通過 LCD 潔凈間氣流改善提升良品率

空氣中的浮游粒子運動受氣體流動、布朗擴散、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的微粒子移動主要受氣流的影響，并隨著氣流的方向移動。因此，準確掌握氣流的流動特性，并進行良好的氣流控制是保證潔凈室潔凈度的關(guān)鍵。所以對于潔凈度要求高的TFT LCD 制造等半導體芯片制造業(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瑵崈羰覂?nèi)氣流的控制和改善，對于TFTLCD 產(chǎn)品良率提升具有非常重要的意義。

1 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

俄羅斯在2003年3月出版了第一部由A·E·費多托夫編著的有關(guān)潔凈室技術(shù)專著。該書從潔凈室技術(shù)和氣溶膠污染控制的理論基礎(chǔ)到實踐經(jīng)驗作了全面的闡釋。Young-Jae Won 教授在《電子廠房潔凈室氣流組織的理論及實驗研究》中闡述了影響氣流的主要因素，氣流實測與模擬實驗分析及變動預測。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測氣流組織分析技術(shù)。2009 年初，宋功業(yè)等人針對潔凈室的潔凈要求對潔凈間的建筑方面做了比較深刻的研究。

1.2 國際標準

在潔凈技術(shù)中，把小于10μm的粒子作為研究對象主要有粉塵、纖維、微生物等。空氣的潔凈度用來衡量空氣環(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，空氣潔凈度級別就是以含塵濃度來劃分的。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)來表示?？諝鉂崈舳燃墑e是評價空氣潔凈環(huán)境的核心指標。自1963年，美國環(huán)境科學技術(shù)研究所（IES）制定了第一項潔凈室標準——美國聯(lián)邦標準209A以來, 潔凈室相關(guān)標準及管理等方面在逐漸地向公制過渡，目前國際上廣泛使用國際 ISO 14644-1 標準，美國于2011 年年末實施這個標準，俄羅斯于2000 年采用ISO 14644-1 為國家標準，中國在《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定采用 ISO 14644-1 標準（如表1所示），并于 2002 年1月1日起實施，并廣泛使適用于集成電路、現(xiàn)代化儀表制造、精密機械、制藥醫(yī)療、食品、科學實驗活動等領(lǐng)域，尤其是新興的TFT-LCD 制造領(lǐng)域。

1.3 潔凈間氣流形式

為了達到不同凈化級別所對應的顆粒濃度值，必須對各種顆粒濃度進行控制。潔凈室內(nèi)的溫度、濕度以及壓差的控制技術(shù)的研究與應用早期就已經(jīng)開始，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)的氣流按流動方式，可以分為層流和亂流。在流動的過程當中，以一定流速、單一通路、單一方向流動的氣流，被稱為層流，也叫單向流；氣流無固定的方向流動叫亂流，也叫紊流或非單向流。層流按照氣體流動方向又可分為：從天井到地面方向的流動的垂直層流（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，國內(nèi)外的潔凈室主要以垂直層流為主(圖1)，對潔凈室內(nèi)氣流分布特性進行研究的方法主要有氣流可視化，CFD 模擬，直接測量法等等，這些方法很實用且已得到廣泛的應用。目前的絕大多數(shù)研究室利用這些方法進行試驗測試和分析，但由于在實際生產(chǎn)運行過程中，會有污染物不斷產(chǎn)生，且存在產(chǎn)生原因、產(chǎn)生時機不確定以及安全性等技術(shù)性難題和經(jīng)濟性問題，所以改善潔凈室各種各樣的異常氣流問題就顯得至關(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，對制造加工廠房的潔凈度與細菌的限制度越來越高。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別，以確保完成對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送風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)多孔回風地板（Punching Plate），形成再循環(huán)系統(tǒng)，見圖2。

在 TFT LCD 生產(chǎn)過程當中，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 出口風速、地板的開口率、設(shè)備的排氣、設(shè)備布局、形狀等。掌握氣流潔凈技術(shù)的各項原則，可使產(chǎn)品的良品率和可靠性確實達到新的水平。良好的氣流，可以在較小的系統(tǒng)循環(huán)風量和系統(tǒng)能耗下達到較高的空氣潔凈度。

3 LCD 潔凈間主要的氣流問題

3.1 LCD 潔凈間設(shè)備的搬入對空態(tài)原始設(shè)計的影響

在中國，由于 TFT LCD 產(chǎn)業(yè)剛剛興起，專門針對TFT LCD行業(yè)生產(chǎn)的較為成熟的潔凈間氣流的設(shè)計正處于迅速發(fā)展中，在潔凈間設(shè)計初期，設(shè)備的布置率，設(shè)備的開口率，排氣率等因素不能很詳細的確定，并且在設(shè)備形態(tài)各異的情況下針對性的設(shè)計也是很難達到的。一般情況下，在空態(tài)時，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)帶有開口的地板，減小了地板的開口率，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)部的氣流問題

