浅析半导体行业废气处理技术

摘要：半导体行业作为高新技术产业的核心领域，在制造过程中产生的废气具有成分复杂、风量大、浓度低等特点，对环境和人体健康构成潜在威胁。本文系统整合半导体行业废气排放特征、现有处理技术、工艺优化策略及新型设备应用案例，全面分析酸性废气、碱性废气、有机废气的处理技术原理与优缺点，探讨以单片晶圆清洗机尾气处理为代表的关键技术，并结合第三代半导体材料发展带来的新挑战，提出新型吸附材料研发、能耗降低与资源回收、智能控制技术应用等未来研究方向，为行业绿色可持续发展提供理论与实践指导。

关键词：半导体行业；废气排放特征；废气处理技术；工艺优化；资源回收

一、引言

半导体产业作为现代信息技术的基石，其制造过程涵盖薄膜沉积、光刻、掺杂、清洗等数十道精密工艺，不可避免地产生大量酸性、碱性、有机废气及特殊气体。这些废气具有成分复杂、排放量大、浓度低等特点，若未经有效处理直接排放，将导致大气污染、水资源酸化及人体健康风险。当前，随着环保法规日益严格及第三代半导体材料（如碳化硅、氮化镓）的快速发展，传统处理技术面临效率不足、能耗高等问题，亟需系统性整合现有研究成果，探索更高效、环保的处理方案。本文综合三篇研究文献，从排放特征、处理技术、工艺优化及设备应用等维度展开论述，为行业技术升级提供参考。

二、半导体行业废气排放特征

（一）废气来源与种类

半导体制造全流程均伴随废气产生，核心来源包括：

（1）薄膜沉积工艺：热氧化、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）过程中产生 HF、Cl₂、SiH₄等酸性气体及硅烷、六氟化钨等特殊气体；

（2）光刻与刻蚀工艺：涂胶、显影、刻蚀环节释放异丙醇、丙酮、光刻胶等挥发性有机物（VOCs），及 HCl、CF₄等腐蚀性气体；

（3）掺杂与清洗工艺：离子注入、湿法清洗过程产生 NH₃等碱性气体，及氟化物、硫酸盐雾滴；

（4）辅助环节：热处理、晶圆切割研磨产生的粉尘及热空气。

废气种类可分为四大类：

（1）酸性废气：HF、HCl、Cl₂、H₂SO₄雾、SO₂等，具有强腐蚀性；

（2）碱性废气：NH₃为主，易溶于水形成碱性溶液；

（3）有机废气：异丙醇（IPA）、丙酮、甲醇、光刻胶溶剂等 VOCs，易燃易爆且部分具有毒性；

（4）特殊气体：硅烷（SiH₄）、磷烷（PH₃）、砷化氢（AsH₃）等可燃有毒气体，及六氟化硫（SF₆）、全氟碳化物（PFCs）等温室效应气体。

（二）排放特点

（1）大风量、低浓度：单条晶圆产线废气风量可达 10 万～20 万 m³/h，而 VOCs 浓度普遍低于 1000mg/m³，酸性气体浓度多在 50~500ppm，导致传统高浓度废气处理技术（如直接焚烧）效率低下；

（2）成分复杂：单一工序废气常含多种污染物，如 CVD 废气可能同时含 HF、Cl₂及未反应的有机前驱体，增加处理系统设计难度；

（3）波动性强：不同工艺阶段废气成分与浓度动态变化，例如光刻胶剥离工序短期内会释放高浓度丙酮，需处理系统具备动态适应性；

（4）毒性与腐蚀性并存：HF 对金属管道具有强腐蚀性，AsH₃等剧毒气体需绝对避免泄漏，对设备材质与密封性能要求极高。

三、不同材质风管优劣的论证分析

根据某八寸晶圆厂，该厂风管材质主要包括不锈钢内衬特氟龙、镀锌风管、PP管三类，其性能对比如下：

表一：风管材质对比

结论：材质选择需综合考虑介质特性、工艺条件及成本效益。未来可探索复合材料（如玻璃钢+氟塑料衬里）以平衡耐腐蚀性与经济性。

四、现有废气处理技术体系

（一）酸性与碱性废气处理技术

1. 喷淋洗涤工艺核心原理

酸性废气与碱性废气均采用喷淋洗涤塔为核心设备，通过气液逆流接触实现污染物吸收：

酸性废气处理：以 25% 以上 NaOH 溶液为吸收液，利用酸碱中和反应去除 HF、HCl 等，反应式如：

HCl + NaOH → NaCl + H₂O
SiF₄ + 6NaOH → Na₂SiO₃ + 4NaF + 3H₂O
系统控制参数包括 pH 值（8~12）、液位高度及电导率，处理效率可达 98% 以上。

