Разработка средств термостабилизации воздуха в чистых производственных помещениях Калинина, Ирина Серафимовна

Введение к работе

Актуальность работы характеризуется стремительным распространением и модернизацией прецизионно-стерильных технология во всех отраслях промышленности, реализация которых возможна только в чистых производственных помещениях (ЧИП). В настоящее время в СНГ функционируют около 7-ми тысяч ЧШІ всех классов (в соответствии со стандартом США 209Д), а всего в мире их насчитывается приблизительно ЭО тысяч.

Одними из основополагающих характеристик функционирования ЧИП 1-100 являются тепловлакностные параметры прецизионных систем кондиционирования воздуха в рециркуляционных контурах (РК), делящихся по классификации автора ва замкнутые, разомкнутые и комбинированные. В соответствии с ОСШ 14.3302-87 "Изделия электронной техники. Общие технические требования электронной гигиены к чистым помещениям" для ЧИП указанных классов, где выполняются процессы литографии и размножения шаблонов, требуется постоянная температура 22С с точностью ее поддержания до іР,05С (т.е. 5 сантиградусов). Однако, как показал анализ зарубежных и отечественных данных по этой проблеме, эти требования не выполняются. По этой причине .одновременно с другими обстоятельствами, предприятия несут эгромные убытки из-за большого количества бракованных интегральных схем (ИС).

В диссертации поставлена задача-исследовать а устано-зигь закономерности колебаний температуры воздуха в ЧШІ высоких классов и предложить реальные пути его термоствбяли-зации.

ЦЕПЬЮ РАБОТЫ является теоретическое и экспериментальное ісследование тепловых режимов ЧИП классов І-Ю0 и разработка

-4- Д

способов термостабилизации в них воздуха во все периоды года с учетом технологических характеристик формирования послойных структур ИС.

1. Современные системы кондиционирования и фильтрации воздуха (СКФВ) в ЧШ не обеспечивают технологические требования обработки полупроводниковых пластин из-за несовершенства систем первичной и вторичной обработки воздуха.

2. Теплообмен воздуха в рециркуляционных контурах определяется внешними (теплопередача через полы и стены) и внутренними (теплоотдача от оборудования, приборов и людей) факторами,причем количественные характеристики теплового процесса являются функцией конфигурации каналов, составляющих рецкон-туры.

3. Тепловое воздействие кондиционируемого воздуха на технологические процессы формирования заданных структур НС проявляется индивидуально и в масштабе реального времени происходит скачкообразно.

4. Наиболее рациональнам и эффективным способом термоста-билизации воздуха является способ его локальной тепловой обработки в зоне проведения маршрутного процесса на пластине, причем составной частью теплообмена является теплообмен металлической части линии с воздухом.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ заключается в следующем: I. Установлено, что современные СКФВ не обеспечивают заданные требования технологической экологии производства ПС, и з первую очередь тепловлакностных параметров, из-за устаревших и непригодных для процизионио-стерилыых технология

-5- Д

данных по разбивке всего года на периоды. Предложена новая шкала периодов - карний, теплый, умеренный и холодный.

2. На основания статистического анализа функционирования СКЭВ установлено, что системы первичной обработки воздуха имеют среднюю минимальную точность поддержания выходных тепло-влажностных параметров ±2.3-3,?С, _а максимальную ^4,3-5,4. Это послу кило основанием для вывода о применении вторичной обработки воздуха в ЧГШ всех классов.

3. Углубленный анализ изменения тепловлажностных параметров во всех элементах рецконтуров современных конструкций ЧГШ показал, что достижение в них абсолютной термостабилизации невозможно из-за большого количества факторов теплофизической обстановки. Дано решение задачи о распределении тепловых потоков в замкнутых рециркуляционных контурах и выяснены их тепловые режимы.

4. Для прецизионных процессов на примере комплекса операций фотолитографии ИС ДОЗУ Шбит исходя из маршрутных карт технологии обработки пластин выявлены закономерности тепловых взаимоотношений между воздухом и металлическими частями технологических линий.

