半导体制造业挥发有机气体防治研究

随着我国社会科技发展水平不断提升，各行各业纷纷进行高科技产业升级。随着5G技术、物联网、人工智能、大数据、云计算等新基建的顺利推进，半导体行业高速发展。半导体产业链包括代工、封测、设计、设备以及材料等环节将持续繁荣，各种半导体制造企业也像雨后春笋般快速成长。

1 前言

半导体制造的过程除了会产生众多无机有害气体外，还容易产生大量的挥发有机污染物VOCs。这些有机污染物主要来源于清洗、刻蚀、沉积、镀膜、光刻、显影等频繁使用有机溶剂的工序。半导体生产制造过程中产生的VOCs污染物成分复杂，主要有各类烷烃、烯炔烃类、芳族化合物以及酮、醚类等。

大量挥发性的有机污染物进入大气中不但会对自然生态造成巨大破坏，而且也对人们的身心健康产生严重威胁。现代半导体生产制造企业产能扩张，产生了大量工业废气进入大气环境，工业废气中最难被自然界自净消除、对动植物危害最大的就是挥发性有机污染物（VOCs）。这些小分子有机污染气体通常化学性能活泼，具备极强的化学反应活性，非常容易与自然界中像臭氧、空气等发生反应，引发越来越严重的温室效应，长期来看甚至可能引发区域性乃至全球性环境危机。空气中的挥发性有机污染物也通过呼吸道进入人体内，不仅会对呼吸道造成损伤，同时也容易引起肝脏、肾脏的病变，长期吸入将大大增加致癌风险。因此，加强对半导体企业的监督管理，强化企业排放VOCs的治理极具社会意义。

2 污染现状

最近几年，全国各地极端污染天气频发，长时间严重的雾霾天气严重影响人居环境，大气中的PM2.5污染持续超出标准，空气质量每况愈下。这些灾害对人们的生活带来极大的不便，并且显著降低了城区居民的健康状况和生活幸福感。我国的环境问题主要来源于工业固废、废水及废气的过度排放。随着我国法律体系的日趋完善，工业固废和废水滥排情况由于容易查证追责，未经处理排放的现象已经逐渐减少。但是对于工业废气，尤其是对于那些挥发性有机污染物排放的法律规范相对欠缺。因此，大气环境治理和相关法律政策的完善迫在眉睫。

当代社会人们的物质生活极大丰富，社会居民的消费水平不断增强，可以说现代化社会是建立在以半导体电子行业基础上的信息化社会，大家对于半导体电子产品的需求量激增，各类消费电子产品蓬勃发展。半导体制造业规模扩大，而在其制造过程中多个环节都涉及有机溶剂的使用，这就导致了生产集成电路半导体产品时挥发的高活性VOCs废气含量倍增。更加令人担忧的是，先期半导体制造企业野蛮生长，部分企业存在对有机污染物VOCs处理不到位的情况，生产制造过程使用大量有机溶剂的工序未做到密闭操作，这就造成大量有机溶剂挥发到空气中，向外界环境释放出VOCs。并且很大比例的半导体企业对收集废气的处理效率不高，主要的VOCs净化处理方式是以单一的活性炭吸附为主。主要采取的收集方式也大多为效率不高的侧吸或顶吸。致使有机废气的收集净化效果远未达到90%以上的目标。更有少量企业为了降低生产成本无视法规不经净化处理直接排放。基于上述这些挥发有机废气污染排放情况，VOCs对自然生态造成的危害日益凸显。

3 防治策略研究

3.1污染源控制

首先，直接通过工装设备改进及处理工艺优化从源头上减少有机溶剂的挥发污染。优化光刻、刻蚀等环节的洁净室设计，形成封闭式操作环境，更多地采取自动化设备实现高效操作，提高原材料的使用效率，最大程度减少VOCs的挥发，提高废气的收集效率。其次，大量丙酮等有机溶剂的储存具有很大的污染风险。如果储存条件不当，容易产生较多挥发性VOCs并扩散到空气中，长期污染周边环境。所以有机溶剂及其他易挥发物质应严格存放在特定区域，加强空间挥发气体的收集处理，减少有机化合物进入大气环境。开封使用后的储存桶必须密封处理，以减少挥发性有机化合物的无组织排放。

