硅片真空夹紧装置设计

硅片真空夹紧装置设计干蜀毅 , 孙青云( 合肥工业大学 , 安徽 合肥 230009)Design of M ini Oil free Vacuum Pump for the Clamp Equipment U sed for Si WaferGAN Shu yi, SUN Qing yun( H efei Univer sity of T echnology, Hefei 230009, China)摘要 : 设计了一套硅片专用真空夹紧装置 , 包括夹紧装置和微型无油真空抽气泵 。 为减少硅片在夹紧过程中变形 , 夹紧装置采用了多吸口 、 回旋槽的平面型结构 ; 根据所需夹紧力大小 , 设计了抽速为 0. 3L/ s 的微型真空泵 , 泵内无油避免了对硅片的污染 ;对间隙返流进行了计算并分析了对泵性能的影响 。关键词 : 真空夹具 ; 硅片 ; 微型泵中图分类号 : T P271. 4文献标识码 : B文章编号 : 1001 2257( 2006) 06 0025 04收稿日期 : 2005 11 25Abstract: A vacuum clam p equipment used forholding Si w afer is designed in this paper. The system is composed of a sucking device and a oil freemini vacuum pum p. T he sucking device has a sucking disk structure w hich contains multi suckingmouths and gyr al grooves in order to minim ize thedeformatio n of the w afer. A oil free mini vacuumpump w ith pumping speed of 0. 3 L/ s is designed inorder to prov ide pr oper holding force and keep thewafer from contaminating. The pumping speed iscalculated w hile back flow of vario us clearances istaken into account.Key words: vacuum clamp; Si w afer; minipump0 引言在涉及微型、 纳米器件的现代前沿科研、 生产活动中 , 硅片是最常见的基片材料。为实现器件的预定功能 , 需通过各种方法 , 把不同材料、 不同厚度的薄膜逐步镀制在以硅为衬底的基片上 , 并刻蚀成各种复杂结构图形。在器件的制造、 检测过程中 , 不可避免地要涉及到硅片的夹持问题。由于硅片厚度仅1mm, 刚度差且脆 , 在一般夹持装置下 易变形甚至断裂 , 从而对器件的微结构、 性能造成致命的损坏 ,为此专门设计了一套真空夹持装置 , 以满足对硅片的加工和测量要求。1 装置总体设计真空夹持装置通过在硅片上下 2 个平面间制造气体压强差实现对硅片的夹紧 , 其最大的好处是硅片各处受力均匀。通过合理的支撑面设计 , 可保证硅片在夹持过程中几乎没有变形。而合理气路的设计和阀门安排可控制排出的气流量 , 进而控制硅片上下面间压差大小 , 从而实现夹紧力可调 , 并使硅片装卸方便、 简单。装置的结构如图 1 所示 , 无油机械泵通过管道直接连接到卡盘上 , 中间装放气阀 , 可调节夹紧气压并便于取下晶片时使用。图 1 系统结构2 夹盘设计 、 计算夹盘 ( 或吸盘 )是本套装置的重要部件 , 其结构是否合理、 加工精度的高低对硅片的变形起着举足轻重的影响 ; 夹盘也直接决定了泵抽气量和泵的大小。