Как интегрированное термическое разложение и двухступенчатая водная очистка обеспечивают превосходное удаление отработанных газов в производстве полупроводников

Краткое содержание: При производстве полупроводников образуются потоки выхлопных газов, в которых одновременно присутствуют тепловые, химические и твёрдые частицы — силан, который разлагается с образованием липкой пыли диоксида кремния, NF3 и фторсодержащие соединения, требующие как высокотемпературного уничтожения, так и нейтрализации кислых газов, а также водород, создающий риск детонации. Ни одна из существующих технологий устранения выбросов — сухая адсорбция, мокрая очистка или термоокисление — не решает все три задачи одновременно.

WOFLY GTHW 600 — это установка для очистки газов от тепла и влаги, объединяющая электрическое термическое разложение с двухступенчатой водяной промывкой в насадочной башне в единой системе производительностью 600 л/мин. Установка специально спроектирована для обработки выхлопных газов процессов химического осаждения из газовой фазы (CVD), плазмо-химического осаждения из газовой фазы (PECVD) и сухого травления, где присутствуют смеси газов с различными типами опасности. В данной статье рассматриваются пятиступенчатый процесс очистки GTHW 600, инженерная логика конструкции с изолированными внутренней и внешней камерами, а также то, как интегрированная термо-влажная архитектура обеспечивает более высокие показатели по сравнению с автономными технологиями нейтрализации по ключевым параметрам, важным для инженеров полупроводниковых производств: эффективность уничтожения загрязняющих веществ, интервалы технического обслуживания и совокупная стоимость владения.

Часть 1: Почему автономные технологии нейтрализации не справляются с задачей обработки смесей газов

Выхлопные газы полупроводниковых процессов химически разнообразны, и такая сложность создаёт серьёзные трудности для систем нейтрализации, основанных на одном механизме:

Процессы CVD и PECVD с использованием силана (SiH4) приводят к образованию диоксида кремния (SiO2) в качестве побочного продукта горения — мелкого липкого порошка, который забивает адсорбционные слои сухих поглотителей в течение нескольких недель и покрывает сопла горелок в термических окислителях. Сухие скрубберы необходимо проектировать с запасом по мощности, чтобы компенсировать преждевременное насыщение фильтрующей среды из-за загрузки твёрдыми частицами; термические окислители требуют частой очистки горелок, что увеличивает затраты на техническое обслуживание.

Травильные процессы с использованием NF3, CF4 и SF6 генерируют кислые газы (HF, HCl), которые быстро разрушают металлические компоненты систем термической нейтрализации и превышают ёмкость нейтрализации кислот в однопроходных мокрых скрубберах. Для уничтожения этих газов необходимы как высокотемпературное разложение для разрыва прочных связей C–F и N–F, так и щелочная мокрая очистка для нейтрализации образующихся кислых паров.

Водород, используемый в качестве переносчика и газа для отжига, создаёт риск взрывного горения при термической нейтрализации. Системы на основе сжигания должны учитывать чрезвычайно широкий диапазон воспламеняемости водорода (4–75 %) и применять тщательное разбавление, а также специальную конструкцию пламегасителей. Сухие скрубберы, работающие при комнатной температуре, полностью исключают такой риск, однако не способны в промышленных масштабах обрабатывать сопутствующие силан и кислотные газы.

Интегрированная архитектура модели GTHW 600 решает проблему смешанных газов поэтапной схемой очистки: термическое разложение устраняет газы с высокой энергией химических связей, промывка водой нейтрализует кислотные побочные продукты и улавливает твёрдые частицы, а инженерное исполнение материалов системы — реакционная камера с покрытием из тефлона, водоём из полипропилена (PP), азотный газовый занавес для изоляции от влаги — гарантирует, что коррозионно-активные побочные продукты не вызывают деградации оборудования.

Часть 2: Пятиступенчатый процесс очистки — принцип работы GTHW 600

Этап 1 — централизованный входной патрубок с продувкой азотом (N2). Шесть входных патрубков технологического газа KF40 подают газ в центральный коллектор, который одновременно снижает скорость газа и увеличивает время пребывания в зоне высокой температуры. Автоматическая функция продувки азотом (N2) предотвращает накопление пыли в коллекторе входного патрубка — это устраняет наиболее распространённую проблему технического обслуживания, о которой сообщают техники по оборудованию фабрик для многосекционных систем очистки газов. Снижение скорости газа в точке входа, а не за счёт регулирования потока на выходе, обеспечивает полное термическое воздействие без увеличения габаритов реакционной камеры.

