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1、電子廠房高純氣體工藝與施工工程,前言,近10年來，隨著更復雜、更密集的大規模和超大規模集成電路的生產，對高純氣體潔凈度的要求，已不亞于對純度和干燥度的要求，凡工藝氣體，無一不對其中的粒子提出限制。因此，對于高純氣體，純度、干燥度、潔凈度是三項重要的標度。由于高純度氣體的使用地點、性質、工況（如溫度、壓力等）都不完全一致，所以，如何確定高純氣體的“三度”（純度、干燥度、潔凈度），還沒有一個嚴格而明確的概念。對于純度和干燥度的控制，我國CBJ7384潔凈廠房設計規范中指出，“高純氣體系指純度大于或等于99.9995%，含水量小于5ppm氣體?！比毡景盐㈦娮由a中所采用的氣體，按其不同的品位，具體分2、為下列幾個不同的檔次：,超高純氣體 氣體中雜質總含量控制在1ppm以下，水份含量控制在0.21ppm。高純氣體 氣體中雜質總含量控制在5%ppm以下，水份含量控制在3 ppm以內.潔凈氣體 氣體中雜質總含量控制在10 ppm以下,對水份含量未作嚴格規定。上述規定，都未涉及潔凈度。我們知道，集成電路的生產，幾乎都是在潔凈環境中進行，是防止塵埃粒子污染微電子產品所必需的。所以，對潔凈的生產環境絕不允許采用不潔凈的氣體來破壞，必須使氣體的潔凈度與潔凈環境保持一致，根據相關資料以及近些年公司相關工程的經驗，我進行了一些歸納，希望能夠給大家提供一些參考。,一、高純/特種氣體的概念,半導體集成電路制造所需3、要的高純氣體主要分為兩大類：普通氣體：也叫大宗氣體，主要有：H2、N2、O2、Ar、He等。特種氣體：主要指各種摻雜用氣體、外延用氣體、離子注入用氣體、刻蝕用氣體等。,半導體制造用氣體按照使用時的危險性分類,可燃、助燃、易燃易爆氣體：H2、CH4、H2S、NH3、SiH4、PH3、B2H6、SiH2CL3、CLF3、SiHCL3等。有毒氣體：AsH3、PH3、B2H6等助燃氣體：O2、N2O、F2、HF等窒息性氣體：N2、He、CO2、Ar等腐蝕性氣體：HCL、PCL3、POCL3、HF、SiF4、CLF3、等,二特種氣體供應系統,特種氣體的供應方式截至目前為止，幾乎皆用鋼瓶的方式進行，一般常4、用的為高壓鋼瓶，依其填充的氣體特性有分為氣態和液態兩種，一般氣體依液態儲存于鋼瓶內，瓶內壓力較高，所以最佳方式是選用吸附式氣態鋼瓶，以氣體分子與吸附劑間的范德瓦力將氣體吸附于吸附劑孔隙中，其優點為供氣壓力低于一個大氣壓，無任何泄漏的危險，且供氣量為普通高壓鋼瓶的10倍，低蒸汽壓的氣體以液態儲存于鋼瓶內；針對易燃易爆，有毒性腐蝕性的氣體，常將鋼瓶至于特氣柜中，再通過管路將氣體供應至現場附近的閥箱，經過一系列的控制而后進入用氣點；一般惰性氣體以開放式的氣瓶架和閥盤供應；具體方式如下：,1.現場制氣、管道供氣,這種供氣方式時將制氣設備建造在用氣量較大或者用氣品種較多的工廠內或按區域設置供應周邊各單位5、用氣示意圖如下：1中壓貯氣罐；2調壓閥組；3氣體過濾器；4液態氣體貯罐；5汽化器；6安全閥；7自動控制閥；8氣體純化裝置；9流量計；10末端氣體過濾器；11末端氣體純化器 12用氣點；13高壓氣體壓縮機；14高壓氣體貯罐（P=1520MPa）,a圖為采用液態氣體貯存氣體，中壓貯罐。作為緩沖罐的供應系統。氣體純化設備設在工廠內，實際上在各用氣工廠還應設置各種過濾精度的氣體過濾器、計量儀器、分析儀器等，有的工廠對高純氣體中雜質含量控制十分嚴格，此時還需安裝末端提純設備。