微電子光刻實(shí)驗(yàn)凈化工作臺(tái)設(shè)計(jì)

王 強(qiáng) 施 敏 羅 辰 張 丹

南通大學(xué) 江蘇南通 226019

微電子光刻實(shí)驗(yàn)凈化工作臺(tái)設(shè)計(jì)

王 強(qiáng) 施 敏 羅 辰 張 丹

南通大學(xué) 江蘇南通 226019

提出了一種導(dǎo)流分壓式雙正壓凈化工作臺(tái)。分析了該工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特征及工作原理。通過(guò)與常規(guī)垂直層流凈化工作臺(tái)的比較及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，指出了該產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)越性及應(yīng)用前景。

導(dǎo)流分壓；雙正壓；凈化工作臺(tái)

眾所周知，凈化工作臺(tái)是一種創(chuàng)造局部100級(jí)無(wú)塵、無(wú)菌環(huán)境的理想設(shè)備。它移動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單，被廣泛地用于電子、航空航天、精密機(jī)械、生物工程、醫(yī)療、制藥及無(wú)菌檢驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域。在大學(xué)物理、電子及化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科實(shí)驗(yàn)中，凈化工作臺(tái)發(fā)揮了十分重要的作用。特別是半導(dǎo)體物理、微電子等實(shí)驗(yàn)，需要高潔凈度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境才能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是，普通的凈化工作臺(tái)在完成這些實(shí)驗(yàn)中是不十分適用的。這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在實(shí)驗(yàn)中會(huì)由于實(shí)驗(yàn)人員實(shí)驗(yàn)操作而帶入大量的灰塵顆粒，影響了凈化工作臺(tái)的凈化級(jí)別；二是在涉及大量化學(xué)試劑的實(shí)驗(yàn)中，如果使用的化學(xué)試劑和藥品具有一定的揮發(fā)性和毒性，如微電子實(shí)驗(yàn)中的光刻膠、去膠劑等，現(xiàn)有的凈化工作臺(tái)基本上無(wú)法阻止這些有毒化學(xué)藥劑向大氣中擴(kuò)散，這給實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)了身體上的傷害。

為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，一種新型凈化工作臺(tái)被設(shè)計(jì)出來(lái)。制作完成后，實(shí)驗(yàn)表明，該凈化工作臺(tái)可以有效地阻擋有毒化學(xué)物質(zhì)，減少實(shí)驗(yàn)人員帶入工作臺(tái)工作區(qū)的灰塵顆粒數(shù)量，改造成本極為低廉幾乎不增加任何制造成本。

1 常用低成本凈化工作臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

常規(guī)的垂直層流凈化工作臺(tái)結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。一般工作臺(tái)由箱體、初效過(guò)濾器、通風(fēng)機(jī)、高效過(guò)濾器和作業(yè)區(qū)等組成。室內(nèi)空氣在通風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制作用下，經(jīng)初效過(guò)濾器過(guò)濾后，由風(fēng)機(jī)壓至高效過(guò)濾器，濾清后的潔凈空氣呈垂直層流狀送至作業(yè)區(qū)。被送入作業(yè)區(qū)的氣體，一般可以采用兩種方式流出：一是通過(guò)敞開(kāi)的工作面直接排放到大氣中，這樣實(shí)驗(yàn)操作人員將迎面被操作臺(tái)中的氣體吹到，如果氣體帶有毒性，將對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成傷害；二是通過(guò)操作臺(tái)面下端出氣，一般用抽風(fēng)機(jī)來(lái)提高氣體的流出效率。但是，這可能會(huì)在作業(yè)區(qū)中吸入外界空氣，對(duì)作業(yè)區(qū)的潔凈度產(chǎn)生不良影響。特別是在操作過(guò)程中，由操作人員帶入的灰塵顆粒容易殘留在作業(yè)區(qū)中。

圖1 常規(guī)垂直層流凈化工作臺(tái)結(jié)構(gòu)及氣體流出方式

2 導(dǎo)流分壓式雙正壓凈化工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)需求

在高校的微電子、半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)中，光刻實(shí)驗(yàn)是必不可少的實(shí)驗(yàn)之一。光刻實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的潔凈度要求很高，一般高校在沒(méi)有財(cái)力建設(shè)潔凈室的情況下，凈化工作臺(tái)成為了進(jìn)行光刻實(shí)驗(yàn)不可缺少的必要設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)光刻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的步驟有：旋涂光刻膠；光刻膠的前烘；曝光；顯影；后烘等步驟構(gòu)成。在這些實(shí)驗(yàn)步驟中所涉及的化學(xué)藥品較多，而這些化學(xué)藥品的溶劑多為苯類物質(zhì)，如果處理不當(dāng)將給實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)較大的傷害。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)的步驟較多，實(shí)驗(yàn)人員需要頻繁地從凈化工作臺(tái)中取、放物品，這將引入大量的灰塵影響工作時(shí)的潔凈度。因此，設(shè)計(jì)一種低成本，有效阻隔有毒氣體，提高工作時(shí)潔凈度的凈化工作臺(tái)顯得十分重要。

2.2 導(dǎo)流分壓式雙正壓凈化工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上的設(shè)計(jì)要求,一種新型的導(dǎo)流分壓式雙正壓凈化工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)的具體思路如下：

(1)在凈化工作臺(tái)的高效過(guò)濾器出風(fēng)口與散流板之間增加一個(gè)導(dǎo)流分壓區(qū)。導(dǎo)流分壓區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。導(dǎo)流分壓區(qū)以高效過(guò)濾器出風(fēng)口和散流板為上下兩個(gè)面，形成一個(gè)腔體，在兩面之間用一塊傾斜的隔板將該腔體分為兩個(gè)封閉的梯形區(qū)域，如圖3中的A和B所示。

