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CBJ73—84《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。”

日本把微電子生產中所采用的氣體，按其不同的品位，具體分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0.2~1ppm。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3ppm以內.潔凈氣體

氣體中雜質總含量控制在10ppm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=15~20MPa）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=15~20MPa）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15~20MPa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，《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≤1.0×10－6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，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10－9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≤1.01.0×10－6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：高純氣體使用管材的特點及要求項目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級潔凈環境）→純氮吹掃（1000級潔凈環境）→檢查→包裝（壓帽氮封及雙層聚乙烯外包裝充純氮保護）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級潔凈環境）→熱純水水洗（10000級潔凈環境）→純氮吹掃（100/1000級潔凈環境）→檢查→包裝（壓帽氮封及雙層聚乙烯外包裝充純氮保護）→最終檢查內表面粗糙度Rmax3.0～4.5μm<0.7μm表面硬度（HRB）<90<80公差要求項目管外徑、管壁厚、管長、管道垂直度管外徑、管壁厚、管長、管道垂直度注：三①管三路型三式以三氣體三特性三設計三，惰三性氣三體使三用一三般的三單層三管，三作為三制程三用的三反應三氣體三，則三選用三高級三別的SS三31三6L三-E三P管；三使用三與芯三片接三觸但三不參三與制三程反三應的三氣體三則選三用SS三31三6L三-B三A管。②對三于自三燃爆三炸，三有劇三毒的三特種三氣體三，如Si三H4、PH三3、As三H3等則三考慮三使用三雙套三管，三它的三內/外管三材質三一般三為SS三31三6L三-E三P/三SS三31三6L三-A三P，此三設計三的主三要目三的有三兩點三，首三先可三保護三內管三直接三受到三外力三撞擊三，其三次能三將由三內管三滲漏三的氣三體阻三絕于三外管三，并三利用三相關三的檢三測設三備檢三測，三目前三常用三的設三計有三正壓三和負三壓兩三種方三式，三負壓三設計三是將三內外三管間三抽成三真空三，正三壓設三計則三是灌三以氮三氣維三持正三壓，三兩者三皆可三接上三壓力三表或三者壓三力警三報器三檢知三泄漏三狀態三。內表三面處三理●通三常采三用的三方法三有機三械噴三砂、三化學三溶液三清洗三、化三學拋三光、三電拋三光等三，目三前廣三泛應三用的三管材三有光三亮退三火管三和電三拋光三管。閥門三的選三用●高三純氣三體對三系統三所用三閥門三的嚴三密性三有十三分嚴三格的三要求三，目三前國三內潔三凈廠三房的三高純三氣體三管道三的閥三門基三本都三采用SS三30三4或SS三31三6L不銹三鋼材三質，三閥門三型式三有隔三膜閥三、波三紋管三閥和三球閥三。波三紋管三閥的三嚴密三性比三球閥三好，三在氣三體流三過閥三門時三沒有三與外三環境三接觸三的填三料，三所以三沒有三滲漏三現象三：隔三膜閥三除了三嚴密三性與三波紋三管閥三相當三以外三，還三具有三閥體三死體三積小三，易三吹除三且污三染少三，所三以適三用于三對氣三體純三度和三生產三工藝三要求三極嚴三格或三者危三險性三大的三氣體三。管道三連接①高三純氣三體一三般采三用手三工氬三弧焊三接和三自動三氬弧三焊接三，焊三接型三式通三常采三用承三插焊三和對三焊，三承插三焊的三好處三在于三施焊三時管三道的三對中三，方三便焊三接，三但缺三點是三由于三管道三與承三插口三之間三有間三隙，三會存三在“三死空三間’三不易三將雜三質吹三除，三影響三高純三氣體三質量三。因三此對三于要三求極三為嚴三格的三高純三氣體三來說三，應三采用三對接三焊連三接并三要求三內表三面無三焊縫三，即三在施三工時三不得三使用三不銹三鋼焊三絲，三利用三母材三的本三身融三化填三滿焊三縫。②為三確保三輸送三至用三氣設三備的三氣體三質量三，高三純氣三體管三道與三用氣三設備三之間三應用三不銹三鋼金三屬軟三管連三接，三不宜三采用三非金三屬軟三管。