1. 現(xiàn)狀
電子氣體是超大規(guī)模集成電路、平面顯示器件、化合物半導(dǎo)體器件、太陽能電池、光纖等電子工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的原材料，它們廣泛應(yīng)用于薄膜、刻蝕、摻雜、氣相沉積、擴(kuò)散等工藝。例如在目前工藝技術(shù)較為先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路工廠的晶圓片制造過程中，全部工藝步驟超過450道，其中大約要使用50種不同種類的電子氣體。電子氣體輸送系統(tǒng)是指為滿足工藝制程的需求，在充分保證工藝和產(chǎn)品**使用的前提下，將電子氣體從氣源端無二次污染、控制工藝需求的流量和壓力等參數(shù)、穩(wěn)定地輸送到工藝生產(chǎn)設(shè)備的用氣點(diǎn)。根據(jù)氣體性質(zhì)和供應(yīng)包裝的不同，一般電子氣體可劃分為大宗普通氣體、特種氣體和大宗特種氣體。
目前電子消費(fèi)品的種類繁多以及升級換代日趨頻繁，同類產(chǎn)品的不同制造規(guī)模、不同級別檔次的生產(chǎn)工廠和科研機(jī)構(gòu)共存。基于投資規(guī)模和產(chǎn)品檔次的不同的實(shí)際要求，工業(yè)界對電子氣體輸送系統(tǒng)基本有以下三類需求：
1.1 大規(guī)模供氣系統(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4、3、NF3)、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*先進(jìn)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**生產(chǎn)提出*嚴(yán)格的要求。
上述工廠的大宗普通氣體多采用現(xiàn)場制氣(On-site)或工業(yè)園區(qū)管道(Pipeline)集中供應(yīng)方式，一個(gè)年產(chǎn)5萬片的8英寸超大規(guī)模集成電路廠高純氮?dú)獾男枨蟪^5,000Nm3/h，發(fā)光二極管的磊晶工序線和硅外延生產(chǎn)線的氫氣需求超過100Nm3/h。
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(dòng)PLC控制器，彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動(dòng)閥門和壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，自動(dòng)氮?dú)獯祾撸詣?dòng)真空輔助放空;多重**防護(hù)措施，泄漏偵測，遠(yuǎn)程緊急切斷;專用氮?dú)獯祾咂鹪吹鹊?。特種氣體采用獨(dú)立氣源，多用點(diǎn)采用VMB或VMP分路供應(yīng)，VMB或VMP采用支路氣動(dòng)閥，氮?dú)獯祾?，真空輔助排空等。由于BSGS氣源總量大，多采用獨(dú)立的氣體房，獨(dú)立的抽風(fēng)系統(tǒng)。
1.2 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)。它們的投資規(guī)模中等，生產(chǎn)線可能是二手設(shè)備，對氣體純度控制的要求不苛刻，系統(tǒng)配備在滿足**的前提下盡量簡單，節(jié)省投資。
常規(guī)供氣系統(tǒng)的大宗普通氣體多建立現(xiàn)場氣站，采用現(xiàn)場液體儲(chǔ)罐(LIN, LOX, LAR)或集裝格(H2,He)供應(yīng)方式。氣體由管路系統(tǒng)輸送至廠房，直接開三通送至用氣點(diǎn)。
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(dòng)PLC控制器，彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動(dòng)閥門和壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，自動(dòng)氮?dú)獯祾?，自?dòng)真空輔助放空;多重**防護(hù)措施，泄漏偵測，遠(yuǎn)程緊急切斷;專用氮?dú)獯祾咂鹪吹鹊?。VMB采用支路氣動(dòng)閥，氮?dú)獯祾?，真空輔助排空。惰性氣體多采用半自動(dòng)氣瓶架，繼電器控制，自動(dòng)切換，手動(dòng)吹掃，手動(dòng)放空;VMB主管氣動(dòng)閥，氮?dú)獯祾?支路氣動(dòng)閥，氮?dú)獯祾?，真空輔助排空。氣體房和抽風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)氣體性質(zhì)進(jìn)行分類。