b圖為采用高壓（P=1520MPa）氣體貯罐的供氣系統，常用于氫氣供應系統中，設高壓氣體壓縮機從中壓貯氣罐中吸氣經壓縮到1520M6、Pa送入若干個高壓貯氣罐組儲氣，根據供氣用氣的平衡，高壓貯氣罐放氣經二級調壓閥組減壓后由自動控制閥送入供氣系統。,現場制氣、管道供氣 圖,2外購氣體供氣,由集中制氣工廠制取的液態氣體由低溫液態氣體貯罐槽車運送至用氣工廠，再使用工廠設置低溫液態氣體貯罐，將液態氣體槽車中的液態氣體抽送入液態氣體貯罐貯存，根據工廠用氣量，液態氣體由貯罐送出經汽化器化為氣體后，經由調壓器組調壓并經氣體過濾器送去使用車間，若氣體純度或雜質含量不能滿足使用要求，則需要再在車間內設置末端提純裝置，對氣體進行提純并去除雜質，同時為滿足不同需求，還應在工廠使用車間末端或在車間內集中設置不同過濾精度的氣體過濾器，示意圖如下：1液7、態氣體貯罐；2汽化器；3調壓裝置；4氣體純化裝置；5末端氣體純化器；6氣體過濾器；7用氣點,外購氣體供氣圖：,3.外購氣體鋼瓶供氣,外購氣體鋼瓶集中存放在工廠的氣瓶間(庫)中，氣瓶中高壓氣體經氣體總線，減壓閥組匯集，減壓至一定壓力經氣體純化裝置純化后供氣。為確保連續供氣，氣體鋼瓶一般分為兩組，交替放氣，根據產品工藝要求，選擇滿足供氣品質的氣體純化裝置或在用氣點處設置末端氣體純化裝置。示意圖如下：1鋼瓶及總線2減壓閥組；3調壓裝置；4氣體純化裝置；5末 氣 體 純 化 器；6氣 體 過 濾 器；7用 氣 點,外購氣體鋼瓶供氣圖,4.將高純氣體鋼瓶設置在用氣設備附近直接供氣,常用于用氣量很少的場所8、，規范規定，當日用氣量不超過一瓶（指水容積不超過40L的鋼瓶）時，氣瓶可設置在潔凈室內，但必須采取不積塵和易于清潔的措施，若工藝對高純氣體要求較為嚴格時，比如氣體中總雜質含量1.0106 時，還需要在氣瓶與用氣設備之間設置末端氣體提純裝置，包括高精度氣體過濾器，以確保供氣質量。,三、高純氣體的配管及材質,1高純氣體管路的設計要點：,（1）對于不同特性的氣體，要規劃獨立的供應區域，一般分為三個區：腐蝕性/毒性氣體區、可燃性氣體區、惰性氣體區，將相同性質的氣體集中加強管理，可燃性氣體區要特別規劃防爆墻與泄漏口，若空間不足，可考慮將惰性氣體放置與毒性/腐蝕性氣體區。（2）管路設計需要考慮輸送的距離，9、距離越長，成本越高，風險也越高，通常較合理的設計流速為20ml/S，可燃性氣體小于10ml/S,毒性/腐蝕性氣體小于8ml/S，在用量設計方面，則需要考慮使用點的壓力和管徑大小，前者與氣體特性有關，后者使用點的管徑一般為1/4”3/8”。（3）根據用氣設備的分布情況，高純氣體的管網不宜過大或者過長；宜采用不封閉的環形管路，在系統末端連續不斷排放少量的氣體，以便在管網中總有高純氣體流通，不會發生“死空間”引起高純氣體的污染。,（4）管路中應減少不流動氣體的“死空間”，不應設有盲管，在特種氣體的儲氣瓶與用氣設備之間應設吹掃控制裝置、多閥門控制裝置、用以控制各個閥門的開關順序、系統吹除，以確保供氣系10、統的安全、可靠運行和防止“死區”形成而滯留污染物，降低氣體純度。（5）對高純氣體純度要求不同的用氣設備，宜采用分等級高純氣體輸送系統；也可采用同等級輸送系統，但是在純度要求高的用氣設備鄰近處設末端氣體提純裝置。（6）為了檢測高純氣體的純度和雜質含量，輸送系統除了設置必要的連續檢測儀器，如衡量水含量或者氧雜質含量等分析儀外，還應設置定期取樣用的檢測采樣口，以便按規定時間進行采樣，分析高純氣體中各種雜質的含量。