碱性废气处理：采用硫酸溶液（浓度 10%~20%）作为吸收液，反应式为：

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄
设备分卧式与立式两种，卧式塔体压降小，适合大风量场景，两者处理效率均达 98%。

（二）有机废气处理技术对比

（1） 活性炭吸附技术

原理：利用活性炭微孔结构（比表面积 500~2000m²/g）的物理吸附作用捕获 VOCs，适用于低浓度（<500mg/m³）、高风量废气。

优点：设备简单、初始投资低，对苯系物、酮类吸附效果显著；

缺点：吸附容量受湿度影响大（相对湿度 > 80% 时效率下降 30%），脱附需高温（120~150℃）且易残留高沸点有机物，存在活性炭堆积自燃风险。

（2）沸石浓缩转轮 + 焚烧工艺

原理：通过沸石分子筛（如 β 型沸石）吸附 VOCs，利用转轮旋转实现吸附（常温）与脱附（200~250℃）循环，将大风量低浓度废气（如 10 万 m³/h、500mg/m³）浓缩为小风量高浓度气流（5000m³/h、5000mg/m³），再进入焚烧炉（800~900℃）分解为 CO₂和 H₂O，总效率≥95%。

优点：适合处理成分复杂的 VOCs，沸石耐温性（≤250℃）优于活性炭；

缺点：焚烧阶段能耗高（每处理 1kg VOCs 约消耗 1.2kg 燃料），且转轮密封件易受粉尘堵塞，需前置高效过滤。

（3）催化燃烧技术（RCO）

原理：在催化剂（如 Pt/Pd 基贵金属或 TiO₂复合催化剂）作用下，VOCs 于 250~450℃低温下氧化，反应式如：
C₃H₈O + 9/2O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

优点：能耗比直接焚烧降低 40%~60%，无明火更安全；

缺点：催化剂易受硫、氯化合物中毒失活，需定期再生或更换，适用废气成分需严格控制。

（4）生物处理技术

原理：利用微生物（如假单胞菌、真菌）的新陈代谢分解 VOCs，如通过活性污泥法或生物滴滤塔，将丙酮转化为 CO₂和生物质。

优点：运行成本低（约为焚烧法的 1/3），二次污染小；

缺点：处理速率慢（空床停留时间需 30~60s），仅适用于易降解有机物（如乙醇、乙酸乙酯），对苯系物效果不佳。

五、有机废气处理工艺优化与资源回收

（一）现有技术局限性分析

活性炭吸附：潮湿环境下吸附效率衰减快，脱附后废活性炭需作为危险废物处理，吨处理成本达 8000~10000 元；

沸石转轮 + 焚烧：浓缩过程需持续加热（约 150kW），且焚烧产生的 NOx 需额外脱硝处理，增加系统复杂性；

生物处理：微生物对温度（20~40℃）、pH（6~8）敏感，工业应用中易受冲击负荷影响，导致处理效率波动。

（二）工艺优化方案设计

（1） 冷凝 + 分子筛吸附联用技术

针对清洗干燥工序的异丙醇（IPA）废气（浓度 800~1200mg/m³，风量 20000m³/h），采用分级处理：

一级冷凝：通过板式换热器将废气冷却至 - 20℃，回收 90% 以上液态 IPA（纯度≥95%），直接回用于清洗槽；

二级吸附：剩余低浓度废气（<100mg/m³）经 13X 型分子筛吸附，定期用 120℃热氮气脱附，得到纯度 99.5% 的 IPA，回收率提升至 98% 以上。
该工艺相比传统活性炭吸附，能耗降低 40%，溶剂回收价值不菲。

（2） 高效微生物驯化与反应器优化

菌种筛选：从电子厂废水处理系统中分离出耐高浓度 VOCs 的菌株（如产碱杆菌属），经驯化后可在 500mg/m³ 丙酮浓度下稳定降解，降解速率达 15g/(m³・h)，较普通菌种提升 50%；

