旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究

机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 46 卷第 16 期20 1 0 年 8 月Vol.46 No.16 Aug. 2 0 1 0 DOI ： 10.3901/JME.2010.16.189 旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究 *阮晓东 郭丽媛 傅 新 邹 俊(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 杭州 310027) 摘要： 为实现硅片的非接触式夹持，减少生产过程中因夹持装置与硅片表面接触导致的产品缺陷，提出一种新的硅片夹持方法，该方法利用空气动力学原理，在半封闭的流道中诱发旋涡流，借助于旋涡中心的负压力、空气溢出的正压力和硅片自重三者之间的动态平衡，实现硅片的非接触夹持。首先对此悬浮原理进行理论分析，在理论分析的基础上设计出可实现夹持功能的双进气口真空吸盘，采用 RNG k – ε 湍流模型对吸盘内完全气体的正压旋转流场进行数值模拟，对吸盘吸附力进行试验研究。结果表明：利用旋涡式真空吸盘可以实现非接触式夹持过程，吸盘对硅片产生的吸附力大小与工作距离、进气压强和吸盘结构参数等密切相关。关键词 ： 旋涡流 非接触式夹持 硅片夹持 真空吸盘中图分类号 ： TH137 Simulation and Experiment Research on Vortex Non-contact Wafer Holder RUAN Xiaodong GUO Liyuan FU Xin ZOU Jun(The State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027) Abstract ： A new levitation theory is introduced to achieve non-contact wafer handling, and eliminate the production defects that arise from the physical contact between the holder and wafer surface. This method, according to aero-dynamics, produces vortex flow in semi-closed flow passage, and then results in non-contact clamping in virtue of the dynamic balance among the negative pressure of vortex center, the positive pressure of air overflowng and the weight of wafer. The levitation theory is analyzed, and a prototype of vacuum cup with two nozzles is designed. Numericl simulation of the positive pressure rotary flow field of perfect gas in the cup is carried out by using the RNG k– ε turbulence model. Finally the adsorption force of the cup is tested. The test results indicate that the vortex vacuum cup is able to carry out non-contact clamping, and the adsorption force acting on the wafer is closely related to the working distance, inlet pressure, and structural parameters of the cup. Key words ： Vortex flow Non-contact handling Wafer holder Vacuum cup 0 前言硅片的夹持与输送是半导体生产工艺中的一个重要环节，目前采用的主要方式为接触式真空吸盘夹持，该方式由于吸盘与硅片的直接接触，不可避免地使硅片表面产生污染、划伤和翘曲变形等缺陷，因此对于具有纳米级制造精度的芯片来说会造成废品率增加 以及生产率低下等问题 [1] 。