半导体废气处理技术实践

1、半导体废气处理技术应用依据这些废气的特性 ，在处理上采用水洗 、氧化／燃烧、吸附、解离、冷凝等方法。在半导体制造厂 ，依照系统废气排放可分为：一般排气(GEX)、酸性排气 (SEX)、碱性排气 (AEX)和有机排气 (VEX)。针对不 同污染 物，可采取 以下综合处理方法。一般排气系统半导体厂一般排气 (GEX)系统在运行中也称为热排气系统 ，生产过程中一些设备局部会产生大量的热或产生会对高洁净度生产环境造成影响的含尘无害气体。为了满足半导体制程对环境温湿度((22±1)℃，(45±5)％)和洁净度的极高要求 ，可将此种废气通过风管系统进行收集，然后以风机抽取并排放。通过对部分设备热排气的洁净度抽样检测发现，虽然一 般排气用 于抽取设备的含尘排放 ，但 由于一般排气系统抽取 的气体直接来 自洁净室内，且设备含尘排放浓度很低 ，因此在总风管处检测的结果仍为洁净级别 。对设备排放点的温度测量显示 ，不同设备和排放点 热排气温度差异较大最高超过 42℃，最低至 22℃，但总排放口的温度测量却并不超过 26℃，只略高于洁净室温度，仍属于室温范 围。因此 GEX可以直接排放至大气环境 ，不需做任何处理 ，为无害排放。酸性、碱性废气处理系统对半导体制造中产生的酸性和碱性废气采用分别收集 、分别处理的方法 ，但处理设备和处理原理基本相同。对于含有 酸性／碱性物质的废气 ，半导体厂大都采用大型洗涤式中央废气处理系统进行处理 。由于半导体制造工作区域离中央废气处理系统距离较远 ，因此部分酸性／碱性 废气在输送至 中央废气处理系统前 ，常因气体特性导致在管路中结晶或粉尘堆积 ，造成管路堵塞后导致气体外泄 ，严重者甚至引发爆炸 ，危害现场工作人员的工作安全 。因此在工作区域需配置适合制程气体特性的就地废气处理设备进行就地处理 ，之后再排人 中央处理系统，而一些特殊的废气，包括剧毒、自燃、易爆等废气则需要先通过干式洗涤塔等设备通过吸附或氧化／燃烧等方法就地处理 ，之后再排人中央废气处理系统 。 中央废气处理系统的核心设备是一种采用水洗式的洗涤塔 ，它的主要功能是通过控制洗涤塔 中水的酸碱度、电导度等参数，在废气与水交叉流过时使废气在洗涤塔中与水进行充分接触，吸收其中的酸性或碱性物质_2 J。洗涤塔内安装有填料床 ，用于增大废气与水 的接触面积 ，延长接触时间。填料床下面是循环水池，通过循环水泵使液体不停的循环。还设有 加药泵、pH计用 于控制 pH值 ；液位计、电导度计用于排水和补水控制 ；压差开关、压力传感器用于监控系统的运行情况_3 J。通过调整酸性排气洗涤塔循环水的 pH值发现，淋洗塔内的物理吸收是一个不稳定的可逆，吸收水中的酸 ，并在淋洗过程中很容易再被脱附出来 。当pH低于7.6时 ，即使将循环水的电导度调至低于 5 mS／cm，系统的处理效率仍然不超过60％；而当pH值高于 8时，系统处理效率通常高于90％；当 pH值达到 10时，系统处理效率甚至超过 99％。因此控制 pH值是保证系统处理效率的关键参数 。虽然酸性排气洗涤塔 ，pH值越高处理效率越好 ，但实际运行中pH过高会增加运行成本，并会产生结晶等问题，危及生产安全，因此pH值通常控制在 8～lO。同样，对于碱性排气洗涤塔 ，pH值通常控制在 3～6。在系统实际操作运行中发现 ，影响系统处理效率的另一个主要因素是循环水量的问题。洗涤塔在连续运转一定时期后 (一般为 6个月)开始出现处理效率下降，即使调高 pH值也 收效甚微 ，原因在于洗涤塔循环水 中的盐类 很容易在 喷嘴处形成结晶，造成堵塞 ，使循环水量下降，而水量不足使得废气和水不能充分接触，因而影响系统的处理效率。因此运行 中要把洗涤塔循环水的电导度严格控制在 20 mS／cm 以下 ，减 少盐类堵塞喷 嘴的情况 ，定期对喷嘴进行清理 ，对循环水泵和淋洗塔进行保养 ，将循环水压力控制在 1．5×lO5 Pa以下 ，保证充足的循环水量。 