半導體***塵室能源節約之可行方法

半導體***塵室能源節約之可行方法

說明半導體***塵室省能可行方法前，先簡述半導體***塵室之型式與負荷特徵。半導體***塵室之***主要負荷為空調負荷，而其負荷又分室內及室外負荷，室內負荷如下：

A.室內負荷：

(a)人員(顯***＝6Okcal/h．人，******＝5Okcal/h．人)
(b)燈光：30W/㎡(在黃光區此值應取較大約1.5倍的值)
(c)***器負荷：

• 輸入功率X負荷係數
• 冷卻循環水負荷＝循環水流量X水溫差(此***溫差約為5℃左右)
• 排***負荷＝排***量X排***溫差，此***排***溫差可分為三類：1酸***，有******體或緊急排***的排***溫差一般為5℃，2不可燃***體的排***溫差為1O℃左右，3***台的產生高溫***械其排***裝置的排***溫差為2O℃左右。

(d)送風***的***負荷：輸入功率X負荷係數：

B.室外負荷：

　　外***輸入量X室內外空***之焓值差，此***外***輸入量包含排***量加上人員換***及維持正壓需要量。

　　在分析半導體***塵室之能源消耗的同時必須了解，一般工作區分為1fabrication區，即一般所謂fab區，2assembly區和test區。通常各區之清淨及要求等級會不同，而其***塵室之構造也會不同，如同一所示的A.H.U系統通常配合亂流型***塵室作為Assembly或Test區，其***塵室之設計採亂流型者，ceiling並非佈滿filter，filter的面積和ceiling面積比必須達到一定值才能確保清淨度，而且為了***流分佈的***係，filter的出口通常會加裝diffuser，以加強filter出風空***的擴散面積。至於fab區，***塵室目前較普通的設置有三種，即OPEN BAY SYSTEM，FAN-FILTER UNIT STSTEM及FAN－MODULESYSTEM其簡圖分別如圖二、三、四所示。通常FAB區的***塵室型式之選定必須考慮生產、維修、使用年限及初期投資能源消耗等因素，而必須作周全的考量，上述三種型式各有其優缺點，其抉擇須多方考量，***佳方案的確定目前尚***定論，研究仍需進行，目前一般認為FAN－FILTER UNIT SYSTEM及FAN－MODULE SYSTEM較OPEN-BAY SYSTEM有較大的省能空間。

就半導體***塵室之負荷特徵而言，不論上述三種FAB區之***塵室型式為何，其HVAC的***負荷都較一般建築高出甚多，這其中經由建築物之穿透負荷，人員及燈光等負荷和一般***公室並***太大差別，唯外***負荷、***器負荷及送風***負荷卻佔所有HVAC負荷的90％以上，而這部份當中外***負荷居然佔了45～45％以上(見參考資料[l])。

　　可見經由外***負荷的減少確實有很大的省能空間。Sohn等人[1]的研究顯示，對同樣面積的場所而言，fab區的能源消耗較assembly區及test區高出4～5倍左右，又10～30％的***塵室供風(SUPPLY AIR)經由***台的排風浪費掉，由此可見經由改善fab區之***台排風有非常大的省能效果，非常不幸的一般的排風都有非常毒的成份，要***排風作再利用，必須有非常貴的投資，目前國內排風再利用的情形非常少。以下***再針對半導體***塵室之可能省能方法作詳細逐條說明：

A.針對送風系統省能之道(Air Side部份)

1.***佳外***導入量之控制與確定

　　***塵室中，如前所述，外***負荷量***大的因素，要求在外***導入時，除能確保排***之順暢及室內正壓外，也須能按排***之***動以增減外***的引進量。外***導入量的控制***構以***腦和生產***台連***及室內正壓之控制以決定外***導入量，俾能作***佳控制。另外室內生產***台裝置的負荷之實際運轉率也要能夠確定，輸入生產裝置之***力(或***體)能源，其大部份經由排***及冷卻水排出系統之外，或轉化成***品的一部份，造成之空調負荷一般為輸入能源值的20％～30％左右。裝置運轉後測定實際輸入***力及***體量作為下次設計時之參考，期能達***佳之目的。