（7）在亞微米級的集成電路生產中，要求供應109級的高純氣體，為了確保末端用氣工藝設備處的氣體純度，使氣體中的雜質含量（包括塵粒）控制在規定的數值內，一般在設備前設置末端純化裝置，或末端高精11、度氣體過濾器,2高純氣體配管及附件材質的選擇,（1）選擇標準選用滲透性小、出氣速率低、吸附性差的材料：目前超大規模集成電路前工序高純氣體輸送系統管道材料采用不銹鋼光亮退火管（SS304BA、SS316BA）、不銹鋼電拋光管（SS316L-EP）等，但是對要求控制高純氣體中總雜質含量1.01.0106及以下的管材應用SS316L-EP管。，高純氣體使用管材的特點及要求如下表所示：,注：管路型式以氣體特性設計，惰性氣體使用一般的單層管，作為制程用的反應氣體，則選用高級別的SS316L-EP管；使用與芯片接觸但不參與制程反應的氣體則選用SS316L-BA管。對于自燃爆炸，有劇毒的特種氣體，如SiH412、PH3、AsH3等則考慮使用雙套管，它的內/外管材質一般為SS316L-EP/SS316L-AP，此設計的主要目的有兩點，首先可保護內管直接受到外力撞擊，其次能將由內管滲漏的氣體阻絕于外管，并利用相關的檢測設備檢測，目前常用的設計有正壓和負壓兩種方式，負壓設計是將內外管間抽成真空，正壓設計則是灌以氮氣維持正壓，兩者皆可接上壓力表或者壓力警報器檢知泄漏狀態。,內表面處理,通常采用的方法有機械噴砂、化學溶液清洗、化學拋光、電拋光等，目前廣泛應用的管材有光亮退火管和電拋光管。,閥門的選用,高純氣體對系統所用閥門的嚴密性有十分嚴格的要求，目前國內潔凈廠房的高純氣體管道的閥門基本都采用SS304或SS13、316L不銹鋼材質，閥門型式有隔膜閥、波紋管閥和球閥。波紋管閥的嚴密性比球閥好，在氣體流過閥門時沒有與外環境接觸的填料，所以沒有滲漏現象：隔膜閥除了嚴密性與波紋管閥相當以外，還具有閥體死體積小，易吹除且污染少，所以適用于對氣體純度和生產工藝要求極嚴格或者危險性大的氣體。,管道連接,高純氣體一般采用手工氬弧焊接和自動氬弧焊接，焊接型式通常采用承插焊和對焊，承插焊的好處在于施焊時管道的對中，方便焊接，但缺點是由于管道與承插口之間有間隙，會存在“死空間不易將雜質吹除，影響高純氣體質量。因此對于要求極為嚴格的高純氣體來說，應采用對接焊連接并要求內表面無焊縫，即在施工時不得使用不銹鋼焊絲，利用母材的本身14、融化填滿焊縫。,為確保輸送至用氣設備的氣體質量，高純氣體管道與用氣設備之間應用不銹鋼金屬軟管連接，不宜采用非金屬軟管。高純氣體管道與閥門等附件連接應采用密封不易泄漏的專用接頭予以連接，常用的接頭方式有兩種：分別為VCR（Vacuum Coupling Retainer）和SWG（Swaglok），VCR采用優良的金屬墊，利用縱向壓力壓緊，因此泄漏率極低，約為109A cc/s，且耐壓較高，常用于氣體雜質含量1.0109級的高純氣輸送系統，而SWG則不如VCR，耐壓較低，基本上這兩種接頭方式的安全性足可代替焊接的方式。,四高純氣體的供氣安全,1.各種特性氣體的使用安全,（1）易燃易爆氣體：此類氣15、體只要形成了可燃氣體爆炸混合氣和達到著火溫度。便會發生燃燒爆炸事故因此在可燃氣體入口處、氣體鋼瓶存放間、潔凈室內使用可燃氣體處、敷設可燃氣體的管廊或技術夾層以及可能聚集可燃氣體的場所均應設置可燃氣體報警裝置。具體要求如下：可燃氣體比空氣輕者，報警裝置設置在所處場所的頂部?？扇細怏w比空氣重者，報警裝置設置在所處場所的最低處?？扇細怏w的報警裝置應與相應的事故排風裝置設電氣連鎖，當空氣中的可燃氣體濃度達到規定值時，事故排風裝置自動開啟，同時向潔凈廠房的消防安全值班室發出報警信號。,為防止倒流回火應在用氣設備的支管上設置阻火器，在排入大氣的排氣管道上，為防止排氣時突遇雷電襲擊阻止火焰蔓延至可燃氣體管道16、引發燃燒爆炸事故，必須在排氣管道上設置阻火器?？