討論潔淨室技術應用中的幾個熱點問題

一、前言
潔淨室的氣流速（sù）度/換氣次數，一直（zhí）是潔淨室設計中受到關注的問題，隨著潔淨（jìng）室汙染源的控製效果增加及（jí）末級過濾器效（xiào）率的提高等，對有關規範、導則等提出的（de）推薦或參考值是否偏於（yú）保守，已有不少討（tǎo）論。以（yǐ）下對這些問題的情況（kuàng）分別作歸納和分析。
二、氣流速度
1、有關推薦或參考值的應用
潔淨室內一定潔淨度下氣流速度的確定，隨潔淨室（shì）用途等具體情況而異，它不僅受室（shì）內（nèi）發塵量及過濾器（qì）效率還受其他因素影響，就工業潔（jié）淨室（shì）而言，影響潔淨度及選擇氣流速度的因素主要是（shì）：
（1）室內汙染源：建築物組件、人員（yuán）數量及（jí）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（fèn）布：單向流要（yào）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（děng）的（de）幹擾形成局部渦流；而非（fēi）單向流要求充混合（hé），避免死角及溫度（dù）分層。
（3）自淨時（shí）間（恢複時間（jiān））的控製要求：潔淨室中事故釋（shì）放或帶入汙染物或空氣氣流的中斷（duàn）或正常操作時的間歇性對流氣流或人及設備的移（yí）動等都會造成潔（jié）淨度的惡化，恢複到原來（lái）潔淨度的自淨（jìng）時（shí）間決定於氣流速度；對自淨（jìng）時間的控製要求取（qǔ）決於（yú）此時間框架內（惡化的潔淨度下），對產品生產（chǎn）的質量及成品率影響的承（chéng）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，並降低氣流速度，或采用較低效率的過濾（lǜ）器並采用較高的氣流速（sù）度（dù），以求（qiú）流量與阻（zǔ）力的（de）乘積最小。
（5）經濟性考慮：過大的氣流速度造成投（tóu）資及運行費用的（de）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（bú）必（bì）要，亦不一定有效果。
（6）對潔淨度要求低的潔淨（jìng）室，有時換氣次數決定於室（shì）內排熱的要求。
以上因素，皆很難（nán）量化，隻能分析對比（bǐ）並估計。因此在工程應用中，對潔（jié）淨室（shì）的氣流速度往往參照有關規（guī）範、導（dǎo）則等的推薦（jiàn）或（huò）參考值，再按（àn）具（jù）體情況估計以上各影響因素進行綜合考慮後確（què）定。氣流速度用於單向流潔淨室；非單向流潔淨室宜用（yòng）換氣次數，因（yīn）為其氣流（liú）速度難於測準；亦（yì）有用末級過濾滿布率來反映的，可用於各種（zhǒng）氣流流型的潔淨室，一（yī）般滿布率100%相對於（yú）流速0.5m/s（100fpm），25%相對於0.125m/s（25fpm）。應該（gāi）說是經驗的反映。如ISO/DIS14664-4提出的數值皆明確適用於那類潔淨室的；IEST的（de）推薦值亦是被一些機構認為僅適用於半導體（tǐ）工（gōng）廠。由於具體情況變化較大，有的經驗值可能已不適合當前的室內塵源控製措施及過濾器效率提高的情況。
2、對有關推薦或參考值的討（tǎo）論
近年來不少（shǎo）人通過實驗認為這些推薦或參考值過於（yú）保（bǎo）守，其論（lùn）點可歸納為：
（1）潔淨室內氣流的橫向擴散隻在甚低的流速下才有（yǒu）可能，單向流在合理的氣流組織下，流速0.05～0.1m/s就足夠帶走汙染（rǎn）物，在此（cǐ）流速下亞微米粒（lì）子的擴散性能遠低於對流性能；而大於0.36m/s的氣流速度反而易千百萬渦流，引（yǐn）起汙染物的再卷入。因此，潔淨室的理想自淨時間Tr=體積/流（liú）率（lǜ），到一定值後由於汙染物的（de）再卷入（rù），再增大氣流速度，實際的Tr並不再有明顯的（de）減少。
