集成电路工业的废气处理
1 引言
近十年来,集成电路产业在我国得到了迅速的发展,随着产业规模的持续扩大,随之而产生的各种污染也不断引起企业、国家等方面的高度重视。集成电路产生的污染物主要有生产废水、工艺废气、生活污水、动力设备噪声和固体废物等。这些污染物必须进行有效治理,才能提供安全的工作环境及保护周边的环境生态。本文将重点介绍工业废气的分类、处理方式、应用范围及实例等。
2 集成电路的工艺废气分类
集成电路的工艺废气主要分为6大类:
(1)酸性废气:来源于工艺流程中使用各种酸液对芯片进行腐蚀、清洗的过程以及扩散等工序,主要污染物为氟化物、氯化氢、氮氧化物、硫酸雾等。
(2)碱性废气:来源于使用氨水、氨气的刻蚀工序,主要污染物为NH3。
(3)有机废气:来源于清洗、匀胶、去胶、刻蚀、显影工序使用有机溶剂清洗的过程,主要成份为异丙醇、光刻胶等有机物。
(4)含尘废气:来源于CVD工艺排气,主要污染物为粉尘(SiO2)。
(5)工艺尾气:来源于扩散、离子注入和CVD等工序使用的特殊气体,如硅烷、磷烷、砷烷、乙硼烷(B2H6)等,除部分在工艺中反应消耗外,其余均以尾气的形式排放。
(6)热无处理废气:来源于扩散等工序中的热气排放,直接排入大气。
3 集成电路的工艺废气处理方式、应用范围及实例
集成电路生产线一般是24小时运行的流水线,废气处理系统的设计应安全可靠。废气处理系统的入口静压不能波动太大,否则轻则导致工艺设备的报警,重则导致芯片的报废,只能在年度定期检修时可以考虑维持一定的静压。设计时必须考虑排风机的余量,排风机为变频风机,设计为N+1方式。比如某工厂(FAB),酸性废气的设计用量为900m3/min(风机能力)*4(台数)=3600m3/min,而在实际的设计中,必须设计5台风机,而不是4台。这样平常运行时,有5台变频风机通过控制入口静压根据处理风量自动调整风机的频率,一旦有一台风机有故障时,可以通过4台风机高速运行,确保入口静压的稳定。另外废气系统的制作材料也很关键,必须安全可靠。早期的酸碱性废气的管配件为聚氯乙烯(PVC),但酸碱性废气的成分比较复杂,集成电路一些事故表明,PVC不能满足防爆要求。现在的集成电路企业所采用的酸碱性废气的管配件为内衬聚四氟乙烯的不锈钢板;热无处理废气一般采用镀锌钢板的材料;有机废气和粉尘废气一般采用不锈钢的材料。
3.1酸性废气处理流程及应用实例
集成电路工艺过程中产生的酸性气体,经过酸排气配管至入口的静压箱,经过洗涤塔至排放口的静压箱,除去了酸性物质后,经处理过的气体经过排气风机排放到大气中。洗涤塔有循环泵、循环水流量计、pH计、液位计等监控系统,用氢氧化钠作为中和的化学品,通过测定循环水的pH值来控制氢氧化钠的注入泵开关。经过排气处理的处理水集中排放至工厂的废水处理系统处理,达到工业排放标准后排放。图1某FAB的酸性废气处理流程图,采用的多级填料方式,通过循环泵将NaOH溶液加压并不断从喷嘴中以雾状喷出,喷出的NaOH溶液和废气中的酸性物质起中和反应,从而达到净化处理目的,必要时,可以添加NaClO进行循环水杀菌处理。处理装置中的填料可以分散气流和水流,增加接触面积使酸性物质与NaOH充分接触,提高去除效率,此种处理装置处理效率高,阻力小且比较稳定。酸性废气处理系统入口H2SO4、HNO3浓度分别为20mg/Nm3,出口浓度都为1mg/Nm3;HF和HCl入口浓度分别为22.4ppm和12.3ppm,出口浓度分别为1.12ppm和0.62ppm,处理效率可达95%。另外在此流程中,风机设计在处理装置后,这样风机的轴承与腐蚀性废气隔绝,不易被腐蚀,并且可以确保处理装置连接处不因正压而导致漏风。
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图1某FAB的酸性废气处理流程图
3.2碱性废气处理方式
工艺过程中产生的碱性废气处理流程和酸性废气的流程类似。不过它是以硫酸作为中和用的化学品。集成电路生产中往往会产生大量的硫酸废液,一般碱性废气用的硫酸以生产中排放的废硫酸作为原料,这样可以降低碱性废气处理成本。
3.3有机废气处理流程及应用实例
