潔淨室設計中的(de)幾點熱(rè)門問題

對(duì)當前較被關心的(de)問題，如潔淨室的(de)氣流速度的(de)确定，FFU系統的(de)應用(yòng)及懸浮分(fēn)子污染控制，進行情況歸納和(hé)分(fēn)析。

一.前言

潔淨室的(de)氣流速度/換氣次數，一直是潔淨室設計中受到關注的(de)問題，随著(zhe)潔淨室污染源的(de)控制效果增加及末級過濾器效率的(de)提高(gāo)等，對(duì)有關規範、導則等提出的(de)推薦或參考值是否偏于保守，已有不少討(tǎo)論；FFU在應用(yòng)中人(rén)們擔心的(de)噪音(yīn)、損壞維修等問題已在實踐中得(de)到解決，随著(zhe)FFU的(de)不斷改進，對(duì)是否采用(yòng)FFU回風系統也(yě)是個(gè)熱(rè)點：懸浮分(fēn)子污染（AMC）的(de)控制在微電子及IC工業中已日益提到日程上來(lái)，受到關注。以下(xià)對(duì)這(zhè)些問題的(de)情況分(fēn)别作歸納和(hé)分(fēn)析。

二.氣流速度

2.1有關推薦或參考值的(de)應用(yòng)

潔淨室内一定潔淨度下(xià)氣流速度的(de)确定，随潔淨室用(yòng)途等具體情況而異，它不僅受室内發塵量及過濾器效率還(hái)受其他(tā)因素影(yǐng)響，就工業潔淨室而言，影(yǐng)響潔淨度及選擇氣流速度的(de)因素主要是：

（1）室内污染源：建築物(wù)組件、人(rén)員(yuán)數量及操作活動、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(huà)很大(dà)；

（2）室内氣流流型及分(fēn)布：單向流要求均勻、平等的(de)流線，但會受到工藝設備布置和(hé)位置變動及人(rén)員(yuán)活動情況等的(de)幹擾形成局部渦流；而非單向流要求充混合，避免溫度分(fēn)層；

（3）自淨時(shí)間（恢複時(shí)間）的(de)控制要求：潔淨室中事故釋放或帶入污染物(wù)或空氣氣流的(de)中斷或正常操作時(shí)的(de)間歇性對(duì)流氣流或人(rén)及設備的(de)移動等都會造成潔淨度的(de)惡化(huà)，恢複到原來(lái)潔淨度的(de)自淨時(shí)間決定于氣流速度；對(duì)自淨時(shí)間的(de)控制要求取決于此時(shí)間框架内（惡化(huà)的(de)潔淨度下(xià)），對(duì)産品生産的(de)質量及成品率影(yǐng)響的(de)承受能力；

（4）末級過濾器的(de)效率：在一定的(de)室内發塵量下(xià)，可(kě)采用(yòng)較過濾器以降低氣流速度；爲節能應考慮采用(yòng)較過濾器，并降低氣流速度，或采用(yòng)較低效率的(de)過濾器并采用(yòng)較高(gāo)的(de)氣流速度，以求流量與阻力的(de)乘積小；

（5）經濟性考慮：過大(dà)的(de)氣流速度造成投資及運行費用(yòng)的(de)增加，合适的(de)氣流速度爲以上諸因素合理(lǐ)的(de)綜合，過大(dà)往往不必要，亦不一定有效果；

（6）對(duì)潔淨度要求低的(de)潔淨室，有時(shí)換氣次數決定于室内排熱(rè)的(de)要求。

以上因素，皆很難量化(huà)，隻能分(fēn)析對(duì)比并估計。因此在工程應用(yòng)中，對(duì)潔淨室的(de)氣流速度往往參照(zhào)有關規範、導則等的(de)推薦或參考值，再按具體情況估計以上各影(yǐng)響因素進行綜合考慮後确定。

氣流速度用(yòng)于單向流潔淨室；非單向流潔淨室宜用(yòng)換氣次數，因爲其氣流速度難于測準；亦有用(yòng)末級過濾滿布率來(lái)反映的(de)，可(kě)用(yòng)于各種氣流流型的(de)潔淨室，一般滿布率相對(duì)于流速0.5m/s（100fpm），25%相對(duì)于0.125m/s（25fpm）。當前有關規範、導則等的(de)推薦或參考值見表1。

