集成電路制造行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）減排措施研究

付篤??

摘要：研究集成電路制造行業(yè)主要的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放源及VOCs主要成分，并針對VOCs源頭、過程控制與末端治理，提出切實(shí)有效的減排措施建議，為集成電路生產(chǎn)企業(yè)VOCs治理研究提供參考。

關(guān)鍵詞：集成電路制造行業(yè)；揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）；源頭控制；生產(chǎn)過程控制；末端治理控制

揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds），指20時蒸汽壓不小于10Pa或101.325KPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，沸點(diǎn)不高于260℃的有機(jī)化合物或者實(shí)際生產(chǎn)條件下具有以上相應(yīng)揮發(fā)性的有機(jī)化合物（甲烷除外）的統(tǒng)稱。大多數(shù)VOCs具有大氣化學(xué)反應(yīng)活性，其作為形成臭氧和PM2.5的關(guān)鍵前體物，也是灰霾和光化學(xué)煙霧污染的重要來源。

2016年12月20日，國務(wù)院發(fā)布《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，提出VOCs減排目標(biāo)：全國揮發(fā)性有機(jī)物排放總量比2015年下降10%以上。環(huán)保部將VOCs納入主要污染物總量控制范圍，目前已出臺VOCs的系列標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、分析方法等。

集成電路芯片生產(chǎn)過程中使用大量的有機(jī)溶劑如清洗劑、光刻膠、剝離液、稀釋液等，從而產(chǎn)生一定量的VOCs廢氣，不僅造成大氣污染，還可能會導(dǎo)致廠區(qū)環(huán)境異味，因此進(jìn)行VOCs排放控制十分必要。

1 集成電路制造行業(yè)VOCs主要排放源及成分研究

1.1集成電路制造行業(yè)VOCs主要排放源

VOCs排放源主要集中在揮發(fā)性有機(jī)溶劑的使用、載運(yùn)、儲存及廢氣治理過程。

載運(yùn)過程包括有機(jī)溶劑的原料載入及廢有機(jī)溶劑的載出過程，溶劑儲罐與槽車之間的接口等處有機(jī)溶劑揮發(fā)。

有機(jī)溶劑的儲存主要包括儲罐儲存，化學(xué)品桶裝儲存及瓶裝儲存。有機(jī)溶劑儲罐的排氣、儲存過程中的不密封或意外泄露也是VOCs的來源。

集成電路行業(yè)的制程排氣通常有四種類型：一般排氣（GEX），酸性排氣（SEX），堿性排氣（AEX）及有機(jī)排氣（VEX）。無塵室使用有機(jī)溶劑后，通過有機(jī)排氣管路（VEX），匯總至有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)處理后排放至外界大氣。有機(jī)排氣是集成電路行業(yè)VOCs的主要排放源。

1.2集成電路行業(yè)VOCs主要成分

徐婕[1]及裴蓓[2]等人的研究顯示，集成電路行業(yè)有機(jī)廢氣VOCs的主要成分為異丙醇和丙酮，此兩項(xiàng)物質(zhì)占比達(dá)VOCs主要成分的80%100%，其中異丙醇占比55%以上，丙酮占比5%34%。

我們對國內(nèi)4家大型集成電路制造企業(yè)的有機(jī)排氣VOCs成分進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這4家企業(yè)的VOCs亦以異丙醇和丙酮為主。

同時，企業(yè)A對其廠區(qū)內(nèi)的環(huán)境空氣VOCs進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果顯示，異丙醇濃度居首位（占34%），丙酮濃度居第二位（占18%）。

因此有針對性的減少異丙醇和丙酮的排放，對集成電路生產(chǎn)企業(yè)減少VOCs能起到最直接的效果。

2 芯片制造行業(yè)VOCs減排控制措施

2.1 原輔材料控制措施

原輔材料控制方面，主要遵循替代或減少用量的原則，考慮使用不含VOCs的替代產(chǎn)品或低VOCs含量的產(chǎn)品來替代，或通過制程方面改善，有意識減少VOCs原輔料的使用，尤宜針對VOCs氣體主要成分異丙醇及丙酮制定源頭減量措施。

集成電路制造行業(yè)異丙醇和丙酮主要用途是芯片及零部件的清洗，異丙醇及丙酮化學(xué)特性極易揮發(fā)，這亦是其作為VOCs氣體主要成分的原因。異丙醇源頭減量措施如：盡量減少使用量，在制程條件允許的情況下，能用純水替代清洗的步驟或操作，使用純水替代，不能替代的，研究減少用量的方案。丙酮源頭減量措施如：使用NMP，OK73等揮發(fā)性較小的有機(jī)溶劑替代丙酮清洗，或使用干冰替代丙酮清洗等。

