（机械电子工程专业论文）气体漩涡式硅片夹持输送系统的设计.pdf

浙江大学硕上学位论文摘要 摘要 随着集成电子技术的不断发展，硅片直径不断增大，硅片厚度不断变薄，硅 片表面的平整度、精度要求不断升高。随着4 5 0 咖直径硅片的时代即将来临，其 精度要求为纳米级，传统的硅片夹持方式容易损伤硅片，使硅片表面造成划痕等， 逐渐不能满足新的要求。本文根据漩涡中心产生负压的原理，研究并设计漩涡吸 盘，使硅片悬浮于空中，避免硅片表面受到损伤。相对其它夹持方式，这种夹持 方式使硅片表面应力分布均匀，可最大限度地避免硅片表面受到伤害。由于漩涡 的不稳定性，单个漩涡吸盘无法实现正常的夹持功能，通过集成吸盘的引入，实 现了硅片的稳定夹持，并且这种集成吸盘非常适合大直径硅片的夹持，通过p l c 编程实现了硅片的自动化夹持输送。主要工作如下： 1 、利用流体力学中的理论，对理想漩涡和吸盘产生的实际漩涡进行详细的 理论分析，分析出各种可能影响硅片夹持功能的参数，结构参数包括吸盘气腔半 径、气腔高度、进气小孔的形状大小及其离气腔上表面的位置等，外部参数包括 进气气压和流量等，预测他们对硅片可能产生的影响。 2 、利用压力传感器测量出硅片表面的压力分布，利用电子称重传感器测量 夹持力，对漩涡吸盘工作时各种参数对夹持力的影响进行分析，如夹持力随气腔 半径、气腔高度、进口气压等的变化趋势等，选用最好的一组实验参数，测量硅 片表面的压力分布情况。 3 、通过理论和实验分析，单漩涡吸盘不能消除扭矩，只能削弱其影响，为 此设计了一些特殊结构的漩涡吸盘。 4 、在单漩涡吸盘大量的实验研究基础上，对单吸盘进行集成组合，消除了 硅片扭转、翻转、震荡现象，但平移现象依然存在，因此设计了采用气动方式控 制的自动挡杆机构，消除了平移现象，最终实现了稳定夹持。 5 、采用气动传输方式，通过p l c 编程实现硅片的自动化夹持输送。 关键词：气体漩涡，悬浮，集成吸盘，p l c ，自动挡杆 浙江大学硕上学位论文a b s t 阳c t a b s t r a c t w i mt l l ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e de l e c t r o n i c st e c h n 0 1 0 9 y ，t h e d i 锄e t e ro fs i l i c o nw 疵ri sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a 唱e r ，t h em i c k n e s so fw a f 醯i s b e c o m i n gs m a l l e r 锄ds m a l l e r t h er e q u i r e m e n t so ft l l en a t n e s sa i l da c c u r a c yo ft l l e w a f e rs u r f a c ei sg e t t i i 培m o r ea n dm o r ei n t e n s e a st h ee m e 玛e n c eo ft h ee r ao f 4 5 0 m m d i 锄e t e r - s i l i c o n w a f l e r s ，t h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t sh a sb e e ni i l c r e a s e dt o n a n o s c a l e t a d i t i o n a ls i l i c o nw a f e rc l 锄p i n gm e t h o di se a s yt od a l n a g et h es i l i c o n ， c a u s i n gs c r a t c h e so nt h es i l i c o ns l l r f a c e 1 tm a yn o tm e e tt h en e wr e q u i r e m e m s i nt h i s p a p e r ，av o r t e xs u c t i o nc u pi sr e s e a r c h e da n dd e s i g l l e da c c o r d i n gt ot h ep n c i p l eo f n e g a t i v ep r e s s u r ei nt h ev o r t e xc e n t e r ，s ot h a tt h es i l i c o ns u s p e n d e di nt l l ea i rt oa v o i d t i l ed 锄a g eo fm es i l i c o ns u r f a c e c o m p a r e dt ot h eo t h e rh o l d i n gm e t h o d s ，t h j sm e t h o d h a st l l ea d v 锄t a g eo fd i s t m u t i n gs u 州f a c es 仃e s s ，w h i c hm a ym i n i l l l i z et h eh a h nt o s i l i c o ns u r f a c e d u et ot h