特种气体系统的设计与施工

前言：一个工艺技术先进的大规模集成电路工厂的硅片制造过程中，全部工艺大约要使用50种不同的电子气体。其中大部分为特种气体。本文就特种气体系统的设计与施工方面做一个简单描述。

一：概念 

特气输送系统是指：将特种气体从气源端、根据工艺设备的工艺需求、通过对流量和压力等参数的控制，通过管道、无二次污染、稳定的输送到工艺设备的用气点。

其基本流程是：气源→控制柜→管道传输→VMB→用气点

二：分类 

特种气体根据气体性质不同一般分为：惰性气体、易燃易爆气体、有毒气体和腐蚀性气体；根据供应包装的不同分为：特种气体和大宗特种气体。

三：供气系统的选择 

1. 简单供气系统 
简单供气系统主要针对4英寸及以下半导体芯片厂、半导体材料的科研机构以及一些单台的工艺设备等。它们的制程简单，通常不需要连续性供气，对气体供应系统的投资预算低。

由于气体流量小，不经常使用，特种气体气源多采用普通钢瓶（<50L）。输送系统多采用半自动气瓶柜或气瓶架加简单的控制面板；配置继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空，有害性气体配备紧急切断阀。惰性气体瓶架则采用全手动系统，有些甚至用单瓶系统。所有气体共用一个气体房，甚至没有气体房，特气钢瓶和输送系统有时放在回风夹道，或直接放在工艺制造设备旁边或隔壁。如果没有特别危险气体一般共用一个抽风系统。简单供气系统通常存在安全隐患。

2. 常规供气系统 
常规供气系统主要应用于4-6英寸 大规模集成电路厂，50MW以下的太阳能电池生产线，发光二极管的芯片工序线以及其它用气量中等规模的电子行业。对气体纯度控制的要求不苛刻，系统配备在满足安全的前提下尽量简单，节省投资。

特种气体采用普通钢瓶（<50L）供气。特气输送系统采用气瓶柜。配置全自动PLC控制器，彩色触摸屏；气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空；多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断；专用氮气吹扫起源等等。VMB采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。惰性气体多采用半自动气瓶架，继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空；VMB主管气动阀，氮气吹扫；支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。气体房和抽风系统根据气体性质进行分类。               

3.大宗特气供气系统

大规模供气系统主要针对大规模量产的8-12英寸（1英寸=25.4毫米）超大规模集成电路厂（气体种类包括SiH₄、N₂O、₂、 C₂F₆、 NH₃等），100MW以上的太阳能电池生产线（气体种类包括NH3），发光二极管的磊晶工序线（气体种类包括NH3）、5代以上液晶显示器工厂（气体种类包括SIH4、CL2、NH3、NF₃）等、光纤（气体种类包括SiCl₄）、硅材料外延生产线（气体种类包括HCL）等行业。它们的投资规模巨大，采用最先进的工艺制程设备，用气需求量大，对稳定和不间断供应、纯度控制和安全生产提出最严格的要求。

这些工厂的特种气体的供给，除了普通钢瓶（50L及以下）包装的特种气体外，还有多种类的特种气体都普遍采用大包装容器，由此它们被称为大宗特气，包括Y-钢瓶（450L），T-钢瓶（980L），集装格（940L），ISO罐（22,500L），鱼雷车（13,400L）等。 

大宗特气供应系统（BSGS）采用全自动PLC控制器，彩色触摸屏；气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空；多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断；专用氮气吹扫起源等等。特种气体采用独立气源，多用点采用VMB或VMP分路供应，VMB或VMP采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空等。由于BSGS气源总量大，多采用独立的气体房，独立的抽风系统

四：气体房的选择和设计 

除了简单的供气系统以外，特气房一般都独立于主场房而单独建设，其规划时需考虑建筑物的防火、泄爆、防火防爆间距、危险物的总量控制等。常规供气系统一般也采用多种气瓶柜共设在一个气体室；而对于大宗特气，会根据气体特性和相容性将气体房分成可燃气体房、腐蚀性气体房、惰性气体房、硅烷气体房、毒性气体房等。气体房必须有良好的通风，气体房的选择和设计一般由设计院完成。

