《厂房洁净室设计探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《厂房洁净室设计探讨（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 2”集成电路厂房洁净室设计探讨2017-08-25洁净技术与应用0 引言 集成电路(IC)是集多种高新技术于一体的高科技产品，它几乎存在于所有工业部门，对国民经济的发展起着“倍增器”的作用，因此被先进国家作为战略性产业。同时IC产业也是当今世界上发展最为迅速、竞争最为激烈的产业。由于下游产品的需要以及生产成本的考虑，IC不断朝着特征尺寸缩小，硅片直径增大的方向发展。目前国际上以8”、0.250.18微米为代表的工艺已进入大生产，以12”、0.150.13微米为代表的工艺也开始进入大生产，研究工作已进入纳米阶段，70纳米、40纳米的器件已在实验室中制备成功。随着工艺生产技术的不断发展，IC生
2、产对于环境及其他配套系统的要求也相应越来越严格，说到环境首当其冲的是洁净室，8”、12”IC生产无论对洁净度、温湿度还是空气中分子级污染物(AMC)、防微振、防静电等都有极严格的要求，有些苛刻的要求甚至使某些传统的做法受到挑战。 1 洁净室形式 1.1 洁净室从平面布置划分一般有三种形式： 即开放式（Ballroom type)、港湾式（bay chase type)、岛型布置（island type),如图1、2、3。以上三种形式洁净室各有其优缺点，IC前工序生产厂通常采用港湾式和开放式洁净室，港湾式洁净室在5”、6”IC生产厂用得较多，其工艺设备为穿墙式；而8”、12”IC生产厂则普遍采用
3、开放式洁净室加微环境(minienvironment)的方式。开放式洁净室显著的优点首先是对工艺布置带来最大的灵活性，这尤为重要，因为当今IC生产技术发展极为迅速，不论产品本身要求还是工艺生产过程和生产设备都处在不断变化中，而IC生产工厂的建设周期从开始设计到安装工艺设备通常需要一年半左右的时间，在这段时间内工艺生产技术以及工艺设备需要不断的调整和更新，只有这样才可以保证投产时其生产技术不会处于落后的窘地。即使投产以后，也会因产品、市场及生产技术等因素的变化而需要对生产线进行改造以调整产品和产能。其次8”、12”IC生产对环境尤其是洁净度要求极为严格，通常硅片暴露区(加工过程)要求1.5级(2
4、09E，0.1m，1级)，采用开放式洁净室加微环境方式再配套自动物料处理系统(automated material handling system，AMHS)，一方面可以使操作人员和其他污染源与硅片完全隔离，另一方面生产自动化程度的提高对提高硅片成品率极为有利。开放式洁净室加微环境方式，工艺生产只要求微环境内有很严格的洁净度，而开放式洁净室只需保证56级，这样严格要求的洁净度区域大大减少，保证洁净度所需的循环空气量也相应减少，能耗大大降低，通常情况下开放式洁净室加微环境方式其维持洁净度所需的能耗大约仅为港湾式洁净室的131。实际工程中微环境是由设备自带的和开放式洁净室完全脱开，再加上开放式洁净
5、室本身结构简单，动力设备减少，这样无论从设计到建造都变得简单快捷，可以缩短建造时间。 采用开放式洁净室加微环境方式，确保硅片加工过程所需的洁净度的关键区域是微环境，微环境通常如图4、图5所示。图4所示的微环境的送风是由洁净室送风系统提供，其缺点是不灵活，移动或增加工艺设备不方便。目前8”、12”IC生产线所用的微环境基本上是图5的形式(光刻机除外)，微环境全部由工艺设备自带，与工艺设备紧密结合在一起，并且与装载台、前开口传递盒(Front 0pening unified pods，FOUP)、吊挂传输系统(Overhead hoist transport OHT)有机结合。微环境系统的风机直接
