凈化無塵車間技術(shù)應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問題(凈化工程)

一.前言
凈化無塵車間的氣流速度/換氣次數(shù)，一直是凈化無塵車間設(shè)計(jì)中受到關(guān)注的問題，隨著凈化無塵車間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
凈化無塵車間內(nèi)一定潔凈度下氣流速度的確定，隨凈化無塵車間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)凈化無塵車間而言，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：凈化無塵車間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，可采用較高效率的過濾器以降低氣流速度；為節(jié)能應(yīng)考慮采用較高效率的過濾器，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最小；

(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)對潔凈度要求低的凈化無塵車間，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，對凈化無塵車間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凈化無塵車間；非單向流凈化無塵車間宜用換氣次數(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凈化無塵車間，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、ISO 14644-4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ISO 5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/DIS 14664-4提出的數(shù)值皆明確適用于那類凈化無塵車間的；IEST的推薦值亦是被一些權(quán)威機(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)凈化無塵車間內(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，凈化無塵車間的理想自凈時(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

凈化無塵車間內(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)的凈化無塵車間，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。此凈化無塵車間的工藝加工在微環(huán)境內(nèi)凈化無塵車間內(nèi)的人員亦較少，可以認(rèn)為凈化無塵車間內(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對凈化無塵車間內(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)凈化無塵車間內(nèi)空氣壓力大于回風(fēng)靜壓室，排除靜壓室對凈化無塵車間污染的可能性。

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)更大阻力在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，因此凈化無塵車間的冷負(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凈化無塵車間時(shí)，其綜合經(jīng)濟(jì)性一般往往可取。

(2)潔凈度要求嚴(yán)的凈化無塵車間，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)的凈化無塵車間，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年前最先由日本人提出，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)精確的測量技術(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、我國臺(tái)灣二條）開始運(yùn)轉(zhuǎn)，對AMC的控制情況，當(dāng)然不詳，但凈化無塵車間環(huán)境為ISO5～6級，對凈化無塵車間設(shè)計(jì)較簡單些?？梢钥吹剑窈驣C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。