特殊氣體供應系統概述

京東方科技集團股份有限公司 李全朕

特殊氣體供應系統概述

京東方科技集團股份有限公司 李全朕

隨著半導體芯片、太陽能光伏、液晶面板產業的發展，生產使用的特殊氣體種類不斷增加，氣體供應系統愈發復雜。特殊氣體已經成為工廠內危險系數最高的因子，在這里我們根據特氣不同的物理、化學性質進行了分類和討論，進而對特種氣體供應系統的規劃、設計、設備選型及其安全管理進行了闡述，并且工廠內有著重要作用的氣柜設計進行了探討。

特殊氣體；氣體供應；系統設計；安全管理

1 引言

半導體產業、液晶面板產業近些年在中國得到了飛速的發展，在生產過程中大量使用不同種類的危險化學品，包括大宗氣體、特殊氣體及化學藥液；尤其以特殊氣體供應危險性高、一旦發生泄漏危害性大。所以其供應系統的設計、安裝、運行、管理須重點關注。本文主要討論特種氣體的分類、供應和相關安全管理等。

2 特氣的分類

半導體、液晶面板產業所使用的特種氣體一般按照氣體的性質進行分類，一般分為自燃性、可燃性、毒性、腐蝕性、氧化性、惰性氣體，而在工廠建設中和系統規劃中根據不同氣體的性質一般分為易燃易爆、毒性腐蝕性、惰性氣體進行分類集中供應管理。

（1）易燃易爆氣體

把自燃、可燃氣體等都歸為這類氣體。如硅烷、乙硅烷、乙硼烷等這類氣體一般只要與空氣接觸就會燃燒屬于自燃氣體。可燃氣體都有一定的著火點和爆炸范圍（包括爆炸上限、爆炸下限），一般著火點溫度越低、爆炸范圍越大危險性越高，如H2,CH4,NH3都屬于可燃氣體。

（2）毒性腐蝕性氣體

半導體制造行業中使用的特殊氣體很多都是對人體的危害主要體現在它的強腐蝕性和有毒性質，比如CL2,BCL3，NF3等氣體，其中PH3,B2H6等氣體也屬于有毒氣體，但由于其同時具有易燃易爆性質，因此供應系統一般歸為易燃易爆氣體進行集中供應。像CL2,SIF4,NF3等有毒不可燃的氣體歸為有毒氣體進行集中供應管理。

（3）惰性氣體(Inert Gas)

隋性氣體一般指一些沒有毒性且不可燃的氣體，這類氣體的危害性一般是指窒息性和高壓,比如AR,HE,NE,N2這種氣體。

3 特氣供應流程

特殊氣體的供應方式有很多種，比如用量較大的采用槽車供應、用量次之的一般使用臥式鋼瓶供應或集裝格、用量再小的氣體一般采用立式氣體鋼瓶供應，具體采用哪種供氣方式，需要以生產設備的具體用量作為依據，綜合考慮鋼瓶更換頻率、人員配置、作業強度和現場運行管理安全、方便等條件經比較后方可確定。根據不同的特氣供應方式，集中供應的特氣站房設置也會不同。一般使用槽車、臥式氣瓶、集裝格供應的特氣系統站房需要獨立于主廠房建設；使用立式氣瓶供應的特氣站房可設置在廠房一層，同時設置于廠房內的特氣站房對于相同化學性質的特氣存儲量也具有嚴格的要求，例如對于自燃性的特氣要求存儲量不能超過2.8立方，以硅烷為例目前44L鋼瓶的單瓶氣體容量即約為2.8立方，因此對于硅烷用量較大、供應穩定性要求較高的供應系統一般不建議在廠房內供應；但由于廠房內立式氣瓶供應具有投資少、供應方便、設備安全等特點，用量較小的實驗室、中試線一般采用此種方式供應。根據氣體危險性的不同供應方式也不近相同，有毒、易燃易爆氣體對于使用立式氣瓶進行供應的一般采用用氣柜（GC）和閥門箱（VMB的形式進行供應）；對于惰性氣體采用立式氣瓶供應的一般采用氣架（GR）+閥門盤（VMP）進行供應。

圖1所示為立式氣瓶供應特種氣體的輸送系統簡圖。

圖1 立式氣瓶供應特種氣體的輸送系統簡圖

由于大部分氣體滿瓶的壓力很高，很多氣瓶壓力在100KG/CM2以上，壓力太高而不能直接在生產設備上使用，同時半導體元件和液晶面板生產的復雜程度很高，對于氣源供應的穩定性要求極高，生產設備對氣體穩定供應特別敏感，為保證系統穩定的壓力輸出所以特氣供應系統一般采用兩級調壓的方式進行供應，即氣柜/氣架1級調壓，閥門箱/閥門盤2級調壓；兩級調壓更穩定的原理是由于隨著氣瓶的使用，瓶內氣體的剩余壓力不斷降低、在不操作調壓閥的前提下，氣柜1級調壓后的壓力會不斷升高導致管道內壓力升高，而在閥門箱內增加2級調壓后，對閥門箱/閥門盤后直接用于設備生產的氣體壓力基本可以維持不變，而達到穩定供應的目的。