6、吸室内的空气，经ULPA过滤器处理后垂直下吹，以保证硅片暴露区严格的洁净度要求。微环境内的送风断面风速通常保持在0.20.45m/s，并保证过滤器出口断面上任意一点的风速不超过平均风速的20，过高的风速会使微环境的温度偏高。微环境的风机应为变频风机以适应过滤器的阻力变化，所用过滤器的效率99 99995(MPPS)。为避免周围“脏”空气渗入微环境，微环境相对于周围环境(开放式洁净室)应保持不低于1.25Pa的正压，这可以通过调节底部的回风饲门实现。8”、12”IC生产对防微振要求极高，而微环境所用的风机紧靠生产设备，所以风机与设备间应设有效减振措施，并且风机本身产生的振动在3100Hz频段内任
7、意一个频率点的振动位移幅值1.25m。 1.2 洁净室从送风系统方式划分一般也有三种形式：即集中送风系统(central system)、隧道系统(tunnel system)、FFU系统(fan filter unit system)，如图6、7、8。这三种送风系统各有特点，从不同的角度比较会得出不同的结论，所以不能简单地说孰优孰劣，送风系统方式的采用主要取决于业主、设计人员的关注点侧重于哪些方面。不过FFU系统近几年来得到越来越广泛的使用，尤其是在亚太地区。国内也不例外，已建的和在建的8”、12”IC生产厂房几乎都采用FFU系统，很多5”、6”IC生产厂房近几年也采用FFU系统。究其原因，
8、除了习惯、经验等非技术性因素之外，不外乎有以下几个原因： a)灵活性：在三种系统中，FFU系统的灵活性是最好的，这点特别适应当今IC生产技术飞速发展的要求，由于随着产品生产工艺的发展洁净度等级需求也会不断严格。隧道系统几乎谈不上灵活性，且隧道系统是以操作区作为送风、设备区作为回风的空气循环系统，但8”、12”IC厂房洁净室目前基本上都采用Ballroom方式，不分操作区和设备区，因此隧道系统也就不适用了；集中送风系统有一定的灵活性，但洁净系统改造时必须停机、停产。如果要提高局部区域的洁净度，除了洁净室顶部要增加HEPAULPA过滤器外，还需增设循环机组，从而使改造难度大，而且对生产有较大影响；
9、采用FFU系统，局部增加FFU台数或移动FFU位置均很容易实现，而且可以在不停产的情况下进行，对生产几乎没有影响。 b)调控性：和集中式送风系统相比，FFU系统各区空气交叉的情况相对要少，可以实现较高精度的温湿度控制。随着电机与网络控制技术的发展，FFU很容易实现单台控制，每台FFU出风速度在一定范围内几乎可以任意调节，这样就很容易解决大跨度洁净室远近端气流不均匀的问题。另外FFU还可以根据实际使用需要停开或少开启一部分。 c)可靠性：采用集中送风系统只要一台送风机组出现故障，整个系统的洁净度就得不到保证，除非有备用机组能立即投入运行；对于隧道系统一旦某一台循环机组停止运行，该循环机组所负担的
10、洁净区域的洁净度、温湿度就无法保证，生产也只好停止；而FFU系统这方面的风险相对要小得多，即使有一台FFU出现故障，其影响面很小。另外随着网络监控技术的发展，FFU系统因数量多而造成维护不便的情况也已得到改善。 d)气密性与空间利用：FFU系统由于风机直接设在工作区上方，因此工作区相对于回风道及上静压箱为正压，工作区以外污染物极少因泄漏进入工作区；相反的，集中送风系统和隧道系统工作区相对于上静压箱为较大的负压，因此泄漏的风险性比FFU系统要高得多。另外采用集中送风系统及隧道系统，上静压箱与周围环境的压差很大，极易发生空气泄漏，因此对上静压箱的气密性要求很高，基本上不允许管线进入。而FFU系统的
