近年来，随着半导体行业的快速发展，生产工艺对房间的温度、湿度及洁净度的要求逐渐提高。

在一些半导体生产厂房里，存在温度精度要求±0.2℃、湿度精度要求±5%及洁净等级为Class 1级的洁净房间，如表1所示。根据ISO 14644^－1空气洁净度等级划分，Class 1级受控环境中控制微粒从0.5μｍ缩小至0.1μｍ。为保证生产区域原材料、敏感设备、生产制程等对温湿度的严苛要求，需要有高效、可靠的温湿度控制方法，同时需要以最小的能耗来实现。

1、半导体芯片生产工艺流程概述

从硅圆片制成半导体器件，按大工序可分为前道工艺和后道工艺。其中前道工艺最终目的是在硅圆片上制作出ＩＣ电路，细分为300～400道工序，按工艺性质分为“成膜工艺”———形成各种薄膜材料、“光刻工艺”———薄膜上形成图案并刻蚀、“掺杂工艺”———硅中掺杂微量导电性质杂质；后道“键合工艺”———将芯片电极与金线连接、“封装”———把芯片封入模压塑封料中。以上工艺中，对建造环境要求最为严格的是光刻工艺。本文介绍的暖通技术措施即为保障光刻工艺的实现。

高精度半导体洁净室的实现需要从送风系统、干盘管布置、气流组织、房间压力梯度及空调自控系统几个维度入手。另外，需要与其他专业紧密配合，这样才能有效控制洁净室的洁净度、温度、湿度等各项关键指标。

2、暖通空调系统技术要求

成都某半导体项目厂区工程项目为ISO 1级洁净室，面积为4954.95㎡，层高1层4.8ｍ、2层7.3ｍ，体积为59459.4 m³。

洁净室内空气状态点参数要求如下：干球温度t＝23±0.2℃；相对湿度φ＝55±5%；采用MAU（新风处理机组）－DCC（干盘管）－FFU（风机过滤单元）系统，新风经过MAU净化处理后与经过DCC处理的回风混合，然后通过洁净室顶棚经FFU送入洁净室。

采用3台相同的MAU，两用一备方式。规格：每台风量50000m³/h；洁净室空气的露点温度：13.1℃；洁净室正压：10Pa。

2.1送回风系统

MAU＋DCC＋FFU空调系统的3个组成部分，分别负责洁净车间的3个主要参数：MAU主要负责湿度的控制；DCC主要负责温度的控制；FFU主要负责洁净度的控制。

温度、湿度、洁净度分别独立控制的系统可以满足洁净等级，温、湿度高精度控制。根据以往国内的项目经验及对空间生产环境洁净度要求的理解，并综合考虑项目的实际运行操作情况，最终选用全新风空调系统／空气盘管／混合回路结构、温湿度独立控制方式，冷水系统中一次侧固定转速泵加阀门调节流量（定流量）；二次侧采用变频定压调节流量（变流量）；干盘管及阀组管路为三次侧，采用固定转速泵加旁通阀与平衡阀组成混水阀组，满足干盘管温度控制需求，3种方式保障控制需求，这样能适应项目的要求。

2.1.1 MAU

1）新风量：新风量Ｌ＝Ｍａｘ｛排风量＋正压风量，人员新风量}。

2）送风露点含湿量：露点含湿量＝室内状态点含湿量－室内散湿量×1000÷（新风量×空气密度）。

3）送风状态点：根据计算出的露点含湿量在焓湿图上确定送风露点，送风露点通过风机温升后确定送风状态点。

4）注意事项：若送风露点偏低，需注意冷水进出水温度的选择。

5）温度探测器的精度为±0.03℃，由温湿度计算出露点温度。

2.1.2 DCC

1）风量：总送风量＝FFU送风量－MAU送风量。

2）冷量：总冷量＝室内计算冷负荷－新风处理室内部分负荷。室内冷负荷计算时需注意不能漏掉FFU风机的负荷。

3）干盘管的选型主要考虑2个因素：首先由FFU压头决定的，干盘管压损不得大于40Pa，面风速不大于2m/s，由循环风量可确定干盘管的通风面积；干盘管的冷量需满足负荷的要求，确定出风温度为21.4℃。

4）该项目干盘管翅片材料为亲水铝，翅片穿光身铜管，汇管为无缝钢管，换热器两排，配有排水阀、自动排气阀，出于防微震的考虑，选择碳钢法兰，不锈钢软连接。

5）干盘管围绕核心区环状布置，如图1所示。

为了满足面风速要求，部分区域采用Ｖ形布置，以增大过风面积。为了避免空气旁流，干盘管周边采用钢隔板密封。

6）湿度探头的精度为±0.08%，阀门选择可调比150:1，压差精度为0.15。

2.1.3 FFU

1）过滤效率：千级、百级建议用Ｈ14，十级建议用Ｕ15，一级建议用Ｕ16。并且在新风机组有粗效、中效、高效过滤器，室内循环的FFU为Ｕ16超高效过滤器，按设备机台布置，核心区满布率为88%，如图2、表2所示。

