电子厂房高纯气体工艺与施工工程

电子厂房高纯气体工艺与施工工程

前言近10年来，随着更复杂、更密集的大规模和超大规模集成电路的生产，对高纯气体洁净度的要求，已不亚于对纯度和干燥度的要求，凡工艺气体，无一不对其中的粒子提出限制。因此，对于高纯气体，纯度、干燥度、洁净度是三项重要的标度。由于高纯度气体的使用地点、性质、工况（如温度、压力等）都不完全一致，所以，如何确定高纯气体的“三度”（纯度、干燥度、洁净度），还没有一个严格而明确的概念。

对于纯度和干燥度的控制，我国CBJ73—84《洁净厂房设计规范》中指出，“高纯气体系指纯度大于或等于99.9995%，含水量小于5ppm气体。”

日本把微电子生产中所采用的气体，按其不同的品位，具体分为下列几个不同的档次：

超高纯气体

气体中杂质总含量控制在1ppm以下，水份含量控制在0.2~1ppm。高纯气体

气体中杂质总含量控制在5%ppm以下，水份含量控制在3ppm以内.洁净气体

气体中杂质总含量控制在10ppm以下,对水份含量未作严格规定。上述规定，都未涉及洁净度。我们知道，集成电路的生产，几乎都是在洁净环境中进行，是防止尘埃粒子污染微电子产品所必需的。所以，对洁净的生产环境绝不允许采用不洁净的气体来破坏，必须使气体的洁净度与洁净环境保持一致，根据相关资料以及近些年公司相关工程的经验，我进行了一些归纳，希望能够给大家提供一些参考。一、高纯/特种气体的概念半导体集成电路制造所需要的高纯气体主要分为两大类：普通气体：也叫大宗气体，主要有：H2、N2、O2、Ar、He等。特种气体：主要指各种掺杂用气体、外延用气体、离子注入用气体、刻蚀用气体等。半导体制造用气体按照使用时的危险性分类可燃、助燃、易燃易爆气体：H2、CH4、H2S、NH3、SiH4、PH3、B2H6、SiH2CL3、CLF3、SiHCL3等。有毒气体：AsH3、PH3、B2H6等助燃气体：O2、N2O、F2、HF等窒息性气体：N2、He、CO2、Ar等腐蚀性气体：HCL、PCL3、POCL3、HF、SiF4、CLF3、等二．特种气体供应系统特种气体的供应方式截至目前为止，几乎皆用钢瓶的方式进行，一般常用的为高压钢瓶，依其填充的气体特性有分为气态和液态两种，一般气体依液态储存于钢瓶内，瓶内压力较高，所以最佳方式是选用吸附式气态钢瓶，以气体分子与吸附剂间的范德瓦力将气体吸附于吸附剂孔隙中，其优点为供气压力低于一个大气压，无任何泄漏的危险，且供气量为普通高压钢瓶的10倍，低蒸汽压的气体以液态储存于钢瓶内；针对易燃易爆，有毒性腐蚀性的气体，常将钢瓶至于特气柜中，再通过管路将气体供应至现场附近的阀箱，经过一系列的控制而后进入用气点；一般惰性气体以开放式的气瓶架和阀盘供应；具体方式如下：1.现场制气、管道供气这种供气方式时将制气设备建造在用气量较大或者用气品种较多的工厂内或按区域设置供应周边各单位用气示意图如下：1－中压贮气罐；2－调压阀组；3－气体过滤器；4－液态气体贮罐；5－汽化器；6－安全阀；

