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63.0潔凈室技術(shù)應(yīng)用當(dāng)前的幾個(gè)熱點(diǎn)問題
63.0潔凈室技術(shù)應(yīng)用當(dāng)前的幾個(gè)熱點(diǎn)問題
一.前言
潔凈室的氣流速度/換氣次數(shù)，一直是潔凈室設(shè)計(jì)中受到關(guān)注的問題，隨著潔凈室污染源的控制效果增加及末級過濾器效率的提高等，對有關(guān)規(guī)范、導(dǎo)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(yīng)用中人們擔(dān)心的噪音、損壞維修等問題已在實(shí)踐中得到解決，隨著FFU的不斷改進(jìn)，對是否采用FFU回風(fēng)系統(tǒng)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，受到關(guān)注。以下對這些問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(yīng)用
潔凈室內(nèi)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(nèi)發(fā)塵量及過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(nèi)污染源：建筑物組件、人員數(shù)量及操作活動(dòng)、工藝設(shè)備、工藝材料及工藝加工本身等都是塵粒釋放源，根據(jù)具體情況而異，變化很大；
（2）室內(nèi)氣流流型及分布：單向流要求均勻、平等的流線，但會(huì)受到工藝設(shè)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）自凈時(shí)間（恢復(fù)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(shè)備的移動(dòng)等都會(huì)造成潔凈度的惡化，恢復(fù)到原來潔凈度的自凈時(shí)間決定于氣流速度；對自凈時(shí)間的控制要求取決于此時(shí)間框架內(nèi)（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）末級過濾器的效率：在一定的室內(nèi)發(fā)塵量下，可采用較率的過濾器以降低氣流速度；為節(jié)能應(yīng)考慮采用較率的過濾器，并降低氣流速度，或采用較低效率的過濾器并采用較高的氣流速度，以求流量與阻力的乘積zui?。?/span>
（5）經(jīng)濟(jì)性考慮：過大的氣流速度造成投資及運(yùn)行費(fèi)用的增加，合適的氣流速度為以上諸因素合理的綜合，過大往往不必要，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(shù)決定于室內(nèi)排熱的要求。
以上因素，皆很難量化，只能分析對比并估計(jì)。因此在工程應(yīng)用中，對潔凈室的氣流速度往往參照有關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則等的推薦或參考值，再按具體情況估計(jì)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(shù)，因?yàn)槠錃饬魉俣入y于測準(zhǔn)；亦有用末級過濾滿布率來反映的，可用于各種氣流流型的潔凈室，一般滿布率100%相對于流速0.5m/s（100fpm），25%相對于0.125m/s（25fpm）。當(dāng)前有關(guān)規(guī)范、導(dǎo)則等的推薦或參考值見表1。
注：1、ISO14644-4對于氣流速度/換氣次數(shù)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；對制藥廠只列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(qū)。
表1中有關(guān)氣流速度和換氣次數(shù)的推薦或參考值，應(yīng)該說是經(jīng)驗(yàn)的反映。如ISO/DIS14664-4提出的數(shù)值皆明確適用于那類潔凈室的；IEST的推薦值亦是被一些機(jī)構(gòu)認(rèn)為僅適用于半導(dǎo)體工廠。由于具體情況變化較大，有的經(jīng)驗(yàn)值可能已不適合當(dāng)前的室內(nèi)塵源控制措施及過濾器效率提高的情況。
2.2對有關(guān)推薦或參考值的討論
近年來不少人通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為這些推薦或參考值過于保守，其論點(diǎn)可歸納為：
（1）潔凈室內(nèi)氣流的橫向擴(kuò)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(kuò)散性能遠(yuǎn)低于對流性能；而大于0.36m/s的氣流速度反而易千百萬渦流，引起污染物的再卷入。因此，潔凈室的理想自凈時(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(shù)推薦或參考值對末級過濾器效率提高的因素往往沒作考慮。當(dāng)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(nèi)含塵濃度穩(wěn)定公式可以得出：
（a）室內(nèi)發(fā)塵量較高時(shí)，末級過濾器效率的變化對潔凈度影響甚微，因此在這種情況下，過高的過濾效率是無必要的。
（b）室內(nèi)發(fā)生塵量較低的情況下，采用低的氣流速度下，末級過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(shù)據(jù)：
新風(fēng)進(jìn)末過濾器前的含塵濃度1.75×106個(gè)/m3
室內(nèi)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(dāng)前有的IC工廠其ISO5級（0.3μm）的潔凈室，采用FFU系統(tǒng),帶ULPA（99.9995%,0.12μm），出口風(fēng)速為0.38m/s，其滿布率為25%，這樣室內(nèi)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(nèi)潔凈室內(nèi)的人員亦較少，可以認(rèn)為潔凈室內(nèi)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(jù)報(bào)道，目前IEST對潔凈室內(nèi)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(shù)＞200次/h；
ISO7級：換氣次數(shù)20～200次/h;
ISO8級：換氣次數(shù)2～20次/h;
三.FFU系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1當(dāng)前FFU的情況
FFU在使用壽命及維護(hù)上已經(jīng)實(shí)踐證明無可擔(dān)心。當(dāng)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以內(nèi);
