论文部分内容阅读
【摘 要】 针对单向垂直流洁净室内，受工艺设备影响导致的气流偏移、无效气流现象进行综合分析，探讨在洁净室设计和施工过程中所要考虑的因素以及运行阶段气流二次调整的方案，使洁净室形成良好的气流流型，并能更好地满足实际生产的需要。
【关键词】 洁净室;气流组织;工艺设备;调整;微环境
Study on Airflow Problem Caused by Process Equipment of Micro Electron Industry Cleanroom
Xing Zhuang
【Abstract】 An analysis of undirection Vertical airflow in cleamroom was made，which can skew random and blow unefficiently by the influence of process equipment.Discussed the major issues that should be considered in the cleanroom design and Construction phase and adjustment plans of airflow in cleanroom operation phase， so that airflow could meet the production requirement.
【Key Words】 Clean room： Air flow; Process equipment; Adjustment; Mini-environment
引言：
近十年来，精密电子制造技术得到了迅猛的发展，随之电子洁净室在技术和经济上也得到了迅速发展。特别是半导体集成电路产业采用高标准洁净室成为洁净室技术发展的标志。在该领域内，对产品质量的要求越来越高，对微尘的尺寸和数量的控制标准也越来越严格。即便由于某些因素造成的最小污染，特别是气流组织不良的环境因素，也会大大降低产品的成品率。因此，必须将影响产品质量的环境因素降至最小，才能使产品生产工艺得到保障，提高产品的成品率。
本文主要针对垂直单向流洁净室内，受工艺设备影响造成的气流偏移、无效气流现象进行综合分析，探讨在洁净室设计和施工过程中所要考虑的因素及运行阶段气流二次调整的方案，使洁净室形成良好的气流流型，并能更好的满足实际生产的需要。
1 洁净室气流流型分类
洁净室按气流流型来分类可分为单向流洁净室、非单向流洁净室、混合流洁净室和矢流洁净室。半导体集成电路一般采用的是单向流洁净室。
1.1单向流洁净室
单向流洁净室的净化原理是活塞挤压原理，洁净气流将室内产生的粒子由一端向另一端以活塞型式挤压出去，使洁净气流充满洁净室。单向流洁净室又可分为垂直单向流洁净室（图1）和水平单向流洁净室（图2）。大多数电子厂房洁净室采用的是垂直单向流洁净室。
（1）垂直单向流洁净室是在其吊顶上满布（≥80%）高效空气过滤器（FFU），经其过滤的洁净气流从吊顶用活塞型式以≥0.25m/s的速度和偏斜角度小于14°，把室内的污染粒子向地面擠压，被挤压的污染空气通过地板格栅排出洁净室，这样不断地进行循环运行来实现洁净室的高洁净度。垂直单向流洁净室可创造极高的洁净度（1级～5级），但是，它的初投资和运行费用很昂贵。
（2）混合流洁净室是将垂直单向流和非单向流两种型式（图3）的气流组合在一个洁净室中。混合流洁净室可大大压缩垂直单向流的面积，只将其应用在必要的关键工序和关键部位中，用大面积的非单向流来替代垂直单向流。这样不仅大大地节省建造投资而且也大大地节省了运行费用。目前，这种混合流洁净室广泛地应用在微电子（超大规模集成电路）的光电子（液晶显示器LCD、等离子PDP、发光二极管LED和薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器TFT-LCD）等大面积高洁净度等级的电子工业洁净厂房中。
图3 混合流气流流型
2 洁净室内气流组织的影响因素
在实际建工艺线的过程中，气流的流场特征会影响到洁净度等级及污染物的控制，从而使洁净室的效果与设计时相差甚远。而且从流动的雷诺数来考虑，洁净室的气流均为紊流，洁净室运转后实际的风向控制较为复杂，考虑因素更多，与高架地板开孔率、FFU吹出风速、机台方位、人员走动、导流板设置等均有很大的关系。