此主題相關圖片如下(xià)：

表1中有關氣流速度和(hé)換氣次數的(de)推薦或參考值，應該說是經驗的(de)反映。如ISO/DIS 14664-4提出的(de)數值皆明(míng)确适用(yòng)于那類潔淨室的(de)；IEST的(de)推薦值亦是被一些權威機構認爲僅适用(yòng)于半導體工廠。由于具體情況變化(huà)較大(dà)，有的(de)經驗值可(kě)能已不适合當前的(de)室内塵源控制措施及過濾器效率提高(gāo)的(de)情況。

2.2對(duì)有關推薦或參考值的(de)討(tǎo)論

近年來(lái)不少人(rén)通(tōng)過實驗認爲這(zhè)些推薦或參考值過于保守，其論點可(kě)歸納爲：

（1）潔淨室内氣流的(de)橫向擴散隻在甚低的(de)流速下(xià)才有可(kě)能，單向流在合理(lǐ)的(de)氣流組織下(xià)，流速0.05～0.1m/s就足夠帶走污染物(wù)，在此流速下(xià)亞微米粒子的(de)擴散性能遠(yuǎn)低于對(duì)流性能；而大(dà)于0.36m/s的(de)氣流速度反而易千百萬渦流，引起污染物(wù)的(de)再卷入。因此，潔淨室的(de)理(lǐ)想自淨時(shí)間Tr=體積/流率，到一定值後由于污染物(wù)的(de)再卷入，再增大(dà)氣流速度，實際的(de)Tr并不再有明(míng)顯的(de)減少。

（2）末級過濾器的(de)效率對(duì)潔淨度的(de)影(yǐng)響是值得(de)起注意的(de)。有的(de)氣流速度/換氣次數推薦或參考值對(duì)末級過濾器效率提高(gāo)的(de)因素往往沒作考慮。當前HEPA/ULPA的(de)效率從99.67%、99.99%、99.999%、99.9995%直至8個(gè)9以上都可(kě)選擇。其效率對(duì)氣流速度的(de)影(yǐng)響除以上已提及外，以下(xià)方面亦值得(de)引起注意，在非單向流情況下(xià)，按衡釋原理(lǐ)的(de)潔淨室内含塵濃度穩定公式可(kě)以得(de)出：

（a）室内發塵量較高(gāo)時(shí)，末級過濾器(參考www.bacclean.com)效率的(de)變化(huà)對(duì)潔淨度影(yǐng)響甚微，因此在這(zhè)種情況下(xià)，過高(gāo)的(de)過濾效率是無必要的(de)。

（b）室内發生塵量較低的(de)情況下(xià)，采用(yòng)低的(de)氣流速度下(xià)，末級過濾器效率的(de)變速器變化(huà)，對(duì)潔淨度的(de)影(yǐng)響增大(dà)。

以上情況可(kě)以引用(yòng)的(de)圖1a～1c看出。

此主題相關圖片如下(xià)：

作圖有關數據：

新風進末過濾器前的(de)含塵濃度1.75×106個(gè)/m3

室内發生量:G1=350個(gè)/m3.min

G2=3500個(gè)/m3.min

G3=35000個(gè)/m3.min

G4=350000個(gè)/m3.min

新風量對(duì)于全空氣量的(de)比率 0.03

當前有的(de)IC工廠其ISO5級（0.3μm）的(de)潔淨室，采用(yòng)FFU系統,帶ULPA（99.9995%,0.12μm），出口風速爲0.38m/s，其滿布率爲25%，這(zhè)樣室内平均氣流速度爲0.095m/s，在各有關推薦或參考值的(de)下(xià)限下(xià)。此潔淨室的(de)工藝加工在微環境内潔淨室内的(de)人(rén)員(yuán)亦較少，可(kě)以認爲潔淨室内發生較低，這(zhè)種情況下(xià)采用(yòng)低的(de)氣流速度可(kě)能是可(kě)取的(de)。

據報道，目前IEST對(duì)潔淨室内氣流速度推薦值的(de)下(xià)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(de)應用(yòng)

