討論潔淨室技術應用中的幾個熱點問題

一、前言
潔（jié）淨室的氣流速度/換氣次數，一（yī）直是潔淨室設計中受到關注的問題，隨著潔淨室汙染（rǎn）源的控（kòng）製效果（guǒ）增加及末級過濾器效率的（de）提高等（děng），對有關規範、導則等提（tí）出的推薦或參考值（zhí）是否偏於保（bǎo）守，已有不少討論（lùn）。以下對這些（xiē）問題的情況分別（bié）作歸納和分析。
二、氣流速度
1、有關推薦或參考值的（de）應用
潔淨室內一定潔淨度下氣流（liú）速度的確定，隨潔淨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（lǜ）還受其他因素影響，就工業潔淨室而言，影響（xiǎng）潔淨度及選擇氣流速度的因（yīn）素主要（yào）是：
（1）室內（nèi）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（gōng）藝加工本身等都是塵粒釋放源，根據具體情況而異（yì），變化很大。
（2）室內氣流流型及分布：單向流要求（qiú）均勻、平等的流線，但會受到工藝設備布置和（hé）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（xiàng）流要求充混合，避免死角及溫（wēn）度分層。
（3）自淨時間（恢複時間）的控製要求：潔淨室中事故釋放或帶入汙染物或空氣氣流的中（zhōng）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（huì）造成（chéng）潔淨度的惡（è）化，恢複到原來潔淨度的自淨時間決定於氣流速度；對自（zì）淨時間的控（kòng）製要求（qiú）取決於此時（shí）間框架內（惡（è）化的潔淨度下），對產品生產（chǎn）的質量及成品率（lǜ）影響的承受能（néng）力。
（4）末級過濾器的效率：在一定的室內發塵量下，可（kě）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（xiào）率的過（guò）濾器，並降低氣流速（sù）度（dù），或采（cǎi）用較低效率的過（guò）濾器並采用（yòng）較高的氣流速度，以求流量與阻力的乘積最小。
（5）經濟性（xìng）考慮：過大的氣流速度造成投資及運行費（fèi）用（yòng）的增加，合（hé）適的氣流速度為以上諸因（yīn）素（sù）合理的綜合，過大往往不必要，亦不一定（dìng）有效果。
（6）對潔淨度要（yào）求（qiú）低的潔淨室，有時換氣次數決定於（yú）室（shì）內排熱的要求。
以上因素，皆很難量化，隻（zhī）能分析對比並估計。因此在工程應（yīng）用（yòng）中，對潔淨室的氣流（liú）速度（dù）往往參照有關規範、導則等的推薦或參考值，再（zài）按具體情況估計以上（shàng）各影響因素進行綜合考慮後確定（dìng）。氣流速（sù）度用於單向流潔淨室；非單向流潔淨室宜用換氣次數，因為其氣（qì）流速度難於測準；亦有（yǒu）用末級過濾滿布率來反映的，可用於各種氣流流型的潔淨室，一般（bān）滿布率100%相對於流速0.5m/s（100fpm），25%相對於0.125m/s（25fpm）。應該說是經驗的反映。如ISO/DIS14664-4提出的數值皆明（míng）確適用於那類潔淨室的；IEST的推薦值亦是被一些機構認為僅適用於半導體工廠。由於具體情況變化（huà）較大，有的（de）經驗值可能已不適合（hé）當前的室內塵（chén）源控製措施（shī）及過濾器效率提（tí）高的情況。
2、對有關（guān）推薦或參考值的討論
近（jìn）年來不少人通過實驗認為（wéi）這些推薦或參考值（zhí）過於保守，其論（lùn）點可歸納為：
（1）潔（jié）淨室內氣流的橫向擴散隻在甚低的流速下才有可能，單向（xiàng）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（cǐ）流速下亞微米粒子的擴散性能遠低於對流性（xìng）能；而大於0.36m/s的氣流速度反而易千百萬渦流，引起汙染（rǎn）物的再（zài）卷入（rù）。因此，潔淨室的理想自淨時間Tr=體積/流率，到一定值後由於汙染物的（de）再卷入，再增大氣流（liú）速度，實際（jì）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的影響是值得起注（zhù）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（xiào）率（lǜ）提高的（de）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（gè）9以上都可選擇。其效率對氣流速度的影響除（chú）以上已提及外，以下方麵亦值得引起注意，在非單向（xiàng）流情況下，按衡釋原理的潔淨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淨度（dù）影響甚微，因此在這種（zhǒng）情況下，過高的過濾效率（lǜ）是無必要的。
