超精密加工的支持環(huán)境

■中國(guó)航空精密機(jī)械研究所 （北京 100076） 榮烈潤(rùn)

■哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司 （黑龍江 150056） 魏傳利

為了適應(yīng)超精密加工的需要，獲得微米甚至納米級(jí)的加工精度，必須對(duì)它的支持環(huán)境加以嚴(yán)格的控制。這里的支持環(huán)境是指各個(gè)外部環(huán)境（超精密加工工藝系統(tǒng)、工人的操作經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)水平除外）。它們主要包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境以及聲、光、電場(chǎng)、電磁環(huán)境等。各種不同超精密加工方法，需要對(duì)不同的支持環(huán)境進(jìn)行不同程度的控制。對(duì)這些支持環(huán)境方面需要控制的品質(zhì)要求大致如表1所列。

超精密加工所要求控制的支持環(huán)境都只是在某一范圍內(nèi)的局部環(huán)境，為室內(nèi)的環(huán)境或加工區(qū)附近的局部環(huán)境。隨著超精密加工所能達(dá)到的精度不斷的提高，對(duì)要求加以控制的支柱環(huán)境方面也會(huì)越來越多，要求也會(huì)越來越高。

表1 構(gòu)成支持環(huán)境的諸方面及控制要求

一、超精密加工環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施——潔凈室

據(jù)美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)，潔凈室的定義為：將室內(nèi)空氣中塵埃、微粒、壓力、溫度、氣流的分布和其形狀與速度等控制在一定范圍內(nèi)而采用積極措施的方向。塵埃為肉眼不能看到的微小的灰塵，一般以0.5μm為基準(zhǔn)。如用通用的空氣過濾設(shè)備是不能消除如此小的灰塵的。潔凈室要使用叫做HEPA（超高性能過濾器）進(jìn)行凈化，產(chǎn)生幾乎不含灰塵及微粒的潔凈空氣。

在大規(guī)模集成電路元件制造過程中，如果在硅片上混入了空氣中的塵埃雜質(zhì)，它就可能會(huì)在后續(xù)的工序中成為不可控制的擴(kuò)散源而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的合格率。

因此，為了保證超精密加工產(chǎn)品的質(zhì)量，必須凈化周圍的空氣環(huán)境，減少空氣中的塵埃含量，即控制空氣的潔凈度。空氣潔凈度是指空氣中含塵埃量多少的程度。含塵濃度越低則空氣潔凈度越高，規(guī)定以空氣潔凈度級(jí)別來區(qū)分之。

潔凈室的四原則為：

（1）不帶灰塵進(jìn)入潔凈室。①穿無塵工作服和經(jīng)“風(fēng)淋”后進(jìn)入潔凈室。②持物進(jìn)室前，物品須洗凈，并經(jīng)由傳送箱送入室內(nèi)。③防止不同壓差的污染空氣混入潔凈室。④修建密封性極好的房屋。

（2）不要產(chǎn)生微細(xì)灰塵。①縮短作業(yè)路線，不作無用的動(dòng)作。②室內(nèi)選用產(chǎn)生灰塵少的材料裝修。③限制易產(chǎn)生灰塵的物品及裝置進(jìn)入。

（3）不要使灰塵停留。①選用難以積存灰塵的材料進(jìn)行容易清掃的內(nèi)部裝修。②采用不易帶電的材料，防止浮游微粒的粘附。

（4）不使產(chǎn)生的微粒擴(kuò)散并進(jìn)行排氣。①在污染源附近進(jìn)行排氣。②供給過濾器的空氣盡量要凈化。③使室內(nèi)空氣層流化，不讓污染空氣擴(kuò)散并及時(shí)排除。

此外，從防火角度來看，煙的蔓延較快，在底層，即使天棚上裝有通用的煙霧報(bào)警器，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)報(bào)警功能失靈的問題。再有，對(duì)操作者來說，身穿宇宙服那樣的防塵服，在密封的房間內(nèi)工作，也很難說是舒適的環(huán)境。由于人的活動(dòng)產(chǎn)生的灰塵最大，因此，開發(fā)無人化生產(chǎn)方式，未來會(huì)有增加的趨勢(shì)。