5. Теоретически обоснованы и предложены новые способы термостабилизации воздуха в зонах прецизионных процессов, основой которых является оптимальный объем указанных зон и рациональное регулирование тепловых потоков: воздух зоны -пластина.

Объекты исследования. Объектами исследования служили действующие ЧИП заводов "Ангстрем", "Микрон", МИЭТ, "Протон", "Интеграл", а также опытно-промышленные ЧИП ЩШІ.

Методика исследования. Дифференциальные уравнения нестационарного теплообмена между движущимся воздухом и оборудованием, используемым для обработки полупроводниковых пластин, интегрировались применением методов линеаризации Черного и преобразованиями Грина. Методами термодинамического анализа изменения параметров однофазных двухкомпоневтных газовых смесей определены закономерности и выведены расчетные зависимости для определения изменения температуры воздуха при скатил воздуха вентиляторами.

Использованием данных экспериментов на девствующих и опытно-промышленных ЧИП, а также экспериментальных данных автора определены закономерности отклонений температуры воздуха на протяжении года.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные расчетные формулы тепловых режимов локальных объемов ЧШ1, полученные на основе установленных закономерностей и выведенных аналитических зависимостей, а также разработанные алгоритмы и программа теплового расчета использованы в про-ектно-технологическях организациях при проектировании и реконструкции ЧИП.

Реализация результатов исследование

Предложенные расчетно-методические материалы по термо-стабилизацаи воздуха в локальных объемах ЧШ применены:

1. Для проектирования новых ЧІШ высоких классов в составе строящихся предприятий ГосНИИФП.

2. При модернизации и строительстве нового технологического корпуса завода "Ангстрем".

3. При модернизации ЧПП технологического центра МИЭТ.

-7-,

Апробация работы Д

Результаты исследований доложены на технических советах энерго-механическпх слуаб и отделов НИИФП и НИИТМ, на кафедрах "Технической механики" (ШЭТ) и "Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха" (ШСИ), на научно-технических конференциях "Экология шкроэлектроники-80" (1990), "Достижения и перспективы технологической экологии микроэлектроники в чистых производственных помещениях (1992), на научно-методических семинарах лаборатории экологии микроэлектроники (МИЭТ) и лаборатории чистых помещений НШТГ.

Публикации

По тема диссертационной работы опубликовано 8 статей, 3 тезиса и 4 брошюры.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, перечня использованноа литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 177 страниц машинописного текста, включая 4Ь рисунков, 16 таблиц и приложение на 3 страницах.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния вопрооа по проблеме поддержания параметров микроклимата в ЧИП. На основе анализа обоснована цель работы и' сформулированы задачи исследования.

Прецизионно-сгерильные и филигранно-ювелирные техноло-

гаи, а точнее некоторые процессы, в сравнении с современными технологиями, возникли еще в прошлом веке - производство оптических приборов, стерилизация во время хирургических операций, поддержание постоянных параметров воздуха в помещениях Палат мер и весов и т.д. По состоянию на конец 1992 года вышеуказанные технологии используются более чем в 20 отраслях промышленности, причем преимущественно в приоритетных отраслях, характеризуя этим их господствущее значение и определяя с этих позиций весь научно-промышленный потенциал государств и стран.

В нашей стране промышленная экология прецизионно-сте-рильных технологий в ЧПП начала бурно развиваться в начале пятидесятых годов текущего столетия и в настоящее время при некотором общем отставании от Японии, США и ФРГ она имеет по отдельным показателям результаты мирового уровня.

Существенный вклад в эту новую фундаментально-прикладную науку внесли системно-комплексные исследования Самсоно-ва Н.С., Дьякова Ю.Н., Яковлева А.Т., Попова А.А., Лернера М.Д., Безручко СМ. и других специалистов НПК НЦ.

