作者：天津（jīn）大（dà）學  職  遠  張丁超  劉俊傑 深圳市華淨科技有限公司  夏群豔（yàn）

 

　　以我（wǒ）國某新建的半導體晶圓廠潔（jié）淨室氣態化學汙染物測試結果為例，利用長期在線檢測和現場實（shí）測相結合的方法（fǎ），完（wán）成了從建造到潔淨室空態運行的全過程測試，分析了安裝化學過濾器前後、潔（jié）淨室運行前（qián）室內氣態（tài）化學汙染狀況的變化情況及環境控製效果。並對比了室外空氣（qì）環境（jìng）及運行前後汙染物種類的不（bú）同，確定了潔淨室（shì）不同氣態化學汙染（rǎn）物的汙染源信息。測試發現，新風機組（zǔ）的化學過濾器實際去除效率（lǜ）僅僅（jǐn）達到（dào）50%，無法滿足規範中70%的要求。而微電子潔淨室的酸性汙染物主要來自於室外空氣，氨氣濃度較高，來（lái）源於（yú）室外空氣和水泥等建築材料；凝結物的（de）汙（wū）染源主要是室內源，來自室內的裝修（xiū）材料（liào）、清洗劑及生產工藝材料。

 

　　隨著信息技術的飛速發展，我國微電子相關的工業（yè）潔淨廠房市場規模（mó）大幅增長，從2011年的400億元（yuán）飛速增加到（dào）2017年的1000億元，同比增長了150%，到2020年，我國微（wēi）電子潔淨室市場（chǎng）規模將超過（guò）1 400億元 。而隨著大規模（mó）集成電路芯片線寬不斷變窄，超低濃度分子級別的氣態化學汙（wū）染物已經成為了影響產業發展和良品率的主要因素 。氣態化學汙染物是指空氣中以氣體或蒸氣形式存（cún）在的分子級汙染物，在微電子潔（jié）淨室環境中，氣態化學汙染物又被稱為氣態分子汙染物（airborne molecular contaminant， AMC），目前最權威的分（fèn）類依據（jù）是國際半導體技術與材（cái）料協（xié）會（SEMI）發（fā）布的電子潔淨室受控環境的標準。該標準將AMC分為4類（lèi）：1） 酸類（MA），如SO2、NO2、H2S等酸性汙染物；2） 堿（jiǎn）類（MB），如NH3、胺類等堿性汙染物；3） 凝結物（MC），民用建築中稱同樣的氣（qì）體為氣（qì）態有機汙染物（TVOC），會在產品表麵產生凝結，如甲（jiǎ）苯、苯等有（yǒu）機（jī）物；4） 摻（chān）雜物（wù）（MD），如磷、硼等（děng）汙染（rǎn）物。有的文獻中也提出了第五類：其（qí）他（ME），即臭氧等不在以上（shàng）分類中的其他AMC 。還有一種更細致的分類（lèi）方法是根據國際標準化組織（ISO）發布的ISO 14644-8:2013將潔淨室內（nèi）的AMC分為：酸、堿（jiǎn）、生物毒素、可凝聚物、腐蝕物、摻雜物、有機（jī）物（wù）和氧化物（wù）8類。

 

　　當（dāng）AMC存在（zài）時會造成半導體（tǐ）晶圓表麵的汙染、腐蝕連接導線等情況，從而危害產品質量。因此（cǐ），控製微電子潔淨室內AMC對保證產品良品率至關重要。而（ér）環境控製的基礎是確定目標汙染物的（de）狀況（kuàng），如（rú）汙染（rǎn）物的種類、濃度、源頭等信息。隻有確定（dìng）了目標汙染物的狀況及汙染源，才能有的放矢地采取相應的（de）手段對微電子潔淨室內的AMC進行控製，從而保證產品質量。

 