（b）室內發生塵量較低的情況下（xià），采用低的氣流速度下，末級過（guò）濾器效率的（de）變速器變化，對潔淨度的影響增大。
新風進末過濾器前的（de）含塵濃度1.75×106個/m3
室內發生（shēng）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（yú）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，采用FFU係統,帶ULPA(99.9995%,0.12μm)，出口風速為0.38m/s，其滿布率（lǜ）為25%，這樣室內平均氣流速（sù）度為0.095m/s，在各有關推薦或參考值的下限下。此潔淨室的工藝加工在微環（huán）境內潔淨室（shì）內的人員亦較少，可以（yǐ）認為潔淨室內發生較低，這種情況下采用低的（de）氣流速度可能是可取（qǔ）的（de）。
據（jù）報道（dào），目前IEST對潔（jié）淨室內氣流速度推（tuī）薦值的下限有所降低，如：
≤ISO5級：氣流速度（dù）0.2～0.5m/s
ISO6級（jí）或5級（非單向流）；換氣次數＞200次/h
ISO7級（jí）：換（huàn）氣次數20～200次/h
ISO8級：換氣次數2～20次/h
三、FFU係統的應用
1、當（dāng）前FFU的情況
FFU在使用壽命及維護上已經實踐證明無可擔（dān）心。當前其改進主要（yào）是：
（1）采取均流（liú）及減少（shǎo）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（yǐ）耗較原交流電機節約近50%，因為小（xiǎo）風機（jī）所用小容量（功率<1/2HP）的交流電機，一般（bān）皆為電容分相式或隱極式，其效率僅40%左右，而DC/EC電（diàn）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（huí）收期尚長而未（wèi）廣泛采用，一般常用（yòng）分組群（qún）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（sù）成0.38m/s，此時其靜壓一般在250Pa以內。
2、FFU回風係統與其他（tā）方（fāng）式相比的優點（diǎn）
2.1一般評價
優點：
（1）靈活性大（dà），便於改造（zào）。
（2）占用建築（zhù）物空間較少。
（3）潔淨室內空氣壓力大（dà）於回風靜壓室，排除靜壓室對潔淨室汙染的可能性。
缺點：
（1）要求回風道（dào）全部阻力（包括多孔地板、格柵及風道）、幹表（biǎo）冷器（qì）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（zú）運行時最大阻力（lì）在250Pa以內。因此幹表冷器的（de）傳熱麵積要（yào）較大，回風道尺寸亦要（yào）較大（dà），多孔地板及格柵（shān）等的阻力要小，一般作法是：控製幹表冷器阻（zǔ）力在50Pa左右（yòu），回（huí）風道阻力在15Pa以內，否則就需要再增設加壓風機（jī）係統，這就是（shì）降低了FFU係統的綜合優點。（2）采用DC/EC電機後，單位（wèi）風量的能耗可能比當前一般大型離心風機的集中係統為低，但已（yǐ）有（yǒu）研究指出（chū），比采用（yòng）改進（jìn）後的大（dà）型軸（zhóu）流風機的回風係統的能耗還是要高（gāo）。因此需要（yào）注意大型軸流風機的效（xiào）率提高及其係統的阻力降低的（de）因素。
（3）一般FFU係統由（yóu）於單位風量的（de）能耗較大，因此潔淨室的冷負荷亦相應增加。
2.2具體情況下的評價
（1）FFU用於老建築物改造（zào）成潔淨室時，其綜合經濟性一般往往可取。
（2）潔淨度（dù）要求嚴的潔（jié）淨室，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（xiǎo）係統有意義作具體比（bǐ）較。