扇細怏w在適當的管道處應做接地，但接地電阻應符合相關規定。各種可燃氣體管道系統均應設置能引入氮氣等惰性氣體的接口及相應的檢測口，以便在可燃氣體供應系統使用前后或檢修動火前后對其系統進行吹掃置換，但是惰性氣體吹掃接口在正常運行中不能與氣體鋼瓶或惰性氣體管道相通，以避免影響氣體質量。,（2）助燃氣體,對于氧氣或氟系助燃氣體，只要與油脂類物品接觸，就會氧化發熱，以致燃燒爆炸，所以凡是氧氣管道、閥門或設備、附件等均應禁油，氧氣管道系統應采用專門的禁油閥門、附件和管材，并在氧氣輸送系統安裝后均應按規定進行脫脂處理。為防止由于靜電產生火花引起燃燒爆炸，氧氣管道17、應采取以下措施：氧氣管道內氧氣流速限制：當氧氣工作壓力10MPa時，氧氣流速不應大于6m/s；當工作壓力為0.13MPa時，不應大于15m/s；當工作壓力0.1MPa時，應按其管道允許壓力降確定。氧氣管道的彎頭、三通等接頭的材質選擇、安裝均應按規定進行氧氣管道應采取導除靜電接地措施。,（3）窒息性氣體：,此類氣體無色、無臭、低毒性，但是大量窒息性氣體的泄漏或排入大氣中會使空氣中氧的濃度降低，當空氣中的氧濃度低于18時，人會感覺到頭暈惡心，甚至會造成窒息死亡。所以一定要嚴防氣體的泄漏。在使用場所設置必要的換氣，及時將窒息性氣體排至室外。,（4）有毒氣體：,在使用、貯存有毒氣體的場所應設有可靠的通18、風裝置。和毒氣泄漏報警裝置一旦空氣中有毒氣體達到規定值時，應進行報警，同時自動開啟自動排氣裝置，有毒氣體在排入大氣前必須經過可靠的處理，達到規定的無害狀態后方可排放。,（5）腐蝕性氣體：,此類氣體一遇水就會顯示強腐蝕性，因此在腐蝕性氣體系統使用前應以干燥氮氣等對系統設備、管道進行吹掃、干燥，尤其時高壓儲氣瓶的灌裝口，因環境空氣中的水分易引起腐蝕必須裝設氣瓶帽，并在裝氣瓶帽時使用氮氣對灌裝口進行充分的干燥。,2高壓儲氣瓶的使用安全,對于易燃易爆氣體、毒性氣體、腐蝕性氣體等高壓儲氣瓶的運輸、貯存、和使用，必須制定嚴格的管理制度，操作人員上崗應經過嚴格的培訓，了解、熟悉相關氣體的特性和安全知識方可上19、崗。,LOREM IPSUM DOLOR,（1）搬運：高壓儲氣瓶在搬運前，應認真檢查瓶口閥的完好性，并裝好保護帽，運輸時要使用專用氣瓶小手推車，運輸過程中要固定好氣瓶，不得使氣瓶發生碰撞、摩擦，裝卸時應輕拿輕放，不得單人操作。（2）貯存：高壓儲氣瓶應貯存在40以下的場所，不得受到陽光的直射或風吹雨淋，盡可能存放在濕度低的場所，應遠離煙火，不得放置在電纜、電線，腐蝕性化學品附近，不得將可燃性氣瓶與氧氣瓶放置在一起。同時應豎放，并固定。（3）使用：高壓儲氣瓶在使用時應牢固的固定，不得活動或放倒，氣瓶放氣時，瓶口閥應緩慢打開，不得急劇開啟和過分用力，禁止用手觸摸安全閥，禁止從一個高壓儲氣瓶向另一高壓20、氣瓶沖灌氣體，氣體使用完后，應先關閉瓶口閥，卸下減壓閥，裝好氣瓶的安全帽，使用后的高壓氣瓶必須留有必要的余壓，防止滲入空氣。,五高純氣體系統的測試和處理,1管道試驗：,按照規范要求做強度試驗、氣密性試驗、泄漏性試驗、氦泄漏試驗等，試驗要求見表：,2管道吹掃：,應采用高純氮氣（99.999%），從氣體入口端向末端進行吹掃，現場有時為了方便和節約成本，也可采用高純凈的干燥壓縮空氣（露點為70，無油，經過0.01的高精度氣體過濾器過濾）。沿著氣流的方向用木棒輕輕敲打外壁，每個閥門應反復開關幾次后再常開，連續吹掃至少24h以上。檢查后再進行各種純度試驗，吹掃完畢應及時貼好標簽，標簽應包括介質、流向、顏色等內容。,3純度測試：,包括露點測試、含氧量測試、微粒濃度測試。,謝謝大家！,