1 引言

近十年來,集成電路產(chǎn)業(yè)在我國得到了迅速的發(fā)展,隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大,隨之而產(chǎn)生的各種污染也不斷引起企業(yè)、國家等方面的高度重視。集成電路產(chǎn)生的污染物主要有生產(chǎn)廢水、工藝廢氣、生活污水、動(dòng)力設(shè)備噪聲和固體廢物等。這些污染物必須進(jìn)行有效治理,才能提供安全的工作環(huán)境及保護(hù)周邊的環(huán)境生態(tài)。本文將重點(diǎn)介紹工業(yè)廢氣的分類、處理方式、應(yīng)用范圍及實(shí)例等。

2  集成電路的工藝廢氣分類

集成電路的工藝廢氣主要分為6大類:

(1)酸性廢氣:來源于工藝流程中使用各種酸液對(duì)芯片進(jìn)行腐蝕、清洗的過程以及擴(kuò)散等工序,主要污染物為氟化物、氯化氫、氮氧化物、硫酸霧等。

(2)堿性廢氣:來源于使用氨水、氨氣的刻蝕工序,主要污染物為NH3。

(3)有機(jī)廢氣:來源于清洗、勻膠、去膠、刻蝕、顯影工序使用有機(jī)溶劑清洗的過程,主要成份為異丙醇、光刻膠等有機(jī)物。

(4)含塵廢氣:來源于CVD工藝排氣,主要污染物為粉塵(SiO2)。

(5)工藝尾氣:來源于擴(kuò)散、離子注入和CVD等工序使用的特殊氣體,如硅烷、磷烷、砷烷、乙硼烷(B2H6)等,除部分在工藝中反應(yīng)消耗外,其余均以尾氣的形式排放。

(6)熱無處理廢氣:來源于擴(kuò)散等工序中的熱氣排放,直接排入大氣。

3  集成電路的工藝廢氣處理方式、應(yīng)用范圍及實(shí)例

集成電路生產(chǎn)線一般是24小時(shí)運(yùn)行的流水線,廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)安全可靠。廢氣處理系統(tǒng)的入口靜壓不能波動(dòng)太大,否則輕則導(dǎo)致工藝設(shè)備的報(bào)警,重則導(dǎo)致芯片的報(bào)廢,只能在年度定期檢修時(shí)可以考慮維持一定的靜壓。設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮排風(fēng)機(jī)的余量,排風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī),設(shè)計(jì)為N+1方式。比如某工廠(FAB),酸性廢氣的設(shè)計(jì)用量為900m3/min(風(fēng)機(jī)能力)*4(臺(tái)數(shù))=3600m3/min,而在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,必須設(shè)計(jì)5臺(tái)風(fēng)機(jī),而不是4臺(tái)。這樣平常運(yùn)行時(shí),有5臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)通過控制入口靜壓根據(jù)處理風(fēng)量自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的頻率,一旦有一臺(tái)風(fēng)機(jī)有故障時(shí),可以通過4臺(tái)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行,確保入口靜壓的穩(wěn)定。另外廢氣系統(tǒng)的制作材料也很關(guān)鍵,必須安全可靠。早期的酸堿性廢氣的管配件為聚氯乙烯(PVC),但酸堿性廢氣的成分比較復(fù)雜,集成電路一些事故表明,PVC不能滿足防爆要求�，F(xiàn)在的集成電路企業(yè)所采用的酸堿性廢氣的管配件為內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼板;熱無處理廢氣一般采用鍍鋅鋼板的材料;有機(jī)廢氣和粉塵廢氣一般采用不銹鋼的材料。