Концептуальные проблемы экологии микроэлектроники и стратегии их выполнения разработала группа ученых, руководимая профессором ШЭТ, докторш технических наук Ушаковым В.И.

Значительный вклад в развитие теории функционирования ЧПП внесли профессор Гревцев Н.В., профессор Гребенкин В.З., профессор Волков В.А., профессор Редин В.М., к.т.н. Николаевский Е.В., к.т.н. Каракеян В.И., к.т.н. Минкин М.Л., к.т.н. Люкшн Ю.А., Муравив И.А. и др.

Из зарубежных ученых следует отметить труды Хаякавы И. (Япония), Цайтюры (ФРГ), Цейнера (ФРГ).

На основании анализа указанных работ и статистических данных по эксплуатации ЧПП сделан вывод о несовершенстве поддержания на заданном уровне всех экологических параметров, и в том числе одного из главных - температуры воздуха.

Экология прецнзпонно-стерилышх технологий к настоящему времени прочно заняла свое место как новая фундаментально-прикладная наука, представлявдая в некотором роде очередной поступательный шаг ряда научных отраслей,как производство, использование, обработка газов и кидкостей. Составной частью исследований газов являются проблемы теории и практики тепло-влакностных характеристик воздуха.

Принятые во всех странах генеральные схемы кондиционирования и фильтрации воздуха (СКФВ) в ЧПП обычно состоят из двух больших объектов: системы обычного кондиционирования воздуха СКВ (первичная обработка) и системы прецизионного кондиционирования воздуха в ИС СПКВ (вторичная обработка). В состав СПКВ входят процзссы обработки прецизионно-кондициони-руемого воздуха в локальных объемах, називавше системами локально-прецизионной доводки (СЛПД) тепловлажностных и гидродинамических параметров воздуха или системами отключатеяь-ного доведения температуры, давления, относительной влажности, влвгосодеряиния и концентрации аэрозольных частиц до требований, предписываемых условиями технологии производства ИЗ.

Анализ всех существующих основных аэродинамических схем СКФВ показал, что самым слабым местом о точки зрения гсоддеркания постоянства параметров воздуха является граница между первичной и вторичной обработкой. Самые совершенные современные СКВ (т.о. первичные) гарантируют проектнуи точ- . иость поддержания постоянства термодинамических параметров:

температура +.2-3 і относительная влакность ±15%\ влагосодер-аание +5-7 г/кг, а по данным эксплуатации эти параметри отклс няются от проектных в 2-3 разе.

Это является прямым доказательством невозможности использования для ЧІЛІ только первичной обработки. Являясь ее составной частью и последовательным продолкением, вторичная обработка непосредственно в рецконтурах ЧИП необходима вследствие того, что СПКВ допускает неприемлемые отклонения на входе в ЧИП.

Отмечены архитектурно-строительные и технологические особенности зданий предприятий, выпускающих ИЗ и процесса производства ИС, а такке приведена классификация ЧПП и типы РК и показано, что наиболее сложным является замкнутый РК, применяемый в ЧПП высоких классов и включающий в себя элементы всех других контуров.

Вторая глава посвящена исследованию тепловых рекимов РК ЧПП.

Для расчета был принят реальный замкнутый РК ЧПП, схема которого приведена на рис.1. Весь РК был разбит на восемь последовательных элементов, начиная от вентилятора (В), далее воздуховод приточный (ВП), буферный объьм (БО), финишный фильтр (ОФ), подфалышольное пространство (ПйШІ), вытяжной воздуховод (ВВ).