Этап 2 — высокотемпературное термическое разложение. Реакционная камера оснащена электрическими нагревательными стержнями, работающими по принципу изоляции внутренней и внешней камер: нагревательные элементы расположены во внешней камере и передают тепло через стенку камеры газам процесса, циркулирующим во внутренней камере. Это — самое важное проектное решение в установке GTHW 600. В конструкциях с непосредственным контактом нагревателя — когда нагревательный элемент подвергается прямому воздействию потока газов процесса — коррозионные газы и осаждение твёрдых частиц приводят к деградации поверхности нагревателя, образованию локальных перегревов, снижению тепловой эффективности и, в конечном счёте, преждевременному выходу нагревателя из строя. Изолированная конструкция GTHW 600 полностью исключает данный механизм отказа. Нагревательные стержни никогда не контактируют с газами процесса. Поверхность внутренней камеры покрыта тефлоном для обеспечения коррозионной стойкости. В результате срок службы нагревателей значительно увеличивается, а количество незапланированных технических обслуживаний сокращается по сравнению с системами термической нейтрализации с непосредственным контактом.

Этап 3 — охлаждение водяной завесой и изоляция азотной газовой завесой. По мере выхода термически разложившихся газов из реакционной камеры они проходят через равномерную водяную завесу, выполняющую двойную функцию: охлаждение газового потока для защиты компонентов ниже по потоку и — что особенно важно — предотвращение оседания пыли диоксида кремния, образующейся при разложении силана, на стенках трубки. Без этой водяной завесы накопление порошка SiO2 постепенно сузит выпускной канал, повысит противодавление и в конечном счёте потребует механической очистки. За водяной завесой следует азотная газовая завеса, создающая барьер против влаги, который изолирует пары воды от компонентов выше по потоку и замедляет внутреннюю коррозию металлических участков.

Этап 4 — двухступенчатая мокрая очистка в насадочной башне. Охлаждённый газ, свободный от пыли, поступает в насадочную очистную башню с двумя форсунками. Насадочный материал — инертный структурированный материал с высоким отношением площади поверхности к объёму — обеспечивает максимальный контакт газа с жидкостью, что гарантирует эффективное поглощение кислотных побочных продуктов (HF, образующегося при разложении NF3, и HCl, образующегося при разложении DCS) в циркулирующий водяной поток. Двухступенчатая конструкция обеспечивает последовательную очистку: первая ступень удаляет основную кислотную нагрузку, вторая — выполняет финишную очистку. Датчик температуры на выходе из башни непрерывно контролирует температуру отходящего газа, обеспечивая данные в реальном времени для систем аварийной блокировки и анализа тенденций.

Этап 5 — контролируемый отвод газа и активный отвод энергии. Очищенный газ выходит через выпускной порт процесса ISO100, предназначенный для подключения к центральной системе отвода газа фабрики при разрежении от −100 до −50 мм H₂O. Отдельный выпускной порт шкафа ISO100 обеспечивает вентиляцию корпуса. Водяной резервуар из ПП (полипропилена) имеет многоуровневую барьерную структуру, предотвращающую попадание посторонних частиц в насос рециркуляции. Отвод жидкости осуществляется активно — с помощью электрического дренажного насоса, а не за счёт силы тяжести; производительность насоса составляет до 230 л/мин при напоре до 16 м, а комбинация пневматического шарового клапана и обратного клапана исключает обратный поток. Такая активная система дренажа устраняет необходимость в подземном дренажном подключении, упрощая интеграцию оборудования в существующие инженерные сети фабрики.

Часть 3: GTHW 600 по сравнению с сухой адсорбцией и сжиганием — когда комплексное термо-влажностное решение оказывается наиболее эффективным

Выбор между сухой адсорбцией, сжиганием и термически-влажной очисткой — это не вопрос того, какая технология «лучше», а вопрос соответствия состава газового потока. Интегрированная термически-влажная архитектура GTHW 600 является предпочтительным решением, когда отработанный газ процесса одновременно содержит термически стабильные соединения (NF3, CF4, SF6), требующие уничтожения при высокой температуре, предшественники кислотообразования (DCS, хлорсодержащие травильные реагенты), требующие мокрой очистки, и газы, образующие частицы (SiH4), которые забивают сухие фильтрующие среды.