3.1酸性廢氣處理流程及應(yīng)用實(shí)例

集成電路工藝過程中產(chǎn)生的酸性氣體,經(jīng)過酸排氣配管至入口的靜壓箱,經(jīng)過洗滌塔至排放口的靜壓箱,除去了酸性物質(zhì)后,經(jīng)處理過的氣體經(jīng)過排氣風(fēng)機(jī)排放到大氣中。洗滌塔有循環(huán)泵、循環(huán)水流量計(jì)、pH計(jì)、液位計(jì)等監(jiān)控系統(tǒng),用氫氧化鈉作為中和的化學(xué)品,通過測(cè)定循環(huán)水的pH值來控制氫氧化鈉的注入泵開關(guān)。經(jīng)過排氣處理的處理水集中排放至工廠的廢水處理系統(tǒng)處理,達(dá)到工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。圖1某FAB的酸性廢氣處理流程圖,采用的多級(jí)填料方式,通過循環(huán)泵將NaOH溶液加壓并不斷從噴嘴中以霧狀噴出,噴出的NaOH溶液和廢氣中的酸性物質(zhì)起中和反應(yīng),從而達(dá)到凈化處理目的,必要時(shí),可以添加NaClO進(jìn)行循環(huán)水殺菌處理。處理裝置中的填料可以分散氣流和水流,增加接觸面積使酸性物質(zhì)與NaOH充分接觸,提高去除效率,此種處理裝置處理效率高,阻力小且比較穩(wěn)定。酸性廢氣處理系統(tǒng)入口H2SO4、HNO3濃度分別為20mg/Nm3,出口濃度都為1mg/Nm3;HF和HCl入口濃度分別為22.4ppm和12.3ppm,出口濃度分別為1.12ppm和0.62ppm,處理效率可達(dá)95%。另外在此流程中,風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)在處理裝置后,這樣風(fēng)機(jī)的軸承與腐蝕性廢氣隔絕,不易被腐蝕,并且可以確保處理裝置連接處不因正壓而導(dǎo)致漏風(fēng)。

圖1某FAB的酸性廢氣處理流程圖

3.2堿性廢氣處理方式

工藝過程中產(chǎn)生的堿性廢氣處理流程和酸性廢氣的流程類似。不過它是以硫酸作為中和用的化學(xué)品。集成電路生產(chǎn)中往往會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸廢液,一般堿性廢氣用的硫酸以生產(chǎn)中排放的廢硫酸作為原料,這樣可以降低堿性廢氣處理成本。

3.3有機(jī)廢氣處理流程及應(yīng)用實(shí)例

有機(jī)廢氣主要有吸收法、吸附法、焚燒法、生物法等處理技術(shù)。吸收法是利用有機(jī)氣體水溶性的特性,且添加次氯酸鈉或過氧化氫等氧化劑,將有機(jī)廢氣中的有機(jī)氣體去除。此方法因添加氧化劑不但處理成本增加,且易形成二次污染,故吸收法未得到普遍應(yīng)用。生物處理法是利用微生物的代謝作用,將污染物分解成無害物質(zhì)。生物處理法運(yùn)行費(fèi)用低,二次污染小,但處理?xiàng)l件嚴(yán)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),占地面積大,故實(shí)際應(yīng)用較少。焚燒法是利用高溫焚燒過程將有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)換成CO2與H2O,根據(jù)廢氣的焚燒溫度可分為750℃~850℃的焚燒化與350℃~450℃觸媒焚化二類,因觸媒式易造成觸媒毒化,故很少采用這種方法。吸附法是利用高孔隙率、高表面積的吸附劑,將廢氣中的有機(jī)氣體分子分離,而凈化有機(jī)廢氣。適用于集成電路產(chǎn)業(yè)的有機(jī)廢氣處理方法有吸附法和焚燒法。

圖2為某FAB的有機(jī)廢氣處理流程圖。有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)由高溫轉(zhuǎn)輪裝置和活性炭吸附裝置構(gòu)成。有機(jī)廢氣通過預(yù)過濾器,除去灰塵顆粒,保護(hù)下游的設(shè)備;通過原氣體冷凝器,除去高沸點(diǎn)有機(jī)物甲基乙基酮MEA,保護(hù)高溫轉(zhuǎn)輪裝置內(nèi)的吸附劑;通過加熱器,加熱冷凝后的有機(jī)廢氣至30℃左右,這樣可以提高有機(jī)物吸附率;接著通過G-AC過濾器,再次過濾去除高沸點(diǎn)有機(jī)物。廢氣送風(fēng)機(jī)將有機(jī)廢氣送入高溫轉(zhuǎn)輪裝置進(jìn)行吸附。高溫轉(zhuǎn)輪分為前后二室,并裝有一個(gè)大轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤上裝有紙質(zhì)活性炭過濾器。有機(jī)廢氣過濾和吸附后排入大氣中,吸附后的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)入另一室內(nèi),通入150℃左右的熱空氣進(jìn)行解吸附,解吸附出來的濃縮氣體通過過濾器、冷凝器、加熱器、G-AC過濾器等設(shè)備,被濃縮氣體送風(fēng)機(jī)送入顆粒活性炭吸附筒處理,吸附后排放于大氣中。吸附筒的活性炭通過水蒸氣及壓縮空氣控制吸附桶上下?lián)醢鍎?dòng)作來完成解吸附,解吸附后的水蒸氣經(jīng)冷凝后變成濃縮液回收。此流程設(shè)計(jì)的有機(jī)廢氣含異丙醇、醋酸丁脂、二甲基亞砜、苯類等,有機(jī)氣體濃度為65ppm,經(jīng)高溫轉(zhuǎn)輪裝置處理,平均去除率可達(dá)90%以上,排放到大氣中的有機(jī)氣體濃度小于6.5ppm,濃縮氣體的體積約為原廢氣的1/15左右,濃度為原廢氣的12~13倍左右,活性碳吸附裝置平均去除率可達(dá)95%以上。實(shí)際數(shù)據(jù)表明其非甲烷總烴排放濃度為1.55~90mg/m3,排放速率為0.010~0.155kg/h,均能達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn),其運(yùn)行處理效果良好。

