如何控制半導(dǎo)體潔凈室溫濕度

[摘要] 對(duì)半導(dǎo)體潔凈室溫濕度控制流程進(jìn)行介紹，并分析潔凈室的溫濕度控制方法。在PID 控制的基礎(chǔ)上，引入模糊控制達(dá)到提高控制的效果。

[關(guān)鍵詞] 溫濕度；PID；模糊控制

引言

隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展， 更精密、集成度更高是行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。目前，制造工藝已經(jīng)進(jìn)入亞納米時(shí)代,線寬都在30-180 納米之間，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的精度要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此，除了設(shè)備本身的工藝水平需要達(dá)到生產(chǎn)要求以外，其所處的生產(chǎn)環(huán)境——潔凈室的各項(xiàng)指標(biāo)也必須被嚴(yán)格地控制，包括：潔凈度、溫濕度、照度、氣流方向、振動(dòng)靜電、磁場(chǎng)以及有害氣體等。其中的溫濕度控制是重點(diǎn)，其控制的效果直接影響著生產(chǎn)的優(yōu)良率。目前半導(dǎo)體潔凈室對(duì)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(guò)對(duì)現(xiàn)有潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)的研究，引入模糊控制，以提高溫濕度控制的實(shí)際效果。

1 溫濕度處理過(guò)程

對(duì)空氣單純地加熱或制冷(未達(dá)到飽和狀態(tài))過(guò)程，是含濕量保持不變的過(guò)程，即絕對(duì)濕度保持不變的過(guò)程。濕空氣經(jīng)過(guò)盤(pán)管加熱，溫度升高而相對(duì)濕度下降；相反,對(duì)冷卻過(guò)程，溫度下降而相對(duì)濕度相應(yīng)升高，因此我們可以得出，溫度和相對(duì)濕度是兩個(gè)不同方向的控制量，要使溫濕度同時(shí)向相同的趨勢(shì)變化， 則單純靠加熱/冷卻過(guò)程是不能實(shí)現(xiàn)的。冷卻去濕過(guò)程是濕空氣經(jīng)冷卻達(dá)到飽和后繼續(xù)制冷的過(guò)程,濕空氣經(jīng)過(guò)冷卻盤(pán)管結(jié)露析出水滴從而降低了絕對(duì)濕度,起到去濕的作用。因而我們可以將空氣處理過(guò)程分為加熱、加濕、降溫及降溫去濕等四個(gè)過(guò)程。圖1 中,橫坐標(biāo)為含濕量，即每千克空氣所含有的水蒸量；縱坐標(biāo)為攝氏溫度。根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)，絕對(duì)濕度線和目標(biāo)溫度線可以劃分為四個(gè)控制區(qū): Zone 1，Zone 2，Zone 3，Zone 4。

為了達(dá)到目標(biāo)溫濕度控制點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的溫濕度控制分區(qū)處理過(guò)程為：在Zone 1 的范圍內(nèi)，先降溫去濕，再加熱。在Zone 2 的范圍內(nèi)，先降溫，再加濕。在Zone 3 的范圍內(nèi)，先加熱，再加濕。在Zone4 的范圍內(nèi)，先降溫去濕，再加熱。

定義：D—控制對(duì)象含濕量，T—控制對(duì)象溫度。

通常情況下， 對(duì)于設(shè)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(jiàn)問(wèn)題

2.1 潔凈室溫濕度處理基本流程

半導(dǎo)體潔凈室廠房通常采用新風(fēng)空調(diào)箱（Makeup Air Unit，MAU）+風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元（Fan Filter Unit，F(xiàn)FU）+干冷盤(pán)管（Dry Cooling Coil，DCC）的設(shè)計(jì)，即新風(fēng)空調(diào)箱MAU 將具有一定潔凈等級(jí)和溫濕度的新風(fēng)送到潔凈室的回風(fēng)通道中，與循環(huán)回風(fēng)進(jìn)行混合后進(jìn)入潔凈室吊頂上方，通過(guò)風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元FFU 后進(jìn)入潔凈室生產(chǎn)區(qū)域，從而基本達(dá)到無(wú)塵室的溫濕度、潔凈度及正壓度的要求。由于整個(gè)潔凈室內(nèi)擺滿了各種生產(chǎn)機(jī)器，這些機(jī)器都保持持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量又將通過(guò)回風(fēng)通道內(nèi)的干盤(pán)管DCC 進(jìn)行冷卻而被帶走， 從而達(dá)到維持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境?；狙h(huán)如圖2 所示。