ei n s t a b i l i t yo ft l l es w i r l ，a s i n g l ev o r t e xs u c k e rc a n n o t a c h i e v et h en o m a lc l a i l l p i n gm n c t i o n s ot l l i sp a p e ri n 仃o d u c e sak i n do fi n t e g r a t e d s u c t i o nc u p ，、h i c hr e a l i z e ds t a b l ec l a m p i n go fs i l i c o nw a f e r t h i si n t e g r a t e ds u c t i o n c u p i s v e r ) ， s u i t a b l ef o rl a 玛e d i 锄e t e rs i l i c o nw a f e rc l 锄p i n g f u n h e rm o r e ， a u t o m a t e dc l 锄p i n go ft h ew a f e r si sr e a l i z e dt h r o u g hp l cp r o g r a m m i n g t h em a i n 、v o r ki sa sf o n o w s ： l 、t h ei d e a lv o i r t e xa n da c t u a lv o n e xp r o d u c e d b yt h es u c k e ri st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d w i t ht h et h e o 巧o ff l u i dm e c h a n i c s av a r i e t yo fp a r 啪e t e r st h a tm a ya d e c tt h ef u n c t i o n o fs i l i c o nw a f e rc l a m p i n gi si n t r ) d u c e d ，i n c l u d i n gs t m c t u r a lp a m m e t e r ss u c ha sg a s c h 锄b e rr a d i u s ，g a sc h 锄b e rh e i 曲t ，t h es h a p ea i l ds i z eo ft h ei n l e th o l e s 锄di t s l o c a t i o nr e l a t i v et ot h eu p p e rs u r f - a c eo fm eg a sc h 锄b e r ；e x t e m 出p a r 锄e t e r ss u c ha s i n l e ta i rp r e s s u r ea n df l o wr a t e t h ep o s s i b l ei m p a c to 九h e s ep a r a i i l e t e r so nt h es i l i c o n 、a f e ri sp r e d i c t e d 2 、p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo f 也es i l i c o n 、a f e ri sm e a s u i e du s i n gp r e s s u r e s e n s o r ，c l 锄p i n gf o r c ei sm e a s u r e du s i n ge l e c 仃o n i cw e i g h e r t h ei n n u e n c eo fv a r i o u s p a r a m e t e r s ，s u c ha sg a sc h a i n b e rr a d i u s ，g a sc h a i n b e rh e i g h t ，i n l e tp r e s s u 他，t 0t h e 川 浙江大学硕士学位论文a b s t 哺c t c l 锄p i n gf o r c ei sa i l a l y z e d t h eb e s ts e to fe x p e r i m e n t a lp a r 锄e t e r si ss e l e c t e df o rt h e m e a s u r e m e n to fw a f e rs ur f ：配ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 3 、a c c o r d i n gt ot l l et l l e o r e t i c a ja i l de x p 鲥m e n t a la i l a l y s i s ，s i n g l ev o r t e xs u c k e rc 趾 o n l yw e a k e n l et o r q u e ，r a t h e rt l l a i le l i m i n a t ei t t h u saf e wv o r t e xs u c t i o nc u pw