高純氣體講稿

1、高純高純/特種氣體工藝與施工概要特種氣體工藝與施工概要 前言前言u(píng)近10年來，隨著更復(fù)雜、更密集的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)，對(duì)高純氣體潔凈度的要求，已不亞于對(duì)純度和干燥度的要求，凡工藝氣體，無一不對(duì)其中的粒子提出限制。因此，對(duì)于高純氣體，純度、干燥度、潔凈度是三項(xiàng)重要的標(biāo)度。由于高純度氣體的使用地點(diǎn)、性質(zhì)、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(gè)嚴(yán)格而明確的概念。對(duì)于純度和干燥度的控制，我國CBJ7384潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)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(chǎn)中所采用的

2、氣體，按其不同的品位，具體分為下列幾個(gè)不同的檔次： 超高純氣體氣體中雜質(zhì)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(zhì)總含量控制在5%ppm以下，水份含量控制在3ppm以內(nèi). 潔凈氣體氣體中雜質(zhì)總含量控制在10ppm以下,對(duì)水份含量未作嚴(yán)格規(guī)定。 上述規(guī)定，都未涉及潔凈度。我們知道，集成電路的生產(chǎn)，幾乎都是在潔凈環(huán)境中進(jìn)行，是防止塵埃粒子污染微電子產(chǎn)品所必需的。所以，對(duì)潔凈的生產(chǎn)環(huán)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(huán)境保持一致，根據(jù)相關(guān)資料以及近些年公司相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，我進(jìn)行了一些歸納，希望能夠給大家提供一些參考。一、高純一、高純/特種氣體

3、的概念特種氣體的概念半導(dǎo)體集成電路制造所需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(dǎo)體制造用氣體按照使用時(shí)的半導(dǎo)體制造用氣體按照使用時(shí)的危險(xiǎn)性分類危險(xiǎn)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?xì)怏w：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

4、體供應(yīng)系統(tǒng)二特種氣體供應(yīng)系統(tǒng)特種氣體的供應(yīng)方式截至目前為止，幾乎皆用鋼瓶的方式進(jìn)行，一般常用的為高壓鋼瓶，依其填充的氣體特性有分為氣態(tài)和液態(tài)兩種，一般氣體依液態(tài)儲(chǔ)存于鋼瓶內(nèi)，瓶內(nèi)壓力較高，所以最佳方式是選用吸附式氣態(tài)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(yōu)點(diǎn)為供氣壓力低于一個(gè)大氣壓，無任何泄漏的危險(xiǎn)，且供氣量為普通高壓鋼瓶的10倍，低蒸汽壓的氣體以液態(tài)儲(chǔ)存于鋼瓶內(nèi)；針對(duì)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(yīng)至現(xiàn)場附近的閥箱，經(jīng)過一系列的控制而后進(jìn)入用氣點(diǎn)；一般惰性氣體以開放式的氣瓶架和閥盤供應(yīng)；具體方式如下：1.現(xiàn)場制氣、管道供氣現(xiàn)場

5、制氣、管道供氣這種供氣方式時(shí)將制氣設(shè)備建造在用氣量較大或者用氣品種較多的工廠內(nèi)或按區(qū)域設(shè)置供應(yīng)周邊各單位用氣示意圖如下：1中壓貯氣罐；2調(diào)壓閥組；3氣體過濾器；4液態(tài)氣體貯罐；5汽化器；6安全閥；7自動(dòng)控制閥；8氣體純化裝置；9流量計(jì)；10末端氣體過濾器；11末端氣體純化器12用氣點(diǎn)；13高壓氣體壓縮機(jī)；14高壓氣體貯罐（P=1520MPa） a圖為采用液態(tài)氣體貯存氣體，中壓貯罐。作為緩沖罐的供應(yīng)系統(tǒng)。氣體純化設(shè)備設(shè)在工廠內(nèi)，實(shí)際上在各用氣工廠還應(yīng)設(shè)置各種過濾精度的氣體過濾器、計(jì)量儀器、分析儀器等，有的工廠對(duì)高純氣體中雜質(zhì)含量控制十分嚴(yán)格，此時(shí)還需安裝末端提純?cè)O(shè)備。 b圖為采用高壓（P=152

