洁净技术讲稿7

1、空空 气气 洁洁 净净 技技 术术7 空气洁净度级别空气洁净度级别 空气洁净度一词已在本课和空气调节课程中多次空气洁净度一词已在本课和空气调节课程中多次提到过，实际是指洁净环境中空气含尘（微粒）量多提到过，实际是指洁净环境中空气含尘（微粒）量多少的程度，空气洁净度的具体高度是用空气洁净度级少的程度，空气洁净度的具体高度是用空气洁净度级别来区分的，而这种级别又是用操作时间内空气的计别来区分的，而这种级别又是用操作时间内空气的计数含尘浓度来表示的，即从某一个低的含尘浓度起到数含尘浓度来表示的，即从某一个低的含尘浓度起到不超过另一个高的含尘浓度止，这一含尘浓度范围定不超过另一个高的含尘浓度止，这一含

2、尘浓度范围定为某一空气洁净度级别。为某一空气洁净度级别。7.1 空气洁净度标准的沿革空气洁净度标准的沿革 空气洁净度标准的制定是随着对洁净技术研究的空气洁净度标准的制定是随着对洁净技术研究的深入和测试技术的发展而逐渐演变完善的，美国的空深入和测试技术的发展而逐渐演变完善的，美国的空气洁净度标准是制定最早、修订最为系统，一直为多气洁净度标准是制定最早、修订最为系统，一直为多数国家采用，或以它为蓝本参照制定本国的标准，美数国家采用，或以它为蓝本参照制定本国的标准，美国最早的洁净标准是国最早的洁净标准是1961年制定的空军技术条令年制定的空军技术条令203，分 四 个 级 别 ， 没 有 控 制 粒

3、 径 ， 是 以 每 立 方 英分 四 个 级 别 ， 没 有 控 制 粒 径 ， 是 以 每 立 方 英（0.310m）的全部粒子数分级的。的全部粒子数分级的。 63年年7月由于已掌握了微粒在对对数坐标纸上呈直线分布的月由于已掌握了微粒在对对数坐标纸上呈直线分布的规律，修订了空军技术条令规律，修订了空军技术条令203，在双对数坐标纸上将空气环境，在双对数坐标纸上将空气环境分为四个区，其中的标准洁净室相当于的后来的分为四个区，其中的标准洁净室相当于的后来的10万级，层流万级，层流装置相当于装置相当于100级，被看作洁净室技术的第一块奠基石。级，被看作洁净室技术的第一块奠基石。63年底年底美国颁

4、布了空气洁净度的国家标准，联邦标准美国颁布了空气洁净度的国家标准，联邦标准209，66年修订为年修订为209A，将洁净室分为三级，将洁净室分为三级，100、1万和十万级，有了控制粒径万和十万级，有了控制粒径0.5m，这是第一个科学分级的净化标准，成为国际上最通行、这是第一个科学分级的净化标准，成为国际上最通行、最著名的标准，表最著名的标准，表7-1的左边一半即为的左边一半即为209A，1967年美国航空航年美国航空航天局在天局在209A的基础上制度了第一个生物洁净客观存在的标准，的基础上制度了第一个生物洁净客观存在的标准，NASA标准，把各洁净级别中所允许的浮游生物粒子和沉降生物标准，把各洁净

5、级别中所允许的浮游生物粒子和沉降生物粒子的浓度列入。粒子的浓度列入。1973年修订的美国联邦标准在年修订的美国联邦标准在209A的基础上，的基础上，增设了增设了1000级，成为级，成为209B，即即 0.5m1000粒粒/ft3 35粒粒/升升 5.0m7.0粒粒/ft3 0.25米米/升升 1987年年10月颁布美国联邦标准月颁布美国联邦标准209C，而而88年年6月又因主要是月又因主要是印刷上的错误被印刷上的错误被209D代替，二者没区别，还是英制单位，在代替，二者没区别，还是英制单位，在209B基础上又增加了基础上又增加了1级和级和10级，控制粒径也扩展为级，控制粒径也扩展为0.1、0.