2.降低下吹***流之速度

　　***降低生產及維修區之下吹風速，可以大輻減少***體傳送及空調之所需動力，但是降低下吹***流之速度卻必須擔負可能的後果包括1對亂流式***塵室而言，乾淨空***的量不夠，整體稀釋能力不足(dilution capacity reduced)2.抑止***性***流上升能力之不足，此點對高***負荷之半導體生產設備尤其重要，Thermophoretic effect造成的Particle問題可能會產生，一般相信下吹***流至少要有0.25m/s之程度方能有效抑止***性的上升***流[2]，3可能造成局部粒子交叉污染(cross contamination)，目前絕大部份的半導體生產設備都設計成在0.35～0.4Om/s之下吹***流下工作，局部區域(如維修區可設計成0.25m/s之環境)，大膽地***生產區之下吹***流降至0.3m/s以下仍在field test階段，1993年IBM的研究[3]顯示在***下吹***流由0.45m/s降0.32m/s的生產工廠環境，其晶片上particle deposition velocity為0.003m/s左右，仍在文獻記載及實驗室理論容許之範圍內，而且***現雖然測試中***現環境較多的污染粒子，但和生產工具本身及生產過程等可能污染的***會來講仍是很低的。基於上述***現IBM決定***其VLSI之生產環境由0.45m/s之下吹***流速度降至0.32m/s。當然由於上述的動作，一聯串之配合措施仍需進行，而其可能的回報為預期***有100萬美元的運轉成本之降低。

3.清淨度面積及清淨等級之***佳設定

　　高清淨度之要求會導致高***效率、超***率濾網之大量使用，從而使整個***塵室之搬運動力之要求增加，HEPA和ULPA的使用則會使送風***所需靜壓產生明顯的不同，目前有越來越多的生產***器設備以微環境(mini－environment)之觀念來設計，這種***器之使用可以有效降低對所生產環境清淨度等級及面積之要求，以往要在FS class l生產之設備，可以輕易在class 100的環境中作***即可，唯mini-environment***器的先期投資和生產維護可能較傳統***器設備貴。另外，對於清淨面積之規劃亦為重要措施，有效的生產動***規劃可以使所需清淨面積大為降低。

　　從空調循環風量之多少應可以令人更容易了解清淨度等級和空調耗能之***係，一般維持清淨及等級所需之空***循環次數如表一所示：

　　由上表可知class 10級和class 1000級其所需循環次數相差在10倍左右，其空調空***輸送所需之動力差由此可知，根據Rakocey[4]之研究，以class 1000之***塵室為基準，同樣面積的***層流式***塵室若為100級者，其造價為1萬級之20－30倍，若為1級者則為30－50倍。目前由於filter***效率之提昇和filter出口擴散器的良好設計，可以不用***層流之方式(由亂流式***塵室之仔細設計)即可達到class l00之水準(As Built狀態測試)。

4.Clean Bench和Air Curtain之運用

　　***清淨區域圍住，藉此可以節省大量之循環風量，Air Curtain及Clean Bench之使用和Mini-Emvironment之觀念相同，唯Clean Bench和Air Curtain是指對clean room周圍區域之隔絕，而Mini-Environment是指對生產***台之空***隔絕。Air Curtain之使用可以在非常低的投資下作到人員和***械之隔絕，有效降低人員可能造成對晶片之污染。唯Air Curtain之高度決定仍需作現場測試方能有效達到隔阻之目標，若設計不良可能反而有不良之效果。

5.室內溫濕度的***佳設計

　　目前台灣半導體***塵室黃光區，溫度***動範圍在0.2℃，濕度***動範圍在2％都有***法***到(此***的數據是在As-Built，狀態的實例結果，唯目前的高水準要求是否真的需要，通常黃光區的要求對溫濕度的要求是***嚴格的，要求高精度之溫濕度控制***會對能源的利用率降低。目前為因應作***員之要求，設計溫度有愈來愈低之趨勢。但有一點必須注意的是：若室內的露點溫度低於1O℃以下時，冷水大溫差系統則不大能夠使用，減少了一可能之省能方法。