對(duì)于潔凈室的溫濕度控制，最主要的兩塊是新風(fēng)空調(diào)箱和干盤(pán)管。新風(fēng)空調(diào)箱除了要保證外界大氣經(jīng)過(guò)其中的初、中和高效過(guò)濾網(wǎng)，把空氣中的粉塵顆粒過(guò)濾掉外，還要根據(jù)潔凈室里面的溫濕度情況調(diào)整出風(fēng)口的溫濕度，以保證送入的新風(fēng)在規(guī)定的溫濕度范圍內(nèi)。而干盤(pán)管是根據(jù)潔凈室里面安裝的溫濕度傳感器測(cè)量的值來(lái)調(diào)整干盤(pán)管冷水閥的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)回風(fēng)和送風(fēng)混合后的溫濕度，以保證滿足半導(dǎo)體工藝的溫濕度需求。

由于每種工藝制程設(shè)備的發(fā)熱量大不相同，導(dǎo)致潔凈室內(nèi)的機(jī)臺(tái)發(fā)熱量分布不均勻。例如爐管機(jī)臺(tái)的發(fā)熱量相較于其他設(shè)備大得多（基本在3－5倍之間），因此必須在潔凈室內(nèi)用干盤(pán)管DCC 帶走這些熱量。通常要求同一制程的氣流經(jīng)過(guò)同一組DCC，在建筑已經(jīng)確定的情況下，制程的分布要與回風(fēng)道垂直。如果條件允許，最好是將不同制程的區(qū)域隔開(kāi)，這樣既可避免金屬粒子污染，又能提高溫濕度控制的穩(wěn)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(fēng)溫度基本控制在21℃-21.5℃，在與循環(huán)風(fēng)混合后，F(xiàn)FU 出風(fēng)口的溫度控制在22℃，這樣，經(jīng)過(guò)工作層面后溫度將會(huì)再上升，在機(jī)臺(tái)滿載的情況下上升溫度會(huì)基本穩(wěn)定。

2.2 溫濕度控制中的常見(jiàn)問(wèn)題

在MAU 的溫濕度處理過(guò)程中，為了解決除濕問(wèn)題，通常采用濕度優(yōu)先的方法，冷水閥主要用來(lái)除濕，同時(shí)也造成溫度的下降，然后通過(guò)熱水閥的再熱，使溫濕度均能達(dá)到所要求的值。這樣的做法雖然可以滿足設(shè)計(jì)要求，但在相當(dāng)多的時(shí)候，冷熱水閥使能量相互抵消，造成了能源的浪費(fèi)。另外，如果進(jìn)入潔凈室的新風(fēng)溫度過(guò)高，將導(dǎo)致整個(gè)潔凈室的熱負(fù)荷加大，DCC 開(kāi)度增大以抵消新風(fēng)帶來(lái)的熱負(fù)荷；如果進(jìn)入潔凈室的新風(fēng)的溫度過(guò)低，將使得在DCC 開(kāi)度為零時(shí)都無(wú)法達(dá)到環(huán)境溫度的要求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個(gè)半導(dǎo)體廠的能耗的30%－35%， 因此對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制，選擇合理溫濕度設(shè)定值，對(duì)提高整個(gè)潔凈室溫濕度控制的穩(wěn)定性及節(jié)能具有重要的意義。

3 溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基本上， 現(xiàn)在潔凈室溫濕度要求為22+/-0.5℃，45%+/-3%RH，當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求，對(duì)溫濕度的要求也不盡相同。

3.1 新風(fēng)空調(diào)箱的溫濕度控制

3.1.1 新風(fēng)空調(diào)箱基本結(jié)構(gòu)