6、0MPa）氣體貯罐的供氣系統(tǒng)，常用于氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中，設(shè)高壓氣體壓縮機(jī)從中壓貯氣罐中吸氣經(jīng)壓縮到1520MPa送入若干個(gè)高壓貯氣罐組儲(chǔ)氣，根據(jù)供氣用氣的平衡，高壓貯氣罐放氣經(jīng)二級(jí)調(diào)壓閥組減壓后由自動(dòng)控制閥送入供氣系統(tǒng)。 現(xiàn)場制氣、管道供氣圖制氣裝置制氣裝置室 外室 內(nèi)室 內(nèi)室 外12391 01 11 21 24652711 328391 01 21 1771 42外購氣體供氣 由集中制氣工廠制取的液態(tài)氣體由低溫液態(tài)氣體貯罐槽車運(yùn)送至用氣工廠，再使用工廠設(shè)置低溫液態(tài)氣體貯罐，將液態(tài)氣體槽車中的液態(tài)氣體抽送入液態(tài)氣體貯罐貯存，根據(jù)工廠用氣量，液態(tài)氣體由貯罐送出經(jīng)汽化器化為氣體后，經(jīng)由調(diào)壓器組調(diào)壓并

7、經(jīng)氣體過濾器送去使用車間，若氣體純度或雜質(zhì)含量不能滿足使用要求，則需要再在車間內(nèi)設(shè)置末端提純裝置，對(duì)氣體進(jìn)行提純并去除雜質(zhì)，同時(shí)為滿足不同需求，還應(yīng)在工廠使用車間末端或在車間內(nèi)集中設(shè)置不同過濾精度的氣體過濾器，示意圖如下： 1液態(tài)氣體貯罐；2汽化器；3調(diào)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(diǎn) 外購氣體供氣圖：576室 內(nèi)室 外13423.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(jīng)氣體總線，減壓閥組匯集，減壓至一定壓力經(jīng)氣體純化裝置純化后供氣。為確保連續(xù)供氣，氣體鋼瓶一般分為兩組，交替放氣，根據(jù)產(chǎn)品工藝要求，選擇滿足供氣品質(zhì)的氣體純化裝

8、置或在用氣點(diǎn)處設(shè)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(diào)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(diǎn) 外購氣體鋼瓶供氣圖43室 外室 內(nèi)675124.將高純氣體鋼瓶設(shè)置在用氣設(shè)備附近直接供氣常用于用氣量很少的場所，規(guī)范規(guī)定，當(dāng)日用氣量不超過一瓶（指水容積不超過40L的鋼瓶）時(shí)，氣瓶可設(shè)置在潔凈室內(nèi)，但必須采取不積塵和易于清潔的措施，若工藝對(duì)高純氣體要求較為嚴(yán)格時(shí)，比如氣體中總雜質(zhì)含量1.0106時(shí)，還需要在氣瓶與用氣設(shè)備之間設(shè)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(zhì)量。三、高純氣體的配管及材質(zhì)三、高純氣體的配管及材質(zhì)1高純氣體管路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

9、高純氣體管路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（1）對(duì)于不同特性的氣體，要規(guī)劃獨(dú)立的供應(yīng)區(qū)域，一般分為三個(gè)區(qū)：腐蝕性/毒性氣體區(qū)、可燃性氣體區(qū)、惰性氣體區(qū)，將相同性質(zhì)的氣體集中加強(qiáng)管理，可燃性氣體區(qū)要特別規(guī)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(qū)。（2）管路設(shè)計(jì)需要考慮輸送的距離，距離越長，成本越高，風(fēng)險(xiǎn)也越高，通常較合理的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方面，則需要考慮使用點(diǎn)的壓力和管徑大小，前者與氣體特性有關(guān)，后者使用點(diǎn)的管徑一般為1/4”3/8”。（3）根據(jù)用氣設(shè)備的分布情況，高純氣體的管網(wǎng)不宜過大或者過長；宜采用不封