五：管道系统的设计 

1.材料的选择

特气管路系统普遍采用316L不锈钢电解抛光（EP）管道，阀门一般采用高纯调压阀、隔膜阀、高精密过滤器、（＜0.003微米）、VCR接头等。接触气体的管路部件表面粗糙度可控制在5uin。对于某些高腐蚀性的气体如CL2等，采用经过特殊处理的耐腐蚀强的EP管 。

2.主管路系统的设计

在确定好气体房和用气点以后,主管路系统一般遵循管道线路最短,拐弯最少,布置紧凑合理,给人简单美观的感觉。输送系统的数量和管径的大小一般根据机台用气点的多少和流量大小确定，基本都采用小管径输送（1/4-3/4）而且多设计了备用系统。由于气体本身的危险性，许多地方采用把管道铺设在电缆桥架里，对于穿墙或穿过夹道的地方，周围有危险源和经常有危险作业的地方，露天的地方管道一般布置在全封闭的桥架里。

对于低蒸汽压气体（WF6，DCS，BCl3，C5F8，ClF3等），需要考虑钢瓶加热，气体面板加热，管道伴热等。为了精确控制流量，在气源端一般会考虑配置高精度的压力变送器、电子秤、温控器等。在机台用气点也都配置了质量流量计，压力调节阀。对于剧毒、高反应性和自燃气体，应使用双套管输送。同时管道的设计要采用零死区设计，即整个管道系统从气柜到VMB、从VMB到用气点，要点对点，中间不允许有在气体置换时有残留空气的死角。因此，整个管路系统中由VMB完成气体的分配，中间没有三通。最后管道还要有良好的接地。

3辅助系统的设计

气体柜或控制面板在安装和运输的过程中由于搬运和震动，阀门、接头、过滤器等的更换、或其他原因、需要对其重新进行高压气密性试验和氦检，气体的置换也需要用到高压氮气或氦气，所以特气柜需设计接入高压惰性气体氦气或氮气。一般选择在特气房设置一台或多台惰性气体柜。其连接形式为：

特气柜中装有各种气体驱动阀，主管路在送气前必须进行管道的吹扫和空气的置换，所以还需辅助有高纯氮气和洁净压缩空气系统。氮气系统采用SUS316L-EP管，CDA可采用SUS316L-BA管，其管径根据气柜的多少来计算决定。

气体房和气柜还须有自动喷淋系统，但有的气体如三氟化氯,硅烷遇水反应，这时就还需要考虑采用二氧化碳灭火系统。

排风系统和放空系统也是特气系统的重要组成部分。其排风系统也根据危险品性质分成普通排风系统（GEX）、酸性排风系统（SEX）、溶剂排风系统（VEX）、氨气排风系统（AEX）。普通排风系统采用镀锌铁皮风管，酸性排风一般采用玻璃钢风管，溶剂和氨气排风一般采用不锈钢风管。气柜的排风也是根据其性质接入上面不同的排风系统。气体的放空是指特气管道和气柜中的特气经氮气稀释后由放空管道排放到大气或排风系统中，有的剧毒性或高危害性的气体建议排放到尾气处理器中经处理后排放至相应的排风系统中。放空系统一般采用SUS304不锈钢管道，一直延伸到屋顶，高出屋面两米左右，并设防雨罩。  

六:GMS和GDS系统 

气体监控系统（GMS)通过计算机网络，实现对气体输送系统的实时监控，以确保系统的稳定性。

气体侦测系统（GDS）是全厂生命安全系统（LSS）的重要组成部分。对于侦测器的要求，除了精度高，反应迅速外，还应具备自检功能。对于这两个系统在这里只能做一个概念性的介绍。

最后、充分了解气体特性、从而合理配置系统，合理选择管径和材料，是我们设计的重点，这样可显著降低整个系统的成本。

七：特种气体管道的施工 

特种气体管道的施工采用全自动轨道焊接，同时制定和实施严格的超高纯施工和QA/QC保证程序，对施工的质量和程序进行严格的监控和管理。最后整个系统还要进行氦检漏、水分、氧分和颗粒度检测、以及其他要求做的气相杂质的测试。

其现场基本的施工程序为：施工图纸会审﹣→施工组织编写﹣→预制间的搭设﹣→施工机具的准备﹣→施工人员的培训﹣→预制图纸的编写﹣→管道的预制﹣→管道的现场安装﹣→系统检测﹣→系统验收