i t l l s p e c i a l 咖t u r e a r ed e s i g n e d 4 、b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so fs i n g l es u c t i o nc u p ，i n t e 刚e ds u c t i o nc u pi s i n v e n t e d i n “sw a y ，r e v e r s e ，f l i p ，s h o c ko ft h es i l i c o nw a f e ri se l i m i n a t e d ，h o 、e v e r t l l et r 锄s l p t i o ns t i ue x i s t s ak i n do fa u t o m a t i cb a rm e c h a n i s ma c t i v a t e db yp n e u m a t i c m o t o ri sd e s i g n e dt oe l i m i n a t et l l et r a n s l a t i o np h e n o m e n a 5 、p n e u m a t i ct m s m i s s i o nm e 也o di su t i l i z e d a u t o m a t e dc l 锄p i n go ft l l ew a f e r si s r e a l i z e dt h r o u g hp l c p r o g r a n l m i n g k e yw o r d s ：g a s 如r t 懿，s u s p e n s i o n ，i n t e g r a t i o ns u c t i o nc u p ， p l c ，a u t o m a t i cs t c k 致谢 求是园两年多的硕士学习时光是我成长中的关键阶段，我深深感受到了自己的进 步和成长。值此硕士论文即将完成之际，我要向这两年多的时间里关心、帮助和支持 我的老师、师兄弟、同学、朋友和家人表示最诚挚的谢意! 首先我要感谢我的导师邹俊副教授，本文是在邹俊副教授的指导下完成的。邹俊 副教授渊博的知识、严谨的治学态度、大胆的创新精神和忘我的工作精神都对我产生 了深刻的影响，是我学习的榜样。同时在课题研究和学习生活上，邹俊副教授给了我 很多的指导和帮助。感谢课题组的傅新教授、阮晓东教授、刘伟庭老师，他们在学习 和生活上也给予我较大的关心和帮助。 感谢光刻组的陈文昱博士后，在课题研究上，陈文昱博士后提供了很多宝贵的意 见，感谢光刻组组长陈颖博士生，不论在课题组还是在校外，陈颖师姐总是在学习和 生活上关心着每位组员。 感谢光刻组的刘琦博士、申英男博士、俞明强硕士、王楚男硕士、郭伟龙硕士， 他们在科研和生活上都帮助过我。 感谢实验室的陆亮博士、张庭荣硕士、陶晨硕士、刘季霖硕士、任玉亮硕士、陶 晨硕士、莫光轶硕士、傅红利小姐，他们与我一同营造了融洽的科研环境。 感谢我的室友林霖、蔡伟伟、邓旭，在生活上给予我的照顾和支持，为我创造了 一个融洽的生活空间和良好的休息环境。 感谢我的挚友史剑光博士，在学习和生活上遇到困难，总是第一个想起他，他总 能尽最大所能提供帮助。 最后要感谢我的家人和郭晓华女士，他们的关心和支持是我求学和前进的最大动 力! 程建伟 2 0 1 2 年2 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 绪论 2 l 世纪已经走过了十余年，随着科学技术的日新月异，经济文化的飞速发 展，人们的消费需求水平不断提高，电子产品不断推陈出新。当今社会离不开集 成电路，大到宇宙飞船，小到孩子的玩具汽车，无处不是集成电路的身影，很难 想象假如没有集成电路，世界将是什么样子。集成电路在整个人类社会发挥着如 此重要的作用，随着集成电路不断地微型化，作为集成电路的元件半导体硅片， 在加工、输送过程中，必然被提出更高的要求。 1 1半导体产业的发展与现状 硅是重要的半导体材料，化学元素符号s i ，电子工业上使用的硅应具有高纯 度和优良的电学和机械等性能。硅是产量最大、应用最广的半导体材料，它的产 量和用量标志着一个国家的电子工业水平。硅是自然界中最常见的半导体材料， 具有储量丰富、制造成本低、容易获得等优点。目前，所有的计算机芯片都是使 用硅材料制造的。 1 1 1半导体产业发展历史 4 0 年代末的第一只晶体管g e 合金管问世，5 0 年代中期出现了硅平面工 艺，此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将多个分立晶体管制造在 同一硅片上的集成电路成为可能，随着制造工艺水平的不断成熟，使微电子从单 晶体管发展到n 1 今天的u l s i 。微电子技术的发展包括两个方面：制造工艺和电 路设计。 由于g e 合金管有工作温度低、电性能差等缺点，5 0 年代随着硅平面制造工 艺的出现，很快就出现了用硅材料制造的晶体管，并逐步取代了g e 晶体管。 从1 9 4 7 年第一支晶体三极管问世，集成电路经历了小规模集成电路、中规 模集成电路、大规模集成电路时代，现在已逐渐进入到超大规模集成电路、特大 规模集成电路、巨大规模集成电路时代。半导体工业在新工艺和器件结构设计上 持续发展。