6、2、0.3、0.5、5m，其内容为表其内容为表7-3中英制中英制1、10、100100000对应对应的几行，但无的几行，但无m3所对的列，所对的列，1992年年9月颁布联邦标准月颁布联邦标准209E，取取代代209D，为现行标准。表为现行标准。表7-3也向国际单位靠拢，国际、英制也向国际单位靠拢，国际、英制并存，单位体积以并存，单位体积以0.5m粒径的微粒数作为分级的依据，对应粒径的微粒数作为分级的依据，对应英制，英制，1级为每升级为每升ft30.5m1粒，粒，10级为级为10粒以此类推，对应国粒以此类推，对应国际单位制级别名称用每立方米体积空气中际单位制级别名称用每立方米体积空气中0.5m最

7、大允许粒子最大允许粒子数的常用对数值，如数的常用对数值，如M1级表示每级表示每m3空气中空气中0.5m微粒数不超微粒数不超过过10粒粒lg101=1，M2级则每级则每m30.5m，100粒粒lg102=2；M后带后带小数的级别为与英制单位级别相对应的级别，如小数的级别为与英制单位级别相对应的级别，如M2.5级为英制级为英制单位单位10级，折成国际单位级，折成国际单位0.5m最大值为最大值为353粒粒/m3，lg353=2.548，取前面两位作为级别名称，为取前面两位作为级别名称，为2.5级，同理级，同理5.5对对应应1万级，化成万级，化成m3为为353000粒粒/m3，lg353000=5.5

8、48，取前两位，取前两位，故为故为5.5级。级。 图图7-2是是209E在双对数坐标纸上的表示，若某洁净室浓度位于在双对数坐标纸上的表示，若某洁净室浓度位于两条线之间，那么该室就达到上方那条线所表示的洁净度级别，两条线之间，那么该室就达到上方那条线所表示的洁净度级别，还需说明的是：还需说明的是：允许定任何级别，如测得某洁净室的含允许定任何级别，如测得某洁净室的含0.5m粒子浓度稳定粒子浓度稳定在在177粒粒/m3或或5粒粒/ft3，那么其级别可定为那么其级别可定为lg177=2.248，为为M2.2级。级。可以不用可以不用0.5m和和5m这种首尾两个粒径来定一个级别的规定，这种首尾两个粒径来定

9、一个级别的规定，允许由规定的几个粒径中的任一粒径来定级别，对允许由规定的几个粒径中的任一粒径来定级别，对1000级用级用0.5m或或0.5m与与 5m同时对于同时对于1001000级级0.20.30.5m中中的一个或几个，对于的一个或几个，对于100，0.10.20.30.5m中的一个或几个。中的一个或几个。同一级别内不同粒径对应的浓度值也反映的是洁净室空气中同一级别内不同粒径对应的浓度值也反映的是洁净室空气中的粒径分布所在双对数坐标纸上，每一级别是一条直线，直线的粒径分布所在双对数坐标纸上，每一级别是一条直线，直线间平行，分布规律一样。间平行，分布规律一样。其它几个国家制定的标准都是公制的，

10、表达方式各不相同。其它几个国家制定的标准都是公制的，表达方式各不相同。英国标准英国标准BS5295分分14级级 粒径粒径m 粒粒/m3 1 0.5 3000 5.0 0 2 0.5 300000 5.0 200 3 1 1000000 5 20000 4 5 200000 10 40000前苏联标准前苏联标准OCT111T-170-050.001-73分分5级级 1 0.5 4 粒粒/L 比百级略低（比百级略低（3.5） 2 0.5 35 粒粒/L 千级千级 3 0.5 350 粒粒/L 万级万级 4 0.5 3500粒粒/L 十万级十万级 5 0.5 CH245-71标准标准德国标准为前联邦

11、德国德国标准为前联邦德国VDI2083 （分为分为5级，较特别）级，较特别） n级级 0.5 410n 1 110n 5 0.0310n 3级级 0.5 4103 1 1103 4级级 0.5 4104 1 1104 5 0.03104 5级级 0.5 4105 1 1105 5 0.03105 6级级 0.5 4106 1 1106 5 0.03106 日本过去一直沿用美国标准，只是具全数据略有不同，日本过去一直沿用美国标准，只是具全数据略有不同，81年年出台的标准类似德国标准，现在日本执行的标准是出台的标准类似德国标准，现在日本执行的标准是1989年制定年制定的（表的（表7-4），很有特色

