半導體行業特種氣體氣源柜研發及應用

曹文林

（江蘇新城氣體有限公司，江蘇揚州 225200）

半導體工業具有戰略地位，半導體工業使用的特種氣體也稱為電子氣。作為半導體工業生產的原材料之一，電子特種氣體的使用量不斷上升，對特種氣體氣源柜的需求也相應增加。許多特種氣體是危險品，易燃易爆風險高，部分特種氣體有劇毒，對氣源柜的要求很高。半導體行業是我國大力發展的電子信息產業之一，但大部分特種氣體氣源柜來自進口。國外一些發達國家的特種氣體氣源柜已經進入成熟期，規格主導權、材料掌控、專利技術、產品質量等具有領先優勢。國內特氣設備的開發相對滯后，與之前半導體行業發展滯后相關。因此，大力發展特種氣體氣源柜是必然趨勢，也具有重要的意義。

1 半導體行業特種氣體氣源柜構思

1.1 氣源柜功能構思

設計氣源柜的目的是為供應有毒有害性、腐蝕性等危險氣體。氣源柜的基本功能包括手動排放、手動吹掃、自動切換[1]。本文研究氣源柜供氣系統的面板部件，采取自動焊接、VCR連接，最大化降低氣體泄漏的風險，并且盡可能減少面積。

氣源柜的功能結構包括：為防止過高的壓力對終端使用設備的不利影響，配置氣體泄壓閥；同一張控制板上設置工藝氣源和吹掃氣源；使用進口減壓器在控制面板上，保持穩定的壓力輸出；內置濃度報警器；配置低壓傳感器；安裝氣體單向閥；柜體帶有可視窗；安裝壓力表；真空發生器配置于面板管路上；柜體內安裝鋼瓶固定帶等。

1.2 柜體造型設計方案構思

設計工業造型需要與美學基本原理相符合，比如色彩和搭配、比例和尺寸、對稱和對比等。同時與人機工程學相符合，比如可視性、可操作性等[2]。

氣源柜的鋼瓶數設計可分為三種：三瓶位、雙瓶位、單瓶位。規則尺寸各有不同。本文研究用于半導體行業的氣源柜，需要保證安全生產，符合氣體供氣要求。如果使用單鋼瓶氣源柜，用光氣體后更換鋼瓶，需要將氣體輸岀閥門關閉，停止供氣。如果使用雙瓶位氣源柜供氣，可以確保兩側氣瓶輪流連續不間斷供氣，但系統吹掃或者氣瓶更換，需要引入另外一條管線[3]。使用三瓶位氣源柜，可以放置1瓶吹掃氣，2瓶工藝用氣，保證安全生產，提供惰性氣體吹掃保護，而且實現連續不間斷供氣。因此選擇使用三瓶位氣源柜。

1.3 柜內面板氣路流程圖構思

半導體行業使用的設備許多都是高尖端技術。特種氣體氣源柜的許多功能都在一張面板上，柜內的面板是整個設備的核心。面板涉及超壓保護、連續不間斷供氣、保護惰性氣體等功能。管路流程圖設計依據這些功能要求，并且綜合考慮管線布置的合理性、安裝工藝、安全規范等[4]，采取設計方案為工藝氣供氣2瓶，高純氮氣吹掃1瓶。

在制藥行業、醫院、實驗室等中廣泛應用的普通氣體自動切換裝置，自動切換利用的是壓差原理。自動切換裝置中的配置包括截止閥、金屬盤圓管、過濾器、單向閥、雙表減壓器等。以對稱形式分布，中心是中間輸出閥門，加上兩個高壓供氣鋼瓶，形成供氣系統。p右表示右邊減壓器系統輸出壓力。p左表示左側減壓系統輸出壓力。氣體經過減壓器減壓后輸出壓力值p。壓力調到p左時，左側減壓器調壓手輪鎖死不動，右側可以旋轉，旋轉范圍180°。逆時針旋轉，輸入壓力下降。順時針旋轉，輸出壓力上升。p右壓力是變量。定值是p左壓力。根據箭頭顯示氣體正在使用方向，箭頭指向右側，說明供氣的為右側的鋼瓶。箭頭指向左側，反映供氣的是左側的鋼瓶。

在使用時，先確定優先供氣的一側，箭頭指向左側，設置優先供氣的一側為左側鋼瓶。然后將鋼瓶連接，保證裝置上是關閉的閥門。將裝置上的閥門，以及鋼瓶上的閥門開啟。供氣開始。左側閥門先打開，之后是右側。順序每次都是先開瓶閥，之后是裝置上的。供氣壓力顯示為p左。如果右側系統輸出壓力p右，高于左側鋼瓶氣體壓力，供氣自動轉換成右側鋼瓶。左側鋼瓶更換時，先關閉鋼瓶閥門，再裝置閥門。順時針180°旋轉手柄。空瓶拆卸后，將滿瓶換上。順時針旋轉減壓器手輪。右側輸出壓力增加。換瓶后，右側鋼瓶供氣。當左側鋼瓶輸出壓力高于右側，就會自動供氣。注意每次更換需要手動旋轉手輪。

依據普通氣體自動切換，進行特種氣體氣源柜內面板氣路流程設計。面板上所用的管閥件主要包括不銹鋼三通、吹掃氣用雙表減壓器、過濾器、壓力傳感器、單向閥、工藝氣用雙表減壓器、安全閥、隔膜截止閥、輸出用壓力表、真空發生器、不銹鋼彎頭、不銹鋼C型彎管。如圖1，工藝氣系統進行高壓吹掃，通過工藝氣排空口排出氣體，從而在鋼瓶更換時，充分置換高壓力、高濃度的工藝氣體。然后將管線死角、閥件的殘氣抽空，使用真空發生器抽取。系統內的工藝氣在鋼瓶更換時不會流出，具有保護的作用。

