如何控制半導體潔凈室溫濕度

[摘要] 對半導體潔凈室溫濕度控制流程進行介紹，并分析潔凈室的溫濕度控制方法。在PID 控制的基礎上，引入模糊控制達到提高控制的效果。

[關鍵詞] 溫濕度；PID；模糊控制

引言

隨著半導體生產工藝的不斷發展， 更精密、集成度更高是行業發展的趨勢。目前，制造工藝已經進入亞納米時代,線寬都在30-180 納米之間，對生產設備的精度要求越來越嚴格，因此，除了設備本身的工藝水平需要達到生產要求以外，其所處的生產環境——潔凈室的各項指標也必須被嚴格地控制，包括：潔凈度、溫濕度、照度、氣流方向、振動靜電、磁場以及有害氣體等。其中的溫濕度控制是重點，其控制的效果直接影響著生產的優良率。目前半導體潔凈室對溫濕度的控制范圍通常為： 溫度22+/-0.5℃，濕度45+/-3%RH。本文通過對現有潔凈室溫濕度控制系統的研究，引入模糊控制，以提高溫濕度控制的實際效果。

1 溫濕度處理過程

對空氣單純地加熱或制冷(未達到飽和狀態)過程，是含濕量保持不變的過程，即絕對濕度保持不變的過程。濕空氣經過盤管加熱，溫度升高而相對濕度下降；相反,對冷卻過程，溫度下降而相對濕度相應升高，因此我們可以得出，溫度和相對濕度是兩個不同方向的控制量，要使溫濕度同時向相同的趨勢變化， 則單純靠加熱/冷卻過程是不能實現的。冷卻去濕過程是濕空氣經冷卻達到飽和后繼續制冷的過程,濕空氣經過冷卻盤管結露析出水滴從而降低了絕對濕度,起到去濕的作用。因而我們可以將空氣處理過程分為加熱、加濕、降溫及降溫去濕等四個過程。圖1 中,橫坐標為含濕量，即每千克空氣所含有的水蒸量；縱坐標為攝氏溫度。根據目標狀態，絕對濕度線和目標溫度線可以劃分為四個控制區: Zone 1，Zone 2，Zone 3，Zone 4。

為了達到目標溫濕度控制點，其對應的溫濕度控制分區處理過程為：在Zone 1 的范圍內，先降溫去濕，再加熱。在Zone 2 的范圍內，先降溫，再加濕。在Zone 3 的范圍內，先加熱，再加濕。在Zone4 的范圍內，先降溫去濕，再加熱。

定義：D—控制對象含濕量，T—控制對象溫度。

通常情況下， 對于設定值溫度22+/-0.5℃，濕度45+/-3%RH 而言，Zone1 和Zone3 的情況比較多，即需要先降溫去濕然后再加熱或者先加熱然后再加濕。

2 潔凈室溫濕度處理基本流程及常見問題

2.1 潔凈室溫濕度處理基本流程

半導體潔凈室廠房通常采用新風空調箱（Makeup Air Unit，MAU）+風機過濾單元（Fan Filter Unit，FFU）+干冷盤管（Dry Cooling Coil，DCC）的設計，即新風空調箱MAU 將具有一定潔凈等級和溫濕度的新風送到潔凈室的回風通道中，與循環回風進行混合后進入潔凈室吊頂上方，通過風機過濾單元FFU 后進入潔凈室生產區域，從而基本達到無塵室的溫濕度、潔凈度及正壓度的要求。由于整個潔凈室內擺滿了各種生產機器，這些機器都保持持續的運轉，會產生大量的熱量，這些熱量又將通過回風通道內的干盤管DCC 進行冷卻而被帶走， 從而達到維持長時間穩定的溫濕度環境?；狙h如圖2 所示。

對于潔凈室的溫濕度控制，最主要的兩塊是新風空調箱和干盤管。新風空調箱除了要保證外界大氣經過其中的初、中和高效過濾網，把空氣中的粉塵顆粒過濾掉外，還要根據潔凈室里面的溫濕度情況調整出風口的溫濕度，以保證送入的新風在規定的溫濕度范圍內。而干盤管是根據潔凈室里面安裝的溫濕度傳感器測量的值來調整干盤管冷水閥的開度，進而調節回風和送風混合后的溫濕度，以保證滿足半導體工藝的溫濕度需求。

