凈化無(wú)塵車間技術(shù)應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題(凈化工程)

一.前言
凈化無(wú)塵車間的氣流速度/換氣次數(shù)，一直是凈化無(wú)塵車間設(shè)計(jì)中受到關(guān)注的問(wèn)題，隨著凈化無(wú)塵車間污染源的控制效果增加及末級(jí)過(guò)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(wèn)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(lái)，受到關(guān)注。以下對(duì)這些問(wèn)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(wú)塵車間內(nèi)一定潔凈度下氣流速度的確定，隨凈化無(wú)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(guò)濾器效率還受其他因素影響，就工業(yè)凈化無(wú)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：?jiǎn)蜗蛄饕缶鶆?、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(wú)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(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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)濾器，并降低氣流速度，或采用較低效率的過(guò)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(guò)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(guò)大往往不必要，亦不一定有效果；

(6)對(duì)潔凈度要求低的凈化無(wú)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(duì)比并估計(jì)。因此在工程應(yīng)用中，對(duì)凈化無(wú)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(wú)塵車間；非單向流凈化無(wú)塵車間宜用換氣次數(shù)，因?yàn)槠錃饬魉俣入y于測(cè)準(zhǔn)；亦有用末級(jí)過(guò)濾滿布率來(lái)反映的，可用于各種氣流流型的凈化無(wú)塵車間，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(jiàn)表1。

注：1、ISO 14644-4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ISO 5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(shuō)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(wú)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(guò)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(lái)不少人通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為這些推薦或參考值過(guò)于保守，其論點(diǎn)可歸納為：
(1)凈化無(wú)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(duì)流性能；而大于0.36m/s的氣流速度反而易千百萬(wàn)渦流，引起污染物的再卷入。因此，凈化無(wú)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(jí)過(guò)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(guò)濾器效率提高的因素往往沒(méi)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

凈化無(wú)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(jí)過(guò)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(guò)高的過(guò)濾效率是無(wú)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(guò)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(guò)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)的凈化無(wú)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(wú)塵車間的工藝加工在微環(huán)境內(nèi)凈化無(wú)塵車間內(nèi)的人員亦較少，可以認(rèn)為凈化無(wú)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(duì)凈化無(wú)塵車間內(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(wú)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(guò)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(guò)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)凈化無(wú)塵車間內(nèi)空氣壓力大于回風(fēng)靜壓室，排除靜壓室對(duì)凈化無(wú)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(jí)過(guò)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(wú)塵車間的冷負(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凈化無(wú)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(wú)塵車間，末級(jí)過(guò)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)的凈化無(wú)塵車間，末級(jí)過(guò)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(guò)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(wèn)題于20年前最先由日本人提出，近年來(lái)，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(wèn)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?，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(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(shuō)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(guò)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(jiàn)，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(lái)對(duì)AMC控制，重點(diǎn)在以下三方面開(kāi)展工作：

(1)精確的測(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(kāi)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(wèn)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(guò)濾器。
近年來(lái)尤其是近2～3年來(lái)，對(duì)控制AMC過(guò)濾器的開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)下一代的。

B.化學(xué)過(guò)濾器

目前已推出的化學(xué)過(guò)濾器主要是：

a.活性炭過(guò)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(guò)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(guò)濾器。

b無(wú)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(guó)一條、美國(guó)一條、我國(guó)臺(tái)灣二條）開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)AMC的控制情況，當(dāng)然不詳，但凈化無(wú)塵車間環(huán)境為ISO5～6級(jí)，對(duì)凈化無(wú)塵車間設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單些?？梢钥吹?，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。