12、，以），很有特色，以0.1m粒子数的常用对数值作为级粒子数的常用对数值作为级别名称，很适应粒径向微小化发展的趋势控制。别名称，很适应粒径向微小化发展的趋势控制。 国际标准化组织的国际标准化组织的ISO/TC209 （表表7-6）与日本的标准几乎相）与日本的标准几乎相同，吸取德国标准的作法，增加了同，吸取德国标准的作法，增加了1.0m一档数据。一档数据。 我国曾有两个洁净度标准，一个是我国曾有两个洁净度标准，一个是77年由原国家建委下达任年由原国家建委下达任务编制的空气洁净技术措施中提出的五个级别，分别称务编制的空气洁净技术措施中提出的五个级别，分别称3级、级、30级、级、300级、级、3000

13、级和级和3万级，万级，0.5m粒粒/升升3、30、300、3000、3万，相当于美国联邦标准百、千、万、十万、百万级，标准略万，相当于美国联邦标准百、千、万、十万、百万级，标准略高些。另一标准为洁净厂房设计规范后成为国家标准，分高些。另一标准为洁净厂房设计规范后成为国家标准，分为为4级，分别为百级、千、万、十万级，每升或每级，分别为百级、千、万、十万级，每升或每m30.5微米的微米的粒子数与粒子数与209B相同，现在这一标准已与国际标准相同，现在这一标准已与国际标准ISO/TC209接接轨。轨。 实际上人们还是习惯用美国联邦标准实际上人们还是习惯用美国联邦标准209系列，国际标准的系列，国际标

14、准的应用远小于联邦标准。应用远小于联邦标准。7.2 空气洁净度级别的数学表达式空气洁净度级别的数学表达式 在第二章讨论大气尘的粒径分布时曾给出大气中两个粒径的粒在第二章讨论大气尘的粒径分布时曾给出大气中两个粒径的粒数与粒径之间的关系式数与粒径之间的关系式 ： Nd1 粒径粒径d1的微粒总数，粒的微粒总数，粒/L； n分布指数，分布指数，n=22.3变化。已知变化。已知某一粒径的某一粒径的 浓度可求出任一粒径的微粒浓度。浓度可求出任一粒径的微粒浓度。 该式同样适用于洁净室内微粒的分布计算，洁净室同一洁净该式同样适用于洁净室内微粒的分布计算，洁净室同一洁净级别，不同粒径粒子浓度也反映了粒径分布关系

15、，已知某一级级别，不同粒径粒子浓度也反映了粒径分布关系，已知某一级别一种粒径的允许微粒数，就可利用该公式计算出其它粒径的别一种粒径的允许微粒数，就可利用该公式计算出其它粒径的允许浓度，公式表示为：允许浓度，公式表示为： d为某一级别作为依据的粒径，如为某一级别作为依据的粒径，如0.5m； D同一级别的其它粒径，拟计算的；同一级别的其它粒径，拟计算的； Nd定义该级别的粒径为定义该级别的粒径为d的微粒计数浓度；的微粒计数浓度； ND同一级别粒径为同一级别粒径为D的允许计数浓度。的允许计数浓度。 n为指数，各国的标准为指数，各国的标准n值略有不同，美联邦标准值略有不同，美联邦标准209E，n=2.

16、2，日本标准和日本标准和ISO标准标准n=2.08，表表7-5欧洲洁净级别草案则欧洲洁净级别草案则n=2.0，即在双对数坐标纸上，各个标准用于反映同一洁净度的即在双对数坐标纸上，各个标准用于反映同一洁净度的直线斜率略有差异。直线斜率略有差异。nddddNN2121ndDdDNN7.3 表示空气洁净度级别的平行线表示空气洁净度级别的平行线 前面的内容表明，洁净室内微粒的同一级别分布曲线的斜前面的内容表明，洁净室内微粒的同一级别分布曲线的斜率略有差别，一方面有人为因素在内，如数据的圆整等原因，率略有差别，一方面有人为因素在内，如数据的圆整等原因，另一方面实测的洁净室也确实有不完全平行的情况。不同的