随着半导? 浙江省重大科技专项 (2008C11069)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目。 20090908 收到初稿， 20091228 收到修改稿体行业的发展，硅片的尺寸也发生了很大变化，按照美国半导体工业协会的微电子技术发展构图，2009 年将开始使用直径为 450 mm 的硅片，硅片尺寸的不断增大也使硅片的夹持与输送遇到了很大的挑战 [2] 。近年来各国的科研人员非常重视硅片的非接触式夹持与输送技术的研究，从现有的文献来看，非接触夹持可以通过电磁学、光学、声悬浮以及空气动力学等原理实现 [3-4] 。 其中利用空气动力学原理实现的非接触夹持，由于对硅片的材料、形状限制低，对工作环境没有污染，同时利用该原理开发的装置还可以推广应用到食品包装、印刷、微电子、机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 16 期 期190电信和医药等诸多领域，因而被各研究机构看好，并认为是现有生产环境下最有前景的方式之一 [5] 。目前利用气动原理开发的伯努利非接触夹持装置已应用在工业中，但由于用气量过大导致管道内有较大的功率损耗以及随之而来的噪声，限制了其优势 [6] 。为克服这些缺点，日本东京工业大学的LI 等 [7-8] 研究人员提出了一种基于旋涡流产生吸附力从而实现非接触夹持的新设想，并进行了试验研究。但是受旋涡流动的复杂性及测量方法的限制，旋涡流场的内部复杂机理还不是很清楚，研究还处于起步阶段。本文首先对复杂旋涡流场产生吸附力进行了理论分析，在此基础之上提出了一种双进气口结构的非接触硅片夹持装置—旋涡式真空吸盘，为了进一步验证和说明工作原理，对吸盘内的旋转流场以及吸盘结构参数对吸附力的影响进行数值模拟，并对吸附力进行试验研究。1 工作原理图 1 所示为旋涡式非接触真空吸盘的工作原理简图。压缩气体从吸盘顶部沿切线方向进入工作区域，在圆柱形腔体壁面的束缚下形成旋涡流。高速旋转的气体带动吸盘中心区域的气体旋转，因离心力作用将其甩向壁面， 从而在吸盘中心产生负压区。置于吸盘下方的待夹持硅片因负压的作用而受到垂直向上的吸附力，实现夹持过程。另一方面，为避免硅片被吸入吸盘腔体内或与腔体接触，硅片半径必须大于吸盘内圆柱腔体的半径。 由于压力的作用，气体以螺旋状向下运动， 在吸盘底部呈散射状排出，从而在硅片的外围与吸盘之间形成气垫，最终实现非接触夹持。图 1 旋涡式真空吸盘的工作原理假 设硅 片 上表面受气体作用的压力分布为p(r)。由上述工作原理可知，硅片中心区域受旋涡气流的吸附力，外围区域受排出气体的排斥力，当吸附力大于排斥力时，外界气体对硅片的作用合力F 为正值；反之则 F 为负值。若 R 为硅片半径，则作用合力02π ( ) dRF p r r r= ∫ (1) 在夹持的初始时刻，为保证硅片能被吸上，吸盘对硅片的作用合力 F 值必须大于硅片重力 W， 一旦硅片被吸附上，为实现稳定的夹持，则必须维持F=W。不难推断，在一定的进气压强下，作用合力 F与吸盘和硅片之间的缝隙厚度相关。当硅片距离吸盘底面很近时，气体排出时的正压对硅片的影响远远大于气体中心区域负压影响，此时硅片所受作用合力为排斥力。随着缝隙厚度的增加，气体对硅片的排斥力逐步小于负压对硅片的吸附力，硅片所受作用合力变为吸附力。 随着缝隙厚度的进一步增加，作用合力 (吸附力 )也随之增加，当合力达到一个峰值之后，开始逐步衰减并趋向于零。2 夹持装置的数值模拟气体进入夹持装置后被强制旋转，形成旋涡，旋涡的中心为速度很高的 “涡核” 。 