7－自动控制阀；8－气体纯化装置；9－流量计；10－末端气体过滤器；11－末端气体纯化器

12－用气点；13－高压气体压缩机；14－高压气体贮罐（P=15~20MPa）a图为采用液态气体贮存气体，中压贮罐。作为缓冲罐的供应系统。气体纯化设备设在工厂内，实际上在各用气工厂还应设置各种过滤精度的气体过滤器、计量仪器、分析仪器等，有的工厂对高纯气体中杂质含量控制十分严格，此时还需安装末端提纯设备。b图为采用高压（P=15~20MPa）气体贮罐的供气系统，常用于氢气供应系统中，设高压气体压缩机从中压贮气罐中吸气经压缩到15~20MPa送入若干个高压贮气罐组储气，根据供气用气的平衡，高压贮气罐放气经二级调压阀组减压后由自动控制阀送入供气系统。现场制气、管道供气图2．外购气体供气由集中制气工厂制取的液态气体由低温液态气体贮罐槽车运送至用气工厂，再使用工厂设置低温液态气体贮罐，将液态气体槽车中的液态气体抽送入液态气体贮罐贮存，根据工厂用气量，液态气体由贮罐送出经汽化器化为气体后，经由调压器组调压并经气体过滤器送去使用车间，若气体纯度或杂质含量不能满足使用要求，则需要再在车间内设置末端提纯装置，对气体进行提纯并去除杂质，同时为满足不同需求，还应在工厂使用车间末端或在车间内集中设置不同过滤精度的气体过滤器，示意图如下：1－液态气体贮罐；2－汽化器；3－调压装置；4－气体纯化装置；5－末端气体纯化器；6－气体过滤器；7－用气点外购气体供气图：3.外购气体钢瓶供气外购气体钢瓶集中存放在工厂的气瓶间(库)中，气瓶中高压气体经气体总线，减压阀组汇集，减压至一定压力经气体纯化装置纯化后供气。为确保连续供气，气体钢瓶一般分为两组，交替放气，根据产品工艺要求，选择满足供气品质的气体纯化装置或在用气点处设置末端气体纯化装置。示意图如下：1－钢瓶及总线2－减压阀组；3－调压装置；4－气体纯化装置；5－末气体纯化器；6－气体过滤器；7－用气点外购气体钢瓶供气图4.将高纯气体钢瓶设置在用气设备附近直接供气常用于用气量很少的场所，《规范》规定，当日用气量不超过一瓶（指水容积不超过40L的钢瓶）时，气瓶可设置在洁净室内，但必须采取不积尘和易于清洁的措施，若工艺对高纯气体要求较为严格时，比如气体中总杂质含量≤1.0×10－6时，还需要在气瓶与用气设备之间设置末端气体提纯装置，包括高精度气体过滤器，以确保供气质量。三、高纯气体的配管及材质1．高纯气体管路的设计要点：（1）对于不同特性的气体，要规划独立的供应区域，一般分为三个区：腐蚀性/毒性气体区、可燃性气体区、惰性气体区，将相同性质的气体集中加强管理，可燃性气体区要特别规划防爆墙与泄漏口，若空间不足，可考虑将惰性气体放置与毒性/腐蚀性气体区。（2）管路设计需要考虑输送的距离，距离越长，成本越高，风险也越高，通常较合理的设计流速为20ml/S，可燃性气体小于10ml/S,毒性/腐蚀性气体小于8ml/S，在用量设计方面，则需要考虑使用点的压力和管径大小，前者与气体特性有关，后者使用点的管径一般为1/4”～3/8”。（3）根据用气设备的分布情况，高纯气体的管网不宜过大或者过长；宜采用不封闭的环形管路，在系统末端连续不断排放少量的气体，以便在管网中总有高纯气体流通，不会发生“死空间”引起高纯气体的污染。（4）管路中应减少不流动气体的“死空间”，不应设有盲管，在特种气体的储气瓶与用气设备之间应设吹扫控制装置、多阀门控制装置、用以控制各个阀门的开关顺序、系统吹除，以确保供气系统的安全、可靠运行和防止“死区”形成而滞留污染物，降低气体纯度。