如何控制半導體潔凈室溫濕度

[摘要] 對半導體潔凈室溫濕度控制流程進行介紹，并分析潔凈室的溫濕度控制方法。在PID 控制的基礎上，引入模糊控制達到提高控制的效果。

[關鍵詞] 溫濕度；PID；模糊控制

引言

隨著半導體生產(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。目前，制造工藝已經(jīng)進入亞納米時代,線寬都在30-180 納米之間，對生產(chǎn)設備的精度要求越來越嚴格，因此，除了設備本身的工藝水平需要達到生產(chǎn)要求以外，其所處的生產(chǎn)環(huán)境——潔凈室的各項指標也必須被嚴格地控制，包括：潔凈度、溫濕度、照度、氣流方向、振動靜電、磁場以及有害氣體等。其中的溫濕度控制是重點，其控制的效果直接影響著生產(chǎn)的優(yōu)良率。目前半導體潔凈室對溫濕度的控制范圍通常為： 溫度22+/-0.5℃，濕度45+/-3%RH。本文通過對現(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際效果。

1 溫濕度處理過程

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

為了達到目標溫濕度控制點，其對應的溫濕度控制分區(qū)處理過程為：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—控制對象含濕量，T—控制對象溫度。

通常情況下， 對于設定值溫度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問題

2.1 潔凈室溫濕度處理基本流程

半導體潔凈室廠房通常采用新風空調(diào)箱（Makeup Air Unit，MAU）+風機過濾單元（Fan Filter Unit，F(xiàn)FU）+干冷盤管（Dry Cooling Coil，DCC）的設計，即新風空調(diào)箱MAU 將具有一定潔凈等級和溫濕度的新風送到潔凈室的回風通道中，與循環(huán)回風進行混合后進入潔凈室吊頂上方，通過風機過濾單元FFU 后進入潔凈室生產(chǎn)區(qū)域，從而基本達到無塵室的溫濕度、潔凈度及正壓度的要求。由于整個潔凈室內(nèi)擺滿了各種生產(chǎn)機器，這些機器都保持持續(xù)的運轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量又將通過回風通道內(nèi)的干盤管DCC 進行冷卻而被帶走， 從而達到維持長時間穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境。基本循環(huán)如圖2 所示。

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

由于每種工藝制程設備的發(fā)熱量大不相同，導致潔凈室內(nèi)的機臺發(fā)熱量分布不均勻。例如爐管機臺的發(fā)熱量相較于其他設備大得多（基本在3－5倍之間），因此必須在潔凈室內(nèi)用干盤管DCC 帶走這些熱量。通常要求同一制程的氣流經(jīng)過同一組DCC，在建筑已經(jīng)確定的情況下，制程的分布要與回風道垂直。如果條件允許，最好是將不同制程的區(qū)域隔開，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 的送風溫度基本控制在21℃-21.5℃，在與循環(huán)風混合后，F(xiàn)FU 出風口的溫度控制在22℃，這樣，經(jīng)過工作層面后溫度將會再上升，在機臺滿載的情況下上升溫度會基本穩(wěn)定。

2.2 溫濕度控制中的常見問題

在MAU 的溫濕度處理過程中，為了解決除濕問題，通常采用濕度優(yōu)先的方法，冷水閥主要用來除濕，同時也造成溫度的下降，然后通過熱水閥的再熱，使溫濕度均能達到所要求的值。這樣的做法雖然可以滿足設計要求，但在相當多的時候，冷熱水閥使能量相互抵消，造成了能源的浪費。另外，如果進入潔凈室的新風溫度過高，將導致整個潔凈室的熱負荷加大，DCC 開度增大以抵消新風帶來的熱負荷；如果進入潔凈室的新風的溫度過低，將使得在DCC 開度為零時都無法達到環(huán)境溫度的要求。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個半導體廠的能耗的30%－35%， 因此對空調(diào)設備進行優(yōu)化控制，選擇合理溫濕度設定值，對提高整個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)實現(xiàn)

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

3.1 新風空調(diào)箱的溫濕度控制

3.1.1 新風空調(diào)箱基本結(jié)構

新風空調(diào)箱基本結(jié)構如圖3 所示，其處理流程如下：空氣過濾———包括初效、中效、高效三部分；溫度處理———包括預熱盤管、一次表冷盤管、再熱盤管三部分； 濕度處理———包括一次表冷盤管、二次表冷盤管、蒸汽加濕三部分。

3.1.2 溫度處理過程

預熱盤管的作用是對外氣進行預加熱。在外界氣溫較低，接近零度時，為了避免盤管在氣溫低于零度時被凍壞，需對外氣進行加熱，通常是加熱到12℃。

控制送風溫度時，將送風溫度與其設定值進行比較，通過PID 控制算法，得出一個計算值，根據(jù)該計算值來確定一次表冷盤管與再熱盤管閥門開度的大小，其控制流程如圖4 所示。

