洁净室及其控制技术课件

洁净室及其控制技术洁净室及其控制技术什么是洁净室？洁净室Cleanroom:空气悬浮粒子浓度受控的房间。它的建造和使用应减少室内诱入、产生滞留粒子。室内其它有关参数如温度、湿度、压力等按要求进行控制。——摘自GB50073-2001《洁净厂房设计规范》由于半导体工业所制作的集成电路元件尺寸越来越小，在一块小小的芯片上，整合了许许多多的元器件，因此在制造的过程中就必须防止外界杂质污染源(包括尘埃、金属离子、各类有机物等)，因为这些污染源可以造成元器件性能的劣化及产品成品率和可靠性的降低。所以制造集成电路必须在洁净的环境中进行，以尽量将污染源和硅片隔离。背景第1节洁净室定义、分类与应用

什么是洁净室？洁净室Cleanroom:空气悬浮粒子浓度受控半导体工厂洁净室示意图5.2

m5.2

m4.8

m5.5

m1.310m(33ft)10m(33ft)72m(236,2ft)0.0m22m(74ft)楼梯间回风Cl.100turbulent回风区工艺真空管路补充气体工艺原料供应主管路洗涤塔排风扇工艺原料主供应系统Level1LowerSubfabLevel2Level30.6m排风扇钢结构微环境（Class1,SMIF静压箱水泥覆盖防水保温镀锌浪板独立过滤风扇天花吊顶系统高架地板架子格钢结构特殊气体气柜无尘电梯人员操作区（Class100)半导体工厂洁净室示意图5.2m5.2m4.8m5.5根据洁净的程度一般净化，粗效过滤器。中等净化，粗、中效过滤器。超净净化，粗、中、高三级效过滤器。根据洁净室的用途工业洁净室，控制非生物微粒的污染。

生物洁净室，控制生物微粒的污染。

一般生物洁净室隔离生物洁净室第1节洁净室定义、分类与应用

根据洁净的程度第1节洁净室定义、分类与应用

根据气流流型单向流非单向流混合流第1节洁净室定义、分类与应用

根据气流流型第1节洁净室定义、分类与应用

第2节空气洁净度标准与控制对象控制对象：最小微粒直径，微粒数量。一、控制的最小粒径（1）生产的机械角度考虑；（2）白炽灯作光源的散射光式粒子计数器测试；（3）大规模集成电路生产要求控制0.1µm。二、控制的微粒数量原则：（1）现有措施能达到；（2）经济上能明显区别；（3）记忆方便。第2节空气洁净度标准与控制对象控制对象：最小微粒直径，微三、被控制的含尘浓度的具体规定1、何状态下的含尘浓度动态、静态、空态2、何范围内的含尘浓度离地0.8~1.5m高的区域。洁净度的控制对象三、被控制的含尘浓度的具体规定洁净度的控制对象空气洁净度标准2.1洁净度等级标准（工程中所依据的各项标准和规范）空气洁净度：洁净空气中含尘量多少的程度（即含尘浓度）。1、美国空军技术条令世界上第一个洁净度标准。1961年3月问世。美国联邦标准的基石。2、美国联邦标准2091963年12月问世。0.5µm5.0µm3、美国联邦标准FS209E空气洁净度标准2.1洁净度等级标准（工程中所依据的各项标表2-1

美国联邦标准（USAFederalStandard）209E（1992年）洁净度级别Cleanclass粒径ParticlesSize(μm)与等级限值（个/ft3

）≥0.1μm≥0.2μm≥0.3μm≥0.5μm≥5.0μm1级35.07.503.001NA10级35075.030.010NA100级NA750300100NA1000级NANANA10007.010000级NANANA1000070.3100000级NANANA100000700表2-1

美国联邦标准（USAFederalStanda洁净室的洁净度是如何确定的？10000000001101001000100001000000.010.1110颗粒直径（μm）颗粒数量（个）Class1Class10Class100Class1000Class100000.51立方英尺为单位空间直径0.5微米的尘埃粒子为比较标准Class1：大于0.5微米的粒子少于1个Class10：大于0.5微米的粒子少于10个Class100：大于0.5微米的粒子少于100个Class1000：大于0.5微米的粒子少于1000个Class10000：大于0.5微米的粒子少于10000个洁净室的洁净度是如何确定的？1000000000110100等级名称等级限值0.1μm0.2μm0.3μm0.5μm5μm国际单位英制单位/m3/ft3/m3/ft3/m3/ft3/m3/ft3/m3/ft3M1