　　確定微電子潔淨室內AMC狀況的方法（fǎ）是現場（chǎng）測試，但是由於微（wēi）電子潔淨（jìng）室內AMC的體積分數（shù）極低，可以達到10-9甚至10-12級別，因（yīn）此常規的（de）民用建築室內空氣質量（IAQ）檢測方（fāng）法，如電化學儀器、分光光度法等（děng）已經無法準確（què）測得微電子（zǐ）潔淨室內（nèi）AMC的實際濃度。由於環（huán）境控製屬於廠家保（bǎo）密的技術範圍，而且普通學者也很難（nán）有機會（huì）進入微電子潔淨室內進行測試，因此，目前還鮮有文獻對微電子（zǐ）潔淨室（shì）內的AMC狀況進行從建造到試運行（háng）全過程的現場測試研（yán）究。Muller和Tsao等人分別（bié）對位於美國和中國台灣的微電子潔淨室內（nèi）的AMC進行了測試。但是他們的測試結果存在以下問題：1） 微電子潔淨室AMC的濃度不是恒定的，而是在不斷波動，因（yīn）此他們測得的單一恒定的濃度值並不能（néng）反映微電子（zǐ）潔淨室AMC的真實（shí）狀況；2） 隻（zhī）是測得了（le）潔淨室內AMC濃度值（zhí），缺乏相關環境的對比，無法確定微電子潔淨室環境中的目標汙染物及汙染溯源的（de）信息。同時，目前SEMI及（jí）ISO等組織發布的微電子潔淨室汙染物控製（zhì）規範僅僅對微電子潔淨室內AMC的（de）濃度進行分級，並沒有對目標汙染物、汙染源、濃度限值等作出（chū）規定。所以國內（nèi）對於微（wēi）電子潔（jié）淨室AMC狀況和汙染源（yuán）的（de）研究還存在空白，直接製約（yuē）我國半導體芯片製造產業發展。

 

　　本文針對我國某新建（jiàn）微電子潔淨廠房，采用在線監測和現場測試相結合的方法，分析（xī）微（wēi）電子潔淨廠（chǎng）房從建築外圍護結構施工到生產線未運行的”靜態”狀況下，安裝化學過濾器前後AMC的濃度、種類及變化情況。以建造全壽命周期的時間尺度（dù）分析微電子潔淨室建造過程中的AMC動態變（biàn）化（huà）狀況，並與相關（guān）文獻中（zhōng）汙染物種類（lèi）與濃度進行對比，分析微電子潔淨室建材、大氣環境及生產工藝等（děng）源頭汙染物散（sàn）發狀況，得到汙染源特征及目前微電子潔（jié）淨室（shì）環境（jìng）控製係（xì）統的不足（zú），從而指（zhǐ）導微電子潔淨室在（zài）建造過程中有的放矢地采（cǎi）取有（yǒu）效措施，降低AMC的濃度。

 

　　1、測試（shì）內容與（yǔ）方法

 

　　1.1 項目概況

 

　　該（gāi）微電子潔淨（jìng）廠房位於我國長三角（jiǎo）地區，產品為半導體晶圓片（wafer），於（yú）2019年建成，2020年底正式投入生產。測試區域為半導體晶圓廠（chǎng）的電子光刻工藝區潔淨室，開始測試（shì）時生產設備和通風係統（tǒng）都已經安裝完畢，測試（shì）過程中生產設備不運行，通風係統正常（cháng）運行，新風機組內裝有化學過濾器。測試總時長80 d， 包括潔淨（jìng）室內未安裝FFU（風機過濾單元）化（huà）學過濾器及安裝FFU化學過（guò）濾器後的（de）時間段。新風機組包括進風段→粗效過濾段→中效過濾段→一（yī）級加熱（rè）段→一級表冷（lěng）段→淋水段→二級表冷段→二級加熱段→加濕段→風機段→緩衝段→化學過濾段→高效過濾段→出風段，共14個功能段。不（bú）含水洗（xǐ）淨化功能，除了化學過濾器，沒有可以淨化AMC的設備。新風機（jī）組將（jiāng）處理後的新風送入潔淨室，待測區域為潔淨室內獨立的單元，新風通過該（gāi）區（qū）域（yù）上方的FFU係統送入測（cè）試（shì）區域。

 

　　1.2 測試內容與方法

 