有机废气处理系统半导体制造过程中排放的含有有机成分的废气(voc)通常采用直接焚烧、活性炭吸附、生物氧化等方法进行处理 ，但低浓度大风量 的有机废气直接焚烧会造成大量的燃料消耗和不必要的污染 ，只有较高浓度的有机废气才建议直接焚烧；活性碳吸附的方法 ，由于其材料特性，存在易燃烧、水分敏感度高、脱附后残留负荷高等缺点 ，在半导体制造界基本不再使用 ；而生物氧化技术作为一种较新的处理技术还有待在处理大风量方面做进一步的研究和发展l4-5]。半导体制造 的有机废气排放特点是浓度较低 ，但排风量较大 ，因此必须考虑将有机废气浓缩后再进行焚烧处理。沸石浓缩转轮系统和焚化炉焚化系统的组合可以很好地解决这一问题。沸石浓缩转轮加焚化处理的系统处理原理 ，是将大风量低浓度有机废气转换成小风量高浓度气流 ，再将浓缩后的高浓度有机废气进行焚化处理，其主要优点是系统处理效率高 (95％)、操作简单并且易清洗保养 。所选用的沸石为新型的疏水性沸石 ，从而避免水分对吸附材料的侵占，保证良好的吸附效果，而高品质的沸石必须 符合严格 的硅铝比、纯度 、结晶度、孔径常数等要求。沸石转轮对低浓度的 VOC有很好的吸附能力 ，吸附后的干净空气就可自然排放。处理流程 ：含有 VOC的废气通过系统排风机排放至 VOC处理系统 ，90％的废气通过沸石转轮的吸附成为清洁空气排放至大气，10％的废气被加热后进人脱附区，用于对已经吸附有 VOC成分的转轮部分进行脱附 ，由于转轮在不停地旋转 ，使得吸附和脱附的过程在同时不间断地进行。脱附后的高浓度VOC废气通过焚化炉风机被送入焚化炉进行焚烧处理。主要控制和运行参数包括转轮转速、脱附风量、脱附温度、转轮冷却温度、焚化炉温度等。VOC处理系统 的主要运 行成本 来 自于焚化炉的燃料消耗 ，处理风量为 50 000 m3／h的系统每年的天然气费用超过百万人民币，因此如何在保证系统处理效率的前提下降低能源消耗是系统管理人员必须要考虑的问题。在 VOC处理系统所有的运行参数中，对处理效率和燃气消耗影响最大的是脱附风量和焚化炉温度。因此针对某 VOC处理系统的脱附风量和焚化炉温度进行了实验性调整和效率测试。数据证明，脱附风量和焚化炉的运行温度确实是影响系统处理效率和能耗的最主要的因素 ，焚化温度越高，脱 附风量越大 ，则处理效率越高 ，但能耗也同时升高。通过测试数据对比，可以确认焚化炉温度的合理控制范围为 700—730℃，如果温度继续下降，焚化炉出口的测值就开始有 明显上升，如果温度继续升高则燃料消耗增加。由于系统排气风量的变化和压力的变化等因素 ，比较难确定精确的最佳脱附风量值，但通过实验数据总结，脱附风量控制在系统排气 总量的 9．5％ ～10％这样一个合理的范围内，就能够做到既节省能耗又保证 系统处理效率 ，既经济又安全地运行 VOC处理系统。结语废气处理在半导体制造企业中是一个不可或缺的环保环节 ，作为大规模、代表先进制造技术 的产业 ，半导体制造企业必须注意到废气排放将对环境造成的污染 、对先进半导体制程所造成的影响 ，即AMC问题，并且要积极做好废气排放的处理和控制工作。 通过环境管理体系的国际认证(ISOl40o1)和职业安全卫生管理体系的国际认证(OHSAS18001)是国内半导体企业通往国际市场的通行证。国家环保部门对半导体制造废气排放的管理也经过了一个从无到有，并逐步完善的过程。目前上海市已经于2006年 10月 颁布了新的地方性半导体行业标准 ，于2007年 2月开始执行 ，并不再执行 GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》，结束了没有半导体行业标准的历史 。上海地方性行业标准相较于原 《大气污染物综合排放标准》严格了许多 ，尤其新增加 了对 VOC废气处理系统的控制标准_6 J，即 VOC排放速率大于0．6 kg／h，处理设施的最低处理效率 为 88％；现 有污染源 自 2008 年 1月 1 13起执行该 限值；新污染 源 自 2007年 2 月 1日起执行该限值 。目前国家环保总局正在进行调查研究 ，相信不久将出台国家性的半导体污染物排放行业标准。新标准将对半导体企业提出更高的环保要求，促进国内半导体废气处理技术的进步和发展。