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            潔凈室設計中的幾點(diǎn)熱門(mén)問(wèn)題

            返回列表 來(lái)源: 瀏覽:375 發(fā)布日期:2017/5/6 17:00:13

              對當前較被關(guān)心的問(wèn)題,如潔凈室的氣流速度的確定,FFU系統的應用及懸浮分子污染控制,進(jìn)行情況歸納和分析。

              一.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(guān)注的問(wèn)題,隨著(zhù)潔凈室污染源的控制效果增加及末級過(guò)濾器效率的提高等,對有關(guān)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(wèn)題已在實(shí)踐中得到解決,隨著(zhù)FFU的不斷改進(jìn),對是否采用FFU回風(fēng)系統也是個(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(fā)塵量及過(guò)濾器效率還受其他因素影響,就工業(yè)潔凈室而言,影響潔凈度及選擇氣流速度的因素主要是:

             ?。?)室內污染源:建筑物組件、人員數量及操作活動(dòng)、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;

             ?。?)室內氣流流型及分布:?jiǎn)蜗蛄饕缶鶆?、平等的流線(xiàn),但會(huì )受到工藝設備布置和位置變動(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;

             ?。?)自?xún)魰r(shí)間(恢復時(shí)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(shí)的間歇性對流氣流或人及設備的移動(dòng)等都會(huì )造成潔凈度的惡化,恢復到原來(lái)潔凈度的自?xún)魰r(shí)間決定于氣流速度;對自?xún)魰r(shí)間的控制要求取決于此時(shí)間框架內(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;

             ?。?)末級過(guò)濾器的效率:在一定的室內發(fā)塵量下,可采用較高效率的過(guò)濾器以降低氣流速度;為節能應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??;

             ?。?)經(jīng)濟性考慮:過(guò)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(guò)大往往不必要,亦不一定有效果;

             ?。?)對潔凈度要求低的潔凈室,有時(shí)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(guān)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(jìn)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(guò)濾滿(mǎn)布率來(lái)反映的,可用于各種氣流流型的潔凈室,一般滿(mǎn)布率100%相對于流速0.5m/s(100fpm),25%相對于0.125m/s(25fpm)。當前有關(guān)規范、導則等的推薦或參考值見(jiàn)表1。

              此主題相關(guān)圖片如下:

              表1中有關(guān)氣流速度和換氣次數的推薦或參考值,應該說(shuō)是經(jīng)驗的反映。如ISO/DIS 14664-4提出的數值皆明確適用于那類(lèi)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(chǎng)。由于具體情況變化較大,有的經(jīng)驗值可能已不適合當前的室內塵源控制措施及過(guò)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(lái)不少人通過(guò)實(shí)驗認為這些推薦或參考值過(guò)于保守,其論點(diǎn)可歸納為:

              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(wàn)渦流,引起污染物的再卷入。因此,潔凈室的理想自?xún)魰r(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。

              末級過(guò)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(guò)濾器效率提高的因素往往沒(méi)作考慮。當前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,按衡釋原理的潔凈室內含塵濃度穩定公式可以得出:

             ?。╝)室內發(fā)塵量較高時(shí),末級過(guò)濾器(參考www.bacclean.com)效率的變化對潔凈度影響甚微,因此在這種情況下,過(guò)高的過(guò)濾效率是無(wú)必要的。

             ?。╞)室內發(fā)生塵量較低的情況下,采用低的氣流速度下,末級過(guò)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。

              此主題相關(guān)圖片如下:

              作圖有關(guān)數據:

              新風(fēng)進(jìn)末過(guò)濾器前的含塵濃度1.75×106個(gè)/m3

              室內發(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

              當前有的IC工廠(chǎng)其ISO5級(0.3μm)的潔凈室,采用FFU系統,帶ULPA(99.9995%,0.12μm),出口風(fēng)速為0.38m/s,其滿(mǎn)布率為25%,這樣室內平均氣流速度為0.095m/s,在各有關(guān)推薦或參考值的下限下。此潔凈室的工藝加工在微環(huán)境內潔凈室內的人員亦較少,可以認為潔凈室內發(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(jīng)實(shí)踐證明無(wú)可擔心。當前其改進(jìn)主要是:

             ?。?)采取均流及減少噪音的措施,噪音可在50db以?xún)?