　　本（běn）次（cì）測試采（cǎi）用（yòng）長期在線監測與現場實地采樣測試相結（jié）合的方式。根據（jù）ISO 14644-8:2013 及ISO 10121:2014 的規定，選擇SO2、NO2、NO、H2S4種常見的酸性氣體（tǐ）作為MA的特征汙（wū）染物，選擇NH3作為MB的特征汙染物。潔淨室內的SO2、NO2、NO、NH3、H2S的濃度值采用在線監測的方式收集數據，數（shù）據收（shōu）集時間間隔為1 d。在潔淨室選（xuǎn）取4個平行測（cè）試點位，點（diǎn）位的選擇根據測試區的麵積，參考ISO 14644-8:2013的要求確（què）定，測試方法為GB/T 36306—2018《潔淨室及相關受控環境（jìng）空氣化學（xué）汙染控製指南》中推薦的化學發光法和紫外（wài）熒光法。測（cè）試點位分布如圖1所示。將（jiāng）分析儀裝至待測位置，分析儀連接轉化爐，轉化爐再與采樣泵相連。測試開始時將（jiāng）這3台設備打開，潔淨室內的空（kōng）氣通過采樣泵以0.2 L/min的流量進入轉（zhuǎn）化爐，在轉化爐中經過反應後進入分析儀，得到汙染物（wù）濃度。MC濃度通過手持（chí）式PID分析儀（型號ppbRAE 3000）在每（měi）天同一（yī）時刻（kè）測試記錄，分析儀測得的是TVOC的濃度，單組分（fèn）的MC濃度通過蘇（sū）瑪罐現場采集潔淨室內氣體，然後通過濃縮，利（lì）用氣相（xiàng）色（sè）譜質譜聯動儀（GC-MS）分析得到。本文最終展示的MA與MB的數據是4個測試點位每天的濃度平均值。測試儀器的具體信息如表1所示。

 

　　

 

　　圖1 潔淨室測試點位分布圖

 

　　

 

　　2、測試結果

 

　　2.1 安裝FFU化學過濾器前AMC濃度水平分析

 

　　在潔淨室安裝FFU化學過濾器之前，從2019年10月下旬開始測試，連續45 d監測（cè）的MA與MB的體積分數如圖（tú）2所示。

 

　　

 

　　圖2 未（wèi）安裝FFU化學過濾器時MA與MB監測結果

 

　　從（cóng）圖（tú）2可以看出，微電子（zǐ）潔淨室內AMC濃度波動很（hěn）大，不同種（zhǒng）類的汙染物濃度也有很大的不同。按照（zhào）ISO 14644-8:2013潔淨度表達方法，測（cè）試期間，SO2的平均體積分數為4.69×10-9，即ISO-AMC-6（SO2）;NO2的平均體積分數為26.71×10-9，即ISO-AMC-5（NO2）;NO的平均體積（jī）分數為27.31×10-9，即（jí）ISO-AMC-5（NO）;NH3的平均體（tǐ）積（jī）分數為（wéi）114.83×10-9，即ISO-AMC-4（NH3），NH3潔淨等級最低。在未安裝FFU化學過（guò）濾（lǜ）器的（de）條件下，NO2濃度比SO2濃度（dù）高（gāo）很多，大約是（shì）SO2濃度的（de）7倍，而該城（chéng）市11月（yuè）室外（wài）空氣中SO2和NO2的平均體積分數分別為8×10-9和58×10-9，與筆者所（suǒ）在（zài）課（kè）題組前期對（duì）我國大氣（qì）化學汙染分析得到的NO2為主要關注的化學汙染物的結論一致 。潔淨室內這2種汙染物的濃度與大氣中2種（zhǒng）汙染物濃度（dù）的數值高低規律相吻合。可以判斷，MA的（de）主要來源是室外大（dà）氣。此外，新風機組內（nèi）的（de）化學過濾器對降低大氣（qì）中AMC的濃度有一定的效果，以SO2和NO2濃度來（lái）計算，新（xīn）風機組的（de）化學過濾器的去除效率在50%左右，而我國GB/T 36306—2018中的要求是新風機組化學過濾（lǜ）器淨（jìng）化效率達到70% 。由此可見，實際的化學（xué）過濾器的運（yùn）行（háng）效果並不能達到規範的預（yù）期要求，僅靠（kào）新風機組的化學（xué）過濾器的作用還無法滿足規（guī）範的控製要求。同時，室外空氣中（zhōng）NH3的體積分數大約在（50～100）×10-9之間 ，此時潔淨室內NH3濃度明（míng）顯高於室外空（kōng）氣水平，因此（cǐ）可以斷（duàn）定潔淨室內NH3一方（fāng）麵來自室外空氣，另一（yī）方麵主要來（lái）自於水泥等建築材料。

 

　　MC的測試結果如圖3所示，測試期間MC的（de）平均（jun1）質量濃度為2 118.23 μg/m3，證明在（zài）潔淨室內裝修材料中存在（zài）大量VOC源 。