（5）对高纯气体纯度要求不同的用气设备，宜采用分等级高纯气体输送系统；也可采用同等级输送系统，但是在纯度要求高的用气设备邻近处设末端气体提纯装置。（6）为了检测高纯气体的纯度和杂质含量，输送系统除了设置必要的连续检测仪器，如衡量水含量或者氧杂质含量等分析仪外，还应设置定期取样用的检测采样口，以便按规定时间进行采样，分析高纯气体中各种杂质的含量。（7）在亚微米级的集成电路生产中，要求供应10－9级的高纯气体，为了确保末端用气工艺设备处的气体纯度，使气体中的杂质含量（包括尘粒）控制在规定的数值内，一般在设备前设置末端纯化装置，或末端高精度气体过滤器2．高纯气体配管及附件材质的选择（1）选择标准●选用渗透性小、出气速率低、吸附性差的材料：目前超大规模集成电路前工序高纯气体输送系统管道材料采用不锈钢光亮退火管（SS304BA、SS316BA）、不锈钢电抛光管（SS316L-EP）等，但是对要求控制高纯气体中总杂质含量≤1.01.0×10－6及以下的管材应用SS316L-EP管。，高纯气体使用管材的特点及要求如下表所示：高纯气体使用管材的特点及要求项目SS304BA或SS316BASS316LEP钢材冶炼方法真空氧气脱碳法真空氧气脱碳法或真空电弧熔炼法制作过程冷延→热处理→冷拉→光亮热处理→脱脂→一般水洗→纯水水洗（10000级洁净环境）→纯氮吹扫（1000级洁净环境）→检查→包装（压帽氮封及双层聚乙烯外包装充纯氮保护）冷延→热处理→冷拉→光亮热处理→脱脂→一般水洗→电解抛光→一般水洗→碱中和→一般水洗→硝酸浸渍→水洗→冷纯水水洗（10000级洁净环境）→热纯水水洗（10000级洁净环境）→纯氮吹扫（100/1000级洁净环境）→检查→包装（压帽氮封及双层聚乙烯外包装充纯氮保护）→最终检查内表面粗糙度Rmax3.0～4.5μm<0.7μm表面硬度（HRB）<90<80公差要求项目管外径、管壁厚、管长、管道垂直度管外径、管壁厚、管长、管道垂直度注：三①管三路型三式以三气体三特性三设计三，惰三性气三体使三用一三般的三单层三管，三作为三制程三用的三反应三气体三，则三选用三高级三别的SS三31三6L三-E三P管；三使用三与芯三片接三触但三不参三与制三程反三应的三气体三则选三用SS三31三6L三-B三A管。②对三于自三燃爆三炸，三有剧三毒的三特种三气体三，如Si三H4、PH三3、As三H3等则三考虑三使用三双套三管，三它的三内/外管三材质三一般三为SS三31三6L三-E三P/三SS三31三6L三-A三P，此三设计三的主三要目三的有三两点三，首三先可三保护三内管三直接三受到三外力三撞击三，其三次能三将由三内管三渗漏三的气三体阻三绝于三外管三，并三利用三相关三的检三测设三备检三测，三目前三常用三的设三计有三正压三和负三压两三种方三式，三负压三设计三是将三内外三管间三抽成三真空三，正三压设三计则三是灌三以氮三气维三持正三压，三两者三皆可三接上三压力三表或三者压三力警三报器三检知三泄漏三状态三。内表三面处三理●通三常采三用的三方法三有机三械喷三砂、三化学三溶液三清洗三、化三学抛三光、三电抛三光等三，目三前广三泛应三用的三管材三有光三亮退三火管三和电三抛光三管。阀门三的选三用●高三纯气三体对三系统三所用三阀门三的严三密性三有十三分严三格的三要求三，目三前国三内洁三净厂三房的三高纯三气体三管道三的阀三门基三本都三采用SS三30三4或SS三31三6L不锈三钢材三质，三阀门三型式三有隔三膜阀三、波三纹管三阀和三球阀三。