有害气体源头治理全新方案
在废气处理领域，针对半导体制造水洗化学工艺产生的废气，采用中央水洗洗涤塔处理，或在废气含有挥发性有机化合物（VOCs）时采用中央热力氧化器处理，已是行业内成熟的通用做法。
以原位处理系统替代传统开关箱
然而，随着单片晶圆水洗清洗设备进入量产阶段，本地湿式洗涤塔的应用优势逐渐凸显。
此类源头处理系统可取代传统开关箱 —— 后者会根据实际工艺工况，将废气分流至不同的中央处理系统。针对该应用场景设计本地水洗洗涤塔时，核心难点在于需在设备尺寸、处理效率与压降损失三项特定限制条件之间进行平衡取舍。
源头处理方案优势显著
DAS Environmental Experts 所研发的源头处理方案，已在该应用场景下通过成功验证。相较于传统开关箱方案，此方案的优势体现在以下方面：废气输送管路更小巧、结构更简化，降低中央处理系统的负荷压力，减少洁净室空气损耗，设备占地面积更小，且对工艺变更的适配灵活性更高。同时，该方案可实现低废气排放浓度，并彻底杜绝酸碱物质反应生成盐颗粒物的问题。
半导体制造单片晶圆清洗工艺
半导体行业的诸多制程环节均会产生有害废气。对于化学气相沉积（CVD）或干法蚀刻这类需使用高活性气体的工艺，在废气源头就近进行的原位废气处理已是行业通用做法。与之不同的是，针对湿法化学工艺产生的废气，采用中央水洗洗涤塔处理 —— 若废气中含有大量挥发性有机化合物（VOCs），则采用中央热力氧化器处理 —— 是行业内成熟的传统方案；上述两种中央处理设备通常安装于厂房内部或屋顶。然而，随着单片晶圆清洗工艺在量产环节的应用日益普及，本地水洗洗涤塔的技术优势逐渐显现。基于技术可行性与商业经济性的双重考量，市场对一款适配性强、占地面积小的本地洗涤塔解决方案提出需求：要求该设备可在单一系统内，处理清洗工艺化学品产生的全部废气。本文将对这一解决方案的设计理念展开详细阐述。
长期投入使用的水洗台设备，其工作原理为：将装载多片晶圆的载具依次浸入一系列液相槽体中，且水洗台的每个工艺槽内始终盛放同类型的液相化学试剂。各工艺槽排出的排风，会被分别导入对应的废气处理系统 —— 这类系统通常按废气类型划分为酸性废气系统、碱性废气系统、挥发性有机化合物（VOC）废气系统及综合废气系统四类。
与之不同的是，在单片晶圆水洗清洗系统中，晶圆是以单片形式被送入工艺腔室的。一套湿法清洗设备会配备多个工艺腔室，既能同时处理多片晶圆，也可在不同腔室内完成不同的制程步骤。清洗作业时，设备会按预设顺序向晶圆表面喷淋各类液态化学试剂，随后通过高速旋转晶圆的方式将试剂去除。除纯水外，制程中常用的试剂还包括氨水、硫酸、过氧化氢、臭氧水、氢氟酸以及异丙醇。在喷淋与高速旋转的过程中，部分液体会发生挥发，同时产生的微小液滴也会被吸入通风管道。
在废气处理环节中，含氨试剂液、含氢氟酸试剂液及含硫酸试剂液会因气相蒸气或液相小液滴相互接触，进而生成盐类晶体，引发设备运行故障。氨与氟化氢的化学反应属于可逆反应（详见公式 1）；因此，只要将两种气体的浓度均控制在热力学推算的平衡浓度阈值以下，氟化铵盐类的生成反应即可得到有效抑制，平衡浓度阈值计算公式如下：
[[NH3][HF]< 100 (ppm)² at room temperature.
HF(g) + NH3(g) ↔ NH4F(s)
水洗台工艺废气处理新方案
此前，这一问题的解决方式是将每台设备工艺腔室的排风，按碱性、酸性或有机废气类型分别接入对应管路（详见图 1）。这种三类废气分流的设计，是通过将湿法清洗设备多个工艺腔室的排气管路汇总连接至一种名为 “开关箱” 的装置实现的 —— 根据各腔室实时所处的制程步骤，开关箱内部的大口径阀门会将单个腔室排出的气流精准导向三类专用中央排气管路中的其中一类，而后每条排气管路的废气再由对应的专用中央洗涤塔进行处理。
尽管开关箱的运行表现稳定，但多项固有缺陷仍促使芯片制造商寻求优化方案：为避免排气管路出现压力波动，开关箱需持续向暂未与工艺腔室连通的管路盲端补入空气。如此一来，每条排气管路都必须时刻具备承载所有工艺腔室最大排风流量的能力。由于开关箱需就近安装于设备旁侧，且需部署在洁净环境内，这会造成大量高成本洁净空气的损耗，损耗的空气还需及时补充。在每条中央排气管路的下游，中央洗涤塔系统需长期承受最大排风流量的负荷，这就要求洗涤塔的设计处理量达到工艺设备实际排风量的数倍之多。辅助设备的安装区域面积通常与洁净室面积相当，空间本就十分有限，各类设备排布得极为密集。而开关箱因配套管路与阀门的管径较大，会占据大量安装空间。此外，系统还需生成控制信号，以此引导各工艺腔室的排风接入对应的中央排气管路。不过，采用源头水洗洗涤塔 (point-of-use wet-scrubber) 即可攻克上述所有弊端。