有机废气主要有吸收法、吸附法、焚烧法、生物法等处理技术。吸收法是利用有机气体水溶性的特性,且添加次氯酸钠或过氧化氢等氧化剂,将有机废气中的有机气体去除。此方法因添加氧化剂不但处理成本增加,且易形成二次污染,故吸收法未得到普遍应用。生物处理法是利用微生物的代谢作用,将污染物分解成无害物质。生物处理法运行费用低,二次污染小,但处理条件严、持续时间长,占地面积大,故实际应用较少。焚烧法是利用高温焚烧过程将有机废气转换成CO2与H2O,根据废气的焚烧温度可分为750℃~850℃的焚烧化与350℃~450℃触媒焚化二类,因触媒式易造成触媒毒化,故很少采用这种方法。吸附法是利用高孔隙率、高表面积的吸附剂,将废气中的有机气体分子分离,而净化有机废气。适用于集成电路产业的有机废气处理方法有吸附法和焚烧法。
图2为某FAB的有机废气处理流程图。有机废气处理系统由高温转轮装置和活性炭吸附装置构成。有机废气通过预过滤器,除去灰尘颗粒,保护下游的设备;通过原气体冷凝器,除去高沸点有机物甲基乙基酮MEA,保护高温转轮装置内的吸附剂;通过加热器,加热冷凝后的有机废气至30℃左右,这样可以提高有机物吸附率;接着通过G-AC过滤器,再次过滤去除高沸点有机物。废气送风机将有机废气送入高温转轮装置进行吸附。高温转轮分为前后二室,并装有一个大转盘,转盘上装有纸质活性炭过滤器。有机废气过滤和吸附后排入大气中,吸附后的转盘转入另一室内,通入150℃左右的热空气进行解吸附,解吸附出来的浓缩气体通过过滤器、冷凝器、加热器、G-AC过滤器等设备,被浓缩气体送风机送入颗粒活性炭吸附筒处理,吸附后排放于大气中。吸附筒的活性炭通过水蒸气及压缩空气控制吸附桶上下挡板动作来完成解吸附,解吸附后的水蒸气经冷凝后变成浓缩液回收。此流程设计的有机废气含异丙醇、醋酸丁脂、二甲基亚砜、苯类等,有机气体浓度为65ppm,经高温转轮装置处理,平均去除率可达90%以上,排放到大气中的有机气体浓度小于6.5ppm,浓缩气体的体积约为原废气的1/15左右,浓度为原废气的12~13倍左右,活性碳吸附装置平均去除率可达95%以上。实际数据表明其非甲烷总烃排放浓度为1.55~90mg/m3,排放速率为0.010~0.155kg/h,均能达到相应的排放标准,其运行处理效果良好。
 图2某FAB的有机废气处理流程图 |
沸石浓缩转轮焚烧法也是目前被集成电路企业所广泛采用的有机气体处理方法。有机废气进入沸石转轮,转轮上的沸石吸附了废气中大部份有机成分,而使废气中有机成分的含量大幅低降低而成为较干净的空气,一部分较干净的气体排放至大气中,而另一部份气体则进入再生区,经再生区后的废气则含有高浓度的有机成分,这样可降低后续处理程序的操作成本。利用沸石浓缩转轮将大风量低浓度的废气浓缩为小风量高浓度,再以直热式(燃气式)焚化的方式,将有机成分转化为无害的CO2和水,以达到去除有机物的目的。沸石转轮浓缩燃烧系统的特点是可以进行动态吸附和解析,不存在吸附剂的饱和问题,适当的调整转轮的转速,再生温度、风量等,可得到相当良好的效果,对于有机成分的去除率在90%左右,浓缩倍数可达5~20。
3.4含尘废气处理方式
含尘废气可采用带过滤器件的过滤除尘器和洗涤塔。比如某FAB采用文丘里洗涤塔,通过pH控制NaOH的加入,使入口的SiO2粉尘浓度从40.0mg/Nm3处理成为出口浓度为2.0mg/Nm3,去除效率可达95%。
3.5工艺尾气处理方式
集成电路生产过程中使用的硅烷、磷烷等特殊气体基本上均为危险、有毒化学品,在生产装置的工艺排气中有未反应的气体、特殊气体钢瓶交换时也有气体排出,且发生意外时,有可能大量的工艺气体因泄漏而排出,必须就近进行安全处理。处理的方法有水洗式、干式吸附式、燃烧/加热分解式。特殊气体的燃烧机理为:
SiH4+O2→SiO2+2H2O
2PH3+4O2→P2O5+3H2O
燃烧后产生的副产物SiO2、B2O3等可沉淀,燃烧产生的尾气纳入含尘废气或酸性废气,进入洗涤塔集中处理。表1为工艺尾气处理方法。
表1为工艺尾气处理方法
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4结束语
集成电路作为高科技产业,必须加强各类污染物,特别是无形的工业废气的排放控制,这样能最大限度地保障人体健康,维护生态平衡。目前有些地方环境保护局已经制定了《半导体行业污染物排放标准》,将使各集成电路企业更加重视污染物的治理和控制。
参考文献
1.陈霖新等.洁净厂房设计与施工,中国化学工业出版社,2003
2.洪文雅.挥发性有机废气处理技术简介.台湾环保产业,2003.10.20
3.秦学礼.集成电路生产中废气的污染及治理.洁净与空调技术,2006(1)19-22
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