集成電路工業的廢氣處理
1 引言
近十年來,集成電路產業在我國得到了迅速的發展,隨著產業規模的持續擴大,隨之而產生的各種污染也不斷引起企業、國家等方面的高度重視。集成電路產生的污染物主要有生產廢水、工藝廢氣、生活污水、動力設備噪聲和固體廢物等。這些污染物必須進行有效治理,才能提供安全的工作環境及保護周邊的環境生態。本文將重點介紹工業廢氣的分類、處理方式、應用范圍及實例等。
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芯片進行腐蝕、清洗的過程以及擴散等工序,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)有機廢氣:來源于清洗、勻膠、去膠、刻蝕、顯影工序使用有機溶劑清洗的過程,主要成份為異丙醇、光刻膠等有機物。
(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、應用范圍及實例
集成電路生產線一般是24小時運行的流水線,廢氣處理系統的設計應安全可靠。廢氣處理系統的入口靜壓不能波動太大,否則輕則導致工藝設備的報警,重則導致芯片的報廢,只能在年度定期檢修時可以考慮維持一定的靜壓。設計時必須考慮排風機的余量,排風機為變頻風機,設計為N+1方式。比如某工廠(FAB),酸性廢氣的設計用量為900m3/min(風機能力)*4(臺數)=3600m3/min,而在實際的設計中,必須設計5臺風機,而不是4臺。這樣平常運行時,有5臺變頻風機通過控制入口靜壓根據處理風量自動調整風機的頻率,一旦有一臺風機有故障時,可以通過4臺風機高速運行,確保入口靜壓的穩定。另外廢氣系統的制作材料也很關鍵,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雜,集成電路一些事故表明,PVC不能滿足防爆要求。現在的集成電路企業所采用的酸堿性廢氣的管配件為內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用實例
集成電路工藝過程中產生的酸性氣體,經過酸排氣配管至入口的靜壓箱,經過洗滌塔至排放口的靜壓箱,除去了酸性物質后,經處理過的氣體經過排氣風機排放到大氣中。洗滌塔有循環泵、循環水流量計、pH計、液位計等監控系統,用氫氧化鈉作為中和的化學品,通過測定循環水的pH值來控制氫氧化鈉的注入泵開關。經過排氣處理的處理水集中排放至工廠的廢水處理系統處理,達到工業排放標準后排放。圖1某FAB的酸性廢氣處理流程圖,采用的多級填料方式,通過循環泵將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起中和反應,從而達到凈化處理目的,必要時,可以添加NaClO進行循環水殺菌處理。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,阻力小且比較穩定。酸性廢氣處理系統入口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95%。另外在此流程中,風機設計在處理裝置后,這樣風機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致漏風。
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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品。集成電路生產中往往會產生大量的硫酸廢液,一般堿性廢氣用的硫酸以生產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有機廢氣處理流程及應用實例
有機廢氣主要有吸收法、吸附法、焚燒法、生物法等處理技術。吸收法是利用有機氣體水溶性的特性,且添加次氯酸鈉或過氧化氫等氧化劑,將有機廢氣中的有機氣體去除。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。生物處理法運行費用低,二次污染小,但處理條件嚴、持續時間長,占地面積大,故實際應用較少。焚燒法是利用高溫焚燒過程將有機廢氣轉換成CO2與H2O,根據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,將廢氣中的有機氣體分子分離,而凈化有機廢氣。適用于集成電路產業的有機廢氣處理方法有吸附法和焚燒法。
圖2為某FAB的有機廢氣處理流程圖。有機廢氣處理系統由高溫轉輪裝置和活性炭吸附裝置構成。有機廢氣通過預過濾器,除去灰塵顆粒,保護下游的設備;通過原氣體冷凝器,除去高沸點有機物甲基乙基酮MEA,保護高溫轉輪裝置內的吸附劑;通過加熱器,加熱冷凝后的有機廢氣至30℃左右,這樣可以提高有機物吸附率;接著通過G-AC過濾器,再次過濾去除高沸點有機物。廢氣送風機將有機廢氣送入高溫轉輪裝置進行吸附。高溫轉輪分為前后二室,并裝有一個大轉盤,轉盤上裝有紙質活性炭過濾器。有機廢氣過濾和吸附后排入大氣中,吸附后的轉盤轉入另一室內,通入150℃左右的熱空氣進行解吸附,解吸附出來的濃縮氣體通過過濾器、冷凝器、加熱器、G-AC過濾器等設備,被濃縮氣體送風機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擋板動作來完成解吸附,解吸附后的水蒸氣經冷凝后變成濃縮液回收。此流程設計的有機廢氣含異丙醇、醋酸丁脂、二甲基亞砜、苯類等,有機氣體濃度為65ppm,經高溫轉輪裝置處理,平均去除率可達90%以上,排放到大氣中的有機氣體濃度小于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95%以上。實際數據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,均能達到相應的排放標準,其運行處理效果良好。
 圖2某FAB的有機廢氣處理流程圖 |
沸石濃縮轉輪焚燒法也是目前被集成電路企業所廣泛采用的有機氣體處理方法。有機廢氣進入沸石轉輪,轉輪上的沸石吸附了廢氣中大部份有機成分,而使廢氣中有機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入再生區,經再生區后的廢氣則含有高濃度的有機成分,這樣可降低后續處理程序的操作成本。利用沸石濃縮轉輪將大風量低濃度的廢氣濃縮為小風量高濃度,再以直熱式(燃氣式)焚化的方式,將有機成分轉化為無害的CO2和水,以達到去除有機物的目的。沸石轉輪濃縮燃燒系統的特點是可以進行動態吸附和解析,不存在吸附劑的飽和問題,適當的調整轉輪的轉速,再生溫度、風量等,可得到相當良好的效果,對于有機成分的去除率在90%左右,濃縮倍數可達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95%。
3.5工藝尾氣處理方式
集成電路生產過程中使用的硅烷、磷烷等特殊氣體基本上均為危險、有毒化學品,在生產裝置的工藝排氣中有未反應的氣體、特殊氣體鋼瓶交換時也有氣體排出,且發生意外時,有可能大量的工藝氣體因泄漏而排出,必須就近進行安全處理。處理的方法有水洗式、干式吸附式、燃燒/加熱分解式。特殊氣體的燃燒機理為:
SiH4+O2→SiO2+2H2O
2PH3+4O2→P2O5+3H2O
燃燒后產生的副產物SiO2、B2O3等可沉淀,燃燒產生的尾氣納入含塵廢氣或酸性廢氣,進入洗滌塔集中處理。表1為工藝尾氣處理方法。
表1為工藝尾氣處理方法
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4結束語
集成電路作為高科技產業,必須加強各類污染物,特別是無形的工業廢氣的排放控制,這樣能最大限度地保障人體健康,維護生態平衡。目前有些地方環境保護局已經制定了《半導體行業污染物排放標準》,將使各集成電路企業更加重視污染物的治理和控制。
參考文獻
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