3509.9175.72.1430.90.875100.283

M1.511240352657.5106335.31

M2

350099.175721.43098.751002.83

M2.510124035026507510603035310

M3

350009917570214309087.5100028.3

M3.5100

26500750106003003530100

M4

75700214003090087510000283

M4.51000

3530010002477M5

100000283061817.5M5.510000

35300010000247070M6

1000000283006180175M6.5100000

353000010000024700700M7

10000000283000618001750表2-1

美国联邦标准（USAFederalStandard）209E（1992年）等级名称等级限值0.1μm0.2μm0.3μm0.5μm5μ各种要求粒径d的粒子最大允许浓度由公式确定。FS209E英制单位制计算公式：式中：N——大于或等于要求粒径的粒子最大允许浓度（pc/ft3）

Nc——洁净度等级

d——要求的粒径（µm），其值为[0.1~5.0]。

0.5——常数，其量纲为µm。FS209E国际单位制计算公式：式中：CM——大于或等于要求粒径的粒子最大允许浓度（pc/m3）

M——洁净度等级各种要求粒径d的粒子最大允许浓度由公式确定。FS209E国际

某洁净室用≥0.2μm粒径的粒子检验，允许浓度限制为7.5×104个/m3，相当于美国联邦标准209E国际单位制M多少级？某洁净室用≥0.2μm粒径的粒子检验，允许浓度限制为7表2-2

洁净室及洁净区空气中悬浮粒子洁净度等级ISO14644-1、GB50073-2001空气洁净度等级(N)大于或等于表中粒径的最大浓度限值(pc/m3)0.1um0.2um0.3um0.5um1um5um1102

210024104

31000237102358

4100002370102035283

51000002370010200352083229610000002370001020003520083202937

3520008320029308

3520000832000293009

352000008320000293000表2-2

洁净室及洁净区空气中悬浮粒子洁净度等级大于或等于各种要求粒径D的粒子最大允许浓度Cn由公式确定。式中：Cn——大于或等于要求粒径的粒子最大允许浓度（pc/m3）；Cn是以四舍五入至相近的整数，有效位数不超过三位。

N——洁净度等级，数字不超出9，洁净度等级整数之间的中间数可以按0.1为最小允许递增量。

D——要求的粒径（µm），其值为[0.1~5.0]。

0.1——常数，其量纲为µm。各种要求粒径D的粒子最大允许浓度Cn由公式确定。

某洁净室用≥0.2μm粒径的粒子检验，允许浓度限制为7.5×104个/m3，相当于《洁净厂房设计规范》多少级？某洁净室用≥0.2μm粒径的粒子检验，允许浓度限制为7洁净度等级标准我国1、《洁净厂房设计规范》GBJ73-842、现在标准中国国家标准GB50073-2001（等同采用国际标准ISO14644-1）特点：与旧规范相比，控制粒径2种增加到6种；4个级别增加到9个级别。另，允许采用整数间的中间级别。洁净度等级标准我国尘埃粒子直径的示意图尘埃粒直径（单位：μm）0.00010.0010.010.11.010100100010000香烟的烟颜料烟硅砂花粉植物孢子水泥人的头发重工业发出的粒子病毒细菌化学物质0.5μm尘埃粒子直径的示意图尘埃粒直径（单位：μm）0.00010.在太平洋中游弋的一条鲣鱼以ISO1级的洁净度为例来计算洁净度1级的上限是1m3空气中0.1μm粒子＜10个，

即浮游粒子在空气中的体积比：根据世界地理知识，可查到太平洋的面积为16500万km2、平均深度为4282m、体积为70700万km3。一条鲣鱼的体积大约为0.004m3即一条鲣鱼在太平洋中的体积比：在太平洋中游弋的一条鲣鱼以ISO1级的洁净度为例来计算生物洁净室相关标准1、美国航空航天管理局《洁净室和洁净工作台微生物控制标准》2、现在标准医药工业洁净厂房空气洁净度标准GMP-97。生物洁净室相关标准洁净度级别Cleanclass尘埃最大允许数/立方米Maximumpermitquantityofparticlespercubicmetre微生物最大允许数

