DIP 十二工位全自动超声波清洗机的应用李智峰 湖南金能自动化设备有限公司 410012摘要：本文论述了一种新型全自动超声波清洗机的的工作原理及实际应用，该清 洗机综合运用了当今国际最前沿最先进的清洗技术。本设备是铬版制作中掩膜抛光后 的高精度清洗设备，清洗后的产品洁净度可达0.25m m。该产品可以应用于同行业不 同的工序或其他行业要求高精度清洗工序中。近年来， IC 制造业和平板显示制造业在我国的发展很快，高洁净度清洗机作为 微电子行业和平板显示行业的关键的设备之一，其技术水平和清洗精度直接影响我国 电子信息技术的发展。近年来,清洗技术在我国进步很快,但与微电子行业和平板显示 行业的要求相差甚远,与国际先进清洗技术水平相比还较落后。一直以来,高档次的高 洁净度清洗机一直被国外少数几家企业所垄断，他们通过高洁净度清洗机牢牢控制着 IC 制造业和平板显示器的上游尖端行业。研发高洁净度清洗机不仅可为集成电路产 品和新型显示器件提供可靠配套服务，同时也将带动相关技术研究和产品开发的进 步，有利于提高我国在全球信息化建设中的国际竞争力。我公司的 DIP 十二工位全自 动超声波清洗机正是在此背景下提出并进行开发与研制的。设备概述：DIP十二工位全自动超声波清洗机是铬版制作中掩膜抛光后的高精度 清洗设备，在使用碱性溶液清洗剂与中性溶液清洗剂的基础上，采用中、高频超声波 清洗及高压喷淋相结合的办法，将工件清洗干净，并采用纯温水提拉脱水保证铬版干 燥。该设备主要由上下料装置、10 个清洗槽、机械移送装置、超纯水加热系统、空 气净化系统及自动控制系统六个部分组成。当工件被送至上料工位时，清洗机开始工 作，并按设定程序及工艺从1#工位移送至 12#工位，实现工件从粗到精，逐级清洗干 净，产品清洗后的洁净度可达0.25m m。该产品可以用于同行业不同的工序或其他行 业要求高精度清洗工序中，是国际领先、国内一流的高洁净度清洗设备。 1项目所依据的技术原理论述超声波清洗原理：超声波以每秒数万次高速震荡在液体中传导，推动介质的作用， 使液体之分子间产生压力变化，造成空化效应，这种无数微小的真空气泡在震荡受压 破裂时，产生强大的冲击力，将清洗物之表面及细缝死角之污物剥离，达到彻底洗净 之功能。超声波清洗机一般由清洗槽体、发振器、电源驱动器构成，槽体用来容纳洗 净液和工件，发振器则是执行电能转化为机械能的装置，通常称为换能器或振子，早 期的清洗机换能器使用的是由电磁振荡型的磁致辞伸缩组件，换能效率较低，使用寿 命短，现在已基本被由压电陶瓷材料构成的压电型换能器替代。压电型换能器是利用 压电材料的逆压电效应原理工作的：压电陶瓷材料有一种特殊的电学特性：在受到外 力作用时，处于压缩或拉伸状态的压电陶瓷两端表面会产生电荷的堆积，称为压电效 应；而在两端施加一定的电压，则会产生伸缩的机械振动，称为逆压电效应，对于压 电陶瓷材料，它的这两种特性是可逆的。由压电陶瓷材料制作的换能器，当施加的电 压按一定频率变化时，换能器就会产生超声波，这就是压电式超声波换能器产生超声 波的原理。超声波洗净方式：由于超声波清洗具有独特的机械效应和热效应，对污垢有很 强的分解离散能力，清洗速度快、效率高、质量好，洁净度均匀，易于实现自动化， 减轻劳动强度，在现代工业制程中的应用越来越来广泛，特别适用于多孔及几何形状 复杂的工件的除油、除蜡、除锈处理。应用于工业的洗净技术主要有以下方法，在很 多清洗系统中，是由其中几种相互配合而构成一套完整清洗系统：超声波洗净、喷射 洗净、浸渍洗净、循环洗净、有机溶剂洗净、超震动洗净、搅拌摇动洗净、酸洗等。 近年来精密工业洗净和超精密工业洗净，随着光学仪器、精密机械、半导体电子组件、 液晶显示的技术发展有了飞跃性的进步，发展出多种新的超声波洗净技术，如扫频超 声波、复频超声波、兆声超声波等。