硅片传输单元洁净系统的研制

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1 引言

半导体产品的制造不仅要求高精度、高速度，而且要有很高的洁净度，要尽量避免其制造设备

对环境的污染 [1]。然而绝对不产生污染的机械设备是没有的，只能通过某种方法尽量减弱这

种污染。硅片处理系统是IC装备的基本组成部分，是实现IC制造自动化的关键技术之一，其功

能是在硅片加工的各个工艺中传输并定位硅片[2]。它由硅片传输单元和硅片预对准单元两部分

组成，其中传输单元传送硅片，预对准单元定位硅片。本文针对用于光刻工艺中的硅片传输单

元，研制出了它的洁净系统，目的在于形成系统内部良好的气流组织和高洁净度，隔离机械设

备产生的尘埃。本文还运用计算流体力学（CFD）的方法对系统内的空气流场进行了模拟验证。

2 洁净系统的设计

2.1 硅片传输单元

本硅片传输单元（图1）由片盒升降系统、硅片传输机器人以及各部分的电气元件、控制设备组

成。工作时，上片盒、下片盒和废片盒固定不动，硅片随三个升降台脱离片盒运动，取放硅片

时，硅片回到片盒中，被整体移动。 R-θ型硅片传输机器人有R（径向运动）、 θ（旋转运动

）和Z（上下运动）三个自由度，它通过复杂的带传动驱动前、后臂的关节回转，实现对硅片的

传送。

硅片传输单元的工作流程为：传输机器人从上片盒取硅片；将硅片传送到预对准单元；预对准

、光刻后，机器人将硅片传送回下片盒。

2.2 洁净系统内部的参数要求

洁净度：100级；静压差：19.6133Pa；湿度： 30%～60%；温度：2±0.1 ℃ 。

2.3 洁净度的保证

因为提供给系统送风口的洁净空气满足系统内部的设计参数要求，所以要解决的问题就是如何

减少设备对环境的污染，方法有三个：一是优化系统内部的气流组织；二是保证洁净系统内部

的正压差；三是隔离所有可能产尘的运动部件。为满足100级的洁净度要求，本系统采用单向流

的气流组织形式。如图2所示，硅片传输单元被分成了两个区域，中间用隔板隔开，仅给传输机

器人的末端执行器到片盒的运动留出接口，硅片传输机器人区域上方没有障碍物，采用垂直单

向流的气流组织，片盒升降系统区域上方有三个硅片盒，采用水平单向流的气流组织。

 

为了保证洁净系统外部的低洁净度空气不从接口、孔或缝隙中流入，在洁净系统内部与外界要

维持正压差。综合各标准、规范 [3]，在两个区域中都采用19.6133Pa的正压差值。采用工程上

最常采用的控制新回风比的方法，通过室内外压差传感器的输出信号，由直接数字控制系统

（DDC）自动调节电动阀门的开启度，调节新风阀改变新风量，调节回风阀改变回风量，保证系

统内外的恒定压差。同时，为了减少尘埃的扩散，给所有产尘的机械设备加上了外罩。
2.4 温湿度的保证

本洁净系统在其内部放置了温湿度传感器调节新风的温湿度，并给所有散热的电气元件及其控

制元件加上了开有小孔外罩，使其既能够顺利散热，又不会使热量扩散，将系统内的温度控制

在了22±0.1 ℃，湿度控制在30%～60%。

2.5 结构设计

2.5.1 整体结构设计

洁净系统的整体结构如图3所示，先用铝合金型材做好各区间的骨架，再在骨架蒙上可以拆卸的

不锈钢板，以方便调试维修设备，片盒是放置在洁净系统外部的，可随时取放。洁净空气吹过

两大洁净区间循环使用，在硅片传输机器人洁净区间，气流从送风口进入到静压箱内，再通过

高效过滤器，向下垂直吹向洁净工作区，最后从区间底部的回风口回风，在洁净区间内形成垂

直层流；在片盒升降系统洁净区间，气流从送风口水平吹过洁净工作区，经带有多个小孔的回

风板，流入夹层，从回风口回风，在洁净区间内形成水平层流。

 