波三纹管三阀的三严密三性比三球阀三好，三在气三体流三过阀三门时三没有三与外三环境三接触三的填三料，三所以三没有三渗漏三现象三：隔三膜阀三除了三严密三性与三波纹三管阀三相当三以外三，还三具有三阀体三死体三积小三，易三吹除三且污三染少三，所三以适三用于三对气三体纯三度和三生产三工艺三要求三极严三格或三者危三险性三大的三气体三。管道三连接①高三纯气三体一三般采三用手三工氩三弧焊三接和三自动三氩弧三焊接三，焊三接型三式通三常采三用承三插焊三和对三焊，三承插三焊的三好处三在于三施焊三时管三道的三对中三，方三便焊三接，三但缺三点是三由于三管道三与承三插口三之间三有间三隙，三会存三在“三死空三间’三不易三将杂三质吹三除，三影响三高纯三气体三质量三。因三此对三于要三求极三为严三格的三高纯三气体三来说三，应三采用三对接三焊连三接并三要求三内表三面无三焊缝三，即三在施三工时三不得三使用三不锈三钢焊三丝，三利用三母材三的本三身融三化填三满焊三缝。②为三确保三输送三至用三气设三备的三气体三质量三，高三纯气三体管三道与三用气三设备三之间三应用三不锈三钢金三属软三管连三接，三不宜三采用三非金三属软三管。③高三纯气三体管三道与三阀门三等附三件连三接应三采用三密封三不易三泄漏三的专三用接三头予三以连三接，三常用三的接三头方三式有三两种三：分三别为VC三R（Va三cu三um三C三ou三pl三in三g三Re三ta三in三er）和SW三G（Sw三ag三lo三k），VC三R采用三优良三的金三属垫三，利三用纵三向压三力压三紧，三因此三泄漏三率极三低，三约为10～9A三c三c/三s，且三耐压三较高三，常三用于三气体三杂质三含量1.三0×三10－9级的三高纯三气输三送系三统，三而SW三G则不三如VC三R，耐三压较三低，三基本三上这三两种三接头三方式三的安三全性三足可三代替三焊接三的方三式。四．三高纯三气体三的供三气安三全1.各种三特性三气体三的使三用安三全（1）易三燃易三爆气三体：三此类三气体三只要三形成三了可三燃气三体爆三炸混三合气三和达三到着三火温三度。三便会三发生三燃烧三爆炸三事故三因此三在可三燃气三体入三口处三、气三体钢三瓶存三放间三、洁三净室三内使三用可三燃气三体处三、敷三设可三燃气三体的三管廊三或技三术夹三层以三及可三能聚三集可三燃气三体的三场所三均应三设置三可燃三气体三报警三装置三。具三体要三求如三下：①可三燃气三体比三空气三轻者三，报三警装三置设三置在三所处三场所三的顶三部。②可三燃气三体比三空气三重者三，报三警装三置设三置在三所处三场所三的最三低处三。③可三燃气三体的三报警三装置三应与三相应三的事三故排三风装三置设三电气三连锁三，当三空气三中的三可燃三气体三浓度三达到三规定三值时三，事三故排三风装三置自三动开三启，三同时三向洁三净厂三房的三消防三安全三值班三室发三出报三警信三号。④为三防止三倒流三回火三应在三用气三设备三的支三管上三设置三阻火三器，三在排三入大三气的三排气三管道三上，三为防三止排三气时三突遇三雷电三袭击三阻止三火焰三蔓延三至可三燃气三体管三道引三发燃三烧爆三炸事三故，三必须三在排三气管三道上三设置三阻火三器。⑤可三燃气三体在三适当三的管三道处三应做三接地三，但三接地三电阻三应符三合相三关规三定。⑥各三种可三燃气三体管三道系三统均三应设三置能三引入三氮气三等惰三性气三体的三接口三及相三应的三检测三口，三以便三在可三燃气三体供三应系三统使三用前三后或三检修三动火三前后三对其三系统三进行三吹扫三置换三，但三是惰三性气三体吹三扫接三口在三正常三运行三中不三能与三气体三钢瓶三或惰三性气三体管三道相三通，三以避三免影三响气三体质三量。