刘 根1，蒋澄灿2，芮晓光3，廖黎莉3，芮延年2
(1.江苏天衡工程咨询管理有限公司苏州公司，江苏 苏州 215000) (2.苏州大学机电学院，江苏 苏州 215021) (3. 苏州市职业大学机电学院，江苏 苏州 215104)
摘要：从微电子、超净材料及微纳加工工艺对环境要求出发，通过对工业超洁净环境设计所涉及到的超洁净度空气的获取与保持、超净室系统设计、超洁净室关键技术等的研究，构建了工业超洁净环境层流条件和洁净度计算力学模型，并对工业超洁净环境设计中洁净室分子级空气污染(AMC)的处理、各级过滤器参数选择、新风温湿度调节等关键技术进行了较为深入的探讨，为微电子、超净材料及微纳加工等工业超洁净环境设计提供了理论基础。
关键词：微电子、超净材料及微纳加工；超洁净环境设计；超净环境关键技术
工业洁净室(industrial clean room，ICR)又称为无尘室，以无生命微粒的控制为对象，主要控制空气尘埃微粒对工作对象的污染。通常不同行业对洁净度要求是不同的。它适用于原子能工业、微纳加工、高纯度化学工业、电子工业、光磁产品工业、宇航工业等行业，如LCD、电脑硬盘等产品的生产。
本文是以微电子、超净材料及微纳加工工厂的洁净室设计作为研究对象，对超洁净度空气的获取与保持、超净室系统设计、洁净室分子级空气污染(AMC)的处理、各级过滤器参数选择、新风温湿度调节等关键技术进行研究。
超洁净室的等级划分见表1 [1]。
表1 超洁净室及洁净区空气纳米粒子洁净度等级
级别ISO14644-12粒径范围(NPC)≥1nm≥5nm≥10nm≥50nm11.45×1055.08×1031.2×10321.45×1065.08×1041.2×1044.23×10231.45×1075.08×1051.2×1054.23×10341.45×1085.08×1061.2×1064.23×10455.08×1071.2×1074.23×10564.23×106
1.1 超洁净度空气的获取
获取超洁净度空气的方法主要有：微粒子过滤、吸附过滤、膜分离和静电纤维球过滤[2]等方法。
1)微粒子过滤法采用化纤织物作为过滤介质，当含有微小灰尘的空气通过过滤介质时，微小灰尘就被过滤介质阻挡住，同时洁净的空气通过。一般通过定期反吹的方式对过滤介质上微粒子进行清洗。该方法具有结构简单、过滤效果好的优点，但是存在过滤开始时系统阻力较小，随着过滤时间的增加过滤阻力增大，反吹压力也增大的缺点。
2)吸附过滤法就是采用机械过滤(布袋过滤)和活性碳吸附相结合的方法除去微小灰尘。这种方法结构简单、除尘效率较高，但是存在着系统阻力较大、过滤介质再生困难等缺点。
3)膜分离法是获取超洁净度空气最可靠的方法，在微电子、超净材料及微纳加工生产中越来越多地被采用。这种方法可以捕获到10nm甚至更小的粒子或离子。目前最大的缺点是运行成本较高。
4)静电纤维球过滤法采用静电场使纤维球带 有电荷，将空气中的微小灰尘吸附在纤维球上，从而获得洁净空气。这种方法特点是结构简单、系统阻力小，但是过滤效果受电场强度及均匀度的影响。
1.2 超洁净度空气环境的保持
为了保持超洁净度空气的环境，必须不断地将室内污染的空气排出，通常也称为换气或排气。排气时的空气流动方向十分重要，常见的空气流动方式有层流方式(垂直、水平)和紊流方式，实际上在很多情况下这些方式是并存的。无尘室空气流动方式见表2，气流流动方式如图1所示[2]。
表2 无尘室空气流动方式及特点
气流方式垂直层流水平层流紊流洁净度/级2～44～55～6风速/(m·s-1)0.15～0.350.45～0.50换气次数/(次·h-1)200～600100～40020～50优缺点效果好,但设备投资大效果好,但上下游区有一定的影响结构简单,投资少,会造成污染物内循环
从表2和图1可知，紊流方式是无法维持超洁净度空气环境的；层流方式可以维持空气环境的超洁净度，但是设备及运行费用较高。在实际应用中，可以根据生产对环境洁净度的具体要求，采用紊流与层流相结合的方式，即通过对设备加专用超洁净室(台)的方式获得较高洁净度空气。
图1 气流流动方式
2.1 层流条件和洁净度计算
根据科学测定，在8 000m高空的空气洁净度等级约为4级。微电子、超净材料及微纳加工对生产环境的要求是洁净度2～4级，这个要求需要高性能过滤器对空气进行处理才能达到。洁净度为4级以上的洁净空间气体流动必须是层流方式，垂直层流超净室的原理如图2所示。
图2 超洁净室系统
由流体力学可推导出超洁净室层流稳定状态方程为：
(1)
Cs=(1-η){γC+(1-γ)C0}
(2)
式中：Q为每小时总需气量，m3/h；Cs为处理后室内空气污染物浓度，mg/m3；C0为外气污染物的浓度，
利用式(1)、(2)求C，Cs。
(3)
(4)
式中：γ(1-η)<>