3.1當前FFU的(de)情況

FFU在使用(yòng)壽命及維護上已經實踐證明(míng)無可(kě)擔心。當前其改進主要是：

（1）采取均流及減少噪音(yīn)的(de)措施，噪音(yīn)可(kě)在50db以内;

（2）電動機采用(yòng)DC/EC（電子整流電機），以耗較原交流電機節約近50%，因爲小風機所用(yòng)小容量（功率<1/2HP）的(de)交流電機，一般皆爲電容分(fēn)相式或隐極式，其效率僅40%左右，而DC/EC電機的(de)效率可(kě)達75～80%；在調速控制上可(kě)每台單獨的(de)以過濾器降壓進行控制以節約能耗，但目前投資回收期尚長(cháng)而未廣泛采用(yòng)，一般常用(yòng)分(fēn)組群控或全部群控。

（3）但FF瓣出口靜壓不能過大(dà)，一般采用(yòng)出口風速成0.38m/s，此時(shí)其靜壓一般在250Pa以内。

3.2FFU回風系統與其他(tā)方式相比的(de)優點

3.2.1一般評價

優點：

（1）靈活性大(dà)，便于改造；

（2）占用(yòng)建築物(wù)空間較少；

（3）潔淨室内空氣壓力大(dà)于回風靜壓室，排除靜壓室對(duì)潔淨室污染的(de)可(kě)能性。

缺點：

（1）要求回風道全部阻力（包括多(duō)孔地闆、格栅及風道）、幹表冷(lěng)器阻力及末級過濾器的(de)阻力（在初阻力時(shí)），總共應控制在165Pa左右，以滿足運行時(shí)大(dà)阻力在250Pa以内。因此幹表冷(lěng)器的(de)傳熱(rè)面積要較大(dà)，回風道尺寸亦要較大(dà)，多(duō)孔地闆及格栅等的(de)阻力要小，一般作法是：控制幹表冷(lěng)器阻力在50Pa左右，回風道阻力在15Pa以内，否則就需要再增設加壓風機系統，這(zhè)就是降低了(le)FFU系統的(de)綜合優點。

（2）采用(yòng)DC/EC電機後，單位風量的(de)能耗可(kě)能比當前一般大(dà)型離心風機的(de)集中系統爲低，但已有研究指出，比采用(yòng)改進後的(de)大(dà)型軸流風機的(de)回風系統的(de)能耗還(hái)是要高(gāo)。因此需要注意大(dà)型軸流風機的(de)效率提高(gāo)及其系統的(de)阻力降低的(de)因素。

（3）一般FFU系統由于單位風量的(de)能耗較大(dà)，因此潔淨室的(de)冷(lěng)負荷亦相應增加。

3.2.2具體情況下(xià)的(de)評價

（1）FFU用(yòng)于老建築物(wù)改造成潔淨室時(shí)，其綜合經濟性一般往往可(kě)取。

（2）潔淨度要求嚴的(de)潔淨室，末級過濾器滿布率時(shí)，對(duì)大(dà)的(de)系統采用(yòng)FFU，當前還(hái)是不經濟的(de)；對(duì)小系統有意義作具體比較。

（3）對(duì)潔淨度要求不甚嚴的(de)潔淨室，末級過濾器滿布率≤40%時(shí)對(duì)大(dà)系統綜合經濟性往往相差不多(duō)，但對(duì)IC工廠而言FFU系統的(de)靈活性是重要的(de)，因此當前IC工廠對(duì)過濾器滿布率≤40%時(shí)，采用(yòng)FFU系統已經普遍。

四.懸浮分(fēn)子污染（AMC）

4.1AMC的(de)分(fēn)類及控制要求情況

AMC作爲IC工廠所關心的(de)問題于20年前先由日本人(rén)提出，近年來(lái)，IC生産園片直徑已達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(de)傳送和(hé)存放環境中AMC已成爲嚴重影(yǐng)響成品率的(de)問題，已被清楚的(de)認識到，因此，AMC的(de)控制已由談論轉到需要實施。

對(duì)于IC生産，AMC分(fēn)爲A、B、C、D四類，即：

A——酸性物(wù)質，如Hcl等；

B——堿性物(wù)質，如NH3等；

C——沸點高(gāo)于室溫能在光(guāng)潔表面冷(lěng)凝的(de)物(wù)質，主要是碳氫化(huà)合物(wù)，某些工藝加工環境中的(de)水(shuǐ)蒸汽亦需要考慮；