3.2收集系统控制

根据国家重点行业有机污染物VOCs控制原则，企业产生的挥发性有机废气必须按照行业规范进行富集后统一进行净化处理，并且其收集转化效率必须达90%以上。因此，废气收集系统的科学有效对VOCs污染的防治具有非常重要的意义。企业生产中产生VOCs的装置和环节应尽量做到密闭设计，使用有机溶剂的端口应设计成负压，最大程度减少VOCs的无组织排放。对半导体行业中自动化设备的使用也应该充分考虑挥发有机污染收集系统，尽可能利用生产设备自带的集气系统进行收集。如果容易使用环节无法做到密封，也应使用设计合理的集气罩尽可能多地收集挥发气体和更多的污染物。同时集气罩使用的吸气循环方向应与设备排气流向一致，吸气量根据挥发污染物含量设置适当参数，以此来加强废气收集效率。

3.3末端净化治理

末端治理是当前绝大多数半导体企业采用的废气净化处理方式。最终通过大量富集挥发性有机废气并在排放入大气之前对这些污染气体集中治理，满足净化90%以上的标准后才能排放。因此各个企业需要计算分析产生废气组成、浓度、风量等参数调整最合适的参数进行收集净化，同时经济可行性也是一种必须考虑的因素。目前常用的末端处理工艺主要有活性炭吸附+催化燃烧法（RCO）、沸石吸附法+蓄热式焚烧炉（RTO）以及大孔吸附树脂+催化/蓄热式焚烧炉法等。采用末端净化治理方式应该根据不同企业产生VOCs含量与成分选择最为合适的后处理方法。

3.3.1 活性炭吸附+催化燃烧（RCO）

生产过程挥发的有机气体通过活性炭层时，有机废气会被有效地吸附在活性炭中达到除去废气中VOC的目的。当探测到活性炭的吸附能力接近饱和后，利用热风均匀加热活性炭吸附层来使有机废气解吸。解吸后的高浓度有机废气在风扇泵产生的气流输送下进入催化燃烧设备进行催化燃烧（RCO）。充分燃烧后的产物为无污染的CO2和H2O，能够直接排放到空气中。由于催化燃烧室的气体温度通常较高，因此可以引入热交换器与常温空气进行热交换，在减少解吸过程中的能耗同时回收利用产生热能。

3.3.2 沸石吸附+再生焚化炉（RTO）

沸石吸附是将半导体制造过程中产生的VOCs吸附在多孔的的沸石结构中，从而达到从有机废气中除去VOCs的过程。有害气体通过净化设备缓慢地在沸石转轮上进行吸附和浓缩，净化后产生的清洁气体通过排气漏斗排出。沸石缓慢运行以将吸附在吸附区中的有机废气旋转到解吸区，在解吸区引入热空气将解吸流道中吸附的有机废气解吸释放形成高浓度有机废气，最终通过输送风扇泵将其泵入再生焚化炉（RTO）中进行燃烧。同时燃烧过程中产生的高温气体循环进入热交换器中回收用于VOCs的解吸，燃烧后产生无害的CO2和H2O排放到大气中。