式(4)即为层流无尘室洁净度计算式，实际上无尘室中由于人与物的移动，使其周围产生紊流，如果发尘源的温度较高，则所产生的上升的气流也会引起紊流，使尘埃扩散，设计无尘室时需考虑这个问题。
2.2 局部超洁净空间设计
为了获得超洁净空间，超洁净设备的换气量通常是一般建筑空调的数十倍，以致系统结构复杂、功率大、运行成本较高。因此，可以根据实际情况，对部分设备或局部空间进行超洁净处理，设置超洁净工作台、超洁净单元等。基于这种思想，现在越来越多的企业与部门采用低洁度无尘室与高洁度 超洁净单元一体化方案。图3所示为局部超净空间气流概念图。其中图3(a)为地板全量吸入，由于地板是格栅状，不利于尘埃从通道侧扩散和防震；图3(b)为壁板全量吸入，这种结构有利于防震，但是偏流容易降低洁净度；图3(c)为地板及壁板全量吸入，这种由地板和壁板分担吸气的方法比前两种效果好。
图3 局部超净空间气流概念图
3.1 洁净室分子级空气污染(AMC)的处理
当前半导体制程技术发展迅猛，300mm硅片的生产线进入技术成熟期，芯片线宽已经进入纳米级，因此相应的产品对生产环境的要求越来越高。引起成品率降低的化学物质，称为“分子级空气污染物”，英文简称“AMC”。分子污染物的尺寸比空气污染物要小得多，高效过滤器(IEPA、ULPA)无法去除AMC。
分子级空气污染包括空气中的多种有害气体和金属离子。分子级空气污染可分为4类：酸性AMC(MA)、碱性AMC(FMB)、可凝性AMC (MC)和掺杂性AMC(MD) 。
目前解决分子级空气污染的主要方法是通过对4类污染物的控制处理来提高空气质量，具体处理方法如图4所示。
图4 分子级空气污染处理技术
由图4可以看出，解决分子级空气污染的主要方法有4个步骤[3-5]。
1)新风的AMC控制。在新风空调箱 (makeup air unit，MAU)内加装化学过滤器，采用air washer unit的空气水洗装置。新风AMC处理系统如图5所示。在MAU内加装的化学过滤器一般是碳桶式的过滤器，内部的介质是精制的活性炭，可以处理酸性和碱性的气体，安装位置在空调箱的第2道热水盘管和高效过滤器之间。化学过滤器一般采用瑞典的camfilfarr，其一般处理效率为60%～90%，寿命大约12个月。
2)洁净室循环风的AMC控制。如图6所示，采用在高效过滤器 (fan filter unit，FFU)上方加装 化学过滤器改善洁净室内机台的维护方法。采用化学反应的方法主要是对AMC浓度进行控制。常见的设备品牌有瑞典的camfilfarr、德国的M+W、日本的Dan-Takuma，一般处理效率为60%～90%，工作寿命大约12个月[6]。
图5 新风AMC处理系统
图6 洁净室循环风AMC的控制
3)洁净室机台的AMC控制。通常半导体和超净材料及微纳加工产品在洁净室内的加工都需要几十到几百个工序，因此对洁净室机台的AMC控制方法通常有如下2种：
①因为很多制程机台上方有自带的控制微尘颗粒的高效过滤器，所以在机台上方再加一道化学过滤器，就可以有效地控制制程环境。
②对于很多采用SMIF的微环境硅片传递设备的机台，由于SMIF设备下方有进风口，建议用双层的过滤器代替原有的单层控制微尘颗粒的高效过滤器。
4)产品的AMC控制。对产品的AMC进行控制的方法有：减少产品等待时间、减少不同制程的交叉污染。如果监测到某区域AMC浓度超标时可采用如下方法进行临时防堵和污染源头查找：
① 隔离单个生产机台进行测试，通过一对一的方法找出污染源头。此种方法适用于某种机台有气体泄露或是尾气处理方法不恰当的情况。
② 在生产机台做大的拆解保养时同步进行环境品质监测。
③ 在FFU上加装相应类型的化学过滤器进行污染物的吸收和处理。
④ 改善气流条件减少交叉污染。由于洁净室内的空气组织是按照一定的方式循环的，所以遵照合理的气流线路可以保障环境的洁净度和风速。如果气流条件被改变或是破坏，将会产生交叉污染，届时可通过增加隔板、调整FFU来有效地改善气流条件。
3.2 各级过滤器参数选择
1)过滤器参数选择原则。
初级过滤器使用的滤材有玻璃纤维、人造纤维、金属网丝、铁屑、瓷环和粗孔聚氨酯泡沫塑料等材料。其中金属丝网成本较低，并且容易清洗。
中级过滤器所使用的滤芯材料主要是以玻璃纤维为主，直径较之初级过滤器所使用的纤维更细(10μm 左右)。无纺布和泡沫等材料制成的中级过滤器，滤芯清洗后可以再次使用，而玻璃纤维过滤器需要定期更换滤芯，以保证过滤效果。
高效过滤器使用的滤芯材料以超细玻璃纤维为主，做成折叠状，可以有效增大过滤面积。
化学过滤器一般使用活性炭进行化学物质的吸附。多孔质的材料对于化学气体都有一定的吸附作用，活性炭就是针对需要去除有机气体的一种材料。杂物被吸入多孔材料内，与碳颗粒间的空隙相比，被吸入多孔材料内的化学品分子直径较小，且空气中的化学品含量也相对较少，因此在相当长的时间内，多孔材料内前后压差变化不大，当吸附能力饱和后，压差会快速上升，需要及时更换。