在空氣環(huán)境中主要應(yīng)控制的品質(zhì)除了“潔凈度”之外，還有氣流速度、壓力及有害氣體等。

二、超精密加工的設(shè)施環(huán)境

超精密加工的環(huán)境因用途不同而有所不同，為此，需要建立符合各自要求的特定環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這種特殊性，需要將對(duì)應(yīng)各種環(huán)境條件的技術(shù)進(jìn)行綜合配套。超精密的潔凈環(huán)境不只是確保空氣的潔凈度。構(gòu)成超精密加工環(huán)境的條件如圖1所示。

在規(guī)劃建筑時(shí)，超精密潔凈環(huán)境不要單獨(dú)設(shè)置，而是采取空間序列化（見圖2）。通過多層次的保護(hù)層，創(chuàng)造出即使在環(huán)境遭到緊急破壞時(shí)，也可保護(hù)住超精密環(huán)境的系統(tǒng)，以構(gòu)成在整體設(shè)施中有部分精密環(huán)境，其中包含著超精密環(huán)境。

三、構(gòu)筑超精密加工環(huán)境的技術(shù)

超精密加工環(huán)境的主要部分有以下幾個(gè)方面：

1.空氣環(huán)境的凈化

潔凈室技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)是由于開發(fā)出能過濾亞微米細(xì)粒的超高性能的HEPA過濾器。它采用光散射法，具有過濾0.3μm微粒達(dá)99.97%以上的能力。在超級(jí)潔凈室的環(huán)境中，使用一種比上述過濾器更好的ULPA過濾器，它能過濾0.1μm微粒達(dá)99.999%以上。而現(xiàn)在正在開發(fā)的一種過濾器可對(duì)0.05 μm微粒過濾達(dá)99.999999%以上。

2.溫濕度的環(huán)境

在要求納米級(jí)加工程度的超精密環(huán)境中，溫濕度也是基本要求的環(huán)境因素。因?yàn)闇囟?、濕度稍有變化均?duì)加工精度有極大的影響，兩者有密切的關(guān)系。為了嚴(yán)格控制濕度，對(duì)溫度也要進(jìn)行嚴(yán)格控制。表2給出了美國(guó)209B標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度的控制建議。