（3）對潔淨度要求不甚嚴的潔淨室，末級過濾器滿布率≤40%時（shí）對大係統綜合經濟性往往相差不（bú）多，但（dàn）對IC工廠而言FFU係統的靈活性是重（chóng）要（yào）的，因此當（dāng）前IC工（gōng）廠對過（guò）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（qíng）況
AMC作為IC工廠所關心的問（wèn）題於20年前最先由日本人提出，近年來，IC生產園（yuán）片直（zhí）徑（jìng）已達φ300mm，工藝加（jiā）工尺寸（線寬）已小於0.15μm，在某些加工工序及工序間園（yuán）片的（de）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（qīng）楚的認識到，因此，AMC的控製（zhì）已由談論轉到需要實施。
對（duì）於IC生產，AMC分（fèn）為A、B、C、D四類，即：
A——酸性物質（zhì），如Hcl等
B——堿性物（wù）質，如NH3等
C——沸點高（gāo）於室溫（wēn）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（zhōng）的水（shuǐ）蒸汽（qì）亦需（xū）要考慮
D——摻雜物質，能為園片表麵（miàn）吸附或與表麵相互反（fǎn）應的物（wù）質，如砷、硼、磷等（děng）
AMC對當前的IC生產其潛在的（de）汙染比粒子汙（wū）染要廣泛多，粒子汙染控製隻要確（què）定粒徑及個數，但對AMC控製而言，除了受芯（xīn）片線寬的（de）縮小而變化外，並受工藝、工藝設（shè）備、工藝材料及園（yuán）片傳送係統等（děng）的影響，更有甚者用於某一工序的各種工（gōng）藝材料（化學品、特種氣體等（děng））在很多情況下其（qí）微量的（de）分子對（duì）下一工序往往可能是汙染物，而園片加（jiā）工工序當前已多於300多個獨立（lì）工序，對AMC控製指標的確定更是（shì）複雜（zá）。因此，IC生產對AMC的控製，對不同的產品、不同的工藝、不同的工序及不同的（de）工藝材料會有不同的要求，對各（gè）種汙染物質的要求當前總的（de）說（shuō）法是控製在亞pptm～1000pptm間。
2、AMC控（kòng）製的實（shí）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（chuán）送（sòng）及存（cún）放，有的生（shēng）產廠采取了（le）AMC控製，有的生產廠則並未進行（háng）控製，主要在於經濟效果的衡量上（shàng），有關具體控（kòng）製要求及措施報道甚（shèn）少見，可（kě）能是由於保密的原因，但一點可以肯定（dìng），隻能在局部環境內進行控製。
為滿（mǎn）足φ300mm園片（piàn），＜0.15mm線寬的加工要求，近年來對AMC控製，重（chóng）點在以下三方麵開（kāi）展工作：
（1）精（jīng）確的測量（liàng）技（jì）術及標準測試（shì）方法的（de）建立。因為這（zhè）是掌（zhǎng）握AMC控製的基礎，必須先行。
（2）按今後（hòu）IC的生產要求，生產線的設備采用微環境（jìng）隔離，各設（shè）備間園片的傳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（tǒng）及微環境所用的材料（liào）要求不釋放及（jí）吸附有關懸浮分子汙（wū）染物的問（wèn）題以及對此汙染（rǎn）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，對（duì）控製AMC過（guò）濾（lǜ）器（qì）的開發及推（tuī）出有（yǒu）少（shǎo）進展：
A.不釋放AMC物（wù）質的HEPA/ULPA
a.低硼超（chāo）細玻璃纖維過濾器，現已在亞洲及歐洲的IC廠使（shǐ）用較多。
b.多孔聚（jù）四氟乙稀（ePTFE）過濾器，為薄膜結構（gòu），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（dài）的。
B.化學過濾器
目前已推出的化學過濾（lǜ）器主要（yào）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（xìng）炭纖維過濾器，具有（yǒu）吸附速度快（kuài）的特點，價格尚較高（gāo）；還已有晶粒與纖維粘合的過濾器。
b.無紡（fǎng）合成織物上浸漬各種（zhǒng）功能晶粒（如活性炭、活性鋁（lǚ），但主要是活性炭）以吸附AMC物質。