После анализа каждого элемента для него решалась задача определения изменения температуры по его длине. Исследования велись в соответствии с направлением движения воздуха в РК. Выявлено, что в наибольшей степени на изменения температуры влияют приточный и вытяжной воздуховоды (ВП и ВВ), объем ЧПП и КД. Причем весь объем ЧПП был разбит на 3 зоны:

- II -

д

Рбо=321

А/\ЛЛЛЛАЛЛЛ7

\ \, ф4= V V і

_{Ш*?у>////////,}

Чистая 30HQ

Заур удалял сн&овозЩ ТО

і Г ПФПП

Рис. I. Схема замкнутого рециркуляционного контура ЧШ1 кл. 1-100

В - вентилятор, ВП а ВВ - приточный и вытяяноЯ воздуховоды соотвеготвенно, ВЭ - буферпыа объем, ФФ - финишный фильтр, ФП - фальшпол, ПФПП - подфальшпольное пространство

чистая, технологическая и зона удаляемого воздуха.

Давление г і удельный объему и температура воздуха, подвергавдегося воздействию вентилятора, изменяются. Перед вентилятором давление и температура уменьшаются, так как вследствие сопротивлений во всасывающей части вентагрегата происходит процесс расширения воздуха, который mosho принять за адиабатический.

Пусть давление и температура воздуха после кондиционера г₀ и Т₀ , общее сопротивление всасыващей части вентилятора Р^ ,'ю при таких условиях давление воздуха перед вентилятором будет

а температура при адиабатическом расширении сделается равной

^Т'-Т'Ф~

При этом состоянии воздух поступает в вентилятор,

где подвергается политропическшу сштию при показателе

-ІЗ- д

политропы И>к. . Понимая, что полное изменение статического давления в вентиляторе равно дР-дРі + дР,» где дРд -падение давления в приточной части воздуховода находим, что давление воздуха после вентилятора будет равно

При адиабатическом сжатии температура этого воздуха

была бы _оаК

^Ta_^^=Ti_u)

о.Ж

При политропическом сжатии температура воздуха на выходе из вентилятора будет выше. Если отклонения процесса скатия от адиабаты определяется адиабатическим к.п.д. вентилятора

Пд. , то температура воздуха найдется обычным путем из уравнения

_J-

Тяла, -Ті (I)

^0ткуда р,лавв /Річ⁰'²⁸⁶

-14- д

Если оценка процесса сжатия в вентиляторе дается не адиабатическим к.п.д., а значением показателя политропы h . то можно использовать зависимость

или ке определить Тд из уравнения

т -т /^^^п (2)

^{і. ч}_Р>

Если вентилятор работает только при сопротивлениях в

напорной части воздуховода, то Л ч = 0:Ьг=л\У, Рч = г₀) ч⁼ >о . Р_ЛчО,28

т - Тоі(тЛ -а^дд^ ₍₃₎

^{а а*}

Если ке сопротивления имеются только во всасиващей

части воздуховода, то Л г₂ »О', А г =А гі \ *а= г!

.0x0,286

Т - ^{loU Vb} tf^MPn і (4)

Формули (1-4) позволяют рассчитать все изменяющиеся термодинамические параметри воздуха за счет расширения и скатил. Для подтверждения результатов расчета по этим формулам была выполнена экспериментальная проверка. Установлено, что во всасывающей части РК ряда ЧШ температура воздуха изменяется в среднем на 2,3-3,4%. В нагнетательных частях этих же систем температура изменяется на 1,2-1,7С.

д

Физико-техническими особенностями процессов, характеризующих теплообмен воздуховодов с окруеагадеа средой, являются такие факторы, как непостоянство теплофизических характеристик окружавшей среды по длине воздуховодов, возникновение ряда нестационарных, сопутствующих теплообмену процессов в воздухе, окружающей среде п на поверхности раздела -стенках воздуховодов и т.д.

Для воздуховодов замкнутого РК ЧІШ, схема которого приведена на рис. I, была составлена система дифференциальных уравнений нестационарного теплообмена мевду движущимся воздухом и воздуховодами.

Система уравнений сохранения массы, движения и энергии, уравнения состояния реального газа по длине РК ЧПП может бить записана в виде:

ЭР ЇЇЇ ,

ъ>

_{31 -и 5L= kA(F\ =р -ту}

LtbZoV

Г = ² ' .4- a -

² .u.fklA?

dF - коэффициент сжимаемости.