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密 度，更多的数量和更高的可靠性。尺寸和数量是i c 发展的两个共同目标。g o r d o n m 0 0 r e 在1 9 6 4 年预言i c 的密度每隔1 8 到2 4 个月将翻一番，这就是我们通常说 1 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 的摩尔定律n 3 。 1 1 2半导体硅片的现代化应用 硅片制成的芯片是有名的“神算子 ，有着惊人的运算能力。无论多么复杂 的数学问题、物理问题和工程问题，也无论计算的工作量有多大，工作人员只要 通过计算机键盘把问题告诉它，并下达解题的思路和指令，计算机就能在极短的 时间内把答案告诉你。这样，那些人工计算需要花费数年、数十年时间的问题， 计算机可能只需要几分钟就可以解决。甚至有些人力无法计算出结果的问题，计 算机也能很快告诉你答案口3 。 芯片又是现代化的微型“知识库”，它具有神话般的存储能力，在针尖大小 的硅片上可以装入一部2 4 卷本的大英百科全书。如今世界上的图书、杂志己 多达3 0 0 0 多万种，而且每年都要增加5 0 多万种，可谓浩如烟海。德国未来学家 拜因豪尔指出：“今天的科学家，即使整日整夜地工作，也只能阅读本专业全部 出版物的5 。出路何在呢? 唯一的办法就是由各个图书情报资料中心负责把各 种情报存入硅片存储器，并用通信线路将其连接成网。这样，科技人员要查找某 种资料和数据时，只要坐在办公室里操作计算机键盘，立即就会在计算机的荧光 屏上显示出所要查询的内容h 3 。 微电子芯片进入医学领域，使古老的医学青春焕发，为人类的医疗保健事业 不断创造辉煌。微电子芯片的“魔力”还在于：它可以使盲人复明，聋人复聪， 哑人说话和假肢能动，使全世界数以千万计的残疾者得到光明和希望。 微电子技术在航空航天、国防和工业自动化中的无比威力更是众所皆知的事 实。在大型电子计算机的控制下，无人飞机可以自由地在蓝天飞翔；人造卫星、 宇宙飞船、航天飞机可以准确升空、飞行、定位，并自动向地面发回各种信息。 在电子计算机的指挥下，火炮、导弹可以弹无虚发，准确击中目标，甚至可以准 确击中空中快速移动目标，包括敌方正在飞行中的导弹。工业中广泛使用计算机 的各种传感技术，可以节省人力，提高自动化程度及加工精度，大大提高劳动生 产效率。机器人已在许多工业领域中出现。它们不仅任劳任怨，而且工作速度快、 精确度高，甚至在一些高温、水下及危险工段工种中也能冲锋陷阵，一往无前， 智能机器人也开始显示出不凡的身手。在韩国举办的第一届国际机器人足球赛， 小小机器人那准确的判断能力，有效的组织配合和强烈的射门意识都令人拍手叫 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 绝。美国科学家和工程师研制出的名字叫“深蓝”的超级计算机，战胜了世界头 号特级国际象棋大师。它的精彩表演表明，智能计算机已发展到了一个崭新的阶 段。 科学技术的发展不断推动着半导体的发展。自动化和计算机等技术发展，使 硅片( 集成电路) 这种高技术产品的造价已降到十分低廉的程度。如果把现在国 外超大规模集成电路硅片的价格换算成人民币，则芯片上平均每5 0 个晶体管的 价格还不到一分钱。一台微型电子计算机的售价，也只不过数百元人民币。这样 就为电子计算机进入千家万户铺平了道路。现在，家用电器已越来越多：电视机、 录音机、音响、洗衣机、电饭锅、微波炉、电话等等，使我们的生活越来越现代 化。 1 1 3半导体产业国内外发展现状 随着l c 制造技术的飞速发展，为提高i c 的集成度，要求硅片的刻线宽度越 来越细，随着i c 集成度的提高，为降低单元制造成本，要求硅片的直径不断增 大。硅片直径从1 9 6 5 年的5 0 衄发展到现在的4 5 0 m m ，目前，在国内外市场上， 3 0 0 m m 硅片仍然是主流产品，3 0 0 m m 硅片与2 0 0 m 功硅片相比，直径为1 5 倍， 面积为2 2 5 倍，每片产出量提高1 2 5 。而同理4 5 0 m m 硅片与3 0 0 m m 硅片相比， 每片产出量提高1 2 5 。 有关4 5 0 衄硅片的过渡在业界一直争论不休。到现在为止持积极态度的已 有三家，分别是英特尔、台积电及三星，如台积电预定2 0 1 3 年2 0 1 4 年建立 4 5 0 m m 硅片试产线，2 0 1 5 年2 0 1 6 年在台中厂量产，4 5 0 m m 晶圆生产从环保、 经济上来看，都会比3 0 0 m m 更有效率。总体上4 5 0 衄硅片是大势所趋，业界 己有共识。 世界上的发达国家国家加工3 0 0 m m 硅片的技术已非常成熟，正在研制 4 5 0 m m 超大规格硅片的加工技术。我国虽已启动一系列重大项目来推动i c 技术 的发展，但由于加工主要依靠进口成套设备，并采用早期的研磨抛光工艺，目前 只有极少数企业能生产3 0 0 舳的硅片，远远满足不了信息产业发展的需要。发 达国家严格限制向我国出口3 0 0 m m 以上硅片的超精密加工技术和设备，高精密、 大尺寸硅片的制造对我国半导体产业提出了严峻的挑战。 随着i c 设计技术和制造技术的发展与进步，芯片的密度呈指数增长趋势， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 这是硅片直径增大的主要驱动力钉。