潔凈室技術(shù)應(yīng)用中當(dāng)前的幾個問題

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、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，但會受到工藝設(shè)備布置和位置變動及人員活動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) 自凈時間（恢復(fù)時間）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的間歇性對流氣流或人及設(shè)備的移動等都會造成潔凈度的惡化，恢復(fù)到原來潔凈度的自凈時間決定于氣流速度；對自凈時間的控制要求取決于此時間框架內(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小；

(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 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，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 /m3

室內(nèi)發(fā)生量 :G1=350 個 /m3.min

G2=3500 個 /m3.min

G3=35000 個 /m3.min

G4=350000 個 /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

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），總共應(yīng)控制在 165Pa 左右，以滿足運(yùn)行時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

(1)FFU 用于老建筑物改造成潔凈室時，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，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，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衔铮承┕に嚰庸きh(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. 多孔聚四氟乙稀（ ePTFE ）過濾器，為薄膜結(jié)構(gòu)，價格比 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。