1.3 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(jī)構(gòu)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，生產(chǎn)和管理人員欠缺**意識(shí)。
由于氣體流量小，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(dòng)氣瓶柜或氣瓶架，配置繼電器控制，自動(dòng)切換，手動(dòng)吹掃，手動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，有些甚至用單瓶系統(tǒng)。共用一個(gè)氣體房，甚至沒有氣體房，特氣鋼瓶和輸送系統(tǒng)有時(shí)放在回風(fēng)夾道，或直接放在工藝制造設(shè)備旁邊。共用一個(gè)抽風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)通常存在**隱患。
2. 發(fā)展趨勢
2.1 電子氣體污染控制要求日趨嚴(yán)格
隨著電子消費(fèi)品的升級換代，產(chǎn)品制造尺寸越來越大，產(chǎn)品成品率和缺陷控制越來越嚴(yán)格，整個(gè)電子工業(yè)界對電子氣體氣源純度，以及杜絕輸送系統(tǒng)二次污染的要求越來越苛刻。基本上工業(yè)界對電子氣體氣相不純物以及顆粒度污染提出的技術(shù)指標(biāo)，直接與分析儀器技術(shù)進(jìn)步帶來的*低檢測極限(LDL)相關(guān)聯(lián)。如傳統(tǒng)的激光顆粒測試儀可測到0.1微米，而核凝結(jié)技術(shù)(CNC)可達(dá)到0.01微米。
目前12英寸超大規(guī)模集成電路制造線寬已經(jīng)發(fā)展到45納米， 對于大宗氣體的純度都要求在ppt級別,顆粒度控制直指CNC分析儀器的下限。實(shí)驗(yàn)室超高亮度發(fā)光二極管(LED)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到200Lm/w(流明/瓦)以上，對于氫氣和氨氣的純度控制要求也都小于1ppb(十億分之一)，氨氣則采用多級精餾生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)到達(dá)7N(7個(gè)9)的“白氨”，5N的氫氣需要采用先進(jìn)的鈀膜純化器提純至9N。
大宗特氣系統(tǒng)(BSGS)的及時(shí)應(yīng)用有利于提高污染控制。首先大包裝容器保證了氣體品質(zhì)的連續(xù)性，降低了多次充裝污染風(fēng)險(xiǎn)。另外由于換瓶頻率的減少，也減少了污染幾率。BSGS多采用了深層吹掃，顯著提高了吹掃效果。
輸送管路系統(tǒng)普遍采用了316L不銹鋼電解拋光(EP)管道，高純調(diào)壓閥、隔膜閥、高精密過濾器(<0.003μm)、VCR接頭等，接觸氣體的管路部件表面粗糙度可控制在5uin，同時(shí)采用零死區(qū)設(shè)計(jì)。施工技術(shù)采用全自動(dòng)軌道焊接，同時(shí)制定和實(shí)施嚴(yán)格的超高純施工和QA/QC保證程序。
氣體輸送系統(tǒng)建成后必須經(jīng)過嚴(yán)格的保壓、氦檢漏、顆粒度和水分、氧分以及其它氣相雜質(zhì)的測試。
2.2 大流量、不間斷和穩(wěn)定輸送
如何滿足大規(guī)模量產(chǎn)工廠對電子氣體大流量、不間斷和穩(wěn)定輸送的要**一個(gè)挑戰(zhàn)。
電子氣體多以集中式供應(yīng)為趨勢，特種氣體集中放置在氣體房。輸送系統(tǒng)的數(shù)量是根據(jù)機(jī)臺(tái)對流量的需求進(jìn)行合理配置。特氣輸送設(shè)備必須采用全自動(dòng)切換供氣，而且多設(shè)計(jì)了備用設(shè)備。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**控制流量，在氣源端一般會(huì)考慮配置高精度的壓力變送器、電子秤、溫控器等。在機(jī)臺(tái)用氣點(diǎn)也都配置了質(zhì)量流量計(jì)。
對于大流量的BSGS，不但要考慮管路壓降和液化鋼瓶蒸發(fā)吸熱對流量的影響，還要考慮氣體經(jīng)過調(diào)壓閥減壓后的焦耳-湯普遜效應(yīng)。一般而言，氣體減壓后，溫度會(huì)降低，甚至液化。這會(huì)照成輸送壓力的不穩(wěn)定以及管路系統(tǒng)的損壞。因此需要考慮在減壓前對氣體進(jìn)行預(yù)熱。氣體監(jiān)控系統(tǒng)(GMS)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對氣體輸送系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