（2）電動(dòng)機(jī)采用DC/EC（電子整流電機(jī)），以耗較原交流電機(jī)節(jié)約近50%，因?yàn)樾★L(fēng)機(jī)所用小容量（功率<1/2HP）的交流電機(jī)，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(jī)的效率可達(dá)75～80%；在調(diào)速控制上可每臺(tái)單獨(dú)的以過濾器降壓進(jìn)行控制以節(jié)約能耗，但目前投資回收期尚長而未廣泛采用，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以內(nèi)。
3.2FFU回風(fēng)系統(tǒng)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(nèi)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濾器的阻力（在初阻力時(shí)），總共應(yīng)控制在165Pa左右，以滿足運(yùn)行時(shí)zui大阻力在250Pa以內(nèi)。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以內(nèi)，否則就需要再增設(shè)加壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，這就是降低了FFU系統(tǒng)的綜合優(yōu)點(diǎn)。
（2）采用DC/EC電機(jī)后，單位風(fēng)量的能耗可能比當(dāng)前一般大型離心風(fēng)機(jī)的集中系統(tǒng)為低，但已有研究指出，比采用改進(jìn)后的大型軸流風(fēng)機(jī)的回風(fēng)系統(tǒng)的能耗還是要高。因此需要注意大型軸流風(fēng)機(jī)的效率提高及其系統(tǒng)的阻力降低的因素。
（3）一般FFU系統(tǒng)由于單位風(fēng)量的能耗較大，因此潔凈室的冷負(fù)荷亦相應(yīng)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(jì)性一般往往可取。
（2）潔凈度要求嚴(yán)的潔凈室，末級過濾器滿布率100%時(shí)，對大的系統(tǒng)采用FFU，當(dāng)前還是不經(jīng)濟(jì)的；對小系統(tǒng)有意義作具體比較。
（3）對潔凈度要求不甚嚴(yán)的潔凈室，末級過濾器滿布率≤40%時(shí)對大系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)性往往相差不多，但對IC工廠而言FFU系統(tǒng)的靈活性是重要的，因此當(dāng)前IC工廠對過濾器滿布率≤40%時(shí)，采用FFU系統(tǒng)已經(jīng)普遍。
四.懸浮分子污染（AMC）
4.1AMC的分類及控制要求情況
AMC作為IC工廠所關(guān)心的問題于20年前zui先由日本人提出，近年來，IC生產(chǎn)園片直徑已達(dá)φ300mm，工藝加工尺寸（線寬）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(yán)重影響成品率的問題，已被清楚的認(rèn)識(shí)到，因此，AMC的控制已由談?wù)撧D(zhuǎn)到需要實(shí)施。
對于IC生產(chǎn)，AMC分為A、B、C、D四類，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?xì)浠衔?，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(yīng)的物質(zhì)，如砷、硼、磷等。
AMC對當(dāng)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(shù)，但對AMC控制而言，除了受芯片線寬的縮小而變化外，并受工藝、工藝設(shè)備、工藝材料及園片傳送系統(tǒng)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(dāng)前已多于300多個(gè)獨(dú)立工序，對AMC控制指標(biāo)的確定更是復(fù)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(dāng)前總的說法是控制在亞pptm～1000pptm間。
4.2AMC控制的實(shí)施情況
對線寬0.25μm的IC生產(chǎn)，一般已常在新風(fēng)處理中設(shè)活性炭過濾器；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)廠采取了AMC控制，有的生產(chǎn)廠則并未進(jìn)行控制，主要在于經(jīng)濟(jì)效果的衡量上，有關(guān)具體控制要求及措施報(bào)道甚少見，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(nèi)進(jìn)行控制。
為滿足φ300mm園片，＜0.15mm線寬的加工要求，近年來對AMC控制，重點(diǎn)在以下三方面開展工作：
（1）的測量技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)測試方法的建立。因?yàn)檫@是掌握AMC控制的基礎(chǔ)，必須先行；
（2）按今后IC的生產(chǎn)要求，生產(chǎn)線的設(shè)備采用微環(huán)境隔離，各設(shè)備間園片的傳送采用前開式標(biāo)準(zhǔn)片盒（FOUPs）系統(tǒng)，對園片進(jìn)行隔離。因此，早已對設(shè)備、FOUPs系統(tǒng)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的過濾器。
近年來尤其是近2～3年來，對控制AMC過濾器的開發(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(xì)玻璃纖維過濾器，現(xiàn)已在亞洲及歐洲的IC廠使用較多；
b.多孔聚四氟乙?。╡PTFE）過濾器，為薄膜結(jié)構(gòu)，價(jià)格比a要高出十倍左右。目前使用尚不多，正在開發(fā)下一代的。
B.化學(xué)過濾器
目前已推出的化學(xué)過濾器主要是：
a.活性炭過濾器，大多數(shù)是晶粒狀的，有盤片式、蜂窩式等；亦已有活性炭纖維過濾器，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濾器。
b無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(jù)報(bào)道，φ300mm園片加工除二條試驗(yàn)生產(chǎn)線外，已有四條生產(chǎn)線（德國一條、美國一條、我國中國臺(tái)灣二條）開始運(yùn)轉(zhuǎn)，對AMC的控制情況，當(dāng)然不詳，但潔凈室環(huán)境為ISO5～6級，對潔凈室設(shè)計(jì)較簡單些。可以看到，今后IC生產(chǎn)，其生產(chǎn)環(huán)境的污染控制重點(diǎn)必然轉(zhuǎn)到工藝設(shè)備及園片傳、存放系統(tǒng)的研發(fā)及制造上。
