Oven升華物污染原因及防治研究

承小輝 蔣遷 齊勤瑞 高雪松 張然 楊輝

摘? 要：針對熱烘烤設(shè)備（Oven）升華物污染現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究，確定升華物污染形成的原因，并找到有效的改善措施。首先通過對行業(yè)各廠升華物污染現(xiàn)象對比，然后將升華物污染量化，采用微粒測量儀對升華物粒子數(shù)量進行測量，最后采用壓力測量儀對Oven爐正負壓進行測試、以及電子壓差計對Oven排氣管道進行壓差堵塞檢測，對升華物污染的原因提出合理的解釋，并給出有效的改善措施。結(jié)果表明，Oven升華物污染是由于Oven爐相對外界正壓造成的，而Oven排氣管道堵塞會加劇正壓程度。通過降低爐的進氣量、增加爐的排氣量以及排氣管道的疏通等方式可以極大避免升華物的污染。

關(guān)鍵詞：熱烘烤;升華物;正負壓

中圖分類號：TN873.93? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0058-04

Abstract： This paper makes a systematic study on the phenomenon of sublimation pollution in hot baking equipment （Oven）， determines the causes of sublimation pollution， and finds out effective improvement measures. First of all， through the comparison of the phenomenon of sublimation pollution in various factories in the industry， and then quantify the sublimation pollution， the particle measuring instrument is used to measure the number of sublimation particles. Finally， the pressure measuring instrument is used to test the positive and negative pressure of Oven furnace， and the electronic pressure difference meter is used to detect the differential pressure blockage of Oven exhaust pipe， which puts forward a reasonable explanation for the cause of sublimation pollution and gives effective improvement measures. The results show that the pollution of Oven sublimation is caused by the relative external positive pressure of Oven furnace， and the blockage of Oven exhaust pipe will aggravate the degree of positive pressure. The pollution of sublimation can be greatly avoided by reducing the air intake of the furnace， increasing the exhaust volume of the furnace and dredging the exhaust pipe.

Keywords： Oven; sublimation; positive and negative pressure

1 概述

熱烘烤（Oven）為彩膜（Color Filter，簡稱CF）工藝制程中必備的高溫（230℃）烘烤工藝，對涂覆、曝光、顯影后的光刻膠薄膜進行烘烤固化，能增強彩膜在基板表面的穩(wěn)定性，有著舉足輕重的作用。但由于烘烤工藝設(shè)備高溫運行，光刻膠有機成分揮發(fā)[1-3]，形成高溫升華物，附著在設(shè)備部件上，加速部件的老化，另外隨著設(shè)備運營時間變長，有機物成分揮發(fā)附著加劇[4-5]，會將部件直接卡死，造成設(shè)備長時間宕機，品質(zhì)不良高發(fā)，以及潔凈間環(huán)境惡化，以上是CF產(chǎn)線運營后期最常見也是最難解決的行業(yè)共性問題。

2 彩膜工藝及升華物產(chǎn)生過程

在彩膜工藝中，光刻膠是一種重要原材料，其主要含有成分是顏料、溶劑、單體、聚合體、起始劑及添加劑。經(jīng)涂布工藝后，光刻膠會在基板表面形成均勻一層薄層;經(jīng)實驗證明，光刻膠薄層經(jīng)真空干燥，其中80%的溶劑成分會干燥掉;之后經(jīng)90℃～100℃的預(yù)烘烤，殘余的溶劑及少量的單體和起始劑會被蒸發(fā)掉;再經(jīng)曝光和顯影工藝后形成一定規(guī)則形狀的圖案，最后經(jīng)熱烘烤進行230℃高溫固化;在此過程中，光刻膠有機成分單體、聚合體及起始劑大量揮發(fā)，凝結(jié)形成升華物。如圖1所示。