17、洁另一方面实测的洁净室也确实有不完全平行的情况。不同的洁净室内微粒的微粒分布是有可能有差别的。但洁净室内粒径分净室内微粒的微粒分布是有可能有差别的。但洁净室内粒径分布线（在双对数坐标上）与大气尘粒径分布线基本平行或者用布线（在双对数坐标上）与大气尘粒径分布线基本平行或者用公式表示的公式表示的n值相近这一点似乎讲不通，因为在洁净室内稍大一值相近这一点似乎讲不通，因为在洁净室内稍大一点的微粒都被过滤掉了，室内微粒分布接近单分散粒子，其粒点的微粒都被过滤掉了，室内微粒分布接近单分散粒子，其粒径分布在双对数坐标纸上应该径分布在双对数坐标纸上应该较陡较陡，因横轴粒径范围大大减少，因横轴粒径范围大大减少，

18、但实测结果确实如此，其主要原因就是人员发尘。实测结果表但实测结果确实如此，其主要原因就是人员发尘。实测结果表明人员发尘的粒径分布与大气尘的粒径分布很相似，图明人员发尘的粒径分布与大气尘的粒径分布很相似，图7-6是人是人员穿不同种的服装的发尘量实测分布与大气尘分布的对比情况，员穿不同种的服装的发尘量实测分布与大气尘分布的对比情况，七条实线为人员发尘量，用左边纵坐标虚线为大气尘分布线用七条实线为人员发尘量，用左边纵坐标虚线为大气尘分布线用右边纵坐标，图右边纵坐标，图7-7是人做不同动作时的发尘量实测结果，其粒是人做不同动作时的发尘量实测结果，其粒径分布与大气尘分布线也很相似，可以看出，由于人员的存

19、在，径分布与大气尘分布线也很相似，可以看出，由于人员的存在，使得洁净室微粒的分布曲线与大气尘分布曲线相平行。使得洁净室微粒的分布曲线与大气尘分布曲线相平行。7.4 空气洁净度所要控制的对象空气洁净度所要控制的对象 空气洁净度所控制的对象有两个：对工艺或产品造成损害空气洁净度所控制的对象有两个：对工艺或产品造成损害的最小粒径，大于等于该粒径的微粒的量要进行控制；可能的最小粒径，大于等于该粒径的微粒的量要进行控制；可能造成产品损害的空气中微粒数量即浓度，应由允许沉降量推出；造成产品损害的空气中微粒数量即浓度，应由允许沉降量推出；其它的对象有风速等，居次要地位，水平风速其它的对象有风速等，居次要地位

20、，水平风速0.2m/s。 1）控制的最小粒径控制的最小粒径 由工艺确定，并非越小越有利，有成本和代价问题，应综合由工艺确定，并非越小越有利，有成本和代价问题，应综合权衡，分两种情况：权衡，分两种情况： 精密机械加工，如气浮陀螺间隙、精密轴承滚球与轴碗之精密机械加工，如气浮陀螺间隙、精密轴承滚球与轴碗之间润滑油膜，微米量级，主要考虑堵塞等因素，有一最短间距间润滑油膜，微米量级，主要考虑堵塞等因素，有一最短间距或宽度等，要考虑到小微粒可能凝并成大颗粒，或几个小微粒或宽度等，要考虑到小微粒可能凝并成大颗粒，或几个小微粒同时落到一处，所以一般把最短距离的同时落到一处，所以一般把最短距离的1/21/3定

21、为最小微粒的定为最小微粒的控制粒径，用控制粒径，用0.5m的较多。的较多。 集成电路的发展使的元件密度增加，金属联线的宽度和薄集成电路的发展使的元件密度增加，金属联线的宽度和薄膜涂层都达到亚微米量级，微粒的破坏作用变成短路、杂质源，膜涂层都达到亚微米量级，微粒的破坏作用变成短路、杂质源，所以对最小粒径的控制更严一些，为基本图形尺寸的所以对最小粒径的控制更严一些，为基本图形尺寸的1/31/10之之间，表间，表7-7为不同的集成电路生产所需控制的最小粒径，而表为不同的集成电路生产所需控制的最小粒径，而表7-8为不同发展阶段集成电路发展情况。为不同发展阶段集成电路发展情况。 2）控制的微粒数量）控制