Maximumpermitquantityofmicroorganism≥0.5um≥5um浮游菌个/立方米沉降菌个/皿.30min100350005110000350,0002,00010031000003,500,00020,0005001030000010,500,00061,800NA15中国药品生产洁净室（区）的空气洁净度标准

注1：大于100000级的参数是参考美国联邦标准洁净室和洁净区内空气浮游粒子洁净等级；

注2：空气洁净度的测试以静态条件为依据，测试方法应符合国家医药管理工业洁净室和洁净区悬浮粒子的测试方法》中有关规定；

注3：对于空气洁净度为100级的洁净室，室内大于等于5μm尘粒的计数，应进行多次采样，当其多次出现时，方可认为该测试数值是可靠的。洁净度级别Cleanclass尘埃最大允许数/立方米Ma第3节洁净室的工作原理及其应用洁净室控制微粒污染的主要途径：

1.控制污染源，减少污染发生量；

2.迅速有效地排除室内已经发生的污染；

3.有效地阻止室外的污染侵入。（或有效地防止室内污染逸至室外）第3节洁净室的工作原理及其应用洁净室控制微粒污染的主要洁净室的四原则1、增大换气次数2、设备发尘部位应有排气3、室内的气流形式应使得灰尘难以在产品上附着不将灰尘带入不让灰尘产生不让灰尘堆积迅速排除灰尘1、过滤器本身及外框无漏风2、洁净室需保持一定的正压3、作业人员需穿洁净服并经风淋4、带入的工具、材料等必须擦洗干净1、正确穿着洁净服2、不使用容易发尘的物品及材料3、减少不必要的人员走动4、不用的物品严禁带入1、清扫作业不留死角，特别是不易清扫的角落和设备周围2、尽量减少风管、配管暴露于洁净室内3、实施标准化的清扫作业洁净室的四原则1、增大换气次数不将灰尘带入不让灰尘产生不让灰洁净室的洁净度是如何维持的？CoolingCoil干式冷盘管Fab生产层Sub-Fab下技术层Chamber回风静压室Shaft回风井道FanFilterUnit风机过滤单元Cleanroom洁净室Chamber回风静压室AHU空调机Duct风管过滤、送风量、压力梯度、气流组织洁净室的洁净度是如何维持的？CoolingCoilFabSHEPAFilter高效过滤器——HighEfficiencyParticulateAirFilter密封条外框过滤器介质波浪型隔离体褶皱状滤纸外框热溶胶热溶胶（多处加工）外框滤纸ULPAFilter高效过滤器——UltraLowPenetration