3.3.3 大孔吸附树脂+催化/蓄热式焚烧炉法

大孔吸附树脂连续设备采用树脂作为新型吸附材料，处理工艺分为吸附、脱附、冷却再生，冷凝回收等环节，各个环节通过自动化控制阀门的切换实现不同的操作。VOCs废气经多级过滤装置预处理之后，进入装填有大孔吸附树脂的特定树脂柱进行吸附处理，经过大孔吸附树脂附净化后的洁净气体则直接通过管道排放到大气中。待吸附区的大孔吸附饱和之后，调节阀门控制其进行再生环节，利用高温蒸汽进行脱附浓缩，脱附温度为通常为100℃~150℃，运行过程耐热温度最高可达150℃。根据组分及浓度，调节阀门切换时间，可实现高的净化效率。设定好吸附速度和脱附速度，可以达到理想的VOCs浓缩倍率，最大程度降低运行能耗。脱附后的大孔吸附树脂进入冷却再生环节，由冷空气或者冷废气进行冷却再生，再生后的大孔吸附树脂可再进行吸附环节，持续吸附VOCs废气，周而复始，连续运行，自动化程度较高。脱附后的浓缩有机废气处理方式多样，根据不同工况可选择蓄热氧化（RTO）和催化氧化（CO）等氧化单元。富集后的气体通过风机抽送至热氧化炉进行燃烧转化成二氧化碳及水蒸气排放至大气中。VOCs在燃烧室内进行热氧化放出的热量，部分维持自身运行，如有富裕的热量可供大孔吸附树脂脱附使用。或者进行余热回收，比如用在导热油锅炉或者余热蒸汽锅炉使用，最大化的节约能源。将富集后的再生气通过冷凝回收装置，还能够做到冷凝回收目标产物。

3.3.4末端处理工艺比较研究

采用大孔吸附树脂作为吸附剂和活性炭、沸石等相比的安全性能更好，对VOCs的吸附精度高极高，能够充分吸附卤代烃等难吸附气体。通过热气流再生时树脂不易发生着火现象，安全性比较高。并且该工艺再生温度能够提高，适用于从低沸点到高沸点的各种VOCs的净化以及资源化的回收。同时，大孔吸附树脂吸附还具有设备使用寿命长，再生活化成本低，可反复再生等优势。不像活性炭及沸石更换频繁，易产生二次污染。但是，大孔吸附树脂处理工艺的设备一次性投入成本较大，VOCs的吸附量相对活性炭和沸石会小一点，因而更适用于中低浓度但高反应活性的挥发性有机小分子净化。

3.4监管策略

挥发有机气体的防治手段无论是从污染源头控制，收集系统控制以及最终净化处理都会相应地减少企业产生VOC的排放。但是，不管上述措施是否充分实施，或者实施以后是否可以达到预期的效果，有关政府职能部门也应当进行废气排放的监督和监测，半导体企业本身也应当建立相应的管理制度。

企业建设和运行过程中都应进行环境影响评估，半导体制造企业需要向当地环保监管部门递交项目申请及报告，并由专家对项目中使用的原材料及其成分，产生有机废气的时间，产生的废气的类型以及处理方法进行评估。只有经过环境保护局批准该项目后才能开展生产经营活动。同时，政府部门不定期对半导体电子企业进行现场监督，主要核查原材料、设备等的使用及末端治理效率。将原材料的使用与环境影响评价进行比较，看原材料是否存放在原材料仓库中，企业与环评登记的原材料是否一致，有机物的种类是否一致，是否有超出环评范围的原材料等。对于投诉较多、管理水平较差的老旧企业可调整监察时间，开展夜间或者节假日监察，更有针对性地监察企业污染治理情况，必要时进行强制整改。

4 结论

半导体制造业飞速发展，各个生产制造环节的有机挥发气体防治任务尤为紧迫。政府部门在加强半导体制造业VOCs排放监察的同时也应给予相应激励政策，支持半导体制造行业加大对清洁生产工艺、高效末端净化处理技术的研发。根据企业产生有机废气情况针对性的使用高效末端治理工艺。起草建立半导体行业有机气体防治行业标准，从有机溶剂的储存、运输方式、制造设备及厂房到最终废气净化的各个环节进行改进提高，形成废气检测和处理的闭环，减少VOCs污染物向大气环境扩散。