一般性生產(chǎn)設(shè)施的溫度、濕度條件如表3所示。

表2 溫度和濕度的控制建議

圖1 構(gòu)成超精密加工環(huán)境的條件

表3 生產(chǎn)設(shè)施的溫濕度條件示例

通常，為了保持潔凈室的潔凈度，須加大空調(diào)機(jī)的供氣量，使室溫的變動(dòng)幅度縮小，但需要事先充分地掌握好機(jī)器的發(fā)熱量。

3.氣流和壓力的保持

為了持續(xù)地維持超精密加工的環(huán)境，控制氣流和保持壓力是重要的因素。

圖2 超精密加工的環(huán)境層次

（1）氣流的控制：根據(jù)潔凈的氣流流向可以把氣流分為如下方式。①非層流方式（常規(guī)的紊流方式）。將經(jīng)過超高性能過濾器（HEPA）凈化的空氣，用普通的空調(diào)方式，由天棚吹進(jìn)室內(nèi)，再?gòu)牡孛婊蚪咏孛娴膲Ρ趯⒖諝馕?，用潔凈的空氣稀釋室?nèi)灰塵的濃度，從而凈化空氣。由于空氣的流向不一樣，故叫做非層流方式（見圖3）。這種方式適用于潔凈度低（1000～100000）級(jí)的潔凈室，是建設(shè)費(fèi)及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)都很便宜的方式。②層流方式（單向氣流方式）。使室內(nèi)氣流以均勻的速度向一個(gè)方向流動(dòng)的方式，讓潔凈的空氣直接流過作業(yè)區(qū)域，用潔凈的空氣沖洗灰塵，可得到很高的凈化度。這種方式叫做層流方式（單向氣流方式）。它適用于潔凈度高（100級(jí)以上）的潔凈室，但其建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用都是很高的。這種方式又分為使氣流垂直流動(dòng)的垂直層流方式和使氣流水平流動(dòng)的水平層流方式。垂直層流方式：整個(gè)天棚裝設(shè)過濾器，整個(gè)地面作為吸氣口，使氣流由天棚流向地面，在潔凈室的上部空間如果不產(chǎn)生灰塵，則整個(gè)潔凈室就成為高度凈化的環(huán)境。采用這種方式時(shí)，作業(yè)區(qū)和機(jī)床的布置要認(rèn)真研究。另外，地板下應(yīng)留有空間，形成了高臺(tái)（見圖4）。水平層流方式：在一側(cè)整面墻上安裝HEPA過濾器并吹進(jìn)空氣，而將其相對(duì)面的墻壁作為排氣口，空氣以水平方式流過，室內(nèi)上部分可獲得高潔凈度的空間。但由于底層的空氣潔凈度低，所以加工作業(yè)時(shí)人與機(jī)器的布置必須進(jìn)行充分考慮（見圖5）。③風(fēng)洞式凈化方式。這是一種將一個(gè)單元或潔凈工作臺(tái)連接組合的方式，是與制造設(shè)備生產(chǎn)線組合而成風(fēng)洞式的潔凈室。它使用的風(fēng)量少，整個(gè)裝置比較小。其優(yōu)點(diǎn)是容易維修，建設(shè)費(fèi)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)及管理費(fèi)都比全面流層方式便宜，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備的尺寸和形狀受到限制，人和物的活動(dòng)路線也有限制（見圖6）。

（2）室內(nèi)壓力的保持：為保持超精密加工環(huán)境內(nèi)的潔凈度和溫濕度，需要使室內(nèi)的壓力比外部高，即所謂正壓，以防止外部環(huán)境的污染空氣和不同溫濕度的空氣侵入室內(nèi)。

圖3 非層流方式

圖4 垂直層流方式

圖5 水平層流方式

圖6 風(fēng)洞式凈化方式

為保持室內(nèi)壓力為正壓，空氣的輸入量必須比排出量大。為此，正確掌握從作業(yè)空間排出的氣量很重要。為保持室內(nèi)與室外的穩(wěn)定壓差，需要設(shè)置“平衡阻尼器”來調(diào)整壓力。這個(gè)壓差一般為1.25 mm水柱，但現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，采用表4所示的壓差值。

表4 必要的壓力差（單位：mm水柱）

通常，將潔凈度最高的室內(nèi)壓力保持在最高，而對(duì)潔凈度低的潔凈室的壓力則逐次降低。

4.振動(dòng)環(huán)境

超精密加工對(duì)振動(dòng)環(huán)境的要求越來越高，限制越來越嚴(yán)格。例如在精密磨時(shí)，如果有振動(dòng)干擾，就會(huì)產(chǎn)生多角形的輪廓形狀而影響加工精度，表面粗糙度也達(dá)不到鏡面要求。只有將磨削時(shí)的振控制在1～2m，才可能獲得Ra=0.01m以下的表面粗糙度值。

超精密加工的質(zhì)量（加工精度及表面粗糙度）不但與振動(dòng)干擾的振幅有關(guān)，而且與振動(dòng)干擾的頻率有關(guān)。尤其是頻率<70 H z的振動(dòng)干擾嚴(yán)重地影響加工表面質(zhì)量。所以較低頻率振動(dòng)的振幅應(yīng)控制在0.125m以下，而較高頻率振動(dòng)的振幅應(yīng)控制在0.25m以下。

超精密加工對(duì)微小的振動(dòng)干擾也極為敏感，對(duì)其構(gòu)成威脅的微振動(dòng)，其振動(dòng)加速度為2×10-2m/s2以下，振動(dòng)振幅為5m以下，頻率在0.5～70 H z之間的情況較多，這種微小振動(dòng)屬于所謂暗振動(dòng)，即“常時(shí)振動(dòng)”的范圍，主要來自于室內(nèi)振動(dòng)、室外振動(dòng)及自然界振動(dòng)。

