高純氣體管路系統顆粒物產生原因分析及防治

劉見華 萬 燁 趙 雄 趙 宇 王 磊 嚴大洲

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.洛陽中硅高科技有限公司，河南 洛陽 471023；3.多晶硅材料制備技術國家工程實驗室，河南 洛陽 471023)

0 前言

半導體、生物醫藥、精細化工制造對高純氣體管路的潔凈度有很高的要求，微顆粒的污染是影響產品質量和成品率的重要因素。例如，在半導體的制造過程中，高純氣體應用于薄膜沉積等工藝，氣體中的微顆粒會產生針孔等缺陷，造成器件短路、斷路，影響器件性能，甚至導致器件失效。

有研究提出，在高純室內硅片上的污染源中，氣體及化學試劑占比達到23%[1]，因此，高純氣體中的微顆粒含量是高純系統的重要控制指標之一，同時也對高純氣體管路系統提出了更高的要求，要確保在高純氣體輸送過程中不受污染物污染。但是，微顆粒污染物的來源涉及多個方面，要提高潔凈技術的應用水平，需從設計、材料選擇、制造、潔凈、檢驗、包裝和裝備全鏈條進行考慮，若有一個環節不滿足要求，系統的潔凈度就無法得到保證。本文分析了高純氣體管路顆粒物產生的原因，從材料的純化、表面處理、閥門和過濾器選型、焊接質量控制、管道安裝、作業環境幾方面提出防治措施建議。

1 固體顆粒物的來源

光伏、LED、平板的制造要求潔凈度等級達到4級；而半導體的制造要求潔凈度等級達到3 級，甚至更高級別。相關指標見表1[2]。

表1 潔凈室及潔凈區空氣潔凈度整數等級

在高純氣體的輸送過程中，管道、閥門、流量計、法蘭、接頭、過濾器、環境等都可能是固體顆粒物的來源。固體顆粒物的來源主要包括以下幾方面:

1.1 高純材料的制造

潔凈鏈的基礎是材料的制造。在鋼材熔煉過程中，微量的雜質氣體會溶解在晶格中，在鋼材使用時析出并進入產品氣體中，從而污染產品氣體。在焊接時，若材料性能不穩定，其內部組織可能會發生變化。例如，當材料的含碳量過高時，焊縫可能會受焊接熱的影響而形成碳析出，焊縫處會產生局部腐蝕應力，嚴重時，會導致焊縫處滲漏，影響產品質量。

材質不同，管道的滲透性也不同，所以應根據使用介質要求選取管道材質。例如，氧在不同材質中的滲透性存在差異，氧在不銹鋼和銅材質中的滲透性為0 μL/L，在聚丙烯中為11 μL/L，在聚乙烯化合物中為27 μL/L，在天然橡膠中為40 μL/L。氣體中的水分也具有滲透性，且受環境濕度的影響。目前高純氣體管路主要選擇不銹鋼作材質。

1.2 管道材料表面的雜質

材料表面未進行處理時，可能會附著有氧化皮、油污、灰塵、金屬碎屑等雜質，若沒有進行有效處理而直接使用，在介質的沖刷下以及使用環境的溫度壓力發生變化時，上述雜質會進入介質氣體，造成氣體質量下降和潔凈管道污染，嚴重時引起部件損壞，甚至導致管道報廢。

管道的表面粗糙度會影響微顆粒的吸附和釋放，物理粘附在管道壁的微顆粒和因腐蝕或磨損產生的微顆粒是兩個主要的污染源。當管道內的氣體流動時，管材對介質氣體產生加壓吸附；當氣流停止時，管道吸附的氣體又會發生降壓解吸，繼而進入管道。如此，吸附和解吸循環作用，使管材表面金屬產生粉末，污染產品氣體。

1.3 產品氣體自身攜帶的污染物

在高純氣體制備過程中，受原料、純化過程、設備及閥門、過濾器等因素的影響，如精餾塔內部劇烈的氣液交換、氣液對設備內部和填料的沖刷、吸附劑或催化劑磨損產生固體顆粒等，產品氣體自身含有一定量的固體顆粒，且在充裝前沒有進行有效分離，所以產品氣體自身攜帶的污染物含量較高。