在一般情況下，由于種種原因，LCD 潔凈間的建設(shè)設(shè)計時，各種生產(chǎn)設(shè)備上方是否開口，下方是否有足夠的排氣裝置等詳細細節(jié)未能納入氣流設(shè)計的考慮內(nèi)容，使得LCD 用生產(chǎn)潔凈間千篇一律，沒有差別與針對性，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)備排氣相對不足。

4 氣流改善方法及案例

切實有效的氣流改善方法，依賴于異常氣流分析中得到的正確異常原因。在實際的 TFT-LCD生產(chǎn)過程當中，通過改善氣流改善生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度，提高產(chǎn)品良率的案例很多,這里針對以上常見的問題列舉了兩個最重要的改善案例。

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)帶有開口的地板，減小了開口率，設(shè)備的面積越大，開口率下降越多。相對于潔凈度比較高的區(qū)域，所以靜態(tài)時氣流就已經(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)計施工的時候，沒有考慮到這個問題，那么在實際生產(chǎn)過程中，改善由此造成異常情況，考慮設(shè)備的周圍適當?shù)脑黾拥匕宓拈_口率是經(jīng)濟有效方案。如表2所示，在改善之前，潔凈等級10級與100 級之間（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 0.40 m/s，對產(chǎn)品的良率提升帶來隱患。更換該設(shè)備周圍區(qū)域的盲板 36 塊，其開口率為 46%。效果如圖3 所示。目前氣流方向改變并且達到了0.22 m/s 的正常氣流氣速的標準。說明設(shè)備的放置影響了地板的原有的開口率，以致改變了空態(tài)時原有的設(shè)計氣流形態(tài)，在這樣的條件下，區(qū)域性的更換開口率大的地板對氣流改善非常有效果。在改善進行時刻前后15天的時間里，此設(shè)備制作的LOTyield 提升了0.08%，按2010年年底的市場情況，收益在60萬元人民幣左右。

4.2 根據(jù)不同工藝產(chǎn)品滯留時間改善氣流

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)品基板整個過程都在密閉或設(shè)備自身帶有 EFU（EquipmentFan Unit）的密閉設(shè)備里，那么對于這臺設(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。對于設(shè)備為上方開口設(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)過程停留時間最長的區(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)時產(chǎn)品滯留時間長短的規(guī)律，那么針對這些區(qū)域進行改善就會事半功倍，效果更佳。通常的情況下，Indexer是LOT停留等待時間較長，并且 Glass 單張進行時，停留時間最長的區(qū)域。

自動輸運器區(qū)域由于機械手臂的安裝，必然影響了原始設(shè)計的地板開口率，因此，在可能的情況下，適當更換開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，在豎風井側(cè)方向有向上的渦流情況，如圖4所示。這個位置，正是玻璃板進入設(shè)備前集中等待的高度，這對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塊開口為18%的地板，更換為開口率為46%的地板，在更換地板后，地板的開口率升高，如圖5所示。利用 FOGGER 氣流模擬設(shè)備（MSP-2010），對Indexer內(nèi)部氣流進行模擬測試，效果如圖6所示。原來在豎風井側(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。

在改善后的一個月的時間里，通過對相關(guān)設(shè)備的合格率監(jiān)控結(jié)果來看，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 普通型號產(chǎn)品的市場情況看，預計收益在 500萬元人民幣左右。

5 結(jié)論

有效地改善 LCD 潔凈室潔凈氣流，首先需要對潔凈室的氣流有所掌握，尤其是異常氣流；其次需要對 TFT LCD 工藝有深度的了解，更重要的是需要長時間的測試以及實驗，才能得到正確有效的改善方法。考慮到局部的氣流改善對整體的氣流平衡也會產(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的方式進行。

5.1 對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)過程當中，地板的開口率，設(shè)備的尺寸布局，設(shè)備的形狀和開口率，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出口風速、設(shè)備的排氣等等也都會對氣流的變化產(chǎn)生影響。其中，通過研究設(shè)備布局對地板開口率的影響，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。

本文實驗案例中，更換了柵格地板 36 塊后，風向轉(zhuǎn)為正常方向，風速由0.22 m/s變?yōu)?.40 m/s，相應地，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)備對氣流的要求是不一樣的，根據(jù)設(shè)備對氣流的要求和產(chǎn)品滯留時間改善氣流，是使?jié)崈糸g氣流優(yōu)化的有效方法。

通過在LCD制作過程中的關(guān)鍵為46%開口率柵格地板，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，這是由TFT LCD的操作工藝決定的。通常不僅僅局限于維護潔凈室潔凈等級的管理。同時，由于現(xiàn)場的復雜性，和實驗的可操作性，CFD 等氣流模擬方法只在必要時使用。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)的研究與開發(fā)，需要各方面的LCD潔凈間設(shè)計人員給予更多的設(shè)計考慮，需要現(xiàn)場的工作人員在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷的探索新的改善方案方法，總結(jié)出更多的具有實踐意義的寶貴經(jīng)驗。