圖1 流程圖設計

2 半導體行業特種氣體氣源柜設計

2.1 氣源柜柜體結構設計

柜體使用優質冷軋鋼板，厚度為2mm。進行剪切、折彎、沖壓等操作處理。表面作防銹處理。做耐腐蝕、耐酸堿表面處理，使用靜電粉沫噴涂防護層。噴涂防護層經過實驗測試合格，能夠防爆、阻燃、防腐，牢固可靠。為固定氣瓶，內置套鎖式不銹鋼卡圈[5]。內設排風口，方便排出泄漏的氣體。配備特種氣體泄漏報警裝置。合頁采用不銹鋼材料。門銷使用鍍鋅金屬專用門銷。拉手使用不銹鋼拉手。

2.1.1 柜體外形尺寸設計

本文設計中使用的供氣方式為三鋼瓶，吹掃氣1個鋼瓶，工藝氣2個鋼瓶。柜體外形尺寸依據鋼瓶的數量，以及管閥件數量。鋼瓶總直徑270～300mm，其中膠皮保護圈20mm后，鋼瓶直徑230～260mm。柜體高度為1 800mm。柜體寬度1 100mm，能夠放下鋼瓶并且方便使用者操作。柜體厚度與門一共500mm，柜體厚度能夠方便操作員操作閥門，同時小于一個人的臂長。柜體采用雙開門設計，由中心向外扇形打開，方便相關人員操作，也節省空間。

2.1.2 柜體翻板的設計

柜體的底板與地面有一定的高度，需要人為抱起鋼瓶，將鋼瓶放入柜體，而不是平行將鋼瓶推進柜體。鋼瓶用完氣后從柜內取出也是如此。但反復搬運鋼瓶，需要花費時間和體力，一個40L的標準鋼瓶，裝滿氣體是55kg，空瓶是50kg。因此在設計中，為解決這一問題，安裝一個翻板在底部靠近門一側的邊緣。依靠合頁將柜體底板與翻板連接。需要搬運鋼瓶時，放倒翻板，形成一個小斜坡。很容易挪動鋼瓶，不需要換瓶者抱起鋼瓶。瓶底與地面接觸，挪動鋼瓶省時省力。使用碳鋼材質翻板，3mm厚度。翻板表面進行磷化處理，與翻板鉸鏈配合使用。鋪上一層5mm的橡膠板，可以防止鋼瓶與翻板接觸摩擦，并且有減震的作用。

2.1.3 柜體底板的設計

柜體內部放置40L的標準鋼瓶三個，氣體用完后需要更換。對柜體底板形成重力，長時間作用下，尤其是底板中部，容易導致彎曲變形。由此影響鋼瓶擺放的穩定性，容易帶來很大的安全隱患。在設計中，柜體底部增加設置加強筋，提升底板的抗壓性，避免底板彎曲變形。大部分鋼瓶是碳鋼材質，或者其他金屬材質，柜體也為碳鋼材質。鋼瓶更換時，在摩擦下容易產生靜電[6]，對于一些特殊氣體來說非常危險，使用橡膠板可以防止靜電。柜體底板四角安裝膨脹螺絲，提升牢固性和穩定性。

2.1.4 柜體翻板搭鉤的設計

更換鋼瓶時，放倒柜體底部翻板，換完后，向上翻起。如果地面不平整，翻板會碰撞鋼瓶或者柜門，因此需要加強固定。在柜體側面立板上，設置固定掛鉤。掛鉤上有兩個長孔，直徑7mm，用螺絲固定，不能過松或者過緊。需要翻板時，向上抬起掛鉤。翻板用完后，憑借掛鉤自身重量，將翻板勾住。

2.2 氣源柜面板管閥件的布局設計

本文研究設計面板尺寸為1 000cm×500cm×2mm。在氣源柜內部支架上進行橫向安裝。將面板拆成兩塊，避免過長不容易安裝。一塊用于吹掃氣系統的管閥件。一塊用于工藝氣系統的管閥件。用活接頭連接兩個系統之間的閥件。完成安裝后連接即可。在面板邊緣進行折邊，形成“幾”字形，保證足夠的強度。

氣源柜面板需要的閥件主要包括不銹鋼彎頭、不銹鋼三通、真空發生器、壓力傳感器、單向閥、安全閥、工藝用雙表減壓器、過濾器、隔膜截止閥、吹掃氣用雙表減壓器、不銹鋼管等。由于高度超過設計尺寸500mm的要求，因此重新排列面板上的管閥件。水平擺放過濾器F（A）和F（B），以及減壓器進氣端閥門DV（A）3和DV（B）3。DV（A）1和DV（B）擺放在面板中部。DV（A）3和DV（B）3分開引向柜門。真空發生器和低壓放空的防空管線，在面板上不連接，而是分別引向柜外。安全閥RV、單向閥CV1、閥門DV1、DV2、DV3，擺放在面板左側。

3 結論

主要探討設計半導體行業的特種氣體氣源柜，包括柜體設計和內部控制面板，使用三瓶位氣源柜，以及控制面板吹掃方式，提升產品性能和安全性，用于半導體行業生產發展。