潔凈室技術(shù)應用中當前的幾個(gè)問(wèn)題

潔凈室技術(shù)應用中當前的幾個(gè)問(wèn)題

一 . 前言

潔凈室的氣流速度 / 換氣次數，一直是潔凈室設計中受到關(guān)注的問(wèn)題，隨著(zhù)潔凈室污染源的控制效果增加及末級過(guò)濾器效率的提高等，對有關(guān)規范、導則等提出的推薦或參考值是否偏于保守，已有不少討論； FFU 在應用中人們擔心的噪音、損壞維修等問(wèn)題已在實(shí)踐中得到解決，隨著(zhù) FFU 的不斷改進(jìn)，對是否采用 FFU 回風(fēng)系統也是個(gè)熱點(diǎn)：懸浮分子污染（ AMC ）的控制在微電子及 IC 工業(yè)中已日益提到日程上來(lái)，受到關(guān)注。以下對這些問(wèn)題的情況分別作歸納和分析。

二 . 氣流速度

2.1 有關(guān)推薦或參考值的應用

潔凈室內一定潔凈度下氣流速度的確定，隨潔凈室用途等具體情況而異，它不僅受室內發(fā)塵量及過(guò)濾器效率還受其他因素影響，就工業(yè)潔凈室而言，影響潔凈度及選擇氣流速度的因素主要是：

(1) 室內污染源：建筑物組件、人員數量及操作活動(dòng)、工藝設備、工藝材料及工藝加工本身等都是塵粒釋放源，根據具體情況而異，變化很大；

(2) 室內氣流流型及分布：?jiǎn)蜗蛄饕缶鶆?、平等的流線(xiàn)，但會(huì )受到工藝設備布置和位置變動(dòng)及人員活動(dòng)情況等的干擾形成局部渦流；而非單向流要求充混合，避免死角及溫度分層；

(3) 自?xún)魰r(shí)間（恢復時(shí)間）的控制要求：潔凈室中事故釋放或帶入污染物或空氣氣流的中斷或正常操作時(shí)的間歇性對流氣流或人及設備的移動(dòng)等都會(huì )造成潔凈度的惡化，恢復到原來(lái)潔凈度的自?xún)魰r(shí)間決定于氣流速度；對自?xún)魰r(shí)間的控制要求取決于此時(shí)間框架內（惡化的潔凈度下），對產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量及成品率影響的承受能力；

(4) 末級過(guò)濾器的效率：在一定的室內發(fā)塵量下，可采用較率的過(guò)濾器以降低氣流速度；為節能應考慮采用較率的過(guò)濾器，并降低氣流速度，或采用較低效率的過(guò)濾器并采用較高的氣流速度，以求流量與阻力的乘積zui??；

(5) 經(jīng)濟性考慮：過(guò)大的氣流速度造成投資及運行費用的增加，合適的氣流速度為以上諸因素合理的綜合，過(guò)大往往不必要，亦不一定有效果；

(6) 對潔凈度要求低的潔凈室，有時(shí)換氣次數決定于室內排熱的要求。

以上因素，皆很難量化，只能分析對比并估計。因此在工程應用中，對潔凈室的氣流速度往往參照有關(guān)規范、導則等的推薦或參考值，再按具體情況估計以上各影響因素進(jìn)行綜合考慮后確定。

氣流速度用于單向流潔凈室；非單向流潔凈室宜用換氣次數，因為其氣流速度難于測準；亦有用末級過(guò)濾滿(mǎn)布率來(lái)反映的，可用于各種氣流流型的潔凈室，一般滿(mǎn)布率 100% 相對于流速 0.5m/s （ 100fpm ）， 25% 相對于 0.125m/s （ 25fpm ）。當前有關(guān)規范、導則等的推薦或參考值見(jiàn)表 1 。

注： 1 、 ISO14644-4 對于氣流速度 / 換氣次數是明確作為參考資料的，表中所列僅適用于微電子及 IC 工廠(chǎng)；對制藥廠(chǎng)只列 ISO5 級氣流速度 >0.2m/s ，對 ISO6 ～ 8 級皆未列出參考值。