Три эксплуатационных параметра, по которым GTHW 600 отличается от автономных альтернатив:

Срок службы нагревателя — доминирующая статья расходов на техническое обслуживание в системах термического улавливания. В скрубберах сжигающего типа, использующих нагреватели прямого контакта, нагревательный элемент подвергается непрерывному коррозионному воздействию и осаждению частиц на его поверхности. Изоляция внутренней и внешней камер в модели GTHW 600 в сочетании с тефлоновым покрытием поверхности внутренней камеры полностью отделяет нагреватель от среды технологического газа. Это не просто постепенное повышение долговечности нагревателя — это принципиальное различие в механизме отказа. Нагреватели в конструкциях с изолированной камерой выходят из строя вследствие обычной усталости при циклических тепловых нагрузках; нагреватели в конструкциях прямого контакта выходят из строя из-за химического воздействия. Разница в интервалах технического обслуживания между этими двумя типами отказов измеряется кратными значениями, а не процентами.

Обработка твердых частиц — основная статья расходов на техническое обслуживание при сухой адсорбции. В слоях среды сухих скрубберов, обрабатывающих выхлопные газы, содержащие силан, накапливается порошок SiO2, который заполняет межчастичные пространства между адсорбентными частицами, повышая противодавление и снижая контакт газа с активными поверхностями адсорбента. Среду необходимо заменять не потому, что исчерпана её химическая адсорбционная ёмкость, а потому, что слой физически забивается. Водяная завеса GTHW 600 улавливает твёрдые частицы в жидкой фазе и выводит их через систему сброса мощности — твёрдой среды, способной забиваться, нет, и не возникает внеплановых замен из-за накопления частиц.

Потребление воды и жидкие отходы — основная проблема эксплуатационных затрат при мокром скруббинге. GTHW 600 обеспечивает рециркуляцию воды для скруббинга через полипропиленовый резервуар, а пополнение водой из городской сети составляет всего 3–5 л/мин. Система сброса мощности выводит сточные воды в контролируемых интервалах, а не непрерывно, что снижает общий расход воды по сравнению с однократными мокрыми скрубберами. Для фабрик в регионах с дефицитом воды такая архитектура рециркуляции является значимым операционным преимуществом.

Часть 4: Сертификация SEMI S2 и интеграция FMCS

Модель GTHW 600 имеет сертификат SEMI S2 — международный стандарт безопасности для оборудования, используемого в производстве полупроводников. Для команд по закупкам на фабриках этот сертификат устраняет необходимость независимой оценки безопасности, ускоряет процесс квалификации поставщиков и удовлетворяет требования страховых компаний и регуляторных органов к документации. Сертификат охватывает электробезопасность, противопожарную защиту, эргономику и маркировку предупреждений об опасности — весь спектр параметров безопасности оборудования, которые инженеры объекта обязаны проверить перед получением разрешения на установку.

Стандартный коммуникационный блок и трёхцветный башенный индикатор (Работа/Ожидание/Тревога) обеспечивают немедленную визуальную индикацию состояния на производственной площадке и поддерживают интеграцию с системой управления производством (FMCS) через протоколы Modbus RTU/TCP и другие промышленные протоколы. Это преобразует очиститель из автономного вспомогательного устройства в контролируемый и документируемый узел в сети управления объектом — требование для фабрик, работающих в соответствии со стандартом ISO 14001 по экологическому менеджменту или стремящихся к соблюдению стандарта SEMI S23 по энергосбережению.

Вывод. Интегрированная термо-влажная архитектура GTHW 600 — это не компромисс между термическим окислением и мокрым скруббингом, а осознанный инженерный выбор для газовых потоков, требующих обоих методов. Для полупроводниковых фабрик, обрабатывающих химию CVD-силиана, травильные фторированные газы и водородсодержащие отходы через единую систему нейтрализации, вопрос заключается не в выборе между термической и мокрой обработкой. Вопрос состоит в том, объединяет ли система оба этих метода — с соответствующим материаловедческим решением для выдерживания коррозионных побочных продуктов такой совместной обработки и конструкцией изоляции, обеспечивающей интервалы технического обслуживания, синхронизированные с запланированными остановками фабрики, а не с незапланированными простоями оборудования.

Контактное лицо по вопросам СМИ и профиль компании

Компания Shenzhen Wofly Technology Co., Ltd. — это сертифицированный по стандарту ISO производитель промышленных компонентов газовых систем и инженерных решений для очистки выбросов со стажем 15 лет. В ассортименте WOFLY представлены скрубберы тепла и влаги GTHW 600, сухие скрубберы D-200S, шкафы для газовых баллонов, редукторы давления, клапаны и высокочистые коллекторные системы, которые используются в полупроводниковой, фотоэлектрической солнечной, лабораторной и химической отраслях более чем в 30 странах. Для технической консультации, оценки, специфичной для конкретного газа, или предложений по конфигурации систем обращайтесь в Инженерную группу WOFLY по адресу www.szwofly.com .