在整個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 控制算法得出的計算值分為兩部分，0-48％及52（％）-100％，它們分別對應一次表冷盤管及再熱盤管，這樣就避免了冷熱水盤管同時打開而導致能源浪費。同時，在冷熱水切換的交界處48％-52％，設置了死區(qū)，即當外氣的溫度與送風溫度設定值相當接近時，熱水閥和冷水閥都處于關閉（閥開度都為0）的狀態(tài)，以避免冷熱水在臨界狀態(tài)時不停地切換， 加速了執(zhí)行機構的損壞，同時又能減少能源的消耗。

3.1.3 濕度處理過程

為了避免和溫度之間的耦合關系，新風出口濕度的設定值通常不采用相對濕度作為控制值，而是通過和溫度設定值綜合計算后得出其絕對濕度，以露點溫度或含濕量來表示。本文以露點溫度為例。將計算所得的露點溫度設定值作為整個MAU 出

口濕度的設定值。根據(jù)送風露點溫度并與露點溫度設定值進行比較，通過PID 控制算法，得出一個計算值，根據(jù)該計算值來確定表冷閥和加濕閥開度的大小，其控制流程與溫度控制類似，同時也引入了分程控制，避免臨界狀態(tài)下加濕與除濕之間不斷切換而導致的濕度控制的波動。

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、大時滯性，在設置PID 參數(shù)時通常將積分時間設置為零，以防止系統(tǒng)過調(diào)節(jié)而產(chǎn)生振蕩。

潔凈室溫度主要由DCC 來調(diào)節(jié)， 但同時受新風送風溫濕度的影響，如果給定太高的溫度，進入潔凈室和循環(huán)風混合后，DCC 就需要更大量的冷量進行冷卻，這就直接導致能源的浪費；如果給定太低的溫度， 進入潔凈室和循環(huán)風混合后， 即使DCC 的開度為零，整個潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個潔凈室的溫度超標。

3.2.2 新風空調(diào)箱溫濕度設定值控制

新風空調(diào)箱送風溫度設定值的選取是比較關鍵的，它必須能夠最佳適應當前潔凈室內(nèi)溫度的需求。如果給定太高的溫度，進入潔凈室和循環(huán)風混合后，DCC 就需要更大量的冷量進行冷卻，這就直接導致能源的浪費；如果給定太低的溫度，進入潔凈室和循環(huán)風混合后，即使DCC 的開度為零，整個潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個潔凈室的溫度超標。因此，對于MAU 新風送風溫度設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)并盡可能達到節(jié)能的目的。在此，我們引入模糊控制的思想，通過對潔凈室溫度偏差及偏差變化率的模糊規(guī)則變換，得出新風空調(diào)箱送風溫度設定值SP。整個程序運行的流程如圖7 所示,程序運行后，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, 而這兩個量具有確定的數(shù)值, 是兩個清晰量。整個模糊控制器由四個部分組成：模糊化，模糊規(guī)則庫，模糊推理及去模糊化。模糊化的作用是將一個確定的點映射為輸入空間的一個模糊集合。通過模糊化處理,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 語言值集合有七種取值，分別是NB(負大)、NM(負中)、NS( 負小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。模糊的偏差變化率EC 的語言值集合也有七種取值,分別是NB (負大)、NM (負中)、NS(負小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB (正大)。

模糊規(guī)則庫是由若干個模糊“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)則來解決具體問題。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)則實質(zhì)上是將操作員的控制經(jīng)驗加以總結(jié)而得出一條條模糊條件語句。在本次實際設計中，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)則進行模糊推理得到一個模糊集, 即模糊控制量U, 再通過去模糊化環(huán)節(jié),將其轉(zhuǎn)化為清晰的數(shù)字控制量,達到調(diào)節(jié)MAU 溫度設定的目的。

3.2.2 潔凈室相對濕度控制

潔凈室相對濕度的控制則由MAU 出口新風濕度進行調(diào)節(jié)，將潔凈室相對濕度測量值與相對濕度設定值進行比較，由此計算出所需要MAU 出口新風相對濕度，其計算過程與溫度設定值的計算過程類似， 然后配合MAU 出口新風溫度設定值，計算出MAU 的出口露點溫度設定值， 由此來控制MAU 出口的濕度。

4 結(jié)論

實際應用中，通過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、動態(tài)響應好、上升時間快、超調(diào)小的特點, 大大提高了整個控制系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，同時又具有PID 控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精

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

參考文獻

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

[2]劉維亭，張冰，朱志宇.主冷凝器模糊控制系統(tǒng)設計[J].電子科技大學學報，2006，（6）

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

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