半導體潔凈室污染物擴散特性研究

摘 要： 隨著集成電路集成度越來越高，對半導體潔凈室潔凈度的要求也逐漸變高，因此對潔凈室內污染物濃度的控制顯得尤為重要.文中針對某潔凈室內不同位置設備的開啟狀態對污染物擴散的影響進行了數值模擬，比較了6種開啟方案的速度場和濃度場.結果表明：活塞流能夠有效控制污染物的擴散；處于活塞流區域的工作人員呼吸區的污染物濃度很小；中間設備產生的污染物會向兩側擴散，濃度場受兩側的風機過濾單元開啟狀態影響較大.研究結果為制定潔凈室污染物控制策略提供理論依據.

關鍵詞： 潔凈空調；氣流組織；污染物擴散

中圖分類號：TU834.8；TB69 文獻標志碼：A 文章編號：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，隨著芯片需求量持續上升以及國家政策的扶持[1]，我國半導體行業發展迅猛，半導體制造技術不斷提高，主要體現在半導體制造工藝線程進一步變窄[2]，集成電路的集成度不斷提高，對半導體潔凈室的室內環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壓力梯度、溫度梯度等推導有較高要求，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，因此被廣泛應用于研究氣流組織.文獻[3]研究了一種新型的工業潔凈室空氣過濾與通風系統，將工廠實測數據與CFD仿真模擬結果相互印證，發現將空氣與回風在混合室外分別過濾后再混合可以降低混合損失.文獻[4]以某千級潔凈室為例，研究上送單側回和上送雙側回兩種形式在單向流潔凈室中形成的氣流組織，模擬結果表明單向流潔凈室排污效果比非單向流潔凈室更好，非單向流雙側回風形式比單側回風形式有更均勻的室內氣流組織、溫度等參數，此研究結果為其他人使用CFD數值模擬研究潔凈室內送回風方案提供了參考.在芯片生產過程中的蝕刻、光刻、氧化等過程，產生大量的有毒有害化學氣體和顆粒物污染物，如果不能及時排出則會污染生產過程[5]，降低半導體產品的良品率，影響潔凈室內工作人員的安全，其中顆粒物直徑一般小于1 μm，其擴散情況受氣流組織的影響較大[6]，所以，污染物擴散和控制是潔凈空調系統研究的重點.文獻[7]利用CFD仿真軟件對某集成電路廠房的氣流組織方案進行仿真模擬，結果表明單向流潔凈室中的設備會阻擋氣流，在設備上方出現局部卡門渦街的現象，因此在項目實施過程中應將送風口錯開布置在設備正上方，研究結果為潔凈室中送風口與設備位置的布置提供了參考.文獻[8]提出了3種潔凈室通風方案，對不同送風速率下的氣流分布、人體熱舒適性及室內污染物的擴散情況進行了數值和理論研究，并與全尺寸實驗室測量結果對比，結果表明換氣次數增大到一定值時并不能提高潔凈度.文獻[9]通過分析國內外文獻，系統地介紹了潔凈室換氣次數的計算方法，對工作人員發塵規律進行研究，得到了人員發塵的粒徑特征及發塵量與工作人員的非線性規律，與已有的潔凈室人員發塵當量對比分析后得出結論，隨著潔凈度的降低、潔凈服材料過濾性能變差、人員活動強度增大，人員發塵量增加，研究結果為潔凈室內污染物控制和換氣次數設計提供參考.文獻[10-12]發現送排風口的位置、送風和室內空氣的溫差、室內設備的阻礙、從熱源上升的空氣等變量是改變潔凈室內氣流組織的重要因素，會顯著影響到達潔凈區域的潔凈空氣量，影響潔凈度.文獻[13]應用CFD軟件模擬計算了某非單向流潔凈室的9個工況下的流場及濃度場，以顆粒物濃度為標準進行分析，發現末端形式顯著影響局部顆粒物濃度，換氣次數顯著影響室內平均濃度，研究結果為末端形式、回風口位置和換氣次數的設計提供參考.上述研究成果側重于送回風形式、送排風口位置、換氣次數等研究，對潔凈室內污染物擴散和控制的研究較少.文中以某潔凈室為例，利用CFD軟件進行仿真計算，探究不同位置的設備開啟狀態對污染物擴散的影響.[JP]

1 項目概況

1.1 潔凈室結構

潔凈室為蝕刻室，長35.45 m，寬5.6 m，高3 m，內部安裝有3臺設備，每臺設備尺寸長×寬×高為2 m×1 m×1 m.設備工作時會釋放氨氣NH3，據現場實測，每臺設備的NH3散發濃度為0.000 6 mg/s，污染源為面源，散發口尺寸為0.1 m×0.1 m，根據氨氣的密度與溫度的關系，計算時密度設為0.689 4 kg/m3，散發口氣流速度由上述參數計算得出.潔凈室結構分為3層：第一層為下技術夾層；第二層為潔凈室；第三層為上技術夾層.潔凈室的結構與內部設備布置如圖1，O點為坐標原點.[

1.2 潔凈空調系統

潔凈室空調系統采用全新風機組（makeup air unit，MAU）+風機過濾單元（fan filter units，FFU）+干盤管（dry cooling coil，DCC）.在潔凈室頂部間隔布置風機過濾單元FFU，每個FFU的尺寸為1.2 m×1.2 m.回風口均勻布置在高架地板上，單塊尺寸為0.6 m×0.6 m，總開孔率為25%.潔凈室側面回風夾道寬度為1.3 m.氣流形式為上送下回，由MAU將處理后的新風送入上技術夾層，與回風混合后由FFU將潔凈空氣送入潔凈室內，潔凈空氣將潔凈室內熱量和污染物通過格柵地板帶出后進入下技術夾層，經DCC處理后通過回風夾道進入上技術夾層，與新風混合，空調系統原理如圖2.FFU與設備對應分成3組， 如圖3，各分組FFU可獨立控制，其開啟狀態與對應設備一致.室內設備運行方案及各分區FFU數量詳見表1、2.