目前，在米粒大的硅片上，已能集成4 0 0 0 多万个晶体管。这是何等精细的工程! 这是多学科协同努力的结晶，是科学技术 进步的又一个里程碑。微电子技术正在悄悄走进航空航天、工业、农业和国防， 也正在悄悄进入每一个家庭。小小硅片的巨大“魔力是我们的前人根本无法想 象的。 1 2硅片夹持装置的发展状况和趋势 单晶硅材料属于硬脆性材料，随着硅片直径的不断增大，厚度不断变小，如 何提高硅片夹持系统的性能显得尤为重要。硅片直径变大，使得硅片更易产生翘 曲变形甚至破碎，平面精度和表面光洁度也受到影响。硅片直径变大，硅片的质 量增加，对夹持力的大小和稳定性要求更高。现在及未来硅片直径不断增大， 4 5 0 m m 硅片的到来指曰可待，对于大尺寸的硅片，其加工过程中的平整度和弯 曲度是技术难点，不得不加以考虑，其技术难度可见一斑。所以，大尺寸硅片时 代的到来将给硅片的超精密加工带来新的难题，也将给硅片夹持技术带来新的挑 战们。 1 2 1硅片夹持的种类 l 、机械夹钳 机械夹钳是最传统的夹持方式，结构机理简单，一张一合即可完成一个夹持 过程，在硅片发展的初期，由于硅片直径小，加工精度要求不高，这种方法非常 简洁适用。但随着硅片的快速发展，很明显这种夹持方式不能满足要求，大直径 硅片基本无法夹持或者容易碎裂，即使是小直径硅片，也容易使硅片发生翘曲变 形或者损坏硅片的边缘区域，也由于机械材料的本质特性，而不可避免地造成硅 片表面的污染。这种夹持方式即将成为历史。 2 、石蜡粘接 石蜡粘结也是一种传统的吸附方式，它是一种使用较早的方法。将硅片放置 在夹具上的规定位置，对粘结剂进行加热，使其熔化，渗入到硅片与夹具之间， 然后在工件上进行加压，使石蜡将硅片平整的固定在基板上进行加工忉。这种夹 持方式的优点是硅片表面受力非常均匀，不容易发生翘曲变形，如果将石蜡层的 厚度做的非常均匀，可达到很高的精度。且由于粘接剂为软质材料，对硅片造成 d 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 的污染较小。但此种方法只适用于单面加工，应用于对单面精度要求很高的场合。 这种加工方式的缺点也很多，加工前需要对粘接剂加热熔化，加工后要对其进行 清除，大大降低加工效率，对于大规模的硅片加工是不适合的。而且对于大尺寸 硅片来说，很好的控制粘结层厚度的均匀性还存在技术难题，所以其应用范围正 逐渐减小。 3 、静电吸盘 静电吸盘是采用静电荷产生吸力吸紧工件的吸盘，目前静电吸盘的形式很多， 主要有两种类型：一种是硅片本身也通上高压电，称作“平板电容式静电吸盘”； 另一种无需对硅片进行通电，称为“整体电极式静电吸盘 ，但能提供的吸力较 小嘲。静电吸盘的优点很多，主要在化学气相沉积等真空环境下使用。由于静电 荷分布均匀，使硅片受到的垂直应力分布均匀，所以提高了硅片的形状精度，且 夹持器可以不与硅片直接接触，减少了硅片表面的污染，但它的缺点是夹持力较 小。这种夹持方式随着电力技术的不断发展还有进一步提高的潜力。吸盘原理如 图1 1 所示： 图1 1 静电悬浮示慈图 4 、真空吸盘 真空吸盘又称真空吊具，被广泛用于工业与生活中，它的原理很简单，在夹 持面造成真空，另一面的大气压力使工件被夹紧限埘。真空吸盘同样被广泛用于 硅片夹持领域，真空吸盘由于利用了气压的本质特性，能形成强大的夹持力，但 正由于它的夹持力太大，且由于硅片与夹持器的直接接触，形成吸盘周圈对硅片 的反作用力，而导致硅片表面的应力分布悬殊太大，无疑会造成硅片表面的微观 不平整，对精度要求越来越高的硅片渐渐显得捉襟见肘。由于真空吸盘现阶段的 广泛与实用性，为了使应力分布相对均匀，为了使真空吸盘更好的发挥作用，针 对硅片夹持的真空吸盘种类繁多，且没有停止研究的步伐。主要有多孔陶瓷式真 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 空吸盘、带有沟槽的真空吸盘，改进保持环的真空吸盘等。真空吸盘无论如何改 进，由于其不可避免的接触性，终究无法保证应力分布的均匀。图1 2 为一种真 空吸盘结果尺寸图： 图1 2 真空吸盘结构图 5 、伯努利悬浮 伯努利悬浮的理论依据是伯努利原理，在1 7 2 6 年由丹尼尔伯努利最早提出 【1 1 1 。这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原理， 其实质是流体的机械能守恒。即：压力势能+ 重力势能+ 动能= 常数。其最为著名 的推论为：等高流动时，流速大，压力就小【1 2 1 。如式( 1 1 ) 所示。 p + j d 夕 + 丢p 杪2 = c ( 1 1 ) 式中尸，p 、1 ，分别为流体的压强、密度和速度；办为竖直高度，g 为重力加 速度；c 为常数。 在伯努利悬浮中，压缩气体通过喷嘴作用在被夹持物表面，呈辐射线状排出。 若喷嘴与被夹持物表面的距离较小，由于截面积的减小，使得气流速度增加，根 据伯努利公式，速度增加，压强减小，产生负压，被夹持物受到吸引力。若距离 过大，气流的作用直接推开夹持物，不能达到预期效果。若距离过小，气体无法 流动导致吸附力减小。所以某个距离的大小成为被夹持物的稳定点，实现稳定夹 持的目的【1 3 】。如图1 3 所示： 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 3 伯努利悬浮示意图 国内外对伯努利悬浮的理论研究很多，伯努利悬浮在工业上也得到了广泛的 应用，但在硅片夹持方面研究尚少。