6.低溫送風之採用

　　若吹出和吸入之溫差大(通常設計溫差為1O℃以內)則可以有效削減送風量，從而減少送風***之耗能。在考慮低溫送風時必須注意，出風絕對不能有結露的情況***生，由於不能有結露情況產生，故Clean Room之***管設計都屬於所謂的乾盤管設計，理論上儲冰系統能供應較低溫度的送風，唯參考台灣目前半導體***塵室大多為24小時運轉，儲冰系統轉移尖峰用***的優點亦***從***揮，故台灣目前半導體***塵室裝設儲冰系統並不多。另外採用冰水大溫差系統可以減少高風量的需求，吸收式冰水***為一不錯的選擇。在日本，由於***價甚貴，故有很多的半導體***塵室採用吸收式冰水主***。

7.風管系統洩漏量之減低化

　　***塵室之風管系統由於輸送大量之供風，管內壓力甚大，故一點之洩漏即可能造成很大的風量減少，故風管洩漏必須徹底防止，對於AHU和OPEN BAY型式的***塵室，由於天花板以上較之Clean Roon內為正壓，若天花板上一旦風管有大量洩漏，即可能造成壓力更高，從而使空***不經filter，而直接洩入***塵室內，造成清淨度降低，故風管之洩漏宜避免。***實施密封(SEAL)之風管其洩漏量約為總送風量的5～10％左右。

8.低壓損filter之使用

　　目前已有所謂低壓損HEPA filter的產品，其壓損為標準HEPA filter的50％左右。而低壓損ULPA，其值為75％左右。一般filter，不論HEPA或ULPA在經久用後，其壓損會***大，雖然***效率仍佳，唯壓損已較原始值高出甚多，此時可能對風量的確保會有問題，不可不慎。另外同一批filter也有可能所使用的濾材不同或貯存期間不同而有明顯的不同壓損，此時新建的***塵室系統即可能在filter下測到不同的風速值。

9.風扇******率運轉點之選定

　　一般A.H.U及OPEN BAY系統都使用Axial Fan，而FAN-FILTER UNIT(FFU)及FAN-MODULE-UNITE(FMU)則可能選用渦卷或離心扇。通常設計都***全系統空***壓損設計得很大，因此亦選用超大的風扇，以確保靜壓及風量能夠達到，此時即可能造成風扇大部運轉都在超大風壓及風量之下運轉，造成很大的動力虛擲，精確地估算風壓損，使風扇在******率下運轉，是***塵室省能之***步。而精確預估壓損則必須對各風扇會造成壓損***的部份，作精確風壓之估算。固定空***壓損包括： A.空調盤管之壓損，有加******冷及加濕之各種盤管之壓損，
B.風管迴路內壓損，
C.filter壓損，
D.吸入口各類閥的壓損。
必須注意若Clean Room內***台擺設太多太密亦會造成壓損增加，這點在半導體景***時***台大量置入更可能造成壓損遽增，設計時直預留這部份的裕度，另外，循環風扇***好與空調風扇並列使用。因為串聯時，會造成風量平衡的困擾，而有噪音與經濟上的問題。

10.高溫排***再利用

　　***塵室的排***中常含有******體，且主要為顯***交換，故通常不能用來作為回***空***。以下針對全***交換***之可行方案作一番探***。如圖五為排***直接再利用系統。雖然有些排***和***塵室內之空***成份相差***幾，但本系統之先決條件為排***是***毒的，才可進行。當排***溫度高於32℃時，由於會造成回風cooilng coi1之高***負荷，此時，本系統則***省能***，圖六為全年排***經全***交換器之再***回收系統。考慮全年運轉的***塵室，在冬天天***較冷時，由於室內溫度高於室外溫度甚多，此時可利用全***交換******高溫排***的***作為OA之預***。故本系統和圖五之系統可說互補的，圖五之系統在夏季時可作為循環空***之補充，減低OA之需要量，而圖六的系統則可以在冬季作OA之預***。圖七為全***交換器ON-OFF Control系統，可隨時Control全***交換器之啟動和旁路。