2.5.2 静压箱的设计
本系统根据工程的实际空间要求，在传输机器人洁净区间的上部，自制了静压箱，以减少气流

动压与动压损失、增加静压、稳定气流。

2.5.3 高效过滤器的选用

本工程选用了苏州华泰空气过滤器有限公司的GK-15MB-C型高效过滤器，目的是为了在硅片传输

机器人洁净区间再次过滤送风口空气，均匀气流。

2.6 洁净系统的参数设计

2.6.1 送风量的计算

①下限风速的确定。根据规范和标准，100级洁净度应取0.2～0.5 m/s的下限风速，考虑到实际

需要，本系统中的下限风速定为0.45m/s。

②洁净环境送风量的计算[4]。以环境截面平均风速为准，计算送风量

Q送=3600vF ⑴

式中：F为垂直于气流的房间截面积，单位为m 2；v为截面平均风速，单位为m/s。应有 vvmin

， vmin是下限风速，在这里取0.45 m/s。经计算得，片盒升降系统洁净区间的送风量为1020

m3/h，硅片传输机器人洁净区间的送风量为386 m3/h。

2.6.2 环境总风量的计算

环境总风量是在洁净室送风量的基础上再加上环境的漏风量，其计算公式为

式中，为环境漏风率，取2。经计算得，片盒升降系统区的总风量为1041 m3/h，硅片传输机器

人区的总风量为394 m3/h。
2.6.3 环境新风量的计算

洁净室内的新风量应取补偿室内排风量和保持室内正压所需的新风量之和，经计算得，片盒升

降系统区的新风量为106.4 m3/h，硅片传输机器人区的总风量为51.3 m3/h。

2.6.4 送、回风管直径的计算

由送、回风量分别计算出片盒升降系统的送风口直径为80 mm，回风口直径为77 mm，硅片传输

机器人区的送风口直径为122 mm，回风口直径为128 mm。

3 CFD模拟与分析

保证洁净系统内部的高洁净度，关键在于保证其内部的层流流场，通常有两种研究气流流场的

方法，实验和计算机模拟。实验方法简单、直观，但比较昂贵、费时，不具通用性。计算机模

拟采用CFD的方法，数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离

散分布，从而近似模拟流体的流动情况，成本低、灵活性好[5]。本文利用CFD软件对洁净系统

的硅片传输机器人区域进行了流场的计算机模拟分析，方法如下。

⑴建立洁净工作区的物理模型（由于为传输机器人末端执行器留出的接口很小，所以没有考虑

），并对其进行网格划分。

⑵假设洁净工作区内气流为不可压缩、常物性牛顿流体，区域内的流场、压力场均视为稳态，

对于温度场，由于工作区内的换气次数很大，加工设备对温度的影响很小，所以假定流场是恒

温的。

⑶确定基本方程和计算方法，空气流动为垂直层流，满足连续性方程、动量方程和能量方程，

采用目前在数值模拟方面较为常用的 K-ε双方程模型，进行三维数值模拟[6] 。

⑷指定边界条件

① 固定壁面：U=0，V=0，W=0，ε =0， ；
② 送风口：U=0，V=0，W=0.45 m/s，C=0，K=0.04，ε= 0.008 ；

③回风口：V=0，W=0 ；

④障碍物：U=0，V=0，W=0，K=0，ε=0，C=0。

⑸采用三位单精度求解器（Fluent3D）对在一定工作条件下物理模型中洁净工作区内断面的气

体流线进行模拟计算，得出结果如图4所示。

 

由模拟结果可以看出，硅片传输机器人区域内部只有固体介质周围的气流有扰动，整个洁净工

作区内没有形成大的涡流，符合层流流场的要求。
4 结论

本文依据洁净室的设计标准，结合该工程的要求，对硅片传输单元的洁净系统进行了结构和参数的设计，给出了设计方案，并用CFD的方法对传输机器人区域的气流组织进行了模拟验证，研发了一套洁净等级高，制造简单，成本低，且具有很高实用价值的硅片传输单元的洁净系统。

其各项技术指标都已达到设计要求。