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体流动、布朗扩散、重力、静电力、凝聚、蒸发等各种外界力共同作用。特别是粒径小于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 制造等半导体芯片制造业，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 产品良率提升具有非常重要的意义。

1 国内外技术发展现状

1.1 国内外研究现状

俄罗斯在2003年3月出版了第一部由A·E·费多托夫编著的有关洁净室技术专著。该书从洁净室技术和气溶胶污染控制的理论基础到实践经验作了全面的阐释。Young-Jae Won 教授在《电子厂房洁净室气流组织的理论及实验研究》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，污染物与洁净室及预测气流组织分析技术。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 国际标准

在洁净技术中，把小于10μm的粒子作为研究对象主要有粉尘、纤维、微生物等。空气的洁净度用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的。含尘浓度一般以单位体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，美国环境科学技术研究所（IES）制定了第一项洁净室标准——美国联邦标准209A以来, 洁净室相关标准及管理等方面在逐渐地向公制过渡，目前国际上广泛使用国际 ISO 14644-1 标准，美国于2011 年年末实施这个标准，俄罗斯于2000 年采用ISO 14644-1 为国家标准，中国在《洁净厂房设计规范》中明确规定采用 ISO 14644-1 标准（如表1所示），并于 2002 年1月1日起实施，并广泛使适用于集成电路、现代化仪表制造、精密机械、制药医疗、食品、科学实验活动等领域，尤其是新兴的TFT-LCD 制造领域。

1.3 洁净间气流形式

为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早期就已经开始，目前已经发展成熟。洁净室内粉尘的微小颗粒控制，尤其是可吸入颗粒物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效手段。洁净室内的气流按流动方式，可以分为层流和乱流。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，被称为层流，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。层流按照气体流动方向又可分为：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，国内外的洁净室主要以垂直层流为主(图1)，对洁净室内气流分布特性进行研究的方法主要有气流可视化，CFD 模拟，直接测量法等等，这些方法很实用且已得到广泛的应用。目前的绝大多数研究室利用这些方法进行试验测试和分析，但由于在实际生产运行过程中，会有污染物不断产生，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洁净间厂房是配有两面通风竖井的垂直层流型工业用洁净厂房，下部静压层设有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FFU送出洁净空气，洁净室和下部静压层之间铺设多孔回风地板（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：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，可使产品的良品率和可靠性确实达到新的水平。良好的气流，可以在较小的系统循环风量和系统能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

在中国，由于 TFT LCD 产业刚刚兴起，专门针对TFT LCD行业生产的较为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，排气率等因素不能很详细的确定，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开口的地板，减小了地板的开口率，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，引起异常气流的可能性越大。

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，下方是否有足够的排气装置等详细细节未能纳入气流设计的考虑内容，使得LCD 用生产洁净间千篇一律，没有差别与针对性，这样就使得部分设备仅仅依靠同其他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

切实有效的气流改善方法，依赖于异常气流分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多,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开口的地板，减小了开口率，设备的面积越大，开口率下降越多。相对于洁净度比较高的区域，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#），存在由洁净低的区域向洁净高的区域方向的异常气流，气速高达 0.40 m/s，对产品的良率提升带来隐患。更换该设备周围区域的盲板 36 块，其开口率为 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的开口率，以致改变了空态时原有的设计气流形态，在这样的条件下，区域性的更换开口率大的地板对气流改善非常有效果。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 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区域的气流是最重要的。对于设备为上方开口设备，投入口等待的区域气流也是同样非常重要的。

产品在生产过程停留时间最长的区域就是产品最容易受到粉尘污染的区域。在了解 TFT LCD 生产工艺后，可以找到TFT-LCD生产时产品滞留时间长短的规律，那么针对这些区域进行改善就会事半功倍，效果更佳。通常的情况下，Indexer是LOT停留等待时间较长，并且 Glass 单张进行时，停留时间最长的区域。

自动输运器区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，在可能的情况下，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不利的。为了保证洁净度，本方案将13块开口为18%的地板，更换为开口率为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 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。原来在竖风井侧有涡流的设备Indexer内部, 有害涡流消失，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，粉尘将有效的排除，最终可使 Yield 有效提升。

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 内部气流气速都有不同程度的提高，整体上看，产品良率都有相应的升高。例如2#设备，此设备生产的产品Array Yield 有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 500万元人民币左右。

5 结论

有效地改善 LCD 洁净室洁净气流，首先需要对洁净室的气流有所掌握，尤其是异常气流；其次需要对 TFT LCD 工艺有深度的了解，更重要的是需要长时间的测试以及实验，才能得到正确有效的改善方法。考虑到局部的气流改善对整体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，改善区域性的异常气流是非常有效的方法，尤其是小范围内区域性气流改善。

本文实验案例中，更换了栅格地板 36 块后，风向转为正常方向，风速由0.22 m/s变为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效方法。

通过在LCD制作过程中的关键为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 行业为了提升产品的良率，气流管理也有其自身的特点，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。同时，由于现场的复杂性，和实验的可操作性，CFD 等气流模拟方法只在必要时使用。为了得到质量更高更可靠的 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的设计考虑，需要现场的工作人员在现有的基础上不断的探索新的改善方案方法，总结出更多的具有实践意义的宝贵经验。