這幾年,環(huán)保一直是熱門話題。隨著半導(dǎo)體廠的發(fā)展越來越迅猛,其廢氣污染也越來越嚴重,那么,半導(dǎo)體工廠的廢氣處理設(shè)備是怎么處理的呢?
半導(dǎo)體廠的廢氣在處理上采用水洗、氧化/燃燒、吸附、解離、冷凝等方法。按照廢氣的排放,可分為一般排氣(GEX)、酸性排氣 (SEX)、堿性排氣 (AEX)和有機排氣 (VEX)。針對不同污染 物,采用不同的處理方法。
1.1 一般排氣系統(tǒng)
半導(dǎo)體廠一般排氣 (GEX)系統(tǒng)在運行中也稱為熱排氣系統(tǒng) ,生產(chǎn)過程中一些設(shè)備局部會產(chǎn)生大量的熱或產(chǎn)生會對高潔凈度生產(chǎn)環(huán)境造成影響的含塵無害氣體。為了滿足半導(dǎo)體制程對環(huán)境溫濕度((22±1)℃,(45±5)%)和潔凈度的極高要求 ,可將此種廢氣通過風(fēng)管系統(tǒng)進行收集,然后以風(fēng)機抽取并排放。 通過對部分設(shè)備熱排氣的潔凈度抽樣檢測發(fā)現(xiàn),雖然一般排氣用于抽取設(shè)備的含塵排放 ,但由于一般排氣系統(tǒng)抽取的氣體直接來自潔凈室內(nèi),且設(shè)備含塵排放濃度很低,因此在總風(fēng)管處檢測的結(jié)果仍為潔凈級別。對設(shè)備排放點的溫度測量顯示,不同設(shè)備和排放點 熱排氣溫度差異較大最高超過 42℃,最低至22℃,但總排放口的溫度測量卻并不超過26℃,只略高于潔凈室溫度,仍屬于室溫范圍。因此 GEX可以直接排放至大氣環(huán)境 ,不需做任何處理 ,為無害排放。
1.2 酸性、堿性廢氣處理系統(tǒng)
對半導(dǎo)體制造中產(chǎn)生的酸性和堿性廢氣采用分別收集、分別處理的方法,但處理設(shè)備和處理原理基本相同。對于含有 酸性/堿性物質(zhì)的廢氣 ,半導(dǎo)體廠大都采用大型洗滌式中央廢氣處理系統(tǒng)進行處理。由于半導(dǎo)體制造工作區(qū)域離中央廢氣處理系統(tǒng)距離較遠 ,因此部分酸性/堿性廢氣在輸送至中央廢氣處理系統(tǒng)前,常因氣體特性導(dǎo)致在管路中結(jié)晶或粉塵堆積,造成管路堵塞后導(dǎo)致氣體外泄,嚴重者甚至引發(fā)爆炸,危害現(xiàn)場工作人員的工作安全。因此在工作區(qū)域需配置適合制程氣體特性的就地廢氣處理設(shè)備進行就地處理 ,之后再排入中央處理系統(tǒng),而一些特殊的廢氣,包括劇毒、自燃、易爆等廢氣則需要先通過干式洗滌塔等設(shè)備通過吸附或氧化/燃燒等方法就地處理 ,之后再排人中央廢氣處理系統(tǒng) 。
中央廢氣處理系統(tǒng)的核心設(shè)備是一種采用水洗式的洗滌塔 ,它的主要功能是通過控制洗滌塔中水的酸堿度、電導(dǎo)度等參數(shù),在廢氣與水交叉流過時使廢氣在洗滌塔中與水進行充分接觸,吸收其中的酸性或堿性物質(zhì)。洗滌塔內(nèi)安裝有填料床,用于增大廢氣與水的接觸面積,延長接觸時間。填料床下面是循環(huán)水池,通過循環(huán)水泵使液體不停的循環(huán)。還設(shè)有加藥泵、pH計用于控制 pH值;液位計、電導(dǎo)度計用于排水和補水控制 ;壓差開關(guān)、壓力傳感器用于監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況。
