半导体无尘室能源节约之可行方法

半导体无尘室能源节约之可行方法

文章讲解了半导体无尘室室内外能源负荷，并针对半导体无尘室之可能省能方法作详细逐条说明。
A.室内负荷：

 （a）人员（显热＝6Okcal/h.人，潜热＝5Okcal/h.人）

（b）灯光：30W/㎡（在黄光区此值应取较大约1.5倍的值）

（c）机器负荷：

输入功率X负荷系数

冷却循环水负荷＝循环水流量X水温差（此处温差约为5℃左右）

排气负荷＝排气量X排气温差，此处排气温差可分为三类：1酸气，有机气体或紧急排气的排气温差一般为5℃，2不可燃气体的排气温差为1O℃左右，3机台的产生高温机械其排气装置的排气温差为2O℃左右。

（d）送风机的热负荷：输入功率X负荷系数：

B.室外负荷：

外气输入量X室内外空气之焓值差，此处外气输入量包含排气量加上人员换气及维持正压需要量。

在分析半导体无尘室之能源消耗的同时必须了解，一般工作区分为1fabrication区，即一般所谓fab区，2assembly区和test区。通常各区之清净及要求等级会不同，而其无尘室之构造也会不同，如同一所示的A.H.U系统通常配合乱流型无尘室作为Assembly或Test区，其无尘室之设计采乱流型者，ceiling并非布满filter，filter的面积和ceiling面积比必须达到一定值才能确保清净度，而且为了气流分布的关系，filter的出口通常会加装diffuser，以加强filter出风空气的扩散面积。至于fab区，无尘室目前较普通的设置有三种，即OPEN BAY SYSTEM，FAN-FILTER UNIT STSTEM及FAN－MODULESYSTEM其简图分别如图二、三、四所示。通常FAB区的无尘室型式之选定必须考虑生产、维修、使用年限及初期投资能源消耗等因素，而必须作周全的考虑，上述三种型式各有其优缺点，其抉择须多方考虑，方案的确定目前尚无定论，研究仍需进行，目前一般认为FAN－FILTER UNIT SYSTEM及FAN－MODULE SYSTEM较OPEN-BAY SYSTEM有较大的省能空间。

就半导体无尘室之负荷特征而言，不论上述三种FAB区之无尘室型式为何，其HVAC的热负荷都较一般建筑高出甚多，这其中经由建筑物之穿透负荷，人员及灯光等负荷和一般办公室并无太大差别，唯外气负荷、机器负荷及送风机负荷却占所有HVAC负荷的90％以上，而这部份当中外气负荷居然占了45～45％以上。

可见经由外气负荷的减少确实有很大的省能空间。Sohn等人[1]的研究显示，对同样面积的场所而言，fab区的能源消耗较assembly区及test区高出4～5倍左右，又10～30％的无尘室供风（SUPPLY AIR）经由机台的排风浪费掉，由此可见经由改善fab区之机台排风有非常大的省能效果，非常不幸的一般的排风都有非常毒的成份，要将排风作再利用，必须有非常贵的投资，目前国内排风再利用的情形非常少。以下将再针对半导体无尘室之可能省能方法作详细逐条说明：

A.针对送风系统省能之道（Air Side部份）

1.外气导入量之控制与确定

无尘室中，如前所述，外气负荷量的因素，要求在外气导入时，除能确保排气之顺畅及室内正压外，也须能按排气之变动以增减外气的引进量。外气导入量的控制机构以计算机和生产机台联机及室内正压之控制以决定外气导入量，俾能作控制。另外室内生产机台装置的负荷之实际运转率也要能够确定，输入生产装置之电力（或气体）能源，其大部份经由排气及冷却水排出系统之外，或转化成制品的一部份，造成之空调负荷一般为输入能源值的20％～30％左右。装置运转后测定实际输入电力及气体量作为下次设计时之参考，期能达目的。

2.降低下吹气流之速度

降低生产及维修区之下吹风速，可以大辐减少气体传送及空调之所需动力，但是降低下吹气流之速度却必须担负可能的后果包括1对乱流式无尘室而言，干净空气的量不够，整体稀释能力不足（dilution capacity reduced）2.抑止热性气流上升能力之不足，此点对高热负荷之半导体生产设备尤其重要，Thermophoretic effect造成的Particle问题可能会产生，一般相信下吹气流至少要有0.25m/s之程度方能有效抑止热性的上升气流，3可能造成局部粒子交叉污染（cross contamination），目前绝大部份的半导体生产设备都设计成在0.35～0.4Om/s之下吹气流下工作，局部区域（如维修区可设计成0.25m/s之环境），大胆地将生产区之下吹气流降至0.3m/s以下仍在field test阶段，1993年IBM的研究[3]显示在将下吹气流由0.45m/s降0.32m/s的生产工厂环境，其芯片上particle deposition velocity为0.003m/s左右，仍在文献记载及实验室理论容许之范围内，而且发现虽然测试中发现环境较多的污染粒子，但和生产工具本身及生产过程等可能污染的机会来讲仍是很低的。基于上述发现IBM决定将其VLSI之生产环境由0.45m/s之下吹气流速度降至0.32m/s。当然由于上述的动作，一联串之配合措施仍需进行，而其预期将有100万美元。