唐卓睿，吳彩庭，孔倩茵，戴科峰，盛飛龍

（季華實(shí)驗(yàn)室大功率半導(dǎo)體裝備研究部，廣東佛山 528253）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料為基礎(chǔ)制成的IC芯片、功率器件的需求量也與日俱增，下游市場(chǎng)的火爆需求，刺激了微電子制造工業(yè)的迅速發(fā)展。半導(dǎo)體制造所使用的設(shè)備不僅僅是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的配套環(huán)節(jié)，也對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了決定性的作用[1]。隨著芯片制造的關(guān)鍵尺寸不斷縮小，芯片制造過程中每一道工序都需要保證表面有較高的潔凈度，所以，在生產(chǎn)制造過程中需要反復(fù)清洗，有資料表明濕法清洗工藝在芯片整個(gè)制造工序中占到了20%左右[2]。在清洗完過后，也需要保證晶片表面干燥且無殘留清洗物質(zhì)，在行業(yè)中一般采用高轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)的沖洗甩干設(shè)備來完成晶片的干燥、去化學(xué)殘留工藝，所以旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)在整個(gè)芯片制造流程中必不可少。為保證甩干機(jī)在旋轉(zhuǎn)沖洗工藝過程中的穩(wěn)定性，目前有一些研究人員根據(jù)自身團(tuán)隊(duì)研究的設(shè)備開發(fā)了相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)，于靜[3]基于S7-200系列PLC在旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)上編寫了程序控制系統(tǒng)，侯增強(qiáng)[4]采用MCS-51單片機(jī)的編寫了控制程序并對(duì)甩干機(jī)控制系統(tǒng)整體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。但對(duì)于人機(jī)交互、裝備的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控此類研究較少。

由于晶片上的水漬等殘留液體是通過離心力作用甩離晶片，轉(zhuǎn)子為了產(chǎn)生一定離心力一般在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)[5]，離心力一般會(huì)通過軸承傳遞到機(jī)體等受力部件導(dǎo)致整機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)從而影響整機(jī)性能，轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不平衡是導(dǎo)致振動(dòng)的重要因素之一[6]，有資料顯示轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的機(jī)械振動(dòng)約占所有引起振動(dòng)原因的60%左右[7]。較大的振動(dòng)也會(huì)對(duì)晶片造成一定影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致如圖1所示的晶片破裂，造成較大損失。對(duì)此，一般采用動(dòng)平衡工藝來使轉(zhuǎn)子質(zhì)量平衡，即對(duì)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測(cè)，從而得到轉(zhuǎn)子不平衡的角度與質(zhì)量。隨后，采用打孔、焊接、磨削等方式消除質(zhì)量所引起的不平衡，從而使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沒有產(chǎn)生不平衡的離心力的平衡工藝[8-9]。針對(duì)旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)的振動(dòng)問題，有研究人員增加了獨(dú)立的隔振系統(tǒng)[10]、特殊的裝載片盒設(shè)計(jì)等[2]。但對(duì)于旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡以及如何根據(jù)平衡等級(jí)來調(diào)整動(dòng)平衡從而減少整機(jī)振動(dòng)此類相關(guān)研究較少。

圖1 因振動(dòng)導(dǎo)致的晶片破裂

因此，為了提高設(shè)備穩(wěn)定、可靠、能有效應(yīng)對(duì)突然斷電、斷氣、斷水等極端意外情況的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一套全新的控制系統(tǒng)，保證整個(gè)設(shè)備工藝運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。同時(shí)，通過理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際校正實(shí)驗(yàn)將轉(zhuǎn)子調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)平衡品質(zhì)級(jí)別，降低了轉(zhuǎn)子因動(dòng)態(tài)不平衡引起的較大機(jī)械振動(dòng)從而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)的概率，也解決了晶片在旋轉(zhuǎn)過程因動(dòng)態(tài)不平衡導(dǎo)致的“碎片”問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)組成