旋涡流在吸盘底部排出时，因其约束的突然消失导致压力突变，产生回流，在回流的作用下，涡核会发生不稳定的旋涡进动现象，从而导致复杂的非定常湍流运动。2.1 数学模型由于装置内的高速旋涡流没有热量的输入或生成，且内部也不存在热传导，将该流场看作是完全气体的正压流场，因此密度、压力、速度都与温度无关 [9]。三维非定常湍流运动的基本方程由连续性方程、运动方程和状态方程来描述如下2( )0( )( )1( )3( )jji jijjit ii i j i jut xu uut xuup fx x x x xpρρρρμ μ ρρ ρ?? ? + =? ? ??? ??? + =?? ??? ? ?? ???? ?? - + + + +? ?? ?? ? ?? ? ? ? ?? ?? ?? ??? =?(2) 式中 i, j ——坐标方向ρ ——气体的密度u ——气体的速度p ——气体的压强μ ——气体的层流系数tμ ——气体的湍流粘性系数湍流模型采用 RNGk-ε 粘性模型。该模型与标月 2010 年 8 月 阮晓东等：旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究 191 准 k – ε 相比，在 ε 方程中增加了一个附加项并考虑了旋转效应，使得在计算速度梯度较大的流场或者强旋转流动时精度较高。 RNG k – ε 模型为221 2( )( )( )( )( )( )tiik k t Mj jiik tj jC ku kkt xkG Yx xut xC G Ck k x xμε ε ερμερρρε α μ μρ ερεε ε ερ α μ μ?? =?? ??? + =? ? ??? ?? ? ?- + + -? ?? ? ?? ??? ??? + =? ? ?? ? ?? ?? - + +? ?? ? ?? ?? ??(3) 式中 k ——湍动能ε ——湍流耗散率α k —— k 的普朗特数， α k=1.39 α ε —— ε 的普朗特数， α ε =1.39 Gk ——湍动能生成项jk i jiuG u u xρ ?′ ′= - ?C1ε , C1ε , Cμ ——经验常数， C1ε =1.44， C2ε =1.92 Cμ =0.09 YM ——可压缩湍流对耗散率的影响YM =2ρε Ma2 Ma ——马赫数2.2 几何模型、网格划分及边界条件为了获得较稳定的流场和较好的夹持效果，选择双进气口结构。 旋转流场的几何模型如图 2 所示，本文假定模型中进气口半径和硅片半径固定，分别为 2 mm 和 23 mm ， h 为吸盘内部圆柱腔体的高度。旋转流场的网格划分如图 3 所示，采用非结构化网格，网格数为 3.5 × 105。图 2 旋转流场的几何模型图 3 旋转流场的网格划分假设入口气体压力均匀分布，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择，边界条件使用压力入口和压力出口。壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界。模型中底面代表硅片上表面，其所受垂直方向的作用力即为吸盘对硅片的作用合力大小。为提高计算精度，湍流动能及湍流耗散率使用二阶迎风格式。2.3 计算结果及分析对旋转流场进行非定常湍流运动的数值计算，其计算过程是先进行定常流动计算，再将定常计算的解作为非定常流动的初始值进行迭代，计算在Fluent 软件中进行。2.3.1 旋涡进动现象 图 4 为不同时刻硅片上表面的压力分布情况，其中吸盘内径 r =10 mm ， 吸盘高度 h=20 mm ， 进气压强为一个标准大气压，工作距离 l=1 mm。图 4 不同时刻硅片上表面的压力分布图(p0为一个标准大气压 ) 由图 4 可以看到，硅片上表面的最大负压点与机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 16 期 期192吸盘几何轴线不重合，它随时间的变化绕吸盘轴线做有规律的旋转运动，其旋转方向取决于气体的旋转方向 [10]。