2）注意事项：FFU余压选择建议≤95Pa（DCC阻力40Pa，回风夹道阻力40Pa，预留40Pa）。

3）计算过程如下：

风量1980m³/h，过滤效率99.99995%。总循环风量4883540m³/h。换气次数＞200ｈ^－1。

洁净室对室外大气正压10Pa。总送风量1980m³/h×2342＋970m³/h×254＝4883540m³/h。

洁净室换气次数：4883540m³/h÷4040÷5＝242 m³/h。满布率：（1.2×1.2×2342＋1.2×0.6×254）÷4040＝88%。

FFU是化学污染控制主要装置，该项目超高效过滤器的材质选择的是低硼玻纤。风速0.45m/s，均匀度±10%。空调系统／空气盘管／混合回路控制系统的空气处理过程如图3所示。

夏季室外新风Ｗ经MAU组净化降温减湿（减焓降湿降温）、再热处理（加热器（蒸汽、热水、电）干式加热）后送入顶棚。为使洁净室的温湿度控制得更平稳。将处理后的新风调整到洁净室的要求状态点Ｎ，由PLC实现净化新风的精确控制。

由于MAU组采用了喷淋净化水（纯化水）的喷淋段和再热段，所以Ｌ状态点应是MAU机器露点，位于N点的垂直下方。经过安装在回风道上的干盘管处理后的Ｈ状态点回风在顶棚内与经过MAU组处理的新风混合，形成Ｏ状态点的送风，再由FFU加压过滤送入洁净室内。送入室内的洁净空气吸收显热后变为室内状态点Ｎ，一部分由工艺设备的排风装置排到室外，另一部分再经干盘管处理后作回风使用。

2.2 排风系统

该项目排风系统由一般热排风、酸性排风、碱性排风、有机排风组成。风机设置在屋顶，设置洗涤塔喷淋洗涤吸收，排风经净化处理，达到排放标准后，通过排风烟囱高空排放至大气中。

洗涤塔系统是由数套水平交叉流式洗涤塔并联运转而成，以维持一固定排气静压。每套洗涤塔，包括洗涤器、风机（每种排风系统均有1组备用风机，当1台停止运转时，其余风机自动提速）、循环水泵、洗涤塔入口关断风阀、风机出口止回风阀、烟囱、监测仪器和所有其他必须的控制仪表板等。

洗涤塔采用卧式洗涤塔。每套洗涤塔必须装设有2台循环喷淋水泵，其中1台作为备用。管材选择考虑到废气的腐蚀性及易燃性，如表3所示。

对于腐蚀性的气体，要对特氟龙风管进行电火花和超声波测试，分别检测特氟龙涂料是否有空隙及厚度是否达到0.2㎜。酸性排风、碱性排风和有机排风管按顺气流方向3‰坡度安装，并在风管最低点处及水平管每隔20ｍ处设置1个放液管，放液管上带upvc球阀（适用酸碱排风）或不锈钢球阀（适用有机排风）。

3、自控系统

3.1温湿度独立控制空调系统简述

采用2套独立的系统分别控制和调节室内湿度和温度，避免常规系统中温湿度联合处理所带来的能源浪费和空气品质的降低；由新风来调节湿度，显热干式盘管末端DCC主要调节温度，可满足房间热湿比不断变化的要求，避免室内湿度、温度相互掣肘的现象。

3.2空间温湿度调节的工程实施———风系统部分应用

3.2.1控制系统的空气温度处理过程

在温度控制中，主要是通过调节显热处理装置的制冷量来控制室内温度。通过设置在空调房间或回风道的温湿度传感器反馈的数据，PLC可以得到各空调房间需求冷量与当前供冷量的关系。

送风露点采用典型的串级调节：将调节过程分成2个时间常数差别较大的过程，分别进行调节，可以有效解耦，实现更好的控制，如图4所示。

空气处理闭环调节的实现：根据空调箱出口空气状态调节，如表4所示。

3.2.2控制系统的空气湿度处理过程

在湿度控制中，风机除湿段能够接收上级控制系统（模块）的调节命令，对送风的含湿量和风量进行调节，考虑到自动控制系统的复杂性和可靠性，MAU的送风含湿量均设定在设计工况下（通过风机段的温湿度传感器测量送风含湿量并反馈到MAU控制模块，通过该控制模块调节送风含湿量到设定值），调节房间的送风量实现对湿度的控制。

