特殊氣體供應(yīng)系統(tǒng)概述

京東方科技集團股份有限公司 李全朕

特殊氣體供應(yīng)系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)使用的特殊氣體種類不斷增加，氣體供應(yīng)系統(tǒng)愈發(fā)復雜。特殊氣體已經(jīng)成為工廠內(nèi)危險系數(shù)最高的因子，在這里我們根據(jù)特氣不同的物理、化學性質(zhì)進行了分類和討論，進而對特種氣體供應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、設(shè)備選型及其安全管理進行了闡述，并且工廠內(nèi)有著重要作用的氣柜設(shè)計進行了探討。

特殊氣體；氣體供應(yīng)；系統(tǒng)設(shè)計；安全管理

1 引言

半導體產(chǎn)業(yè)、液晶面板產(chǎn)業(yè)近些年在中國得到了飛速的發(fā)展，在生產(chǎn)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(yīng)危險性高、一旦發(fā)生泄漏危害性大。所以其供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、運行、管理須重點關(guān)注。本文主要討論特種氣體的分類、供應(yīng)和相關(guān)安全管理等。

2 特氣的分類

半導體、液晶面板產(chǎn)業(yè)所使用的特種氣體一般按照氣體的性質(zhì)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(shè)中和系統(tǒng)規(guī)劃中根據(jù)不同氣體的性質(zhì)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(yīng)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?？扇細怏w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(yè)中使用的特殊氣體很多都是對人體的危害主要體現(xiàn)在它的強腐蝕性和有毒性質(zhì)，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(zhì)，因此供應(yīng)系統(tǒng)一般歸為易燃易爆氣體進行集中供應(yīng)。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(yīng)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(yīng)流程

特殊氣體的供應(yīng)方式有很多種，比如用量較大的采用槽車供應(yīng)、用量次之的一般使用臥式鋼瓶供應(yīng)或集裝格、用量再小的氣體一般采用立式氣體鋼瓶供應(yīng)，具體采用哪種供氣方式，需要以生產(chǎn)設(shè)備的具體用量作為依據(jù)，綜合考慮鋼瓶更換頻率、人員配置、作業(yè)強度和現(xiàn)場運行管理安全、方便等條件經(jīng)比較后方可確定。根據(jù)不同的特氣供應(yīng)方式，集中供應(yīng)的特氣站房設(shè)置也會不同。一般使用槽車、臥式氣瓶、集裝格供應(yīng)的特氣系統(tǒng)站房需要獨立于主廠房建設(shè)；使用立式氣瓶供應(yīng)的特氣站房可設(shè)置在廠房一層，同時設(shè)置于廠房內(nèi)的特氣站房對于相同化學性質(zhì)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(yīng)穩(wěn)定性要求較高的供應(yīng)系統(tǒng)一般不建議在廠房內(nèi)供應(yīng)；但由于廠房內(nèi)立式氣瓶供應(yīng)具有投資少、供應(yīng)方便、設(shè)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(yīng)。根據(jù)氣體危險性的不同供應(yīng)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(yīng)的一般采用用氣柜（GC）和閥門箱（VMB的形式進行供應(yīng)）；對于惰性氣體采用立式氣瓶供應(yīng)的一般采用氣架（GR）+閥門盤（VMP）進行供應(yīng)。