4 氣柜/氣架、閥門箱/閥門盤

氣柜/氣架均是特氣氣體的供應設備，兩者的不同在于前者具備密閉的箱體、具備排風接口、具備自動切換和吹掃的功能，一般用在危險性高的易燃易爆和有毒氣體供應上；氣架一般為開敞式的供應設備，不具備自動吹掃的功能但是有自動切換功能和尾氣排放口，一般應用在惰性氣體的供應系統中。閥門箱一般與氣柜配套使用，應用在危險性較高的特殊氣體上，閥門箱具有密閉箱體和排風，一些要求較高的工廠內閥門箱的每個支路上均具備吹掃氣體管道。閥門盤與氣架配套使用一般配置在惰性氣體的供應上。但是兩者的共同特點是具備分配特種氣體、調壓供應的功能，可以實現一個氣源對不同工藝設備、不同壓力的供應。

5 特氣系統管道

由于特氣具有腐蝕或易燃的特性，同時生產線對氣體供應純度要求很高，因此特氣系統管道使用耐腐蝕SUS316L EP級的管道較多，對與吹掃氣體和排放氣體的管道可使用BA級和AP級的管道，對于CL2、PH3 、B2H6、SiH4等自燃氣體、劇毒氣體的傳輸，一般采用雙套管的形式，即兩根大小不同的管件組成，內層管道接觸工藝特氣，因此要求級別較高使用SUS316L EP管或防護等級更高的管道，外管則作為內管的保護管路，一般狀態下不會接觸特氣，使用SUS304 AP管即可。外管兩端密封后內外管之間抽成真空負壓狀態，并在氣柜端易觀察位置設置負壓表，如管道負壓上升則表明內層管道可能發生泄漏。

6 特氣生命安全系統

由于特氣的危險性較高，人體一旦接觸氣體就會造成很大的傷害，因此第一時間能夠偵測出泄漏到環境中的特氣顯得尤為重要，除了上文提到的部分氣體可以根據雙套管外管的負壓判斷外，更重要的是安裝配套的生命安全系統。包括氣柜自帶泄漏偵測裝置和外裝氣體偵測器系統，氣柜自帶的偵測裝置包括部分自燃氣體氣柜紅外-紫外線（UV-IR）火花探測器；氣體偵測器系統是使用額外的偵測器裝置，通過偵測器傳感器監控關聯氣體的濃度來判斷是否發生氣體泄漏，特氣偵測點一般按照氣柜排風管、氣柜環境、閥門箱排風管、閥門箱環境及工藝設備環境來布置，任何有毒氣體的泄漏將會被氣體偵測系統所偵測到，偵測器將根據氣體的濃度高低確定氣體供應系統的聯動，一般分為濃度高報警和濃度高高報警，達到高高報警意味著現場特氣濃度短時接觸即會對人體造成傷害，這種狀態下原則上特氣供應系統會立即關閉相應氣源，有廣播系統的工廠內會驅動廣播系統立即通知人員疏散，迅速撤離報警區域，啟動相應的應急處理流程。

7 特氣供應系統的動力需求

特氣系統正常供應狀態下，系統本身需要其他的一些水、電、氣的需求來滿足其運行的安全性及穩定性。特氣供應設備對水的需求主要是氣柜內可能有消防噴淋管的需求和現場的應急用水 的需求，其中消防水主要是在發生火災的時候對氣柜內的鋼瓶進行噴水冷卻，避免高溫發生爆炸事故；特氣供應系統的電力供應需使用不間斷電源，也就是工廠內的U電。U電在市電斷電的情況下仍可供應，給特氣管理人員提供時間去采取現場處理的措施應對市政電力中斷造成的影響，以免系統突然斷電發生特氣事故。特氣系統對于動力氣體的需求一般是作為氣動閥的動力源和管道吹掃抽真空的動力氣體需求，由于部分特氣具有易燃易爆的特點因此氣柜氣動閥的氣源一般為氮氣，而不是通常氣動閥使用的壓縮空氣；氣柜內的氣瓶進行更換時如果直接拆除氣瓶將會導致氣柜與氣瓶連接管內的殘留氣體泄漏到環境中造成危害，因此必須對該段氣體進行反復吹掃，吹掃的原理就是根據文丘里管原理，利用N2快速通過文丘里管形成局部負壓，對連接管道進行抽真空，將殘留尾氣通過尾氣處理裝置處理后排產廠內排氣管道，從而使連接管內的氣體最終達到安全濃度，進行氣瓶更換安全作業。

8 結語

伴隨著半導體產業更新換代的發展，特殊氣體的供應的難度不斷增加，但是特氣系統的安全性如何提升，如何在不降低系統安全性的前提下，更高效、經濟的進行系統設計和規劃將特氣從業人員的一個挑戰。

[1]韓鄭生.Michael Quirk Julian Serda《半導體制造技術》[M].北京:電子工業出版社,2004:95-98.

[2]《特種氣體系統工程技術規范》GB50646-2011[M].中國計劃出版社,2012.