通過(guò) LCD 潔凈間氣流改善提升良品率

空氣中的浮游粒子運(yùn)動(dòng)受氣體流動(dòng)、布朗擴(kuò)散、重力、靜電力、凝聚、蒸發(fā)等各種外界力共同作用。特別是粒徑小于1μm的微粒子移動(dòng)主要受氣流的影響，并隨著氣流的方向移動(dòng)。因此，準(zhǔn)確掌握氣流的流動(dòng)特性，并進(jìn)行良好的氣流控制是保證潔凈室潔凈度的關(guān)鍵。所以對(duì)于潔凈度要求高的TFT LCD 制造等半導(dǎo)體芯片制造業(yè)，提升產(chǎn)品良率，降低成本，最重要的是潔凈室內(nèi)部氣流控制和改善?？傊?，潔凈室內(nèi)氣流的控制和改善，對(duì)于TFTLCD 產(chǎn)品良率提升具有非常重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

俄羅斯在2003年3月出版了第一部由A·E·費(fèi)多托夫編著的有關(guān)潔凈室技術(shù)專(zhuān)著。該書(shū)從潔凈室技術(shù)和氣溶膠污染控制的理論基礎(chǔ)到實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作了全面的闡釋。Young-Jae Won 教授在《電子廠房潔凈室氣流組織的理論及實(shí)驗(yàn)研究》中闡述了影響氣流的主要因素，氣流實(shí)測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)分析及變動(dòng)預(yù)測(cè)。王海橋等人在其編著的《空氣潔凈技術(shù)》中提到空氣潔凈的原理，污染物與潔凈室及預(yù)測(cè)氣流組織分析技術(shù)。2009 年初，宋功業(yè)等人針對(duì)潔凈室的潔凈要求對(duì)潔凈間的建筑方面做了比較深刻的研究。

1.2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

在潔凈技術(shù)中，把小于10μm的粒子作為研究對(duì)象主要有粉塵、纖維、微生物等?？諝獾臐崈舳扔脕?lái)衡量空氣環(huán)境中的含塵量，含塵量高的潔凈度低，含塵量低的潔凈度高，空氣潔凈度級(jí)別就是以含塵濃度來(lái)劃分的。含塵濃度一般以單位體積空氣大于和等于某一粒徑的粒子數(shù)來(lái)表示?？諝鉂崈舳燃?jí)別是評(píng)價(jià)空氣潔凈環(huán)境的核心指標(biāo)。自1963年，美國(guó)環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究所（IES）制定了第一項(xiàng)潔凈室標(biāo)準(zhǔn)——美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209A以來(lái), 潔凈室相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及管理等方面在逐漸地向公制過(guò)渡，目前國(guó)際上廣泛使用國(guó)際 ISO 14644-1 標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)于2011 年年末實(shí)施這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，俄羅斯于2000 年采用ISO 14644-1 為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)在《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定采用 ISO 14644-1 標(biāo)準(zhǔn)（如表1所示），并于 2002 年1月1日起實(shí)施，并廣泛使適用于集成電路、現(xiàn)代化儀表制造、精密機(jī)械、制藥醫(yī)療、食品、科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)等領(lǐng)域，尤其是新興的TFT-LCD 制造領(lǐng)域。

1.3 潔凈間氣流形式

為了達(dá)到不同凈化級(jí)別所對(duì)應(yīng)的顆粒濃度值，必須對(duì)各種顆粒濃度進(jìn)行控制。潔凈室內(nèi)的溫度、濕度以及壓差的控制技術(shù)的研究與應(yīng)用早期就已經(jīng)開(kāi)始，目前已經(jīng)發(fā)展成熟。潔凈室內(nèi)粉塵的微小顆?？刂?，尤其是可吸入顆粒物的控制目前還處在發(fā)展階段，其控制的基本思路是：（1）防止室外粉塵進(jìn)入室內(nèi)，（2）控制室內(nèi)粉塵的產(chǎn)生，（3）粉塵產(chǎn)生的直接防止和粉塵的迅速排除。其中，潔凈間氣流的控制與改善是粉塵的迅速排除的有效手段。潔凈室內(nèi)的氣流按流動(dòng)方式，可以分為層流和亂流。在流動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中，以一定流速、單一通路、單一方向流動(dòng)的氣流，被稱(chēng)為層流，也叫單向流；氣流無(wú)固定的方向流動(dòng)叫亂流，也叫紊流或非單向流。層流按照氣體流動(dòng)方向又可分為：從天井到地面方向的流動(dòng)的垂直層流（Vertical LaminarFlow Type）和氣流從室內(nèi)的一側(cè)流到另一側(cè)的水平層流（Horizontal Laminar Flow Type）。目前，國(guó)內(nèi)外的潔凈室主要以垂直層流為主(圖1)，對(duì)潔凈室內(nèi)氣流分布特性進(jìn)行研究的方法主要有氣流可視化，CFD 模擬，直接測(cè)量法等等，這些方法很實(shí)用且已得到廣泛的應(yīng)用。目前的絕大多數(shù)研究室利用這些方法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和分析，但由于在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)有污染物不斷產(chǎn)生，且存在產(chǎn)生原因、產(chǎn)生時(shí)機(jī)不確定以及安全性等技術(shù)性難題和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，所以改善潔凈室各種各樣的異常氣流問(wèn)題就顯得至關(guān)重要。