（2）末級過濾器的效率對潔淨度（dù）的影響是值得起（qǐ）注意的。有的氣流速（sù）度/換（huàn）氣（qì）次數推（tuī）薦或參考值對末級過（guò）濾器（qì）效率提高（gāo）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（duì）氣流速度的影響除以上已提及外，以下方（fāng）麵亦值得引起注意，在非單向流（liú）情況下，按衡釋原理的（de）潔淨室內含塵濃度穩定公（gōng）式（shì）可以得（dé）出：
（a）室內發塵量（liàng）較高時，末級過濾器效率的變化對潔淨度影響甚微，因此在這種情況（kuàng）下，過高的過濾效率是無必（bì）要的。
（b）室內發生塵（chén）量較低的情況下（xià），采用低的氣流速度下，末級過濾器效率的變速器變（biàn）化，對潔淨度（dù）的（de）影響增大。
新風進末過（guò）濾器前的含塵濃度1.75×106個/m3
室內發（fā）生量:
G1=350個/m3.min
G2=3500個/m3.min
G3=35000個/m3.min
G4=350000個/m3.min
新風量對於全空氣量的比率0.03
當前有的IC工廠其ISO5級(0.3μm)的潔淨室（shì），采用FFU係統,帶ULPA(99.9995%,0.12μm)，出口風速為0.38m/s，其滿布率為25%，這（zhè）樣室內平（píng）均氣流速度為0.095m/s，在（zài）各有關推薦或參考值的（de）下限下。此潔淨室的工藝加工在微環境內潔淨（jìng）室內的人員亦較少，可以認為潔淨室內發（fā）生較低，這種情（qíng）況下采用（yòng）低的氣流速度可能（néng）是可取的。
據報道，目前IEST對潔（jié）淨室內氣流速度推薦值的下限有所降低，如（rú）：
≤ISO5級：氣流（liú）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係統（tǒng）的應用
1、當前FFU的情況
FFU在使（shǐ）用（yòng）壽命及維護上已經實踐證明無可擔心（xīn）。當前其改進主要是：
（1）采取均流及（jí）減少噪音的措（cuò）施，噪音可（kě）在50db以內。
（2）電（diàn）動機采用DC/EC（電子整流電機），以耗（hào）較原交流電機節約近50%，因為小風機（jī）所用小容量（功率<1/2HP）的（de）交流電機，一般皆為電容分相式（shì）或隱極式（shì），其效率僅40%左右，而（ér）DC/EC電機的效率可達75～80%；在調速控製上可每台單獨的以過濾器降壓進行控（kòng）製以節（jiē）約（yuē）能耗，但目前投（tóu）資回收期尚長而未廣泛采（cǎi）用，一般常用分組群控或全部群控。
（3）但FF瓣出口靜壓不（bú）能過大，一般采用出口風速成0.38m/s，此時其靜壓一（yī）般在（zài）250Pa以內。
2、FFU回風係統與其他方式相比的優點
2.1一般評價（jià）
優點：
（1）靈活性大，便於改（gǎi）造。
（2）占用建築物空間較（jiào）少。
（3）潔淨室內空氣壓力大於回風靜壓室，排（pái）除靜壓室對潔淨室汙染的可能性。
缺點：
（1）要（yào）求回風道全部阻力（包（bāo）括多孔地板、格柵及風道）、幹表冷器阻力及末級過濾器（qì）的阻力（在初阻力時（shí）），總共應控製在（zài）165Pa左右，以滿足運行時最大阻力在250Pa以內。因此幹表冷器的傳熱麵積要較大，回風道尺寸亦要（yào）較（jiào）大，多孔地板及格柵等的阻力要小，一般作法是：控（kòng）製幹表冷器阻力在50Pa左右，回風（fēng）道阻（zǔ）力在15Pa以內，否則就需要再增設加壓風機係統，這就是降低了FFU係（xì）統的綜合優點。（2）采用DC/EC電（diàn）機後，單位風量的能耗可能（néng）比當前一般大型離心風機的集中係統為低，但已有研究指出，比采（cǎi）用改進後的大（dà）型軸流風機的回風係統的能耗還（hái）是要高。因此（cǐ）需要注意大型軸流風機的（de）效率提高及其係統的阻（zǔ）力降低的因素。
（3）一般FFU係統由於單位風量的能耗較大，因此潔淨室的冷負荷亦相應增加。
2.2具體情況下（xià）的評價
（1）FFU用於（yú）老建（jiàn）築物改造成潔（jié）淨室時，其綜合（hé）經濟性一般往（wǎng）往可取。