22、的微粒数量 确定所控制的微粒数即浓度是由沉积量推算出来确定所控制的微粒数即浓度是由沉积量推算出来的，对所得结果除了技术上能实现外，还要进行整理的，对所得结果除了技术上能实现外，还要进行整理才确定为该洁净室的洁净度。整理为人们习惯使用的才确定为该洁净室的洁净度。整理为人们习惯使用的粒径下粒子的浓度，再对数据进行圆整。若距现行标粒径下粒子的浓度，再对数据进行圆整。若距现行标准的分级两边都有距离，可整理为较为圆整的级别，准的分级两边都有距离，可整理为较为圆整的级别，如如30万级，万级，50万级等，便于使用、检测。万级等，便于使用、检测。7.5 被控制的含尘浓度的具体条件被控制的含尘浓度的具体条件 解

23、决标志洁净度的含尘浓度是什么条件下的浓度问题。解决标志洁净度的含尘浓度是什么条件下的浓度问题。 1）状态：）状态：1973年一名西方学者提出洁净室的测定状态，共有年一名西方学者提出洁净室的测定状态，共有三种：空态，净化系统运行，工艺设备还没安装；静态，三种：空态，净化系统运行，工艺设备还没安装；静态，工艺设备也已投入运行，但无工作人员；动态，系统工艺设工艺设备也已投入运行，但无工作人员；动态，系统工艺设备人员都处于运行操作状态，检验净化系统工程质量是否达到备人员都处于运行操作状态，检验净化系统工程质量是否达到要求用要求用空态空态，检验生产条件下的洁净室用，检验生产条件下的洁净室用动态动态，二者

24、肯定有差，二者肯定有差距。距。 2）范围（什么范围下的浓度）范围（什么范围下的浓度） 类似空调的保证区域概念，要求工作区内的任何测定部位都类似空调的保证区域概念，要求工作区内的任何测定部位都满足浓度要求，美距地满足浓度要求，美距地76cm至距顶至距顶90cm范围，我国距地范围，我国距地0.81.5m范围内，工艺特殊要求除外。范围内，工艺特殊要求除外。 3）如何测量（多少点，多少次，多大采样量）如何测量（多少点，多少次，多大采样量）为了避免检测中的偶然因素影响结果，要有一定的采样次数，为了避免检测中的偶然因素影响结果，要有一定的采样次数，这与洁净级别，洁净室面积有关。这与洁净级别，洁净室面积有关

25、。 由于粒子计数器的显示读数只能是由于粒子计数器的显示读数只能是0，1，2，3正整数，如正整数，如果被检测空间的含尘浓度很低，每次采样量又很小，检测容量果被检测空间的含尘浓度很低，每次采样量又很小，检测容量的平均浓度有可能是一个低于的平均浓度有可能是一个低于1的数，读数可能多次出现的数，读数可能多次出现0或大或大部分为部分为0，为确保在最小采样量下不出现，为确保在最小采样量下不出现0，那么出现，那么出现3粒时所需粒时所需的空气量，的空气量， 十万级十万级353n3553粒粒/升（升（ 0.5 m ）。）。提出一个最小检测容量提出一个最小检测容量=3粒粒/级别浓度下限级别浓度下限 体积单位体积单

26、位具体计算后具体计算后 10万级万级0.0085升升 建议值建议值0.1升升 万级万级 0.085升升 0.1升升 1000级级 0. 85升升 1升升 100级级 8.5升升 8.5升升 10级级 85升升 85升升 1级级 850升升 850升升测点要求：我国洁净室施工及验收规范计算的必要测点数测点要求：我国洁净室施工及验收规范计算的必要测点数 每点最少采样一次，一个区内最少采样五次，对小面积每每点最少采样一次，一个区内最少采样五次，对小面积每点可能采用点可能采用2次以上次以上。 测点数测点数 进风面积进风面积 洁净度洁净度 或室面积或室面积 100级或高于级或高于100级级 1000级级

27、 10000级级 100000级级 10 23 2 2 2 10 4 3 2 2 20 8 6 2 2 40 16 13 4 2 80 32 25 8 2 100 40 32 10 3 200 80 63 20 6 400 160 126 40 13 1000 400 316 100 32 2000 800 633 200 63 4）如何取值（确定洁净度）满足）如何取值（确定洁净度）满足2条条 每个采样点每个采样点n次的平均浓度次的平均浓度某级别的浓度上限；某级别的浓度上限； 所有测点的平均值即室的平均浓度构成的所有测点的平均值即室的平均浓度构成的95%的置的置信上限（室平均统计值）信上限（室