虽然送风温度对房间负荷有一定的影响，但由于MAU送风温度低于室内温度，且温湿度独立空调系统有单独的温度控制方式，因此对送风温度一般不再单独调节。

在各空调房间设置温度和（相对）湿度传感器，PLC可以通过房间当前温湿度状态得到该房间需求的新风量，并控制相应末端风机的风量到需求值，满足湿度控制要求。通过放置在MAU送风口的压力传感器控制送风机的频率，保持MAU送风口的压力稳定，以保证在部分房间风量变化时其他房间风量维持不变。

需要注意：

1）系统设计时选择的MAU风量要合适，在最不利工况下需要的风量不得超过MAU额定风量；

2）应合理布置送、回风道，特别是送风道要能够保证最不利工况（风量最小或负荷最大）房间的送风量能够满足要求。

3.3空间温湿度调节的工程实施———水系统部分应用

3.3.1多台冷水机组的定流量系统在温湿度调节系统中的应用

采用管路容量充当耦合罐调节效率，因管路储水量较小方便系统温度快速调节，调节速度快，反应时间短，效果明显。

为改变实际的控制问题，采用一次侧固定转速泵加阀门调节流量（定流量）；二次侧变频定压调节流量（变流量）；三次侧固定转速泵加旁通阀门内循环末端小循环方式，少量进水末端循环，实际温度调节效果明显。

二次侧不仅起到再次平衡系统水压作用，更是通过二次混水使一次侧供／回水温度６℃／12℃混合达到14℃／1８℃，维持初级调节水温及防止管道结露（室内露点温度13.1℃）。对于有连续调节水阀的末端系统，二级泵水量大于一级泵水量，出现逆向混水、供回水温差过小时，可通过降低供水温度，降低二级泵水量，提高供回水温差。

3.3.2回风干盘管温度控制

通过温度控制调节阀调整热工况，通过二次侧水泵改变冷水温度，改善末端的运行，处于中低负荷状态时，流量控制可能造成换热表面上下小温差.使用温度控制需要注意降低这种风险。由于设备布局问题会产生不同区域发热量差异较大，对参数条件要求差异较大的区域，实行分区控制。

管路系统的控制意味着不仅是针对设备的控制，而且是针对整体系统的最优化解决方案，包含恒定曲线、恒定压力、比例压差、温度控制、恒定流量等方面的考虑。

4、调试验证

为了验证上述控制区间的设计构思能否获得高精度的温度场和速度场，根据回风夹道的区域模型作CFD模拟（气流流行、温度场及断层分布、速度场及断层分布）。根据气流流行模型图和给出的条件进行控制区域CFD模拟，其速度场和温度场选取回风温度探头设置点，保证最不利回风区域及各个区域的回风温度都是均匀的，且精度较高，由于温度滞后性大，温度PID调节模型采用Ziegler－Nichols模型设定参数。

4.1温度场模拟（5ｍ设备高度中心）

温度场模拟结果如图5所示。

温度控制系统：为了达到整个空间温度场±0.2℃的控制目标，在回风夹道重要部位设置温度传感器，分组对回风夹道面积及设备发热量进行计算，实现区域闭环控制，保证整个空间温度场均匀。温度控制器及调节阀采用较为成熟的HART协议传输，保证信号的快速及准确性，控制效果取决于PID参数的整定，经过多次实验，确定最佳参数。系统可近似认为是一个固定参数的线性定常系数系统，故PID算法对系统温度的控制非常有效。

4.2速度场模拟（5ｍ设备高度中心）速度场模拟结果如图6所示。

系统风速、风量对温度的均匀性、洁净度有重要影响。通过对回风夹道风速均匀性的测试，调整不同部位的风速，可缩短温度平衡时间，加快温度场均匀的速度。

5、结论

随着超大规模集成电路生产技术持续飞速发展，对受控生产环境的要求越来越严苛。温度、湿度、洁净度的细微变化都将导致产品的良率下降。经实践证明，MAU＋FFU＋DCC的空调处理模式、现代的模拟技术、高精度的控制仪表系统，能够最终实现制程要求。以下是核心注意点，在厂务建设中需慎之又慎。

1）温度精度要求±0.2℃、湿度精度要求±５%及洁净等级为1级的洁净恒温恒湿间，可以采用MAU＋FFU＋DCC空调系统，运用DCC冷水供水温度与室温相差不大且供回水小温差的精调方式来满足洁净室的温度、湿度高精度控制要求，节能且控制精度较高。

2）将温度、湿度、洁净度独立控制，末端采用电动水阀精调代替末端风管电加热精调，最大限度减少了冷热抵消的现象。

3）DCC的布置和选型是实现洁净室温度控制的主要措施，为了满足DCC面风速要求，实现换热效果，由于空间限制往往需要呈Ｖ形布置以增大过风面积。

4）FFU配有去除ＡＭＣ有机分子的化学过滤功能，是减少化学分子污染控制的关键措施。