1.4 控制閥門和過濾器

閥門是控制系統管路的開關，其密封性對氣體質量和微顆粒含量有重要影響，閥門結構、填料材質和密封形式均非常重要。部分閥門本體材料與介質不兼容，材質的純度或表面處理、泄露指標、密封性能不合格，出廠前未進行有效潔凈處理等都會對產品造成影響。例如，填料閥門在啟閉時，閥桿與填料密封之間的相對摩擦運動容易產生微顆粒，嚴重時，密封性大幅減弱，物料發生泄漏，造成產品污染。

過濾器是分離微顆粒的有效裝置，常在管路系統設置精密過濾器進行固體顆粒的分離。過濾器的通量、過濾精度、過濾材質、過濾級數、不當操作等因素都會影響產品的質量。例如，有機膜過濾器能產生和釋放微量的有機物質，影響下游制造段的應用。在置換時，使用大流量高氣速的氮氣進行吹掃，會造成精密過濾器損壞，從而影響過濾器使用效果。當過濾器通量過大時，經過過濾器的氣流速度會大幅度降低，導致微顆粒產生慣性撞擊，影響過濾材料的攔截性能，進而降低過濾器對微顆粒的捕捉效果。當過濾器的通量過小時，通過過濾器的氣流受到的阻力變大，壓力損失增加，同時濾芯的使用壽命會大幅縮短。

1.5 施工安裝產生的污染

焊接是高純管路連接的最常用方式，施工環境對焊接質量影響很大。若管材未進行有效保護，與空氣接觸，水、氧、顆粒物等物質容易附著在管材上，在焊接部位形成氧化膜，使焊接部位成為微粒源。焊接完畢后，如果立即停止通保護氣，退火未進行有效處理，可能發生晶間腐蝕，在焊縫內部形成裂紋，造成焊縫的氧化。

如果焊接施工不規范，焊縫出現內凹或外凸，提供污物聚集的空間。如果焊縫過大或過小，會產生應力，引起裂縫。如果管道在切割過程中出現變形或劃痕，端口不平整，有毛刺等，也會影響焊縫的質量，從而影響整個配管質量。

若管道設計、布局、支撐設置不合理，可能形成較多的死區，產生管道應力，造成污染物的聚集。如果管道距離動設備近，且未進行有效的固定或支撐，管道易產生震動。此外，閥門等器件在操作時會產生旋轉扭矩損傷管路。

2 高純管路系統潔凈控制

2.1 管路材料潔凈

精密制造的發展有賴于與之相關的基礎工業的發展，潔凈鏈的基礎是材料的制造。材料性能的提升有兩種途徑:一是尋求新型合金，改善材料自身的性能，減少材料本身的缺陷，提高材料耐磨性；二是改善材料制造工藝，采用真空熔煉技術，防止在熔煉過程中金屬吸收氣體和雜質。

為了改善材料的性能，通常向鋼材中添加一定含量的元素或控制相應元素的含量。例如，高鉻含量的材料抗腐蝕性好；高鎳含量的材料延展性好，抗氫脆；低碳含量的材料抗腐蝕，防止焊接后發生氧化；低硫含量的材料具有優異的焊接性能；低錳材料抗腐蝕，塑性好。

在鋼材熔煉過程中，少量氣體會溶解在晶格中，在鋼材使用時又會析出，進而污染產品氣體。因此，開發了氬氧脫碳技術、真空感應熔煉技術和真空電弧重熔技術，如圖1、圖2 所示。采用雙真空熔化工藝，以除去雜質和氣體，降低非金屬和雜質含量，減少潛在污染和提高材料的焊接性能。

圖1 真空感應熔煉示意圖

圖2 真空電弧重熔示意圖

2.2 材料表面處理

管材的表面處理對系統潔凈非常重要，對材料進行表面處理主要是清除材料表面的有害雜質，獲得表面光潔度。表面處理主要是利用先進的工藝將材料加工成UHP 級產品，并建立管道材料的表面粗糙度、焊接性能、公差、包裝、外觀等一系列指標體系。金屬材料表面處理方法主要有4 種:機械拋光、光亮退火、化學酸洗鈍化、電解拋光等。