由于每種工藝制程設備的發熱量大不相同，導致潔凈室內的機臺發熱量分布不均勻。例如爐管機臺的發熱量相較于其他設備大得多（基本在3－5倍之間），因此必須在潔凈室內用干盤管DCC 帶走這些熱量。通常要求同一制程的氣流經過同一組DCC，在建筑已經確定的情況下，制程的分布要與回風道垂直。如果條件允許，最好是將不同制程的區域隔開，這樣既可避免金屬粒子污染，又能提高溫濕度控制的穩定性。

通常情況下， 潔凈室的溫濕度控制在22+/-0.5℃，45%+/-3%RH，MAU 的送風溫度基本控制在21℃-21.5℃，在與循環風混合后，FFU 出風口的溫度控制在22℃，這樣，經過工作層面后溫度將會再上升，在機臺滿載的情況下上升溫度會基本穩定。

2.2 溫濕度控制中的常見問題

在MAU 的溫濕度處理過程中，為了解決除濕問題，通常采用濕度優先的方法，冷水閥主要用來除濕，同時也造成溫度的下降，然后通過熱水閥的再熱，使溫濕度均能達到所要求的值。這樣的做法雖然可以滿足設計要求，但在相當多的時候，冷熱水閥使能量相互抵消，造成了能源的浪費。另外，如果進入潔凈室的新風溫度過高，將導致整個潔凈室的熱負荷加大，DCC 開度增大以抵消新風帶來的熱負荷；如果進入潔凈室的新風的溫度過低，將使得在DCC 開度為零時都無法達到環境溫度的要求。根據統計數據，空調系統的能耗占整個半導體廠的能耗的30%－35%， 因此對空調設備進行優化控制，選擇合理溫濕度設定值，對提高整個潔凈室溫濕度控制的穩定性及節能具有重要的意義。

3 溫濕度控制系統實現

基本上， 現在潔凈室溫濕度要求為22+/-0.5℃，45%+/-3%RH，當然根據生產工藝的需求，對溫濕度的要求也不盡相同。

3.1 新風空調箱的溫濕度控制

3.1.1 新風空調箱基本結構

新風空調箱基本結構如圖3 所示，其處理流程如下：空氣過濾———包括初效、中效、高效三部分；溫度處理———包括預熱盤管、一次表冷盤管、再熱盤管三部分； 濕度處理———包括一次表冷盤管、二次表冷盤管、蒸汽加濕三部分。

3.1.2 溫度處理過程

預熱盤管的作用是對外氣進行預加熱。在外界氣溫較低，接近零度時，為了避免盤管在氣溫低于零度時被凍壞，需對外氣進行加熱，通常是加熱到12℃。

控制送風溫度時，將送風溫度與其設定值進行比較，通過PID 控制算法，得出一個計算值，根據該計算值來確定一次表冷盤管與再熱盤管閥門開度的大小，其控制流程如圖4 所示。

在整個PID 閉環控制環節中引入分程控制器模型，如圖5 所示，將PID 控制算法得出的計算值分為兩部分，0-48％及52（％）-100％，它們分別對應一次表冷盤管及再熱盤管，這樣就避免了冷熱水盤管同時打開而導致能源浪費。同時，在冷熱水切換的交界處48％-52％，設置了死區，即當外氣的溫度與送風溫度設定值相當接近時，熱水閥和冷水閥都處于關閉（閥開度都為0）的狀態，以避免冷熱水在臨界狀態時不停地切換， 加速了執行機構的損壞，同時又能減少能源的消耗。

3.1.3 濕度處理過程

為了避免和溫度之間的耦合關系，新風出口濕度的設定值通常不采用相對濕度作為控制值，而是通過和溫度設定值綜合計算后得出其絕對濕度，以露點溫度或含濕量來表示。本文以露點溫度為例。將計算所得的露點溫度設定值作為整個MAU 出

口濕度的設定值。根據送風露點溫度并與露點溫度設定值進行比較，通過PID 控制算法，得出一個計算值，根據該計算值來確定表冷閥和加濕閥開度的大小，其控制流程與溫度控制類似，同時也引入了分程控制，避免臨界狀態下加濕與除濕之間不斷切換而導致的濕度控制的波動。