对多组结构参数的模型进行数值计算均出现类似现象，导致这种现象的原因即前面所述的旋涡进动作用。由此可以推断，利用单个吸盘对硅片进行夹持时，硅片可能会因为旋涡进动的作用而产生周期性振荡现象，造成夹持过程的不稳定。2.3.2 作用力 F 与入口进气压强 p 和工作距离 l 之 间的关系流动计算中研究了进气压强 p 和工作距离 l 对吸盘夹持性能的影响。图 5 所示为当吸盘内径 r = 10 mm ， 高度 h=20 mm 时， 硅片所受作用力 F 与入口进气压强 p 和工作距离 l 之间的关系图。由于本湍流模型为非定常流动，硅片所受作用力大小随时间变化在某一范围内周期振荡，所以下面几组关系曲线均选择几个周期内作用力的时均值作为 F 的统计值。图 5 硅片所受作用力 F 与入口进气压强 p 和工作距离 l 的关系图 5a 所示为不同工作距离 l 下， 作用力 F 与入口进气压强 p 之间的关系。随着入口进气压强 p 的增大，硅片所受作用力 F 呈线性变化。工作距离l= 0.4 mm 时， 作用力 F 随进气压强 p 的增加由负值逐渐过渡到正值， l ≥ 0.5 mm 时，作用力 F 是正值，l ≤ 0.3 mm 时，作用力 F 为负值。这是因为，工作距离 l 过小，旋涡流对硅片的正压作用大于负压作用，硅片受排斥力，验证了 F 和 l 之间关系理论分析的正确性。另外作用力 F 与入口进气压强 p 之间的线性关系，便于在吸盘实际应用的时侯通过调节进气压强来调节作用力 F 大小，以获得合适的工作距离 l。图 5b 为不同进气压力 p 下，作用力 F 与工作距离 l 之间的关系。吸盘对硅片的作用力 F 随工作距离 l 的增加先增加后减小。这是因为 l 较小时，排出气体对硅片的排斥力很大，随着 l 的增加，排斥力变小，吸附力的作用大于排斥力的作用，所以F 值增加，当 F 值达到峰值时， l 的继续增加会导致吸附力的减小， 所以作用合力 F 会慢慢减小至零。对于不同进气压强 p，硅片产生最大作用力 F 的工作距离 l ≈ 1.2 mm ，说明吸盘尺寸确定时，作用力最大时的工作距离基本为定值。作用力 F 的过零点均在 0.35 mm 左右，说明吸盘尺寸确定，则作用力从排斥力到吸附力转变时的工作距离也为定值。2.3.3 作用力 F与吸盘结构参数之间的关系 图 6 为工作距离 l=0.5 mm 时，硅片作用力 F与吸盘结构参数之间的关系曲线图，选择两个代表性结构参数—吸盘内径 r 和吸盘内圆柱腔体高度 h。图 6 硅片所受作用力 F 与吸盘内径 r、腔体高度 h 之间的关系月 2010 年 8 月 阮晓东等：旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究 193 图 6a所示为吸盘高度 h=20 mm ， 改变 r 的大小，作用力 F 与进气压强 p 之间的关系曲线。 可以看出，吸盘内径 r 由 5 mm 增加到 15 mm 时，作用力 F 大小随吸盘内径 r 的增大而增大。但当 r 14 mm 时，增幅减小。此现象的形成原因如下所述。吸盘内部旋转气流影响中心区域气体而产生一定的真空度，吸盘内径过小时，中心负压区受旋转气流的影响太大而导致旋涡流紊乱无序。随着内径的增加，旋转流得到充分发展，对硅片的负压作用发挥其最大作用。而当内径过大时，旋转气流对中心区域气体影响减弱，降低了中心区域的真空度。图 6b 为在吸盘内径 r =10 mm 时， 作用力 F 与吸盘高度 h 之间关系曲线图，吸盘对硅片的作用力随吸盘高度的增加而减小。 h 越大则气体的沿程损失越大，导致其在吸盘底部排出时速度减小，中心区域真空度变小，作用力随之降低。所以，在保证夹持稳定性的同时，减小吸盘高度可获得更大吸附力。3 试验验证3.1 吸盘与试验台设计为了进一步验证理论分析和数值模拟的正确性，设计吸盘结构方案如图 7 所示：压缩气体从气体入口 1 进入，经过导气槽 2 和 5 由对称的两个切向槽道 6 进入工作区域 7； 此结构设计允许导气槽 5上方螺母拧入的深度可调，从而实现单进气口与双进气口的转换。其中 3 是固定螺纹孔， 4 是 O 形密封圈槽道， 吸盘内径 r=10 mm ， 进气口半径为 2 mm，壁厚 2 mm，吸盘高度 h=20 mm。