2.2.1 機械拋光

機械拋光是利用機械的方法直接去除材料表面的凸起，采用切削、研磨等工藝手段使材料表面發生塑性變形，以改善材料的表面粗糙度。但在拋光過程中，滾壓或摩擦等作用會導致磨料和金屬碎屑進入材料內部，或產生拉絲劃痕，對拋光面造成二次污染。機械拋光的設備簡單，價格便宜，但被拋光零件的形狀和尺寸容易受到限制，且拋光設備對異形件處理不徹底，容易留下死角。

2.2.2 光亮退火

管路在生產過程中使用惰性氣體進行保護，以防拉拔時熾熱的管線被氧化，之后使用酸液鈍化，然后經熱純水清洗和氮氣吹干，材質多為SS304 和SS316L，成品采用塑料單層包裝，粗糙度一般為0.15～1 μm，能夠滿足大多數氣體的輸送要求，但是在關鍵制程工藝中可能會影響產品氣體的質量。此方法處理的管道一般用于高純的氮氣、氧氣、氧氣等系統。

2.2.3 化學酸洗鈍化

化學酸洗鈍化是采用不同配比的酸洗液對金屬表面進行處理，利用凸起和凹陷處材料溶解速度的不同實現金屬表面的光滑[3]。酸洗拋光過程中，金屬表面釋放的氫會不同程度地進入管道基體材料內部，因為不銹鋼中不同金屬的溶解能力不同，經處理后，表面呈電位不等狀態，且一直保持這種狀態。酸洗鈍化處理不能完全除去酸洗拋光處理中的原始變質層和氫化層，實際上只能使處理表面變光滑，而不能提高平整度。

一般情況下，經酸洗鈍化的管材對粗糙度不作要求，且不采用單獨塑料包裝，材質為SS304 和SS304L，用于氣體輸送時，會影響產品氣體的純度和顆粒度。這種管道外觀較暗，無光澤，成本較低，主要應用于壓縮空氣和普通氣體管道、超高純氣體套管、冷卻水和尾氣管道。

2.2.4 電解拋光

電解拋光又稱電化學拋光，是電化學陽極溶解的過程，利用因材料表面凸起或凹陷處電流大小的不同而產生的溶解速度差異，使管材表面光滑平整，且表面晶粒結構和金屬基體一致，從而改善金屬材料表面的微觀結構[4]。該方法在材料表面生成一層緊密穩定的氧化鉻膜，可提高材料的穩定性和耐腐蝕性，且可以處理異形件。

材料中的碳化物及非金屬雜質的導電性較差，因此在電解拋光時，雜質和不銹鋼材料的電化學溶解性存在差異，導致最終拋光材料表面凹凸不平。因此，應優選純度高、表面光滑、碳含量低的材料，例如SS316L，產品粗糙度為0.08～0.375 μm，采用雙層塑料包裝，幾乎能夠滿足所有關鍵工藝的氣體輸送，可應用于超高純氣體和腐蝕性氣體的輸送系統。

2.3 閥門、過濾器選型

隔膜閥(圖3)和波紋管閥(圖4)分別使用金屬膜片和波紋管密封閥腔，具有良好的密封可靠性。隔膜閥結構簡單，采用金屬膜片密封，死區體積不足同口徑波紋管閥的一半。此外，隔膜閥無顆粒，漏率低，使用高潔凈等級材料，耐壓等級高，含多種接口，主要用于高純特種氣體的輸送控制。波紋管閥采用金屬密封，無顆粒，漏率低，經過高純處理，CV 值高，可配置吹掃口，主要應用于超高純大宗氣體輸送系統、壓縮空氣系統、大尺寸的特氣管道。

圖3 隔膜閥

圖4 波紋管閥

在管路系統中設置合理、有效的過濾器，可提升對雜質顆粒的捕捉效果，減少濾芯更換次數。此外，也可設置兩級以上過濾精度不同的過濾器，如預過濾器和高精度過濾器。同時，要注意過濾器材料、密封材料與過濾介質的兼容性，避免它們因不當選用而成為污染源。