28、平均统计值）该级别浓度的上限。该级别浓度的上限。7.6 由成品率确定空气洁净度的理论方法由成品率确定空气洁净度的理论方法（1）空气洁净度和单道工序合格率的关系）空气洁净度和单道工序合格率的关系图图7-9、图、图7-10为集成电路上元器件之间的金属连线和为集成电路上元器件之间的金属连线和多层联系结构放大照片，多层联系结构放大照片，0.1m铝印刷线路，多层联线铝印刷线路，多层联线（上面铝线，下层钼线），线路之间为薄层绝缘。小（上面铝线，下层钼线），线路之间为薄层绝缘。小粒尘粒落入，断路或短路报废。所以要控制产品表面粒尘粒落入，断路或短路报废。所以要控制产品表面能接触到的微粒，需从两个方面进行研究：

29、一是空气能接触到的微粒，需从两个方面进行研究：一是空气中的微粒是如何与产品接触的，沉积的量有多大，沉中的微粒是如何与产品接触的，沉积的量有多大，沉积量与空气洁净度的关系，这已在第六章解决了（垂积量与空气洁净度的关系，这已在第六章解决了（垂直面扩散沉积，水平面的沉积，能计算出）；另一方直面扩散沉积，水平面的沉积，能计算出）；另一方面就是微粒在表面的沉积密度和造成次品的几率关系。面就是微粒在表面的沉积密度和造成次品的几率关系。这里主要讨论表面沉积密度和造成次品率的关系。这里主要讨论表面沉积密度和造成次品率的关系。 我们能算出在一定含尘浓度下单位时间单位表面我们能算出在一定含尘浓度下单位时间单位表面

30、上沉积的微粒量，但并非每一部分面积单位时间统统上沉积的微粒量，但并非每一部分面积单位时间统统沉积的一样多。因为微粒在空气中是随机分布的，它沉积的一样多。因为微粒在空气中是随机分布的，它的沉积也是随机的。在灰尘微粒随机分布的情况下，的沉积也是随机的。在灰尘微粒随机分布的情况下，在一定大小表面上沉积定量颗粒微粒的机会是一定的，在一定大小表面上沉积定量颗粒微粒的机会是一定的，尽管沉降尽管沉降1粒的机会大于沉降粒的机会大于沉降2粒机会大于粒机会大于3粒机会，以粒机会，以此类推，但每一粒数的机会是一定的，这就是沉积不此类推，但每一粒数的机会是一定的，这就是沉积不同粒数的概率，对于洁净条件下沉积密度较小的

31、情况，同粒数的概率，对于洁净条件下沉积密度较小的情况，一般用泊松分布近似计算灰尘微粒沉积的概率。（一一般用泊松分布近似计算灰尘微粒沉积的概率。（一次试验中某事件发生的概率很小，在大量的试验中事次试验中某事件发生的概率很小，在大量的试验中事件件A发生的次数的概率都可近似地用泊松分布描述）发生的次数的概率都可近似地用泊松分布描述）泊松分布的形式为泊松分布的形式为 ( k=0,1,2)数学期望数学期望 ，方差，方差 对于我们讨论的问题，随机变量对于我们讨论的问题，随机变量 为沉积的粒数为沉积的粒数（正整数），（正整数），为对应面积上相应时间内沉积的粒数，为对应面积上相应时间内沉积的粒数，即沉积密度，

32、可能为小数，则即沉积密度，可能为小数，则 为特定面积上特定时间内沉积为特定面积上特定时间内沉积k粒粒子的概率，与粒粒子的概率，与对应的面积、时间一致。对应的面积、时间一致。ekkPk!MDekkPk! 对集成电路板表面，不沉积的概率即即为合格品的概率，用对集成电路板表面，不沉积的概率即即为合格品的概率，用ns表示沉积密度表示沉积密度 （7-4） 而沉积而沉积1粒以上微粒的皆为次品，则次品的概率为：粒以上微粒的皆为次品，则次品的概率为： （7-3） 如果每如果每1mm2芯片在暴露芯片在暴露8小时的合格率要求为小时的合格率要求为90%，利用，利用7-4式可求出式可求出ns， ，则则 ，ns=0.105，应取应取ns0.1粒粒/mm28小时，化成单位面积单位时间的沉积密度，则小时，化成单位面积单位时间的