特氣系統(tǒng)的設(shè)計與施工
2023-04-18 17:21:25
一個工藝技術(shù)先進的大規(guī)模集成電路工廠的硅片制造過程中，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(tǒng)的設(shè)計與施工方面做一個簡單描述。
一：概念
特氣輸送系統(tǒng)是指：將特種氣體從氣源端、根據(jù)工藝設(shè)備的工藝需求、通過對流量和壓力等參數(shù)的控制，通過管道、無二次污染、穩(wěn)定的輸送到工藝設(shè)備的用氣點。
其基本流程是：氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點
二：分類
特種氣體根據(jù)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(jù)供應(yīng)包裝的不同分為：特種氣體和大宗特種氣體。
三：供氣系統(tǒng)的選擇
1.簡單供氣系統(tǒng)
簡單供氣系統(tǒng)主要針對4英寸及以下半導(dǎo)體芯片廠、半導(dǎo)體材料的科研機構(gòu)以及一些單臺的工藝設(shè)備等。它們的制程簡單，通常不需要連續(xù)性供氣，對氣體供應(yīng)系統(tǒng)的投資預(yù)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(tǒng)多采用半自動氣瓶柜或氣瓶架加簡單的控制面板;配置繼電器控制，自動切換，手動吹掃，手動放空，有害性氣體配備緊急切斷閥。惰性氣體瓶架則采用全手動系統(tǒng)，有些甚至用單瓶系統(tǒng)。所有氣體共用一個氣體房，甚至沒有氣體房，特氣鋼瓶和輸送系統(tǒng)有時放在回風夾道，或直接放在工藝制造設(shè)備旁邊或隔壁。如果沒有特別危險氣體一般共用一個抽風系統(tǒng)。簡單供氣系統(tǒng)通常存在安全隱患。
2.常規(guī)供氣系統(tǒng)
常規(guī)供氣系統(tǒng)主要應(yīng)用于4-6英寸大規(guī)模集成電路廠，50MW以下的太陽能電池生產(chǎn)線，發(fā)光二極管的芯片工序線以及其它用氣量中等規(guī)模的電子行業(yè)。對氣體純度控制的要求不苛刻，系統(tǒng)配備在滿足安全的前提下盡量簡單，節(jié)省投資。
特種氣體采用普通鋼瓶(<50L)供氣。特氣輸送系統(tǒng)采用氣瓶柜。配置全自動PLC控制器，彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動閥門和壓力傳感器，可實現(xiàn)自動切換，自動氮氣吹掃，自動真空輔助放空;多重安全防護措施，泄漏偵測，遠程緊急切斷;專用氮氣吹掃起源等等。VMB采用支路氣動閥，氮氣吹掃，真空輔助排空。惰性氣體多采用半自動氣瓶架，繼電器控制，自動切換，手動吹掃，手動放空;VMB主管氣動閥，氮氣吹掃;支路氣動閥，氮氣吹掃，真空輔助排空。氣體房和抽風系統(tǒng)根據(jù)氣體性質(zhì)進行分類。
3.大宗特氣供氣系統(tǒng)
大規(guī)模供氣系統(tǒng)主要針對大規(guī)模量產(chǎn)的8-12英寸(1英寸=25.4毫米)超大規(guī)模集成電路廠(氣體種類包括SiH4、N2O、2、C2F6、NH3等)，100MW以上的太陽能電池生產(chǎn)線(氣體種類包括NH3)，發(fā)光二極管的磊晶工序線(氣體種類包括NH3)、5代以上液晶顯示器工廠(氣體種類包括SIH4、CL2、NH3、NF3)等、光纖(氣體種類包括SiCl4)、硅材料外延生產(chǎn)線(氣體種類包括HCL)等行業(yè)。它們的投資規(guī)模巨大，采用最先進的工藝制程設(shè)備，用氣需求量大，對穩(wěn)定和不間斷供應(yīng)、純度控制和安全生產(chǎn)提出最嚴格的要求。
這些工廠的特種氣體的供給，除了普通鋼瓶(50L及以下)包裝的特種氣體外，還有多種類的特種氣體都普遍采用大包裝容器，由此它們被稱為大宗特氣，包括Y-鋼瓶(450L)，T-鋼瓶(980L)，集裝格(940L)，ISO罐(22,500L)，魚雷車(13,400L)等。
大宗特氣供應(yīng)系統(tǒng)(BSGS)采用全自動PLC控制器，彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動閥門和壓力傳感器，可實現(xiàn)自動切換，自動氮氣吹掃，自動真空輔助放空;多重安全防護措施，泄漏偵測，遠程緊急切斷;專用氮氣吹掃起源等等。特種氣體采用獨立氣源，多用點采用VMB或VMP分路供應(yīng)，VMB或VMP采用支路氣動閥，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，獨立的抽風系統(tǒng)
四：氣體房的選擇和設(shè)計