我们的设备选择用超声波采用4波段（28KHz、 45KHz、75KHz、100KHz）循环运转。DIP 十二工位全自动超声波清洗机设备描述：该清洗机是一台能完全满足工艺 线路的全自动多波段超声波十槽十二工位清洗机、该清洗机过程由PLC、TFT触摸屏 人机界面控制，有多种电气、机械保护装置。整套装置为全封闭结构，有便捷的维修 通道、有可拆卸的透明防静电PVC观察窗，活动检修门及良好的抽排风系统。清洗机 主体采用全密封结构，清洗机顶部采用高效空气过滤器吹洁净的空气进来，清洗槽侧 面采用细管路抽风，使清洗机相对室内环境形成正压，清洗机侧面采用透明的防静电 PVC 板密封，清洗机内部气流形成一个密闭循环，越工作越干净；另像液位传感，采 用高压空气两次减压及两次高效过滤，吹气泡到水里通过压力反馈精确感应液面（可 防超声波干扰及耐高温），超声波采用4波段（28KHz、45KHz、75KHz、100KHz）循环运 转，传动采用精密滚珠丝杆及伺服电机驱动，玻璃基版的干燥方式采用纯温水慢提拉 干燥，纯温水采用远红外线石英管加热并做去气泡处理、操作界面采用触摸屏控制； 另选材采用不自产尘或极少自产尘材料，气缸及其它关键件均选洁净厂房专用的洁净 型的，另气缸安装的位置要考虑不掉尘到清洗槽内，清洗机内空气流向也要控制能自 洁，清洗机下料部位也有静电除尘装置。下图为清洗机整体布置图lrC7_iH-l二IsiilJ_r1hem闵- 勺黑用雋丈l*rhe-；：-h- -an1he?&3-：i9- uMrHEHE /；:S-07-D：-. HE . Pi-O!i-il：:：: - ：J -附晋11he .-ea-M-ao1 -HE :- 1-1.9 -1口ES2込吐:UN沖加吐站駆，1HE -0?-0C1hek更 1 ttJSITiiITttin-1 Il阴程1 ?I 冋nF44Vtf.LEHE5*4估足子匚1-| 胪：IiZ1I?：h：TH禺!SAIL|讣1MWill.1哉* lICL 1 _HS2E5-00II I I2项目产品的技术创新点论述2.1 项目的技术创新全自动化智能化程度高：该机采用可编程序控制器(PLC)与触摸屏控制，实现了从 进料到出料的能非常稳定可靠的全自动化性操作,这样保证了产品清洗质量的稳定。 该设备采用了很多的安全保护措施，每一工位均有好几处光电开关感应，运动部件还 有过载及过行程缓冲保护装置，保护设备的启停、加速减速及可能出现的各种异常情 况。控制面板采用 TFT 触摸式人机对话屏，操作人员可方便而快捷地输入所要求的工 艺程序，并可在操作屏上方便的看到每一工位及每一部件的运行状况，足够大的编程 自由度(清洗时间、清洗温度、摇摆频率及提拉干燥速度均可大范围地调节)，具有 极高的灵活性，可适用客户的多种清洗工艺要求。各工位设备运行状态的实时显示包 括：加热工位温度的设定值和测量值、超声波发生器的工作状态、泵的开启状态、电 磁阀及气控阀的运行状态、喷淋的启停状态、各水槽的液位高低状态等。运行过程 TFT触摸屏实时显示，四周透明的PVC板可多角度目测及监控设备运行情况。新型液位传感器的应用：传统的浮球液位传感器的原理是通过浮球的短距离移动 感应液位高低，因浮球的运动与杆子的磨擦会产生细微的颗粒，容易对溶液造成新的 污染，这种液位传感器不适用于超洁净的清洗；传统的电容感应式液位传感器的工作 原理是通过感应电容的轻微的变化来判别液位高低，这种液位传感器不与液体直接接 触，因此不会污染被感应溶液，缺点是不耐超声波干扰及不耐高温，在有超声波的溶 液中感应失灵，另在温度高的溶液中感应器自身的电路原件容易短路及老化；本清洗 机采用的新型液位传感的工作原理：经过二级高效过滤及减压的高压空气吹气泡到水 槽内通过压力反馈感应液面，与传统液位传感器相比，这种新型液位传感器可防超声 波干扰及耐高温，比传统的浮球液位传感器更洁净。