D——摻雜(zá)物(wù)質，能爲園片表面吸附或與表面相互反應的(de)物(wù)質，如砷、硼、磷等。

AMC對(duì)當前的(de)IC生産其潛在的(de)污染比粒子污染要廣泛多(duō)，粒子污染控制隻要确定粒徑及個(gè)數，但對(duì)AMC控制而言，除了(le)受芯片線寬的(de)縮小而變化(huà)外，并受工藝、工藝設備、工藝材料及園片傳送系統等的(de)影(yǐng)響，更有甚者用(yòng)于某一工序的(de)各種工藝材料（化(huà)學品、特種氣體等）在很多(duō)情況下(xià)其微量的(de)分(fēn)子對(duì)下(xià)一工序往往可(kě)能是污染物(wù)，而園片加工工序當前已多(duō)于300多(duō)個(gè)獨立工序，對(duì)AMC控制指标的(de)确定更是複雜(zá)。因此，IC生産對(duì)AMC的(de)控制，對(duì)不同的(de)産品、不同的(de)工藝、不同的(de)工序及不同的(de)工藝材料會有不同的(de)要求，對(duì)各種污染物(wù)質的(de)要求當前總的(de)說法是控制在亞pptm～1000pptm間。

4.2AMC控制的(de)實施情況

對(duì)線寬0.25μm的(de)IC生産，一般已常在新風處理(lǐ)中設活性炭過濾器；有關關鍵工序以及工序間園片的(de)傳送及存放，有的(de)生産廠采取了(le)AMC控制，有的(de)生産廠則并未進行控制，主要在于經濟效果的(de)衡量上，有關具體控制要求及措施報道甚少見，可(kě)能是由于保密的(de)原因，但一點可(kě)以肯定，隻能在局部環境内進行控制。

爲滿足φ300mm園片，＜0.15mm線寬的(de)加工要求，近年來(lái)對(duì)AMC控制，重點在以下(xià)三方面開展工作：

（1）精确的(de)測量技術及标準測試方法的(de)建立。因爲這(zhè)是掌握AMC控制的(de)基礎，必須先行；

（2）按今後IC的(de)生産要求，生産線的(de)設備采用(yòng)微環境隔離，各設備間園片的(de)傳送采用(yòng)前開式标準片盒（FOUPs）系統，對(duì)園片進行隔離。因此，早已對(duì)設備、FOUPs系統及微環境所用(yòng)的(de)材料要求不釋放及吸附有關懸浮分(fēn)子污染物(wù)的(de)問題以及對(duì)此污染物(wù)的(de)去除措施進行研發，并不斷改進中；

（3）控制AMC的(de)過濾器。

近年來(lái)尤其是近2～3年來(lái)，對(duì)控制AMC過濾器的(de)開發及推出有少進展；

A.不釋放AMC物(wù)質的(de)HEPA/ULPA；

a.低硼超細玻璃纖維過濾器，現已在亞洲及歐洲的(de)IC廠使用(yòng)較多(duō)；

b.多(duō)孔聚四氟乙稀（ePTFE）過濾器，爲薄膜結構，價格比a要高(gāo)出十倍左右。目前使用(yòng)尚不多(duō)，正在開發下(xià)一代的(de)。

B.化(huà)學過濾器

目前已推出的(de)化(huà)學過濾器主要是：

a.活性炭過濾器，大(dà)多(duō)數是晶粒狀的(de)，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(kuài)的(de)特點，價格尚較高(gāo)；還(hái)已有晶粒與纖維粘合的(de)過濾器。

b無紡合成織物(wù)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(wù)質。

至今，據報道，φ300mm園片加工除二條試驗生産線外，已有四條生産線（德國一條、美(měi)國一條、我國台灣二條）開始運轉，對(duì)AMC的(de)控制情況，當然不詳，但潔淨室環境爲ISO5～6級，對(duì)潔淨室設計較簡單些。可(kě)以看到，今後IC生産，其生産環境的(de)污染控制重點必然轉到工藝設備及園片傳、存放系統的(de)研發及制造上.