而气流偏移现象的原因分析以及气流改善方案的前提是应从大环境角度考虑，若只考虑局部往往达不到所期望的控制目标。
3 工艺设备对气流影响及解决方法
工艺设备内的环境分为有送风环境和无送风环境，有送风环境可分为：使用洁净室本身的洁净空气的环境，和自带FFU的环境。本例说明一种利用洁净室气流的设备所出现的气流问题和调整措施。
3.1面临的问题
洁净室高架地板在设计和施工时按照空态洁净室气流状态考虑，为了保证空态洁净室气流的均一性，高架地板开口率沿洁净室宽度方向递增或递减，在洁净室长度方向保持一致。
但是，当工艺机台设备搬入后，气流的一致性被破坏，产生了气流的偏移，甚至形成涡流。
对于利用洁净室气流的机台设备，其保证工艺生产的洁净气流来自于洁净室气流，当机台周围和地板内部地板开口率一致时，由于机台内部气流通过率低，更多的洁净气流流向了机台外部，流过机台内部的洁净气流很少，甚至没有了洁净气流。
同时机台侧面盖板与地板间有一定距离，形成较大间隙，设备外气流通过此处间隙吹入设备底部，增大了设备底部与地板间空间的气压，导致设备中间的downflow减小，原理如图4所示。 3.2通过CFD（计算流体力学）软件的解决方案
内流场分析需建立模型及设定边界条件，并尽量符合实际，从而所得到的数据也能接近于实际情况。
模型建立主要包括建筑尺寸、回风道分布以及生产设备模型等。边界条件主要包括FFU参数、孔板特性及障碍物等。
通过研究气流偏移状况，设备内气流减低情况，调整地板阻力特性以形成设备内所需要之垂直单向流。一般在大环境区域气流模拟建模时，要求业主提供生产机台的相关参数（如外形尺寸、自带FFU参数等），以得到更符合未来实际运转的气流状况。从而可以在施工之前预见未来可能发生的局部气流偏移、紊流甚至交叉污染等不良现象，并采取相应的预防措施。
3.3气流改善验证
为改善设备内部气流小的问题，通过以下措施得以实现，并且经过试验验证，效果很好。
第一：增加设备下部高架地板的开口率。
第二：侧面盖板与地板间的间隙处安装隔断，改善原理和效果如图5所示。
通过改善，设备内气流增加22%，设备内Particle数据降低79%，如表1所示。
4 设备周围气流偏移现象及二次调整方案
4.1洁净室环境导致气流偏移
在许多工程案例中，孔板布置方案一般与FFU布置相同，即在FFU正下方布同样面积的孔板。
方案设计阶段未考虑工艺设备搬入后导致的气流偏移现象，或是在施工图深化设计阶段时，因洁净承包商的技术水平参差不齐，多数人并未意识到孔板布置与气流组织之间的密切关系，而仅仅是照图施工。所以常常在实际运转阶段才发现气流偏移的问题，此时再想办法去解决往往事倍功半。
在生产车间内气流为什么会有偏移的现象呢？可以将设备内部和设备外部分别看作两个风管，设备内因为安装有机台，气流流过时阻力大，风速减小，导致机台下部气压低于设备外部的气压，设备外的气流吹入设备底部，进一步降低了设备内向下的气流。
借助于CFD软件，可以模拟气流流向和压力曲线。所以，气流偏移的调整措施主要调节地板的阻力特性，因地板型式的不同可以通过调整高架地板孔板的分布率实现。通过上述改善方案从而改善洁净室内气流流型。
4.2设备微环境气流偏移
这里的微环境主要特指生产机台区域环境，在SEMI标准中“SEMIE44—95微环境购买验收指南”对微环境的定义为：由隔离装置做成的局部净化环境，目的是使将产品与人员污染隔离开。
其因由是：“洁净”工艺仅需较小的空间，却为何浪费那么多平方米的洁净室空间。即“大”洁净室仅限于基本洁净度水平，且所有的关键生产工艺都在洁净室级别足够好的区域内进行。微环境又可以分为无送风微环境（不带气流的盒子、柜子或专门接口箱）和送风微环境（带有低度紊流的微环境，可以使用洁净室本身的洁净空气，或是自带FFU）两种。
一般情况下，进行气流模拟是将生产机台当作一个空块进行处理，但实际情况并非如此。有些机台的确是一个不通风的箱体，但有些机台却可以通风，甚至多数机台均有自带FFU设备。
对于通风但不带FFU的设备，将设备侧面盖板延长至地板，并且将设备正下方的地板孔布置率增加，可以有效增加设备内的气流，并提高设备内洁净度。
对于不通风的设备，我们可以将设備正下方的地板孔板布置率减少甚至不布置，而将孔板挪至设备四周，以避免该设备客观上占用多数通风面积。
