半导体厂房高精度工艺冷却水系统

半导体厂房高精度工艺冷却水系统

曲新

中国电子系统工程第二建设有限公司

江苏省无锡市

邮编：214023

摘要：半导体厂房厂务系统高精度工艺冷却水系统中，供水温度波动值要求越来越高，如何将系统供水温度精确控制、可靠的运行，满足工艺设备的冷却降温要求。本来探讨了影响供水温度精度的几种因素和如何采取策略来精确控制水温。

关键词：工艺冷却水系统，高精度，供水温度

引言

随着AI、5G、物联网等新兴技术的快速发展，对高性能、低功耗的半导体产品需求急剧增加，半导体行业迎来新的一轮增长。工艺冷却水系统在半导体工厂厂务系统中起着重要的作用。工艺冷却水系统用于半导体工厂中循环冷却制程中发热的机器设备，起着给半导体工厂设备冷却降温的作用。影响系统设置的主要参数有系统循环水量，供回水温差，供水温度精度，过滤精度和工艺设备端水压损失。随着设备端冷却温度精确要求越来越高，高精度工艺冷却水系统越来越多的会出现在给水排水专业设计工作中。

常见工艺冷却水系统分为开式系统和闭式系统，开式系统由保温冷却水箱，工艺冷却水泵、过滤器、板式换热器和补水系统等构成。闭式系统由工艺冷却水泵、过滤器、板式换热器和定压补水装置构成，两个系统优缺点如下表一：

表一

   半导体厂房由于工厂规模大，工艺制程流程多，从而工厂内工艺设备众多，各种设备对工艺冷却水系统背压要求不一样，所以半导体厂房内常用开式工艺冷却水系统，以满足系统压力控制方面的要求。(1)常见工艺冷却水系统供水温度为17℃，供回水温差5℃，供水精度为±1℃，过滤精度25μ，水源采用初级纯水RO水或者初级纯水和软化水的混合水。

工艺冷却水系统设备的作用如下：

冷却水箱：1.可使工艺冷却水回水管内的水压力平稳。

2. 容纳全系统总水量膨胀/收缩的水箱。
3. 储存缓冲的水量，以因应下述状况发生时的紧急补给。

a.系统管路因意外破损而泄水；或因操作失误而泄水。

b.既有设备因拆修而泄水，修复后再投入而须充水。

C.新设备投入运转而须充水。

工艺冷却水泵：用于加压输送循环水流，驱动冷却水流经板式热交换器、过滤器，以及制程中发热的机器设备，再沿回水管路流回泵的入水口。

板式换热器：流经制程设备的冷却水温度升高后，必须回流至本热交换器，与较低温的冷水交换热量。制程冷却水被冷水冷却降温后，再流往制程设备。

过滤器：精密高效过滤器，用于将冷却工艺冷却水中大于25μm的固体颗粒连续滤出。

控制阀：控制阀装设在管路上的不同位置，其开/关动作用于控制/调整系统中不同变量。

常规工艺冷却水系统供水温度控制是采用板式换热器二次侧的电动阀，温度控制阀的控制器自动调变/控制该阀的开度，即可调整流经热交换器的冷水流量，借此而调整与冷水交换热量的工艺冷却水出水温度，自动控制工艺冷却水流出热交器的温度稳定不变，等于设定值。控制系统应自动比较传讯给控制阀的开度控制讯号与该阀实际动作的开度回馈讯号。若二者相差超过10%，应发出警报。通过系统调试测得某个实施项目工艺冷却水系统数据，在系统供水稳定后一个小时内十次温度传感器上采集的供水温度数据如下表二：

表二

    通过分析发现温度控系统的电动阀控制调节精度满足供水温度±1℃的要求，可以满足常规项目工艺冷却水系统的水温精度要求。

随着半导体产品和产业的国产化，在半导体工厂的掩膜版工艺中，因工艺区域设备对工艺冷却水供水温度精度较高，要求达到±0.3℃。常规的工艺冷却水系统供水温度精度达不到工艺要求。我们要对常规工艺冷却水系统影响供水精度的几个要素进行分析，对这些影响要素做出调整后，从而使系统供水温度精度达到要求。经分析影响工艺冷却水系统供水温度精度要素如下：

1. 温度控制阀的控制进度和稳定性。
2. 供水管道的长度和水管保温性能。
3. 保温开式水箱中冷却水回水温度对供水系统的影响。

对于温度控制阀问题，考虑到气动阀比电动阀门反应速度快，精度高，稳定强。而半导体厂房内有合适的压缩空气作为气动源。所以本次气动阀门采用基本形式为球形阀，基本功能为调节性，触水介质为不锈钢，密合垫片为PTFE，特性为等百分比，基本类型为膜片作动型，动作方式为气压推动膜片牵动阀杆关闭阀盘。在不考虑工艺冷却水回水因素影响下，在项目上实测温度如下表三：

表三

测量数据满足供水温度精度要求。

但是试验发现，一旦工艺冷却水系统回水混入冷却水箱中，回水温度对供水温度产生了不小的影响，数据检测入下表四：

表四

测量数据不满足系统供水温度精度要求。

为了改善以上发现的问题，本项目将工艺冷却水系统的换热段和供水段分开，降低工艺冷却水系统供回水温度对供水温度的影响，在下图中左侧为换热段，工艺冷却水系统的回水从保温开式水箱左半边的热水箱边经换热泵加压后经精过滤、板换换热后到水箱右半边的冷水箱；供水泵将降温后的工艺冷却水加压送至各使用点后，工艺冷却水回水再次回到热水箱。在保温的开式水箱中将供水和回水分开，有利于水箱中的水充分混合，保证水箱水温更加稳定，上下波动更小。冷热水箱之间采用不锈钢隔热型隔板，使冷水和热水水温互不影响。冷水箱进水管采用淹没型孔口出流的型式，更有利于水混合。

考虑到工艺冷却水系统如果从站房供应至工艺设备使用点，供水管道长度偏长会达到200米以上，发生温度变化主要有两个原因：一是工艺冷却水通过供水管道和保温层与环境空气进行热交换；二是水泵作为工艺冷却水系统的动力源，水泵在工作中产生的热量也会被水吸收，造成水温的波动。考虑到这两个影响因素，规划设计时可以将工艺冷却水站房设置在半导体厂房的动力支持区而不是单独的动力站内，减少管道的敷设的长度。然后需要优化工艺冷却水系统的管线布置，降低工艺冷却水泵的电功率，降低这部分的影响。

   经过这几项优化设计调整后，检测改进后的工艺冷却水系统稳定供水后的出水温度数据如下表五：

          表五

此工艺冷却水系统经过检测控制效果稳定、可靠，系统出水温度精度可以长期稳定在±0.3℃范围内，满足系统要求。

结语

本文综合分析了半导体厂房高精度工艺冷却水水温控制的影响因素和解决策略，由于精度要求越高，工艺冷却水系统的投资费用也会越来越高，我们在系统设计之前需要充分的调研和了解各个系统的详细需求，对水温、水压、运行等要求差别大的设备，工艺循环冷却水系统宜分开设置（2），而不是盲目的去设计一套高精度的供应系统，从而降低初投资费用和运行费用，找到更加稳定合理的系统配置，从而提高设计项目绩效和市场竞争力。

[1] 路健,刘成.某集成电路芯片厂工艺循环冷却水系统设计.Engineering Technology Research.工程技术研究.第3卷第2期,2021

[2] GB50809-2012.硅集成电路芯片工厂设计规范[S].中国计划出版社, 2012：27