潔凈室技術(shù)應(yīng)用中當(dāng)前的幾個(gè)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(jí)過濾器效率的提高等，對(duì)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(duì)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(duì)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：?jiǎn)蜗蛄饕缶鶆颉⑵降鹊牧骶€，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(duì)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(duì)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(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量及成品率影響的承受能力；

(4) 末級(jí)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(duì)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(duì)比并估計(jì)。因此在工程應(yīng)用中，對(duì)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(cè)準(zhǔn)；亦有用末級(jí)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(duì)于流速 0.5m/s （ 100fpm ）， 25% 相對(duì)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(duì)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(duì)制藥廠只列 ISO5 級(jí)氣流速度 >0.2m/s ，對(duì) ISO6 ～ 8 級(jí)皆未列出參考值。

2 、（ M ）指混合流， N 指非單向流； * 指對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)過濾器的效率對(duì)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(duì)末級(jí)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(duì)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(jí)過濾器效率的變化對(duì)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(jí)過濾器效率的變速器變化，對(duì)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(duì)于全空氣量的比率 0.03

當(dāng)前有的 IC 工廠其 ISO5 級(jí) (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(duì)潔凈室內(nèi)氣流速度推薦值的下限有所降低，如：

≤ISO5 級(jí)：氣流速度 0.2 ～ 0.5m/s ；

ISO6 級(jí)或 5 級(jí)（非單向流）；換氣次數(shù)＞ 200 次 /h ；

ISO7 級(jí)：換氣次數(shù) 20 ～ 200 次 /h;

ISO8 級(jí)：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(zhǎng)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(píng)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(duì)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(jí)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(píng)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(jí)過濾器滿布率 100% 時(shí)，對(duì)大的系統(tǒng)采用 FFU ，當(dāng)前還是不經(jīng)濟(jì)的；對(duì)小系統(tǒng)有意義作具體比較。

(3) 對(duì)潔凈度要求不甚嚴(yán)的潔凈室，末級(jí)過濾器滿布率 ≤40% 時(shí)對(duì)大系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)性往往相差不多，但對(duì) 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì) 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(duì)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(duì) AMC 控制指標(biāo)的確定更是復(fù)雜。因此， IC 生產(chǎn)對(duì) AMC 的控制，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì) AMC 控制，重點(diǎn)在以下三方面開展工作：

(1) 的測(cè)量技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(duì)園片進(jìn)行隔離。因此，早已對(duì)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(duì)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(duì)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(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(duì) AMC 的控制情況，當(dāng)然不詳，但潔凈室環(huán)境為 ISO5 ～ 6 級(jí)，對(duì)潔凈室設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)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。