除了簡單的供氣系統(tǒng)以外，特氣房一般都獨立于主場房而單獨建設(shè)，其規(guī)劃時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(guī)供氣系統(tǒng)一般也采用多種氣瓶柜共設(shè)在一個氣體室;而對于大宗特氣，會根據(jù)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，氣體房的選擇和設(shè)計一般由設(shè)計院完成。
五：管道系統(tǒng)的設(shè)計
1.材料的選擇
特氣管路系統(tǒng)普遍采用316L不銹鋼電解拋光(EP)管道，閥門一般采用高純調(diào)壓閥、隔膜閥、高精密過濾器、(<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)過特殊處理的耐腐蝕強的EP管。
2.主管路系統(tǒng)的設(shè)計
在確定好氣體房和用氣點以后,主管路系統(tǒng)一般遵循管道線路最短,拐彎最少,布置緊湊合理,給人簡單美觀的感覺。輸送系統(tǒng)的數(shù)量和管徑的大小一般根據(jù)機臺用氣點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(shè)計了備用系統(tǒng)。由于氣體本身的危險性，許多地方采用把管道鋪設(shè)在電纜橋架里，對于穿墻或穿過夾道的地方，周圍有危險源和經(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。在機臺用氣點也都配置了質(zhì)量流量計，壓力調(diào)節(jié)閥。對于劇毒、高反應(yīng)性和自燃氣體，應(yīng)使用雙套管輸送。同時管道的設(shè)計要采用零死區(qū)設(shè)計，即整個管道系統(tǒng)從氣柜到VMB、從VMB到用氣點，要點對點，中間不允許有在氣體置換時有殘留空氣的死角。因此，整個管路系統(tǒng)中由VMB完成氣體的分配，中間沒有三通。最后管道還要有良好的接地。
3輔助系統(tǒng)的設(shè)計
氣體柜或控制面板在安裝和運輸?shù)倪^程中由于搬運和震動，閥門、接頭、過濾器等的更換、或其他原因、需要對其重新進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(shè)計接入高壓惰性氣體氦氣或氮氣。一般選擇在特氣房設(shè)置一臺或多臺惰性氣體柜。其連接形式為：
特氣柜中裝有各種氣體驅(qū)動閥，主管路在送氣前必須進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(tǒng)。氮氣系統(tǒng)采用SUS316L-EP管，CDA可采用SUS316L-BA管，其管徑根據(jù)氣柜的多少來計算決定。
氣體房和氣柜還須有自動噴淋系統(tǒng)，但有的氣體如三氟化氯,硅烷遇水反應(yīng)，這時就還需要考慮采用二氧化碳滅火系統(tǒng)。
排風系統(tǒng)和放空系統(tǒng)也是特氣系統(tǒng)的重要組成部分。其排風系統(tǒng)也根據(jù)危險品性質(zhì)分成普通排風系統(tǒng)(GEX)、酸性排風系統(tǒng)(SEX)、溶劑排風系統(tǒng)(VEX)、氨氣排風系統(tǒng)(AEX)。普通排風系統(tǒng)采用鍍鋅鐵皮風管，酸性排風一般采用玻璃鋼風管，溶劑和氨氣排風一般采用不銹鋼風管。氣柜的排風也是根據(jù)其性質(zhì)接入上面不同的排風系統(tǒng)。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系統(tǒng)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(yīng)的排風系統(tǒng)中。放空系統(tǒng)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(shè)防雨罩。
六:GMS和GDS系統(tǒng)
氣體監(jiān)控系統(tǒng)(GMS)通過計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對氣體輸送系統(tǒng)的實時監(jiān)控，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
氣體偵測系統(tǒng)(GDS)是全廠生命安全系統(tǒng)(LSS)的重要組成部分。對于偵測器的要求，除了精度高，反應(yīng)迅速外，還應(yīng)具備自檢功能。對于這兩個系統(tǒng)在這里只能做一個概念性的介紹。