3 升華物污染現(xiàn)象與分析改善

3.1 污染現(xiàn)象

針對行業(yè)各彩膜工廠進行調(diào)研，結(jié)果顯示，均存在升華物對設(shè)備部件污染情況，結(jié)果如表1所示。

從調(diào)研結(jié)果來看，工廠運營年限越長，升華物污染越嚴重，帶來的設(shè)備宕機、精密部件受損及產(chǎn)品良率下降的風(fēng)險越高，本文主要對B廠進行研究和改善。

3.2 污染量化

為進一步說明污染情況及便于后續(xù)分析，將升華物污染進行量化，通過微粒測量儀，測量Oven附近空間單位1m3內(nèi)0.3um粒徑的粒子數(shù)來衡量升華物的污染程度，粒子數(shù)越多，說明升華物揮發(fā)越多，污染越嚴重（通常標準無塵間為千級水平，即0.3um粒子數(shù)<10000個/m3）。

從圖2可以看出，L廠、B廠、H廠均已嚴重已超出行業(yè)標準，達到萬級甚至百萬級以上水平。

3.3 升華物污染分析

通過對升華物污染現(xiàn)象、量化數(shù)據(jù)以及對Oven設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究，輸出升華物污染機理模型，如下圖3所示。

涂覆在基板表面的光刻膠在Oven爐內(nèi)進行高溫固化時，蒸發(fā)出有機升華物，當開合門打開時，升華物存在溢出現(xiàn)象，而溢出后的升華物經(jīng)送風(fēng)機吹拭擴散，形成對設(shè)備部件及潔凈間的污染。因此推測，溢出是由于Oven 爐的進氣與排氣失衡，爐正壓造成的。

采用壓力測量儀對Oven爐從下至上5個開合門進行壓差測試，結(jié)果如圖4所示。

結(jié)果顯示，Oven爐開合處相對外界從下至上逐漸升高，因此，解決升華物污染問題，其根本要解決Oven爐正壓問題。

3.4 升華物改善驗證

3.4.1 微負壓改善

升華物改善驗證方案主要基于升華物發(fā)生污染機理和前期正負壓數(shù)據(jù)提出，方案以改善爐正壓，使之相對外界為微負壓，以達到有效改善升華物污染的目的。

微負壓改善是通過減少Oven爐進氣量與增大排氣量實現(xiàn)，而進氣量和排氣量大小分別受進氣風(fēng)機和排氣風(fēng)機的運轉(zhuǎn)頻率控制，頻率越大，風(fēng)量越大。進氣風(fēng)機運轉(zhuǎn)頻率調(diào)控范圍為50Hz～65Hz， 排氣風(fēng)機運轉(zhuǎn)頻率調(diào)控范圍30～60Hz，因此驗證的思路是在4組不同的進氣和排氣頻率組合下，測試開合門的微負壓趨勢，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同進氣和排氣頻率組合條件下，微負壓趨勢：（a）65Hz/30Hz;（b）60Hz/40Hz;（c）55Hz/50Hz;（d）50Hz/60Hz

圖5中曲線a說明在最大進氣頻率65Hz及最小排氣量頻率30Hz組合下，Oven爐各開合門均為正壓，在此情況下，任一開合門打開時，升華物將會出現(xiàn)明顯溢出現(xiàn)象;曲線b、c說明隨著進氣頻率的減小、排氣頻率的增大，Oven爐各開合門處壓力逐步趨向于負壓，其中曲線c，即在進氣頻率55Hz，排氣頻率50Hz條件下時，各開合門處已處于微負壓情況;最后如曲線d，在最小進氣頻率50Hz及最大排氣量頻率60Hz組合下，Oven爐各開合門壓力進一步趨于負壓，在此情況下，任一開合門打開時，升華物將不會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。

若Oven爐開合門處于負壓狀態(tài)下，升華物則不會出現(xiàn)溢出情況，但此時外界冷風(fēng)將流向爐內(nèi)，造成爐內(nèi)溫度均一性波動，存在光刻膠在基板表面固化不完全，出現(xiàn)品質(zhì)不良的風(fēng)險，因此，為避免不良風(fēng)險的出現(xiàn)，通過溫度分析儀，測定了前面4組不同進氣和排氣頻率組合下，1張基板表面30個分布點的溫度數(shù)據(jù)，整理如表2所示。