Таким образом, рассматриваемая задача свг тся к отысканию решения системы

в области

удовлетворяющей начальным условиям

ГДЄ _а о

а P.-^=^-; (о^Л)

Т(х,0)=Т(х) 0=В(х,г)

и'Граничным условиям при

x-0;f-f,W

r.fc,;f-^LT(«,y-efx.t)3i ."'««.f-feV.-ef^

Учитывая различную конфигурацию каналов, по которым дви-

Д

кется воздух, дальнейшее преобразование системы приводит к

обычному уравнению распределения температур по экспоненциальному закону, которое мокно. получить jra уравнения теплового баланса

&,с_Р dt₂=M,(t₂-t_D)^

откуда ^_гн

4 ^_а

У t,-t₀ ^J

га орг

Окончательно, для расчета предлагается принять формулу-, учитывающую нагрев воздуха.в вентиляторе:

V*^.* *4W(-g)

5* ?і

Третья глава посвящена натурным исследованиям и расчетным методикам режимов ЧПП.

Тепловой расчет должен, сопрововдаться аэродинамическим . расчетом, который заключается в определении гидравлических потерь в отдельных элементах, их суммы и определения по ним характеристик вентиляторов КД о учетом всех особенностей, обусловленных требованиями к параметрам воздуха.

Расчет гидравлического регаша рециркуляционного контура ЧПП, приведенного на рис. I начинается с. определения суммарной потери давления во всей рециркуляционной системе ЧИП от

выхода воздуха из ВД и до входа в него составляет

Р= Рп *"^В * ^гда Рд ~ ^поїеР^и давления в приточной

части системи и Р_а - потерн давления в вытяжной части

сасгеьш

здесь г₆₀ а Ч1ФПП - потеря в буферном объеме БО и подпольной пространстве ПМШ;

?ФФ^И М»П " потери в финишных фильтрах Ф и фальшполе ФП.
Из всей системы наиболышй интерес представляет участок,
включащий финишные фильтры Ф5, собственно ЧШ и фальшпол СД,
ибо именно на нем происходят осаовные аэродинамические про
цессы. В ЧШ долкно быть избыточное давление для воспрепят
ствования поступления загрязненного воздуха из сменных поме
те ни а. ,

' ЧПП ^г 'А >Н^>»<

Р - давление в точке A; f^_n - то ке в смежных помещениях.

Примем давление воздуха в подфальшпольном пространстве равным дачлешш в смежных помещениях, тогда

I ЧПП ⁼ 'СП + Ги - r_n4-nn ⁺ г и

здесь \*_л - избыточное давление воздуха в ЧШ.

- 19 - Д

Зависимость между сопротивлением фильтра и расходом воздуха в системе:

Vj>V'Hzc_A^/5W

где 0 ,V - плотность и скорость воздуха; п - вы-

сота слоя фильтра и диаметр волокон; - плотность упаковка или относительная плотность фильтрупцея.среды, численно равная объему волокон в единице объема среды;С_А= j-lРе'Ут коэф-

. фнпиент лобового сопротивления; JU - вязкость воздуха;

ft^af(2)- поправка на взаимное влияние волокон в слое фильтра. Для расчета следует принимать рабочую площадь fp = P_4[)n-f_t где Тк - площадь, которую занимают монтажно-конструктор- скиэ элементы. С учетом изложенного:

Aftp»G²Hzc_Af»/FjJid

Обозначив отношение площади перфорации Ш а площади ЧПП через коэффициент перфорации 4п" г^п /Fsnn » имея в виду, что условием обеспечения избыточного давления в ЧПП должно быть . Д Рп" (чпп⁺"п+пп » и рассматривая гидравлическое сопротивление фальшпола как сопротивление плоской перфорированной решетки (без акцента на рисунок отверстий), оменяя скорость воздуха его расходом, мокно записать

ГДЄ \⁼i"Jn ; Jq>'(V^ "^) f - Коэффициент СКО-

РОСТИ истечения воздуха из отверстий; &₀ - коэффициент за-

поляения сечения отверстий в ФП; "t - коэффициент, учитывающий влияние толщины Ш, форму входной кромки отверстий и условия протекания воздуха через отверстия; 7_Тр -коэффициент трения на всей глубине отверстий.