伯努利悬浮的优点很多，可以提供很大的吸 引力，对被夹持物的形状要求不高，可实现非接触夹持。但由于喷射气流的作用， 它与真空吸盘有个相同的缺点，即被夹持物表面应力过于集中。如果用伯努利原 理来夹持硅片，虽然实现了非接触式的夹持，但由于高速气流的作用点过于集中， 对硅片这种高精密元件来说，局部依然会造成很大的破坏。 6 、气体漩涡吸盘 在自然界中经常能见到漩涡，如海上漩涡、台风等。在科学界对漩涡的研究 很多，但在工程上的研究大多是研究如何避免漩涡现象，以漩涡为人类所用的研 究相对较少。漩涡可以在流体中心产生类似真空的现象，使利用人造气体漩涡夹 持硅片成为可能，国内外对此也有一些相关研究，人造气体漩涡的基本原理如图 1 4 所示，在一个圆筒状的空腔内，顶部密封，切向开一个小孔作为气体的进口， 压缩气体从该进口进入空腔，在圆柱形腔体壁面的束缚下形成旋涡流f 1 4 】。高速 旋转的气体通过流体的粘稠效应，带动腔内所有气体高速旋转，因离心力作用而 甩向壁面，从而在吸盘中心产生真空区，形成一种类似真空吸盘的空间，在中心 区域产生负压【1 5 】。由于不断地向腔内注射气体，气体必然从腔体底部溢出，气 体以螺旋状向下运动，在底部呈散射状排出，如果圆筒壁厚够大，会形成类似伯 努利悬浮的现象。这种悬浮方式，其实可看成真空吸盘和伯努利悬浮的叠加。如 果忽略伯努利效应，单从漩涡产生的负压作用来考虑，腔体底部中心产生负压， 外围受到气体排出时产生的排斥力作用，在两种力的作用下达到夹持效果。 漩涡夹持的理论研究还处于初级阶段，从以往的研究中发现，漩涡产生的吸 附力过小，夹持力和重力在一个数量级上，很难实现稳定的夹持。这种夹持方式 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 下，硅片与空气直接接触，在硅片表面的摩擦力很小，如何实现硅片横向的固定 也是一大问题。 图1 4 人造漩涡示意图 1 2 2漩涡夹持的优势及需要解决的问题 利用气体漩涡方式实现的夹持手段应用于硅片的夹持和运输过程，有着其独 特的优势。相比传统的机械夹持和真空吸盘夹持，实现了非接触，避免了夹持装 置与硅片表面的接触，极大的降低了表面划痕的产生的可能性，这对于需要经历 几百道加工工序的硅片来说，极大的提高了成品率。相比伯努利悬浮法，漩涡夹 持对气体的损耗较少，更节约压缩气体，降低加工成本，且避免了应力过于集中 的现象。使用气体作为工作介质，对工作环境没有污染，符合半导体制造过程对 于环境超洁净性的要求。同时减小了硅片翘曲变形、表面残留污渍等缺陷的发生。 在有很多优势的同时，漩涡夹持的理论研究和实际应用均遇到很多问题。虽 然漩涡的力学特性早已完成，但大部分研究都是为避免漩涡，而非利用漩涡。尤 其是对漩涡产生真空的力学特性缺乏研究。一个漩涡吸盘能否提供大的夹持力需 要考虑很多因素，如进气管中气体的流动状态，气腔中漩涡的运动形式都会影响 夹持力的大小。介于漩涡、尤其是人造漩涡的力学分析相当复杂，现在只能利用 仿真和实验的方式得到经验值。在已有的关于漩涡的文献中，漩涡中心区域所提 供的负压都过小，与大气压强相差2 3 个数量级。负压太小基本不能实现稳定夹 持。 1 3课题研究的意义 随着4 5 0 m m 大硅片时代的来临，现在工业上应用最广泛的真空吸盘的优势 越来越小，渐渐无法胜任新的要求。硅片的大直径化以及光刻的微型化使半导体 8 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 在制造过程中越来越复杂，硅片夹持系统的作用不仅包括在加工中带动硅片运动， 还要确保硅片在加工的过程中不能发生明显的变形，现有的硅片夹持方式均不能 满足要求。特别是随着硅片尺寸的增大，对硅片面型精度和表面粗糙度的要求的 提高，使得对硅片的夹持系统的要求也进一步提高了。硅片尺寸增大后，硅片强 度刚度均变差，容易产生变形，一些技术问题曰益突出，硅片的定位夹持精度已 成为影响硅片加工质量和效率的重要因素。 对硅片加工精度要求的提高还表现在硅片的超净无污染上，目前工业上的硅 片夹持器基本上还是接触式夹持器，伯努利悬浮和漩涡夹持方式均没有被应用于 硅片加工中，原因就在于这两种方式在硅片夹持的应用上还没有实现真正的稳定 夹持。伯努利悬浮已经被用于其它场合，漩涡夹持在实际工作中基本未得到应用。 以人工方式产生的漩涡理论研究几乎为0 ，若对漩涡进行力学分析，可对漩 涡单吸盘的结构特征设计提供很大帮助。通过一些特殊结构的添加，提高漩涡内 部负压的大小成为可能。 此外，一个小直径的内腔就可提供一个漩涡流，一定数量的小漩涡吸盘进行 集成，就可以跨数量级的提高集成吸盘的夹持力，为真正应用于工业生产提供可 能。硅片直径越来越大，这种集成漩涡吸盘的优势越发明显。由于漩涡吸盘的实 际工作过程比较复杂，如何在集成吸盘中采用不同的布局方式，实现最大的夹持 力，如何提高硅片夹持的稳定性都需要进行深入研究。 1 4本文的主要研究内容 本文深入研究漩涡吸盘的工作机理，讨论一切影响单漩涡吸盘夹持力大小的 可能，在单个吸盘最优化的基础上，研究如何集成单个吸盘实现夹持力的最大化。 主要开展以下几方面工作： 1 、对流体力学中关于漩涡的重要理论进行讨论，对漩涡吸盘夹持硅片的过 程进行受力分析。讨论不同结构对漩涡强度造成的影响，将理论应用于单漩涡吸 盘的结构设计中，为吸盘的尺寸设计提供依据。 