■中國航空精密機(jī)械研究所 （北京 100076） 榮烈潤

■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的加工精度，必須對它的支持環(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、振動環(huán)境以及聲、光、電場、電磁環(huán)境等。各種不同超精密加工方法，需要對不同的支持環(huán)境進(jìn)行不同程度的控制。對這些支持環(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，對要求加以控制的支柱環(huán)境方面也會越來越多，要求也會越來越高。

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?？諝鉂崈舳仁侵缚諝庵泻瑝m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)也會出現(xiàn)報(bào)警功能失靈的問題。再有，對操作者來說，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。由于人的活動產(chǎn)生的灰塵最大，因此，開發(fā)無人化生產(chǎn)方式，未來會有增加的趨勢。

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?？諝獾臐崈舳?。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?、濕度稍有變化均對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，對溫度也要進(jìn)行嚴(yán)格控制。表2給出了美國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)，再從地面或接近地面的墻壁將空氣吸出，用潔凈的空氣稀釋室內(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的垂直層流方式和使氣流水平流動的水平層流方式。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（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，而對潔凈度低的潔凈室的壓力則逐次降低。

4.振動環(huán)境

超精密加工對振動環(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)，如果有振動干擾，就會產(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）不但與振動干擾的振幅有關(guān)，而且與振動干擾的頻率有關(guān)。尤其是頻率<70 H z的振動干擾嚴(yán)重地影響加工表面質(zhì)量。所以較低頻率振動的振幅應(yīng)控制在0.125m以下，而較高頻率振動的振幅應(yīng)控制在0.25m以下。

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

這些微振動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，以消除振動干擾的影響，保證超精密加工對振動環(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干擾的影響，其主要途徑如下：

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

（2 ）外界振動干擾的消除——隔振。外界振動干擾常常是獨(dú)立存在而不可控制的，為交通運(yùn)輸產(chǎn)生的振動干擾，只能采取各種隔離振動干擾的措施，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)離振動源的辦法，使對振動敏感的設(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)到更好的隔離振動干擾的目的。

5.噪聲環(huán)境

對超精密加工來說，操作者長時(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。對來自測量機(jī)和加工機(jī)床以外的電磁波噪聲，抗干擾性能極弱，會造成誤動作及損壞。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，通常都會對幾種支持環(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，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)