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    特種氣體系統的設計與施工

    2021-04-25
    前言:一個(gè)工藝技術(shù)先進(jìn)的大規模集成電路工廠(chǎng)的硅片制造過(guò)程中,全部工藝大約要使用50種不同的電子氣體。其中大部分為特種氣體。本文就特種氣體系統的設計與施工方面做一個(gè)簡(jiǎn)單描述。

    一:概念 


    特氣輸送系統是指:將特種氣體從氣源端、根據工藝設備的工藝需求、通過(guò)對流量和壓力等參數的控制,通過(guò)管道、無(wú)二次污染、穩定的輸送到工藝設備的用氣點(diǎn)。
    其基本流程是:氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點(diǎn)
    二:分類(lèi) 
    特種氣體根據氣體性質(zhì)不同一般分為:惰性氣體、易燃易爆氣體、有毒氣體和腐蝕性氣體;根據供應包裝的不同分為:特種氣體和大宗特種氣體。
    三:供氣系統的選擇 
    1. 簡(jiǎn)單供氣系統 
    簡(jiǎn)單供氣系統主要針對4英寸及以下半導體芯片廠(chǎng)、半導體材料的科研機構以及一些單臺的工藝設備等。它們的制程簡(jiǎn)單,通常不需要連續性供氣,對氣體供應系統的投資預算低。
    由于氣體流量小,不經(jīng)常使用,特種氣體氣源多采用普通鋼瓶(<50l)。輸送系統多采用半自動(dòng)氣瓶柜或氣瓶架加簡(jiǎn)單的控制面板;配置繼電器控制,自動(dòng)切換,手動(dòng)吹掃,手動(dòng)放空,有害性氣體配備緊急切斷閥。惰性氣體瓶架則采用全手動(dòng)系統,有些甚至用單瓶系統。所有氣體共用一個(gè)氣體房,甚至沒(méi)有氣體房,特氣鋼瓶和輸送系統有時(shí)放在回風(fēng)夾道,或直接放在工藝制造設備旁邊或隔壁。如果沒(méi)有特別危險氣體一般共用一個(gè)抽風(fēng)系統。簡(jiǎn)單供氣系統通常存在安全隱患。< span="">
    2. 常規供氣系統 
    常規供氣系統主要應用于4-6英寸 大規模集成電路廠(chǎng),50MW以下的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn),發(fā)光二極管的芯片工序線(xiàn)以及其它用氣量中等規模的電子行業(yè)。對氣體純度控制的要求不苛刻,系統配備在滿(mǎn)足安全的前提下盡量簡(jiǎn)單,節省投資。
    特種氣體采用普通鋼瓶(<50L)供氣。特氣輸送系統采用氣瓶柜。配置全自動(dòng)PLC控制器,彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動(dòng)閥門(mén)和壓力傳感器,可實(shí)現自動(dòng)切換,自動(dòng)氮氣吹掃,自動(dòng)真空輔助放空;多重安全防護措施,泄漏偵測,遠程緊急切斷;專(zhuān)用氮氣吹掃起源等等。VMB采用支路氣動(dòng)閥,氮氣吹掃,真空輔助排空。惰性氣體多采用半自動(dòng)氣瓶架,繼電器控制,自動(dòng)切換,手動(dòng)吹掃,手動(dòng)放空;VMB主管氣動(dòng)閥,氮氣吹掃;支路氣動(dòng)閥,氮氣吹掃,真空輔助排空。氣體房和抽風(fēng)系統根據氣體性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。               
    3.大宗特氣供氣系統
    大規模供氣系統主要針對大規模量產(chǎn)的8-12英寸(1英寸=25.4毫米)超大規模集成電路廠(chǎng)(氣體種類(lèi)包括SiH4、N2O、2、 C2F6、 NH3等),100MW以上的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn)(氣體種類(lèi)包括NH3),發(fā)光二極管的磊晶工序線(xiàn)(氣體種類(lèi)包括NH3)、5代以上液晶顯示器工廠(chǎng)(氣體種類(lèi)包括SIH4、CL2、NH3、NF3)等、光纖(氣體種類(lèi)包括SiCl4)、硅材料外延生產(chǎn)線(xiàn)(氣體種類(lèi)包括HCL)等行業(yè)。它們的投資規模巨大,采用最先進(jìn)的工藝制程設備,用氣需求量大,對穩定和不間斷供應、純度控制和安全生產(chǎn)提出最嚴格的要求。
    這些工廠(chǎng)的特種氣體的供給,除了普通鋼瓶(50L及以下)包裝的特種氣體外,還有多種類(lèi)的特種氣體都普遍采用大包裝容器,由此它們被稱(chēng)為大宗特氣,包括Y-鋼瓶(450L),T-鋼瓶(980L),集裝格(940L),ISO罐(22,500L),魚(yú)雷車(chē)(13,400L)等。 
    大宗特氣供應系統(BSGS)采用全自動(dòng)PLC控制器,彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動(dòng)閥門(mén)和壓力傳感器,可實(shí)現自動(dòng)切換,自動(dòng)氮氣吹掃,自動(dòng)真空輔助放空;多重安全防護措施,泄漏偵測,遠程緊急切斷;專(zhuān)用氮氣吹掃起源等等。特種氣體采用獨立氣源,多用點(diǎn)采用VMB或VMP分路供應,VMB或VMP采用支路氣動(dòng)閥,氮氣吹掃,真空輔助排空等。由于BSGS氣源總量大,多采用獨立的氣體房,獨立的抽風(fēng)系統