2 、根据对吸盘工作机理的理论研究，设计并加工几组旋涡吸盘，进行试验 研究。通过实验，对影响漩涡夹持效果的因素做进一步分析，选择最优化的结构 参数，并通过添加一些特殊机构，来提高漩涡吸盘中心区域的负压大小及其夹持 9 ， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 的稳定性。 3 、根据单个吸盘的研究结果，选出结构简单且性能较好的单吸盘，以此吸 盘为基础，设计集成吸盘，对集成吸盘进行整体布局，设计并加工几种不同的集 成吸盘，进行实验研究，提高集成吸盘的夹持力。并设计辅助机构，使硅片横向 可以得到准确定位，且硅片在小范围偏离水平面时依然可以被稳定夹持。 4 、设计吸盘的运动控制台，实现硅片的夹持输送。关于硅片传输机器人的 研究已非常成熟，本文为了演示硅片的夹持输送，设计一种气动方式的硅片输送 控制系统。 1 5本章小结 本章介绍了半导体发展的历史和现状，筒述了半导体硅片在现实社会中的广 泛应用，分析了现有硅片夹持器的种类及各自特点，在大直径硅片的时代，对夹 持器的新要求进行了阐述，主要对伯努利悬浮和漩涡吸盘进行了较详细的介绍。 强调了漩涡式夹持器在4 5 0 m m 硅片时代的作用愈发明显。最后，对课题的研究意 义、研究内容，工作项目进行了较详细的说明。 浙江大学硕士学位论文第2 章气体漩涡夹持器的理论研究 2 气体漩涡夹持器的理论研究 简述流体力学中的漩涡理论以及流体的流动形态，对漩涡的产生机理进行研 究，并对气体漩涡进行力学分析。以最简单的圆筒型漩涡吸盘引出漩涡吸盘的工 作原理，并从理论上分析了吸盘中各种特征结构的尺寸可能对漩涡强度造成的影 响。 2 1流体力学理论概述 在任何流场中，都可能有漩涡流的存在。自然界中如龙卷风、桥墩后面规则 的双排涡列等等是经常能观察到的旋涡运动的例子。但在大多数情况下流动中的 旋涡肉眼难以察觉。一般，整个流场中某些区域为旋涡区，其余的地方则为无旋 区【1 6 】。 2 1 1漩涡运动理论 旋涡运动理论广泛地应用于工程实际，如机翼、螺旋桨理论等。旋涡与船体 的阻力、振动、噪声等问题密切相关。漩涡的产生与压力差、质量力和粘性力等 因素有关。在现实生活与工程实际中，大部分情况下，我们不希望有漩涡的产生， 例如真空吸盘以及漩涡吸盘的进气口。流体流过长直固体壁面时，除壁面附近粘 性影响严重的一薄层外，其余区域的流动可视为理想流体的无旋运动【1 7 1 。 漩涡强度是表征流场中旋涡强弱和分布面积大小的物理量，漩涡强度受到涡 线、涡管等的影响，涡线是瞬时涡流场中处处与涡旋矢量相切的曲线【1 8 】。如图 2 1 所示： 图2 1 涡线示意图 1 1 浙江大学硕士学位论文第2 章气体漩涡夹持器的理论研究 取涡线上一段微弧长，其在三维坐标轴上可表示为： d ；= d x ? + d y ，+ d z k( 2 1 ) 可得该处的旋转角速度为： 。 = ( o z + ( 一+ 七( 2 2 ) 由涡线的定义( 涡矢量与涡线相切：叉积为零) ，得涡线微分方程式： = 志= ( 2 3 ) l ，z ( x ，y z c )v ( x ) ，z ，c )z ( 戈，y ，z ，c ) 、一7 若已知x 、y 、，根据式2 3 可得涡线1 9 1 。与流线的积分一样，将t 看 成参数。t 取定值就得到该瞬时的涡线。 在旋涡场中任取一微小封闭曲线c ( 不是涡线) ，过c 上每一点作涡线，这 些涡线形成的管状曲面称涡管。涡管中充满着作旋转运动的流体，称为涡束；截 面积为无限小的涡束称为涡索( 涡丝) ，如图2 2 ，现实生活中龙卷风的涡线如图 2 3 所示【2 0 1 。 图2 2 涡管涡丝示意图图2 3 龙卷风涡线圈 漩涡理论中还有一个重要的物理量就是速度环量，它是速度矢在积分路径方 浙江大学硕士学位论文 第2 章气体漩涡夹持器的理论研究 向的分量沿该路径的线积分。速度环量是标量，速度方向与积分曲线方向相同时 为正，反之为负。根据斯托克斯定理，沿任意闭曲线的速度环量等于该曲线为边 界的曲面内的旋涡强度；又由汤姆逊定理，沿流体质点组成的任一封闭流体周线 的速度环量不随时间而变；我们可以得知：在理想流体中，速度环量和旋涡不生 不灭。因为不存在切向应力，不能传递旋转运动。流场中原来有旋涡和速度环 量的，永远有旋涡并保持环量不变，原来没有旋涡和速度环量的，就永远无旋涡 和速度环量。例如，从静止开始的波浪运动，由于流体静止时是无旋的，因此产 生波浪以后，波浪运动是无旋运动。又如绕流物体的流动，远前方流动对物体无 扰动，该处流动无旋，接近物体时流动不再是均匀流，根据汤姆逊定理和斯托克 斯定理，流动仍保持为无旋运动。贴近物体表面极薄一层要除外，由于粘性的存 在，这极薄一层为有旋运动【2 。 由涡管强度守恒定理同一涡管各截面上的旋涡强度都相同。得出涡管不 能在流体中以尖端形式终止或开始，涡管存在的形式要么终止于流体边界或固体 边界，要么自行封闭形成涡环。由涡管保持定理正压、理想流体在有势质量 力作用下，涡管永远由相同的流体质点所组成。正压、理想流体在有势质量力作 用下，涡管的旋涡强度不随时间而变。但实际流体由于粘性将导致剪切、速度等 参数脉动以及能量耗散，旋涡强度将随时间衰减【2 2 1 。 根据漩涡理论的定理和公式，以最简单的圆筒型漩涡进行计算分析，可得出 旋涡外部速度越大压力越小，旋涡内部速度越小压力越小。水面旋涡的涡量在中 心附近为最大，向外逐渐减少，作为一种近似，可认为漩涡是由涡量均匀分布的 核心部分涡核和其外部的无旋流动两部分所组成。