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半导体洁净车间温湿度控制方案【详解 上篇】
2022-07-16 09:00
随着半导体生产工艺的不断发展， 更精密、集成度更高是行业发展的趋势。目前，制造工艺已经进入亚纳米时代，对生产设备的精度要求越来越严格，因此，除了设备本身的工艺水平需要达到生产要求以外，其所处的生产环境——洁净室的各项指标也必须被严格地控制，包括：洁净度、温湿度、照度、气流方向、振动静电、磁场以及有害气体等。其中的温湿度控制是重点，其控制的效果直接影响着生产的优良率。
目前半导体洁净室对温湿度的控制范围通常为： 温度22±2℃，湿度45±5%RH。本文通过对现有洁净室温湿度控制系统的研究，引入模糊控制，以提高温湿度控制的实际效果。
1、温湿度处理过程
对空气单纯地加热或制冷(未达到饱和状态)过程，是含湿量保持不变的过程，即绝对湿度保持不变的过程。湿空气经过盘管加热，温度升高而相对湿度下降；相反,对冷却过程，温度下降而相对湿度相应升高，因此我们可以得出，温度和相对湿度是两个不同方向的控制量，要使温湿度同时向相同的趋势变化， 则单纯靠加热/冷却过程是不能实现的。冷却去湿过程是湿空气经冷却达到饱和后继续制冷的过程,湿空气经过冷却盘管结露析出水滴从而降低了绝对湿度,起到去湿的作用。因而我们可以将空气处理过程分为加热、加湿、降温及降温去湿等四个过程。图1 中,横坐标为含湿量，即每千克空气所含有的水蒸量；纵坐标为摄氏温度。根据目标状态，绝对湿度线和目标温度线可以划分为四个控制区: Zone 1，Zone 2，Zone 3，Zone 4。
为了达到目标温湿度控制点，其对应的温湿度控制分区处理过程为：在Zone 1 的范围内，先降温去湿，再加热。在Zone 2 的范围内，先降温，再加湿。在Zone 3 的范围内，先加热，再加湿。在Zone4 的范围内，先降温去湿，再加热。
定义：D—控制对象含湿量，T—控制对象温度。
通常情况下， 对于设定值温度22±2℃，湿度45±5%RH 而言，Zone1 和Zone3 的情况比较多，即需要先降温去湿然后再加热或者先加热然后再加湿。
2、洁净室温湿度处理基本流程及常见问题
2.1 洁净室温湿度处理基本流程
前摄像头：5.0MP 后摄像头：13.0MP AF半导体洁净室厂房通常采用新风空调箱（Makeup Air Unit，MAU）+风机过滤单元（Fan Filter Unit，FFU）+干冷盘管（Dry Cooling Coil，DCC）的设计，即新风空调箱MAU 将具有一定洁净等级和温湿度的新风送到洁净室的回风通道中，与循环回风进行混合后进入洁净室吊顶上方，通过风机过滤单元FFU 后进入洁净室生产区域，从而基本达到无尘室的温湿度、洁净度及正压度的要求。由于整个洁净室内摆满了各种生产机器，这些机器都保持持续的运转，会产生大量的热量，这些热量又将通过回风通道内的干盘管DCC 进行冷却而被带走， 从而达到维持长时间稳定的温湿度环境。
对于洁净室的温湿度控制，最主要的两块是新风空调箱和干盘管。新风空调箱除了要保证外界大气经过其中的初、中和高效过滤网，把空气中的粉尘颗粒过滤掉外，还要根据洁净室里面的温湿度情况调整出风口的温湿度，以保证送入的新风在规定的温湿度范围内。而干盘管是根据洁净室里面安装的温湿度传感器测量的值来调整干盘管冷水阀的开度，进而调节回风和送风混合后的温湿度，以保证满足半导体工艺的温湿度需求。
由于每种工艺制程设备的发热量大不相同，导致洁净室内的机台发热量分布不均匀。例如炉管机台的发热量相较于其他设备大得多（基本在3－5倍之间），因此必须在洁净室内用干盘管DCC 带走这些热量。通常要求同一制程的气流经过同一组DCC，在建筑已经确定的情况下，制程的分布要与回风道垂直。如果条件允许，最好是将不同制程的区域隔开，这样既可避免金属粒子污染，又能提高温湿度控制的稳定性。
通常情况下， 洁净室的温湿度控制在22±2℃，45±5%RH，MAU 的送风温度基本控制在21℃-21.5℃，在与循环风混合后，FFU 出风口的温度控制在22℃，这样，经过工作层面后温度将会再上升，在机台满载的情况下上升温度会基本稳定。
2.2 温湿度控制中的常见问题
在MAU 的温湿度处理过程中，为了解决除湿问题，通常采用湿度优先的方法，冷水阀主要用来除湿，同时也造成温度的下降，然后通过热水阀的再热，使温湿度均能达到所要求的值。这样的做法虽然可以满足设计要求，但在相当多的时候，冷热水阀使能量相互抵消，造成了能源的浪费。另外，如果进入洁净室的新风温度过高，将导致整个洁净室的热负荷加大，DCC 开度增大以抵消新风带来的热负荷；如果进入洁净室的新风的温度过低，将使得在DCC 开度为零时都无法达到环境温度的要求。根据统计数据，空调系统的能耗占整个半导体厂的能耗的30%－35%， 因此对空调设备进行优化控制，选择合理温湿度设定值，对提高整个洁净室温湿度控制的稳定性及节能具有重要的意义。
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