晶圓潔凈廠房凈化空調設計準則

名詞解釋：

1、晶圓

晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能的集成電路產品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達99.999999999%。

1、晶圓潔凈廠房

潔凈廠房也叫無塵車間、潔凈室(Clean Room），是指將一定空間范圍之內空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物排除，并將室內溫度、潔凈度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內，而所給予特別設計的房間。亦即是不論外在的空氣條件如何變化，其室內均能具有維持原先所設定要求的潔凈度、溫濕度及壓力等性能的特性。

3、潔凈空調系統

為了使潔凈室內保持所需要的溫度濕度、風速、壓力和潔凈度等參數，最常用的方法是向室內不斷送入一量經過處理的空氣，以消除潔凈室內外各種熱濕干擾及塵埃污染。為獲得送入潔凈室具有一定狀態的空氣，就需要一整套設備對空氣進行處理，并不斷送入室內，又不斷從室內排出一部分來，這一整套設備就構成了潔凈空調系統。

摘要結合實例, 介紹了晶圓潔凈車間的凈化空調系統設計原則 、氣流組織形式、空氣處理過程, 并討論了其空調系統的自控問題。

該工程位于遼寧沈陽出口加工區內, 是集科研開發 、生產制造為一體的專業 SOI 晶圓生產廠房。其工藝流程為:原材料 SOI 晶圓片經氧化、離子注入、鍵合、切割 、退火 、拋光等工序后成品出廠 。該項目主要生產廠房面積為 6 100 m 2 , 生產配套輔助建筑(含廢水處理站、特種氣體站 、柴油發電機房等)面積為 800 m 2 。其中潔凈室面積約為 1 600m2(一期), 2014 年 10 月試投產, 用于工業化生產10 .16 ～ 20 .32 cm(4 ～ 8 in)SO I 晶圓。廠房區劃圖見圖 1 。該潔凈室潔凈級別主要為 ISO 4 .5 級和 ISO 5 .5 級, 局部為 ISO 2 .5 級。室內主要設計參數見表 1 。

圖 1 廠房平面區劃示意

根據建設方的要求, 除了滿足生產廠房工藝的凈化空調參數要求以外, 設計時還必須考慮到工藝設備不是一次安裝就位, 而是陸續投入運行;且平時生產中, 排風設備根據需要運行, 房間內排風量是變化的 ;工藝設備的開啟與關閉會帶來房間內散熱量的變化。設計中應采取相應的控制措施確保各凈化空調參數滿足要求該工程除凈化空調系統外, 還涉及酸堿排風處理系統, 氫氣 、硅烷事故通風系統以及潔凈走廊排煙系統。在此僅介紹凈化空調的設計。
凈化空調系統設計
該工程凈化空調系統采用新風機組 +干表冷盤管+風機過濾單元(FF U)的組合形式。空調區域分為三部分, 即送風上夾層靜壓箱、生產區、回風下夾層。潔凈室內的氣流流型為垂直單向流, 空氣由吊頂上的風機過濾單元(FF U)中的高效過濾器過濾后送入生產區,再經地面帶孔板高架地板進入回風下 夾層, 通過兩側回風夾道, 經干表冷盤管冷卻后回至送風上夾層,與送入上夾層的新風混合后再送入生產區(見圖 2 , 因角度問題, 左側回風夾墻和干表冷器未出現在圖中)。新風機組的送風補充工藝排風(酸、堿排風等)及維持房間正壓所需風量, 同時滿足生產區內人員對新風量的要求。由于室內散濕量小, 熱濕比※+∞, 所以新風處理到室內空氣狀態點的機器露點, 主要承擔新風熱濕負荷和潔凈室內的全部濕負荷 ;干盤管主要承擔潔凈室內顯熱負荷。潔凈室內的潔凈度由風機過濾單元(FFU)保證。