2.4 焊接質量控制

高純金屬管道采用管材熔融的全自動軌道焊接技術，如圖5 所示，要求施焊人員經過專門培訓且施工安裝經驗豐富。為防止焊接部位氧化，在焊接時向施焊管內通入與工藝介質同等純度的保護氣體，一般為高純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣。焊接完成后，管道內繼續通保護氣至焊口冷卻，能有效防止焊接部位內部氧化。管道預制時，在切割過程中應防止管道變形或產生痕跡，管道切口應進行倒角，去除毛刺，保持加工面光潔，并用酒精或丙酮清洗，完成后用管帽封閉管端[5]。彎管宜采用冷加工處理，使用專用彎管器制作小管徑管道的彎頭，且同一材料不能重復進行彎管，彎管處不能出現壓扁、彎折、起皺等現象，大尺寸管道應直接采用成品彎頭。完成預制的管道必須做好保護，如在管道兩端使用潔凈的蓋子進行密封，以減少環境空氣造成的污染。

圖5 全自動軌道焊接示意圖

在焊接前或焊接過程中，若焊接的參數發生變化，則應重新進行焊縫試驗，檢驗合格后才可進行焊接。接頭處的焊縫要求完全焊透，否則易產生物理空間，聚集污染物。若焊縫不合格，需重新焊接，不能直接在原焊縫上進行補焊，因為補焊容易產生應力，引起新的裂縫，應將原焊縫進行打磨，露出本體母材后再進行焊接。焊縫凸出厚度不應超過管道厚壁的10%，焊縫色變應小于3 級(圖6)。焊縫要求均勻一致，焊縫內側平直無凹凸，表面光潔，焊縫外側環狀波紋均勻美觀，無夾渣、氣孔、裂紋、氧化等現象。

圖6 高純管道焊縫色變等級

2.5 管道安裝

管道應根據現場實際情況合理布置，且不影響儀表與設備的操作。將預制好的管道或閥組固定在支吊架上，在不受力狀態下組裝；進行點焊時，要求管道與管道之間同心，處在同一水平面和垂直線上。等焊縫溫度降低后，管口需要使用膠帶重新進行密封，正式進行滿焊時，先去除膠帶再施工。另外，支吊架上的墊片材料與管道間應不會發生反應，因為管材表面擦傷、劃痕等缺陷都是應力源，會引起腐蝕的不均勻性。

長距離的管路應按照設計規范增加支撐，防止管路因自重向下凹陷造成損傷，以及管路振動時產生微顆粒污染，且不允許采用活動支撐和彈性支撐，支撐不得約束管道的軸向自由度。閥門、過濾器不能使用工藝管道進行支撐，必須設置獨立支撐。在操作時會產生轉矩的閥門也應進行固定，以防止旋轉扭矩對管路造成損傷。

施工完成后，進行氣密性、微量水和氧含量、固體顆粒物含量測試，使用氦氣檢查泄漏。采用氣壓試驗，壓力為設計壓力的1.15 倍[6]，較長的管路系統可分段檢查泄漏，試壓應逐步加壓，檢測無誤后再升高至設定壓力，并保壓24 h。在系統投入使用前，對管路系統進行徹底的吹掃，去除施工殘留和附著的顆粒物。

2.6 預制加工作業環境的潔凈度控制

空氣中的微顆粒數達到3 000 萬/m3以上。為防止顆粒污染，管道的預制加工應在潔凈室內進行，同時減少現場焊接點的數量，且潔凈室的潔凈度、溫度、濕度等指標應始終處于要求范圍內。若現場不具備設置潔凈室的條件，可考慮設置潔凈小室來保持管端焊接處的潔凈，實現局部的潔凈環境，提升預制件的潔凈度。潔凈小室具有占地小、方便靈活、可實施性好等優點。

3 結束語

高純系統的潔凈度對輸送產品介質的純度會產生很大影響，顆粒物的防治必須從設計、材料選擇、制造、清潔、檢驗、包裝和裝配全潔凈鏈進行控制，確保氣體在管路系統輸送過程中不受污染，保證高純氣體質量的一致性。