最后、充分了解氣體特性、從而合理配置系統(tǒng)，合理選擇管徑和材料，是我們設(shè)計的重點，這樣可顯著降低整個系統(tǒng)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軌道焊接，同時制定和實施嚴格的超高純施工和QA/QC保證程序，對施工的質(zhì)量和程序進行嚴格的監(jiān)控和管理。最后整個系統(tǒng)還要進行氦檢漏、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(xiàn)場基本的施工程序為：施工圖紙會審﹣→施工組織編寫﹣→預(yù)制間的搭設(shè)﹣→施工機具的準備﹣→施工人員的培訓(xùn)﹣→預(yù)制圖紙的編寫﹣→管道的預(yù)制﹣→管道的現(xiàn)場安裝﹣→系統(tǒng)檢測﹣→系統(tǒng)驗收
1.預(yù)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(yù)制然后現(xiàn)場安裝的方法。按照標準，預(yù)制作業(yè)需要在潔凈度達到百級的凈化間進行，作業(yè)人員也按照百級凈化間的管理著裝。因此對于大宗特氣項目，一般都建有一個標準的預(yù)制間。
但我們在實際的施工中,大宗特氣項目很少,一般都是簡單系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng),為了節(jié)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(xiàn)場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(yīng)禁止無關(guān)人員出入。如果業(yè)主要求比較嚴格，也采用彩鋼板搭設(shè)一個簡單的預(yù)制件，房間內(nèi)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，做一個簡單的凈化空間，進行管道的預(yù)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(wěn)壓器、防止施工現(xiàn)場電流波動對焊接質(zhì)量造成影響、臺虎鉗、配電箱、拖線盤、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。
3.施工管理和現(xiàn)場施工的幾個注意點
項目管理人員和施工人員都要進行施工安全和施工質(zhì)量的培訓(xùn),了解特種管道的施工作業(yè)要求和規(guī)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行各種角度下的彎管培訓(xùn)，對焊工也必須進行焊接程序的培訓(xùn)，熟悉各種焊接參數(shù)的調(diào)整，最后管工和焊工都必須經(jīng)過考試，由專門的質(zhì)量管理人員確認合格后，發(fā)給作業(yè)許可證后方可施工，這也是QA/QC保證程序的組成部分。也是施工程序中人員培訓(xùn)的重點。
現(xiàn)場的質(zhì)量管理人員要做好材料的質(zhì)量檢查記錄和每天的施工質(zhì)量檢查記錄，包括管工彎管的質(zhì)量，尺寸是否準確，管道是否有劃傷，彎頭是不是壓得太扁;拆除包裝的管道，預(yù)制好的管道，管口是不是封好;(管道封口應(yīng)套上管帽，再采用EP管完好的內(nèi)包裝袋割下15-20公分長套在管口折回后用潔凈膠帶纏好;如果沒有管帽，則采用套一層內(nèi)包裝袋用膠帶封好，然后外面再套一層，也用膠帶封好。)焊工的焊縫是否符合質(zhì)量要求，每個焊縫都必須仔細檢查，并作好焊接作業(yè)者和焊接數(shù)量記錄。
焊工每天在焊接前必須先作焊接試樣，經(jīng)檢查合格后方可進行焊接施工，每天的施工結(jié)束后還必須做一個末試樣，以確認今天的焊接作業(yè)是否存在焊接隱患。每次電源變更的時候，都必須重新作試樣。焊接試樣要附上焊接參數(shù)。每天的焊接試樣要妥善保存。(焊縫質(zhì)量的檢查主要有焊縫的寬笮度、焊縫的內(nèi)外均勻度、焊縫的凹凸度、是否氧化、其他不允許的缺陷)
架設(shè)到管架上的管道，在焊接作業(yè)開始后就要采取不間斷充氣的方式，即從施工開始到施工結(jié)束管道內(nèi)都要處于沖氣保護的狀態(tài)，但在不進行焊接作業(yè)時可適當調(diào)小管內(nèi)氣壓。但對要求不是很高的施工，為了降低成本，每天的焊接結(jié)束后，把兩端用管帽和潔凈膠帶封死。在這里要特別提出的是對輸送強腐蝕性氣體的耐腐蝕性強的VM管進行對接施焊時，其充氣時間必須要達到4-5分鐘，而且必須不間斷充氣。
4：系統(tǒng)檢測
特氣管道施工結(jié)束后都需要進行壓力檢測，氦檢漏，顆粒度和水分、氧分測試。壓力檢測一般采用比較精密的圓盤式壓力檢測儀或電子檢測儀，不用壓力表。這樣大大提高了檢測的精密度。水、氧測試采用水氧分析儀;顆粒度測試目前基本采用激光顆粒測試儀，精度達到0.1微米;而對要求更高的采用核凝結(jié)技術(shù)(CNC)它可達到0.01微米。其它氣相雜質(zhì)的測試根據(jù)具體要求確定。