AirFilter灰尘是如何去除的呢？HEPAFilter高效过滤器——密封条外框过滤器介质波浪过滤器去除灰尘的效率如何呢？（举例）名称灰尘粒径捕集率HEPA高效0.30μm99.97～99.999％ULPA超高效99.9995%以上0.15μm过滤器去除灰尘的效率如何呢？（举例）名称灰尘粒径捕集率HEP灰尘又是如何产生的呢？25357825空气中漏入原料中带入设备运转产生生产过程产生人员因素造成——摘自GB50073-2001《洁净厂房设计规范》灰尘又是如何产生的呢？25357825空气中漏入原料中带入设除了灰尘还要防止什么呢？酸、碱——SOX、NH3、HCl、HF等有机物——VOC→DBP等掺杂物——P、B等金属物——Al、Cu、W等除了灰尘还要防止什么呢？酸、碱——SOX、NH3、HCl、H这些化学物质有什么危害呢？结合不紧密金属物氧化膜老化有机物P、N翻转掺杂物保护层显影不良碱性物诱发硼污染（盐酸和PTFE反应生成硼）酸型物危害化学物质这些化学物质有什么危害呢？结合不紧密金属物氧化膜老化有机物P化学物质又是如何产生的呢？大气（农药）、生产中使用的化学品、HEPA、阻燃剂H3BO3、BF3、H3PO4、磷酸脂、有机磷掺杂性气体Dopants大气、生产中使用的化学品、可塑剂、硅烷、建材酞酸脂、硅氧烷、芳香族碳水化合物、脂肪族碳水化合物凝缩性有机物Condensables大气、生产中使用的化学品、作业人员NH3、NH4OH、TMAH、TMA、TEA、HMDS、CHA碱性物质Bases大气、生产中使用的化学品SOX、NOX、HCl、H3PO4、HF、HNO3、H2SO4酸性物质Acids主要来源化学物质分类化学物质又是如何产生的呢？H3BO3、BF3、H3PO40102030405060708090100050100150200效率％Gigasorb碱Gigasorb酸测试条件:湿度：50%温度:20～23°C风量：2600m3/h吸附物g化学物质去除的效率如何呢？活性炭化学过滤器010203040506070809010005010015活性炭是如何吸附化学物质的呢？活性炭的小孔组织有非常大量的内表面，约1000M2/g吸附发生在活性炭的内表面被吸附的化学分子通过扩散进入活性炭庞大的小孔组织，抵达微孔。碰撞发生在微孔表面。活性炭通过它的弱吸引力有效地抓住化学分子——物理吸附活性炭表面和分子间的相互作用是较弱的，不可能留住较轻的不稳定化学分子使用精制活性炭（酸、碱、有机）来对应不同的化学气体分子——化学吸附微孔微孔微孔气流活性炭是如何吸附化学物质的呢？活性炭的小孔组织有非常大量的内化学过滤器和FFU的HEPA/ULPA的安装关系风向酸化学过滤器(C)碱化学过滤器(A)有机化学过滤器(L)FFU用ULPA过滤器化学过滤器和FFU的HEPA/ULPA的安装关系风向酸化学过有了HEPA、ULPA，还要进行新风的空气净化（湿度控制）后过滤器除5μm以上颗粒（效率82％以上）预热盘管冬季空气预热初效过滤器除5μm以上颗粒（效率75％以上）中效过滤器除1μm以上颗粒（效率90％以上）化学过滤器除H2S、SOX、NOX、除HCl、NH3除Cl2、O3、HEPA过滤器除0.1μm以上颗粒（效率99.999％以上）再热盘管加热空气调整温、湿度温度：21.5±0.5℃湿度：40±15％水喷淋段除氨除悬浮物加湿空气新风冷却盘管冷却空气除湿至露点温度温度：10℃湿度：100％变频风机排气风量补充泄漏风量补充金属网防鸟防虫防漂浮物空气温度：-5~40℃湿度：0~100％SO2：10～120mg/M3

NO2：10～150mg/M3可吸入颗粒：

10～200mg/M3大气含尘计数浓度：1.3×108个/M3

温度：21.5±0.5℃湿度：40±15％洁净度：约Class1等湿升温（冬季工况）等焓加湿冷却除湿等湿升温等焓加湿（夏季工况）冷却除湿等湿升温有了HEPA、ULPA，还要进行新风的空气净化（湿度控制）后一、原理

当一股干净气流从送风口送入室内时，迅速向四周扩散、混合。同时把差不多同样数量的气流从回风口排走，这股干净气流稀释着室内污染的空气，把原来含尘浓度很高的室内空气冲淡了，一直达到平衡。所以气流扩散的越快，越均匀，那么稀释的效果当然越好。特点：从来流到出流之间气流的流通断面是变化的。流态实质：非均匀流（急变流）非单向流（乱流）洁净室洁净室的空调系统及其气流组织形式一、原理非单向流（乱流）洁净室洁净室的空调系统及其气流组织形二、气流组织高效过滤器顶送（有扩散板和无扩散板）；流线型散流器顶送；局部孔板送风；侧送。非单向流（乱流）洁净室二、气流组织非单向流（乱流）洁净室利用风管上送侧排为非单向流洁净室易控制大范围的空气流动利用风管上送侧排直接利用空调箱侧送侧回不能形成同一方向气流，是乱流适合洁净度要求不高的洁净室利用风管和地板上送下回为混合流洁净室适合有较高洁净度和较大热负荷要求的洁净室但必须确保架空地板高度Cleanroom洁净室直接利用空调箱侧送侧回利用风管和地板上送下回Cleanroo三、效果