3.2 潔凈室溫濕度控制

3.2.1 潔凈室溫度控制

潔凈室內的溫度PID 控制流程如圖6 所示，采用的是基本的PID 控制， 由于潔凈室本身的大空間而造成的大慣性、大時滯性，在設置PID 參數時通常將積分時間設置為零，以防止系統過調節而產生振蕩。

潔凈室溫度主要由DCC 來調節， 但同時受新風送風溫濕度的影響，如果給定太高的溫度，進入潔凈室和循環風混合后，DCC 就需要更大量的冷量進行冷卻，這就直接導致能源的浪費；如果給定太低的溫度， 進入潔凈室和循環風混合后， 即使DCC 的開度為零，整個潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個潔凈室的溫度超標。

3.2.2 新風空調箱溫濕度設定值控制

新風空調箱送風溫度設定值的選取是比較關鍵的，它必須能夠最佳適應當前潔凈室內溫度的需求。如果給定太高的溫度，進入潔凈室和循環風混合后，DCC 就需要更大量的冷量進行冷卻，這就直接導致能源的浪費；如果給定太低的溫度，進入潔凈室和循環風混合后，即使DCC 的開度為零，整個潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個潔凈室的溫度超標。因此，對于MAU 新風送風溫度設定值的選取是十分重要的，必須在確保系統在控制范圍內并盡可能達到節能的目的。在此，我們引入模糊控制的思想，通過對潔凈室溫度偏差及偏差變化率的模糊規則變換，得出新風空調箱送風溫度設定值SP。整個程序運行的流程如圖7 所示,程序運行后，將獲得新的SP。

基本的模糊控制系統如圖8 所示。系統中的模糊控制器是兩輸入一輸出的,其輸入量是系統的偏差E 和偏差變化率EC, 而這兩個量具有確定的數值, 是兩個清晰量。整個模糊控制器由四個部分組成：模糊化，模糊規則庫，模糊推理及去模糊化。模糊化的作用是將一個確定的點映射為輸入空間的一個模糊集合。通過模糊化處理,得到模糊的偏差量E 以及模糊的偏差變化率EC。其中模糊的偏差量E 語言值集合有七種取值，分別是NB(負大)、NM(負中)、NS( 負小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。模糊的偏差變化率EC 的語言值集合也有七種取值,分別是NB (負大)、NM (負中)、NS(負小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB (正大)。

模糊規則庫是由若干個模糊“if-then”規則的總和組成，它是模糊系統的核心部分，系統其他部分的功能在于解釋和利用這些模糊規則來解決具體問題。在模糊規則控制器中編輯模糊控制規則,不同的模糊控制器一般有不同的模糊控制規則,因

為模糊控制規則實質上是將操作員的控制經驗加以總結而得出一條條模糊條件語句。在本次實際設計中，共采用了49 條“if－then”規則，根據這些規則，得出如表1 所示的模糊控制規則表：

模糊推理將模糊規則庫中的模糊“if-then”規則轉換成某種映射，即將輸入空間上的模糊集合映射到輸出空間上的模糊集合。根據這些規則進行模糊推理得到一個模糊集, 即模糊控制量U, 再通過去模糊化環節,將其轉化為清晰的數字控制量,達到調節MAU 溫度設定的目的。

3.2.2 潔凈室相對濕度控制

潔凈室相對濕度的控制則由MAU 出口新風濕度進行調節，將潔凈室相對濕度測量值與相對濕度設定值進行比較，由此計算出所需要MAU 出口新風相對濕度，其計算過程與溫度設定值的計算過程類似， 然后配合MAU 出口新風溫度設定值，計算出MAU 的出口露點溫度設定值， 由此來控制MAU 出口的濕度。

4 結論

實際應用中，通過在潔凈室溫濕度控制系統中引入模糊控制環節和分程控制環節，發揮模糊控制魯棒性強、動態響應好、上升時間快、超調小的特點, 大大提高了整個控制系統的動態響應特性，同時又具有PID 控制器的動態跟蹤品質和穩態精

度， 半導體潔凈室的環境溫濕度得到了更好的控制，波動更小，同時也減少了能源的浪費。

參考文獻

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