2.2生產(chǎn)過程控制措施

過程控制主要包括使用過程控制、儲存過程控制及運(yùn)輸過程控制。

2.2.1使用過程控制措施

含VOCs的原輔料使用過程中，應(yīng)采取廢氣收集措施，提高廢氣收集效率，減少廢氣的無組織排放與逸散，并對收集后的廢氣進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。產(chǎn)生VOCs 的工藝，應(yīng)當(dāng)在密閉空間或者設(shè)備中進(jìn)行，經(jīng)廢氣經(jīng)收集系統(tǒng)和處理設(shè)施后排放。如不能密閉，則應(yīng)采取局部氣體收集處理措施或其他有效污染控制措施。

集成電路制造業(yè)無塵室含VOCs的原輔料主要用于機(jī)臺及日常的預(yù)防性保養(yǎng)（PM）。

使用有機(jī)溶劑的機(jī)臺，應(yīng)接入有機(jī)排氣系統(tǒng)（VEX），系統(tǒng)末端設(shè)置VOCs廢氣處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放。為防止有機(jī)排氣管路接錯至其它類型廢氣系統(tǒng)的情況出現(xiàn)，可對全廠酸性、堿性、一般等其它類型排氣筒進(jìn)行VOCs監(jiān)測摸底排查，對VOCs監(jiān)測結(jié)果較高的排氣筒，從末端往前排查至機(jī)臺端，查找出接錯的管路及機(jī)臺，予以改正。

本行業(yè)某些類型的機(jī)臺，同時使用幾種不同類型的化學(xué)品，機(jī)臺的排氣類型不便于直接判定的，可單獨(dú)對此機(jī)臺端的排氣進(jìn)行成分檢測，以確定其排氣類型。下圖例中某機(jī)臺，SC1槽使用氨水，接堿性排氣（AEX），RD2槽使用有機(jī)溶劑，接有機(jī)排氣（VEX），這2個槽的排氣類型可以明確確定。FR槽使用純水清洗沾有氨水的芯片，按常規(guī)應(yīng)接AEX，考慮到右邊RD2槽的有機(jī)溶劑揮發(fā)氣體可能會有部分泄漏至FR槽，故對FR槽的排氣成分實(shí)施監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，VOCs濃度遠(yuǎn)大于氨氣，故FR槽排氣應(yīng)接至VEX。

除了機(jī)臺使用VOCs溶劑，本行業(yè)使用溶劑的另一個途徑為機(jī)臺預(yù)防性保養(yǎng)（PM），在保養(yǎng)過程中使用異丙醇擦拭機(jī)臺及其零部件，此過程中會有異丙醇揮發(fā)。為減少PM過程的異丙醇排放，除了上文論述的源頭減量措施，必須使用異丙醇進(jìn)行PM的場合，在條件允許的情況下，可設(shè)置作業(yè)小環(huán)境，用罩子將PM區(qū)域隔離，罩內(nèi)單獨(dú)設(shè)置抽排風(fēng)系統(tǒng)，并接至VEX管路，通過VOCs廢氣處理系統(tǒng)處理后排放。

對于廢水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的VOCs，若廢水系統(tǒng)敞開液面上方的VOCs 檢測濃度大于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)密閉廢水液面，并排氣至VOCs廢氣收集系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)室使用含VOCs的化學(xué)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)在通風(fēng)柜（櫥）中進(jìn)行，廢氣應(yīng)排至VOCs廢氣收集系統(tǒng)。

2.2.2 儲存過程的控制措施

本行業(yè)有機(jī)溶劑的儲存容器主要有儲罐、桶裝及瓶裝。

有機(jī)溶劑儲罐灌頂應(yīng)安裝密閉排氣系統(tǒng)至VOCs廢氣處理裝置，儲罐底部地面設(shè)置泄漏報警裝置。儲存桶裝及瓶裝有機(jī)溶劑的的房間，應(yīng)安裝密閉排氣系統(tǒng)至VOCs廢氣處理裝置，用完的有機(jī)溶劑廢空桶及空瓶應(yīng)保持蓋子蓋緊密封。另外，沾有有機(jī)溶劑的廢抹布等有機(jī)溶劑廢物，應(yīng)用塑料袋裝好并扎緊袋口。

