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半導體潔凈車間溫濕度控制方案【詳解 上篇】
2022-07-16 09:00
隨著半導體生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展， 更精密、集成度更高是行業(yè)發(fā)展的趨勢。目前，制造工藝已經(jīng)進入亞納米時代，對生產(chǎn)設備的精度要求越來越嚴格，因此，除了設備本身的工藝水平需要達到生產(chǎn)要求以外，其所處的生產(chǎn)環(huán)境——潔凈室的各項指標也必須被嚴格地控制，包括：潔凈度、溫濕度、照度、氣流方向、振動靜電、磁場以及有害氣體等。其中的溫濕度控制是重點，其控制的效果直接影響著生產(chǎn)的優(yōu)良率。
目前半導體潔凈室對溫濕度的控制范圍通常為： 溫度22±2℃，濕度45±5%RH。本文通過對現(xiàn)有潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)的研究，引入模糊控制，以提高溫濕度控制的實際效果。
1、溫濕度處理過程
對空氣單純地加熱或制冷(未達到飽和狀態(tài))過程，是含濕量保持不變的過程，即絕對濕度保持不變的過程。濕空氣經(jīng)過盤管加熱，溫度升高而相對濕度下降；相反,對冷卻過程，溫度下降而相對濕度相應升高，因此我們可以得出，溫度和相對濕度是兩個不同方向的控制量，要使溫濕度同時向相同的趨勢變化， 則單純靠加熱/冷卻過程是不能實現(xiàn)的。冷卻去濕過程是濕空氣經(jīng)冷卻達到飽和后繼續(xù)制冷的過程,濕空氣經(jīng)過冷卻盤管結(jié)露析出水滴從而降低了絕對濕度,起到去濕的作用。因而我們可以將空氣處理過程分為加熱、加濕、降溫及降溫去濕等四個過程。圖1 中,橫坐標為含濕量，即每千克空氣所含有的水蒸量；縱坐標為攝氏溫度。根據(jù)目標狀態(tài)，絕對濕度線和目標溫度線可以劃分為四個控制區(qū): Zone 1，Zone 2，Zone 3，Zone 4。
為了達到目標溫濕度控制點，其對應的溫濕度控制分區(qū)處理過程為：在Zone 1 的范圍內(nèi)，先降溫去濕，再加熱。在Zone 2 的范圍內(nèi)，先降溫，再加濕。在Zone 3 的范圍內(nèi)，先加熱，再加濕。在Zone4 的范圍內(nèi)，先降溫去濕，再加熱。
定義：D—控制對象含濕量，T—控制對象溫度。
通常情況下， 對于設定值溫度22±2℃，濕度45±5%RH 而言，Zone1 和Zone3 的情況比較多，即需要先降溫去濕然后再加熱或者先加熱然后再加濕。
2、潔凈室溫濕度處理基本流程及常見問題
2.1 潔凈室溫濕度處理基本流程
前攝像頭：5.0MP 后攝像頭：13.0MP AF半導體潔凈室廠房通常采用新風空調(diào)箱（Makeup Air Unit，MAU）+風機過濾單元（Fan Filter Unit，F(xiàn)FU）+干冷盤管（Dry Cooling Coil，DCC）的設計，即新風空調(diào)箱MAU 將具有一定潔凈等級和溫濕度的新風送到潔凈室的回風通道中，與循環(huán)回風進行混合后進入潔凈室吊頂上方，通過風機過濾單元FFU 后進入潔凈室生產(chǎn)區(qū)域，從而基本達到無塵室的溫濕度、潔凈度及正壓度的要求。由于整個潔凈室內(nèi)擺滿了各種生產(chǎn)機器，這些機器都保持持續(xù)的運轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量又將通過回風通道內(nèi)的干盤管DCC 進行冷卻而被帶走， 從而達到維持長時間穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境。
對于潔凈室的溫濕度控制，最主要的兩塊是新風空調(diào)箱和干盤管。新風空調(diào)箱除了要保證外界大氣經(jīng)過其中的初、中和高效過濾網(wǎng)，把空氣中的粉塵顆粒過濾掉外，還要根據(jù)潔凈室里面的溫濕度情況調(diào)整出風口的溫濕度，以保證送入的新風在規(guī)定的溫濕度范圍內(nèi)。而干盤管是根據(jù)潔凈室里面安裝的溫濕度傳感器測量的值來調(diào)整干盤管冷水閥的開度，進而調(diào)節(jié)回風和送風混合后的溫濕度，以保證滿足半導體工藝的溫濕度需求。
由于每種工藝制程設備的發(fā)熱量大不相同，導致潔凈室內(nèi)的機臺發(fā)熱量分布不均勻。例如爐管機臺的發(fā)熱量相較于其他設備大得多（基本在3－5倍之間），因此必須在潔凈室內(nèi)用干盤管DCC 帶走這些熱量。通常要求同一制程的氣流經(jīng)過同一組DCC，在建筑已經(jīng)確定的情況下，制程的分布要與回風道垂直。如果條件允許，最好是將不同制程的區(qū)域隔開，這樣既可避免金屬粒子污染，又能提高溫濕度控制的穩(wěn)定性。
通常情況下， 潔凈室的溫濕度控制在22±2℃，45±5%RH，MAU 的送風溫度基本控制在21℃-21.5℃，在與循環(huán)風混合后，F(xiàn)FU 出風口的溫度控制在22℃，這樣，經(jīng)過工作層面后溫度將會再上升，在機臺滿載的情況下上升溫度會基本穩(wěn)定。
2.2 溫濕度控制中的常見問題
在MAU 的溫濕度處理過程中，為了解決除濕問題，通常采用濕度優(yōu)先的方法，冷水閥主要用來除濕，同時也造成溫度的下降，然后通過熱水閥的再熱，使溫濕度均能達到所要求的值。這樣的做法雖然可以滿足設計要求，但在相當多的時候，冷熱水閥使能量相互抵消，造成了能源的浪費。另外，如果進入潔凈室的新風溫度過高，將導致整個潔凈室的熱負荷加大，DCC 開度增大以抵消新風帶來的熱負荷；如果進入潔凈室的新風的溫度過低，將使得在DCC 開度為零時都無法達到環(huán)境溫度的要求。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個半導體廠的能耗的30%－35%， 因此對空調(diào)設備進行優(yōu)化控制，選擇合理溫濕度設定值，對提高整個潔凈室溫濕度控制的穩(wěn)定性及節(jié)能具有重要的意義。
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