淨化無塵車間技術應用中的幾個熱點問題(淨化工程)

淨化無塵車間技術應用中的幾個(ge) 熱點問題(淨化工程)

一.前言
淨化無塵車間的氣流速度/換氣次數，一直是淨化無塵車間設計中受到關(guan) 注的問題，隨著淨化無塵車間汙染源的控製效果增加及末級過濾器效率的提高等，對有關(guan) 規範、導則等提出的推薦或參考值是否偏於(yu) 保守，已有不少討論；FFU在應用中人們(men) 擔心的噪音、損壞維修等問題已在實踐中得到解決(jue) ，隨著FFU的不斷改進，對是否采用FFU回風係統也是個(ge) 熱點：懸浮分子汙染（AMC）的控製在微電子及IC工業(ye) 中已日益提到日程上來，受到關(guan) 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(guan) 推薦或參考值的應用
淨化無塵車間內(nei) 一定潔淨度下氣流速度的確定，隨淨化無塵車間用途等具體(ti) 情況而異，它不僅(jin) 受室內(nei) 發塵量及過濾器效率還受其他因素影響，就工業(ye) 淨化無塵車間而言，影響潔淨度及選擇氣流速度的因素主要是：
(1)室內(nei) 汙染源：建築物組件、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(ti) 情況而異，變化很大；

(2)室內(nei) 氣流流型及分布：單向流要求均勻、平等的流線，但會(hui) 受到工藝設備布置和位置變動及人員活動情況等的幹擾形成局部渦流；而非單向流要求充混合，避免死角及溫度分層；

(3)自淨時間（恢複時間）的控製要求：淨化無塵車間中事故釋放或帶入汙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(hui) 造成潔淨度的惡化，恢複到原來潔淨度的自淨時間決(jue) 定於(yu) 氣流速度；對自淨時間的控製要求取決(jue) 於(yu) 此時間框架內(nei) （惡化的潔淨度下），對產(chan) 品生產(chan) 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(nei) 發塵量下，可采用較高效率的過濾器以降低氣流速度；為(wei) 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器並采用較高的氣流速度，以求流量與(yu) 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(wei) 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)對潔淨度要求低的淨化無塵車間，有時換氣次數決(jue) 定於(yu) 室內(nei) 排熱的要求。

以上因素，皆很難量化，隻能分析對比並估計。因此在工程應用中，對淨化無塵車間的氣流速度往往參照有關(guan) 規範、導則等的推薦或參考值，再按具體(ti) 情況估計以上各影響因素進行綜合考慮後確定。

氣流速度用於(yu) 單向流淨化無塵車間；非單向流淨化無塵車間宜用換氣次數，因為(wei) 其氣流速度難於(yu) 測準；亦有用末級過濾滿布率來反映的，可用於(yu) 各種氣流流型的淨化無塵車間，一般滿布率100%相對於(yu) 流速0.5m/s（100fpm），25%相對於(yu) 0.125m/s（25fpm）。當前有關(guan) 規範、導則等的推薦或參考值見表1。

注：1、ISO 14644-4對於(yu) 氣流速度/換氣次數是明確作為(wei) 參考資料的，表中所列僅(jin) 適用於(yu) 微電子及IC工廠；對製藥廠隻列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；*指對汙染源已采取有效的隔離措施的潔淨區。

表1中有關(guan) 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/DIS 14664-4提出的數值皆明確適用於(yu) 那類淨化無塵車間的；IEST的推薦值亦是被一些權威機構認為(wei) 僅(jin) 適用於(yu) 半導體(ti) 工廠。由於(yu) 具體(ti) 情況變化較大，有的經驗值可能已不適合當前的室內(nei) 塵源控製措施及過濾器效率提高的情況。

2.2對有關(guan) 推薦或參考值的討論
近年來不少人通過實驗認為(wei) 這些推薦或參考值過於(yu) 保守，其論點可歸納為(wei) ：
(1)淨化無塵車間內(nei) 氣流的橫向擴散隻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就足夠帶走汙染物，在此流速下亞(ya) 微米粒子的擴散性能遠低於(yu) 對流性能；而大於(yu) 0.36m/s的氣流速度反而易千百萬(wan) 渦流，引起汙染物的再卷入。因此，淨化無塵車間的理想自淨時間Tr=體(ti) 積/流率，到一定值後由於(yu) 汙染物的再卷入，再增大氣流速度，實際的Tr並不再有明顯的減少。

(2)末級過濾器的效率對潔淨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(cong) 99.67%、99.99%、99.999%、99.9995%直至8個(ge) 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，以下方麵亦值得引起注意，在非單向流情況下，按衡釋原理的

淨化無塵車間內(nei) 含塵濃度穩定公式可以得出：

(a)室內(nei) 發塵量較高時，末級過濾器效率的變化對潔淨度影響甚微，因此在這種情況下，過高的過濾效率是無必要的。

(b)室內(nei) 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，對潔淨度的影響增大。

以上情況可以引用的圖1a～1c看出。

作圖有關(guan) 數據：
新風進末過濾器前的含塵濃度1.75×106個(ge) /m3

室內(nei) 發生量:G1=350個(ge) /m3.min

G2=3500個(ge) /m3.min

G3=35000個(ge) /m3.min

G4=350000個(ge) /m3.min

新風量對於(yu) 全空氣量的比率0.03當前有的IC工廠其ISO5級(0.3μm)的淨化無塵車間，采用FFU係統,帶ULPA(99.9995%,0.12μm)，出口風速為(wei) 0.38m/s，其滿布率為(wei) 25%，這樣室內(nei) 平均氣流速度為(wei) 0.095m/s，在各有關(guan) 推薦或參考值的下限下。此淨化無塵車間的工藝加工在微環境內(nei) 淨化無塵車間內(nei) 的人員亦較少，可以認為(wei) 淨化無塵車間內(nei) 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對淨化無塵車間內(nei) 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係統的應用
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(nei) ;

