通过 LCD 洁净间气流改善提升良品率

空气中的浮游粒子运动受气體(tǐ)流动、布朗扩散、重力、静電(diàn)力、凝聚、蒸发等各种外界力共同作用(yòng)。特别是粒径小(xiǎo)于1μm的微粒子移动主要受气流的影响，并随着气流的方向移动。因此，准确掌握气流的流动特性，并进行良好的气流控制是保证洁净室洁净度的关键。所以对于洁净度要求高的TFT LCD 制造等半导體(tǐ)芯片制造业，提升产品良率，降低成本，最重要的是洁净室内部气流控制和改善。总之，洁净室内气流的控制和改善，对于TFTLCD 产品良率提升具有(yǒu)非常重要的意义。

1 國(guó)内外技术发展现状

1.1 國(guó)内外研究现状

俄罗斯在2003年3月出版了第一部由A·E·费多(duō)托夫编著的有(yǒu)关洁净室技术专著。该书从洁净室技术和气溶胶污染控制的理(lǐ)论基础到实践经验作了全面的阐释。Young-Jae Won 教授在《電(diàn)子厂房洁净室气流组织的理(lǐ)论及实验研究》中阐述了影响气流的主要因素，气流实测与模拟实验分(fēn)析及变动预测。王海桥等人在其编著的《空气洁净技术》中提到空气洁净的原理(lǐ)，污染物(wù)与洁净室及预测气流组织分(fēn)析技术。2009 年初，宋功业等人针对洁净室的洁净要求对洁净间的建筑方面做了比较深刻的研究。

1.2 國(guó)际标准

在洁净技术中，把小(xiǎo)于10μm的粒子作為(wèi)研究对象主要有(yǒu)粉尘、纤维、微生物(wù)等。空气的洁净度用(yòng)来衡量空气环境中的含尘量，含尘量高的洁净度低，含尘量低的洁净度高，空气洁净度级别就是以含尘浓度来划分(fēn)的。含尘浓度一般以单位體(tǐ)积空气大于和等于某一粒径的粒子数来表示。空气洁净度级别是评价空气洁净环境的核心指标。自1963年，美國(guó)环境科(kē)學(xué)技术研究所（IES）制定了第一项洁净室标准——美國(guó)联邦标准209A以来, 洁净室相关标准及管理(lǐ)等方面在逐渐地向公制过渡，目前國(guó)际上广泛使用(yòng)國(guó)际 ISO 14644-1 标准，美國(guó)于2011 年年末实施这个标准，俄罗斯于2000 年采用(yòng)ISO 14644-1 為(wèi)國(guó)家标准，中國(guó)在《洁净厂房设计规范》中明确规定采用(yòng) ISO 14644-1 标准（如表1所示），并于 2002 年1月1日起实施，并广泛使适用(yòng)于集成電(diàn)路、现代化仪表制造、精密机械、制药医疗、食品、科(kē)學(xué)实验活动等领域，尤其是新(xīn)兴的TFT-LCD 制造领域。

1.3 洁净间气流形式

為(wèi)了达到不同净化级别所对应的颗粒浓度值，必须对各种颗粒浓度进行控制。洁净室内的温度、湿度以及压差的控制技术的研究与应用(yòng)早期就已经开始，目前已经发展成熟。洁净室内粉尘的微小(xiǎo)颗粒控制，尤其是可(kě)吸入颗粒物(wù)的控制目前还处在发展阶段，其控制的基本思路是：（1）防止室外粉尘进入室内，（2）控制室内粉尘的产生，（3）粉尘产生的直接防止和粉尘的迅速排除。其中，洁净间气流的控制与改善是粉尘的迅速排除的有(yǒu)效手段。洁净室内的气流按流动方式，可(kě)以分(fēn)為(wèi)层流和乱流。在流动的过程当中，以一定流速、单一通路、单一方向流动的气流，被称為(wèi)层流，也叫单向流；气流无固定的方向流动叫乱流，也叫紊流或非单向流。层流按照气體(tǐ)流动方向又(yòu)可(kě)分(fēn)為(wèi)：从天井到地面方向的流动的垂直层流（Vertical LaminarFlow Type）和气流从室内的一侧流到另一侧的水平层流（Horizontal Laminar Flow Type）。目前，國(guó)内外的洁净室主要以垂直层流為(wèi)主(图1)，对洁净室内气流分(fēn)布特性进行研究的方法主要有(yǒu)气流可(kě)视化，CFD 模拟，直接测量法等等，这些方法很(hěn)实用(yòng)且已得到广泛的应用(yòng)。目前的绝大多(duō)数研究室利用(yòng)这些方法进行试验测试和分(fēn)析，但由于在实际生产运行过程中，会有(yǒu)污染物(wù)不断产生，且存在产生原因、产生时机不确定以及安全性等技术性难题和经济性问题，所以改善洁净室各种各样的异常气流问题就显得至关重要。