圖3 導(dǎo)流分壓區(qū)結(jié)構(gòu)

(2)作業(yè)區(qū)內(nèi)氣體的流出。由于實(shí)驗(yàn)中所使的藥品易揮發(fā)出苯、二甲苯等有機(jī)溶劑，工作腔體內(nèi)的氣體必須從固定管道排到實(shí)驗(yàn)室外，這樣才能減少對(duì)人體的傷害，因此，在工作臺(tái)面下增加了一個(gè)抽氣機(jī)達(dá)到抽走工作腔體內(nèi)氣體的目的。

(3)凈化工作臺(tái)的其他結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的凈化工作臺(tái)相同，沒(méi)有特別的改變。

2.3 導(dǎo)流分壓式雙正壓凈化工作臺(tái)的工作原理和特點(diǎn)

該凈化工作臺(tái)最大的特點(diǎn)是能在作業(yè)區(qū)內(nèi)形成高、低兩個(gè)正壓區(qū)域。這是由于導(dǎo)流分壓區(qū)的圖3A區(qū)域中，位于高效過(guò)濾器出風(fēng)口的氣體流入面面積大，在散流板上的氣體流出面面積小。由于流出的面積小于流入的面積，出氣流速將大于進(jìn)氣流速，這將在作業(yè)區(qū)內(nèi)形成高正壓。圖3B區(qū)域中，氣體流入面積小于流出面積，出氣流速將小于進(jìn)氣流速，在作業(yè)區(qū)內(nèi)所形成的氣壓較小。高正壓區(qū)靠近操作人員，即對(duì)大氣始終保持正壓阻止大氣中的灰塵進(jìn)入工作腔體，又使得低正壓區(qū)中的有毒氣體無(wú)法越過(guò)，保護(hù)了操作人員。同時(shí)，操作人員操作時(shí)，必須通過(guò)高正壓區(qū)，這就起到了類似傳遞窗的作用，減少了操作人員帶入作業(yè)區(qū)中的灰塵顆粒。低正壓區(qū)為主要工作區(qū)域，保持正壓可以保證作業(yè)區(qū)的潔凈度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)調(diào)節(jié)隔板的角度和位置，可以輕松調(diào)節(jié)高氣壓區(qū)的寬度和氣壓。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)

表1為在高正壓區(qū)和低正壓區(qū)所測(cè)定的風(fēng)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)電壓調(diào)節(jié)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，在不同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，高低正壓區(qū)中的風(fēng)速差值基本保持在0.2m/s。這說(shuō)明當(dāng)確定了導(dǎo)流分壓區(qū)的結(jié)構(gòu)后，高、低正壓區(qū)的風(fēng)速差值基本與高效過(guò)濾器出口處的風(fēng)速無(wú)關(guān)。

從比例關(guān)系上看，在低速時(shí)，高低氣壓區(qū)的氣體流量比大，氣體的壓強(qiáng)差大，此時(shí)的隔離效果應(yīng)最好。但是，一般凈化工作臺(tái)風(fēng)速要求大于0.36m/s，因此選用風(fēng)機(jī)電壓為180V時(shí)，其潔凈效果和氣體隔離效果最為理想，已通過(guò)煙霧實(shí)驗(yàn)獲得驗(yàn)證。

凈化工作臺(tái)潔凈度測(cè)試均可以達(dá)到100級(jí)。噪聲測(cè)定使用經(jīng)校驗(yàn)的精密聲級(jí)計(jì)。測(cè)定結(jié)果為55～60dB，A聲級(jí)。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：工作臺(tái)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。說(shuō)明該工作臺(tái)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，可以批量生產(chǎn)并在各個(gè)領(lǐng)域推廣使用。

表1 在不同的電機(jī)電壓下，高低氣壓區(qū)氣體流速

4 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)流分壓式雙正壓凈化工作臺(tái)是一種構(gòu)思新穎,結(jié)構(gòu)獨(dú)特的新產(chǎn)品。它引入導(dǎo)流分壓區(qū)的概念，簡(jiǎn)單地通過(guò)將普通凈化工作臺(tái)的散流板下移形成導(dǎo)流分壓區(qū)，用一塊傾斜的隔板分隔導(dǎo)流分壓區(qū)進(jìn)行導(dǎo)流分壓，在作業(yè)區(qū)內(nèi)形成了高低兩個(gè)正壓區(qū)，有效阻擋了作業(yè)區(qū)內(nèi)有毒化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體的傷害，減少了工作時(shí)帶入作業(yè)區(qū)的灰塵數(shù)量，因而該產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

[1]趙旭東.雙向出風(fēng)水平層流凈化工作臺(tái)的研究[J].太原工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，27(4)：91～94

Abstract: A new parallel flow diversion cleaning bench with two positive pressure zones is designed. The advantages of the structure are analyzed by experiments and a reasonable explanation about how the bench work is discussed. Compared with the regular horizontal f low cleaning bench, the new structure bench is competed in its application field.

Key words: flow diversion; two positive pressure zone; cleaning bench

A new clean bench design for microelectronics lithography

Wang Qiang, Shi Min, Luo Chen, Zhang Dan
Nantong university, Nantong, 226019, China

2010-09-13

王強(qiáng)，碩士，講師。

南通市應(yīng)用研究計(jì)劃(編號(hào)：k2010014)，南通大學(xué)杏林學(xué)院自然科學(xué)基金(編號(hào)：2010k120)。