而对于自带FFU设备，又可以按照设备是否有水盘、底座透风状况及废气排放量等不同特征，分别规划孔板的布置方案。例如在清洗机区域，考虑到有漏的风险，故建议在设备轮廓线附近均布置盲板以避免漏液流到回风夹层内产生意外。而对于很多自带FFU的设备来讲，因其本身废气排放量较大，故设备下方的孔板布置并不需要满布。而有些设备下方即使是满布孔板，有时也不能满足其气流控制需求，比如在Stocker设备底座区域孔洞内可增加轴流风扇进行强制通风，以得到较好的垂直气流单向流型。
4.3局部紊流
全面单向流洁净室也常出现气流紊流和回流等状况，会使洁净室的局部气流组织受到破坏，是洁净室的设计人员和施工维护人员都应注意的地方。
当孔板有针对性的布置后，空态状况下洁净室内的气流特性一般都能符合设计的要求。但一旦有机台设备进入洁净室、人员的移动和产吕的传输，就不可避免的存在着气流组织的障碍物。比如在设备机台突出的尖角或边缘处，气流会分流形成一个紊流区。在紊流区内的流体不易被带走，从而产生污染。另一种情况是因为设备本身的发热，在机台附近由温度梯度引起回流区，加大了微粒累积。同时，高温又容易使微粒逸散出去，双重效应加重了全面垂直单向流的控制难度。
5 结语
（1）对洁净室设计人员而言，设计过程中需要充分考虑生产机台的特性，洁净室的整体构造，并据此调整气流布置方能取得理想的洁净室气流形态，进而确保洁室的洁净度，提高产品成品率并实现一定程度的节能效果。
（2）对于生产洁净设备的厂家而言，要根据设备的微环境，合理设计设备构造，优化送风方式，保证工艺设备的洁净度。
参考文献：
[1]袁旭东，王科.全面垂直层流洁净室气流组织影响因素探讨[J].制冷与空调，2005（02）
[2]赵金亮，刘俊杰，朱能，高级别洁净室气流组织的优化[J].流体机械，2005.33（4）
[3]本德.阿兰德.洁净室技术近期发展趋势及微环境展望[J].第六届中国国际上海洁净技术论坛，2003
[4]许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海：同济大学出版社，1998
[5]王雪，徐陆平.高等级洁净室气流微调整方案[J].发电与空调，2013.34
[6] GB50073-2001洁净厂房设计规范[S]
【关键词】 洁净室;气流组织;工艺设备;调整;微环境
Study on Airflow Problem Caused by Process Equipment of Micro Electron Industry Cleanroom
Xing Zhuang
【Abstract】 An analysis of undirection Vertical airflow in cleamroom was made，which can skew random and blow unefficiently by the influence of process equipment.Discussed the major issues that should be considered in the cleanroom design and Construction phase and adjustment plans of airflow in cleanroom operation phase， so that airflow could meet the production requirement.
【Key Words】 Clean room： Air flow; Process equipment; Adjustment; Mini-environment
引言：
近十年来，精密电子制造技术得到了迅猛的发展，随之电子洁净室在技术和经济上也得到了迅速发展。特别是半导体集成电路产业采用高标准洁净室成为洁净室技术发展的标志。在该领域内，对产品质量的要求越来越高，对微尘的尺寸和数量的控制标准也越来越严格。即便由于某些因素造成的最小污染，特别是气流组织不良的环境因素，也会大大降低产品的成品率。因此，必须将影响产品质量的环境因素降至最小，才能使产品生产工艺得到保障，提高产品的成品率。
