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光刻工藝是半導體制造中最為重要的工藝步驟之一。主要作用是將掩膜板上的圖形復制到硅片上，為下一步進行刻蝕或者離子注入工序做好準備。光刻的成本約為整個硅片制造工藝的1/3，耗費時間約占整個硅片工藝的40～60%。
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光刻機是生產線上最貴的機臺，5～15百萬美元/臺。主要是貴在成像系統(tǒng)（由15～20個直 徑為200～300mm的透鏡組成）和定位系統(tǒng)（定位精度小于10nm）。其折舊速度非?？?，大約3～9萬人民幣/天，所以也稱之為印鈔機。光刻部分的主 要機臺包括兩部分：軌道機（Tracker），用于涂膠顯影；掃描曝光機（Scanning )
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光刻工藝的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻膠具有高的光學敏感性；準確地對準；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。
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光刻工藝過程
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一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。
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1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）
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方法：濕法清洗＋去離子水沖洗＋脫水烘焙（熱板150～2500C,1～2分鐘，氮氣保護）
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目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機物、工藝殘余、可動離子）；b、除去水蒸氣，是基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增強表面的黏附性（對光刻膠或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。
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2、涂底（Priming)
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方法：a、氣相成底膜的熱板涂底。HMDS蒸氣淀積，200～2500C,30秒鐘；優(yōu)點：涂底均勻、避免顆粒污染；b、旋轉涂底。缺點：顆粒污染、涂底不均勻、HMDS用量大。
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目的：使表面具有疏水性，增強基底表面與光刻膠的黏附性。
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3、旋轉涂膠（Spin-on PR Coating）
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方法：a、靜態(tài)涂膠（Static）。硅片靜止時，滴膠、加速旋轉、甩膠、揮發(fā)溶劑（原光刻膠的溶劑約占65～85%,旋涂后約占10～20%）；
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b、動態(tài)（Dynamic）。低速旋轉（500rpm_rotation per minute）、滴膠、加速旋轉（3000rpm）、甩膠、揮發(fā)溶劑。
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決定光刻膠涂膠厚度的關鍵參數(shù)：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越??；旋轉速度，速度越快，厚度越??；
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影響光刻膠厚度均運性的參數(shù)：旋轉加速度，加速越快越均勻；與旋轉加速的時間點有關。
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一般旋涂光刻膠的厚度與曝光的光源波長有關（因為不同級別的曝光波長對應不同的光刻膠種類和分辨率）：
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I-line最厚，約0.7～3μm；KrF的厚度約0.4～0.9μm；ArF的厚度約0.2～0.5μm。
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4、軟烘（Soft Baking）
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方法：真空熱板，85～120℃,30～60秒；
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目的：除去溶劑（4～7%）；增強黏附性；釋放光刻膠膜內的應力；防止光刻膠玷污設備；
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邊緣光刻膠的去除（EBR，Edge Bead Removal）。光刻膠涂覆后，在硅片邊緣的正反兩面都會有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻，不能得到很好的圖形，而且容易發(fā)生剝離（Peeling）而影響其它部分的圖形。所以需要去除。
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方法：a、化學的方法（Chemical EBR）。軟烘后，用PGMEA或EGMEA去邊溶劑，噴出少量在正反面邊緣出，并小心控制不要到達光刻膠有效區(qū)域；b、光學方法（Optical EBR）。即硅片邊緣曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成圖形的曝光后，用激光曝光硅片邊緣，然后在顯影或特殊溶劑中溶解
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5、對準并曝光（Alignment and Exposure）
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對準方法：a、預對準，通過硅片上的notch或者flat進行激光自動對準；b、通過對準標志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外層間對準，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經存在的圖形之間的對準。
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曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關鍵尺寸超出要求的范圍。
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曝光方法：a、接觸式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當，設備簡單。缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。
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b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm?？梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時引入了衍射效應，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為2～4μm。
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c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉移圖形的4倍制作。優(yōu)點：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。
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投影式曝光分類：
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掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；
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步進重復投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。
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掃描步進投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）26×33mm。優(yōu)點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機 械系統(tǒng)的精度要求。