2)微粒捕捉机理及阻力损失模型。
微粒分散在空气中时，拥有不同的大小、形状、密度等物理特征。当这些微粒通过过滤器时，会被纤维层捕捉。将微粒看成球形，随着空气垂直地向过滤器运动时，在正常的空气内，粒子的密度要比空气自身的密度大，因此，粒子在空气的运动过程中受到的流体阻力为：
(5)
式中：R为粒子受到的阻力；f为粒子的投影面积(球形)；ρa为空气密度，标准状态下为 1.2kg/m3；v为粒子的运动速度；C为阻力系数。
从微观角度来讲，由于填充率并不高(α<>
设纤维的直径为df，当气溶胶以速度v经过过滤器的时候，也就是接触纤维过滤层的时候会承受一定的阻力，此时流体的阻力为：
(6)
设纤维滤层厚度为H，则单位面积纤维总长度为：
(7)
所以阻力的损失为：
(8)
式(8)的构成及模型主要用来计算过滤装置的阻力，不过实际运行情况并不完全等同于理论公式，过滤装置的实际性能还会受到更多其他环境因素的影响。
3)过滤器最佳更换时间。
随着过滤器使用时间的增加，吸附在过滤器上的颗粒越来越多，对空气的阻碍也会越来越大，风机的工作频率会上升，电能的消耗也会增大。通常每一级过滤器前后之间都安装有压差计，以便巡检点过程中对其观察。压差值用于判定压力损失值是否达到上限，如果达到，就需要更换过滤器。
不过在实际的运行操作中，过滤器的更换频率不仅对其自身的空气净化效果会产生一定的影响，与后道过滤的效率以及风机工作的频率大小也有着直接的关联。
根据运行中获得的经验，及时甚至更早地更换过滤器确实能够提高微粒的吸附效果，降低送风机的运转频率。综合考虑中效和高效过滤器的使用成本，可以适当调整更换过滤器时的临界值，见表3。对于不同的空调系统，需要根据实际情况调整过滤器更换周期，而不是完全按照理论值进行更换。
表3 各级过滤器压差临界值对比[5,7]
各级过滤器理论更换过滤器压差临界值/Pa实际更换过滤器压差临界值/Pa初级过滤器200150中效过滤器300150～180高效过滤器450400～450
3.3 新风温湿度调节
新风系统调节的空气其实就是湿空气。湿空气由干空气和水蒸气两部分组成。
湿空气的基本状态参数有压力、密度、含湿量、相对湿度和比焓。干空气成分较为稳定，包括了 N2、O2和其他的微量气体，另一部分是水蒸气，它在空气中的含量尽管较少，但其变化对湿空气的潮湿程度会产生很大影响，是各类空调机和新风调节的主要对象。这两部分都可以近似看成理想气体。
大气压力就是湿空气的压力，由干空气的压力和水蒸气的压力相加而得。根据理想气体状态方程式可得[7]：
B=Pg+Pq
(9)
Pgv=MgRgT
(10)
Pqv=MqRqT
(11)
式中：B为湿空气压力，Pa；Pg为干空气压力，Pa；Pq为水蒸气压力，Pa；Mg为干空气质量，kg；Mq为水蒸气质量，kg；Rg为气体常数，取决于气体的性质，Rg=287J/(kg·K)；Rq为气体常数，取决于气体的性质，Rq=461J/(kg·K)；T为气体的热力学温度，K。
从式(9)～(11)可以看出，水蒸气的含量越大，其分压力越大。在一定的温度条件下，定量的湿空气中所能够含有的水蒸气是有限的。湿空气的温度越低，水蒸气最大含量就越小，温度越高，水蒸气最大含量就越大。当湿空气中水蒸气含量超过最大允许值时，水蒸气就会以小水珠的形式析出，产生结露现象，水珠开始析出时的温度称之为露点。湿空气中水蒸气达到饱和状态，为饱和湿空气；湿空气中水蒸气的含量没有达到最大值，其仍有吸收水蒸气的能力，就是一般空气，为未饱和空气。
本文从微电子、超净材料及微纳加工工艺对环境要求出发，探讨了获得超净环境的各种方法；通过对工业超洁净环境设计所涉及到的超洁净度空气的获取与保持、超净室系统设计、超洁净室关键技术等研究，构建了工业超洁净环境层流条件和洁净度计算力学模型，并对工业超洁净环境设计中洁净室分子级空气污染(AMC)的处理、各级过滤器参数选择、新风温湿度调节等关键技术进行了较为深入的探讨，为微电子、超净材料及微纳加工等工业超洁净环境设计提供了理论基础。
参考文献：
[1] 暖通空调杂志社. 我国超净环境集成系统技术取得重大突破[J]. 暖通空调, 2014(12):31.
[2] 孙晟. 半导体工业洁净室新风系统节能方法研究[D]. 上海：上海交通大学, 2014.
[3] 邱慈云.中国半导体的发展与机遇[J]. 半导体信息, 2012(2):2.
[4] 赵佶. IBM揭示最新半导体制程技术进展[J]. 半导体信息, 2013(2):8-9.