圖2 潔凈室送風流程示意

3空調負荷計算

夏季空調冷負荷按照GB 50019 —2003 《采暖通風與空氣調節設計規范》要求, 根據工程的實際情況計算得到。該工程工藝潔凈房間(除外延區) 均位于建筑內區, 外區為動力站房與走廊, 所有外區冬季均設有散熱器供暖系統, 所以圍護結構負荷很小, 工藝設備及其他得熱負荷冬夏季變化不大, 因此潔凈室全年處于供冷工況。潔凈室內散濕量較少, 室內負荷以顯熱負荷(工藝設備負荷、照明負荷、人員負荷)為主。
該工程潔凈室潔凈級別高, 所需FFU 數量較多, 某些房間吊頂基本處于滿布狀態, 在計算房間顯熱負荷時要計入FFU 的風機溫升發熱量。
經計算, 一期工程夏季空調系統耗冷量為1 120 kW 。選用 2 臺 814 kW 螺桿式水冷冷水機組(含工藝設備用冷量), 空調冷水為一次泵系統。
4 凈化送風量及FFU 選型、布置根據GB 50073 —2001 《潔凈廠房設計規范》對潔凈室送風量的要求, 分別計算各房間FFU 的吊頂布置率。該工程室內吊頂高度為 3～ 4 m 。潔凈級別為 2 .5 , 4 .5 級的潔凈室送風斷面風速為0 .3 m/ s 。潔凈級別為 5 .5 級的潔凈室換氣次數為 80 h-1 , 潔凈級別為 6 級的潔凈室換氣次數為 60 h-1 。設計采用1 200 mm ×600 mm 的FFU , 單個FFU 的風量為900 m /h 。經計算, FFU 吊頂布置率見表 2 。

在FFU 選型時需注意機外余壓應能克服回風格柵 、回風夾墻和干表冷器的阻力 ;同時考慮噪聲疊加效應, 單臺FFU A 聲級噪聲不應大于 53 dB 。
5空氣處理

5.1M AU 新風處理系統

一期工程共配 2 臺新風機組, 單臺新風機組的風量為 25 000 m3 / h , 新風處理到房間空氣狀態點的機器露點后送至潔凈室吊頂上方的靜壓箱, 與潔凈室回風混合后再送入室內。新風機組的送風狀態點為圖 3 中 L 點(未考慮風機溫升)。新風機組組成段如圖 4 所示。
由于機組風量較大, 新風處理焓差很大, 因此將表冷段分為兩部分以提高效率, 兩段的制冷量相同。圖 3 中 A 點為一級表冷器后的溫控點。L 點為夏季二級表冷器處理后的溫控點。
沈陽地區4 , 10月份為不供暖月份, 此時期開發區不能提供加熱用熱水, 因此在機組中設立電預熱段及電加熱段。在計算電加熱量時以4 , 10 月份平均氣溫(10 ℃)為基準計算?？紤]到在嚴寒季節沈陽地區室外溫度最低可到 -22 ℃, 用熱水直接加熱室外新風時, 新風溫度過低會導致換熱不充分, 從而引起熱水盤管凍裂, 因此將電預熱段放置在熱水預熱段前, 新風經電預熱加熱至 5 ℃后再經熱水盤管加熱至所需溫度, 在計算電預熱段耗電量時考慮了以上兩種情況下的要求。
由于開發區無蒸汽源, 不能采用干蒸汽加濕的方式加濕空氣, 采用電加濕耗電量又很大, 因此冬季采用水噴淋加濕。水噴淋可以除掉空氣中的灰塵、SO 2 等有害物質, 對保證室內空氣潔凈度和空氣質量也有益處當房間內工藝設備不全部使用時, 可能會導致房間內發熱量不足, 所以在新風機組中設置了二次加熱段(冬季用熱水加熱, 夏季及過渡季用電加熱), 通過提高送風溫度來保證房間內的溫度滿足設計要求。

