半導(dǎo)體潔凈室污染物擴(kuò)散特性研究

摘 要： 隨著集成電路集成度越來(lái)越高，對(duì)半導(dǎo)體潔凈室潔凈度的要求也逐漸變高，因此對(duì)潔凈室內(nèi)污染物濃度的控制顯得尤為重要.文中針對(duì)某潔凈室內(nèi)不同位置設(shè)備的開(kāi)啟狀態(tài)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了6種開(kāi)啟方案的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng).結(jié)果表明：活塞流能夠有效控制污染物的擴(kuò)散；處于活塞流區(qū)域的工作人員呼吸區(qū)的污染物濃度很??；中間設(shè)備產(chǎn)生的污染物會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散，濃度場(chǎng)受兩側(cè)的風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元開(kāi)啟狀態(tài)影響較大.研究結(jié)果為制定潔凈室污染物控制策略提供理論依據(jù).

關(guān)鍵詞： 潔凈空調(diào)；氣流組織；污染物擴(kuò)散

中圖分類號(hào)：TU834.8；TB69 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-4807（2025）01-031-07

Research on behaviour of pollutant diffusion in semiconductor cleanroom

LIANG Tianchi TANG Chunli QIAN Xiaoli TAN Ben HUANG Yingkai YANG Haijun WANG Xu

（1.School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Jiangsu Qi′an Construction Group Co. Ltd.， Nantong 226000， China）[JZ）]

Abstract：With the increase in the integration of integrated circuits， the requirements for cleanliness in semiconductor cleanrooms are also gradually increasing. Therefore， the control of the pollutant concentration is particularly important. The impact of the operating state of the equipment at different positions in a cleanroom on the pollutant diffusion is simulated in this paper. The velocity and concentration distribution are compared for six different cases. The results indicate that the diffusion of the pollutant can be effectively controlled by the piston flow. The pollutant concentration in the breath zone of the workers standing in the piston flow area is very small. The pollutant generated by the middle equipment diffuse from the center to the area of A and C. The concentration field is greatly affected by the fan filter units（FFU） opening status in Zone A and Zone C. The results provide a theoretical basis for the development of pollutant control methodology for cleanrooms.

