微电子光刻实验净化工作台设计

　　提出了一种导流分压式双正压净化工作台。分析了该工作台的结构特征及工作原理。通过与常规垂直层流净化工作台的比较及实验结果分析，指出了该产品的经济性、优越性及应用前景。

众所周知，净化工作台是一种创造局部100级无尘、无菌环境的理想设备。它移动灵活、操作简单，被广泛地用于电子、航空航天、精密机械、生物工程、医疗、制药及无菌检验等多个领域。在大学物理、电子及化学、生物等多个学科实验中，净化工作台发挥了十分重要的作用。特别是半导体物理、微电子等实验，需要高洁净度的实验环境才能完成实验内容。

但是，普通的净化工作台在完成这些实验中是不十分适用的。这主要表现在两个方面：一是在实验中会由于实验人员实验操作而带入大量的灰尘颗粒，影响了净化工作台的净化级别;二是在涉及大量化学试剂的实验中，如果使用的化学试剂和药品具有一定的挥发性和毒性，如微电子实验中的光刻胶、去胶剂等，现有的净化工作台基本上无法阻止这些有毒化学药剂向大气中扩散，这给实验人员带来了身体上的伤害。

　　为了解决以上两个问题，一种新型净化工作台被设计出来。制作完成后，实验表明，该净化工作台可以有效地阻挡有毒化学物质，减少实验人员带入工作台工作区的灰尘颗粒数量，改造成本极为低廉几乎不增加任何制造成本。

　　1常用低成本净化工作台结构分析

常规的垂直层流净化工作台结构型式如图1所示。一般工作台由箱体、初效过滤器、通风机、高效过滤器和作业区等组成。室内空气在通风机的强制作用下，经初效过滤器过滤后，由风机压至高效过滤器，滤清后的洁净空气呈垂直层流状送至作业区。

被送入作业区的气体，一般可以采用两种方式流出：一是通过敞开的工作面直接排放到大气中，这样实验操作人员将迎面被操作台中的气体吹到，如果气体带有毒性，将对实验人员造成伤害;二是通过操作台面下端出气，一般用抽风机来提高气体的流出效率。但是，这可能会在作业区中吸入外界空气，对作业区的洁净度产生不良影响。特别是在操作过程中，由操作人员带入的灰尘颗粒容易残留在作业区中。

　　图1 常规垂直层流净化工作台结构及气体流出方式

　　2导流分压式双正压净化工作台的设计和特点

　　2.1 实验需求

在高校的微电子、半导体物理实验中，光刻实验是必不可少的实验之一。光刻实验对环境的洁净度要求很高，一般高校在没有财力建设洁净室的情况下，净化工作台成为了进行光刻实验不可缺少的必要设备。一般来说光刻实验进行的步骤有：旋涂光刻胶;光刻胶的前烘;曝光;显影;后烘等步骤构成。

在这些实验步骤中所涉及的化学药品较多，而这些化学药品的溶剂多为苯类物质，如果处理不当将给实验人员带来较大的伤害。同时，由于实验的步骤较多，实验人员需要频繁地从净化工作台中取、放物品，这将引入大量的灰尘影响工作时的洁净度。因此，设计一种低成本，有效阻隔有毒气体，提高工作时洁净度的净化工作台显得十分重要。

　　2.2 导流分压式双正压净化工作台的结构设计

　　基于以上的设计要求,一种新型的导流分压式双正压净化工作台结构如图2所示。设计的具体思路如下：

　　图2 导流分压式双正压净化工作台结构

　　(1)在净化工作台的高效过滤器出风口与散流板之间增加一个导流分压区。导流分压区的结构如图3所示。导流分压区以高效过滤器出风口和散流板为上下两个面，形成一个腔体，在两面之间用一块倾斜的隔板将该腔体分为两个封闭的梯形区域，如图3中的A和B所示。

　　图3 导流分压区结构

　　(2)作业区内气体的流出。由于实验中所使的药品易挥发出苯、二甲苯等有机溶剂，工作腔体内的气体必须从固定管道排到实验室外，这样才能减少对人体的伤害，因此，在工作台面下增加了一个抽气机达到抽走工作腔体内气体的目的。

　　(3)净化工作台的其他结构与现有的净化工作台相同，没有特别的改变。

　　2.3 导流分压式双正压净化工作台的工作原理和特点

该净化工作台最大的特点是能在作业区内形成高、低两个正压区域。这是由于导流分压区的图3A区域中，位于高效过滤器出风口的气体流入面面积大，在散流板上的气体流出面面积小。由于流出的面积小于流入的面积，出气流速将大于进气流速，这将在作业区内形成高正压。图3B区域中，气体流入面积小于流出面积，出气流速将小于进气流速，在作业区内所形成的气压较小。

高正压区靠近操作人员，即对大气始终保持正压阻止大气中的灰尘进入工作腔体，又使得低正压区中的有毒气体无法越过，保护了操作人员。同时，操作人员操作时，必须通过高正压区，这就起到了类似传递窗的作用，减少了操作人员带入作业区中的灰尘颗粒。低正压区为主要工作区域，保持正压可以保证作业区的洁净度达到设计要求。通过调节隔板的角度和位置，可以轻松调节高气压区的宽度和气压。

　　3实验测定结构

　　表1为在高正压区和低正压区所测定的风速，风机转速通过电压调节。从实验数据看，在不同的风机转速下，高低正压区中的风速差值基本保持在0.2m/s。这说明当确定了导流分压区的结构后，高、低正压区的风速差值基本与高效过滤器出口处的风速无关。

　　从比例关系上看，在低速时，高低气压区的气体流量比大，气体的压强差大，此时的隔离效果应最好。但是，一般净化工作台风速要求大于0.36m/s，因此选用风机电压为180V时，其洁净效果和气体隔离效果最为理想，已通过烟雾实验获得验证。

　　净化工作台洁净度测试均可以达到100级。噪声测定使用经校验的精密声级计。测定结果为55～60dB，A声级。

　　从测试结果可以看出：工作台各项性能指标均满足设计要求，达到了预期效果。说明该工作台设计合理，性能可靠，可以批量生产并在各个领域推广使用。

　　表1在不同的电机电压下，高低气压区气体流速

　　电机电压(V) 低气压端(m/s) 高气压端(m/s)

　　150 0.28 0.47

　　165 0.32 0.50

　　180 0.38 0.55

　　195 0.42 0.60

　　210 0.45 0.67

　　220 0.50 0.72

　　4结束语

　　导流分压式双正压净化工作台是一种构思新颖, 结构独特的新产品。它引入导流分压区的概念，简单地通过将普通净化工作台的散流板下移形成导流分压区，用一块倾斜的隔板分隔导流分压区进行导流分压，在作业区内形成了高低两个正压区，有效阻挡了作业区内有毒化学物质对人体的伤害，减少了工作时带入作业区的灰尘数量，因而该产品具有广泛的应用和发展前景。

　　作者：王强 施敏 罗辰 张丹 来源：中国现代教育装备·高教 2011年3期