針對液化氣體(如氨氣)的BSGS，采用直接加熱液體的氣化輸送系統(tǒng)(Evaporator)已經(jīng)研發(fā)成型，很快會(huì)在BSGS的應(yīng)用上推廣。
2.3 **日趨嚴(yán)格
電子氣體可能存在窒息性、腐蝕性、毒性、易燃易爆性等危險(xiǎn)，其危害性被不同國家區(qū)域和不同的工業(yè)組織進(jìn)行了詳細(xì)的危險(xiǎn)等級分類。對于一個(gè)大規(guī)模量產(chǎn)的電子工廠，其使用和存儲(chǔ)的電子氣體數(shù)量之多可以毫不夸張地被視為擁有“大規(guī)模殺傷性”武器庫。任何設(shè)計(jì)上、施工中、日常運(yùn)行里存在的**隱患都會(huì)對工廠、人員和環(huán)境帶來巨大的災(zāi)難。
如何保證電子氣體的**儲(chǔ)存、使用操作，系統(tǒng)的工藝和產(chǎn)品本征**設(shè)計(jì)，在眾多的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如SEMI，NFPA，CGA，F(xiàn)M等都有很詳細(xì)的規(guī)定，目前中國國內(nèi)也正在起草針對電子特種氣體的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通常而言，會(huì)根據(jù)氣體性質(zhì)和相容性，將氣體房分成可燃?xì)怏w房、腐蝕性氣體房、惰性氣體房、硅烷氣體房、三氟化氯氣體房等。氣體房規(guī)劃需要考慮建筑物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險(xiǎn)物總量控制等等。針對硅烷輸送系統(tǒng)，特別是BSGS系統(tǒng)，因總量較大，應(yīng)采用隔離式建筑。氣體房和氣柜應(yīng)采用自動(dòng)噴淋系統(tǒng)。而三氟化氯遇水反應(yīng)，需要采用二氧化碳滅火系統(tǒng)。
使用電子氣體的工廠抽風(fēng)系統(tǒng)也根據(jù)危險(xiǎn)品性質(zhì)分成了普通排風(fēng)系統(tǒng)(GEX)，酸性排風(fēng)系統(tǒng)(SEX)，溶劑排風(fēng)系統(tǒng)(VEX)和氨氣排風(fēng)系統(tǒng)(AEX)。換鋼瓶時(shí)的吹掃尾氣，也建議排放至尾氣處理器中。
輸送管道一般采用無縫SS316LEP管。施工采用自動(dòng)軌道焊接，經(jīng)保壓、氦檢漏和純度測試。對于劇毒、高反應(yīng)性和自燃?xì)怏w，應(yīng)使用雙套管輸送。一些劇毒氣體如磷烷、砷烷等，**輸送系統(tǒng)(SDS)正在被廣泛使用。其鋼瓶內(nèi)采用負(fù)壓吸附的方式，用真空法輸送，從根本上避免了氣體的泄漏。
氣體偵測系統(tǒng)(GDS)是全廠生命**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。
2.4 建設(shè)成本日趨降低
因?yàn)殡娮庸I(yè)投資規(guī)模越來越大，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本也越來越重要。對電子氣體輸送系統(tǒng)而言，如何在不降低系統(tǒng)污染控制水平和不犧牲**配置的前提下，努力減少建設(shè)和運(yùn)行成本，同樣是一個(gè)挑戰(zhàn)。
合理配置系統(tǒng)，合理選型材料，可顯著降低初始投資費(fèi)用。這就要求電子氣體輸送系統(tǒng)承包商具備較強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。性質(zhì)相匹配的氣體，采用同一吹掃氮?dú)庀到y(tǒng)，可顯著節(jié)約氣瓶柜的投資。對于VMB，可采用移動(dòng)式吹掃氮?dú)獗P。小管路(≤1/2”)的施工，直接采用彎管的方式，既節(jié)約了彎頭的費(fèi)用，也大大提高了施工效率。嚴(yán)格執(zhí)行高純管路施工規(guī)范，可大大降低測試氣體和測試時(shí)間。這些都是行之有效的成本控制措施。采用大包裝容器的氣源，可大大降低物流和人力操作等運(yùn)行費(fèi)用。因而BSGS越來越受到更多客戶的青睞。
綜上所述，電子氣體輸送系統(tǒng)面臨著高純度、大流量、嚴(yán)格的**措施和大力降低建設(shè)成本四個(gè)方面的挑戰(zhàn)，同時(shí)這四個(gè)方面也是未來的發(fā)展方向。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