根据非单向流洁净室的工作原理，它可以达到的洁净度一般为1000~10000（6-7）级，如果设计合理，部分情况下可达100（5）级。室内换气次数越大，一般来说，所得洁净度也越高。100000级洁净室，换气次数小于20次/小时10000级洁净室，换气次数20-60次/小时1000级洁净室，换气次数60-150次/小时非单向流（乱流）洁净室三、效果非单向流（乱流）洁净室一、基本原理

在单向流洁净室内，干净气流不是一股或几股，而是充满全室断面，所以这种洁净室不是靠掺混作用，而是靠推出作用将室内脏空气沿整个断面排至室外，从而达到净化室内空气的目的。二、特点（1）全室断面上的流速比较均匀。（2）至少在工作区内流线平行。流线平行指时均流线彼此平行。（3）至少在工作区内没有涡流。单向流（层流）洁净室洁净室的空调系统及其气流组织形式一、基本原理单向流（层流）洁净室洁净室的空调系统及其气流组织单向流（层流）洁净室三、单向流洁净室的分类1、垂直单向流洁净室（1）顶棚满布高效过滤器送风，全地板格栅回风典型的垂直单向流洁净室优点：可获得均匀向下的单向气流，因而自净能力强，能够达到最高的洁净度级别。缺点：顶棚结构较复杂，造价和维护费用高，高效过滤器堵漏较困难。单向流（层流）洁净室三、单向流洁净室的分类利用FFU和地板上送下回易形成垂直单向流适合有较高洁净度要求的洁净室但必须确保架空地板高度利用FFU和地板上送下回气流组织：（1）顶棚满布高效过滤器送风，全地板格栅回风（2）侧布高效过滤器顶棚阻尼层送风，全地板格栅回风（3）顶棚和侧面双布高效过滤器送风，全地板格栅回风（4）全顶棚送风，两侧下回风单向流（层流）洁净室气流组织：单向流（层流）洁净室2、水平单向流洁净室单向流（层流）洁净室（1）送风墙满布高效过滤器水平送风，全墙面回风（2）“隧道”式单向流送风2、水平单向流洁净室单向流（层流）洁净室（1）送风墙满布高混合流洁净室混合流洁净室《洁净厂房设计规范》规定：1-4级应垂直单向流5级应垂直单向流或水平单向流6-9级宜非单向流《洁净厂房设计规范》规定：洁净室的构造是怎样的？低中高设备费用循环风量较少运行成本最低对生产设备的发热、排热进行分别处理，可以降低运行成本生产设备的发热即为空调的热负荷，运行成本最高运行成本20－50次/h通道内200－400次/h，下降风速0.25-0.45m/s；其它区域100－200次/h400－500次/h、下降风速0.45m/s换气次数10,000～100,000级室内洁净度不高易受作业人员的活动而导致洁净度下降1～10,000级洁净通道内为高洁净度区域可以减少作业人员对洁净度的影响1～1000级室内全部为高洁净度区域易受作业人员的活动而导致洁净度下降洁净度洁净室气流方式流程图乱流方式部分层流方式全面垂直层流方式比较项目洁净室的构造是怎样的？低中高设备费用循环风量较少对生产设备的气流流型洁净级别（级）送风量（m/s）（次/h）耗冷指标（W/m2）投资指标（元/m2）耗电指标（W/m2）单向流垂直10100>0.25m/s1300-150010000-130001.25-1.35水平100>0.3m/s800-10005000-60000.9-1.0非单向流100050-60次/h600-7002800-30000.25-0.331000025-30次/h500-6002000-22000.22-0.2610000015-20次/h350-4001400-16000.13-0.16洁净室的造价与运行费用不同级别洁净室厂房的送风量、冷量、投资、耗电指标（仅供参考）气流流型洁净级别送风量耗冷指标投资指标耗电指标（W/m2）单洁净室的温度是如何控制的？