Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и постановка задач исследований 11
1.1. Современное состояние вопроса кондиционирования воздуха чистых помещений микроэлектроники 11
1.2. Функционирование и основные требования к системам кондиционирования воздуха чистых помещений 18
1.3. Закономерности движения воздуха в основных элементах системы воздухоподготовки 31
1.4. Энергоэффективное кондиционирование и фильтрация воздуха чистых помещений 33
1.5. Основные выводы и постановка задач исследований 40
Глава 2. Наружный атмосферный воздух как источник технологической среды чистых помещений 43
2.1. Структурно-целевая модель проблемы обеспечения параметров технологического микроклимата в чистых помещениях 43
2.2 Анализ состояния наружного воздуха Зеленоградской наукоёмкой природно-технической геосистемы 49
2.3 Расчетные параметры наружного воздуха 57
2.4 Основные результаты и выводы 61
Глава 3. Расчет тепло-влажностных характеристик чистого помещения и основных элементов системы кондиционирования и фильтрации воздуха 63
3.1. Тепловой режим чистых помещений 63
3.2. Влажностной режим чистых помещений 67
3.3. Тепло-влажностной анализ системы кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений 71
3.4 Основные результаты и выводы 84
Глава 4. Разработка мероприятий по повышению эффективности функционирования системы воздухоподготовки чистых помещений 85
4.1. Обеспечение температурно-влажностных характеристик в чистых помещениях микроэлектроники 85
4.2. Расчёт термодинамической эффективности системы воздухоподготовки в чистых помещениях 90
4.3 Основные результаты и выводы 104
Заключение 105
Список литературных источников 107
Приложение 1. Акты внедрения 121
Приложение 2. Изменения параметров наружного воздуха в Зеленоградской НПТГ 124
Приложение 3. I-D диаграмма наружного воздуха в Зеленоградской НПТГ 129
Приложение 4. Параметры воздуха СКФВ 133
Приложение 5. Диаграммы Грассмана СКФВ ЧП 139
Приложение 6. Удельная эксергия в основных элементах СКФВ 141
- Современное состояние вопроса кондиционирования воздуха чистых помещений микроэлектроники
- Структурно-целевая модель проблемы обеспечения параметров технологического микроклимата в чистых помещениях
- Тепло-влажностной анализ системы кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений
- Расчёт термодинамической эффективности системы воздухоподготовки в чистых помещениях
Современное состояние вопроса кондиционирования воздуха чистых помещений микроэлектроники
Чистое помещение является тем конечным элементом производственной инфраструктуры СКФВ, где должны быть созданы и поддерживаться прецизионно стерильные условия внутрипроизводственной среды с использованием современных технологий очистки воздуха [1-5].
Главной целью технологии очистки воздуха является максимально возможное избавление от аэрозольных частиц в обрабатываемом воздухе перед подачей его в ЧП.
Согласно стандарту ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 чистое помещение (cleanroom) – это помещение, в котором контролируется концентрация аэрозольных частиц и которое спроектировано, построено и эксплуатируется так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц в нем. Помимо этого для возможности реализации высокотехнологичных процессов в ЧП требуется строгое соблюдение нормативных параметров технологического микроклимата (температуры воздуха, его относительной влажности, скорости воздуха и давления), уровней шума и вибраций, статического электричества, степени ионизации воздуха и др. [6]. Все эти факторы неразрывно связаны между собой и оказывают непосредственное влияние на оптимальное функционирование ЧП, но все же среди них можно выделить группу основных факторов, к которым относятся параметры технологического микроклимата.
Основным классификационным критерием класса чистоты служит счетная концентрация аэрозольных частиц размером от 0,1 до 5 мкм в 1 м3 воздуха (табл. 1.1) [6-11].
