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            潔凈室技術應用當前的幾個熱點問題
            .前言

            潔凈室的氣流速度/換氣次數,一直是潔凈室設計中受到關注的問題,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,對有關規范、導則等提出的推薦或參考值是否偏于保守,已有不少討論;FFU在應用中人們擔心的噪音、損壞維修等問題已在實踐中得到解決,隨著FFU的不斷改進,對是否采用FFU回風系統也是個熱點:懸浮分子污染(AMC)的控制在微電子及IC工業中已日益提到日程上來,受到關注。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有關推薦或參考值的應用

            潔凈室內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,它不僅受室內發塵量及過濾器效率還受其他因素影響,就工業潔凈室而言,影響潔凈度及選擇氣流速度的因素主要是:

            (1)室內污染源:建筑物組件、人員數量及操作活動、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,變化很大;

            (2)室內氣流流型及分布: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備的移動等都會造成潔凈度的惡化,恢復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(惡化的潔凈度下),對產品生產的質量及成品率影響的承受能力;

            (4)末級過濾器的效率:在一定的室內發塵量下,可采用較高效率的過濾器以降低氣流速度;為節能應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)經濟性考慮:過大的氣流速度造成投資及運行費用的增加,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,有時換氣次數決定于室內排熱的要求。

            以上因素,皆很難量化,只能分析對比并估計。因此在工程應用中,對潔凈室的氣流速度往往參照有關規范、導則等的推薦或參考值,再按具體情況估計以上各影響因素進行綜合考慮后確定。

            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,因為其氣流速度難于測準;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)。當前有關規范、導則等的推薦或參考值見表1。

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            注:1、ISO14644-4對于氣流速度/換氣次數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。

            表1中有關氣流速度和換氣次數的推薦或參考值,應該說是經驗的反映。如ISO/DIS14664-4提出的數值皆明確適用于那類潔凈室的;IEST的推薦值亦是被一些權威機構認為僅適用于半導體工廠。由于具體情況變化較大,有的經驗值可能已不適合當前的室內塵源控制措施及過濾器效率提高的情況。

            2.2對有關推薦或參考值的討論

            近年來不少人通過實驗認為這些推薦或參考值過于保守,其論點可歸納為:

            (1)潔凈室內氣流的橫向擴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散性能遠低于對流性能;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含塵濃度穩定公式可以得出:

            (a)室內發塵量較高時,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)室內發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。

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            作圖有關數據:

            新風進末過濾器前的含塵濃度1.75×106個/m3

            室內發生量:G1=350個/m3.min

            G2=3500個/m3.min

            G3=35000個/m3.min

            G4=350000個/m3.min

            新風量對于全空氣量的比率0.03

            當前有的IC工廠其ISO5級(0.3μm)的潔凈室,采用FFU系統,帶ULPA(99.9995%,0.12μm),出口風速為0.38m/s,其滿布率為25%,這樣室內平均氣流速度為0.095m/s,在各有關推薦或參考值的下限下。此潔凈室的工藝加工在微環境內潔凈室內的人員亦較少,可以認為潔凈室內發生較低,這種情況下采用低的氣流速度可能是可取的。

            據報道,目前IEST對潔凈室內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>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系統的應用

            3.1當前FFU的情況

            FFU在使用壽命及維護上已經實踐證明無可擔心。當前其改進主要是:

            (1)采取均流及減少噪音的措施,噪音可在50db以內;

            (2)電動機采用DC/EC(電子整流電機),以耗較原交流電機節約近50%,因為小風機所用小容量(功率<1/2HP)的交流電機,一般皆為電容分相式或隱極式,其效率僅40%左右,而DC/EC電機的效率可達75~80%;在調速控制上可每臺單獨的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,一般采用出口風速成0.38m/s,此時其靜壓一般在250Pa以內。

            3.2FFU回風系統與其他方式相比的優點

            3.2.1一般評價

            優點:

            (1)靈活性大,便于改造;

            (2)占用建筑物空間較少;

            (3)潔凈室內空氣壓力大于回風靜壓室,排除靜壓室對潔凈室污染的可能性。

            缺點:

