-04

郭春華（1985-），男，河北保定人，助理工程師，畢業(yè)于北京工業(yè)大學機械工程專業(yè)，工學碩士，目前主要從事半導體濕法清洗設備的設計與研究工作。

2015-11-30