CoolingUnit干冷盘管干冷盘管温差小，温度分布均匀，控制精度高主要用于小范围作业室的温度控制AirHandlingUnit空调机自带循环风机，可处理风量较大主要用于较大范围用力室的温度控制洁净室的温度是如何控制的？CoolingUnit干冷盘管洁净室的热负荷从哪里来？59%8%29%4%生产设备动力设备其它——照明、人体、建筑物大气热负荷名称1建筑物热负荷来自建筑物外墙、屋顶等2人体热负荷来自人体的发热3照明热负荷来自荧光灯的辐射热4生产设备热负荷加热器、马达、泵等5动力设备热负荷空调机、FFU来源No.洁净室的热负荷从哪里来？59%8%29%4%生产设备动力设备洁净室为什么还要控制压差？洁净室的压差就是使洁净室与周围的空间必须维持一定的静压差，洁净度不同的洁净室之间，或洁净室与一般房间之间保持适当的压差值，其目的是为了保证在洁净度等级低的区域其洁净度遭受破坏时，洁净度等级高的区域可以免受邻室的污染。知道了吗——洁净室内为什么要随手关门？不同洁净等级的洁净室之间应维持不小于5Pa的压差，级别高的区域为正压；洁净区与非洁净区之间也应维持不小于5Pa的压差；洁净区与室外也应维持不小于10Pa的压差。洁净室为什么还要控制压差？洁净室的压差就是使洁净室与周围的空自动洗手装置Airshower风淋室Cleanbench洁净工作台Cleanbooth层流罩Passbox传递窗洁净室配套设施——净化设施自动洗手装置Airshower风淋室Cleanbench洁洁净室配套设施——高灵敏度烟感探测器洁净室配套设施——高灵敏度烟感探测器第4节生物洁净室技术一般生物洁净室隔离式生物洁净室（生物安全实验室）第4节生物洁净室技术一般生物洁净室生物洁净室生物洁净室定义生物洁净室主要控制悬浮粒子生物微粒的污染。其内部材料要能经受各种灭菌剂侵蚀，房间一般保持正压，实际上是结构和材料允许作灭菌处理的工业洁净室。过滤除菌消毒除菌紫外线消毒除菌生物洁净室生物洁净室定义过滤除菌生物洁净室设计生物洁净室设计的特点过滤器的选择生物洁净室可采用亚高效过滤器或过滤效率较低的高效过滤器作为末端过滤器。防止交叉污染的措施（1）工艺布局合理，按照GMP设计建筑（2）净化空调系统设计合理生物洁净室设计生物洁净室设计的特点生物洁净室设计（3）净化空调系统设计合理①不同的污染气流不要合到一起，除非各种污染气流经过滤处理并符合要求后。②对于产生剧毒性、强致敏性、高生物活性或粉尘性微粒的洁净室，应单独设净化空调系统。③若回风经过滤或吸附等处理后，仍不能避免交叉污染则不要回风。④严格控制房间正负压，防止相邻房间气流出现反灌现象，这一点在生物洁净室的设计及使用过程中应特别重视。生物洁净室设计（3）净化空调系统设计合理生物洁净室设计（4）值班系统设计目前许多生物洁净厂房的工作班次为单班制，下班后，为防止室外污染物渗入洁净室，或室内危险气体逸至其他房间或室外，应设值班运行系统，维持房间正负压。在潮湿环境，值班时需供冷水去除空气水分，防止室内表面长霉；在寒冷地区，值班时需供热水，防止室内储水容器或管路冻结。生物洁净室设计（4）值班系统设计生物安全实验室确保操作生物危险因子的工作人员不受实验对象的伤害；确保周围环境不受其污染；确保实验因子保持原有本性所采取综合措施的实验室。三项技术措施样品隔离技术（机械、气幕），防止传染因子进入环境接触人体定向流技术（三级负压系统），防止传染因子扩散消毒灭菌技术（物理、化学），灭活传染因子生物安全实验室确保操作生物危险因子的工作人员不受实验对象的伤生物安全实验室一级屏障（primarybarrier）是操作者和被操作对象之间的隔离，也称一级隔离如生物安全柜分3级-I、II、III级个体防护装备口罩、面具、眼镜，防护衣、帽、裤、鞋、靴、袜、手套、正压服等生物安全实验室一级屏障（primarybarrier）是操

一级屏障