    四:氣體房的選擇和設計 
    除了簡(jiǎn)單的供氣系統以外,特氣房一般都獨立于主場(chǎng)房而單獨建設,其規劃時(shí)需考慮建筑物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險物的總量控制等。常規供氣系統一般也采用多種氣瓶柜共設在一個(gè)氣體室;而對于大宗特氣,會(huì )根據氣體特性和相容性將氣體房分成可燃氣體房、腐蝕性氣體房、惰性氣體房、硅烷氣體房、毒性氣體房等。氣體房必須有良好的通風(fēng),氣體房的選擇和設計一般由設計院完成。
    五:管道系統的設計 
    1.材料的選擇
    特氣管路系統普遍采用316L不銹鋼電解拋光(EP)管道,閥門(mén)一般采用高純調壓閥、隔膜閥、高精密過(guò)濾器、(<0.003微米)、VCR接頭等。接觸氣體的管路部件表面粗糙度可控制在5uin。對于某些高腐蝕性的氣體如CL2等,采用經(jīng)過(guò)特殊處理的耐腐蝕強的EP管 。
    2.主管路系統的設計
    在確定好氣體房和用氣點(diǎn)以后,主管路系統一般遵循管道線(xiàn)路最短,拐彎最少,布置緊湊合理,給人簡(jiǎn)單美觀(guān)的感覺(jué)。輸送系統的數量和管徑的大小一般根據機臺用氣點(diǎn)的多少和流量大小確定,基本都采用小管徑輸送(1/4-3/4)而且多設計了備用系統。由于氣體本身的危險性,許多地方采用把管道鋪設在電纜橋架里,對于穿墻或穿過(guò)夾道的地方,周?chē)形kU源和經(jīng)常有危險作業(yè)的地方,露天的地方管道一般布置在全封閉的橋架里。
    對于低蒸汽壓氣體(WF6,DCS,BCl3,C5F8,ClF3等),需要考慮鋼瓶加熱,氣體面板加熱,管道伴熱等。為了精確控制流量,在氣源端一般會(huì )考慮配置高精度的壓力變送器、電子秤、溫控器等。在機臺用氣點(diǎn)也都配置了質(zhì)量流量計,壓力調節閥。對于劇毒、高反應性和自燃氣體,應使用雙套管輸送。同時(shí)管道的設計要采用零死區設計,即整個(gè)管道系統從氣柜到VMB、從VMB到用氣點(diǎn),要點(diǎn)對點(diǎn),中間不允許有在氣體置換時(shí)有殘留空氣的死角。因此,整個(gè)管路系統中由VMB完成氣體的分配,中間沒(méi)有三通。最后管道還要有良好的接地。
    3輔助系統的設計
    氣體柜或控制面板在安裝和運輸的過(guò)程中由于搬運和震動(dòng),閥門(mén)、接頭、過(guò)濾器等的更換、或其他原因、需要對其重新進(jìn)行高壓氣密性試驗和氦檢,氣體的置換也需要用到高壓氮氣或氦氣,所以特氣柜需設計接入高壓惰性氣體氦氣或氮氣。一般選擇在特氣房設置一臺或多臺惰性氣體柜。其連接形式為:

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    特氣柜中裝有各種氣體驅動(dòng)閥,主管路在送氣前必須進(jìn)行管道的吹掃和空氣的置換,所以還需輔助有高純氮氣和潔凈壓縮空氣系統。氮氣系統采用SUS316L-EP管,CDA可采用SUS316L-BA管,其管徑根據氣柜的多少來(lái)計算決定。
    氣體房和氣柜還須有自動(dòng)噴淋系統,但有的氣體如三氟化氯,硅烷遇水反應,這時(shí)就還需要考慮采用二氧化碳滅火系統。
    排風(fēng)系統和放空系統也是特氣系統的重要組成部分。其排風(fēng)系統也根據危險品性質(zhì)分成普通排風(fēng)系統(GEX)、酸性排風(fēng)系統(SEX)、溶劑排風(fēng)系統(VEX)、氨氣排風(fēng)系統(AEX)。普通排風(fēng)系統采用鍍鋅鐵皮風(fēng)管,酸性排風(fēng)一般采用玻璃鋼風(fēng)管,溶劑和氨氣排風(fēng)一般采用不銹鋼風(fēng)管。氣柜的排風(fēng)也是根據其性質(zhì)接入上面不同的排風(fēng)系統。氣體的放空是指特氣管道和氣柜中的特氣經(jīng)氮氣稀釋后由放空管道排放到大氣或排風(fēng)系統中,有的劇毒性或高危害性的氣體建議排放到尾氣處理器中經(jīng)處理后排放至相應的排風(fēng)系統中。放空系統一般采用SUS304不銹鋼管道,一直延伸到屋頂,高出屋面兩米左右,并設防雨罩。  
    六:GMS和GDS系統 
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    氣體監控系統(GMS)通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現對氣體輸送系統的實(shí)時(shí)監控,以確保系統的穩定性。
    氣體偵測系統(GDS)是全廠(chǎng)生命安全系統(LSS)的重要組成部分。對于偵測器的要求,除了精度高,反應迅速外,還應具備自檢功能。對于這兩個(gè)系統在這里只能做一個(gè)概念性的介紹。
    最后、充分了解氣體特性、從而合理配置系統,合理選擇管徑和材料,是我們設計的重點(diǎn),這樣可顯著(zhù)降低整個(gè)系統的成本。
    七:特種氣體管道的施工 
    特種氣體管道的施工采用全自動(dòng)軌道焊接,同時(shí)制定和實(shí)施嚴格的超高純施工和QA/QC保證程序,對施工的質(zhì)量和程序進(jìn)行嚴格的監控和管理。最后整個(gè)系統還要進(jìn)行氦檢漏、水分、氧分和顆粒度檢測、以及其他要求做的氣相雜質(zhì)的測試。
    其現場(chǎng)基本的施工程序為:施工圖紙會(huì )審﹣→施工組織編寫(xiě)﹣→預制間的搭設﹣→施工機具的準備﹣→施工人員的培訓﹣→預制圖紙的編寫(xiě)﹣→管道的預制﹣→管道的現場(chǎng)安裝﹣→系統檢測﹣→系統驗收
    1.預制間的選擇
    特種氣體管道的施工對環(huán)境的要求比較高,管道施工采用大批量預制然后現場(chǎng) 安裝的方法。按照標準,預制作業(yè)需要在潔凈度達到百級的凈化間進(jìn)行,作業(yè)人員也按照百級凈化間的管理著(zhù)裝。因此對于大宗特氣項目,一般都建有一個(gè)標準的預制間。
    但我們在實(shí)際的施工中,大宗特氣項目很少,一般都是簡(jiǎn)單系統和常規系統,為了節約成本和資金,在要求不是很高的情況下、一般采用在施工現場(chǎng)找一塊相對潔凈的房間采取一定的防塵措施就地施工,除作業(yè)人員和檢察人員外,應禁止無(wú)關(guān)人員出入。如果業(yè)主要求比較嚴格,也采用彩鋼板搭設一個(gè)簡(jiǎn)單的預制件,房間內鋪上地板革,在屋中用潔凈塑料布封出一塊裝上兩臺層流罩,做一個(gè)簡(jiǎn)單的凈化空間,進(jìn)行管道的預制工作。
    2.主要的施工機具
    特種氣體管道的主要施工機具有:全自動(dòng)軌道焊機(D100、MIOO等)管道切割機(GF鋸)、管子割刀、平口機、彎管器、倒角器、管口毛刺修理刮刀、有的需要配置電源穩壓器、防止施工現場(chǎng)電流波動(dòng)對焊接質(zhì)量造成影響、臺虎鉗、配電箱、拖線(xiàn)盤(pán)、臺鉆、電鉆、沖擊鉆、切割機、電焊機、手工氬弧焊機、其他輔助工具。

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    3.施工管理和現場(chǎng)施工的幾個(gè)注意點(diǎn)
    項目管理人員和施工人員都要進(jìn)行施工安全和施工質(zhì)量的培訓,了解特種管道的施工作業(yè)要求和規范,了解特種氣體的基本知識,從而加深對特種管道施工質(zhì)量重要性的認識。
    特氣管道一般采用小管道輸送,為了降低成本,管道采用直接用彎管器煨彎的方式,彎管器一般采用5-10倍的,但不小于5倍。因此對管道施工人員要進(jìn)行各種角度下的彎管培訓,對焊工也必須進(jìn)行焊


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