整機(jī)采用4/6寸晶片兼容的單腔結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)包括晶片旋轉(zhuǎn)、去離子水噴淋沖洗、加熱氮?dú)夂娓?、電阻率監(jiān)控、防靜電控制、腔體干燥、故障顯示報(bào)警、系統(tǒng)潔凈化處理在內(nèi)的全自動(dòng)工藝處理過程。如圖2所示，在工作腔體中放有與電機(jī)相連的轉(zhuǎn)子，不同尺寸的晶片對(duì)應(yīng)不同尺寸的轉(zhuǎn)子，工作腔體中具有氮?dú)?、去離子水噴淋口。腔體中充入氮?dú)鉃榍惑w創(chuàng)造一個(gè)潔凈和密閉的空間，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和晶片清洗過程中，根據(jù)設(shè)定的噴淋壓力和流量來達(dá)到最佳的沖洗效果，沖洗效果的好壞由電阻率儀來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。最頂層放有電控柜，其中包含濾波器、交流接觸器、PLC等電控元件，觸控操作屏可直接面對(duì)工藝操作人員進(jìn)行工藝操作與監(jiān)控。蜂鳴器在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)響起，提示用戶當(dāng)前設(shè)備出現(xiàn)故障，可通過急停開關(guān)進(jìn)行緊急制動(dòng)、斷電處理。

圖2 旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體控制系統(tǒng)框架如圖3所示。為及時(shí)完成人機(jī)交互，主控模塊PLC通過RS485串口線與觸摸屏終端進(jìn)行通信控制，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)用和修改。

圖3 控制系統(tǒng)框架

運(yùn)行邏輯流程如圖4所示，在更改工藝參數(shù)時(shí)必須先進(jìn)行權(quán)限登錄，否則將沒有權(quán)限訪問參數(shù)修改界面。設(shè)備轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制驅(qū)動(dòng)單元采用的交流永磁式無刷伺服電機(jī)，主控PLC模塊根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)來控制驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其速度反饋信號(hào)則由主控PLC模塊進(jìn)行數(shù)模采集轉(zhuǎn)換以供顯示及控制。設(shè)備運(yùn)行過程中的氮?dú)鉁囟韧ㄟ^溫度感應(yīng)器進(jìn)行采集上傳，PLC主控模塊接收采集信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換以供顯示及控制。腔體溫度開關(guān)對(duì)腔體加熱裝置進(jìn)行通斷管控，使得噴入腔體中熱氮?dú)怏w的溫度穩(wěn)定，保證晶片干燥效果并不損壞腔體結(jié)構(gòu)及晶片，其余各狀態(tài)量由狀態(tài)傳感器進(jìn)行檢測(cè)并處理。

圖4 系統(tǒng)控制流程

在屏幕控制程序中，可以使用觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的參數(shù)修改與功能管控，將設(shè)置的參數(shù)通過RS485串口發(fā)送給PLC執(zhí)行，同樣地PLC接收到指令后將程序執(zhí)行情況反饋給屏幕控制程序。開機(jī)后，屏幕進(jìn)入主界面如圖5所示甩干機(jī)主界面。

圖5 甩干機(jī)主界面

獲取登錄權(quán)限成功后，點(diǎn)擊設(shè)置按鈕出現(xiàn)下拉菜單，需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置進(jìn)入制程說明界面，如圖6所示，點(diǎn)擊各制程可對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行編輯。

圖6 制程說明界面

在此界面中點(diǎn)擊任一制程即可以進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的參數(shù)修改與編輯環(huán)節(jié)，以制程一為例，圖7所示在制程編輯界面中，可以對(duì)一個(gè)制程內(nèi)4種不同工藝的時(shí)間與轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并且對(duì)烘干工藝的氮?dú)鉁囟纫部梢赃M(jìn)行智能化參數(shù)設(shè)置，來保證工藝需求的彈性變化。

圖7 制程編輯界面

點(diǎn)擊“時(shí)間”輸入框下的任一輸入框，可以輸入0~9 999的整數(shù)數(shù)值對(duì)每個(gè)工藝流程的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行給定。指令對(duì)應(yīng)下位機(jī)PLC如圖8所示，將屏幕配置的如時(shí)間值與下位機(jī)PLC的寄存器D2001相關(guān)聯(lián)，PLC收到指令后將時(shí)間值配置給寄存器D570。

圖8 PLC時(shí)間配置

在制程相對(duì)應(yīng)的工藝步驟運(yùn)行時(shí)，即如圖9所示運(yùn)行狀態(tài)常開觸點(diǎn)與清洗運(yùn)行中常開觸點(diǎn)同時(shí)閉合時(shí)，下位機(jī)PLC會(huì)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)時(shí)，寄存器D570減去T1計(jì)時(shí)器的時(shí)間，得到工藝步驟剩余的時(shí)間，寄存器D11的值會(huì)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)后，將會(huì)使常開觸點(diǎn)T1閉合。