通過調(diào)整酸性排氣洗滌塔循環(huán)水的 pH值發(fā)現(xiàn) ,淋洗塔內(nèi)的物理吸收是一個不穩(wěn)定的可逆,吸收水中的酸,并在淋洗過程中很容易再被脫附出來。當(dāng)pH低于7.6時 ,即使將循環(huán)水的電導(dǎo)度調(diào)至低于5 ms/cm系統(tǒng)的處理效率仍然不超過60%;而當(dāng)pH值高于8時,系統(tǒng)處理效率通常高于90%;當(dāng)pH值達到10時,系統(tǒng)處理效率甚至超過 99%。因此控制 pH值是保證系統(tǒng)處理效率的關(guān)鍵參數(shù)。雖然酸性排氣洗滌塔,pH值越高處理效率越好,但實際運行中pH過高會增加運行成本,并會產(chǎn)生結(jié)晶等問題,危及生產(chǎn)安全,因此pH值通??刂圃?~l0。同樣,對于堿性排氣洗滌塔 ,pH值通??刂圃?3~6之間。
在系統(tǒng)實際操作運行中發(fā)現(xiàn),影響系統(tǒng)處理效率的另一個主要因素是循環(huán)水量的問題。洗滌塔在連續(xù)運轉(zhuǎn)一定時期后 (一般為 6個月)開始出現(xiàn)處理效率下降,即使調(diào)高 pH值也收效甚微 ,原因在于洗滌塔循環(huán)水中的鹽類很容易在噴嘴處形成結(jié)晶,造成堵塞,使循環(huán)水量下降,而水量不足使得廢氣和水不能充分接觸,因而影響系統(tǒng)的處理效率。因此運行中要把洗滌塔循環(huán)水的電導(dǎo)度嚴格控制在20ms/cm 以下,減少鹽類堵塞噴嘴的情況,定期對噴嘴進行清理,對循環(huán)水泵和淋洗塔進行保養(yǎng),將循環(huán)水壓力控制在1.5×l05 Pa以下,保證充足的循環(huán)水量。
1.3 有機廢氣處理系統(tǒng)
半導(dǎo)體制造過程中排放的含有有機成分的廢氣(voc)通常采用直接焚燒、活性炭吸附、生物氧化等方法進行處理,但低濃度大風(fēng)量的有機廢氣直接焚燒會造成大量的燃料消耗和不必要的污染,只有較高濃度的有機廢氣才建議直接焚燒;活性碳吸附的方法,由于其材料特性,存在易燃燒、水分敏感度高、脫附后殘留負荷高等缺點,在半導(dǎo)體制造界基本不再使用;而生物氧化技術(shù)作為一種較新的處理技術(shù)還有待在處理大風(fēng)量方面做進一步的研究和發(fā)展。半導(dǎo)體制造的有機廢氣排放特點是濃度較低,但排風(fēng)量較大,因此必須考慮將有機廢氣濃縮后再進行焚燒處理。沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)和焚化爐焚化系統(tǒng)的組合可以很好地解決這一問題。
沸石濃縮轉(zhuǎn)輪加焚化處理的系統(tǒng)處理原理,是將大風(fēng)量低濃度有機廢氣轉(zhuǎn)換成小風(fēng)量高濃度氣流,再將濃縮后的高濃度有機廢氣進行焚化處理,其主要優(yōu)點是系統(tǒng)處理效率高 (95%)、操作簡單并且易清洗保養(yǎng)。所選用的沸石為新型的疏水性沸石,從而避免水分對吸附材料的侵占,保證良好的吸附效果,而高品質(zhì)的沸石必須符合嚴格的硅鋁比、純度、結(jié)晶度、孔徑常數(shù)等要求。沸石轉(zhuǎn)輪對低濃度的VOC有很好的吸附能力,吸附后的干凈空氣就可自然排放。
處理流程:含有VOC的廢氣通過系統(tǒng)排風(fēng)機排放至VOC處理系統(tǒng),90%的廢氣通過沸石轉(zhuǎn)輪的吸附成為清潔空氣排放至大氣,10%的廢氣被加熱后進人脫附區(qū),用于對已經(jīng)吸附有VOC成分的轉(zhuǎn)輪部分進行脫附,由于轉(zhuǎn)輪在不停地旋轉(zhuǎn),使得吸附和脫附的過程在同時不間斷地進行。脫附后的高濃度VOC廢氣通過焚化爐風(fēng)機被送入焚化爐進行焚燒處理。主要控制和運行參數(shù)包括轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、脫附風(fēng)量、脫附溫度、轉(zhuǎn)輪冷卻溫度、焚化爐溫度等。