圖1所示為立式氣瓶供應(yīng)特種氣體的輸送系統(tǒng)簡圖。

圖1 立式氣瓶供應(yīng)特種氣體的輸送系統(tǒng)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(chǎn)設(shè)備上使用，同時半導體元件和液晶面板生產(chǎn)的復雜程度很高，對于氣源供應(yīng)的穩(wěn)定性要求極高，生產(chǎn)設(shè)備對氣體穩(wěn)定供應(yīng)特別敏感，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定的壓力輸出所以特氣供應(yīng)系統(tǒng)一般采用兩級調(diào)壓的方式進行供應(yīng)，即氣柜/氣架1級調(diào)壓，閥門箱/閥門盤2級調(diào)壓；兩級調(diào)壓更穩(wěn)定的原理是由于隨著氣瓶的使用，瓶內(nèi)氣體的剩余壓力不斷降低、在不操作調(diào)壓閥的前提下，氣柜1級調(diào)壓后的壓力會不斷升高導致管道內(nèi)壓力升高，而在閥門箱內(nèi)增加2級調(diào)壓后，對閥門箱/閥門盤后直接用于設(shè)備生產(chǎn)的氣體壓力基本可以維持不變，而達到穩(wěn)定供應(yīng)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(yīng)設(shè)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(yīng)上；氣架一般為開敞式的供應(yīng)設(shè)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(yīng)用在惰性氣體的供應(yīng)系統(tǒng)中。閥門箱一般與氣柜配套使用，應(yīng)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(nèi)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(yīng)上。但是兩者的共同特點是具備分配特種氣體、調(diào)壓供應(yīng)的功能，可以實現(xiàn)一個氣源對不同工藝設(shè)備、不同壓力的供應(yīng)。

5 特氣系統(tǒng)管道

由于特氣具有腐蝕或易燃的特性，同時生產(chǎn)線對氣體供應(yīng)純度要求很高，因此特氣系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)管的保護管路，一般狀態(tài)下不會接觸特氣，使用SUS304 AP管即可。外管兩端密封后內(nèi)外管之間抽成真空負壓狀態(tài)，并在氣柜端易觀察位置設(shè)置負壓表，如管道負壓上升則表明內(nèi)層管道可能發(fā)生泄漏。

6 特氣生命安全系統(tǒng)

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(huán)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(jù)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(tǒng)。包括氣柜自帶泄漏偵測裝置和外裝氣體偵測器系統(tǒng)，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(tǒng)是使用額外的偵測器裝置，通過偵測器傳感器監(jiān)控關(guān)聯(lián)氣體的濃度來判斷是否發(fā)生氣體泄漏，特氣偵測點一般按照氣柜排風管、氣柜環(huán)境、閥門箱排風管、閥門箱環(huán)境及工藝設(shè)備環(huán)境來布置，任何有毒氣體的泄漏將會被氣體偵測系統(tǒng)所偵測到，偵測器將根據(jù)氣體的濃度高低確定氣體供應(yīng)系統(tǒng)的聯(lián)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(xiàn)場特氣濃度短時接觸即會對人體造成傷害，這種狀態(tài)下原則上特氣供應(yīng)系統(tǒng)會立即關(guān)閉相應(yīng)氣源，有廣播系統(tǒng)的工廠內(nèi)會驅(qū)動廣播系統(tǒng)立即通知人員疏散，迅速撤離報警區(qū)域，啟動相應(yīng)的應(yīng)急處理流程。

7 特氣供應(yīng)系統(tǒng)的動力需求

特氣系統(tǒng)正常供應(yīng)狀態(tài)下，系統(tǒng)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(wěn)定性。特氣供應(yīng)設(shè)備對水的需求主要是氣柜內(nèi)可能有消防噴淋管的需求和現(xiàn)場的應(yīng)急用水 的需求，其中消防水主要是在發(fā)生火災(zāi)的時候?qū)夤駜?nèi)的鋼瓶進行噴水冷卻，避免高溫發(fā)生爆炸事故；特氣供應(yīng)系統(tǒng)的電力供應(yīng)需使用不間斷電源，也就是工廠內(nèi)的U電。U電在市電斷電的情況下仍可供應(yīng)，給特氣管理人員提供時間去采取現(xiàn)場處理的措施應(yīng)對市政電力中斷造成的影響，以免系統(tǒng)突然斷電發(fā)生特氣事故。特氣系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)的殘留氣體泄漏到環(huán)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(jù)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(chǎn)廠內(nèi)排氣管道，從而使連接管內(nèi)的氣體最終達到安全濃度，進行氣瓶更換安全作業(yè)。

8 結(jié)語

伴隨著半導體產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的發(fā)展，特殊氣體的供應(yīng)的難度不斷增加，但是特氣系統(tǒng)的安全性如何提升，如何在不降低系統(tǒng)安全性的前提下，更高效、經(jīng)濟的進行系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃將特氣從業(yè)人員的一個挑戰(zhàn)。

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

[2]《特種氣體系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50646-2011[M].中國計劃出版社,2012.