2 、（ M ）指混合流， N 指非單向流； * 指對污染源已采取有效的隔離措施的潔凈區。

表 1 中有關(guān)氣流速度和換氣次數的推薦或參考值，應該說(shuō)是經(jīng)驗的反映。如 ISO/DIS14664-4 提出的數值皆明確適用于那類(lèi)潔凈室的； IEST 的推薦值亦是被一些機構認為僅適用于半導體工廠(chǎng)。由于具體情況變化較大，有的經(jīng)驗值可能已不適合當前的室內塵源控制措施及過(guò)濾器效率提高的情況。

2.2 對有關(guān)推薦或參考值的討論

近年來(lái)不少人通過(guò)實(shí)驗認為這些推薦或參考值過(guò)于保守，其論點(diǎn)可歸納為：

(1) 潔凈室內氣流的橫向擴散只在甚低的流速下才有可能，單向流在合理的氣流組織下，流速 0.05 ～ 0.1m/s 就足夠帶走污染物，在此流速下亞微米粒子的擴散性能遠低于對流性能；而大于 0.36m/s 的氣流速度反而易千百萬(wàn)渦流，引起污染物的再卷入。因此，潔凈室的理想自?xún)魰r(shí)間 Tr= 體積 / 流率，到一定值后由于污染物的再卷入，再增大氣流速度，實(shí)際的 Tr 并不再有明顯的減少。

(2) 末級過(guò)濾器的效率對潔凈度的影響是值得起注意的。有的氣流速度 / 換氣次數推薦或參考值對末級過(guò)濾器效率提高的因素往往沒(méi)作考慮。當前 HEPA/ULPA 的效率從 99.67% 、 99.99% 、 99.999% 、 99.9995% 直至 8 個(gè) 9 以上都可選擇。其效率對氣流速度的影響除以上已提及外，以下方面亦值得引起注意，在非單向流情況下，按衡釋原理的潔凈室內含塵濃度穩定公式可以得出：

(a) 室內發(fā)塵量較高時(shí)，末級過(guò)濾器效率的變化對潔凈度影響甚微，因此在這種情況下，過(guò)高的過(guò)濾效率是無(wú)必要的。

(b) 室內發(fā)生塵量較低的情況下，采用低的氣流速度下，末級過(guò)濾器效率的變速器變化，對潔凈度的影響增大。

以上情況可以引用的圖 1a ～ 1c 看出。

作圖有關(guān)數據：

新風(fēng)進(jìn)末過(guò)濾器前的含塵濃度 1.75×106 個(gè) /m3

室內發(fā)生量 :G1=350 個(gè) /m3.min

G2=3500 個(gè) /m3.min

G3=35000 個(gè) /m3.min

G4=350000 個(gè) /m3.min

新風(fēng)量對于全空氣量的比率 0.03

當前有的 IC 工廠(chǎng)其 ISO5 級 (0.3μm) 的潔凈室，采用 FFU 系統 , 帶 ULPA(99.9995%,0.12μm) ，出口風(fēng)速為 0.38m/s ，其滿(mǎn)布率為 25% ，這樣室內平均氣流速度為 0.095m/s ，在各有關(guān)推薦或參考值的下限下。此潔凈室的工藝加工在微環(huán)境內潔凈室內的人員亦較少，可以認為潔凈室內發(fā)生較低，這種情況下采用低的氣流速度可能是可取的。

據報道，目前 IEST 對潔凈室內氣流速度推薦值的下限有所降低，如：

≤ISO5 級：氣流速度 0.2 ～ 0.5m/s ；

ISO6 級或 5 級（非單向流）；換氣次數＞ 200 次 /h ；

ISO7 級：換氣次數 20 ～ 200 次 /h;

ISO8 級：換氣次數 2 ～ 20 次 /h;

三 .FFU 系統的應用

3.1 當前 FFU 的情況

FFU 在使用壽命及維護上已經(jīng)實(shí)踐證明無(wú)可擔心。當前其改進(jìn)主要是：

(1) 采取均流及減少噪音的措施，噪音可在 50db 以?xún)?/span> ;

(2) 電動(dòng)機采用 DC/EC （電子整流電機），以耗較原交流電機節約近 50% ，因為小風(fēng)機所用小容量（功率 <1/2HP ）的交流電機，一般皆為電容分相式或隱極式，其效率僅 40% 左右，而 DC/EC 電機的效率可達 75 ～ 80% ；在調速控制上可每臺單獨的以過(guò)濾器降壓進(jìn)行控制以節約能耗，但目前投資回收期尚長(cháng)而未廣泛采用，一般常用分組群控或全部群控。