对夹盘的基本要求是表面平整 , 精度高 , 夹紧可25机械与电子 ! 2006( 6)靠。由于硅片脆且厚度薄 , 不能承受过大的变形 , 考虑这样一些特点 , 决定采用单吸口多支撑平面吸盘形式 , 如图 2 所示。视硅片直径不同 , 根据具体吸盘图 2 卡具设计尺寸 , 平面吸盘直径相应发生变化。为加强支撑同时保证抽气通畅 , 在吸盘表面开若干道同心圆沟槽 ,通过中间几道放射形直槽使各圆槽相连 , 这样每道槽抽空后都能提供吸力 [ 1- 2] 。在设计尺寸时 , 将圆槽宽度定为 4 mm, 深 2 mm, 中间吸气口直径则定为 15 mm。吸盘以不锈钢制造 , 表面粗糙度 R3. 2,精度 6 级 , 全高 10 mm。整个夹持系统待抽空的体积主要由夹盘掏空体积和连接软管的体积决定。夹盘掏空容积按实验常用的硅片估算 ( 不考虑中间未掏空部分 ) , 约为 :V= 0. 025 4 ? 422? ? 0. 01= 0. 08 L连接软管以内径 10 mm、 长 2 m 计 , 抽 空体积为 0. 16 L, 因而总抽气容积约为 0. 24 L。若要求在0. 5 s 内达到 9 ? 104 Pa 的负压 , 根据公式 [ 3]t= Vs ln pap ( 1)式中 V 待抽容器体积s 抽速t 抽气时间p a , p 初始压强和工作压强可得 :s= 0. 06 L/ s而管道流导U= 180 D4l p = 7. 4 L/ s ( 2)式中 D 管道内径l 管道长度因此管道流导远大于抽速 , 有效抽速可以取泵抽速。考虑到吸盘大小变化、 漏气等因素影响 , 泵实际按抽速 0. 3 L/ s 设计。显 然此参数 均留足了 裕度 , 因此可保证在使用较大吸盘时系统仍能可靠工作。卡具和工作台的联结由 4 个 M 5 的螺钉完成。吸气口与管道的连接用密封管螺纹 , 管道通过带有倒角的密封接头直接接至泵吸气口上。3 抽气泵设计根据以上分析及初选的工作压强、 抽速等参数 ,比较各粗真空泵 , 从体积、 性能、 可靠性和经济性等方面综合考虑 , 决定采用旋片泵作为本系统的抽气泵。由于所需抽速在旋片泵标准抽速系列之外 , 所以需自行设计。3. 1 结构设计泵的结构设计参考了 2XZ 型油封式直联旋片泵的结构 , 并对内外结构做了一些精简。电机的选择要求体积小 , 转速适中。设计中选择浙江奥力电机厂生产的 YFK120 40/ 4 型电机 ,功率 40 W, 转速为 800 r/ min。转子的结构为转子盘式 , 转子盘用 6 颗 M2. 5的十字槽沉头螺钉固定 , 节省空间 , 两转子体之间形成旋片槽 , 旋片材料膨胀系数约是转子材料的 2 倍 ,旋片和旋片槽间留出 0. 05 mm 间隙。3. 2 主要几何尺寸确定要确定的几何尺寸主要有 : 泵腔、 转子直径 , 旋片尺寸、 进、 排气 口的尺寸。初选旋片 数 z = 2, 单级 , 电机输出功率 40 W, 转速 n= 800 r/ min, 几何抽速 Sth = 0. 3 L/ s, 尺寸系数 a= L / D = 1, b= d / D =0. 8, 按下式计算后确定泵主要结构尺寸。[ 3 ]D =34Sthz n a kv (1- b2 ) ( 3)kv =( - ) + 12 sin2 - 12 b2( 1- b2 ) ( 4)= arccos( 1- b) ( 5)式中 L 泵腔长度D 泵腔直径d 转子直径其计算结果如表 1 所示。结构如图 3 所示。表 1 微型泵结构尺寸 mm旋片数 泵腔直径 泵腔长度 转子直径 偏心距 旋片长度 旋片厚度 进气口径 排气口径2 片 40 40 35 2. 5 18 4 10 526 机械与电子 ! 2006( 6)图 3 微型旋片泵设计3. 