Чистота по взвешенным в воздухе частицам обозначается классификационным числом N. Максимально допустимая концентрация частиц Сп для каждого данного размера частиц D определяется по формуле: где Сп - максимально допустимая концентрация частиц в одном м3 воздуха. Значение Сп округляется до ближайшего целого числа, при этом используется не более трех значащих цифр; N - классификационное число ИСО, которое не должно превышать значения 9. Промежуточные числа классификации ИСО могут быть определены с наименьшим допустимым приращением N, равным 0,1; D -рассматриваемый размер частиц, мкм; 0,1 - константа, мкм.
Совокупность технических устройств, в которых производится подготовка воздуха перед подачей его в ЧП, объединяется в единую систему кондиционирования и фильтрации воздуха (рис. 1.1).
НВ поступает во ВЗУ, служащее для забора атмосферного наружного воздуха. Далее воздух поступает в ЦК, где происходят процессы его нагревания, охлаждения, осушения, увлажнения, очистки и т. д. Современные системы ЦК не могут обеспечить требуемое качество обрабатываемого воздуха для ЧП с соответствующими параметрами (температура воздуха 22±0,5С и его относительная влажность 40±3%), поэтому существует дополнительная система доводки воздуха до требуемых значений – КД 1. Затем воздух из КД 1 поступает в непосредственно само ЧП через ФФ. Проходя по всей высоте ЧП от ФФ до ФП, отработанный воздух поступает в ОС. Как правило, 10% отводящего воздуха выбрасывается в ОС, а 90% идёт в КД 2 на рециркуляцию (РЦК). С учётом того обстоятельства, что температура воздуха в ЧП, как правило, повышается (примерно, на 0,5-1С) за счет тепловыделений от энергоемкого технологического оборудования и персонала, КД 2 в СКФВ ЧП используется, в первую очередь, для охлаждения и повторной очистки отработанного воздуха из ЧП.
В нормативно-регламентирующей документации РФ исходное значение температуры воздуха в ЧП указывается исходя из санитарных норм, предусматривающих комфортные условия, а затем приводится еще одно значение, до которого может нагреться воздух и только после этого приводится значение отклонения. Например, для процессов фотолитографии температура воздуха принимается равной 20-24±0,1С (табл. 1.2), т. е. допускается нагревание воздуха от 20 до 24 C с точностью поддержания при нагревании и охлаждении 0,1С.
По ГОСТ Р 50116-92 «Электронная гигиена. Термины и определения» [13] диапазон изменения температур принят равным 20-25С при точности поддержания от ±0,2 до ±2С. Такие диапазоны вызывают большие затруднения при выборе расчетной температуры для определения теплофизических характеристик самого здания, где эксплуатируются ЧП. Было бы более правильным, если бы требования определяли номинальную температуру с указанием точности поддержания. Например, для процесса фотолитографии: 22±2,5С (±0,5). Кроме того, в современных технологиях при использовании кремниевых пластин диаметром 300 мм и более с числом слоев до 18 для части слоёв наиболее эффективная температура может значительно отличаться от номинальной, что выдвигает задачу установления в ЧП минимальной и максимальной температур.
Аналогично обстоит дело и с относительной влажностью. Она также должна быть номинальной и иметь максимальное и минимальное значение.
Параметры для процессов проявления, травления, диффузии и напыления не регламентированы.
Концентрация вредных веществ задается по ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», освещенность по СП 52.13330 «Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95 », физиолого-гигиенические характеристики по СП 2.2.1.1312-03 «Гигиенические требования к проектированию вновь строящихся и реконструируемых промышленных предприятий» [16-18]. Рассмотрим теперь следующий, очень важный вопрос – каким должно быть конкретное значение температуры воздуха на каждом отдельно взятом технологическом процессе производства изделий микроэлектроники. В настоящее время не существует научно обоснованных данных по данному вопросу. Для этих целей на каждом конкретном предприятии микроэлектроники разработаны основные требования к параметрам технологического микроклимата с учетом специфики технологического процесса. В данном документе устанавливаются следующие допустимые значения по точности поддержания температуры воздушной среды: 0,1-2С. Выбор точности поддержания температуры воздуха осуществляется в зависимости от типа технологических операций, при этом значения температуры воздуха не должны выходить за пределы 20-24С.