图 7 吸盘结构设计1．气体入口 2, 5．导气槽 3．固定螺纹孔4． O形密封圈槽道 6．切向槽道 7．工作区域图 8 所示为试验台整体方案示意图，采用质量较大的玻璃片作为被夹持硅片替代品，尺寸大小为φ 200× 2.5 mm， 玻璃片的质量远远大于吸盘所产生的吸附力大小，故吸盘工作时，玻璃片不悬浮。试验过程如下所述。设置吸盘与玻璃片之间的初始工作距离，开启电子秤，记录其数据，然后打开进气阀门向吸盘内充入一定压强的压缩气体，记录此时气压表与电子秤读数。关闭阀门，改变工作距离再重复上述步骤。为获得较精确的结果，每个工况都进行多组测量，取其平均值。图 8 试验整体方案示意图1. 台架 2. 吸盘架 3. 吸盘 4. 玻璃片5. TSMV60-1S 高承载剪式升降台 6. 位移测量表7. TC－ 3K 高精度大称量电子秤3.2 试验结果及分析试验中所测得的作用力大小，以及试验与数值计算的结果对比如图 9 所示，取进气压强分别为0.35 p0 和 0.50 p0的两组数据， 图 9 中所示试验所测的作用力均为平均值，精度在 10%以内。试验结果表明，旋涡式非接触真空吸盘的作用力随着工作距离的增大先增加后减小，与数值模拟的趋势一致；由于计算模型的边界条件与实际情况的差异，试验数据与数值计算的结果大小有一定差别，但是，其数值变化趋势相同。图 9 硅片受力与工作距离之间关系的试验结果与图 5b 的数值模拟结果进行对比分析，可以发现存在两个工作距离点使硅片受到的作用力与硅片重力相等，分别位于峰值的两侧，设峰值左侧平衡点为 lo1， 右侧平衡点为 lo2， 则 lo1 为稳定平衡点，机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 16 期 期194l o2 为非稳定平衡点。这是因为当硅片位于 lo1 点时，l 变大则 F 变大，驱使 l 减小； l 变小则过程相反，使得硅片在夹持过程中具有一定的自动复位能力。而当硅片位于 lo2 点时， l 变大则 F 变小， 使 l 更大；l 变小则 F 变大， 使 l 更小， 所以硅片一旦偏离平衡点其夹持过程即被破坏。将上述试验中的玻璃片换作质量较小的硅片，发现硅片可以被吸盘吸附起来，且与吸盘之间存在一定厚度的缝隙，说明旋涡式吸盘可以实现非接触夹持。但是，由于旋转气体在吸盘底部排出时，粘性流动对硅片表面产生的剪切力作用，以及旋涡进动作用的影响，硅片存在较强的旋转和振荡现象，在实际应用中可以通过多个吸盘对称布置，相对称的吸盘气流旋转方向相反的方法，来抑制所夹持硅片的旋转和振荡。4 结论本文对旋涡式非接触硅片夹持装置的夹持原理进行了理论分析，在理论分析的基础上设计了双进气口的真空吸盘，采用 RNG k-ε 湍流模型对吸盘内完全气体的正压旋转流场进行数值模拟，最后对吸盘吸附力进行试验研究。(1) 旋涡式非接触真空吸盘通过旋转气体在吸盘中心区域形成的负压可实现对硅片的非接触式夹持。(2) 经过数值模拟和试验研究的对比发现，将此旋涡流看作完全气体的正压流场，并采用 RNG k-ε 湍流模型对流场进行数值模拟可以定性的描述出此旋转式真空吸盘的工作性能，在下一步的计算研究中可以在此基础上对模型、 边界条件进行改进、以获得与试验结果更为符合的数学模型。(3) 吸盘对硅片产生的作用力大小与工作距离、进气压强和吸盘结构参数相关。作用力与进气压强线性相关，随工作距离的增加先增加后减小，随吸盘内径的增加而增加，随吸盘高度的增加也是先增加后减小， 优化结构参数可获得较大的作用力。(4) 由于旋转气体在吸盘底部排出时对硅片表面产生剪切力，以及吸盘内旋涡进动现象的存在，使用单个吸盘工作时，硅片发生旋转和振荡，这会对所夹持工件尤其是精密 IC 类产品造成较大影响。今后需要对消除硅片旋转及振荡方面进行更加深入的研究，以实现稳定夹持的目标。参 考 文 献[1] 郭东明，康仁科，金洙吉 . 大尺寸硅片的高效超精密加工技术 [J]. 世界制造技术与装备市场 , 2003(1) ：35-40. 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