這些微振動(dòng)源通過不同途徑傳播到超精密加工區(qū)域而產(chǎn)生影響。所以必須在搞清主要振源的基礎(chǔ)上，分析其可能的傳播途徑，采取積極的預(yù)防及隔離措施，以消除振動(dòng)干擾的影響，保證超精密加工對(duì)振動(dòng)環(huán)境的要求。

為保證超精密加工的正常進(jìn)行，必須采取有效措施消除振動(dòng)干擾的影響，其主要途徑如下：

（1 ）內(nèi)部振動(dòng)干擾的消除——防振。①提高設(shè)備回轉(zhuǎn)零件的動(dòng)平衡精度。②減少設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)干擾。③減少液壓系統(tǒng)的干擾。④提高加工設(shè)備的抗振性。

（2 ）外界振動(dòng)干擾的消除——隔振。外界振動(dòng)干擾常常是獨(dú)立存在而不可控制的，為交通運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)干擾，只能采取各種隔離振動(dòng)干擾的措施，阻止它們傳播到工藝系統(tǒng)中來。最基本的隔振措施是采取遠(yuǎn)離振動(dòng)源的辦法，使對(duì)振動(dòng)敏感的設(shè)備不受影響。超精密加工的隔振措施常常是多層次的。首先潔凈室外甚至整個(gè)車間都應(yīng)當(dāng)建筑在一個(gè)良好的隔振地基上，然后在這個(gè)隔振地基的基礎(chǔ)上再安放隔振的彈性材料或隔振元件，以達(dá)到更好的隔離振動(dòng)干擾的目的。

5.噪聲環(huán)境

對(duì)超精密加工來說，操作者長(zhǎng)時(shí)間在封閉的潔凈室中工作，人的情緒受噪聲的影響將更為嚴(yán)重，因此必須重視噪聲的影響。

潔凈室噪聲的判斷指標(biāo)：一般在動(dòng)態(tài)時(shí)不超過70 dB（A），最高不超過75 dB（A），空態(tài)時(shí)紊流潔凈室不超過60 dB（A），層流潔凈室不超過65 dB（A）。

對(duì)噪聲進(jìn)行控制，首先應(yīng)從噪聲源入手，盡量減少噪聲源或降低噪聲輻射；其次就是在噪聲傳播的過程中采取控制措施，它們包括隔聲、吸聲及消聲等方法。

6.其他環(huán)境

（1）電磁波環(huán)境。對(duì)來自測(cè)量機(jī)和加工機(jī)床以外的電磁波噪聲，抗干擾性能極弱，會(huì)造成誤動(dòng)作及損壞。為此，要求修建能屏蔽電磁波的工作室。

（2）靜電環(huán)境。由于靜電會(huì)造成半導(dǎo)體元件損壞，膠片感光、出現(xiàn)氣泡以及粘灰等造成生產(chǎn)故障，為此要采取措施，防止物體帶電。

（3）此外，還必須充分考慮到光、聲和放射線環(huán)境的影響。

為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)施環(huán)境必須要適應(yīng)制造工藝不斷變化的要求。

某種超精密加工作業(yè)或方法，通常都會(huì)對(duì)幾種支持環(huán)境提出要求，因此就出現(xiàn)了恒溫潔凈室、恒溫防振潔凈室及恒溫防振無響潔凈室等。隨著超精密加工的不斷發(fā)展，對(duì)潔凈室的性能及要求將越來越高、越來越多。

四、典型案例分析

圖7給出了一個(gè)考慮比較全面的層流式潔凈室的剖面設(shè)計(jì)情況。在本設(shè)計(jì)中，從建筑角度看，它的空間利用合理、布置緊湊，無論是空氣、水和工作氣體的送、回管路安裝及照明、電器的布線及維修都比較方便。從功能角度看，除了保證潔凈度、溫濕度外，還采用了措施使地面不傳播振動(dòng)，使室內(nèi)沒有噪聲，使照明不產(chǎn)生眩光，使人體避免靜電電擊等，創(chuàng)造了一個(gè)較為完全的超精密加工的支持環(huán)境。

圖7 層流潔凈室的剖面設(shè)計(jì)