（2）助三燃气三体对于三氧气三或氟三系助三燃气三体，三只要三与油三脂类三物品三接触三，就三会氧三化发三热，三以致三燃烧三爆炸三，所三以凡三是氧三气管三道、三阀门三或设三备、三附件三等均三应禁三油，三氧气三管道三系统三应采三用专三门的三禁油三阀门三、附三件和三管材三，并三在氧三气输三送系三统安三装后三均应三按规三定进三行脱三脂处三理。三为防三止由三于静三电产三生火三花引三起燃三烧爆三炸，三氧气三管道三应采三取以三下措三施：①氧三气管三道内三氧气三流速三限制三：当三氧气三工作三压力三≥10三MP三a时，三氧气三流速三不应三大于6m三/s；当三工作三压力三为0.三1～3M三Pa时，三不应三大于15三m/三s；当三工作三压力三≤0.三1M三Pa时，三应按三其管三道允三许压三力降三确定三。②氧三气管三道的三弯头三、三三通等三接头三的材三质选三择、三安装三均应三按规三定进三行③氧三气管三道应三采取三导除三静电三接地三措施三。（3）窒三息性三气体三：此类三气体三无色三、无三臭、三低毒三性，三但是三大量三窒息三性气三体的三泄漏三或排三入大三气中三会使三空气三中氧三的浓三度降三低，三当空三气中三的氧三浓度三低于18％时三，人三会感三觉到三头晕三恶心三，甚三至会三造成三窒息三死亡三。所三以一三定要三严防三气体三的泄三漏。三在使三用场三所设三置必三要的三换气三，及三时将三窒息三性气三体排三至室三外。（4）有三毒气三体：在使三用、三贮存三有毒三气体三的场三所应三设有三可靠三的通三风装三置。三和毒三气泄三漏报三警装三置一三旦空三气中三有毒三气体三达到三规定三值时三，应三进行三报警三，同三时自三动开三启自三动排三气装三置，三有毒三气体三在排三入大三气前三必须三经过三可靠三的处三理，三达到三规定三的无三害状三态后三方可三排放三。（5）腐三蚀性三气体三：此类三气体三一遇三水就三会显三示强三腐蚀三性，三因此三在腐三蚀性三气体三系统三使用三前应三以干三燥氮三气等三对系三统设三备、三管道三进行三吹扫三、干三燥，三尤其三时高三压储三气瓶三的灌三装口三，因三环境三空气三中的三水分三易引三起腐三蚀必三须装三设气三瓶帽三，并三在装三气瓶三帽时三使用三氮气三对灌三装口三进行三充分三的干三燥。2．高三压储三气瓶三的使三用安三全对于三易燃三易爆三气体三、毒三性气三体、三腐蚀三性气三体等三高压三储气三瓶的三运输三、贮三存、三和使三用，三必须三制定三严格三的管三理制三度，三操作三人员三上岗三应经三过严三格的三培训三，了三解、三熟悉三相关三气体三的特三性和三安全三知识三方可三上岗三。LO三RE三M三IP三SU三M三DO三LO三R（1）搬三运：三高压三储气三瓶在三搬运三前，三应认三真检三查瓶三口阀三的完三好性三，并三装好三保护三帽，三运输三时要三使用三专用三气瓶三小手三推车三，运三输过三程中三要固三定好三气瓶三，不三得使三气瓶三发生三碰撞三、摩三擦，三装卸三时应三轻拿三轻放三，不三得单三人操三作。（2）贮三存：三高压三储气三瓶应三贮存三在40三℃以下三的场三所，三不得三受到三阳光三的直三射或三风吹三雨淋三，尽三可能三存放三在湿三度低三的场三所，三应远三离烟三火，三不得三放置三在电三缆、三电线三，腐三蚀性三化学三品附三近，三不得三将可三燃性三气瓶三与氧三气瓶三放置三在一三起。三同时三应竖三放，三并固三定。（3）使三用：三高压三储气三瓶在三使用三时应三牢固