2.2.3 運(yùn)輸過程的控制措施

使用槽車運(yùn)輸?shù)挠袡C(jī)溶劑，槽車和儲罐之間有機(jī)溶劑轉(zhuǎn)移過程中應(yīng)設(shè)置廢氣收集系統(tǒng)至VOCs廢氣處理裝置。轉(zhuǎn)移過程中，槽車管路里的殘液可安裝回液管回流至儲罐。儲罐儲存的有機(jī)溶劑需通過密閉管路輸送至生產(chǎn)機(jī)臺。瓶裝的有機(jī)溶劑從倉庫運(yùn)往無塵室的途中，需要防泄漏的特制運(yùn)輸小車，小車內(nèi)有固定瓶子的裝置，防止瓶子之間互相碰撞。無塵室臨時存放有機(jī)溶劑瓶的化學(xué)品柜，應(yīng)安裝排氣系統(tǒng)至VOCs廢氣處理裝置，柜中存放的化學(xué)品用量不大于24小時的用量。

2.3末端治理減排措施

由于集成電路制造行業(yè)VOCs廢氣大風(fēng)量、低濃度的特點(diǎn)，以沸石材料為載體的吸附濃縮法處理VOCs廢氣（沸石轉(zhuǎn)輪）在業(yè)界得到了較多的應(yīng)用。鑒于沸石轉(zhuǎn)輪法處理VOCs廢氣的技術(shù)已非常成熟且有大量的文獻(xiàn)論述，故本文不再對沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，僅針對如何在沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)日常運(yùn)行過程中有效的提高處理效率，減少VOCs的排放提出幾點(diǎn)建議。

對于運(yùn)行的沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)，應(yīng)該定期對泵、風(fēng)機(jī)、閥門、管路接頭等易發(fā)生泄漏的設(shè)備與管線組件，制定泄漏檢測與修復(fù)（LDAR）計劃，定期檢測、及時修復(fù)，防止或減少系統(tǒng)VOCs廢氣泄漏現(xiàn)象。

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)焚燒爐的溫度對處理效率有較大影響，溫度設(shè)置過低，處理效率不理想；溫度設(shè)置過高，增加用能及系統(tǒng)火災(zāi)等風(fēng)險。根據(jù)陳玉峰[3]等人的研究，焚化爐溫度的控制范圍為700 ～ 730 ℃較為理想，在保證處理效率的同時，可實(shí)現(xiàn)能耗控制。

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)每年均需進(jìn)行幾次例行保養(yǎng)，保養(yǎng)過程中系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，不能處理VOCs廢氣。為保證在沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)停機(jī)保養(yǎng)或故障停機(jī)期間，VOCs廢氣能被有效處理，應(yīng)當(dāng)設(shè)置備用處理系統(tǒng)。備用處理系統(tǒng)可選用另一套沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)，也可選用活性炭吸附備用系統(tǒng)。活性炭吸附系統(tǒng)與沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)比較，優(yōu)點(diǎn)是安裝運(yùn)行成本低，缺點(diǎn)是會產(chǎn)生固體廢物廢活性炭，且活性炭使用周期短。主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)之間切換時，應(yīng)特別注意控制壓力波動，防止影響機(jī)臺。

3 結(jié)語

集成電路制造行業(yè)VOCs污染防治應(yīng)遵循源頭和過程控制與末端治理相結(jié)合的綜合防治原則。在生產(chǎn)過程中采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，嚴(yán)格控制含VOCs原輔料在生產(chǎn)和儲運(yùn)過程中的VOCs排放，積極使用不含VOCs的替代產(chǎn)品或低VOCs含量的產(chǎn)品。通過開展VOCs摸底調(diào)查，制訂VOCs管理制度等文件，加強(qiáng)VOCs監(jiān)測和治理等措施，實(shí)現(xiàn)VOCs在集成電路生產(chǎn)中的全過程減排。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐捷，魏海萍，修光利，伏晴艷，吳迓名，李炎，王歆文.半導(dǎo)體行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放特征研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2007，32 （10）：3741.

[2]裴蓓，邵一平，林衛(wèi)青.國家半導(dǎo)體行業(yè)VOC排放標(biāo)準(zhǔn)制定研究[J].上海環(huán)境科學(xué)，2008（6）：247251.

[3]陳玉峰，楊驥.半導(dǎo)體制程廢氣處理技術(shù)實(shí)踐[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33 （9）：752755.

作者簡介：付篤（1982），女，湖北麻城人，本科，工程師，企業(yè)環(huán)境管理。