為了實時監測潔凈室內部各項參數，在潔凈室內部安裝各類傳感器，所需參數在潔凈空調系統控制室讀取.

2 模型介紹

以圖1中的潔凈室為原型，利用SolidWorks軟件進行建模，導入Fluent進行仿真計算，列出數學模型、物理模型以及邊界條件將在本節一一闡述.

2.1 數學模型

數值計算涉及到速度場與濃度場分析，所遵循的控制方程為[14-17]：

2.2 物理模型和邊界條件設置

潔凈室內部照明燈散熱量非常小，忽略不計.工作人員穿著防護服熱阻較大，人員散發的熱量很難傳遞到潔凈室中，因此工作人員所散發的熱量也忽略不計.只考慮了設備運行時產生的熱量，基于實測數據，污染物散發口的氣流溫度設置為45 ℃.

根據空調系統設計參數以及實測數據，送風溫度為23℃，相對濕度45%，送風速度為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口到出口過程中，克服沿程阻力后形成的壓力，該壓力值由模擬計算得出.墻體為無滑移邊界條件，不考慮輻射換熱.由于潔凈室內氣流速度較低，將空氣設為穩態流動定常不可壓縮流體[18-19].潔凈室的FFU的布置方式按照圖紙為間隔布置，布置率為50%.依據開孔率相等的原則對格柵地板進行了適當簡化，每0.6 m×0.6 m的格柵地板簡化為一個開孔面積為0.09 m2的圓形通風口.室內污染源參數根據設備污染源位置和尺寸設置.模型采用多面體組合網格，在靠近壁面和設備處使用多面體網格，其余部分使用六面體網格.

2.3 網格獨立性驗證

3 數值模擬結果分析

針對潔凈室區域內速度場和污染物擴散特性進行了計算和分析.

3.1 速度場分析

3.2 濃度場比較

濃度場的評價以污染物質量分數α為主要指標，其定義為潔凈室內每單位體積內氨氣質量與空氣質量的比值.計算時污染物監測點定為工作人員站立一側，且與設備中心點的水平距離為0.8 m，高度方向分別取距離地面0、1、1.7 m 3個位置，濃度監測點位置如圖6.其中監測點3、6、9在工作人員站立操作時的呼吸區域[20].

由GB/T 18883-2022《室內空氣質量標準》[21]得知氨氣在室內空氣中最高允許濃度為0.2 mg/m3，換算為質量分數的α允許值為1.68×10-7.

（1） 當一臺設備開啟時，圖7（a）顯示設備A產生的污染物向B區擴散，因此A區的工作環境是安全的.此時設備B和設備C處于停機狀態，無需考慮污染物的影響.

圖7（b）顯示設備B產生的污染物擴散范圍較小.圖8（b）顯示，監測點4、5和6的α值相對其余監測點較大，但小于允許值，因此工作人員的工作環境是安全的.

（2） 當兩臺設備開啟時，圖7（c）顯示設備A和設備B產生的污染物向C區方向擴散.圖8（c）顯示，監測點1、2、3、4、5和6點的α值小于允許值，因此設備A和設備B處工作人員的工作環境是安全的.C區存在污染物，但監測點9的α值小于允許值，因此設備C處工作人員的工作環境也是安全的.

圖7（d）顯示設備A和設備C產生的污染物均向B區擴散.圖8（d）顯示，監測點1、2、3、4、5和6的α值為0，因此污染物對A區和B區無影響.C區污染物擴散至工作人員處，但監測點9的α值為0，因此工作人員的工作環境是安全的.

圖7（e）顯示設備B和設備C產生的污染物向工作人員處擴散.圖8（e）顯示，監測點3、6和9的α值為0，因此A區、B區和C區工作人員的工作環境是安全的.

（3） 當3臺設備開啟時，圖7（f）顯示設備A和設備C產生的污染物向上擴散，設備B產生的污染物擴散范圍較小.圖8（f）顯示，監測點3、6和9的α值小于允許值，因此潔凈室內工作人員處于安全的工作環境.

從上述分析中可以看出，當開啟一臺設備和開啟兩臺設備時，污染物主要向處于停機狀態的設備方向擴散.

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

4 結論

（1） 工作人員站立操作時呼吸區污染物質量分數均低于所允許的1.68×10-7，因此工作人員的工作區是安全的.

（2） 當相鄰兩設備未同時開啟時，已開啟設備分區邊界處FFU的送風氣流會向未開啟設備分區處擴散，而其他區域的氣流組織為近似活塞流，能夠較好的控制污染物擴散.

（3） 設備B處產生的污染物的擴散方向受A區和C區的FFU開啟狀態的影響明顯.

（4） A區中，監測點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，是氣流組織對污染物控制表現最好的區域.

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（責任編輯：貢洪殿）