            (1)要求回風道全部阻力(包括多孔地板、格柵及風道)、干表冷器阻力及末級過濾器的阻力(在初阻力時),總共應控制在165Pa左右,以滿足運行時最大阻力在250Pa以內。因此干表冷器的傳熱面積要較大,回風道尺寸亦要較大,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,回風道阻力在15Pa以內,否則就需要再增設加壓風機系統,這就是降低了FFU系統的綜合優點。

            (2)采用DC/EC電機后,單位風量的能耗可能比當前一般大型離心風機的集中系統為低,但已有研究指出,比采用改進后的大型軸流風機的回風系統的能耗還是要高。因此需要注意大型軸流風機的效率提高及其系統的阻力降低的因素。

            (3)一般FFU系統由于單位風量的能耗較大,因此潔凈室的冷負荷亦相應增加。

            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,其綜合經濟性一般往往可取。

            (2)潔凈度要求嚴的潔凈室,末級過濾器滿布率100%時,對大的系統采用FFU,當前還是不經濟的;對小系統有意義作具體比較。

            (3)對潔凈度要求不甚嚴的潔凈室,末級過濾器滿布率≤40%時對大系統綜合經濟性往往相差不多,但對IC工廠而言FFU系統的靈活性是重要的,因此當前IC工廠對過濾器滿布率≤40%時,采用FFU系統已經普遍。

            四.懸浮分子污染(AMC)

            4.1AMC的分類及控制要求情況

            AMC作為IC工廠所關心的問題于20年前最先由日本人提出,近年來,IC生產園片直徑已達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傳送和存放環境中AMC已成為嚴重影響成品率的問題,已被清楚的認識到,因此,AMC的控制已由談論轉到需要實施。

            對于IC生產,AMC分為A、B、C、D四類,即:

            A——酸性物質,如Hcl等;

            B——堿性物質,如NH3等;

            C——沸點高于室溫能在光潔表面冷凝的物質,主要是碳氫化合物,某些工藝加工環境中的水蒸汽亦需要考慮;

            D——摻雜物質,能為園片表面吸附或與表面相互反應的物質,如砷、硼、磷等。

            AMC對當前的IC生產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,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、工藝設備、工藝材料及園片傳送系統等的影響,更有甚者用于某一工序的各種工藝材料(化學品、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,而園片加工工序當前已多于300多個獨立工序,對AMC控制指標的確定更是復雜。因此,IC生產對AMC的控制,對不同的產品、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,對各種污染物質的要求當前總的說法是控制在亞pptm~1000pptm間。

            4.2AMC控制的實施情況

            對線寬0.25μm的IC生產,一般已常在新風處理中設活性炭過濾器;有關關鍵工序以及工序間園片的傳送及存放,有的生產廠采取了AMC控制,有的生產廠則并未進行控制,主要在于經濟效果的衡量上,有關具體控制要求及措施報道甚少見,可能是由于保密的原因,但一點可以肯定,只能在局部環境內進行控制。

            為滿足φ300mm園片,<0.15mm線寬的加工要求,近年來對AMC控制,重點在以下三方面開展工作:

            (1)精確的測量技術及標準測試方法的建立。因為這是掌握AMC控制的基礎,必須先行;

            (2)按今后IC的生產要求,生產線的設備采用微環境隔離,各設備間園片的傳送采用前開式標準片盒(FOUPs)系統,對園片進行隔離。因此,早已對設備、FOUPs系統及微環境所用的材料要求不釋放及吸附有關懸浮分子污染物的問題以及對此污染物的去除措施進行研發,并不斷改進中;

            (3)控制AMC的過濾器。

            近年來尤其是近2~3年來,對控制AMC過濾器的開發及推出有少進展;

            A.不釋放AMC物質的HEPA/ULPA;

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

            b.多孔聚四氟乙稀(ePTFE)過濾器,為薄膜結構,價格比a要高出十倍左右。目前使用尚不多,正在開發下一代的。

            B.化學過濾器

            目前已推出的化學過濾器主要是:

            a.活性炭過濾器,大多數是晶粒狀的,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,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。

            至今,據報道,φ300mm園片加工除二條試驗生產線外,已有四條生產線(德國一條、美國一條、我國臺灣二條)開始運轉,對AMC的控制情況,當然不詳,但潔凈室環境為ISO5~6級,對潔凈室設計較簡單些?梢钥吹,今后IC生產,其生產環境的污染控制重點必然轉到工藝設備及園片傳、存放系統的研發及制造上。(end)

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