способ защиты сверхчистых поверхностей

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАЩИТЫ СВЕРХЧИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, заключающийся в создании из сверхчистой вытекающей из патрубка газовой среды струи и обдувании защищаемой поверхности этой струей, отличающийся тем, что защищаемую поверхность помещают в начальный участок сформированной струи, длину L которого определяют из соотношения

L Kv,

где v скорость газовой струи на конце защищаемой поверхности, м/с;

K Z²/D;

Z половина диаметра патрубка, м;

D коэффициент диффузии, м²/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу защиты поверхностей, в частности сверхчистых поверхностей, и может быть использовано в производстве электронной техники, точном машиностроении и приборостроении, а также в медицинской технике в абактериальных камерах и для защиты сверхчистых инструментов, в деревообрабатывающей промышленности для защиты и сушки покрытий изделий от пыли.

Известно, что особенностями современной промышленности продукции являются высокая однородность по составу материалов и высокая точность обработки изделий. Выпуск такой продукции немыслим без создания специальной производственной среды, в течение длительного времени обеспечивающей заданные условия в производственных помещениях. Поддержание сверхчистой среды в производственных помещениях наиболее эффективно при ламинарном потоке воздуха.

В ламинарном потоке скорость загрязняющих частиц определяется молекулярным движением, а это в несколько раз меньше скорости самого потока, поэтому частицы могут проникать только на небольшую глубину потока, так как очень быстро смываются самим потоком. В этом случае степень загрязнения защищаемой поверхности определяется степенью очистки самого ламинарного потока.

В производстве малогабаритных изделий, требующих особо чистых условий, например в линиях по производству СБИС, эффективная защита поверхности изделий от пыли осуществима в относительно малом пространстве с особочистой средой. Такой способ заключается в том, что из текучей сверхчистой среды создают ламинарный поток, протекающий над защищаемой поверхностью.

Этот способ позволяет снизить энергозатраты, так как значительно уменьшаются габариты вентиляционных и фильтрующих устройств, снизить требования по чистоте ко всему помещению. Система, основанная на этом способе, не требует защитных камер, она является открытой и поэтому может быть включена в непрерывный автоматизированный технологический процесс. Однако такой способ формирования потока среды, защищающей поверхность, требует сложных систем для ламинаризации создаваемого потока.

В основу изобретения положена задача использовать для защиты сверхчистых поверхностей такую газовую струю обдува, которая предотвращает проникновение загрязняющих частиц из окружающей среды на защищаемую сверхчистую поверхность.

Поставленная задача решается тем, что по способу защиты сверхчистой поверхности, включающему создание из газовой среды струи и обдув ею защищаемой поверхности, согласно изобретению защищаемую поверхность помещают в начальный участок сформированной струи, длину которого определяют из соотношения

L VZ²/D K V, (1) где V скорость газовой струи на конце защищаемой поверхности, м/c;

Z половина диаметра патрубка, м;

D коэффициент диффузии, м²/c.

Преимуществом способа защиты сверхчистых поверхностей является его надежность, поскольку обдув защищаемого изделия осуществляют начальным участком струи, который не зависит от характера течения струи. Начальный участок струи характеризуется тем, что вектор скорости проникновения частиц и молекул газа из окружающей среды складывается из двух векторов скорости диффузии частиц и молекул и скорости струи газа, эти вектора ортогональны друг другу. Поэтому для ламинарного течения струи скорость диффузии частиц и молекул минимальна, а следовательно, длина начального участка максимальна. При турбулентном течении струи скорость диффузии велика, а длина начального участка минимальна. Но при любом течении струи существует участок, в котором отсутствуют примеси из окружающей среды, состав газа которого определяется только составом и степенью очистки подаваемого газа для защиты.

На чертеже изображено устройство, поясняющее данный способ.

На чертеже показан простейший вариант устройства. Это устройство включает в себя узел 1 формирования газовой струи, имеющий на выходе патрубок 2 круглого сечения с радиусом Z 10^-2 м. Перед выходным патрубком 2 устанавливают держатель 3, на котором располагается защищаемое изделие, например пластина 4. Геометрическая ось патрубка 2 лежит в плоскости, образованной поверхностью пластины 4, при этом изделие располагают на продольной оси выходного патрубка 2.

Используют устройство следующим образом.

Через узел 1 формирования газовой струи подается очищенный газ, например аргон, в сторону защищаемой пластины 4. Вытекающая струя имеет принципиально три участка: начальный участок 5, зону 6 смещения струи газа и окружающей среды и основной участок 7 струи. Начальный участок 5 струи имеет в данном конкретном случае вид конуса. Конус образуется в результате стремления частиц газа окружающей среды диффундировать в струю защитного газа со скоростью V_g в направлении, перпендикулярном оси струи, и стремления частиц защитного газа двигаться по инерции со скоростью V_r в осевом направлении. Итак, частица газа окружающей среды, находящаяся в зоне 6 смещения, может попасть на ось струи защитного газа только в точках, расположенных правее точки 8. Эта точка определяет протяженность L защитной зоны от плоскости выходного отверстия патрубка 2. Как видно из вышеописанного, в зоне 5 полностью отсутствуют частицы из окружающей среды.

Треугольник, образованный векторами скоростей, подобен треугольнику, образованному радиусом выходного сечения патрубка, равного радиусу струи Z, и высотой конуса струи, равной длине начального участка L. Из подобия треугольников следует, что

(2)

а L Z (3)

Теперь для определения длины начального участка струи необходимо знать скорость диффузии V_g. Из газодинамики известно уравнение (Чепман С. и Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М. 1960, с. 132, 174-176)

nv_g= D (4) где n концентрация частиц в единице объема газа;

V_g скорость частиц в поперечном направлении к потоку газа;

D коэффициент диффузии молекул и частиц из окружающей среды в струю; градиент плотности частиц по радиусу.

Вводя допустимое для данного процесса упрощение, заменяют в формуле (4) на и получают

nV_g= D (5) откуда V_g= (6)

Подставив V_g (6) в формулу (3) и заменив R на Z, получают

L Z

L V_r Z²/D.

Для струи защитного газа из аргона при давлении Р 10⁵ Па, Т 300 К, Z 10^-2 м, V 1 м/c, используя общеизвестное уравнение состояния для вычисления концентрации n и формулу молекулярной физики для определения коэффициента диффузии D, получают n 10²⁵ м^-3, D 10^-4 м²/c, и подставляя эти значения в формулу (2), получают L 1 м.

Из вышеприведенного очевидно, что суть предлагаемого способа защиты сверхчистых поверхностей заключается в создании газовой среды струи и обдуве защищаемой поверхности, помещенной в начальном участке сформированной струи, длину которого определяют из соотношения L VZ²/D.

Такой способ защиты поверхности изделий позволяет предохранять поверхности изделий от попадания на них загрязнений и от протекания на них нежелательных химических реакций. Особенно предлагаемый способ важен при изготовлении интегральных схем СБИС. Он позволяет проводить полный цикл изготовления СБИС от предварительной очистки до нанесения слоев в условиях гидродинамической защиты, что исключает попадание загрязняющих частиц и происхождение нежелательных химических процессов на поверхности изделия. Полная изоляция обрабатываемой поверхности от загрязняющего воздействия внешней среды и от ее химического воздействия позволяет вести обработку в любой газовой среде, в частности на воздухе.