Key words：clean air conditioning， air flow distribution， pollutant diffusion

近年來(lái)，隨著芯片需求量持續(xù)上升以及國(guó)家政策的扶持[1]，我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅猛，半導(dǎo)體制造技術(shù)不斷提高，主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體制造工藝線程進(jìn)一步變窄[2]，集成電路的集成度不斷提高，對(duì)半導(dǎo)體潔凈室的室內(nèi)環(huán)境的要求也不斷提高.建立同等尺寸的潔凈室雖然還原度高，但是建造成本高，而建立等比例縮小的潔凈室模型對(duì)壓力梯度、溫度梯度等推導(dǎo)有較高要求，使用這兩種方法均有很高的難度，而CFD仿真模擬的成本相對(duì)較低且可在仿真軟中建立全尺寸的潔凈室模型，因此被廣泛應(yīng)用于研究氣流組織.文獻(xiàn)[3]研究了一種新型的工業(yè)潔凈室空氣過(guò)濾與通風(fēng)系統(tǒng)，將工廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與CFD仿真模擬結(jié)果相互印證，發(fā)現(xiàn)將空氣與回風(fēng)在混合室外分別過(guò)濾后再混合可以降低混合損失.文獻(xiàn)[4]以某千級(jí)潔凈室為例，研究上送單側(cè)回和上送雙側(cè)回兩種形式在單向流潔凈室中形成的氣流組織，模擬結(jié)果表明單向流潔凈室排污效果比非單向流潔凈室更好，非單向流雙側(cè)回風(fēng)形式比單側(cè)回風(fēng)形式有更均勻的室內(nèi)氣流組織、溫度等參數(shù)，此研究結(jié)果為其他人使用CFD數(shù)值模擬研究潔凈室內(nèi)送回風(fēng)方案提供了參考.在芯片生產(chǎn)過(guò)程中的蝕刻、光刻、氧化等過(guò)程，產(chǎn)生大量的有毒有害化學(xué)氣體和顆粒物污染物，如果不能及時(shí)排出則會(huì)污染生產(chǎn)過(guò)程[5]，降低半導(dǎo)體產(chǎn)品的良品率，影響潔凈室內(nèi)工作人員的安全，其中顆粒物直徑一般小于1 μm，其擴(kuò)散情況受氣流組織的影響較大[6]，所以，污染物擴(kuò)散和控制是潔凈空調(diào)系統(tǒng)研究的重點(diǎn).文獻(xiàn)[7]利用CFD仿真軟件對(duì)某集成電路廠房的氣流組織方案進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明單向流潔凈室中的設(shè)備會(huì)阻擋氣流，在設(shè)備上方出現(xiàn)局部卡門(mén)渦街的現(xiàn)象，因此在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中應(yīng)將送風(fēng)口錯(cuò)開(kāi)布置在設(shè)備正上方，研究結(jié)果為潔凈室中送風(fēng)口與設(shè)備位置的布置提供了參考.文獻(xiàn)[8]提出了3種潔凈室通風(fēng)方案，對(duì)不同送風(fēng)速率下的氣流分布、人體熱舒適性及室內(nèi)污染物的擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值和理論研究，并與全尺寸實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明換氣次數(shù)增大到一定值時(shí)并不能提高潔凈度.文獻(xiàn)[9]通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，系統(tǒng)地介紹了潔凈室換氣次數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)工作人員發(fā)塵規(guī)律進(jìn)行研究，得到了人員發(fā)塵的粒徑特征及發(fā)塵量與工作人員的非線性規(guī)律，與已有的潔凈室人員發(fā)塵當(dāng)量對(duì)比分析后得出結(jié)論，隨著潔凈度的降低、潔凈服材料過(guò)濾性能變差、人員活動(dòng)強(qiáng)度增大，人員發(fā)塵量增加，研究結(jié)果為潔凈室內(nèi)污染物控制和換氣次數(shù)設(shè)計(jì)提供參考.文獻(xiàn)[10-12]發(fā)現(xiàn)送排風(fēng)口的位置、送風(fēng)和室內(nèi)空氣的溫差、室內(nèi)設(shè)備的阻礙、從熱源上升的空氣等變量是改變潔凈室內(nèi)氣流組織的重要因素，會(huì)顯著影響到達(dá)潔凈區(qū)域的潔凈空氣量，影響潔凈度.文獻(xiàn)[13]應(yīng)用CFD軟件模擬計(jì)算了某非單向流潔凈室的9個(gè)工況下的流場(chǎng)及濃度場(chǎng)，以顆粒物濃度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)末端形式顯著影響局部顆粒物濃度，換氣次數(shù)顯著影響室內(nèi)平均濃度，研究結(jié)果為末端形式、回風(fēng)口位置和換氣次數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考.上述研究成果側(cè)重于送回風(fēng)形式、送排風(fēng)口位置、換氣次數(shù)等研究，對(duì)潔凈室內(nèi)污染物擴(kuò)散和控制的研究較少.文中以某潔凈室為例，利用CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，探究不同位置的設(shè)備開(kāi)啟狀態(tài)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響.[JP]

1 項(xiàng)目概況

1.1 潔凈室結(jié)構(gòu)

潔凈室為蝕刻室，長(zhǎng)35.45 m，寬5.6 m，高3 m，內(nèi)部安裝有3臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備尺寸長(zhǎng)×寬×高為2 m×1 m×1 m.設(shè)備工作時(shí)會(huì)釋放氨氣NH3，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，每臺(tái)設(shè)備的NH3散發(fā)濃度為0.000 6 mg/s，污染源為面源，散發(fā)口尺寸為0.1 m×0.1 m，根據(jù)氨氣的密度與溫度的關(guān)系，計(jì)算時(shí)密度設(shè)為0.689 4 kg/m3，散發(fā)口氣流速度由上述參數(shù)計(jì)算得出.潔凈室結(jié)構(gòu)分為3層：第一層為下技術(shù)夾層；第二層為潔凈室；第三層為上技術(shù)夾層.潔凈室的結(jié)構(gòu)與內(nèi)部設(shè)備布置如圖1，O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn).[