10、閉的環(huán)形管路，在系統(tǒng)末端連續(xù)不斷排放少量的氣體，以便在管網(wǎng)中總有高純氣體流通，不會(huì)發(fā)生“死空間”引起高純氣體的污染。（4）管路中應(yīng)減少不流動(dòng)氣體的“死空間”，不應(yīng)設(shè)有盲管，在特種氣體的儲(chǔ)氣瓶與用氣設(shè)備之間應(yīng)設(shè)吹掃控制裝置、多閥門控制裝置、用以控制各個(gè)閥門的開關(guān)順序、系統(tǒng)吹除，以確保供氣系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行和防止“死區(qū)”形成而滯留污染物，降低氣體純度。（5）對(duì)高純氣體純度要求不同的用氣設(shè)備，宜采用分等級(jí)高純氣體輸送系統(tǒng)；也可采用同等級(jí)輸送系統(tǒng)，但是在純度要求高的用氣設(shè)備鄰近處設(shè)末端氣體提純裝置。（6）為了檢測高純氣體的純度和雜質(zhì)含量，輸送系統(tǒng)除了設(shè)置必要的連續(xù)檢測儀器，如衡量水含量或者氧雜質(zhì)含量

11、等分析儀外，還應(yīng)設(shè)置定期取樣用的檢測采樣口，以便按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行采樣，分析高純氣體中各種雜質(zhì)的含量。（7）在亞微米級(jí)的集成電路生產(chǎn)中，要求供應(yīng)109級(jí)的高純氣體，為了確保末端用氣工藝設(shè)備處的氣體純度，使氣體中的雜質(zhì)含量（包括塵粒）控制在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，一般在設(shè)備前設(shè)置末端純化裝置，或末端高精度氣體過濾器2高純氣體配管及附件材質(zhì)的選高純氣體配管及附件材質(zhì)的選擇擇 （1）選擇標(biāo)準(zhǔn) 選用滲透性小、出氣速率低、吸附性差的材料： 目前超大規(guī)模集成電路前工序高純氣體輸送系統(tǒng)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(duì)要求控制高純氣體中總雜質(zhì)含量

12、1.01.0106及以下的管材應(yīng)用SS316L-EP管。，高純氣體使用管材的特點(diǎn)及要求如下表所示：高純氣體使用管材的特點(diǎn)及要求項(xiàng)目SS304BA或SS316BASS316LEP鋼材冶煉方法真空氧氣脫碳法真空氧氣脫碳法或真空電弧熔煉法制作過程冷延熱處理冷拉光亮熱處理脫脂一般水洗純水水洗（10000級(jí)潔凈環(huán)境）純氮吹掃（1000級(jí)潔凈環(huán)境）檢查包裝（壓帽氮封及雙層聚乙烯外包裝充純氮保護(hù)）冷延熱處理冷拉光亮熱處理脫脂一般水洗電解拋光一般水洗堿中和一般水洗硝酸浸漬水洗冷純水水洗（10000級(jí)潔凈環(huán)境）熱純水水洗（10000級(jí)潔凈環(huán)境）純氮吹掃（100/1000級(jí)潔凈環(huán)境）檢查包裝（壓帽氮封及雙層聚乙烯

13、外包裝充純氮保護(hù)）最終檢查內(nèi)表面粗糙度Rmax3.04.5m0.7m表面硬度（HRB）9080公差要求項(xiàng)目管外徑、管壁厚、管長、管道垂直度管外徑、管壁厚、管長、管道垂直度 注：管路型式以氣體特性設(shè)計(jì)，惰性氣體使用一般的單層管，作為制程用的反應(yīng)氣體，則選用高級(jí)別的SS316L-EP管；使用與芯片接觸但不參與制程反應(yīng)的氣體則選用SS316L-BA管。 對(duì)于自燃爆炸，有劇毒的特種氣體，如SiH4、PH3、AsH3等則考慮使用雙套管，它的內(nèi)/外管材質(zhì)一般為SS316L-EP/SS316L-AP，此設(shè)計(jì)的主要目的有兩點(diǎn)，首先可保護(hù)內(nèi)管直接受到外力撞擊，其次能將由內(nèi)管滲漏的氣體阻絕于外管，并利用相關(guān)的檢測

