微電子光刻實驗凈化工作臺設計

王 強 施 敏 羅 辰 張 丹

南通大學 江蘇南通 226019

微電子光刻實驗凈化工作臺設計

王 強 施 敏 羅 辰 張 丹

南通大學 江蘇南通 226019

提出了一種導流分壓式雙正壓凈化工作臺。分析了該工作臺的結構特征及工作原理。通過與常規垂直層流凈化工作臺的比較及實驗結果分析，指出了該產品的經濟性、優越性及應用前景。

導流分壓；雙正壓；凈化工作臺

眾所周知，凈化工作臺是一種創造局部100級無塵、無菌環境的理想設備。它移動靈活、操作簡單，被廣泛地用于電子、航空航天、精密機械、生物工程、醫療、制藥及無菌檢驗等多個領域。在大學物理、電子及化學、生物等多個學科實驗中，凈化工作臺發揮了十分重要的作用。特別是半導體物理、微電子等實驗，需要高潔凈度的實驗環境才能完成實驗內容。但是，普通的凈化工作臺在完成這些實驗中是不十分適用的。這主要表現在兩個方面：一是在實驗中會由于實驗人員實驗操作而帶入大量的灰塵顆粒，影響了凈化工作臺的凈化級別；二是在涉及大量化學試劑的實驗中，如果使用的化學試劑和藥品具有一定的揮發性和毒性，如微電子實驗中的光刻膠、去膠劑等，現有的凈化工作臺基本上無法阻止這些有毒化學藥劑向大氣中擴散，這給實驗人員帶來了身體上的傷害。

為了解決以上兩個問題，一種新型凈化工作臺被設計出來。制作完成后，實驗表明，該凈化工作臺可以有效地阻擋有毒化學物質，減少實驗人員帶入工作臺工作區的灰塵顆粒數量，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結構分析

常規的垂直層流凈化工作臺結構型式如圖1所示。一般工作臺由箱體、初效過濾器、通風機、高效過濾器和作業區等組成。室內空氣在通風機的強制作用下，經初效過濾器過濾后，由風機壓至高效過濾器，濾清后的潔凈空氣呈垂直層流狀送至作業區。被送入作業區的氣體，一般可以采用兩種方式流出：一是通過敞開的工作面直接排放到大氣中，這樣實驗操作人員將迎面被操作臺中的氣體吹到，如果氣體帶有毒性，將對實驗人員造成傷害；二是通過操作臺面下端出氣，一般用抽風機來提高氣體的流出效率。但是，這可能會在作業區中吸入外界空氣，對作業區的潔凈度產生不良影響。特別是在操作過程中，由操作人員帶入的灰塵顆粒容易殘留在作業區中。

圖1 常規垂直層流凈化工作臺結構及氣體流出方式

2 導流分壓式雙正壓凈化工作臺的設計和特點

2.1 實驗需求

在高校的微電子、半導體物理實驗中，光刻實驗是必不可少的實驗之一。光刻實驗對環境的潔凈度要求很高，一般高校在沒有財力建設潔凈室的情況下，凈化工作臺成為了進行光刻實驗不可缺少的必要設備。一般來說光刻實驗進行的步驟有：旋涂光刻膠；光刻膠的前烘；曝光；顯影；后烘等步驟構成。在這些實驗步驟中所涉及的化學藥品較多，而這些化學藥品的溶劑多為苯類物質，如果處理不當將給實驗人員帶來較大的傷害。同時，由于實驗的步驟較多，實驗人員需要頻繁地從凈化工作臺中取、放物品，這將引入大量的灰塵影響工作時的潔凈度。因此，設計一種低成本，有效阻隔有毒氣體，提高工作時潔凈度的凈化工作臺顯得十分重要。

2.2 導流分壓式雙正壓凈化工作臺的結構設計

基于以上的設計要求,一種新型的導流分壓式雙正壓凈化工作臺結構如圖2所示。設計的具體思路如下：

(1)在凈化工作臺的高效過濾器出風口與散流板之間增加一個導流分壓區。導流分壓區的結構如圖3所示。導流分壓區以高效過濾器出風口和散流板為上下兩個面，形成一個腔體，在兩面之間用一塊傾斜的隔板將該腔體分為兩個封閉的梯形區域，如圖3中的A和B所示。

圖3 導流分壓區結構

(2)作業區內氣體的流出。由于實驗中所使的藥品易揮發出苯、二甲苯等有機溶劑，工作腔體內的氣體必須從固定管道排到實驗室外，這樣才能減少對人體的傷害，因此，在工作臺面下增加了一個抽氣機達到抽走工作腔體內氣體的目的。

(3)凈化工作臺的其他結構與現有的凈化工作臺相同，沒有特別的改變。

2.3 導流分壓式雙正壓凈化工作臺的工作原理和特點

該凈化工作臺最大的特點是能在作業區內形成高、低兩個正壓區域。這是由于導流分壓區的圖3A區域中，位于高效過濾器出風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，出氣流速將大于進氣流速，這將在作業區內形成高正壓。圖3B區域中，氣體流入面積小于流出面積，出氣流速將小于進氣流速，在作業區內所形成的氣壓較小。高正壓區靠近操作人員，即對大氣始終保持正壓阻止大氣中的灰塵進入工作腔體，又使得低正壓區中的有毒氣體無法越過，保護了操作人員。同時，操作人員操作時，必須通過高正壓區，這就起到了類似傳遞窗的作用，減少了操作人員帶入作業區中的灰塵顆粒。低正壓區為主要工作區域，保持正壓可以保證作業區的潔凈度達到設計要求。通過調節隔板的角度和位置，可以輕松調節高氣壓區的寬度和氣壓。

3 實驗測定結構

表1為在高正壓區和低正壓區所測定的風速，風機轉速通過電壓調節。從實驗數據看，在不同的風機轉速下，高低正壓區中的風速差值基本保持在0.2m/s。這說明當確定了導流分壓區的結構后，高、低正壓區的風速差值基本與高效過濾器出口處的風速無關。

從比例關系上看，在低速時，高低氣壓區的氣體流量比大，氣體的壓強差大，此時的隔離效果應最好。但是，一般凈化工作臺風速要求大于0.36m/s，因此選用風機電壓為180V時，其潔凈效果和氣體隔離效果最為理想，已通過煙霧實驗獲得驗證。

凈化工作臺潔凈度測試均可以達到100級。噪聲測定使用經校驗的精密聲級計。測定結果為55～60dB，A聲級。

從測試結果可以看出：工作臺各項性能指標均滿足設計要求，達到了預期效果。說明該工作臺設計合理，性能可靠，可以批量生產并在各個領域推廣使用。

表1 在不同的電機電壓下，高低氣壓區氣體流速

4 結束語

導流分壓式雙正壓凈化工作臺是一種構思新穎,結構獨特的新產品。它引入導流分壓區的概念，簡單地通過將普通凈化工作臺的散流板下移形成導流分壓區，用一塊傾斜的隔板分隔導流分壓區進行導流分壓，在作業區內形成了高低兩個正壓區，有效阻擋了作業區內有毒化學物質對人體的傷害，減少了工作時帶入作業區的灰塵數量，因而該產品具有廣泛的應用和發展前景。

[1]趙旭東.雙向出風水平層流凈化工作臺的研究[J].太原工業大學學報，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，碩士，講師。

南通市應用研究計劃(編號：k2010014)，南通大學杏林學院自然科學基金(編號：2010k120)。