漩涡压力分布如图2 4 所示， 其中r 为漩涡半径，p 为压力。 。鏊塾耋 z 参= j ： 声：了= ：一i - ll 图2 4 圆筒型漩涡压力分布图 1 3 浙江大学硕士学位论文 第2 章气体漩涡夹持器的理论研究 2 1 2流体的流动状态种类 流体的几种流动状态如图2 5 所示。当流速很小时，流体分层流动，互不混 合，称为层流，或称为片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动， 摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很 大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流、扰流 或紊流【2 3 1 。 z 炫导薹互楚 薏焉囊蓑蚕4”、一o 皇矿翟：羔之勺0 ； r t j o l d s ( - 1 8 8 2 ) 层流 过渡状态 湍流 图2 5 流体的几种流动状态 这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯 性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若 雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微 小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。流态转变时的雷诺数值 称为临界雷诺数。一般管道雷诺数弛 4 0 0 0 为湍流状态， r p = 2 1 0 0 4 0 0 0 时为过渡状态。计算雷诺数的公式为： 尺p = v 折 ( 2 4 ) 其中：r e 为雷诺数，d 为管道直径，为管道中平均流速，为液体运动粘 滞系数【2 4 1 。 2 2气体漩涡吸盘理论研究 气体旋涡吸盘实现夹持的主要方式是在吸盘中心区域产生负压，下面对气体 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章气体漩涡夹持器的理论研究 漩涡吸盘的工作原理作详细介绍。 2 2 1气体漩涡吸盘工作机理 上一节已经对圆柱型理想旋涡进行了详细的介绍与分析。人工产生圆筒型漩 涡如图2 6 所示，高速气体从圆柱内腔顶部沿切线方向进入，在圆柱形腔体壁面 的作用下高速旋转。高速旋转的气体通过粘稠性和连带效应，带动腔内所有的气 体旋转，由于离心力的作用而产生径向运动的趋势，使腔内中心区域产生负压， 类似圆柱型理想漩涡，对硅片产生吸引力。但从吸盘结构可看出，腔内气体只能 从吸盘底部排出，吸盘底部气体既有径向速度，又有切向速度，在吸盘底部呈散 射状。由于高速气体从底部排出，对硅片进行撞击，再加上出口处本身气压较大， 对硅片产生正压力，这种压力会随着硅片和吸盘底部的距离改变而改变【2 5 】。当 正压、负压与硅片本身的重力平衡时，即可实现夹持。 气流 _ _ _ _ l _ 硅片 图2 6 气体漩涡吸盘工作示意图 2 2 2实际漩涡的理论分析 这种人工方式形成的漩涡与理想漩涡有一些差别，它并不能形成图2 6 所示 的规则圆柱形漩涡。高速气流从圆柱腔顶部切向进入，气体受到壁面与周围气体 的粘稠作用，速度越来越小。当漩涡趋于稳定时，由于内部气体的惯性作用，气 体相互之间的粘稠作用减小到一个相对稳定值，并在小范围内震荡。由于进气口 喷出的气流速度永远都是最大的，这种不对称性，必然导致漩涡的不稳定。气腔 底面部分气体与硅片不断地来回碰撞，造成小规模的震荡。机械加工中内腔和进 气口的粗糙程度也会对漩涡的性能产生影响，与气体直接接触的材料表面若不平 整，使气体紊流程度大，而造成漩涡的不规则性更加严重。且气体流速大也容易 造成紊流。通过理论分析，我们得知漩涡吸盘的结构造型、材料、加工精度都很 重要。 浙江大学硕士学位论文 第2 章气体漩涡夹持器的理论研究 2 2 3理想情况下硅片的受力分析 实际漩涡的工作状况相当复杂，先把漩涡看成如图2 6 所示的理想漩涡，对 硅片进行受力分析。根据漩涡理论的研究，在圆柱型漩涡中，在同一水平面内， 离中心距离相等的点压力相等，不妨设漩涡底部的压力为p ( 厂) ，其中，为漩涡底 部某点到漩涡中心轴即涡线的距离，设内腔半径为r 。则图2 6 所示的漩涡可近 似等效为半径为r 的圆柱型漩涡，在r 尺的点，硅片上表面受到喷射气体斜向 下的冲击力以及大于大气压的压力，喷射气体对硅片的作用力可进一步等效为径 向、垂向、切向的三个分力，三个分力均不为o 。 硅片上下表面的每一点都同时受到上下气压的作用，为简化描述，把硅片上 下表面某点受气体作用的合压力描述为p ( 力，即相对大气压的压力。在r 0 。又因为高速漩涡气体对硅片的粘稠效应不可忽略，硅片表面受 到一个与漩涡旋转方向相同的扭矩，设为鸭。在r 尺的圆环区域内，喷射气体 对硅片的径向作用力因为完全对称，可等效为0 ；垂向冲击力与本身的压强均是 垂直向下，也可合并用p ( 力表示，此时p ( r ) 0 ；底部喷射气体的切向速度也因 为对硅片的粘稠性，在硅片表面产生与漩涡方向相同的扭矩，设为m 2 。此外， 在吸盘底部会产生伯努利效应，但由于伯努利效应产生的力也近似作用在外圆环 区域，作用力分解后与底部气体的冲击力类似，可整合至前面的提到的各分力中， 且伯努利