 

　　

 

　　圖3 未安裝FFU化學過濾器時（shí）MC監測結果（guǒ）

 

　　2.2 安裝FFU化學過濾器後AMC濃度水平分析

 

　　在潔淨（jìng）室安裝FFU化學（xué）過濾器（改性活性炭濾料（liào））之後，從2019年12月中旬開（kāi）始測試，共（gòng）測試31 d。檢測得到的MA（SO2與H2S）與MB的濃度如圖4所示（shì），MC的濃度（dù）如圖5所示。

 

　　

 

　　圖4 安裝FFU化學過濾器後MA與MB監測結果

 

　　

 

　　圖5 安裝FFU化（huà）學過濾器後MC監測結果

 

　　由圖4、5可以看出，安裝FFU化學過濾器後各種汙染物的濃（nóng）度都下降了，尤其是MB和MC呈現逐時（shí）快速下降的趨勢，此時MB的潔（jié）淨等級上升至ISO-AMC-5，MC的潔淨等級也上升至ISO-AMC-5，說明FFU化學（xué）過（guò）濾器對於控製AMC有顯著效果（guǒ）。各種汙染物控製效果如表2所示。

 

　　

 

　　2.3 MC汙染源（yuán）分（fèn）析

 

　　利（lì）用蘇瑪罐采樣結合GC-MS分析方法獲（huò）得的單（dān）組（zǔ）分MC的測試結果如表3和圖6所示。

 

　　

 

　　

 

　　圖6 MC體積（jī）分數及比例

 

　　由表3和圖6可以看出，在未運行的半導體晶圓廠潔淨室內，MC汙染物主（zhǔ）要是苯類、烷烴及烯（xī）烴。其中苯類占了83%，其來源應該（gāi）是（shì）潔淨室內的（de）裝修材料，如油漆、防水（shuǐ）填料（liào）、黏合劑等 。而烷烴和烯烴由於濃度很低，而且不具備腐蝕性，不考慮（lǜ）它們對潔淨室工藝產品的腐蝕作用。

 

　　此外，對比相關的電子潔淨室測試結果，除了表（biǎo）3列舉的汙染物之外，結（jié）合檢出率和汙染物濃（nóng）度（dù）的（de）高低（dī），在（zài）運（yùn）行（háng）的微電子潔淨（jìng）廠房中常見的MC汙染物及其濃（nóng）度如表4所示。

 

　　表4列舉的是文獻中提到的半導體晶（jīng）圓廠潔（jié）淨室內常見的MC汙染物，但是在本（běn）次測試中卻未檢測到。說明這些汙染物的來源（yuán）不（bú）是建築材料或大氣，應（yīng）該是潔淨室（shì）”動態”情況下在生產運行（háng）過程（chéng）中產生的。其中，乙醇和異丙醇應該來源於潔淨室內清洗產品所用的清（qīng）洗劑，而含氟的（de）幾種MC應該是生產（chǎn）工藝（yì）中各（gè）種化學試劑產生的汙染物。綜上所述，微電子潔淨室（shì）的MC的汙染源主要（yào）是室內源，來自室（shì）內的裝修材料、清洗劑及生產工藝材料。為了靶向分析MC源頭，應當（dāng）在潔（jié）淨室”動態”情況下按照不同工藝場景采樣測試分析其成分。

 

　　

 

　　3、結（jié）論

 

　　1） 半導體晶圓廠潔淨室的MA主要來自（zì）於室外空氣，MB來源於室外空氣和水（shuǐ）泥等建築材料。

 

　　2） 潔淨室新（xīn）風機組的化學過濾器對於降低大氣中汙染物對室內的影響有（yǒu）一定的作用，但是效率達不（bú）到（dào）環境控製要求，為了控製室內濃度（dù）達到生產需要（yào），還應（yīng）該安裝針對無機化學氣（qì）體的（de）FFU化（huà）學過濾器。

 

　　3） 微電子潔淨室的MC的汙染源主要是室內源，來自室內的裝修材料、清洗劑及生產工藝材料，潔淨室采樣檢測需要重視。

 

　　本文引用格式：職遠，張丁超，劉俊傑，等.半導體晶圓廠潔淨室氣態化學汙（wū）染物測試及汙染源分析（xī）[J].暖通空調，2021，51（3）：46-50

 

　　文（wén）章來源於：暖通空調 公眾號