新風(fēng)空調(diào)箱基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其處理流程如下：空氣過(guò)濾———包括初效、中效、高效三部分；溫度處理———包括預(yù)熱盤(pán)管、一次表冷盤(pán)管、再熱盤(pán)管三部分； 濕度處理———包括一次表冷盤(pán)管、二次表冷盤(pán)管、蒸汽加濕三部分。

3.1.2 溫度處理過(guò)程

預(yù)熱盤(pán)管的作用是對(duì)外氣進(jìn)行預(yù)加熱。在外界氣溫較低，接近零度時(shí)，為了避免盤(pán)管在氣溫低于零度時(shí)被凍壞，需對(duì)外氣進(jìn)行加熱，通常是加熱到12℃。

控制送風(fēng)溫度時(shí)，將送風(fēng)溫度與其設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)PID 控制算法，得出一個(gè)計(jì)算值，根據(jù)該計(jì)算值來(lái)確定一次表冷盤(pán)管與再熱盤(pán)管閥門(mén)開(kāi)度的大小，其控制流程如圖4 所示。

在整個(gè)PID 閉環(huán)控制環(huán)節(jié)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(jì)算值分為兩部分，0-48％及52（％）-100％，它們分別對(duì)應(yīng)一次表冷盤(pán)管及再熱盤(pán)管，這樣就避免了冷熱水盤(pán)管同時(shí)打開(kāi)而導(dǎo)致能源浪費(fèi)。同時(shí)，在冷熱水切換的交界處48％-52％，設(shè)置了死區(qū)，即當(dāng)外氣的溫度與送風(fēng)溫度設(shè)定值相當(dāng)接近時(shí)，熱水閥和冷水閥都處于關(guān)閉（閥開(kāi)度都為0）的狀態(tài)，以避免冷熱水在臨界狀態(tài)時(shí)不停地切換， 加速了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的損壞，同時(shí)又能減少能源的消耗。

3.1.3 濕度處理過(guò)程

為了避免和溫度之間的耦合關(guān)系，新風(fēng)出口濕度的設(shè)定值通常不采用相對(duì)濕度作為控制值，而是通過(guò)和溫度設(shè)定值綜合計(jì)算后得出其絕對(duì)濕度，以露點(diǎn)溫度或含濕量來(lái)表示。本文以露點(diǎn)溫度為例。將計(jì)算所得的露點(diǎn)溫度設(shè)定值作為整個(gè)MAU 出

口濕度的設(shè)定值。根據(jù)送風(fēng)露點(diǎn)溫度并與露點(diǎn)溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)PID 控制算法，得出一個(gè)計(jì)算值，根據(jù)該計(jì)算值來(lái)確定表冷閥和加濕閥開(kāi)度的大小，其控制流程與溫度控制類似，同時(shí)也引入了分程控制，避免臨界狀態(tài)下加濕與除濕之間不斷切換而導(dǎo)致的濕度控制的波動(dòng)。

3.2 潔凈室溫濕度控制

3.2.1 潔凈室溫度控制

潔凈室內(nèi)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(shí)滯性，在設(shè)置PID 參數(shù)時(shí)通常將積分時(shí)間設(shè)置為零，以防止系統(tǒng)過(guò)調(diào)節(jié)而產(chǎn)生振蕩。

潔凈室溫度主要由DCC 來(lái)調(diào)節(jié)， 但同時(shí)受新風(fēng)送風(fēng)溫濕度的影響，如果給定太高的溫度，進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后，DCC 就需要更大量的冷量進(jìn)行冷卻，這就直接導(dǎo)致能源的浪費(fèi)；如果給定太低的溫度， 進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后， 即使DCC 的開(kāi)度為零，整個(gè)潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個(gè)潔凈室的溫度超標(biāo)。