1.2 潔凈空調(diào)系統(tǒng)

潔凈室空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)機(jī)組（makeup air unit，MAU）+風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元（fan filter units，F(xiàn)FU）+干盤(pán)管（dry cooling coil，DCC）.在潔凈室頂部間隔布置風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元FFU，每個(gè)FFU的尺寸為1.2 m×1.2 m.回風(fēng)口均勻布置在高架地板上，單塊尺寸為0.6 m×0.6 m，總開(kāi)孔率為25%.潔凈室側(cè)面回風(fēng)夾道寬度為1.3 m.氣流形式為上送下回，由MAU將處理后的新風(fēng)送入上技術(shù)夾層，與回風(fēng)混合后由FFU將潔凈空氣送入潔凈室內(nèi)，潔凈空氣將潔凈室內(nèi)熱量和污染物通過(guò)格柵地板帶出后進(jìn)入下技術(shù)夾層，經(jīng)DCC處理后通過(guò)回風(fēng)夾道進(jìn)入上技術(shù)夾層，與新風(fēng)混合，空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2.FFU與設(shè)備對(duì)應(yīng)分成3組， 如圖3，各分組FFU可獨(dú)立控制，其開(kāi)啟狀態(tài)與對(duì)應(yīng)設(shè)備一致.室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行方案及各分區(qū)FFU數(shù)量詳見(jiàn)表1、2.

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潔凈室內(nèi)部各項(xiàng)參數(shù)，在潔凈室內(nèi)部安裝各類傳感器，所需參數(shù)在潔凈空調(diào)系統(tǒng)控制室讀取.

2 模型介紹

以圖1中的潔凈室為原型，利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)入Fluent進(jìn)行仿真計(jì)算，列出數(shù)學(xué)模型、物理模型以及邊界條件將在本節(jié)一一闡述.

2.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值計(jì)算涉及到速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)分析，所遵循的控制方程為[14-17]：

2.2 物理模型和邊界條件設(shè)置

潔凈室內(nèi)部照明燈散熱量非常小，忽略不計(jì).工作人員穿著防護(hù)服熱阻較大，人員散發(fā)的熱量很難傳遞到潔凈室中，因此工作人員所散發(fā)的熱量也忽略不計(jì).只考慮了設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，污染物散發(fā)口的氣流溫度設(shè)置為45 ℃.

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，送風(fēng)溫度為23℃，相對(duì)濕度45%，送風(fēng)速度為0.2 m/s.邊界條件為速度入口，壓力出口，出口壓力值是氣流從送風(fēng)口到出口過(guò)程中，克服沿程阻力后形成的壓力，該壓力值由模擬計(jì)算得出.墻體為無(wú)滑移邊界條件，不考慮輻射換熱.由于潔凈室內(nèi)氣流速度較低，將空氣設(shè)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)定常不可壓縮流體[18-19].潔凈室的FFU的布置方式按照?qǐng)D紙為間隔布置，布置率為50%.依據(jù)開(kāi)孔率相等的原則對(duì)格柵地板進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，每0.6 m×0.6 m的格柵地板簡(jiǎn)化為一個(gè)開(kāi)孔面積為0.09 m2的圓形通風(fēng)口.室內(nèi)污染源參數(shù)根據(jù)設(shè)備污染源位置和尺寸設(shè)置.模型采用多面體組合網(wǎng)格，在靠近壁面和設(shè)備處使用多面體網(wǎng)格，其余部分使用六面體網(wǎng)格.

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

針對(duì)潔凈室區(qū)域內(nèi)速度場(chǎng)和污染物擴(kuò)散特性進(jìn)行了計(jì)算和分析.

3.1 速度場(chǎng)分析

3.2 濃度場(chǎng)比較

濃度場(chǎng)的評(píng)價(jià)以污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)α為主要指標(biāo)，其定義為潔凈室內(nèi)每單位體積內(nèi)氨氣質(zhì)量與空氣質(zhì)量的比值.計(jì)算時(shí)污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)定為工作人員站立一側(cè)，且與設(shè)備中心點(diǎn)的水平距離為0.8 m，高度方向分別取距離地面0、1、1.7 m 3個(gè)位置，濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖6.其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6、9在工作人員站立操作時(shí)的呼吸區(qū)域[20].