圖9 PLC計(jì)時(shí)器

點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)速”輸入框下的任一輸入框，可以輸入用戶所需的轉(zhuǎn)速數(shù)數(shù)值對(duì)每個(gè)工藝流程的運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行給定。與“時(shí)間”一樣，將屏幕配置的轉(zhuǎn)速儲(chǔ)存在D550寄存器中，當(dāng)運(yùn)行至工藝步驟時(shí)，將轉(zhuǎn)速至經(jīng)過PLC固有模擬量輸出寄存器SD6180輸出至伺服驅(qū)動(dòng)器中，如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速輸出

所有工藝參數(shù)確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊屏幕啟動(dòng)按鈕或者按動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)按鍵皆可開始運(yùn)行工作。界面會(huì)顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)備情況如轉(zhuǎn)子運(yùn)行的轉(zhuǎn)速、工藝流程剩余時(shí)間、氮?dú)饧訜釋?shí)時(shí)溫度、閥門運(yùn)行情況等，如圖11所示。

圖11 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控界面

在安全互鎖功能方面，點(diǎn)擊“氮?dú)鉁囟取焙筝斎肟蚩梢詫?duì)烘干工藝流程中噴出的熱氮?dú)膺M(jìn)行智能溫度給定。N2低溫與高溫報(bào)警，設(shè)備運(yùn)行后，溫度控制系統(tǒng)可確保N2溫度不會(huì)過高或過低，若超過報(bào)警閾值，則設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，確保安全。此外在設(shè)備運(yùn)行中，也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，若轉(zhuǎn)速過快，超過設(shè)置轉(zhuǎn)速的5%則程序會(huì)自動(dòng)停止工藝，用以防止設(shè)備內(nèi)元器件速快或晶片損壞。若轉(zhuǎn)速過快、過慢或?qū)崟r(shí)監(jiān)控的氮?dú)鉁囟冗^高、過低，程序會(huì)自動(dòng)停止工藝。工藝運(yùn)行過程中也可以點(diǎn)擊停止按鈕或設(shè)備停止按鍵即可使得設(shè)備運(yùn)行中斷。當(dāng)工藝運(yùn)行結(jié)束后，系統(tǒng)屏幕會(huì)出現(xiàn)如圖12所示的提示界面。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，不僅圖中會(huì)出現(xiàn)在屏幕中且蜂鳴器會(huì)輸出，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉水源、氣源、伺服電機(jī)停止輸出，減小設(shè)備及晶片的損失。

圖12 運(yùn)行結(jié)束界面

設(shè)備在整機(jī)運(yùn)行前，需要進(jìn)行各個(gè)分系統(tǒng)的調(diào)試，在屏幕軟件中編寫了分系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖13所示，點(diǎn)擊各個(gè)按鈕，在此界面中可以查看設(shè)備所有的輸入和輸出端口，并且實(shí)時(shí)反饋每個(gè)端口當(dāng)前的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)監(jiān)控與調(diào)試。

圖13 監(jiān)控界面

2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡研究

核心轉(zhuǎn)子在加工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量、結(jié)構(gòu)誤差，所以不平衡的轉(zhuǎn)子需要經(jīng)過測(cè)量其不平衡質(zhì)量和其不平衡相位，并加以校正消除轉(zhuǎn)子中不平衡質(zhì)量，讓轉(zhuǎn)子在設(shè)備中高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不致產(chǎn)生不平衡的離心力而損壞電機(jī)軸承、晶片，或?qū)е略O(shè)備振動(dòng)過大。在做轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)，一般首先要選擇校正面，平衡校正面必須選擇垂直于轉(zhuǎn)子軸線的平面。

如圖14所示，一般可以根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)即轉(zhuǎn)子的外徑（D）和轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度（L）之間的比例來確認(rèn)是單面還是多面不平衡校正，如表1所示[11-12]。

