Cách thức tích hợp phân hủy nhiệt và làm sạch khí thải hai giai đoạn bằng nước đạt hiệu quả xử lý khí thải vượt trội trong sản xuất bán dẫn

Tóm tắt: Quy trình sản xuất bán dẫn tạo ra các luồng khí thải kết hợp đồng thời các thách thức về nhiệt, hóa chất và hạt rắn trong một dòng duy nhất — silan phân hủy thành bụi silicon dioxide dính, NF3 và các hợp chất florua đòi hỏi cả quá trình phá hủy ở nhiệt độ cao lẫn trung hòa khí axit, và hydro làm gia tăng nguy cơ cháy nổ.

Bộ làm sạch nhiệt-ẩm WOFLY GTHW 600 tích hợp phân hủy nhiệt điện với công nghệ làm sạch bằng nước trong tháp đệm hai giai đoạn, tất cả trong một hệ thống duy nhất có lưu lượng 600 LPM, được thiết kế đặc biệt nhằm xử lý luồng khí thải hỗn hợp đa chất và đa nguy cơ từ các quy trình CVD, PECVD và ăn mòn khô. Bài viết này phân tích quy trình xử lý năm giai đoạn của GTHW 600, lý do kỹ thuật đằng sau thiết kế cách ly buồng trong/buồng ngoài, cũng như cách kiến trúc tích hợp giữa nhiệt và ẩm của thiết bị vượt trội hơn các công nghệ khử độc độc lập trên ba tiêu chí then chốt mà kỹ sư nhà máy bán dẫn quan tâm: hiệu suất phá hủy, khoảng thời gian bảo trì và tổng chi phí sở hữu.

Phần 1: Vì sao các công nghệ khử độc độc lập không đáp ứng được thách thức khí thải hỗn hợp

Luồng khí thải từ quy trình bán dẫn có thành phần hóa học rất đa dạng, gây áp lực lên các hệ thống khử độc chỉ dựa vào một cơ chế duy nhất:

Các quy trình CVD và PECVD sử dụng silan (SiH4) tạo ra silicon dioxide (SiO2) như một sản phẩm phụ của quá trình cháy — một dạng bột mịn, dính, gây tắc nghẽn các lớp vật liệu hấp phụ khô trong vòng vài tuần và bám phủ các vòi phun đốt trong các bộ oxy hóa nhiệt. Các bộ lọc khô cần được thiết kế có kích thước lớn hơn mức cần thiết để bù đắp cho hiện tượng bão hòa sớm của vật liệu lọc do tải hạt; các bộ oxy hóa nhiệt đòi hỏi việc làm sạch vòi phun đốt thường xuyên, dẫn đến chi phí nhân công bảo trì tăng cao.

Các quy trình ăn mòn sử dụng NF3, CF4 và SF6 sinh ra các khí axit (HF, HCl), nhanh chóng ăn mòn các thành phần kim loại trong các hệ thống xử lý nhiệt và vượt quá khả năng trung hòa axit của các bộ lọc ướt một lần đi qua. Những khí này yêu cầu cả quá trình phá hủy ở nhiệt độ cao nhằm cắt đứt các liên kết C-F và N-F bền vững, đồng thời cần xử lý bằng bộ lọc ướt kiềm để trung hòa hơi axit sinh ra.

Khí hydro, được sử dụng làm khí mang và khí ủ, gây ra nguy cơ nổ trong quá trình xử lý nhiệt. Các hệ thống dựa trên nguyên lý cháy phải kiểm soát dải dễ cháy rộng của hydro (4–75%) thông qua việc pha loãng cẩn thận và thiết kế bộ ngăn lửa phù hợp. Các bộ làm sạch khô, hoạt động ở nhiệt độ môi trường, hoàn toàn loại bỏ nguy cơ này nhưng không thể xử lý đồng thời silan và các khí axit với quy mô lớn.

Kiến trúc tích hợp của GTHW 600 giải quyết thực tế về hỗn hợp khí đa dạng này bằng một chuỗi xử lý tuần tự: phân hủy nhiệt xử lý các khí có năng lượng liên kết cao; rửa bằng nước trung hòa các sản phẩm phụ dạng axit và thu giữ các hạt rắn lơ lửng; đồng thời, việc kỹ thuật vật liệu của hệ thống — buồng phản ứng phủ Teflon, bể nước làm bằng PP, và màn chắn độ ẩm bằng khí N2 — đảm bảo rằng các sản phẩm phụ ăn mòn không làm suy giảm thiết bị.