В определенных обоснованных случаях при выполнении технологических процессов в ЧП, а также непосредственно на рабочих местах, где установлено ТО, могут быть установлены иные значения параметров технологического микроклимата за пределы норм по ГОСТ 12.1.005-88. В этом случае для оценки степени комфорта (дискомфорта) следует пользоваться нормативным документом ИСО 7730:1994 «Зоны умеренного климата. Определение индекса PMV и PPD и требований к условиям теплового комфорта».
Пооперационные требования к параметрам технологического микроклимата и качеству используемых в ЧП специальных технологических сред устанавливаются в технологической документации или стандарте предприятия, при этом необходимо учитывать степень сложности, размеры критических областей и другие конструктивно-технологические параметры изделий, характеризующие их чувствительность к изменениям параметров технологического микроклимата.
Структурно-целевая модель проблемы обеспечения параметров технологического микроклимата в чистых помещениях
Чистое помещение производств микроэлектроники представляет собой сложную техническую систему, в которой функционируют большое количество элементов при одновременном мониторинге параметров технологического микроклимата ЧП, прежде всего его температуры и относительной влажности. Многолетний опыт эксплуатации ЧП показывает, что требования к концентрации аэрозольных частиц не полностью отражают все многообразие процессов и явлений, происходящих при обработке и транспортировке воздуха в основных элементах СКФВ. Обеспечение параметров технологического микроклимата в заданных пределах невозможно без учета тепло-влажностных и аэродинамических процессов, как при подготовке воздуха в основных элементах СКФВ, так и непосредственно в самом ЧП. Термо - и влагостабилизация параметров воздуха в ЧП на уровне заданного класса является необходимым условием оптимального функционирования технологического процесса производства изделий микроэлектроники [77,78].
Оптимизация тепло-влажностных характеристик процессов подготовки и обработки воздуха представляет собой сложную многокритериальную задачу, содержащую различные технические и организационные аспекты, не всегда поддающиеся формализации. Поэтому использование при реализации этой задачи системного подхода в виде структурно-целевой модели – «дерева» причин и последствий «Обеспечения параметров технологического микроклимата ЧП» представляется резонным (рис. 2.1).
Приоритетность формулировок причин и последствий предлагается оценивать с помощью 10-ти экспертов (состав экспертов приведен в таблице 2.1 ) по 5-ти бальной шкале по предложенной методике, увязывающий мнение эксперта с количеством баллов из 5: «согласен» с формулировкой «да» - 5; «скорее «согласен», чем «нет» - 4; «свое мнение» ни «да» и ни «нет» - 3; «скорее «не согласен», чем «согласен» - 2; «не согласен» с формулировкой – 1. Средние арифметические значения оценок экспертов в данной области для каждой формулировки «дерева» причин и последствий представлены в таблице 2.2.
Проведенный анализ показал, что наиболее значимыми факторами, влияющими на обеспечение заданных параметров технологического микроклимата ЧП являются: метеорологические характеристики и фазово-компонентный состав атмосферного наружного воздуха (5 баллов), термо – и влагостабилизация параметров воздуха (5 баллов), класс ЧП (5 баллов), тепловыделения от технологического оборудования (3 балла) и влияние персонала (2 балла), которые, в свою очередь непосредственно приводят к росту энергозатрат СКФВ, уменьшению выхода годных изделий и снижению экологичности процесса производства микроэлектроники. Иерархию задач по решению рассматриваемой проблемы можно представить в виде «дерева» целей (рис. 2.2).
