1 技术领域
本文涉及半导体行业生产过程中用到的超纯水系统。其中针对终端超纯水的密闭封存，与空气进行隔绝，采用高纯氮气。为了降低氮气用量从而降低运行成本。包括系统工艺、控制逻辑方面进行相关研究。对半导体的研制、生产减少成本，以至于对大量的电子产品起到降低成本的作用。
2 技术背景
超纯水系统是现在半导体生产上使用非常重要的设备，由于在工业生产上对超纯水的使用量非常大，一般的小型超纯水机并不能满足要求，而超纯水系统在这种时候就是用来提供大量生产用水。在半导体行业生产制造过程中，由于电子设备对冲洗用水中金属离子的含量要求非常高，必然需要增加使用CEDI电渗析技术才能将水中金属离子去除掉。
然而电渗析生产的产品水，水质可达到18MΩ·cm以上，已经属于高纯纯水，如果与空气接触，水质会瞬间下降。这就需要对于电渗析的产水进行封存，与空气隔绝，隔绝用的氮气纯水需>99.999%。后面再将此部分的水净化成超高纯度的超纯水。
3 详细内容
3.1 工艺说明
超纯水系统总体来说一般可分为三个部分：超纯水制备区；超纯水密闭封存区；超纯水输送系统。
超纯水的制备过程是很复杂很重要的部分，由如下几个部分组成：前处理系统、脱盐纯化处理系统、精致超纯水系统。前处理系统主要包括：多介质过滤器、活性炭过滤器、脱盐纯化处理系统主要包括：阴阳离子交换塔、脱炭酸塔、精密过滤器、以及双级逆渗透系统。
精致超纯水系统主要包括：脱氧脱碳工艺系统、TOC及UV杀菌系统、核子级混合床及终端超滤过滤系统。在向工艺生产车间设备输送超纯水的环节中，输送的管道对水质有污染影响，需要考虑在车间生产区再设置二级抛光混床系统，及终端过滤系统，除去在向生产车间输送超纯水的环节中，管道内壁有污染物析出，从而影响水质。
超纯水制备的过程，是一个极其精细的过程。首先设备自身的品质，对制备超纯水有决定性的作用。同时安装施工的过程，为了避免混入杂质，中间环节的管控也尤为重要。
在对设备及施工严格要求的前提下，还要避免空气对水质的污染。当CEDI电渗析系统制备的高纯水时，需要到水箱中进行封存。封存过程需要使用高纯洁净氮气进行封存，避免混入空气、氧气、二氧化碳等气体。
这就需要对氮气的选用、控制以及平时的维护，相当注重。氮气必须采用纯度大于5个9的高纯洁净氮气。氮气的补充跟补水量、用水量有直接关系。如果控制不好，那么氮气量用量会非常大，对于整个超纯水的制备过程成本会上升。这就需要对氮气的补充过程与水量进行匹配。系统控制可采用比例调整阀、静压式液位计，变频器等控制设备进行高精度匹配。在超纯水的封存阶段，降低超纯氮气的使用量。降低生产过程的成本，从而降低后续一系列成本的成本。
氮封系统设置在“超纯水密闭封存区”，用于对电渗析系统的产水进行封存，与空气隔绝。保证高纯的水质。
3.2 氮封系统说明
1氮气系统；2比例三通阀；3水封器；4纯水箱；5输送水泵；
说明①：比例三通阀是通过纯水箱中的静压式液位计反馈模拟量信号，精准的控制三通阀的开度。
说明②：氮气系统采用高纯氮，纯度>99.999%的氮气，配备二次减压阀及微压阀，保证氮气压力的存在。
说明(3)：配备水封器，进行优化处理，正压可达2.8KPa。
说明(4)：纯水箱为经过熏蒸水箱，减少析出物。
氮气的正常用量：瞬时N2补充（最大）
3.2.1 最大出水水量按照8.4m³/H计，当EDI不在补水时，N2用气量最大。
即氮气的最大补充量为8.4m³/H（当前温度，视为25℃）
根据克拉伯龙方程PV=nRT可得
P1V1/T1=P2V2/T2 (P1=P2)
8.4/298.15=V2/273.15
→V2=7.7Nm³/H
结论一：即最大用气量为7.7Nm³/H—(理论最大气量)
3.2.2 系统补水说明
当液位低于M位后，二级RO+EDI系统启动产水，补到H位后停止补水；
运行中氮气补气说明
(1）当水箱中低于0.0KPa时，补充N2。当达到3.0KPa时，停止补氮气；
(2）即当纯水槽为常压的情况下，水位波动<24mm不会补充氮气；
3.2.3 系统设有调整液位的装置→比例式调整三通阀。
当液位下降时，通过三通阀微调，保持水箱的液位高度波动很小。
结论二：将液位的波动控制在24mm以内，则基本不用补充氮气；
3.2.4 用水量波动大的情况
当后续用水量波动大，液位变化>24mm时。
单次用气量为：(1.5×1.5×3.14)/4×0.8×0.03=0.04m³按照每天持续波动100次计算→
那么每天用气量约4 Nm³/D
结论三：实际氮气用量与水箱液位变化有直接关系；
3.3 系统的控制方式
此氮封控制系统是一个典型的闭环控制系统。检测单元：纯水箱静压式液位计（输出4～20mA模拟信号）；控制对象:比例三通阀（可接收4～20mA模拟信号）；控制器：PLC控制系统。
控制原理：将纯水箱液位计信号，利用PLC的AD模块，读入到PLC控制器；将采集到的纯水箱液位计4～20mA模拟信号，转换成数字量信号，换算成以米为单位的液位高度（PV值），与触摸屏上设定的液位高度(SV值)比较；调用PLC的PID调节指令，并进行PID参数设置，经过PID运算得出数字值，再通过PLC的DA模块转换成模拟量，给到控制纯水箱进水的比例三通阀，控制三通阀的补水开度，实现纯水箱的恒液位控制。
通过以上的设置，可以将实际液位控制在24mm之内变化。这样氮气的使用量基本为“0”。
3.4 结论
从数据可以看出，每天氮气用量基本在0.01-0.1之间。通过本次研究及实际使用来看，氮气用量大幅缩减。实际用量仅为常规用量的1/160。对于每小时用水量在5-6m³的系统，每年节约费用约5.3万元。
4 总结
依据本实验研究实施例为启示，通过上述的控制结构，可将氮气用量，减少到常规用量的1/160，对于超纯水系统的氮气用量，大幅缩减。大大节省了系统的运行费用。可以大范围推广使用。
随着今后对半导体、显示玻璃等高精尖行业，对超纯水的用量越来越大，本研究有着非常重要的意义。