反应器设计：采用逆流式生物滴滤塔，填料层加装多孔陶粒增强传质，同时控制进气湿度 70%~80%、温度 30±2℃，使空床停留时间缩短至 25s，处理负荷提升 30%。

（3） 焚烧系统热能梯级利用

在沸石转轮 + TO（直燃式热氧化炉）工艺中，增加余热锅炉与空气预热器：

一级回收：焚烧尾气（850℃）通过余热锅炉产生 0.5MPa 蒸汽，用于厂区工艺加热，替代部分天然气消耗；

二级预热：剩余热量（300℃）加热转轮脱附空气，使脱附温度从 220℃降至 180℃，能耗降低 25%。

（三）资源回收技术实践

（1）有机溶剂回收：针对光刻胶剥离工序的 N - 甲基吡咯烷酮（NMP）废气，采用变压吸附（PSA）技术，在 0.8MPa 压力下吸附 NMP，减压后解吸得到液态 NMP，纯度≥99%，回用于生产时可减少 30% 的新鲜溶剂采购；

（2）酸性废气中贵金属回收：在处理含 AuCl₃、AgNO₃的酸性废气时，洗涤液经电解沉积回收贵金属。

（四）成本对比

表二：成本对比

（五）环境效益量化

合规性：所有工艺处理后排放浓度均低于 GB 31573-2015《半导体工业污染物排放标准》限值（VOCs≤80mg/m³，HF≤3mg/m³）。

六、单片晶圆清洗机尾气处理关键技术

（一）尾气成分与处理需求

单片晶圆清洗机在湿法去胶、酸碱清洗过程中产生的尾气包含：

气态污染物：HF（来自氢氟酸清洗）、NH₃（来自显影液）、IPA（来自干燥工序）；

颗粒物：光刻胶残渣、金属离子水解生成的氢氧化物颗粒（如 Al (OH)₃），粒径多在 0.1~10μm；

特殊挑战：废气温度波动大（常温～80℃），且需避免处理过程中引入二次污染物（如洗涤废水含氟化物）。

（二）核心处理技术集成

（1）多级过滤 + 吸附系统

初级过滤：采用 G4 级玻璃纤维过滤器去除≥5μm 颗粒，压降 < 50Pa；

中级过滤：F9 级袋式过滤器捕集 0.5~5μm 颗粒，效率≥95%（计数法）；

深度吸附：串联活性炭纤维（ACF）与沸石转轮，ACF 优先吸附低沸点 IPA，沸石转轮去除残留 VOCs，最终排放浓度 < 50mg/m³。

（2）湿式洗涤与干燥组合

针对酸碱混合废气，采用 “二级洗涤 + 除雾” 工艺：

第一级碱洗：NaOH 溶液中和 HF，生成 NaF 溶液，控制 pH=10±0.5；

第二级酸洗：H₂SO₄溶液吸收 NH₃，生成 (NH₄)₂SO₄，控制 pH=4±0.5；

除雾处理：洗涤后废气经折流板除雾器（去除≥3μm 液滴）与丝网除雾器（去除≥1μm 液滴），确保出口雾滴含量 < 50mg/m³。

（3） 催化氧化与冷凝协同

处理含硅烷（SiH₄）废气时，采用 “电加热催化氧化 + 冷凝回收”：

催化氧化：SiH₄在 Pt 催化剂表面于 200℃下氧化为 SiO₂粉末与 H₂O，反应式：
SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂O

粉末收集：氧化后气体经袋式除尘器收集 SiO₂（纯度≥99%），可作为抛光材料原料；

冷凝除水：剩余气体冷却至 5℃去除水蒸气，达标排放。

（三）应用案例分析

（1）SALIX 湿式洗涤器系统

某 12 英寸晶圆厂引入 SALIX 使用点洗涤器，替代传统中央洗涤系统：

技术优势：单设备处理风量 1000~5000m³/h，排气管径从 DN600 缩小至 DN200，占地面积减少 60%；

效果：HF 排放浓度从 15mg/m³ 降至 1.2mg/m³，NH₃从 20mg/m³ 降至 0.8mg/m³，同时避免中央管道盐类结晶堵塞问题。

（2）沸石转轮 + RCO 工艺升级

某功率半导体厂处理 SiC 外延生长废气（含四乙氧基硅烷、六氟乙烷），原系统焚烧温度需 1000℃以上，升级后：

前端浓缩：采用耐高温沸石转轮（耐温 300℃）浓缩有机硅废气；

催化升级：使用含 CeO₂的复合催化剂，将六氟乙烷分解温度从 900℃降至 750℃，NOx 生成量减少 40%；

监测系统：集成在线傅里叶红外光谱（FT-IR），实时调节转轮转速与催化温度，确保氟化物去除率≥99%。

七、新型处理技术研究进展

（一）第三代半导体材料带来的挑战

以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体制造中，高温 CVD 工艺（1500℃以上）产生含氟前驱体（如 CF₄、C₂F₆）及硅基聚合物，传统材料与工艺面临以下问题：