11、上静压箱相对于周围环境只是微正压，上静压箱内可以布置或穿越诸如排风和排烟等管道，使空间得到合理利用。e） 能耗问题：一些统计资料表明，在IC厂房中，维持生产环境洁净度的空气循环过滤系统是除工艺设备外的耗能最大的系统，所以采用何种送风系统其能耗也是必须考虑的因素。大型轴流风机的全压效率理想上可达80，电机效率一般可达90，则用电效率是两者的乘积72，如果考虑消音器对风压造成的损失，使风机全压效率降至70，则用电效率也随之降到63（假设电机效率不变）；8”、12”IC厂房洁净室中的FFU通常采用直流无刷电机，效率也可达到90日，通常用电效率在50左右。所以在最佳的运行状态下，大型轴流风机的单机用电
12、效率高于小型FFU应该是没有什么疑问的。但实际工程情况又怎样呢?由于直流无刷电机可以在相当大的运行范围里保持高效率出力，而大型轴流风机在变频运转后电机效率会急剧下降，但洁净系统中HEPAULPA的阻力是不断变化的，且初、终阻力相差较大，所以在相当长的时间内风机是在非设计状态运行，从这方面考虑FFU系统又会具有一定优势。所以对集中送风系统和FFU系统的能源效率比较，很难做出明确的结论，应视具体工程项目的产品生产情况、净化空调系统及其设备配置情况等确定。 2 空气处理及温湿度保证 8”、12“IC生产由于其工艺加工线宽极小，所以对温湿度的精度要求很高，通常温度精度为0.3O.5，相对湿度精度为23
13、。该类厂房洁净室一般采用新风集中处理加FFU系统，在下夹层或上静压箱内设干表冷器。洁净室内的相对湿度由新风机组保证，温度由干表冷器保证。 2.1 新风处理及相对湿度保证 新风处理机组的功能段如图9所示，新风处理机组中设置初、中、高效三级过滤，以去除室外空气中的灰尘粒子，设高效过滤器很有必要，可以延长洁净室顶部FFU内ULPA过滤器的使用寿命；设置化学过滤器主要是去除室外空气中对IC生产有影响的杂质气体，根据工厂所在地的室外空气品质设置相应的化学过滤器，化学过滤器后通常需设中效过滤器以去除化学过滤器本身的产尘；通过设在新风处理机组内的两级表冷、两级加热以及洁净蒸汽加湿器保证新风处理机组出口的干球
14、温度及露点温度全年基本恒定，而机组出口的露点温度还应根据其对应送风区域内的相对湿度进行连续的重新整定，以保证室内的相对湿度。这里不以房间内的相对湿度直接控制加湿器或表冷器，而以房间内的相对湿度连续的重新整定机组出口的露点温度，再由该露点温度控制加湿器或表冷器是为了得到更及时的湿度控制。由于外网蒸汽中含有对IC生产有影响的杂质，新风处理机组的加湿应采用洁净蒸汽。洁净蒸汽加湿器通常设在表冷器前，这样可以使新风处理机组有提高相对湿度控制精度的潜能。有些工程中是以喷淋初级纯水(一级RO后)代替洁净蒸汽加湿器，这是一举两得的好办法，因为喷淋纯水既可以达到加湿的目的，又可以去除空气中对IC生产有影响的杂质
15、气体。新风处理机组还应保证洁净室内的正压，所以新风机组内的风机应配置变频装置，以洁净室内的正压值控制风机转速。新风集中处理有诸多优点，但在寒冷地区使用时则特别要注意盘管的防冻问题。另外因8”、12”IC生产对环境的可靠性有极高的要求，新风处理机组必须设一台备用机组。 2.2循环风处理及温度保证 8”、12”IC厂房洁净室通常采用FFU系统(如图8)，室内空气经干表冷器冷却处理后与新风混合，再由设在房间顶部的FFU加压、过滤后送入房间。还有一种情况是干表冷器设在上夹层，空气处理过程略有不同，其过程为：新风和回风混合，再经干表冷器冷却，最后由FFU加压、过滤后送入洁净室。干表冷器主要是消除洁净室内的显热负荷，根据洁净室内的温度控制对应区域的干表冷器以保证房间的温度。采用该系统应注意以下几点： a）为得到精确的温湿度控制，应尽量减少Ballroom内各区域之间的气流交叉，所以各区域的干表冷器结构形式、空气侧阻力应尽量一致。b) 考虑室内湿度精度及表冷器空气侧阻力等因素，应确保干表冷器在干工况下工作，干表冷器所用的冷冻水温度应根据室内湿负荷、室内空气的露点温度等因素确定，IC厂房工艺生产设备发湿量很少，考虑干表冷器所用冷冻水本身的温度控制精度以及其他的安全余量，实际工程中一般冷冻水供水温度比室内空气露点温度高23，温差通常取35，根据室内温度控制精