2 TFT LCD 制造业用(yòng)洁净室气流系统的特性随着 TFT-LCD 产业的快速发展，对制造加工厂房的洁净度与细菌的限制度越来越高。其生产制造工艺和产品均得益于空气中悬浮污染物(wù)的控制。洁净室及相关受控环境保证空气中悬浮粒子被控制在合适的级别，以确保完成对污染敏感的工艺制程。本研究中的LCD洁净间厂房是配有(yǒu)两面通风竖井的垂直层流型工业用(yòng)洁净厂房，下部静压层设有(yǒu)FCU 装置。下部静压层再把洁净空气通过送风通道送到上部静压层，上部静压层利用(yòng)FFU送出洁净空气，洁净室和下部静压层之间铺设多(duō)孔回风地板（Punching Plate），形成再循环系统，见图2。

在 TFT LCD 生产过程当中，影响气流的主要因素有(yǒu)：洁净间层高、气流组织模式、FFU的布局、FFU 出口风速、地板的开口率、设备的排气、设备布局、形状等。掌握气流洁净技术的各项原则，可(kě)使产品的良品率和可(kě)靠性确实达到新(xīn)的水平。良好的气流，可(kě)以在较小(xiǎo)的系统循环风量和系统能(néng)耗下达到较高的空气洁净度。

3 LCD 洁净间主要的气流问题

3.1 LCD 洁净间设备的搬入对空态原始设计的影响

在中國(guó)，由于 TFT LCD 产业刚刚兴起，专门针对TFT LCD行业生产的较為(wèi)成熟的洁净间气流的设计正处于迅速发展中，在洁净间设计初期，设备的布置率，设备的开口率，排气率等因素不能(néng)很(hěn)详细的确定，并且在设备形态各异的情况下针对性的设计也是很(hěn)难达到的。一般情况下，在空态时，洁净间的气流是正常的，基本上是完全的垂直层流模式，但是由于设备的搬入，挡住了洁净间内带有(yǒu)开口的地板，减小(xiǎo)了地板的开口率，容易引起由此产生的在不同洁净度之间的异常气流。设备的面积越大，引起异常气流的可(kě)能(néng)性越大。

3.2 LCD 关键制程设备内部的气流问题

在一般情况下，由于种种原因，LCD 洁净间的建设设计时，各种生产设备上方是否开口，下方是否有(yǒu)足够的排气装置等详细细节未能(néng)纳入气流设计的考虑内容，使得LCD 用(yòng)生产洁净间千篇一律，没有(yǒu)差别与针对性，这样就使得部分(fēn)设备仅仅依靠同其他(tā)设备一样的洁净空间条件下，容易造成设备排气相对不足。

4 气流改善方法及案例

切实有(yǒu)效的气流改善方法，依赖于异常气流分(fēn)析中得到的正确异常原因。在实际的 TFT-LCD生产过程当中，通过改善气流改善生产环境的洁净度，提高产品良率的案例很(hěn)多(duō),这里针对以上常见的问题列举了两个最重要的改善案例。

4.1 根据设备原因改善气流

在空态的状态下，洁净间的气流是正常的，基本上是完全的垂直层流模式，但是由于设备的搬入，挡住了洁净间内带有(yǒu)开口的地板，减小(xiǎo)了开口率，设备的面积越大，开口率下降越多(duō)。相对于洁净度比较高的區(qū)域，所以静态时气流就已经发生了改变。在设备不同布置率之间，容易引起由此产生的在不同洁净度之间的异常气流，如果在洁净间建设设计施工的时候，没有(yǒu)考虑到这个问题，那么在实际生产过程中，改善由此造成异常情况，考虑设备的周围适当的增加地板的开口率是经济有(yǒu)效方案。如表2所示，在改善之前，洁净等级10级与100 级之间（Equipment 2# 与 3#），存在由洁净低的區(qū)域向洁净高的區(qū)域方向的异常气流，气速高达 0.40 m/s，对产品的良率提升带来隐患。更换该设备周围區(qū)域的盲板 36 块，其开口率為(wèi) 46%。效果如图3 所示。目前气流方向改变并且达到了0.22 m/s 的正常气流气速的标准。说明设备的放置影响了地板的原有(yǒu)的开口率，以致改变了空态时原有(yǒu)的设计气流形态，在这样的条件下，區(qū)域性的更换开口率大的地板对气流改善非常有(yǒu)效果。在改善进行时刻前后15天的时间里，此设备制作的LOTyield 提升了0.08%，按2010年年底的市场情况，收益在60万元人民(mín)币左右。

4.2 根据不同工艺产品滞留时间改善气流

TFT LCD 生产制造中，不同的生产工艺的设备是不同的。有(yǒu)的设备是完全封闭的，产品基板整个过程都在密闭或设备自身带有(yǒu) EFU（EquipmentFan Unit）的密闭设备里，那么对于这台设备，除了设备内部需要保证排气顺畅外，产品基板在设备投入入口等待區(qū)域的气流是最重要的。对于设备為(wèi)上方开口设备，投入口等待的區(qū)域气流也是同样非常重要的。