本文主要针对垂直单向流洁净室内，受工艺设备影响造成的气流偏移、无效气流现象进行综合分析，探讨在洁净室设计和施工过程中所要考虑的因素及运行阶段气流二次调整的方案，使洁净室形成良好的气流流型，并能更好的满足实际生产的需要。
1 洁净室气流流型分类
洁净室按气流流型来分类可分为单向流洁净室、非单向流洁净室、混合流洁净室和矢流洁净室。半导体集成电路一般采用的是单向流洁净室。
1.1单向流洁净室
单向流洁净室的净化原理是活塞挤压原理，洁净气流将室内产生的粒子由一端向另一端以活塞型式挤压出去，使洁净气流充满洁净室。单向流洁净室又可分为垂直单向流洁净室（图1）和水平单向流洁净室（图2）。大多数电子厂房洁净室采用的是垂直单向流洁净室。
（1）垂直单向流洁净室是在其吊顶上满布（≥80%）高效空气过滤器（FFU），经其过滤的洁净气流从吊顶用活塞型式以≥0.25m/s的速度和偏斜角度小于14°，把室内的污染粒子向地面擠压，被挤压的污染空气通过地板格栅排出洁净室，这样不断地进行循环运行来实现洁净室的高洁净度。垂直单向流洁净室可创造极高的洁净度（1级～5级），但是，它的初投资和运行费用很昂贵。
（2）混合流洁净室是将垂直单向流和非单向流两种型式（图3）的气流组合在一个洁净室中。混合流洁净室可大大压缩垂直单向流的面积，只将其应用在必要的关键工序和关键部位中，用大面积的非单向流来替代垂直单向流。这样不仅大大地节省建造投资而且也大大地节省了运行费用。目前，这种混合流洁净室广泛地应用在微电子（超大规模集成电路）的光电子（液晶显示器LCD、等离子PDP、发光二极管LED和薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器TFT-LCD）等大面积高洁净度等级的电子工业洁净厂房中。
图3 混合流气流流型
2 洁净室内气流组织的影响因素
在实际建工艺线的过程中，气流的流场特征会影响到洁净度等级及污染物的控制，从而使洁净室的效果与设计时相差甚远。而且从流动的雷诺数来考虑，洁净室的气流均为紊流，洁净室运转后实际的风向控制较为复杂，考虑因素更多，与高架地板开孔率、FFU吹出风速、机台方位、人员走动、导流板设置等均有很大的关系。
而气流偏移现象的原因分析以及气流改善方案的前提是应从大环境角度考虑，若只考虑局部往往达不到所期望的控制目标。
3 工艺设备对气流影响及解决方法
工艺设备内的环境分为有送风环境和无送风环境，有送风环境可分为：使用洁净室本身的洁净空气的环境，和自带FFU的环境。本例说明一种利用洁净室气流的设备所出现的气流问题和调整措施。
3.1面临的问题
洁净室高架地板在设计和施工时按照空态洁净室气流状态考虑，为了保证空态洁净室气流的均一性，高架地板开口率沿洁净室宽度方向递增或递减，在洁净室长度方向保持一致。
但是，当工艺机台设备搬入后，气流的一致性被破坏，产生了气流的偏移，甚至形成涡流。
对于利用洁净室气流的机台设备，其保证工艺生产的洁净气流来自于洁净室气流，当机台周围和地板内部地板开口率一致时，由于机台内部气流通过率低，更多的洁净气流流向了机台外部，流过机台内部的洁净气流很少，甚至没有了洁净气流。
同时机台侧面盖板与地板间有一定距离，形成较大间隙，设备外气流通过此处间隙吹入设备底部，增大了设备底部与地板间空间的气压，导致设备中间的downflow减小，原理如图4所示。 3.2通过CFD（计算流体力学）软件的解决方案
内流场分析需建立模型及设定边界条件，并尽量符合实际，从而所得到的数据也能接近于实际情况。
模型建立主要包括建筑尺寸、回风道分布以及生产设备模型等。边界条件主要包括FFU参数、孔板特性及障碍物等。
通过研究气流偏移状况，设备内气流减低情况，调整地板阻力特性以形成设备内所需要之垂直单向流。一般在大环境区域气流模拟建模时，要求业主提供生产机台的相关参数（如外形尺寸、自带FFU参数等），以得到更符合未来实际运转的气流状况。从而可以在施工之前预见未来可能发生的局部气流偏移、紊流甚至交叉污染等不良现象，并采取相应的预防措施。
3.3气流改善验证
为改善设备内部气流小的问题，通过以下措施得以实现，并且经过试验验证，效果很好。
第一：增加设备下部高架地板的开口率。
第二：侧面盖板与地板间的间隙处安装隔断，改善原理和效果如图5所示。
通过改善，设备内气流增加22%，设备内Particle数据降低79%，如表1所示。
4 设备周围气流偏移现象及二次调整方案
4.1洁净室环境导致气流偏移