Из структуризации задач видно, что для решения задачи обеспечения заданных параметров технологического микроклимата ЧП необходимо провести исследования следующих вопросов, а именно: анализ метеорологических параметров атмосферного наружного воздуха Зеленоградской наукоёмкой природно-технической геосистемы, тепло-влажностных характеристик воздуха в основных элементах СКФВ, процессов тепло - влагообмена воздуха в самом ЧП, тепловыделений от технологического оборудования и персонала. Приоритетность факторов, влияющих на обеспечение заданных параметров технологического микроклимата в ЧП, можно определить методом экспертных оценок той же группой экспертов по 5-и бальной шкале (табл. 2.3).
Анализ результатов обработки экспертных оценок показал, что цель «Обеспечения параметров технологического микроклимата ЧП» достигается за счет решения большого комплекса конструктивно-технологических решений (подцели 1 и 2 с qi1 = 0,58 и qi2 = 0,42). А именно: исследование и учет параметров атмосферного наружного воздуха, его тепло-влажностных характеристик в основных элементах СКФВ, процессов тепло – и влагообмена воздуха непосредственно в ЧП, тепловыделений от технологического оборудования и персонала. Нормированные оценки экспертов в приоритетном порядке можно представить в следующем виде: обеспечение оптимального тепло-влажностных характеристик в СКФВ (подцель 2.5 с q = 0,21), обработка воздуха (подцель 1.1 с qi = 0,16), влияние тепловыделений от технологического оборудования и персонала (подцель 2.3 с qi = 0,19 и подцель 2.3 с qi = 0,19), соответственно, исследование процессов тепло - влагообмена воздуха в самом ЧП (подцель 1.5 qi = 0,25).
Тепло-влажностной анализ системы кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений
Вне зависимости от периода года (ТПГ или ХПГ), температура и относительная влажность приточного воздуха (выходящего из КД) должны принимать значения, полученные в расчетах tПР = 21,5С и ПР = 41%. На основе анализа метеорологических условий и полученных расчетных параметров приточного воздуха были построены I-d диаграммы влажного воздуха для максимальной, средней и минимальной температуры при заданных скоростей воздуха в ЧП 0,2 м/с и 0,5 м/c, соответственно. Проведен анализ тепло-влажностных характеристик в основных элементах системы при скорости воздуха в ЧП 0,5 м/с в ТПГ и ХПГ за 2018 г. (рис. 3.3-3.8 и табл. 3.4-3.9). Результаты анализа метеорологических условий при скорости воздуха 0,5 м/с для ТПГ и ХПГ (2017 г.), а также при скорости воздуха 0,2 м/с для ТПГ и ХПГ (2017 и 2018 гг.) приведены в Приложении 3 и 4.
Аналогичным образом построены I-d диаграммы для максимальной, средней и минимальной температуры при скорости воздуха в ЧП 0,2 м/c в ТПГ и ХПГ за 2017 и 2018 гг. для структурной схемы, приведенной на рисунке 1.1. На рисунках (3.9-3.14) и таблицах (3.10-3.15) приведены результаты расчетов при скорости воздуха в ЧП 0,2 м/с в ТПГ и ХПГ за 2018 г. Результаты за 2017 г. в ТПГ и ХПГ приведены в Приложении 3 и 4.
Таким образом, исследование I-d диаграмм показало, что тепло-влажностные процессы в основных элементах СКФВ зависят от параметров атмосферного наружного воздуха, при этом происходящие изменения температуры воздуха и его относительной влажности в ЧП зависят от выделений тепла и влаги источниками искусственного освещения, технологического оборудования и персоналом.
Расчёт термодинамической эффективности системы воздухоподготовки в чистых помещениях
В отличие от теплового баланса, который не отражает в полной мере приближение системы воздухоподготовки к идеальной, эксергетический баланс в большей степени учитывает энергетические потери от необратимых термодинамических процессов в системе и, тем самым, приближает систему к идеальной [108-119].