由GB/T 18883-2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[21]得知氨氣在室內(nèi)空氣中最高允許濃度為0.2 mg/m3，換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)的α允許值為1.68×10-7.

（1） 當(dāng)一臺(tái)設(shè)備開(kāi)啟時(shí)，圖7（a）顯示設(shè)備A產(chǎn)生的污染物向B區(qū)擴(kuò)散，因此A區(qū)的工作環(huán)境是安全的.此時(shí)設(shè)備B和設(shè)備C處于停機(jī)狀態(tài)，無(wú)需考慮污染物的影響.

圖7（b）顯示設(shè)備B產(chǎn)生的污染物擴(kuò)散范圍較小.圖8（b）顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5和6的α值相對(duì)其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)較大，但小于允許值，因此工作人員的工作環(huán)境是安全的.

（2） 當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備開(kāi)啟時(shí)，圖7（c）顯示設(shè)備A和設(shè)備B產(chǎn)生的污染物向C區(qū)方向擴(kuò)散.圖8（c）顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5和6點(diǎn)的α值小于允許值，因此設(shè)備A和設(shè)備B處工作人員的工作環(huán)境是安全的.C區(qū)存在污染物，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)9的α值小于允許值，因此設(shè)備C處工作人員的工作環(huán)境也是安全的.

圖7（d）顯示設(shè)備A和設(shè)備C產(chǎn)生的污染物均向B區(qū)擴(kuò)散.圖8（d）顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5和6的α值為0，因此污染物對(duì)A區(qū)和B區(qū)無(wú)影響.C區(qū)污染物擴(kuò)散至工作人員處，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)9的α值為0，因此工作人員的工作環(huán)境是安全的.

圖7（e）顯示設(shè)備B和設(shè)備C產(chǎn)生的污染物向工作人員處擴(kuò)散.圖8（e）顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6和9的α值為0，因此A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)工作人員的工作環(huán)境是安全的.

（3） 當(dāng)3臺(tái)設(shè)備開(kāi)啟時(shí)，圖7（f）顯示設(shè)備A和設(shè)備C產(chǎn)生的污染物向上擴(kuò)散，設(shè)備B產(chǎn)生的污染物擴(kuò)散范圍較小.圖8（f）顯示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、6和9的α值小于允許值，因此潔凈室內(nèi)工作人員處于安全的工作環(huán)境.

從上述分析中可以看出，當(dāng)開(kāi)啟一臺(tái)設(shè)備和開(kāi)啟兩臺(tái)設(shè)備時(shí)，污染物主要向處于停機(jī)狀態(tài)的設(shè)備方向擴(kuò)散.

方案2和方案6情況下，設(shè)備2處污染物沿z軸和y軸擴(kuò)散范圍較小，為探究這兩種情況下設(shè)備2處污染物擴(kuò)散情況，取方案2和方案6中設(shè)備2在z=17.725 m處污染物擴(kuò)散（圖9）.從圖9可以看出，設(shè)備2處污染物主要沿x軸正方向擴(kuò)散.

4 結(jié)論

（1） 工作人員站立操作時(shí)呼吸區(qū)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于所允許的1.68×10-7，因此工作人員的工作區(qū)是安全的.

（2） 當(dāng)相鄰兩設(shè)備未同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，已開(kāi)啟設(shè)備分區(qū)邊界處FFU的送風(fēng)氣流會(huì)向未開(kāi)啟設(shè)備分區(qū)處擴(kuò)散，而其他區(qū)域的氣流組織為近似活塞流，能夠較好的控制污染物擴(kuò)散.

（3） 設(shè)備B處產(chǎn)生的污染物的擴(kuò)散方向受A區(qū)和C區(qū)的FFU開(kāi)啟狀態(tài)的影響明顯.

（4） A區(qū)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2和3的α值在方案3、4和5中為0，在方案1、2和6中趨近于0，是氣流組織對(duì)污染物控制表現(xiàn)最好的區(qū)域.

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（責(zé)任編輯：貢洪殿）