在许多工程案例中，孔板布置方案一般与FFU布置相同，即在FFU正下方布同样面积的孔板。
方案设计阶段未考虑工艺设备搬入后导致的气流偏移现象，或是在施工图深化设计阶段时，因洁净承包商的技术水平参差不齐，多数人并未意识到孔板布置与气流组织之间的密切关系，而仅仅是照图施工。所以常常在实际运转阶段才发现气流偏移的问题，此时再想办法去解决往往事倍功半。
在生产车间内气流为什么会有偏移的现象呢？可以将设备内部和设备外部分别看作两个风管，设备内因为安装有机台，气流流过时阻力大，风速减小，导致机台下部气压低于设备外部的气压，设备外的气流吹入设备底部，进一步降低了设备内向下的气流。
借助于CFD软件，可以模拟气流流向和压力曲线。所以，气流偏移的调整措施主要调节地板的阻力特性，因地板型式的不同可以通过调整高架地板孔板的分布率实现。通过上述改善方案从而改善洁净室内气流流型。
4.2设备微环境气流偏移
这里的微环境主要特指生产机台区域环境，在SEMI标准中“SEMIE44—95微环境购买验收指南”对微环境的定义为：由隔离装置做成的局部净化环境，目的是使将产品与人员污染隔离开。
其因由是：“洁净”工艺仅需较小的空间，却为何浪费那么多平方米的洁净室空间。即“大”洁净室仅限于基本洁净度水平，且所有的关键生产工艺都在洁净室级别足够好的区域内进行。微环境又可以分为无送风微环境（不带气流的盒子、柜子或专门接口箱）和送风微环境（带有低度紊流的微环境，可以使用洁净室本身的洁净空气，或是自带FFU）两种。
一般情况下，进行气流模拟是将生产机台当作一个空块进行处理，但实际情况并非如此。有些机台的确是一个不通风的箱体，但有些机台却可以通风，甚至多数机台均有自带FFU设备。
对于通风但不带FFU的设备，将设备侧面盖板延长至地板，并且将设备正下方的地板孔布置率增加，可以有效增加设备内的气流，并提高设备内洁净度。
对于不通风的设备，我们可以将设備正下方的地板孔板布置率减少甚至不布置，而将孔板挪至设备四周，以避免该设备客观上占用多数通风面积。
而对于自带FFU设备，又可以按照设备是否有水盘、底座透风状况及废气排放量等不同特征，分别规划孔板的布置方案。例如在清洗机区域，考虑到有漏的风险，故建议在设备轮廓线附近均布置盲板以避免漏液流到回风夹层内产生意外。而对于很多自带FFU的设备来讲，因其本身废气排放量较大，故设备下方的孔板布置并不需要满布。而有些设备下方即使是满布孔板，有时也不能满足其气流控制需求，比如在Stocker设备底座区域孔洞内可增加轴流风扇进行强制通风，以得到较好的垂直气流单向流型。
4.3局部紊流
全面单向流洁净室也常出现气流紊流和回流等状况，会使洁净室的局部气流组织受到破坏，是洁净室的设计人员和施工维护人员都应注意的地方。
当孔板有针对性的布置后，空态状况下洁净室内的气流特性一般都能符合设计的要求。但一旦有机台设备进入洁净室、人员的移动和产吕的传输，就不可避免的存在着气流组织的障碍物。比如在设备机台突出的尖角或边缘处，气流会分流形成一个紊流区。在紊流区内的流体不易被带走，从而产生污染。另一种情况是因为设备本身的发热，在机台附近由温度梯度引起回流区，加大了微粒累积。同时，高温又容易使微粒逸散出去，双重效应加重了全面垂直单向流的控制难度。
5 结语
（1）对洁净室设计人员而言，设计过程中需要充分考虑生产机台的特性，洁净室的整体构造，并据此调整气流布置方能取得理想的洁净室气流形态，进而确保洁室的洁净度，提高产品成品率并实现一定程度的节能效果。
（2）对于生产洁净设备的厂家而言，要根据设备的微环境，合理设计设备构造，优化送风方式，保证工艺设备的洁净度。
参考文献：
[1]袁旭东，王科.全面垂直层流洁净室气流组织影响因素探讨[J].制冷与空调，2005（02）
[2]赵金亮，刘俊杰，朱能，高级别洁净室气流组织的优化[J].流体机械，2005.33（4）
[3]本德.阿兰德.洁净室技术近期发展趋势及微环境展望[J].第六届中国国际上海洁净技术论坛，2003
[4]许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海：同济大学出版社，1998
[5]王雪，徐陆平.高等级洁净室气流微调整方案[J].发电与空调，2013.34
[6] GB50073-2001洁净厂房设计规范[S]