（2）潔淨度要求嚴的潔淨室，末（mò）級過濾器滿布率100%時，對大的係統采用FFU，當（dāng）前還是（shì）不經（jīng）濟（jì）的（de）；對小係統有意（yì）義作具體比較。
（3）對潔淨度要求不甚嚴的潔淨室，末級過濾（lǜ）器滿布率≤40%時對大係統綜合經濟性往往相差不多，但對IC工（gōng）廠（chǎng）而言FFU係（xì）統的靈活性是重要的，因此當前（qián）IC工廠對過濾器滿布率≤40%時，采用FFU係統已經普遍。
四、懸浮分子汙染（AMC）
1、AMC的分類及控製要求情況
AMC作為IC工廠所關心（xīn）的（de）問題於20年（nián）前最先由日本人提出，近年來，IC生產園片（piàn）直徑已達φ300mm，工藝加工尺（chǐ）寸（線（xiàn）寬）已小（xiǎo）於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（shí）到，因（yīn）此，AMC的控製已由談論轉到需要實施。
對（duì）於IC生產，AMC分為A、B、C、D四類，即：
A——酸性（xìng）物質，如Hcl等
B——堿性物質，如NH3等
C——沸點高於室溫能（néng）在光潔表麵冷凝的物質（zhì），主要是碳氫化合物，某些（xiē）工（gōng）藝加工環境中的水蒸汽亦需要考慮
D——摻雜物（wù）質，能為園片表麵吸附（fù）或與表麵（miàn）相互反應的物質，如砷、硼、磷等
AMC對當前的IC生產其潛在的汙染比粒子汙染要廣（guǎng）泛多，粒子汙染控製隻要確定粒徑及個數，但對AMC控製而言，除了受芯片線寬的縮小而變化外，並受工藝、工藝設備、工藝材料及園（yuán）片傳送係統等（děng）的影響，更有甚者（zhě）用於某一工序的各種工藝材料（化（huà）學品、特種氣（qì）體等）在很（hěn）多（duō）情況下其微量的分子（zǐ）對下一工序往往可能是汙染物，而園片（piàn）加工工序當前已（yǐ）多於300多個（gè）獨立工序，對AMC控製指標的確定更是複雜。因此，IC生產對AMC的控製，對不同的產品、不同的工藝（yì）、不同（tóng）的工序及不同的（de）工藝材料會有不同的要求，對各種汙染物質的要求當（dāng）前總的說法是控製在亞pptm～1000pptm間。
2、AMC控製的實施（shī）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控製，有的生產廠則並未進行控製，主要在於經濟效果的衡量上，有（yǒu）關具體（tǐ）控製要求及措施報道甚少見，可能是由於保密的原因，但一點可以肯定，隻能在局部環境內進行控製（zhì）。
為滿足φ300mm園片，＜0.15mm線寬的加工要求，近年來對AMC控製，重點在（zài）以下三方麵開展工作：
（1）精確的測量（liàng）技術及（jí）標準測試（shì）方法的建立。因為這是掌握AMC控製的基礎，必須先行。
（2）按今後IC的生產要求，生產線的設備（bèi）采用微環境（jìng）隔離，各設備間園片的（de）傳送采（cǎi）用前開式標準片盒（hé）（FOUPs）係統，對園片（piàn）進行（háng）隔離。因此，早已對設備、FOUPs係統及微（wēi）環境所用的材料要求不釋放及吸附有關（guān）懸（xuán）浮分子汙染（rǎn）物的問題以及對此汙染物的去除措施進行研發，並不（bú）斷改進中。
（3）控製AMC的過濾（lǜ）器。
近年來，對控製AMC過濾器的開發及推出有少進展：
A.不釋放（fàng）AMC物質的HEPA/ULPA
a.低硼超細玻璃纖維過濾（lǜ）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（lǜ）器，為薄膜結構，價格比a要高出十倍左右。目前（qián）使用尚（shàng）不多，正在開發下一代的。
B.化學（xué）過濾器
目前已推（tuī）出的化學過濾器主（zhǔ）要是：
a.活性炭過濾器，大多數是晶粒（lì）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（hái）已有晶粒（lì）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（huó）性炭、活性鋁，但主要是（shì）活性（xìng）炭（tàn））以吸附AMC物質。