(3) 但 FF 瓣出口靜壓不能過(guò)大，一般采用出口風(fēng)速成 0.38m/s ，此時(shí)其靜壓一般在 250Pa 以?xún)取?/span>

3.2FFU 回風(fēng)系統與其他方式相比的優(yōu)點(diǎn)

3.2.1 一般評價(jià)

優(yōu)點(diǎn)：

(1) 靈活性大，便于改造；

(2) 占用建筑物空間較少；

(3) 潔凈室內空氣壓力大于回風(fēng)靜壓室，排除靜壓室對潔凈室污染的可能性。

缺點(diǎn)：

(1) 要求回風(fēng)道全部阻力（包括多孔地板、格柵及風(fēng)道）、干表冷器阻力及末級過(guò)濾器的阻力（在初阻力時(shí)），總共應控制在 165Pa 左右，以滿(mǎn)足運行時(shí)zui大阻力在 250Pa 以?xún)?。因此干表冷器的傳熱面積要較大，回風(fēng)道尺寸亦要較大，多孔地板及格柵等的阻力要小，一般作法是：控制干表冷器阻力在 50Pa 左右，回風(fēng)道阻力在 15Pa 以?xún)?，否則就需要再增設加壓風(fēng)機系統，這就是降低了 FFU 系統的綜合優(yōu)點(diǎn)。

(2) 采用 DC/EC 電機后，單位風(fēng)量的能耗可能比當前一般大型離心風(fēng)機的集中系統為低，但已有研究指出，比采用改進(jìn)后的大型軸流風(fēng)機的回風(fēng)系統的能耗還是要高。因此需要注意大型軸流風(fēng)機的效率提高及其系統的阻力降低的因素。

(3) 一般 FFU 系統由于單位風(fēng)量的能耗較大，因此潔凈室的冷負荷亦相應增加。

3.2.2 具體情況下的評價(jià)

(1)FFU 用于老建筑物改造成潔凈室時(shí)，其綜合經(jīng)濟性一般往往可取。

(2) 潔凈度要求嚴的潔凈室，末級過(guò)濾器滿(mǎn)布率 100% 時(shí)，對大的系統采用 FFU ，當前還是不經(jīng)濟的；對小系統有意義作具體比較。

(3) 對潔凈度要求不甚嚴的潔凈室，末級過(guò)濾器滿(mǎn)布率 ≤40% 時(shí)對大系統綜合經(jīng)濟性往往相差不多，但對 IC 工廠(chǎng)而言 FFU 系統的靈活性是重要的，因此當前 IC 工廠(chǎng)對過(guò)濾器滿(mǎn)布率 ≤40% 時(shí)，采用 FFU 系統已經(jīng)普遍。

四 . 懸浮分子污染（ AMC ）

4.1AMC 的分類(lèi)及控制要求情況

AMC 作為 IC 工廠(chǎng)所關(guān)心的問(wèn)題于 20 年前zui先由日本人提出，近年來(lái)， IC 生產(chǎn)園片直徑已達 φ300mm ，工藝加工尺寸（線(xiàn)寬）已小于 0.15μm ，在某些加工工序及工序間園片的傳送和存放環(huán)境中 AMC 已成為嚴重影響成品率的問(wèn)題，已被清楚的認識到，因此， AMC 的控制已由談?wù)撧D到需要實(shí)施。