(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(wei) 小風機所用小容量（功率<1/2HP）的交流電機，一般皆為(wei) 電容分相式或隱極式，其效率僅(jin) 40%左右，而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製以節約能耗，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(nei) 。

3.2FFU回風係統與(yu) 其他方式相比的優(you) 點

3.2.1一般評價(jia)

優(you) 點：
(1)靈活性大，便於(yu) 改造；
(2)占用建築物空間較少；
(3)淨化無塵車間內(nei) 空氣壓力大於(yu) 回風靜壓室，排除靜壓室對淨化無塵車間汙染的可能性。

缺點：
(1)要求回風道全部阻力（包括多孔地板、格柵及風道）、幹表冷器阻力及末級過濾器的阻力（在初阻力時），總共應控製在165Pa左右，以滿足運行時更大阻力在250Pa以內(nei) 。因此幹表冷器的傳(chuan) 熱麵積要較大，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：控製幹表冷器阻力在50Pa左右，回風道阻力在15Pa以內(nei) ，否則就需要再增設加壓風機係統，這就是降低了FFU係統的綜合優(you) 點。

(2)采用DC/EC電機後，單位風量的能耗可能比當前一般大型離心風機的集中係統為(wei) 低，但已有研究指出，比采用改進後的大型軸流風機的回風係統的能耗還是要高。因此需要注意大型軸流風機的效率提高及其係統的阻力降低的因素。
(3)一般FFU係統由於(yu) 單位風量的能耗較大，因此淨化無塵車間的冷負荷亦相應增加。

3.2.2具體(ti) 情況下的評價(jia)
(1)FFU用於(yu) 老建築物改造成淨化無塵車間時，其綜合經濟性一般往往可取。

(2)潔淨度要求嚴(yan) 的淨化無塵車間，末級過濾器滿布率100%時，對大的係統采用FFU，當前還是不經濟的；對小係統有意義(yi) 作具體(ti) 比較。

(3)對潔淨度要求不甚嚴(yan) 的淨化無塵車間，末級過濾器滿布率≤40%時對大係統綜合經濟性往往相差不多，但對IC工廠而言FFU係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係統已經普遍。

四.懸浮分子汙染（AMC）
4.1AMC的分類及控製要求情況
AMC作為(wei) IC工廠所關(guan) 心的問題於(yu) 20年前最先由日本人提出，近年來，IC生產(chan) 園片直徑已達φ300mm，工藝加工尺寸（線寬）已小於(yu) 0.15μm，在某些加工工序及工序間園片的傳(chuan) 送和存放環境中AMC已成為(wei) 嚴(yan) 重影響成品率的問題，已被清楚的認識到，因此，AMC的控製已由談論轉到需要實施。

對於(yu) IC生產(chan) ，AMC分為(wei) A、B、C、D四類，即：
A——酸性物質，如Hcl等；

B——堿性物質，如NH3等；

C——沸點高於(yu) 室溫能在光潔表麵冷凝的物質，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(wei) 園片表麵吸附或與(yu) 表麵相互反應的物質，如砷、硼、磷等。

AMC對當前的IC生產(chan) 其潛在的汙染比粒子汙染要廣泛多，粒子汙染控製隻要確定粒徑及個(ge) 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、工藝材料及園片傳(chuan) 送係統等的影響，更有甚者用於(yu) 某一工序的各種工藝材料（化學品、特種氣體(ti) 等）在很多情況下其微量的分子對下一工序往往可能是汙染物，而園片加工工序當前已多於(yu) 300多個(ge) 獨立工序，對AMC控製指標的確定更是複雜。因此，IC生產(chan) 對AMC的控製，對不同的產(chan) 品、不同的工藝、不同的工序及不同的工藝材料會(hui) 有不同的要求，對各種汙染物質的要求當前總的說法是控製在亞(ya) pptm～1000pptm間。

4.2AMC控製的實施情況
對線寬0.25μm的IC生產(chan) ，一般已常在新風處理中設活性炭過濾器；有關(guan) 關(guan) 鍵工序以及工序間園片的傳(chuan) 送及存放，有的生產(chan) 廠采取了AMC控製，有的生產(chan) 廠則並未進行控製，主要在於(yu) 經濟效果的衡量上，有關(guan) 具體(ti) 控製要求及措施報道甚少見，可能是由於(yu) 保密的原因，但一點可以肯定，隻能在局部環境內(nei) 進行控製。

為(wei) 滿足φ300mm園片，＜0.15mm線寬的加工要求，近年來對AMC控製，重點在以下三方麵開展工作：

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

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

(3)控製AMC的過濾器。
近年來尤其是近2～3年來，對控製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(ya) 洲及歐洲的IC廠使用較多；

b.多孔聚四氟乙稀（ePTFE）過濾器，為(wei) 薄膜結構，價(jia) 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(jia) 格尚較高；還已有晶粒與(yu) 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(chan) 線外，已有四條生產(chan) 線（德國一條、美國一條、我國台灣二條）開始運轉，對AMC的控製情況，當然不詳，但淨化無塵車間環境為(wei) ISO5～6級，對淨化無塵車間設計較簡單些。可以看到，今後IC生產(chan) ，其生產(chan) 環境的汙染控製重點必然轉到工藝設備及園片傳(chuan) 、存放係統的研發及製造上。