Подсчеты для нормальных условия работы ЧИП (температура 22С, относительная влажность 42^) и минимальной скорости 0,35 м/о показывают, что для получения лНрп более 20 Па, а следовательно, и для выполнения условия Рчлп^Рсп или г_чпп?Рі>^пп необходимо значение j> 0,27.

Для расчетов удобно использовать графический метод, обеспечиващий наглядность всех элементов системы и их гидравлических сопротивлений. На рис.2 представлен график для условий ЧПП в период после смены фильтровальных ячеек.

Оценку всей системы по аэродинамическому фактору удобно производить по общему перепаду давления системы Р ⁼ гп + Ре> взятому из графика и разности расходов & = &ц -о_с , где

'G-y, - начальный расход в системе (посла смены фильтровальных ячеек). По этим характеристикам мокно определять зону промышленного использования вентиляторов кондиционеров-доводчиков, учитывая при этом их нагрузку по параметрам тепло-влавшостной доводки с соблюдением точности поддержания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И. ВЫВОД!

Научные виводи и практические рекомендации по работе сведены к следующему*.

І. Установлене, что по эксплуатационном параметрам системы обработки кондициинируемого воздуха на предприятиях

I

Рис.2 График изменения да'-ления ло элементам рециркуляционного контура ЧШ

-22 - Д

микроэлектроники необходимо делить на две части (первичная и вторичная), т.к. первичная, применяемая в обычных условиях, по своей точности поддержания температуры (2-4С) не удовлетворяет основній технологии.

2. Разработана клаесификация РК ЧПП всех клае«ои, в овнову которой положены гидродинамические характеристики движения воздуха по елементам ЧПП; предложено считать три типа РК -замкнутый, комбинированный, разомкнутый.

3. Разработана методика гидродинамического расчета элементов РК на основе анализа гидравлических сопротивлений проточных элементов ЧПП. Предложен метод графо-аналитичеекого расчета элементов ЧПП на основе гидравлических сопротивлений потоков геометрической формы каналов и длины элементов.

4. Установлено, что тепловые режимы ЧПП определяются внешними и внутренними факторами, причем изменение температуры носит знакопеременный характер от ее нормального значения. Закономерности изменения температур по длине элементов являются функцией длины и внешней тепловой обстановки.

5. Показано, что самыми слолшыми температурными режимами обладают замкнутые рециркуляционные контуры в ЧПП классов 1-100. Дан тепловой анализ всех элементов (8 элементов), причем высота ЧПП от фальшпола до финишных фильтров разделена на три зоны: чистую, технологическую и удаляемого воздуха. Даны детальные термогидродинамические характеристики каждому элементу и выведены формулы для определения температуры в каждом из этих элементов и во всем рециркуляционном контуре.

6. Доказано, что наиболее'оптимальным путем термостабилизации воздуха в технологических зонах ЧПП являются устранение

Д .

тепловых воздействии, иоходяцих от а) воэдуха, б)металлических частей уздов, на которых обрабатываются пластины.

Даны рекомендации по выбору и совершенствованию методов подбора материалов для мевт, где устанавливается плавтина в определением тепло- и температуропроводности и предложены рекомендации по ведению процессов нанесения металлических материалов на металличеекие в определенных температурных режимах.

7. Разработана и предложена программа машинного раочета температурных режимов движения воздуха в каналах. Показано, что комплексный расчет прецизионного теплового кондиционирования возможен в ЧПП всех классов и вспомогательных участков.