Phần 2: Quy trình xử lý năm giai đoạn — Cách thức hoạt động của GTHW 600

Giai đoạn 1 — Cổng vào tập trung với làm sạch bằng N2. Sáu cổng vào khí quy trình KF40 cấp khí vào một ống dẫn tập trung ở trung tâm, đồng thời làm giảm vận tốc khí và kéo dài thời gian lưu trong vùng nhiệt độ cao. Chức năng làm sạch tự động bằng N2 ngăn ngừa sự tích tụ bụi tại ống dẫn tập trung ở cổng vào — giải quyết điểm bảo trì gây khó chịu nhất mà kỹ thuật viên thiết bị nhà máy sản xuất (fab) thường báo cáo đối với các hệ thống bộ lọc nhiều cổng. Bằng cách làm chậm vận tốc khí ngay tại điểm đầu vào thay vì dựa vào điều khiển dòng chảy ở hạ lưu, thiết kế ống dẫn tập trung đảm bảo tiếp xúc nhiệt đầy đủ mà không làm tăng diện tích buồng phản ứng.

Giai đoạn 2 — Phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao. Buồng phản ứng sử dụng các thanh gia nhiệt điện được bố trí theo thiết kế cách ly giữa buồng trong và buồng ngoài: các thanh gia nhiệt đặt trong buồng ngoài và truyền nhiệt qua thành buồng vào dòng khí xử lý chảy trong buồng trong. Đây là quyết định thiết kế quan trọng nhất của hệ thống GTHW 600. Trong các thiết kế gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp — khi bộ phận gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp với dòng khí xử lý — khí ăn mòn và sự lắng đọng hạt rắn làm suy giảm bề mặt gia nhiệt, gây ra các điểm nóng cục bộ, làm giảm hiệu suất nhiệt và cuối cùng dẫn đến hỏng sớm bộ gia nhiệt. Thiết kế cách ly của GTHW 600 loại bỏ hoàn toàn cơ chế hỏng hóc này. Các thanh gia nhiệt không bao giờ tiếp xúc với khí xử lý. Bề mặt buồng trong được phủ lớp Teflon để chống ăn mòn. Kết quả là tuổi thọ vận hành của bộ gia nhiệt tăng đáng kể và nhu cầu bảo trì ngoài kế hoạch giảm so với các hệ thống khử chất thải nhiệt tiếp xúc trực tiếp.

Giai đoạn 3 — Làm mát bằng màn nước và cách ly bằng màn khí nitơ (N₂). Khi các khí bị phân hủy nhiệt thoát ra khỏi buồng phản ứng, chúng đi qua một màn nước đồng đều, thực hiện hai chức năng: làm mát dòng khí nhằm bảo vệ các thành phần phía hạ lưu, và đặc biệt là ngăn bụi silica sinh ra từ quá trình phân hủy silan bám vào thành ống. Nếu không có màn nước này, lượng bột SiO₂ tích tụ sẽ dần thu hẹp đường thoát khí, làm tăng áp suất ngược và cuối cùng đòi hỏi phải làm sạch cơ học. Một màn khí nitơ (N₂) được đặt ngay sau màn nước, tạo thành một rào cản hơi ẩm nhằm cách ly hơi nước khỏi các thành phần phía thượng lưu và làm chậm quá trình ăn mòn bên trong các phần kim loại.

Giai đoạn 4 — Làm sạch ướt bằng tháp đóng gói hai cấp. Khí đã được làm mát và không có bụi đi vào tháp làm sạch đóng gói có hai vòi phun. Vật liệu đóng gói — vật liệu cấu trúc trơ có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao — tối đa hóa tiếp xúc giữa khí và chất lỏng, đảm bảo các sản phẩm phụ axit (HF từ quá trình phân hủy NF3, HCl từ quá trình phân hủy DCS) được hấp thụ hiệu quả vào dòng nước tuần hoàn. Thiết kế hai cấp cung cấp quy trình làm sạch tuần tự: cấp đầu tiên xử lý phần lớn tải axit, cấp thứ hai thực hiện giai đoạn hoàn thiện. Một cảm biến nhiệt độ tại đầu ra của tháp liên tục giám sát nhiệt độ khí thải, cung cấp dữ liệu quy trình thời gian thực cho các khóa an toàn và phân tích xu hướng.