             ?。?)電動(dòng)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(fēng)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(guò)濾器降壓進(jìn)行控制以節約能耗,但目前投資回收期尚長(cháng)而未廣泛采用,一般常用分組群控或全部群控。

             ?。?)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?xún)取?/span>

              3.2FFU回風(fēng)系統與其他方式相比的優(yōu)點(diǎn)

              3.2.1一般評價(jià)

              優(yōu)點(diǎn):

             ?。?)靈活性大,便于改造;

             ?。?)占用建筑物空間較少;

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

              缺點(diǎn):

             ?。?)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(guò)濾器的阻力(在初阻力時(shí)),總共應控制在165Pa左右,以滿(mǎn)足運行時(shí)最大阻力在250Pa以?xún)?。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?xún)?,否則就需要再增設加壓風(fēng)機系統,這就是降低了FFU系統的綜合優(yōu)點(diǎn)。

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

             ?。?)一般FFU系統由于單位風(fēng)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(jià)

             ?。?)FFU用于老建筑物改造成潔凈室時(shí),其綜合經(jīng)濟性一般往往可取。

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

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

              四.懸浮分子污染(AMC)

              4.1AMC的分類(lèi)及控制要求情況

              AMC作為IC工廠(chǎng)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φ300mm,工藝加工尺寸(線(xiàn)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已成為嚴重影響成品率的問(wèn)題,已被清楚的認識到,因此,AMC的控制已由談?wù)撧D到需要實(shí)施。

              對于IC生產(chǎn),AMC分為A、B、C、D四類(lèi),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),主要是碳氫化合物,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的物質(zhì),如砷、硼、磷等。

              AMC對當前的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,但對AMC控制而言,除了受芯片線(xiàn)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(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,而園片加工工序當前已多于300多個(gè)獨立工序,對AMC控制指標的確定更是復雜。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

              對線(xiàn)寬0.25μm的IC生產(chǎn),一般已常在新風(fēng)處理中設活性炭過(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(chǎng)采取了AMC控制,有的生產(chǎn)廠(chǎng)則并未進(jìn)行控制,主要在于經(jīng)濟效果的衡量上,有關(guān)具體控制要求及措施報道甚少見(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)境內進(jìn)行控制。

              為滿(mǎn)足φ300mm園片,<0.15mm線(xiàn)寬的加工要求,近年來(lái)對AMC控制,重點(diǎn)在以下三方面開(kāi)展工作:

             ?。?)精確的測量技術(shù)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;

             ?。?)按今后IC的生產(chǎn)要求,生產(chǎn)線(xiàn)的設備采用微環(huán)境隔離,各設備間園片的傳送采用前開(kāi)式標準片盒(FOUPs)系統,對園片進(jìn)行隔離。因此,早已對設備、FOUPs系統及微環(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)題以及對此污染物的去除措施進(jìn)行研發(fā),并不斷改進(jìn)中;

             ?。?)控制AMC的過(guò)濾器。

              近年來(lái)尤其是近2~3年來(lái),對控制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.低硼超細玻璃纖維過(guò)濾器,現已在亞洲及歐洲的IC廠(chǎng)使用較多;

              b.多孔聚四氟乙?。╡PTFE)過(guò)濾器,為薄膜結構,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,大多數是晶粒狀的,有盤(pán)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,據報道,φ300mm園片加工除二條試驗生產(chǎn)線(xiàn)外,已有四條生產(chǎn)線(xiàn)(德國一條、美國一條、我國臺灣二條)開(kāi)始運轉,對AMC的控制情況,當然不詳,但潔凈室環(huán)境為ISO5~6級,對潔凈室設計較簡(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)必然轉到工藝設備及園片傳、存放系統的研發(fā)及制造上.


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