對于 IC 生產(chǎn)， AMC 分為 A 、 B 、 C 、 D 四類(lèi)，即：

A—— 酸性物質(zhì)，如 Hcl 等；

B—— 堿性物質(zhì)，如 NH3 等；

C—— 沸點(diǎn)高于室溫能在光潔表面冷凝的物質(zhì)，主要是碳氫化合物，某些工藝加工環(huán)境中的水蒸汽亦需要考慮；

D—— 摻雜物質(zhì)，能為園片表面吸附或與表面相互反應的物質(zhì)，如砷、硼、磷等。

AMC 對當前的 IC 生產(chǎn)其潛在的污染比粒子污染要廣泛多，粒子污染控制只要確定粒徑及個(gè)數，但對 AMC 控制而言，除了受芯片線(xiàn)寬的縮小而變化外，并受工藝、工藝設備、工藝材料及園片傳送系統等的影響，更有甚者用于某一工序的各種工藝材料（化學(xué)品、特種氣體等）在很多情況下其微量的分子對下一工序往往可能是污染物，而園片加工工序當前已多于 300 多個(gè)獨立工序，對 AMC 控制指標的確定更是復雜。因此， IC 生產(chǎn)對 AMC 的控制，對不同的產(chǎn)品、不同的工藝、不同的工序及不同的工藝材料會(huì )有不同的要求，對各種污染物質(zhì)的要求當前總的說(shuō)法是控制在亞 pptm ～ 1000pptm 間。

4.2AMC 控制的實(shí)施情況

對線(xiàn)寬 0.25μm 的 IC 生產(chǎn)，一般已常在新風(fēng)處理中設活性炭過(guò)濾器；有關(guān)關(guān)鍵工序以及工序間園片的傳送及存放，有的生產(chǎn)廠(chǎng)采取了 AMC 控制，有的生產(chǎn)廠(chǎng)則并未進(jìn)行控制，主要在于經(jīng)濟效果的衡量上，有關(guān)具體控制要求及措施報道甚少見(jiàn)，可能是由于保密的原因，但一點(diǎn)可以肯定，只能在局部環(huán)境內進(jìn)行控制。

為滿(mǎn)足 φ300mm 園片，＜ 0.15mm 線(xiàn)寬的加工要求，近年來(lái)對 AMC 控制，重點(diǎn)在以下三方面開(kāi)展工作：

(1) 的測量技術(shù)及標準測試方法的建立。因為這是掌握 AMC 控制的基礎，必須先行；

(2) 按今后 IC 的生產(chǎn)要求，生產(chǎn)線(xiàn)的設備采用微環(huán)境隔離，各設備間園片的傳送采用前開(kāi)式標準片盒（ FOUPs ）系統，對園片進(jìn)行隔離。因此，早已對設備、 FOUPs 系統及微環(huán)境所用的材料要求不釋放及吸附有關(guān)懸浮分子污染物的問(wèn)題以及對此污染物的去除措施進(jìn)行研發(fā)，并不斷改進(jìn)中；

(3) 控制 AMC 的過(guò)濾器。

近年來(lái)尤其是近 2 ～ 3 年來(lái)，對控制 AMC 過(guò)濾器的開(kāi)發(fā)及推出有少進(jìn)展；

A. 不釋放 AMC 物質(zhì)的 HEPA/ULPA ；

a. 低硼超細玻璃纖維過(guò)濾器，現已在亞洲及歐洲的 IC 廠(chǎng)使用較多；

b. 多孔聚四氟乙?。?/span> ePTFE ）過(guò)濾器，為薄膜結構，價(jià)格比 a 要高出十倍左右。目前使用尚不多，正在開(kāi)發(fā)下一代的。

B. 化學(xué)過(guò)濾器

目前已推出的化學(xué)過(guò)濾器主要是：

a. 活性炭過(guò)濾器，大多數是晶粒狀的，有盤(pán)片式、蜂窩式等；亦已有活性炭纖維過(guò)濾器，具有吸附速度快的特點(diǎn)，價(jià)格尚較高；還已有晶粒與纖維粘合的過(guò)濾器。

b 無(wú)紡合成織物上浸漬各種功能晶粒（如活性炭、活性鋁，但主要是活性炭）以吸附 AMC 物質(zhì)。

至今，據報道， φ300mm 園片加工除二條試驗生產(chǎn)線(xiàn)外，已有四條生產(chǎn)線(xiàn)（德國一條、美國一條、我國中國臺灣二條）開(kāi)始運轉，對 AMC 的控制情況，當然不詳，但潔凈室環(huán)境為 ISO5 ～ 6 級，對潔凈室設計較簡(jiǎn)單些?？梢钥吹?，今后 IC 生產(chǎn)，其生產(chǎn)環(huán)境的污染控制重點(diǎn)必然轉到工藝設備及園片傳、存放系統的研發(fā)及制造上。