2 TFT LCD 制造業(yè)用潔凈室氣流系統(tǒng)的特性隨著 TFT-LCD 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)制造加工廠房的潔凈度與細(xì)菌的限制度越來(lái)越高。其生產(chǎn)制造工藝和產(chǎn)品均得益于空氣中懸浮污染物的控制。潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境保證空氣中懸浮粒子被控制在合適的級(jí)別，以確保完成對(duì)污染敏感的工藝制程。本研究中的LCD潔凈間廠房是配有兩面通風(fēng)豎井的垂直層流型工業(yè)用潔凈廠房，下部靜壓層設(shè)有FCU 裝置。下部靜壓層再把潔凈空氣通過(guò)送風(fēng)通道送到上部靜壓層，上部靜壓層利用FFU送出潔凈空氣，潔凈室和下部靜壓層之間鋪設(shè)多孔回風(fēng)地板（Punching Plate），形成再循環(huán)系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

在 TFT LCD 生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，影響氣流的主要因素有：潔凈間層高、氣流組織模式、FFU的布局、FFU 出口風(fēng)速、地板的開(kāi)口率、設(shè)備的排氣、設(shè)備布局、形狀等。掌握氣流潔凈技術(shù)的各項(xiàng)原則，可使產(chǎn)品的良品率和可靠性確實(shí)達(dá)到新的水平。良好的氣流，可以在較小的系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量和系統(tǒng)能耗下達(dá)到較高的空氣潔凈度。

3 LCD 潔凈間主要的氣流問(wèn)題

3.1 LCD 潔凈間設(shè)備的搬入對(duì)空態(tài)原始設(shè)計(jì)的影響

在中國(guó)，由于 TFT LCD 產(chǎn)業(yè)剛剛興起，專(zhuān)門(mén)針對(duì)TFT LCD行業(yè)生產(chǎn)的較為成熟的潔凈間氣流的設(shè)計(jì)正處于迅速發(fā)展中，在潔凈間設(shè)計(jì)初期，設(shè)備的布置率，設(shè)備的開(kāi)口率，排氣率等因素不能很詳細(xì)的確定，并且在設(shè)備形態(tài)各異的情況下針對(duì)性的設(shè)計(jì)也是很難達(dá)到的。一般情況下，在空態(tài)時(shí)，潔凈間的氣流是正常的，基本上是完全的垂直層流模式，但是由于設(shè)備的搬入，擋住了潔凈間內(nèi)帶有開(kāi)口的地板，減小了地板的開(kāi)口率，容易引起由此產(chǎn)生的在不同潔凈度之間的異常氣流。設(shè)備的面積越大，引起異常氣流的可能性越大。

3.2 LCD 關(guān)鍵制程設(shè)備內(nèi)部的氣流問(wèn)題

在一般情況下，由于種種原因，LCD 潔凈間的建設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，各種生產(chǎn)設(shè)備上方是否開(kāi)口，下方是否有足夠的排氣裝置等詳細(xì)細(xì)節(jié)未能納入氣流設(shè)計(jì)的考慮內(nèi)容，使得LCD 用生產(chǎn)潔凈間千篇一律，沒(méi)有差別與針對(duì)性，這樣就使得部分設(shè)備僅僅依靠同其他設(shè)備一樣的潔凈空間條件下，容易造成設(shè)備排氣相對(duì)不足。