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在曝光過程中，需要對不同的參數(shù)和可能缺陷進行跟蹤和控制，會用到檢測控制芯片/控片 （Monitor Chip）。根據(jù)不同的檢測控制對象，可以分為以下幾種：a、顆?？仄≒article MC）：用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒數(shù)應小于10顆；b、卡盤顆?？仄–huck Particle MC）：測試光刻機上的卡盤平坦度的專用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作為光刻機監(jiān)控焦距監(jiān)控；d、關鍵尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻區(qū)關鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控；e、光刻膠厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻膠厚度測量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻膠缺陷監(jiān)控。
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舉例：0.18μm的CMOS掃描步進光刻工藝。
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光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm） ；數(shù)值孔徑NA：0.6～0.7；焦深DOF：0.7μm
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分辨率Resolution：0.18～0.25μm
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（一般采用了偏軸照明OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技術PSM_Phase Shift Mask增強）；
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套刻精度Overlay：65nm；產能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；
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視場尺寸Field Size：25×32mm；
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6、后烘（PEB，Post Exposure Baking）
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方法：熱板，110～1300C,1分鐘。
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目的：a、減少駐波效應；b、激發(fā)化學增強光刻膠的PAG產生的酸與光刻膠上的保護基團發(fā)生反應并移除基團使之能溶解于顯影液。
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7、顯影（Development）
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方法：a、整盒硅片浸沒式顯影（Batch Development）。缺點：顯影液消耗很大；顯影的均勻性差；
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b、連續(xù)噴霧顯影（Continuous Spray Development）/自動旋轉顯影（Auto-rotation Development）。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時硅片低速旋轉（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉速度是實現(xiàn)硅片間溶 解率和均勻性的可重復性的關鍵調節(jié)參數(shù)。
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c、水坑（旋覆浸沒）式顯影（Puddle Development）。噴覆足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀（顯影液的流動保持較低，以減少邊緣顯影速率的變 化）。硅片固定或慢慢旋轉。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗（去除硅片兩面的 所有化學品）并旋轉甩干。優(yōu)點：顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度梯度。
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顯影液：a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位堿性水溶液。KOH和NaOH因為會帶來可 動離子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨（TMAH）（標準當量濃度為0.26，溫度 15～250C）。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸，TMAH顯影液中的堿與酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液，而未曝光的光刻膠沒有影響；在化學放大光刻 膠（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛樹脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產生的酸會去除PHS中的保護基團（t-BOC），從而使PHS快速溶解于TMAH顯 影液中。整個顯影過程中，TMAH沒有同PHS發(fā)生反應。
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b、負性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。
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顯影中的常見問題：a、顯影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；b、顯影不夠（Under Development）。顯影的側壁不垂直，由顯影時間不足造成；c、過度顯影（Over Development）?？拷砻娴墓饪棠z被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長。
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8、硬烘（Hard Baking）
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方法：熱板，100～1300C（略高于玻璃化溫度Tg），1～2分鐘。
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目的：a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑（以免在污染后續(xù)的離子注入環(huán)境，例如DNQ酚醛樹脂 光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂）；b、堅膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力；c、進一步增強光刻膠與硅片表面之間的黏附性；d、進 一步減少駐波效應（Standing Wave Effect）。
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常見問題：a、烘烤不足（Underbake）。減弱光刻膠的強度（抗刻蝕能力和離子注入中 的阻擋能力）；降低針孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低與基底的黏附能力。b、烘烤過度（Overbake）。引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，分辨率變差。
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另外還可以用深紫外線（DUV，Deep Ultra-Violet）堅膜。使正性光刻膠樹脂發(fā)生交聯(lián)形成一層薄的表面硬殼，增加光刻膠的熱穩(wěn)定性。在后面的等離子刻蝕和離子注入（125～2000C）工藝中減少因光刻膠高溫流動而引起分辨率的降低。
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在結束光刻工藝的解讀后，還是來談談光刻的工具——光刻機。
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光刻機，被稱為現(xiàn)代光學工業(yè)之花，制造難度非常大，全世界只有少數(shù)幾家公司能夠制造。其售價高達7000萬美金。用于生產芯片的光刻機是中國在半導體設備制造上最大的短板，國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。
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在能夠制造機器的這幾家公司中，尤其以荷蘭（ASML）技術最為先進。價格也最為高昂。光刻機的技術門檻極高，堪稱人類智慧集大成的產物。
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“十二五”科技成就展覽上，上海微電子裝備公司（SMEE）生產的中國最好的光刻機，與中國的大飛機、登月車并列。它的加工精度是90納米，相當于2004年上市的奔騰四CPU的水準。國外已經做到了十幾納米。