Giai đoạn 5 — Thải khí có kiểm soát và xả năng lượng. Khí đã xử lý thoát ra qua cổng thải quy trình ISO100, được thiết kế để kết nối với hệ thống thải trung tâm của nhà máy ở áp suất âm từ -100 đến -50 mmH2O. Một cổng thải tủ riêng biệt theo tiêu chuẩn ISO100 đảm nhiệm thông gió cho buồng bao phủ. Bể chứa nước làm bằng PP (polypropylene) có cấu trúc nhiều lớp chắn nhằm ngăn vật thể lạ xâm nhập vào bơm tuần hoàn. Việc xả nước được điều khiển chủ động bởi bơm xả điện — không dựa vào trọng lực — với lưu lượng đạt 230 LPM ở cột áp tối đa 16 mét, kết hợp van bi điều khiển khí nén và van một chiều để ngăn dòng chảy ngược. Thiết kế xả chủ động này loại bỏ yêu cầu bắt buộc phải kết nối với đường ống xả nằm dưới mặt sàn, giúp đơn giản hóa việc tích hợp vào bố trí cơ sở hạ tầng hiện có của nhà máy.

Phần 3: So sánh GTHW 600 với phương pháp hấp phụ khô và đốt cháy — Khi giải pháp nhiệt-ẩm tích hợp mang lại ưu thế

Sự lựa chọn giữa hấp phụ khô, đốt cháy và xử lý nhiệt-ướt không phải là việc xác định công nghệ nào "tốt hơn" — mà là xác định công nghệ nào phù hợp với thành phần dòng khí thải. Kiến trúc tích hợp nhiệt-ướt của GTHW 600 là lựa chọn ưu tiên khi khí thải quy trình đồng thời chứa các hợp chất bền nhiệt (NF3, CF4, SF6) cần phá hủy ở nhiệt độ cao, các tiền chất tạo axit (DCS, hóa chất ăn mòn dựa trên clo) cần rửa ướt, và các khí tạo bụi (SiH4) gây tắc nghẽn môi trường hấp phụ khô.

Ba chỉ số vận hành thể hiện sự khác biệt của GTHW 600 so với các giải pháp độc lập:

Tuổi thọ bộ gia nhiệt — chi phí bảo trì chủ đạo trong hệ thống khử chất ô nhiễm bằng nhiệt. Các thiết kế bộ gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp trong bộ làm sạch kiểu đốt cháy chịu tác động ăn mòn liên tục và sự bám tụ các hạt trên bề mặt phần tử gia nhiệt. Việc cách ly buồng trong/buồng ngoài của GTHW 600, kết hợp với lớp phủ Teflon trên bề mặt buồng trong, tách biệt hoàn toàn bộ gia nhiệt khỏi môi trường khí quy trình. Đây không phải là một cải tiến nhỏ về độ bền bộ gia nhiệt — mà là một khác biệt căn bản về cơ chế hư hỏng. Bộ gia nhiệt trong các thiết kế có buồng cách ly hư hỏng do mỏi nhiệt từ chu kỳ gia nhiệt/làm nguội thông thường; còn bộ gia nhiệt trong các thiết kế tiếp xúc trực tiếp hư hỏng do tấn công hóa học. Khoảng thời gian bảo trì giữa hai cơ chế hư hỏng này chênh lệch theo bội số, chứ không phải theo phần trăm.

Xử lý các hạt rắn — chi phí bảo trì chủ yếu trong quá trình hấp phụ khô. Các lớp vật liệu làm sạch khô xử lý khí thải chứa silan sẽ tích tụ bột SiO2, làm đầy các khoảng trống giữa các hạt chất hấp phụ, dẫn đến tăng áp suất ngược và giảm tiếp xúc giữa khí với các bề mặt chất hấp phụ hoạt tính. Vật liệu phải được thay thế không phải do khả năng hấp phụ hóa học đã cạn kiệt, mà do lớp vật liệu bị tắc nghẽn cơ học. Màn nước của thiết bị GTHW 600 bắt giữ các hạt rắn ở pha lỏng và xả chúng ra ngoài qua hệ thống thoát nước có công suất — không có vật liệu rắn nào để bị tắc và không cần thay thế đột xuất do tải hạt rắn.