4 氣流改善方法及案例

切實(shí)有效的氣流改善方法，依賴(lài)于異常氣流分析中得到的正確異常原因。在實(shí)際的 TFT-LCD生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)改善氣流改善生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度，提高產(chǎn)品良率的案例很多,這里針對(duì)以上常見(jiàn)的問(wèn)題列舉了兩個(gè)最重要的改善案例。

4.1 根據(jù)設(shè)備原因改善氣流

在空態(tài)的狀態(tài)下，潔凈間的氣流是正常的，基本上是完全的垂直層流模式，但是由于設(shè)備的搬入，擋住了潔凈間內(nèi)帶有開(kāi)口的地板，減小了開(kāi)口率，設(shè)備的面積越大，開(kāi)口率下降越多。相對(duì)于潔凈度比較高的區(qū)域，所以靜態(tài)時(shí)氣流就已經(jīng)發(fā)生了改變。在設(shè)備不同布置率之間，容易引起由此產(chǎn)生的在不同潔凈度之間的異常氣流，如果在潔凈間建設(shè)設(shè)計(jì)施工的時(shí)候，沒(méi)有考慮到這個(gè)問(wèn)題，那么在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，改善由此造成異常情況，考慮設(shè)備的周?chē)m當(dāng)?shù)脑黾拥匕宓拈_(kāi)口率是經(jīng)濟(jì)有效方案。如表2所示，在改善之前，潔凈等級(jí)10級(jí)與100 級(jí)之間（Equipment 2# 與 3#），存在由潔凈低的區(qū)域向潔凈高的區(qū)域方向的異常氣流，氣速高達(dá) 0.40 m/s，對(duì)產(chǎn)品的良率提升帶來(lái)隱患。更換該設(shè)備周?chē)鷧^(qū)域的盲板 36 塊，其開(kāi)口率為 46%。效果如圖3 所示。目前氣流方向改變并且達(dá)到了0.22 m/s 的正常氣流氣速的標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明設(shè)備的放置影響了地板的原有的開(kāi)口率，以致改變了空態(tài)時(shí)原有的設(shè)計(jì)氣流形態(tài)，在這樣的條件下，區(qū)域性的更換開(kāi)口率大的地板對(duì)氣流改善非常有效果。在改善進(jìn)行時(shí)刻前后15天的時(shí)間里，此設(shè)備制作的LOTyield 提升了0.08%，按2010年年底的市場(chǎng)情況，收益在60萬(wàn)元人民幣左右。

4.2 根據(jù)不同工藝產(chǎn)品滯留時(shí)間改善氣流

TFT LCD 生產(chǎn)制造中，不同的生產(chǎn)工藝的設(shè)備是不同的。有的設(shè)備是完全封閉的，產(chǎn)品基板整個(gè)過(guò)程都在密閉或設(shè)備自身帶有 EFU（EquipmentFan Unit）的密閉設(shè)備里，那么對(duì)于這臺(tái)設(shè)備，除了設(shè)備內(nèi)部需要保證排氣順暢外，產(chǎn)品基板在設(shè)備投入入口等待區(qū)域的氣流是最重要的。對(duì)于設(shè)備為上方開(kāi)口設(shè)備，投入口等待的區(qū)域氣流也是同樣非常重要的。

產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程停留時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域就是產(chǎn)品最容易受到粉塵污染的區(qū)域。在了解 TFT LCD 生產(chǎn)工藝后，可以找到TFT-LCD生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品滯留時(shí)間長(zhǎng)短的規(guī)律，那么針對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行改善就會(huì)事半功倍，效果更佳。通常的情況下，Indexer是LOT停留等待時(shí)間較長(zhǎng)，并且 Glass 單張進(jìn)行時(shí)，停留時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域。

自動(dòng)輸運(yùn)器區(qū)域由于機(jī)械手臂的安裝，必然影響了原始設(shè)計(jì)的地板開(kāi)口率，因此，在可能的情況下，適當(dāng)更換開(kāi)口率更大的地板是比較合適的。