3 功率计算旋片泵在每个运动周期内经历吸气、 压缩和排气 3 个过程。泵功率按下式计算 [ 4] :N = p 1 Sth mm- 1[ ( p 2p 1)m - 1m - 1] ( 6)所选电动机功率 N g 由下式决定 :N g = N max! m ! p ( 7)式中 m 多变指数 , 取 1. 3过载系数 , 取 1. 2! m 泵的机械效率 , 取 0. 80! p 泵的传动效率 , 直联取 1当吸入压 强 p 1 = 101 326 Pa, 排出 压强 p 2 =110 000 Pa 时 , 代入上式 , 得 N g = 25. 2 W, 小于所选电机功率 40 W。3. 4 温升和间隙由于没有泵油润滑 , 泵在工作时的产生的热量使泵腔内部温度升高 , 各零件受热膨胀后预留的有用间隙会减小甚至消失 , 导致部件运转不灵或卡死 ,会严重影响泵的工作性能。设计时尽量给转子和泵壁等零件间预留有一定的轴向和径向间隙 , 但间隙不可过大 , 否则泵会严重漏气而影响极限压强和抽速 , 进而影响夹紧。因此 , 计算泵运转时温升 , 对各间隙的变化及其对返流的影响进行计算是本设计所要解决的关键性问题。由于泵的抽速小 , 工作压强高 , 所以泵腔内的热量来源主要是气体的压缩功和摩擦损失。旋片和泵壁之间在工作时将会有一定摩擦 , 因此旋片采用自润滑材 料 ( PFET ) , 泵腔内壁要 有较高光洁度 ( R3. 2) 以减少摩擦 ( 动摩擦系数约 0. 05) ,同时使用低转速电机。由于泵壳散热条件好 , 温升远小于转子和旋片。温升来自压缩功和摩擦功 , 泵每个循环的压缩功为 :W= mm- 1 p 1 V 1 p2p 1m- 1m- 1 ( 8)式中 V 1 吸气终了时吸气腔容积摩擦功的计算较复杂 , 且旋片材料导热系数极低 , 所以旋片尖端温度会较高 , 故最终按经验取泵壳温升为 :?t 2 = 30 #转子和旋片温升为 :?t 1 = 100 #泵壳和转子材料的线膨胀系数为 :#= 24 ? 10- 6 1/ #转子轴向在工作时受热的长度伸长量为 :?l = # l ? t1= 0. 096 mm泵壁轴向在工作时受热的长度伸长量为 :?L = # L ?t 2= 0. 028 8 mm所以转子和泵壁的轴向间隙在工作时最大减少量为 :?L + ? l= 0. 012 48 mm转子径向在工作时受热的径向伸长量为 :?r = # r ? t1 = 0. 025 2 mm泵壁径向在工作时受热的径向伸长量为 :?R= # R ?t 2 = 0. 014 4 mm所以转子和泵壁的径向间隙在工作时最大减少量为 :?R+ ? r= 0. 056 4 mm预留转子和泵壁径向间隙时 , 为保证安全 , 选用较大的间隙量。泵腔直径尺寸 D = 40 mm, 选用公差 H 12; 转子直径尺寸 d= 35 mm, 选用公差 c12; 偏心距尺寸 e= 2. 5 mm, 选用公差 h7。转子和泵壁的径向间隙 ? 可计算得出 :?= D2 - d2 - e ( 9)这个缝隙为 + 0. 335~ + 0. 085 mm, 大于由于热膨胀减小的距离 , 所以可以保证转子在工作时不被卡死。转子轴向尺寸 l = 40 mm, 选用公差 f7; 泵腔轴向尺寸 L = 40 mm, 选用公差 H 8。浮动支点侧最小装配间隙为 :?2min = 0. 5 ? ( 0. 025+ 0) + 0. 057 6- 0. 028 8= 0. 153 8 mm刚性支点侧最小安装间隙为 :?2min = 0. 5 ? ( 0. 025+ 0) = 0. 012 5 mm27机械与电子 ! 2006( 6)刚性支点侧的最大间隙为 :?1min = 0. 5 ? ( 0. 039+ 0. 050) = 0. 