Для оценки функционирования СКФВ предложен критерий ее эффективности по минимуму эксергетических потерь в отдельных элементах и системы в целом [120-128].
Общий вид эксергетического баланса системы имеет вид [129]:
Евх - подаваемая эксергия в системе воздухоподготовки, кДж;
Евх - эксергия воздуха на выходе из системы, кДж;
Yi=i Д; – сумма эксергетических потерь системы, кДж.
Эксергетический баланс системы составляется на основе принципиальной схемы, приведенной на рисунке 1.1. Основная цель системы воздухоподготовки ЧП - поддержание параметров технологического микроклимата в соответствии с заданным классом ЧП.
Работа исследуемой системы в ТПГ и ХПГ зависит от параметров атмосферного наружного воздуха природно-технической геосистемы (температуры и влагосодержания окружающей среды). Воздух из окружающей среды поступает в ЦК, далее проходит через калорифер (Кал 1), где осуществляется первый подогрев, затем увлажняется в камере орошения, далее подогревается в Кал 2, а затем посредством вентилятора через ФФ подается непосредственно в само ЧП (рис. 1.1).
Эксергия воздуха определяется максимальной полезной работой его взаимодействия с окружающей средой до установления равновесия с ней по температуре, влагосодержанию и давлению [].
Удельная эксергия воздуха в отдельных элементах системы (е,) определяется по формуле [129]:
где:
TНВ и dНВ - температура и влагосодержание НВ, К и кг/кг, соответственно;
Ср.с, Ср.п - удельная теплоемкость сухого воздуха и водяного пара, кДж/кг К, соответственно;
РиРНВ - парциальное давление воздуха в /-элементе системы и в наружном воздухе, Па, соответственно;
Rп - газовая постоянная водяного пара, кДж/(кг К);
ТІ, dt, - температура и влагосодержание воздуха в /-ом элементе системы, К и кг/кг, соответственно.
Необходимо отметить, что при выполнении расчетов не были учтены потери эксергии, связанные с потерей аэродинамического давления в воздуховодах, которыми можно пренебречь.
При анализе СКФВ чистых помещений требуется учитывать изменение скорости воздуха непосредственно в ЧП, которое в свою очередь влияет на параметры воздуха, выходящего из кондиционера-доводчика. Для определения эксергетических потерь в кондиционере-доводчике системы построены их зависимости от скорости воздуха в ЧП при максимальном и минимальном значении температуры воздуха в ТПГ и ХПГ за 2018 г. (рис. 4.9-4.12).
Проведенный анализ полученных зависимостей позволил установить, что в ХПГ потери эксергии больше, чем в ТПГ. Также необходимо отметить, что в ТПГ потери эксергии уменьшаются с увеличением скорости воздуха в ЧП, а в ХПГ эксергетические потери возрастают с увеличением скорости воздуха в ЧП. Следовательно, с точки зрения эксергетического анализа, наиболее рационально выбирать скорости воздуха в ЧП для ТПГ - 0,2 м/с, а для ХПГ - 0,5 м/с, что хорошо вписывается в заданный диапазон скоростей воздушного потока от 0,2 до 0,5 м/с.
Далее построены диаграммы Грассмана для системы воздухоподготовки при скорости воздуха 0,5 м/с в ТПГ и ХПГ за 2017 и 2018 гг. В таблицах (4.1-4.6) и рисунках (4.13-4.18) показаны диаграммы Грассмана при максимальной, средней и минимальной температуре воздуха в ТПГ и ХПГ за 2018 г. Результаты для ТПГ и ХПГ за 2017 г. приводятся в Приложении 5 и 6.
Проведенный анализ диаграмм Грассмана показал, что для увеличения эксергетического КПД в исследуемой системе для ТПГ необходимо уменьшить потери эксергии при процессах увлажнения и нагревания воздуха, а для ХПГ – при процессах нагревания в калорифере 2, а также при увлажнении воздуха в камере орошения.