总体而言，湿式洗涤塔十分适用于脱除气流中的可溶性气体。酸性与碱性气体（本文中即氟化氢与氨气）可通过与碱性或酸性洗涤液发生化学吸收反应，被降至低浓度水平（详见公式 2、公式 3）。对于遵循亨利定律的溶剂类物质，洗涤塔出口废气所能达到的最低浓度，会受终端洗涤段洗涤液内的有效浓度限制（详见公式 4）。
但要达到上述理论极限值，洗涤塔的体积需满足足够大的要求 —— 具体而言，气体在塔内的停留时间要足够长，才能使气液两相达到平衡状态；同时洗涤液的流量也需足够高，确保液相浓度在洗涤塔塔体全程保持相对稳定。而 SALIX 设备的设计难点，就在于需要在设备尺寸、处理效率与压降损失三项特定限制条件之间进行平衡取舍。
HF + OH– ↔ F– + H2O (2)
NH3 + H3O+ ↔ NH4+ + H2O (3)
kH = p / caq (4)
where caq is the concentration in the liquid phase
p is the partial pressure in the gas phase
图 2 所示为一款名为 SALIX 的新型原位湿式洗涤塔解决方案的原理图。某台工艺设备的所有工艺腔室，均接入同一台湿式洗涤塔，而该洗涤塔仅与一条中央排气管路相连。应客户需求，设备额外增设了一条洗涤塔旁通管路，可在洗涤塔维护或故障停机期间，保障工艺设备的持续排风。在各排气管路接入湿式洗涤塔的入口处，均安装有喷淋喷嘴 —— 可在不同工艺排风混合前，预先降低气流中可溶性气体的浓度。随后，废气依次流经两级填料洗涤段，两段可分别采用不同的洗涤液进行作业。每级洗涤段末端均配备除雾器，用于脱除气流中夹带的液滴。系统压力由一台搭载变频控制器的风机调控，以维持压力稳定。当洗涤塔出现故障或进行维护时，废气可直接旁通，不经过两级洗涤段。
SALIX 源头处理系统运行机制
为适配安装空间与设备高度的限制要求，洗涤段的结构需尽可能紧凑。因此，传统的多层洗涤单元立式堆叠塔体设计不再适用。本方案采用的结构为：在同一框架内，并列布置两级矩形填料逆流洗涤段。气体向液相的传质效率取决于气液接触面积，因此两级洗涤段均采用填料塔设计。填料材质的选型是本次设计的关键环节 —— 填料粒径越小，气液接触面积通常越大，但填料层的压降损失也会随之升高。由于洗涤塔的高度已确定，所选填料需具备尽可能大的比表面积；同时，填料单体之间需保留足够的空隙率，以确保排风机可稳定补偿填料层的压降差值。此外，气流通道内的狭窄区域、管路弯头以及除雾器，均会造成系统整体的压降损失。由于两级洗涤段均为逆流塔结构，气体需沿复杂路径流动：从洗涤塔侧部的进气口进入，向下流至第一级洗涤段底部，随后向上流至第一级洗涤段顶部，再向下流至第二级洗涤段底部，最终从洗涤塔侧部的出气口排出。对于结构紧凑的 SALIX 设备而言，必须对系统的潜在压降损失进行优化控制。
新一代水洗台废气处理洗涤塔 SALIX
SALIX 洗涤塔的设计支持多种进气接口配置，最多可配备 12 个独立的 6 英寸进气口，总处理风量可达 1000—4000 立方米 / 小时。不含旁通管路时，该洗涤塔的占地面积仅为 4 平方米（不足传统设备占地面积的 40%），设备高度为 2.04 米；若包含旁通管路配置，设备高度则为 2.57 米。借助变频控制风机，设备可在制程运行期间实现 ±10 帕的压力稳定性控制。其总排风风量与洁净室空气消耗量，约为传统设备的三分之一。针对工艺腔室数量更少或总排风量更低的工艺设备，设计团队同步开发了精简版机型，仅配备单级洗涤段。未来的技术升级方向，将聚焦于进一步提升压力稳定性，以及优化工艺介质消耗量两大核心目标。
SALIX 系统的设计、制造及认证全流程均严格遵循 SEMI S2 安全标准，且仅用时 6 个月便完成全部工作。应客户需求，该系统额外增设了旁通功能。这款水洗洗涤塔在客户现场完成了应用验证 —— 测试期间，设备与某台单片晶圆工艺设备的 12 个腔室完成对接。技术团队针对洗涤塔进气口在正常运行工况及切换至旁通工况下的压力稳定性，开展了优化与认证工作。项目采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，对产线的进气与出气浓度进行了全程检测。最终验证结果表明，该系统完全满足客户要求，无需进行任何额外改造，即可直接投入该企业单片晶圆水洗清洗工艺的废气处理环节。
结论
DAS依托 SALIX 系统的设计研发，成功落地了针对单片晶圆水洗清洗设备废气处理的源头水洗洗涤塔方案，并在晶圆工厂完成了应用验证。该方案不仅实现了废气的低浓度排放，还彻底杜绝了酸碱物质反应生成盐类颗粒物的问题。相较于传统处理系统，本方案的优势体现在以下方面：废气输送管路更小巧且结构简化、降低中央洗涤塔系统的负荷压力、提升工艺变更的适配灵活性、减少洁净室空气损耗，同时大幅缩减设备占地面积。
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