14、設(shè)備檢測，目前常用的設(shè)計(jì)有正壓和負(fù)壓兩種方式，負(fù)壓設(shè)計(jì)是將內(nèi)外管間抽成真空，正壓設(shè)計(jì)則是灌以氮?dú)饩S持正壓，兩者皆可接上壓力表或者壓力警報(bào)器檢知泄漏狀態(tài)。內(nèi)表面處理 通常采用的方法有機(jī)械噴砂、化學(xué)溶液清洗、化學(xué)拋光、電拋光等，目前廣泛應(yīng)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(duì)系統(tǒng)所用閥門的嚴(yán)密性有十分嚴(yán)格的要求，目前國內(nèi)潔凈廠房的高純氣體管道的閥門基本都采用SS304或SS316L不銹鋼材質(zhì)，閥門型式有隔膜閥、波紋管閥和球閥。波紋管閥的嚴(yán)密性比球閥好，在氣體流過閥門時(shí)沒有與外環(huán)境接觸的填料，所以沒有滲漏現(xiàn)象：隔膜閥除了嚴(yán)密性與波紋管閥相當(dāng)以外，還具有閥體死體積小，易吹除且污染少，所以

15、適用于對(duì)氣體純度和生產(chǎn)工藝要求極嚴(yán)格或者危險(xiǎn)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(dòng)氬弧焊接，焊接型式通常采用承插焊和對(duì)焊，承插焊的好處在于施焊時(shí)管道的對(duì)中，方便焊接，但缺點(diǎn)是由于管道與承插口之間有間隙，會(huì)存在“死空間不易將雜質(zhì)吹除，影響高純氣體質(zhì)量。因此對(duì)于要求極為嚴(yán)格的高純氣體來說，應(yīng)采用對(duì)接焊連接并要求內(nèi)表面無焊縫，即在施工時(shí)不得使用不銹鋼焊絲，利用母材的本身融化填滿焊縫。為確保輸送至用氣設(shè)備的氣體質(zhì)量，高純氣體管道與用氣設(shè)備之間應(yīng)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(yīng)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（

16、VacuumCouplingRetainer）和SWG（Swaglok），VCR采用優(yōu)良的金屬墊，利用縱向壓力壓緊，因此泄漏率極低，約為109Acc/s，且耐壓較高，常用于氣體雜質(zhì)含量1.0109級(jí)的高純氣輸送系統(tǒng)，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：此類氣體只要形成了可燃?xì)怏w爆炸混合氣和達(dá)到著火溫度。便會(huì)發(fā)生燃燒爆炸事故因此在可燃?xì)怏w入口處、氣體鋼瓶存放間、潔凈室內(nèi)使用可燃?xì)怏w處、敷設(shè)可燃?xì)怏w的管廊或技術(shù)夾層以及可能聚集可燃?xì)怏w的場所均應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警裝置。具體

17、要求如下：可燃?xì)怏w比空氣輕者，報(bào)警裝置設(shè)置在所處場所的頂部?？扇?xì)怏w比空氣重者，報(bào)警裝置設(shè)置在所處場所的最低處?？扇?xì)怏w的報(bào)警裝置應(yīng)與相應(yīng)的事故排風(fēng)裝置設(shè)電氣連鎖，當(dāng)空氣中的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，事故排風(fēng)裝置自動(dòng)開啟，同時(shí)向潔凈廠房的消防安全值班室發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 為防止倒流回火應(yīng)在用氣設(shè)備的支管上設(shè)置阻火器，在排入大氣的排氣管道上，為防止排氣時(shí)突遇雷電襲擊阻止火焰蔓延至可燃?xì)怏w管道引發(fā)燃燒爆炸事故，必須在排氣管道上設(shè)置阻火器。 可燃?xì)怏w在適當(dāng)?shù)墓艿捞帒?yīng)做接地，但接地電阻應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。 各種可燃?xì)怏w管道系統(tǒng)均應(yīng)設(shè)置能引入氮?dú)獾榷栊詺怏w的接口及相應(yīng)的檢測口，以便在可燃?xì)怏w供應(yīng)系統(tǒng)使用前后或檢