1.预制间的选择

特种气体管道的施工对环境的要求比较高，管道施工采用大批量预制然后现场 安装的方法。按照标准，预制作业需要在洁净度达到百级的净化间进行，作业人员也按照百级净化间的管理着装。因此对于大宗特气项目，一般都建有一个标准的预制间。

但我们在实际的施工中,大宗特气项目很少,一般都是简单系统和常规系统,为了节约成本和资金,在要求不是很高的情况下、一般采用在施工现场找一块相对洁净的房间采取一定的防尘措施就地施工,除作业人员和检察人员外,应禁止无关人员出入。如果业主要求比较严格，也采用彩钢板搭设一个简单的预制件，房间内铺上地板革，在屋中用洁净塑料布封出一块装上两台层流罩，做一个简单的净化空间，进行管道的预制工作。

2.主要的施工机具

特种气体管道的主要施工机具有:全自动轨道焊机(D100、MIOO等)管道切割机（GF锯）、管子割刀、平口机、弯管器、倒角器、管口毛刺修理刮刀、有的需要配置电源稳压器、防止施工现场电流波动对焊接质量造成影响、台虎钳、配电箱、拖线盘、台钻、电钻、冲击钻、切割机、电焊机、手工氩弧焊机、其他辅助工具。

3.施工管理和现场施工的几个注意点

项目管理人员和施工人员都要进行施工安全和施工质量的培训,了解特种管道的施工作业要求和规范,了解特种气体的基本知识,从而加深对特种管道施工质量重要性的认识。

特气管道一般采用小管道输送，为了降低成本，管道采用直接用弯管器煨弯的方式，弯管器一般采用5-10倍的，但不小于5倍。因此对管道施工人员要进行各种角度下的弯管培训，对焊工也必须进行焊接程序的培训，熟悉各种焊接参数的调整，最后管工和焊工都必须经过考试，由专门的质量管理人员确认合格后，发给作业许可证后方可施工，这也是QA/QC保证程序的组成部分。也是施工程序中人员培训的重点。

现场的质量管理人员要做好材料的质量检查记录和每天的施工质量检查记录，包括管工弯管的质量，尺寸是否准确，管道是否有划伤，弯头是不是压得太扁；拆除包装的管道，预制好的管道，管口是不是封好；（管道封口应套上管帽，再采用EP管完好的内包装袋割下15-20公分长套在管口折回后用洁净胶带缠好；如果没有管帽，则采用套一层内包装袋用胶带封好，然后外面再套一层，也用胶带封好。）焊工的焊缝是否符合质量要求，每个焊缝都必须仔细检查，并作好焊接作业者和焊接数量记录。

焊工每天在焊接前必须先作焊接试样，经检查合格后方可进行焊接施工，每天的施工结束后还必须做一个末试样，以确认今天的焊接作业是否存在焊接隐患。每次电源变更的时候，都必须重新作试样。焊接试样要附上焊接参数。每天的焊接试样要妥善保存。（焊缝质量的检查主要有焊缝的宽笮度、焊缝的内外均匀度、焊缝的凹凸度、是否氧化、其他不允许的缺陷）

架设到管架上的管道，在焊接作业开始后就要采取不间断充气的方式，即从施工开始到施工结束管道内都要处于冲气保护的状态，但在不进行焊接作业时可适当调小管内气压。但对要求不是很高的施工，为了降低成本，每天的焊接结束后，把两端用管帽和洁净胶带封死。在这里要特别提出的是对输送强腐蚀性气体的耐腐蚀性强的VM管进行对接施焊时，其充气时间必须要达到4-5分钟，而且必须不间断充气。

4：系统检测

特气管道施工结束后都需要进行压力检测，氦检漏，颗粒度和水分、氧分测试。压力检测一般采用比较精密的圆盘式压力检测仪或电子检测仪，不用压力表。这样大大提高了检测的精密度。水、氧测试采用水氧分析仪；颗粒度测试目前基本采用激光颗粒测试仪，精度达到0.1微米；而对要求更高的采用核凝结技术（CNC）它可达到0.01微米。其它气相杂质的测试根据具体要求确定。