高活性副产物：未完全分解的 Si-C-F 化合物易在管道内壁结垢，堵塞喷淋头；

耐高温需求：废气温度达 300~500℃，普通沸石转轮无法长期稳定运行；

氟化物处理：传统碱洗生成的 NaF 易结晶，需频繁冲洗洗涤塔。

（二）关键技术突破方向

（1） 新型吸附材料研发

氧化铝基陶瓷纤维：耐温 800℃以上，比表面积 300~500m²/g，对硅基颗粒吸附容量达 50g/kg，适用于高温含硅废气预处理；

MOFs（金属 - 有机框架）材料：如 ZIF-8，对丙酮吸附量较活性炭高 40%，且耐湿性显著提升（相对湿度 90% 时效率仅降 15%），正在中试阶段验证；

氟树脂涂层吸附剂：表面接枝 - CF₃基团，增强对 PFCs 气体的选择性吸附，实测对 CF₄吸附容量达 12mmol/g（25℃、1atm）。

（2）智能控制与系统集成

动态参数调节：通过 PID 算法结合废气成分在线监测（如 GC-MS），实时调整洗涤塔喷淋量（响应时间 < 30s）、转轮脱附温度（精度 ±2℃），避免过度处理；

故障诊断系统：利用神经网络模型分析压力、温度、液位传感器数据，提前 48 小时预警活性炭床层温升异常（准确率≥95%），降低自燃风险；

模块化设计：将处理系统划分为预处理、核心处理、尾气监测模块，各模块可独立维护，缩短停机时间 30% 以上。

（3）低能耗与零排放技术

膜分离技术：采用 PDMS 复合膜分离 IPA 废气，膜组件能耗仅为冷凝法的 1/5。

等离子体辅助焚烧：在焚烧炉前段加装低温等离子体反应器（能耗 50kW），将大分子有机物破碎为小分子，使焚烧温度从 850℃降至 700℃，NOx 生成量减少 60%；

闭环回收系统：针对湿法清洗工序，设计 “洗涤液再生 - 废气循环利用” 闭环，如将处理后的 NH₃吸收液蒸发结晶，得到 (NH₄)₂SO₄晶体作为化肥原料，实现零废水排放。

八、结论与展望

（一）研究结论

半导体废气具有 “大风量、低浓度、成分杂” 的典型特征，需针对酸性、碱性、有机废气特性匹配处理技术，如喷淋洗涤用于酸碱废气，吸附 - 焚烧组合处理有机废气；

现有技术在能耗、资源回收、抗波动性上存在提升空间，通过冷凝 - 吸附联用、微生物驯化、热能回收等优化手段，可显著降低处理成本并提高资源利用率；

单片晶圆清洗机等关键设备的尾气处理需集成过滤、洗涤、催化等技术，结合智能控制实现精准处理，避免二次污染；

第三代半导体材料催生的高温、高活性废气处理需求，推动新型耐高温吸附材料、等离子体辅助焚烧等技术的研发与应用。

（二）未来研究方向

材料创新：加快纳米级吸附剂、仿生催化材料的工程化应用，解决传统材料易中毒、寿命短问题；

系统智能化：融合物联网（IoT）与数字孪生技术，实现废气处理系统全流程实时优化，降低人工干预成本；

低碳工艺：探索碳中和处理技术，如将焚烧产生的 CO₂用于碳酸盐洗涤液制备，构建闭环碳循环；

标准体系：针对功率半导体等特殊领域，制定细分行业废气排放标准与处理技术指南，推动技术规范化发展。

随着全球半导体产业向绿色制造转型，废气处理技术的创新将成为行业可持续发展的核心竞争力。通过持续的技术迭代与跨学科融合，半导体行业有望在实现产能增长的同时，达成环境效益与经济效益的双赢。

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