③高三純氣三體管三道與三閥門三等附三件連三接應三采用三密封三不易三泄漏三的專三用接三頭予三以連三接，三常用三的接三頭方三式有三兩種三：分三別為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采用三優良三的金三屬墊三，利三用縱三向壓三力壓三緊，三因此三泄漏三率極三低，三約為10～9A三c三c/三s，且三耐壓三較高三，常三用于三氣體三雜質三含量1.三0×三10－9級的三高純三氣輸三送系三統，三而SW三G則不三如VC三R，耐三壓較三低，三基本三上這三兩種三接頭三方式三的安三全性三足可三代替三焊接三的方三式。四．三高純三氣體三的供三氣安三全1.各種三特性三氣體三的使三用安三全（1）易三燃易三爆氣三體：三此類三氣體三只要三形成三了可三燃氣三體爆三炸混三合氣三和達三到著三火溫三度。三便會三發生三燃燒三爆炸三事故三因此三在可三燃氣三體入三口處三、氣三體鋼三瓶存三放間三、潔三凈室三內使三用可三燃氣三體處三、敷三設可三燃氣三體的三管廊三或技三術夾三層以三及可三能聚三集可三燃氣三體的三場所三均應三設置三可燃三氣體三報警三裝置三。具三體要三求如三下：①可三燃氣三體比三空氣三輕者三，報三警裝三置設三置在三所處三場所三的頂三部。②可三燃氣三體比三空氣三重者三，報三警裝三置設三置在三所處三場所三的最三低處三。③可三燃氣三體的三報警三裝置三應與三相應三的事三故排三風裝三置設三電氣三連鎖三，當三空氣三中的三可燃三氣體三濃度三達到三規定三值時三，事三故排三風裝三置自三動開三啟，三同時三向潔三凈廠三房的三消防三安全三值班三室發三出報三警信三號。④為三防止三倒流三回火三應在三用氣三設備三的支三管上三設置三阻火三器，三在排三入大三氣的三排氣三管道三上，三為防三止排三氣時三突遇三雷電三襲擊三阻止三火焰三蔓延三至可三燃氣三體管三道引三發燃三燒爆三炸事三故，三必須三在排三氣管三道上三設置三阻火三器。⑤可三燃氣三體在三適當三的管三道處三應做三接地三，但三接地三電阻三應符三合相三關規三定。⑥各三種可三燃氣三體管三道系三統均三應設三置能三引入三氮氣三等惰三性氣三體的三接口三及相三應的三檢測三口，三以便三在可三燃氣三體供三應系三統使三用前三后或三檢修三動火三前后三對其三系統三進行三吹掃三置換三，但三是惰三性氣三體吹三掃接三口在三正常三運行三中不三能與三氣體三鋼瓶三或惰三性氣三體管三道相三通，三以避三免影三響氣三體質三量。（2）助三燃氣三體對于三氧氣三或氟三系助三燃氣三體，三只要三與油三脂類三物品三接觸三，就三會氧三化發三熱，三以致三燃燒三爆炸三，所三以凡三是氧三氣管三道、三閥門三或設三備、三附件三等均三應禁三油，三氧氣三管道三系統三應采三用專三門的三禁油三閥門三、附三件和三管材三，并三在氧三氣輸三送系三統安三裝后三均應三按規三定進三行脫三脂處三理。三為防三止由三于靜三電產三生火三花引三起燃三燒爆三炸，三氧氣三管道三應采三取以三下措三施：①氧三氣管三道內三氧氣三流速三限制三：當三氧氣三工作三壓力三≥10三MP三a時，三氧氣三流速三不應三大于6m三/s；當三工作三壓力三為0.三1～3M三Pa時，三不應三大于15三m/三s；當三工作三壓力三≤0.三1M三Pa時，三應按三其管三道允三許壓三力降三確定三。②氧三氣管三道的三彎頭三、三三通等三接頭三的材三質選三擇、三安裝三均應三按規三定進三行③氧三氣管三道應三采取三導除三靜電三接地三措施三。（3）窒三息性三氣體三：此類三氣體三無色三、無三臭、三低毒三性，三但是三大量三窒息三性氣三體的三泄漏三或排三入大三氣中三會使三空氣三中氧三的濃三度降三低，三當空三氣中三的氧三濃度三低于18％時三，人三會感三覺到三頭暈三惡心三，甚三至會三造成三窒息三死亡三。所三以一三定要三嚴防三氣體三的泄三漏。三在使三用場三所設三置必三要的三換氣三，及三時將三窒息三性氣三體排三至室三外。（4）有三毒氣三體：在使三用、三貯存三有毒三氣體三的場三所應三設有三可靠三的通三風裝三置。三和毒三氣泄三漏報三警裝三置一三旦空三氣中三有毒三氣體三達到三規定三值時三，應三進行三報警三，同三時自三動開三啟自三動排三氣裝三置，三有毒三氣體三在排三入大三氣前三必須三經過三可靠三的處三理，三達到三規定三的無三害狀三態后三方可三排放三。（5）腐三蝕性三氣體三：此類三氣體三一遇三水就三會顯三示強三腐蝕三性，三因此三在腐三蝕性三氣體三系統三使用三前應三以干三燥氮三氣等三對系三統設三備、三管道三進行三吹掃三、干三燥，三尤其三時高三壓儲三氣瓶三的灌三裝口三，因三環境三空氣三中的三水分三易引三起腐三蝕必三須裝三設氣三瓶帽三，并三在裝三氣瓶三帽時三使用三氮氣三對灌三裝口三進行三充分三的干三燥。2．高三壓儲三氣瓶三的使三用安三全對于三易燃三易爆三氣體三、毒三性氣三體、三腐蝕三性氣三體等三高壓三儲氣三瓶的三運輸三、貯三存、三和使三用，三必須三制定三嚴格三的管三理制三度，三操作三人員三上崗三應經三過嚴三格的三培訓三，了三解、三熟悉三相關三氣體三的特三性和三安全三知識三方可三上崗三。LO三RE三M三IP三SU三M三DO三LO三R（1）搬三運：三高壓三儲氣三瓶在三搬運三前，三應認三真檢三查瓶三口閥三的完三好性三，并三裝好三保護三帽，三運輸三時要三使用三專用三氣瓶三小手三推車三，運三輸過三程中三要固三定好三氣瓶三，不三得使三氣瓶三發生三碰撞三、摩三擦，三裝卸三時應三輕拿三輕放三，不三得單三人操三作。（2）貯三存：三高壓三儲氣三瓶應三貯存三在40三℃以下三的場三所，三不得三受到三陽光三的直三射或三風吹三雨淋三，盡三可能三存放三在濕三度低三的場三所，三應遠三離煙三火，三不得三放置三在電三纜、三電線三，腐三蝕性三化學三品附三近，三不得三將可三燃性三氣瓶三與氧三氣瓶三放置三在一三起。三同時三應豎三放，三并固三定。（3）使三用：三高壓三儲氣三瓶在三使用三時應三牢固