圖2某FAB的有機(jī)廢氣處理流程圖

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪焚燒法也是目前被集成電路企業(yè)所廣泛采用的有機(jī)氣體處理方法。有機(jī)廢氣進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪,轉(zhuǎn)輪上的沸石吸附了廢氣中大部份有機(jī)成分,而使廢氣中有機(jī)成分的含量大幅低降低而成為較干凈的空氣,一部分較干凈的氣體排放至大氣中,而另一部份氣體則進(jìn)入再生區(qū),經(jīng)再生區(qū)后的廢氣則含有高濃度的有機(jī)成分,這樣可降低后續(xù)處理程序的操作成本。利用沸石濃縮轉(zhuǎn)輪將大風(fēng)量低濃度的廢氣濃縮為小風(fēng)量高濃度,再以直熱式(燃?xì)馐?焚化的方式,將有機(jī)成分轉(zhuǎn)化為無害的CO2和水,以達(dá)到去除有機(jī)物的目的。沸石轉(zhuǎn)輪濃縮燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附和解析,不存在吸附劑的飽和問題,適當(dāng)?shù)恼{(diào)整轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速,再生溫度、風(fēng)量等,可得到相當(dāng)良好的效果,對(duì)于有機(jī)成分的去除率在90%左右,濃縮倍數(shù)可達(dá)5~20。

3.4含塵廢氣處理方式

含塵廢氣可采用帶過濾器件的過濾除塵器和洗滌塔。比如某FAB采用文丘里洗滌塔,通過pH控制NaOH的加入,使入口的SiO2粉塵濃度從40.0mg/Nm3處理成為出口濃度為2.0mg/Nm3,去除效率可達(dá)95%。

3.5工藝尾氣處理方式

集成電路生產(chǎn)過程中使用的硅烷、磷烷等特殊氣體基本上均為危險(xiǎn)、有毒化學(xué)品,在生產(chǎn)裝置的工藝排氣中有未反應(yīng)的氣體、特殊氣體鋼瓶交換時(shí)也有氣體排出,且發(fā)生意外時(shí),有可能大量的工藝氣體因泄漏而排出,必須就近進(jìn)行安全處理。處理的方法有水洗式、干式吸附式、燃燒/加熱分解式。特殊氣體的燃燒機(jī)理為:

SiH4+O2→SiO2+2H2O

2PH3+4O2→P2O5+3H2O

燃燒后產(chǎn)生的副產(chǎn)物SiO2、B2O3等可沉淀,燃燒產(chǎn)生的尾氣納入含塵廢氣或酸性廢氣,進(jìn)入洗滌塔集中處理。表1為工藝尾氣處理方法。

表1為工藝尾氣處理方法

4結(jié)束語

集成電路作為高科技產(chǎn)業(yè),必須加強(qiáng)各類污染物,特別是無形的工業(yè)廢氣的排放控制,這樣能最大限度地保障人體健康,維護(hù)生態(tài)平衡。目前有些地方環(huán)境保護(hù)局已經(jīng)制定了《半導(dǎo)體行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,將使各集成電路企業(yè)更加重視污染物的治理和控制。

參考文獻(xiàn)

1.陳霖新等.潔凈廠房設(shè)計(jì)與施工,中國化學(xué)工業(yè)出版社,2003

2.洪文雅.揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理技術(shù)簡(jiǎn)介.臺(tái)灣環(huán)保產(chǎn)業(yè),2003.10.20

3.秦學(xué)禮.集成電路生產(chǎn)中廢氣的污染及治理.潔凈與空調(diào)技術(shù),2006(1)19-22
 

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