[5] YANG Y, MAO P, FENG S Y, et al. Assessment on the collection efficiency of an aerosol sampler in micro and nanoparticles environment[J].Key Engineering Materials,2014, 65(22):6629-6644.
[6] 周金锋. 半导体代工厂洁净室的设计、监控和管理案例分析[D]. 上海：上海交通大学, 2008.
[7] NIU X, XIAO F, GE G. Performance analysis of liquid desiccant based air-conditioning system under variable fresh air ratios[J]. Energy & Buildings, 2010, 42(42):2457-2464.
LIU Gen1,JIANG Chengcan2,RUI Xiaoguang3,LIAO Lili2,RUI Yannian3
(1.Suzhou Company of Jiangsu Tianheng EngineeringManagement Consulting Co., Ltd., Jiangsu Suzhou, 215000, China) (2.School of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University, Jiangsu Suzhou, 215021, China) (3.School of Mechanical and Electric Engineering,Suzhou Vocational University, Jiangsu Suzhou, 215104, China)
Abstract：Based on the environmental requirements for the microelectronics, it proposes ultra clean materials and micro-nano processing technology, shows the detail about the super clean air acquisition and maintenance, the design of clean room system and the key technologies of super clean room in the industrial super clean environment construction. It establishes the laminar flow condition of industrial super clean environment and mechanical model of cleanliness, realizes the treatment of molecular level air pollution (AMC) in clean room of the industrial super clean environment, analyzes the choice of filter parameters at all levels and the control of fresh air temperature and humidity. This design provides a theoretical basis for the design of the super clean environment used in the microelectronics, ultra clean materials and micro-nano processing.
Key words：microelectronics; ultra clean materials and micro-nano processing; super clean environment design; key technologies of the super clean environment
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2016.11.018
收稿日期：2016-09-06
基金项目：国家863专项资助项目(2012AA063506)；苏州市科技支撑项目(ss201344)
作者简介：刘根(1966—)，男，江苏江阴人，江苏天衡工程咨询管理有限公司苏州公司工程师，苏州大学机电学院访问学者，硕士，主要从事智能监测技术、机电一体化产品创新技术的研究工作。
中图分类号：TN
文献标志码：A
文章编号：X(2016)11-0086-06
联系客服