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測量臺、曝光臺：承載硅片的工作臺，也就是雙工作臺。一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，而ASML有個專利，有兩個工作臺，實現(xiàn)測量與曝光同時進行。而本次“光刻機雙工件臺系統(tǒng)樣機研發(fā)”項目則是在技術上突破ASML對雙工件臺系統(tǒng)的技術壟斷。
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激光器：也就是光源，光刻機核心設備之一。
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光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。
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能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。
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光束形狀設置：設置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學特性。
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遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。
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能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進行調整。
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掩模版：一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。
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掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度是nm級的。
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物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在于物鏡的設計難度大，精度的要求高。
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硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認硅片的坐標系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。
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內部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。
光刻機跟照相機差不多，它的底片，是涂滿光敏膠的硅片。電路圖案經光刻機，縮微投射到底片，蝕刻掉一部分膠，露出硅面做化學處理。制造芯片，要重復幾十遍這個過程。
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位于光刻機中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成。鏡片得高純度透光材料+高質量拋光。SMEE光刻機使用的鏡片，得數(shù)萬美元一塊。
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ASML的鏡片是蔡司技術打底。鏡片材質做到均勻，需幾十年到上百年技術積淀。
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另外，光刻機需要體積小，但功率高而穩(wěn)定的光源。ASML的頂尖光刻機，使用波長短的極紫外光，光學系統(tǒng)極復雜。有頂級的鏡頭和光源，沒極致的機械精度，也是白搭。光刻機里有兩個同步運動的工件臺，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個工作臺由靜到動，加速度跟導彈發(fā)射差不多。而且，溫濕度和空氣壓力變化會影響對焦。機器內部溫度的變化要控制在千分之五度，得有合適的冷卻方法，精準的測溫傳感器。一個最好的光刻機，包含13個分系統(tǒng)，3萬個機械件，200多個傳感器，每一個都要穩(wěn)定。
全球只有一家企業(yè)在光刻機市場上占據(jù)了80%的份額，就是處于荷蘭的ASML，旗下所研發(fā)的EUV光刻機曾售價高達1億美元一臺，而且還不一定有貨。皆因每臺光刻機的裝配大約需要50000個零件左右。國際上著名的芯片制造商如Intel、臺積電、三星都是它名下的股東。
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阿斯麥公司ASML Holding NV創(chuàng)立于1984年，是從飛利浦獨立出來的一個半導體設備制造商。前稱ASM Lithography Holding N.V.，于2001年改為現(xiàn)用名，總部位于荷蘭費爾德霍芬，全職雇員12,168人，是一家半導體設備設計、制造及銷售公司。
一、設備概況
設備名稱：RCA濕法腐蝕清洗機
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整機尺寸：具體尺寸根據(jù)實際圖紙確定
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二、使用對象
硅晶片2-12inch
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三、適用領域
半導體、太陽能、液晶、MEMS等
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四、設備用途
硅晶片化學腐蝕和清洗的設備
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五、設備包括
設備主體、電氣控制部分、化學工藝槽、純水清洗槽等；并提供與廠務供電、供氣、供水、排廢水、排氣系統(tǒng)配套的接口等。
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六、主體構造特點
1、設備為半敞開式，主體使用進口WPP15和10mm厚板材，結構設計充分考慮長期工作在酸腐蝕環(huán)境，堅固耐用，雙層防漏，機臺底盤采用德國產瓷白PP板，熱焊接而成，可長期工作在酸堿腐蝕環(huán)境中
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2、主體：設備為半敞開式，主體使用進口WPP15和10mm厚板材，結構設計充分考慮長期工作在酸腐蝕環(huán)境，堅固耐用，雙層防漏，機臺底盤采用德國產瓷白PP板，熱焊接而成，可長期工作在酸堿腐蝕環(huán)境中；
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3、骨架：鋼骨架+PP德國勞施領板組合而成，防止外殼銹蝕。
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4、儲物區(qū)：位于工作臺面左側，約280mm寬，儲物區(qū)地板有漏液孔和底部支撐；
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5、安全門：前側下開透明安全門，腳踏控制；
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6、工藝槽：模組化設計，腐蝕槽、純水沖洗槽放置在一個統(tǒng)一的承漏底盤中。底盤采用滿焊接工藝加工而成，杜絕機臺的滲漏危險；
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7、管路系統(tǒng)：位于設備下部，所有工藝槽、管路、閥門部分均有清晰的標簽注明；藥液管路采用PFA管，純水管路采用白色NPP噴淋管，化學腐蝕槽廢液、沖洗廢水通過專用管道排放；
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8、電氣保護：電器控制、氣路控制和工藝槽控制部份在機臺頂部電控區(qū)，電氣元件有充分的防護以免酸霧腐蝕以保障設備性能運行穩(wěn)定可靠；所有可能與酸霧接觸的電氣及線路均經PFA防腐隔絕處理，電氣柜CDA/N2充氣保護其中的電器控制元件；
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9、排風：后部排風和下沉式設計，風量可調節(jié)，對操作員有安全保護；
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10、送風：設備頂部有FFU百級凈化送風裝置，設備沿前側板鑲嵌入墻體，保證后上部送風；
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11、照明：工作區(qū)頂部配有雙光日光燈照明；
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12、水汽槍：機臺前部配備有PTFE純水槍和PTFE氮氣槍各1只置于右側，方便操作員手工清洗槽體或工件；
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13、機臺支腳：有滑輪裝置及固定裝置，并且有高低調整及鎖定功能。
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14、安全保障：完善的報警和保護設計，排風壓力、液位、排液均有硬件或軟件互鎖，直觀的操作界面，清晰的信息提示，保障了生產、工藝控制和安全性三色警示燈置于機臺上方明顯處。