044 5 m m浮动支点侧的最大间隙为 :?1min = 0. 5 ? ( 0. 039+ 0. 050) = 0. 044 5 m m这样的间隙有可能有一定的返流 , 要对其进行校核 , 看是否会影响泵的抽速和极限压强而达不到工作要求。4 返流的计算为保证泵正常运转 , 转子和泵壁轴向、 径向必须留有间隙 , 旋片在运动中与泵壁也会产生间隙 , 间隙的存在使抽气时高压腔气体向低压腔流动 , 对泵性能有一定的影响。为计算缝隙的返流 , 先建立缝隙流动的模型。由于转子和泵壁、 旋片和泵壁的间隙与其尺寸相比都很小 , 且实际工作压强段位于抽速曲线的开始端 , 因此将抽速看成常数 , 这样就近似将这些缝隙看作一个平面缝隙来计算。设平板长为 l, 宽为 B, 缝隙高度为 ?, 两端具有压强差 ? p= p 1- p 2, 且上面平板以匀速度 v0 运动。由于缝隙尺寸很小 , 在粘性底层的数量级范围内 ( 1mm 以下 ), 因而该缝隙流动基本可以看做层流 [ 5] 。在层流时流体运动速度 V y = Vy ( z) , Vx = V z = 0, 假设是定常、 连续、 不可压缩和忽略质量力 , 则用纳维斯托克斯 ( N S) 方程表示为 :- 1% py + v2vyx 2 = 0- 1% px = 0- 1% pz = 0( 10)将边界条 件 z= ?, vy = v0z= 0, vy = 0代入 , 可得平板 间的速度分布规律公式 :vy = ? p2 第 2 项是上平板运动造成的流动 , 称为剪切流 , 即库埃特流。上式是这 2 种简单流动合成的结果 , 但实际情况下 , ?p 有正有负 , v0 亦有正有负 , 故当压强差方向与平板运动方向一致时 , 中间符号为 ?+ %; 当压强差方向与平 板运 动方向 相反 的时候 , 中 间符 号取?- %。对模型取微分面积 Bdz , 乘以 vy , 则 vy Bdz 为微元流量 , 从 z= 0 到 ?积分 , 则得流量为 :qv =?0vy B dz=?0[? p2&l ( ?z - z2) + v0z? ] dz= B ?2 ( ?p?26&l + v0 )按 漏 气 间 隙 宽 度 为 2 mm , 得 泄 漏 流 量 约 为0. 03 L/ s,为抽速的 10% 。若将这一宽度取极限 , 该模型就变为一个薄壁小孔流出的形式。小孔空口的流量公式。qv = CqA 2? p% ( 12)式中 Cq 流速系数Cq = CcC v = Cc1+ ?当 R e大于 105 时 , Cc = 0. 64, ?= 0. 06, 代入 , 得小孔流量为 0. 086 5 L/ s, 约为 抽速的 1/ 4, 则实际抽速降为 0. 21 L/ s, 但仍不会影响正常工作。认为所取数值可以使用。5 结束语通过对微型泵和夹具 的设计 , 以及对温 度、 间隙、 返流对泵性能影响的分析 , 表明该夹紧装置夹紧可靠、 变形小、 运行稳定 , 可以实现硅片无损伤和无油污染的夹紧装置的要求。参考文献 :[ 1] 罗斯 A. 真空技术 [ M ] . 北京 : 机械工业出版社 , 1980.[ 2] 单景德 . 真空吸 取器设 计及应 用技 术 [ M ] . 北京 : 国 防工业出版社 , 2000.[ 3] 达道安 . 真 空设 计手 册 [ M ] . 北京 : 国防 工业 出 版社 ,1991.[ 4] 杨乃恒 . 真 空获 得设 备 [ M ] . 北京 : 冶金 工业 出 版社 ,2001.[ 5] 张也影 . 流体力学 [ M ]. 北京 : 高等教育出版社 , 1998.作者简介 : 孙青云 ( 1981- ) , 男 , 江苏南京人 , 合肥工业大 学机械与汽车工程学院硕士 , 研究方向为薄膜技术。28 机械与电子 ! 2006( 6)