在不同的組合條件下，爐內(nèi)溫度均一性存在一定差異。其中條件c，即進氣頻率為55Hz，排氣功率為50Hz條件下，既滿足爐為微負壓，又滿足爐內(nèi)溫度工藝均一性的要求（工藝要求：235±5℃，Uniform：≤2%）。

3.4.2 惡化驗證

在將Oven爐進氣頻率設(shè)定為55Hz，排氣功率設(shè)定為50Hz，Oven在微負壓情況下運行一段時間（通常5～6個月）之后，Oven爐會存在向正壓逐步變化的趨勢，且Oven排氣管道壓差示數(shù)存在逐漸變小的趨勢;根據(jù)升華物污染機理模型，推測原因是排氣管道被升華物污染而堵塞，堵塞造成熱氣回堵，排氣管道壓差示數(shù)變小，同時爐內(nèi)壓力增大，相對外界趨于正壓，其原理如圖6所示。

如圖6示意圖所示，P2表示排氣對管道的壓力，根據(jù)伯努利方程原理 （伯努利方程：p+1/2ρv2+pgh=C式中p為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C為常量），同高流體流動時，流速越小，壓力越大可知，當排氣管路堵塞時，熱氣回堵，流速變小，P2壓力變大;根據(jù)電子壓差計計算公式，壓差示數(shù)ΔP=P1-P2（式中，P1表示標準大氣壓力，為常量），電子壓差計示數(shù)ΔP將變小，反之，排氣管路暢通時，電子壓差計示數(shù)ΔP變大。

為進一步定量驗證排氣管路堵塞對排氣壓差及爐內(nèi)壓力的影響，通過對圖6閥門的不同開度（0°閥門全開，90°閥門全閉）設(shè)定，模擬管路不同堵塞情況，具體測量數(shù)據(jù)如圖7所示。

由圖7可知，當閥門由全開逐步變?yōu)槿]時，即管道逐漸堵塞時，排氣壓差逐漸降低，爐內(nèi)壓力逐漸增加，開合門處的壓力相應(yīng)增加，升華物表現(xiàn)為向外溢出。

3.4.3 改善效果

根據(jù)改善驗證結(jié)果，在保證排氣管道暢通的情況下，B廠設(shè)定Oven進氣頻率為55Hz，排氣功率為50Hz，Oven爐保持微負壓狀態(tài)，Oven附近升華物粒子測量改善數(shù)據(jù)如圖8所示。

如上圖8表示，將Oven進行最優(yōu)化設(shè)定后，即Oven爐進氣頻率為55Hz，排氣功率為50Hz條件下，升華物污染情況改善明顯。

4 結(jié)論

本文通過對Oven污染現(xiàn)象分析、污染量化測量，輸出升華物污染模型，發(fā)現(xiàn)升華物污染原因為Oven爐相對外界為正壓造成，并對正壓形成原因進行分析，推最終確定為：進氣和排氣頻率設(shè)定不合理，導(dǎo)致Oven爐進氣量多，排氣量少，壓力失衡，針對上述驗證，進行了進氣頻率和排氣頻率驗證測試，確定了進氣頻率55Hz和排氣頻率50Hz為最優(yōu)設(shè)定條件;進一步，通過模擬排氣管路堵塞惡化驗證時，發(fā)現(xiàn)排氣管道堵塞，會造成氣體回流，排氣管道壓差減小，Oven爐內(nèi)壓力增大，其增大程度與堵塞程度正相關(guān);因此Oven爐設(shè)定進氣頻率55Hz，排氣頻率50Hz，相對外界為微負壓是最佳狀態(tài)，為保持此狀態(tài)，可以通過周期性監(jiān)控排氣管道壓差判斷堵塞情況，及時避免升華物污染。

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