VOC處理系統(tǒng)的主要運行成來自于焚化爐的燃料消耗 ,處理風(fēng)量為50 000m3/h的系統(tǒng)每年的天然氣費用超過百萬人民幣,因此如何在保證系統(tǒng)處理效率的前提下降低能源消耗是系統(tǒng)管理人員必須要考慮的問題。在 VOC處理系統(tǒng)所有的運行參數(shù)中,對處理效率和燃氣消耗影響最大的是脫附風(fēng)量和焚化爐溫度。因此針對某VOC處理系統(tǒng)的脫附風(fēng)量和焚化爐溫度進行了實驗性調(diào)整和效率測試。
數(shù)據(jù)證明,脫附風(fēng)量和焚化爐的運行溫度確實是影響系統(tǒng)處理效率和能耗的最主要的因素,焚化溫度越高,脫附風(fēng)量越大,則處理效率越高,但能耗也同時升高。通過測試數(shù)據(jù)對比,可以確認焚化爐溫度的合理控制范圍為700~730℃,如果溫度繼續(xù)下降,焚化爐出口的測值就開始有明顯上升,如果溫度繼續(xù)升高則燃料消耗增加。由于系統(tǒng)排氣風(fēng)量的變化和壓力的變化等因素,比較難確定精確的最佳脫附風(fēng)量值,但通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié),脫附風(fēng)量控制在系統(tǒng)排氣總量的9.5%~10%這樣一個合理的范圍內(nèi),就能夠做到既節(jié)省能耗又保證系統(tǒng)處理效率,既經(jīng)濟又安全地運行VOC處理系統(tǒng)。
2 結(jié)語
廢氣處理在半導(dǎo)體制造企業(yè)中是一個不可或缺的環(huán)保環(huán)節(jié),作為大規(guī)模、代表先進制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè),半導(dǎo)體制造企業(yè)必須注意到廢氣排放將對環(huán)境造成的污染、對先進半導(dǎo)體制程所造成的影響,即AMC問題,并且要積極做好廢氣排放的處理和控制工作。 通過環(huán)境管理體系的國際認證(ISOl40o1)和職業(yè)安全衛(wèi)生管理體系的國際認證(OHSAS18001)是國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)通往國際市場的通行證。國家環(huán)保部門對半導(dǎo)體制造廢氣排放的管理也經(jīng)過了一個從無到有,并逐步完善的過程。
目前上海市已經(jīng)于2006年 10月 頒布了新的地方性半導(dǎo)體行業(yè)標準 ,于2007年2月開始執(zhí)行,并不再執(zhí)行GB16297~1996《大氣污染物綜合排放標準》,結(jié)束了沒有半導(dǎo)體行業(yè)標準的歷史。上海地方性行業(yè)標準相較于原 《大氣污染物綜合排放標準》嚴格了許多,尤其新增加了對 VOC廢氣處理系統(tǒng)的控制標準,即 VOC排放速率大于0.6 kg/h,處理設(shè)施的最低處理效率為88%;現(xiàn)有污染源自2008年1月13起執(zhí)行該限值;新污染源自2007年2月1日起執(zhí)行該限值 。
目前國家環(huán)??偩终谶M行調(diào)查研究,相信不久將出臺國家性的半導(dǎo)體污染物排放行業(yè)標準。新標準將對半導(dǎo)體企業(yè)提出更高的環(huán)保要求,促進國內(nèi)半導(dǎo)體廢氣處理技術(shù)的進步和發(fā)展。