18、修動(dòng)火前后對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行吹掃置換，但是惰性氣體吹掃接口在正常運(yùn)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(zhì)量。（2）助燃?xì)怏w 對(duì)于氧氣或氟系助燃?xì)怏w，只要與油脂類物品接觸，就會(huì)氧化發(fā)熱，以致燃燒爆炸，所以凡是氧氣管道、閥門或設(shè)備、附件等均應(yīng)禁油，氧氣管道系統(tǒng)應(yīng)采用專門的禁油閥門、附件和管材，并在氧氣輸送系統(tǒng)安裝后均應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行脫脂處理。為防止由于靜電產(chǎn)生火花引起燃燒爆炸，氧氣管道應(yīng)采取以下措施： 氧氣管道內(nèi)氧氣流速限制：當(dāng)氧氣工作壓力10MPa時(shí)，氧氣流速不應(yīng)大于6m/s；當(dāng)工作壓力為0.13MPa時(shí)，不應(yīng)大于15m/s；當(dāng)工作壓力0.1MPa時(shí)，應(yīng)按其管道允許壓力降確定。 氧氣管道的

19、彎頭、三通等接頭的材質(zhì)選擇、安裝均應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行 氧氣管道應(yīng)采取導(dǎo)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(huì)使空氣中氧的濃度降低，當(dāng)空氣中的氧濃度低于18時(shí)，人會(huì)感覺到頭暈惡心，甚至?xí)斐芍舷⑺劳?。所以一定要?yán)防氣體的泄漏。在使用場所設(shè)置必要的換氣，及時(shí)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(yīng)設(shè)有可靠的通風(fēng)裝置。和毒氣泄漏報(bào)警裝置一旦空氣中有毒氣體達(dá)到規(guī)定值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)開啟自動(dòng)排氣裝置，有毒氣體在排入大氣前必須經(jīng)過可靠的處理，達(dá)到規(guī)定的無害狀態(tài)后方可排放。（5）腐蝕性氣體： 此類氣體一遇水就會(huì)顯示強(qiáng)腐蝕性，因此在腐蝕性氣體系統(tǒng)使用前應(yīng)以干燥氮?dú)獾葘?duì)系統(tǒng)設(shè)備、管道進(jìn)行吹掃、干燥，尤其時(shí)高壓儲(chǔ)氣瓶的灌裝口，因環(huán)境空氣中的水分易引起腐蝕必須裝設(shè)氣瓶帽，并在裝氣瓶帽時(shí)使用氮?dú)鈱?duì)灌裝口進(jìn)行充分的干燥。2高壓儲(chǔ)氣瓶的使用安全 對(duì)于易燃易爆氣體、毒性氣體、腐蝕性氣體等高壓儲(chǔ)氣瓶的運(yùn)輸、貯存、和使用，必須制定嚴(yán)格的管理制度，操作人員上崗應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)，了解、熟悉相關(guān)氣體的特性和安全知識(shí)方可上崗。（1）搬運(yùn)：高壓儲(chǔ)氣瓶在搬運(yùn)前，應(yīng)認(rèn)真檢查瓶口閥的完好性，并裝好保護(hù)帽，運(yùn)輸時(shí)要使用專用氣瓶小手推車，運(yùn)輸過程中要固定好氣瓶，不得使氣瓶發(fā)生碰撞、摩擦，裝卸時(shí)應(yīng)