2.2 项目的工艺创新采用新型清洗液，选用日本的环保型 LCG-451、LCG-25 及国产的电子级的 SC-1 清洗液，通过上述三种清洗液组合清洗与浓度配比，对玻璃基片能很好的清洗，本清 洗液对溴氧层无破坏对环境无污染。鉴于工艺保密，对清洗液及其配方不再细述。采用先进的干燥方式：纯温水通过远红外线石英管加热水箱输送过来，进温水干 燥槽前先做脱泡处理，玻璃基片缓慢向上提拉，表面张力把基片上的水膜拉下来，这 样就能很好地干燥。普通的干燥方式有热风干燥与风刀干燥，这种干燥方式因空气流 动大空气的洁净度不好控制因此不能用于超洁净干燥；专统的IPA干燥也能很好地满 足要求，但电子级的IPA比较昂贵，IPA属于易燃易爆物品，对环境也有一定的污染， 因此纯温水慢提拉干燥比IPA干燥更安全更环保更节省运行成本。采用新型水加热器:远红外石英管加热水箱，采用耐高温洁净型PFA管，18MQ.cm 超纯水通过过滤器流经PFA管，石英加热管对着PFA管加热（水与加热器不直接接触）， 进水口与出水口均装有洁净型的温度传感器,石英管加热设备内的PLC通过控制石英 加热管的开启数量使水温达到设定的温度，水温可调，动态温度偏差土 1.5C。与传 统的不锈钢加热器加热相比，因高温时不锈钢与水有微量的化学反应而影响水质，因 此这种加热方式更能可靠地保证超纯水的洁净度，从而达到更高的清洗精度。3项目国内外发展技术现状及趋势3.1 国内清洗机生产状况a. 结构简单、清洗工艺单一.我国工业发展还不够发达,以前对清洗机的质量要求不高,主要注重清洗机的 适用性,国内清洗机大多采用冲洗或化学溶液清洗的方式 ,对质量要求较高的采用超 声波清洗的方式,其结构简单,清洗机使用的材质也没有严格的要求,由于竞争激烈， 行业利润率也低，因此投入的科研经费更少，没有形成一个良性循环；b. 清洗精度低.由于清洗机清洗工艺简单,通过实验结果表明,采用水喷淋或化学溶液清洗后 的清洗洁净度在10M以上，采用28KHZ超声波的清洗机清洗洁净度在2p以上，对lp 以下的颗粒根本没有方法去除.然而在 IC 集成电路制造业和平板显示制造业中， 产品本身的洁净度直接影响到 产品的质量，以制作铬版为例，其片表面的微颗粒是造成铬版制程中针孔缺陷的主要 原因，微颗粒多，产生的针孔缺陷多，颗粒大，产生的针孔也大， 良品率极低，光刻后需 要修版量很大，费时多，不能满足超高精度光刻掩膜制版品质的需要。所以在铬版制 作中， 对清洗机清洗后洁净度要求必需在 0.5p 以上， 很显然， 传统方法制作的清洗机 根本无法满足这一要求， 在微电子行业制作中也是如此.C.自动化程度低，兼容性差.在现代工业发展中， 对产品的自动化有着更高的要求， 自动化程度越高， 生产效 率越高，同时投入的人员少，后续成本低，特别的微电子和平板显示制造行业，现场人 员少，生产洁净度也容易达到要求.目前国内清洗行业清洗机其本采用手动或半自动 生产的方式，当产品有多种生产规格时，机器的兼容性也很难达到要求.d. 清洗机本身洁净度低.对高洁净度清洗机而言， 清洗机的清洗效果不仅取决于清洗机本身的结构和清洗 工艺，同时对其本身的制造材质有着更高的要求，首先是材质本身不能产生微粒，不能 产生生锈或腐蚀;然后是材质不能产生污物沉积或粘结， 因此要求表面清度高;对接近 产品的地方，还要采用防静电材料.不可否认，我国基础工业还不够发达，一般市场上 采购的材料还不能满足高洁净度的要求，特别是高洁净度清洗机管路材料市场上还