例如，在 2# 設(shè)備的 Indexer 內(nèi)部，在豎風(fēng)井側(cè)方向有向上的渦流情況，如圖4所示。這個(gè)位置，正是玻璃板進(jìn)入設(shè)備前集中等待的高度，這對(duì)在此高度的玻璃板的潔凈度是很不利的。為了保證潔凈度，本方案將13塊開(kāi)口為18%的地板，更換為開(kāi)口率為46%的地板，在更換地板后，地板的開(kāi)口率升高，如圖5所示。利用 FOGGER 氣流模擬設(shè)備（MSP-2010），對(duì)Indexer內(nèi)部氣流進(jìn)行模擬測(cè)試，效果如圖6所示。原來(lái)在豎風(fēng)井側(cè)有渦流的設(shè)備Indexer內(nèi)部, 有害渦流消失，氣流氣速變大，更換后豎直向下的垂直氣流氣速由0.82 m/s提升至 1.06 m/s。氣流變得順暢后，粉塵將有效的排除，最終可使 Yield 有效提升。

在改善后的一個(gè)月的時(shí)間里，通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)備的合格率監(jiān)控結(jié)果來(lái)看，合格率提升效果明顯，如圖7所示。在地板更換后的設(shè)備 Indexer 內(nèi)部氣流氣速都有不同程度的提高，整體上看，產(chǎn)品良率都有相應(yīng)的升高。例如2#設(shè)備，此設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品Array Yield 有0.6%的提升，按2010 年年底TFTLCD 普通型號(hào)產(chǎn)品的市場(chǎng)情況看，預(yù)計(jì)收益在 500萬(wàn)元人民幣左右。

5 結(jié)論

有效地改善 LCD 潔凈室潔凈氣流，首先需要對(duì)潔凈室的氣流有所掌握，尤其是異常氣流；其次需要對(duì) TFT LCD 工藝有深度的了解，更重要的是需要長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)，才能得到正確有效的改善方法。考慮到局部的氣流改善對(duì)整體的氣流平衡也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以LCD潔凈室氣流改善一般適宜采用循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行。

5.1 對(duì)氣流變化造成影響的主要因素

研究結(jié)果表明，在 TFT LCD 生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，地板的開(kāi)口率，設(shè)備的尺寸布局，設(shè)備的形狀和開(kāi)口率，是影響氣流變化的主要因素。此外，潔凈間層高、氣流組織模式、FFU的布局、FFU出口風(fēng)速、設(shè)備的排氣等等也都會(huì)對(duì)氣流的變化產(chǎn)生影響。其中，通過(guò)研究設(shè)備布局對(duì)地板開(kāi)口率的影響，改善區(qū)域性的異常氣流是非常有效的方法，尤其是小范圍內(nèi)區(qū)域性氣流改善。

本文實(shí)驗(yàn)案例中，更換了柵格地板 36 塊后，風(fēng)向轉(zhuǎn)為正常方向，風(fēng)速由0.22 m/s變?yōu)?.40 m/s，相應(yīng)地，產(chǎn)品良好率提升0.08%，改善效果非常顯著。

5.2 根據(jù)工藝產(chǎn)品滯留時(shí)間改善氣流

LCD 生產(chǎn)設(shè)備因工藝不同，設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局及環(huán)境不同，出塵位置也有所差異，因此設(shè)備對(duì)氣流的要求是不一樣的，根據(jù)設(shè)備對(duì)氣流的要求和產(chǎn)品滯留時(shí)間改善氣流，是使?jié)崈糸g氣流優(yōu)化的有效方法。

通過(guò)在LCD制作過(guò)程中的關(guān)鍵為46%開(kāi)口率柵格地板，設(shè)備 Indexer 內(nèi)氣流氣速升高 0.2 m/s 左右，產(chǎn)品良好率平均提高 0.17% 左右。

5.3 今后的氣流改善的發(fā)展方向及前景

綜上所述，TFT LCD 行業(yè)為了提升產(chǎn)品的良率，氣流管理也有其自身的特點(diǎn)，這是由TFT LCD的操作工藝決定的。通常不僅僅局限于維護(hù)潔凈室潔凈等級(jí)的管理。同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，和實(shí)驗(yàn)的可操作性，CFD 等氣流模擬方法只在必要時(shí)使用。為了得到質(zhì)量更高更可靠的 TFT LCD 產(chǎn)品，今后的氣流改善需要持續(xù)的研究與開(kāi)發(fā)，需要各方面的LCD潔凈間設(shè)計(jì)人員給予更多的設(shè)計(jì)考慮，需要現(xiàn)場(chǎng)的工作人員在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷的探索新的改善方案方法，總結(jié)出更多的具有實(shí)踐意義的寶貴經(jīng)驗(yàn)。