圖14 轉(zhuǎn)子外徑與長(zhǎng)度

表1 校正面的確定

旋轉(zhuǎn)清洗甩干設(shè)備使用的轉(zhuǎn)子其外徑與長(zhǎng)度比例小于5，所以轉(zhuǎn)子可采用單面平衡來進(jìn)行校正。在動(dòng)平衡校正過程中，首先需要確認(rèn)平衡精度的等級(jí)，考慮到技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械振動(dòng)恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)》中轉(zhuǎn)子平衡的劃分等級(jí)，如表2所示[13]，從表中可以看出平衡等級(jí)從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景所需的精度要求和可實(shí)現(xiàn)性（加工能力）兩方面考慮，采用平衡等級(jí)為G6.3的品質(zhì)級(jí)別來校正轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

表2 平衡品質(zhì)級(jí)別

根據(jù)轉(zhuǎn)子所選定的動(dòng)平衡等級(jí)，根據(jù)式（1）計(jì)算轉(zhuǎn)子允許的不平衡度（率）：

式中：Eper為轉(zhuǎn)子允許的不平衡度，μm；G為不平衡精度等級(jí)；n為工作轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上文所述，取G=6.3，旋轉(zhuǎn)甩干機(jī)大多工藝采用的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min左右，取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。根據(jù)式（1）可計(jì)算出轉(zhuǎn)子允許的不平衡度為63μm。根據(jù)轉(zhuǎn)子的允許不平衡度，根據(jù)式（2）計(jì)算出了轉(zhuǎn)子允許殘余不平衡量，即：

式中：m為允許殘余不平衡度，g；M為工件旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，kg，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量包括了轉(zhuǎn)子本身質(zhì)量、晶片花籃質(zhì)量和滿載晶片的總質(zhì)量；r為工件半徑。

經(jīng)過測(cè)量，M=10 kg，轉(zhuǎn)子半徑為100 mm?？傻贸鲛D(zhuǎn)子滿足G6.3等級(jí)的動(dòng)平衡時(shí)允許的殘余不平衡量為3.15g。

在實(shí)際過程中，將轉(zhuǎn)子、晶片花籃、晶片放入校正設(shè)備，采用去重校正法[8]進(jìn)行校正，即通過校正機(jī)器測(cè)算出不平衡質(zhì)量的相位角與不平衡質(zhì)量，然后按照相位角的方向進(jìn)行鉆孔。以圖15為例，可看出大多質(zhì)量不平衡的位置在轉(zhuǎn)子的正上方也即為圖中紅色字體所標(biāo)識(shí)的90°所示左右范圍內(nèi)，說明在90°左右的范圍內(nèi)質(zhì)量偏高，其質(zhì)量影響了轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

圖15 轉(zhuǎn)子去重法效果

如表3所示，采用單面平衡鉆孔去重法對(duì)轉(zhuǎn)子在1 000 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的校正實(shí)驗(yàn)，從表中可以看出，由于加工、材料等因素的影響，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均勻分布，在相位角θ=72°轉(zhuǎn)子質(zhì)量較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子離心力較大。在鉆孔去重校正過程中，受手工鉆孔位置精度較低及轉(zhuǎn)子在鉆孔壓力下產(chǎn)生輕微變形等因素影響，有效去質(zhì)量和不平衡相位角均與理論值有一定程度的偏差。經(jīng)過5次校正，不平衡質(zhì)量達(dá)到2.66 g，已經(jīng)小于上文所述理論計(jì)算中動(dòng)平衡時(shí)允許的殘余不平衡量3.15 g，滿足了轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min下動(dòng)平衡達(dá)到G6.3等級(jí)的要求。

表3 為去重校正法校正數(shù)據(jù)記錄

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與功能對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，使其具有了良好的人機(jī)交互界面，能對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)控，也能實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)的單點(diǎn)調(diào)試減小了整機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障的概率，從而提高了設(shè)備整機(jī)工藝控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，新增加的互鎖功能也提升了整機(jī)設(shè)備的安全性。同時(shí)，對(duì)設(shè)備中核心轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡進(jìn)行了研究，根據(jù)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選取合適的平衡面，將不平衡度與允許殘余不平衡量的理論計(jì)算方法結(jié)合鉆孔去重校正法進(jìn)行了實(shí)際的鉆孔實(shí)驗(yàn)，大大減小了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中因質(zhì)量不平衡而產(chǎn)生的離心力，使得轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)平衡G6.3品質(zhì)級(jí)別，大幅度減少了整體設(shè)備的抖動(dòng)，消除了晶片碎片帶來的巨大損失。新設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡研究提升了整機(jī)的可靠與安全性能。