产品在生产过程停留时间最長(cháng)的區(qū)域就是产品最容易受到粉尘污染的區(qū)域。在了解 TFT LCD 生产工艺后，可(kě)以找到TFT-LCD生产时产品滞留时间長(cháng)短的规律，那么针对这些區(qū)域进行改善就会事半功倍，效果更佳。通常的情况下，Indexer是LOT停留等待时间较長(cháng)，并且 Glass 单张进行时，停留时间最長(cháng)的區(qū)域。

自动输运器區(qū)域由于机械手臂的安装，必然影响了原始设计的地板开口率，因此，在可(kě)能(néng)的情况下，适当更换开口率更大的地板是比较合适的。

例如，在 2# 设备的 Indexer 内部，在竖风井侧方向有(yǒu)向上的涡流情况，如图4所示。这个位置，正是玻璃板进入设备前集中等待的高度，这对在此高度的玻璃板的洁净度是很(hěn)不利的。為(wèi)了保证洁净度，本方案将13块开口為(wèi)18%的地板，更换為(wèi)开口率為(wèi)46%的地板，在更换地板后，地板的开口率升高，如图5所示。利用(yòng) FOGGER 气流模拟设备（MSP-2010），对Indexer内部气流进行模拟测试，效果如图6所示。原来在竖风井侧有(yǒu)涡流的设备Indexer内部, 有(yǒu)害涡流消失，气流气速变大，更换后竖直向下的垂直气流气速由0.82 m/s提升至 1.06 m/s。气流变得顺畅后，粉尘将有(yǒu)效的排除，最终可(kě)使 Yield 有(yǒu)效提升。

在改善后的一个月的时间里，通过对相关设备的合格率监控结果来看，合格率提升效果明显，如图7所示。在地板更换后的设备 Indexer 内部气流气速都有(yǒu)不同程度的提高，整體(tǐ)上看，产品良率都有(yǒu)相应的升高。例如2#设备，此设备生产的产品Array Yield 有(yǒu)0.6%的提升，按2010 年年底TFTLCD 普通型号产品的市场情况看，预计收益在 500万元人民(mín)币左右。

5 结论

有(yǒu)效地改善 LCD 洁净室洁净气流，首先需要对洁净室的气流有(yǒu)所掌握，尤其是异常气流；其次需要对 TFT LCD 工艺有(yǒu)深度的了解，更重要的是需要長(cháng)时间的测试以及实验，才能(néng)得到正确有(yǒu)效的改善方法。考虑到局部的气流改善对整體(tǐ)的气流平衡也会产生一定的影响，所以LCD洁净室气流改善一般适宜采用(yòng)循序渐进的方式进行。

5.1 对气流变化造成影响的主要因素

研究结果表明，在 TFT LCD 生产过程当中，地板的开口率，设备的尺寸布局，设备的形状和开口率，是影响气流变化的主要因素。此外，洁净间层高、气流组织模式、FFU的布局、FFU出口风速、设备的排气等等也都会对气流的变化产生影响。其中，通过研究设备布局对地板开口率的影响，改善區(qū)域性的异常气流是非常有(yǒu)效的方法，尤其是小(xiǎo)范围内區(qū)域性气流改善。

本文(wén)实验案例中，更换了栅格地板 36 块后，风向转為(wèi)正常方向，风速由0.22 m/s变為(wèi)0.40 m/s，相应地，产品良好率提升0.08%，改善效果非常显著。

5.2 根据工艺产品滞留时间改善气流

LCD 生产设备因工艺不同，设备的结构布局及环境不同，出尘位置也有(yǒu)所差异，因此设备对气流的要求是不一样的，根据设备对气流的要求和产品滞留时间改善气流，是使洁净间气流优化的有(yǒu)效方法。

通过在LCD制作过程中的关键為(wèi)46%开口率栅格地板，设备 Indexer 内气流气速升高 0.2 m/s 左右，产品良好率平均提高 0.17% 左右。

5.3 今后的气流改善的发展方向及前景

综上所述，TFT LCD 行业為(wèi)了提升产品的良率，气流管理(lǐ)也有(yǒu)其自身的特点，这是由TFT LCD的操作工艺决定的。通常不仅仅局限于维护洁净室洁净等级的管理(lǐ)。同时，由于现场的复杂性，和实验的可(kě)操作性，CFD 等气流模拟方法只在必要时使用(yòng)。為(wèi)了得到质量更高更可(kě)靠的 TFT LCD 产品，今后的气流改善需要持续的研究与开发，需要各方面的LCD洁净间设计人员给予更多(duō)的设计考虑，需要现场的工作人员在现有(yǒu)的基础上不断的探索新(xīn)的改善方案方法，总结出更多(duō)的具有(yǒu)实践意义的宝贵经验。