Tiêu thụ nước và chất thải dạng lỏng — vấn đề chi phí vận hành nổi bật nhất trong phương pháp làm sạch ướt. GTHW 600 tái sử dụng nước làm sạch thông qua bể chứa PP, chỉ bổ sung nước từ mạng lưới cấp nước đô thị ở mức 3–5 LPM. Hệ thống xả điện năng thải nước thải theo các khoảng thời gian được kiểm soát thay vì liên tục, giúp giảm tổng lượng nước tiêu thụ so với các thiết kế bộ làm sạch ướt một lần. Đối với các nhà máy sản xuất bán dẫn (fab) tại những khu vực khan hiếm nước, kiến trúc tái sử dụng này tạo ra sự khác biệt vận hành đáng kể.

Phần 4: Chứng nhận SEMI S2 và tích hợp FMCS

GTHW 600 đạt chứng nhận SEMI S2 — tiêu chuẩn an toàn quốc tế dành cho thiết bị sản xuất bán dẫn. Đối với các đội mua sắm tại nhà máy sản xuất chip (fab), chứng nhận này loại bỏ nhu cầu đánh giá an toàn độc lập, đẩy nhanh quy trình xác minh nhà cung cấp và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tài liệu bảo hiểm cũng như quy định pháp lý. Chứng nhận bao quát các yếu tố an toàn thiết bị như an toàn điện, phòng cháy chữa cháy, công thái học và nhãn cảnh báo nguy hiểm — toàn bộ phạm vi các thông số an toàn mà kỹ sư vận hành cơ sở phải kiểm tra trước khi phê duyệt lắp đặt.

Hộp giao tiếp tiêu chuẩn và đèn tháp ba màu (Chạy/Chờ/Báo động) cung cấp chỉ báo trạng thái trực quan ngay lập tức trên sàn nhà máy và hỗ trợ tích hợp với hệ thống quản lý nhà máy (FMCS) thông qua Modbus RTU/TCP cũng như các giao thức công nghiệp khác. Giải pháp này biến thiết bị làm sạch thành một nút được giám sát và ghi chép trong mạng quản lý cơ sở — điều kiện bắt buộc đối với các nhà máy bán dẫn vận hành theo tiêu chuẩn quản lý môi trường ISO 14001 hoặc đang hướng tới tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng SEMI S23.

Kết luận: Kiến trúc nhiệt-ẩm tích hợp của GTHW 600 không phải là một giải pháp dung hòa giữa oxy hóa nhiệt và rửa ướt — mà là một lựa chọn thiết kế có chủ đích dành riêng cho các dòng khí yêu cầu cả hai phương pháp này. Đối với các nhà máy bán dẫn xử lý hóa chất silan CVD, khí ăn mòn fluor, và khí thải chứa hydro thông qua một hệ thống khử độc duy nhất, vấn đề đặt ra không phải là lựa chọn giữa xử lý nhiệt hay xử lý ướt. Mà là hệ thống đó có tích hợp cả hai phương pháp hay không — kèm theo kỹ thuật vật liệu đủ bền để chịu đựng các sản phẩm phụ ăn mòn sinh ra trong quá trình này, cũng như thiết kế cách ly nhằm đảm bảo chu kỳ bảo trì phù hợp với thời điểm ngừng hoạt động định kỳ của nhà máy, thay vì gây gián đoạn đột xuất đối với thiết bị.

Liên hệ truyền thông & Hồ sơ công ty

Công ty TNHH Công nghệ Thâm Quyến Wofly là nhà sản xuất được chứng nhận ISO trong 15 năm, chuyên về các thành phần hệ thống khí công nghiệp và các giải pháp xử lý khí được thiết kế riêng. Danh mục sản phẩm WOFLY bao gồm máy làm sạch nhiệt-ẩm GTHW 600, máy làm sạch khô D-200S, tủ đựng bình khí, bộ điều chỉnh áp suất, van và hệ thống đường ống phân phối độ tinh khiết cao, phục vụ các ngành bán dẫn, năng lượng mặt trời quang điện (PV), phòng thí nghiệm và hóa chất tại hơn 30 quốc gia. Để được tư vấn kỹ thuật, đánh giá theo đặc tính cụ thể của từng loại khí hoặc đề xuất cấu hình hệ thống, vui lòng liên hệ Đội Kỹ thuật WOFLY tại www.szwofly.com .