圖 3 新風處理焓濕圖

圖 4 新風處理機組示意

5.2冷熱源及參數
新風機組夏季冷源為 6 ℃/ 11 ℃冷水 , 由該建筑內制冷機房提供, 二次加熱采用電加熱。冬季熱源為開發區提供的 60 ℃/ 50 ℃熱水。當室外溫度低于 5 ℃時, 聯鎖開啟電預熱器以保證熱水預熱盤管前的空氣溫度高于 5 ℃。干表冷盤管供回水溫度為 12 ℃/17 ℃。夏季制冷機開啟時, 由 6 ℃/ 11 ℃冷水通過板式換熱器換熱得到, 冬季制冷機停止運行時, 由設在屋頂的冷卻塔作為冷源, 由冷卻水通過 板式換熱器換熱得到。
5.3空氣處理過程及 h-d 圖
新風處理焓濕圖如圖 3 所示。W 1 , W 2 分別為夏季、冬季室外空氣狀態點。O 點為潔凈室內空氣狀態點。S 為冬季水噴淋前的空氣 狀態點。L 為機器露點, 也是新風機組的送風狀態點(未考慮風機溫升)。夏季, 室外點 W 1 經過兩級表冷器處理到 L點。冬季室外溫 度較低, 通過電加熱與熱水加熱至S 點, 再進入水噴淋段等焓加濕至 L 點。

6自動控制
6.1 溫度控制
潔凈室內的溫度是由干表冷盤管調節控制的, 比較實測室內溫度與設定值, 通過 DDC 控制設在干表冷盤管回水管上的電動兩通閥的開度, 改變水流量, 使潔凈室的溫度保持在控制范圍內。新風溫度處理到潔凈室內空氣狀態點的機器露點溫度后送入送風上夾層中, 可以負擔部分房間冷負荷, 若房間內工藝設備開啟數量較少, 在其發熱量減小到即使完全關閉干表冷盤管依 然使室內溫度低于設定溫度的情況下, 可開啟新風機組再熱盤管(或電加熱器), 提高送風溫度來達到房間內的溫度要求。
6.2濕度控制
該工程潔凈室內散濕量很小, 濕負荷基本可以忽略不計。通過控制新風的送風狀態點來調節房間內相對濕度以達到設定要求, 新風的控制送風點為房間的機器露點。夏季, 露點傳感器測得新風狀態參數, 并與設定值比較, 通過自控程序調節二級表冷器回水管上的電動兩通閥的開 度以調整新風送風參數, 使房間內濕度滿足要求。冬季, 根據濕度傳感器反饋的信號, DDC 控制一次加熱器回水管上電動兩通閥的開度, 改變水流量, 調整新風送風參數。過渡季節通過控制一級表冷器回水管上的電動兩通閥或電預熱器, 滿足房間的濕度要求。
6.3 壓差控制

GB 50073 —2001 《潔凈廠房設計規范》中要求潔凈室與周圍的空間必須維持一定的靜壓差, 目的是為了防止低潔凈級別潔凈室內的空氣進 入高潔凈級別潔凈室內, 避免對高級別潔凈室的潔凈度產生影響。維持壓差風量的確定一般采用換氣次數估算, 該工程潔凈房間全部為無外窗房間, 氣密性較好, 各房間維持壓差所需的換氣次數如表 3 所示。

為保證各潔凈房間的壓差, 在每個房間內均安裝壓差傳感器。需排風的工藝設備的投入運 行狀態不同時, 也就是排風機所負擔排風量發生變化時, 會直接影響其他需排風設備的排風量, 造成房間正壓值變化。為適應這種變化, 在排風支管上設定風量閥和變頻排風機,同時在每個房間的新風管路上安裝變風量控制器(V AV Bo x)。將壓差傳感器測量值與設定值的偏差值作為輸入信號傳至自控程序, 自控程序再輸出信號調整VAV Box 的開度。這樣, 在關閉或打開排風設備導致排風量發生變化時, VAV Box 可自動改變送風量維持房間內所需正壓(V AV Box 的最小開度新風量遠遠大于房間內人員對新風量的要求)。同時, 在新風總管上設置靜壓傳感器, 在新風機組風機上配變頻器, 當 VAV Box 改變房間送風量時, 新風總管上靜壓發生改變, 靜壓傳感器反饋信號至變頻器使風機轉速改變, 從而改變新風機組的送風量。

7 結語
經過一年的建設, 該工程竣工。雖然其規模較小, 卻代表著現今半導體工業潔凈室設計的主流思想。溫度 、濕度 、壓差均可以通過自控裝置自動調節, 降低了因為工藝條件改變破壞潔凈室環境的概率。但大量的 FFU 集中布置在吊頂上, 其噪聲控制等問題需要繼續探討。