3.2.2 新風(fēng)空調(diào)箱溫濕度設(shè)定值控制

新風(fēng)空調(diào)箱送風(fēng)溫度設(shè)定值的選取是比較關(guān)鍵的，它必須能夠最佳適應(yīng)當(dāng)前潔凈室內(nèi)溫度的需求。如果給定太高的溫度，進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后，DCC 就需要更大量的冷量進(jìn)行冷卻，這就直接導(dǎo)致能源的浪費(fèi)；如果給定太低的溫度，進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后，即使DCC 的開(kāi)度為零，整個(gè)潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個(gè)潔凈室的溫度超標(biāo)。因此，對(duì)于MAU 新風(fēng)送風(fēng)溫度設(shè)定值的選取是十分重要的，必須在確保系統(tǒng)在控制范圍內(nèi)并盡可能達(dá)到節(jié)能的目的。在此，我們引入模糊控制的思想，通過(guò)對(duì)潔凈室溫度偏差及偏差變化率的模糊規(guī)則變換，得出新風(fēng)空調(diào)箱送風(fēng)溫度設(shè)定值SP。整個(gè)程序運(yùn)行的流程如圖7 所示,程序運(yùn)行后，將獲得新的SP。

基本的模糊控制系統(tǒng)如圖8 所示。系統(tǒng)中的模糊控制器是兩輸入一輸出的,其輸入量是系統(tǒng)的偏差E 和偏差變化率EC, 而這兩個(gè)量具有確定的數(shù)值, 是兩個(gè)清晰量。整個(gè)模糊控制器由四個(gè)部分組成：模糊化，模糊規(guī)則庫(kù)，模糊推理及去模糊化。模糊化的作用是將一個(gè)確定的點(diǎn)映射為輸入空間的一個(gè)模糊集合。通過(guò)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(yǔ)言值集合有七種取值，分別是NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS( 負(fù)小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。模糊的偏差變化率EC 的語(yǔ)言值集合也有七種取值,分別是NB (負(fù)大)、NM (負(fù)中)、NS(負(fù)小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB (正大)。

模糊規(guī)則庫(kù)是由若干個(gè)模糊“if-then”規(guī)則的總和組成，它是模糊系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)其他部分的功能在于解釋和利用這些模糊規(guī)則來(lái)解決具體問(wèn)題。在模糊規(guī)則控制器中編輯模糊控制規(guī)則,不同的模糊控制器一般有不同的模糊控制規(guī)則,因

為模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得出一條條模糊條件語(yǔ)句。在本次實(shí)際設(shè)計(jì)中，共采用了49 條“if－then”規(guī)則，根據(jù)這些規(guī)則，得出如表1 所示的模糊控制規(guī)則表：

模糊推理將模糊規(guī)則庫(kù)中的模糊“if-then”規(guī)則轉(zhuǎn)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(jù)這些規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到一個(gè)模糊集, 即模糊控制量U, 再通過(guò)去模糊化環(huán)節(jié),將其轉(zhuǎn)化為清晰的數(shù)字控制量,達(dá)到調(diào)節(jié)MAU 溫度設(shè)定的目的。

3.2.2 潔凈室相對(duì)濕度控制

潔凈室相對(duì)濕度的控制則由MAU 出口新風(fēng)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將潔凈室相對(duì)濕度測(cè)量值與相對(duì)濕度設(shè)定值進(jìn)行比較，由此計(jì)算出所需要MAU 出口新風(fēng)相對(duì)濕度，其計(jì)算過(guò)程與溫度設(shè)定值的計(jì)算過(guò)程類似， 然后配合MAU 出口新風(fēng)溫度設(shè)定值，計(jì)算出MAU 的出口露點(diǎn)溫度設(shè)定值， 由此來(lái)控制MAU 出口的濕度。

4 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)中引入模糊控制環(huán)節(jié)和分程控制環(huán)節(jié)，發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)小的特點(diǎn), 大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)又具有PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精

度， 半導(dǎo)體潔凈室的環(huán)境溫濕度得到了更好的控制，波動(dòng)更小，同時(shí)也減少了能源的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉瑞霞，王玲，王永晰. 潔凈室的溫濕度控制設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2005，（8）

[2]劉維亭，張冰，朱志宇.主冷凝器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（6）

[3]彭虎鋒.溫濕度雙變量模糊控制系統(tǒng)[J].電氣工程應(yīng)用，2000，（5）

[4]吳曉莉，林哲輝.MATLAB 輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002