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                      高純氣體輸送系統中氣體與管道的關系

                      2021-07-07

                      高純氣配管技術是高純氣體供氣系統的重要組成部分,是能否將合符要求的高純氣體送至用氣點仍保持質量合格的關鍵技術;所謂高純氣配管技術包括系統的正確設計、管件及附件的選擇、施工安裝和試驗測試等內容。近年來以大規模集成電路為代表的微電子產品生產對高純氣體的純度和雜質含量的日益嚴格的要求,使高純氣體的配管技術日益受到關注和重視。以下是高麥克針對高純氣體輸送從選材到施工以及驗收、日常管理的概述。


                      高純氣體


                      常見氣體的種類


                      電子行業中常見氣體的分類:


                      普通氣體,也稱大宗氣體 (Bulk gas ):氫氣(H2)、氮氣(N2)、氧氣(O2)、氬氣(A2)等;


                      特種氣體(Specialty gas )主要有:SiH4、PH3、B2H6、A8H3、CL、HCL、CF4、NH3、POCL3、SIH2CL2、SIHCL3、NH3、BCL3、SIF4、CLF3、CO、C2F6、N2O、F2、HF、HBR、SF6……等等;


                      特殊氣體的種類一般可分為腐蝕性、毒性、可燃性、助燃性、惰性等,一般常用的半導體氣體分類如下:


                      1、腐蝕性 / 毒性:HCl 、BF3、 WF6、HBr、SiH2Cl2、NH3、 PH3、Cl2、 BCl3 …等;


                      2、可燃性:H2、 CH4、 SiH4、PH3、AsH3、SiH2Cl2、B2H6、CH2F2、CH3F、CO…


                      3、助燃性:O2、Cl2、N2O、NF3…等;


                      4、惰性:N2、CF4、C2F6、C4F8、SF6、CO2、Ne、Kr、He…等。


                      半導體氣體很多是對人體有害的。特別是其中有些氣體如SiH4的自燃性,只要一泄漏就會與空氣中的氧氣起劇烈反應,開始燃燒;還有AsH3的劇毒性,任何些微的泄漏都可能造成人員生命的危害,也就是因為這些顯而易見的危險,所以對于系統設計安全性的要求就特別高。


                      氣體的應用范圍


                      氣體產品作為現代工業重要的基礎原料,應用范圍十分廣泛,在冶金、鋼鐵、石油、化工、機械、電子、玻璃、陶瓷、建材、建筑、食品加工、醫藥醫療等部門,均使用大量的常用氣體或特種氣體。氣體應用,特別對這些領域的高新技術有重要的影響,是其不可缺少的原料氣或工藝氣。也只有各種新興工業部門和現代科學技術的需要和推動,氣體工業產品才能在品種、質量和數量等方面得到飛躍發展。


                      氣體在微電子、半導體行業中應用


                      氣體的使用在半導體制程中一直扮演著重要的角色,特別是半導體制程目前已被廣泛的應用于各項產業,凡舉傳統的ULSI、TFT-LCD到現在的微機電(MEMS)產業,皆以所謂的半導體制程為產品的制造流程,其中的制程包括如干蝕刻、氧化、離子布植、薄膜沉積等皆使用到相當多的氣體,而氣體的純度則對組件性能、產品良率有著決定性的影響,氣體供應的安全性則關乎人員的健康與工廠運作的安全。


                      高純管道在高純氣體輸送中的意義


                      在不銹鋼熔煉制材過程中,每噸可吸收大約200g的氣體。不銹鋼材加工完畢,不僅其表面粘有各種污染物,而且在其金屬晶格內也吸留有一定量的氣體。當管路中有氣流通過時,金屬所吸留的這部分氣體會重新進入氣流中,污染純凈氣體。當管內氣流為不連續流動時,管材對所通過的氣體形成壓力下吸附,氣流停止通過時,管材所吸附的氣體又形成降壓解析,而解析的氣體同樣作為雜質進入管內純凈氣體中。同時,吸附、解析周而復始,使得管材內表面金屬也會產生一定的粉末,這種金屬粉塵粒子同樣污染管內純凈的氣體。管材的這一特性至關重要,為了確保輸送的氣體的純凈度,不僅要求管材內表面有一個極高的光滑度,而且,應當具有很高的耐磨特性。


                      腐蝕性能較強的氣體時,必須選用耐腐蝕的不銹鋼管材作配管,否則,管材將會由于腐蝕而在內表面產生腐蝕斑,嚴重時會出現大片金屬剝離甚至穿孔,從而污染輸配的純凈氣體。大流量的高純、高潔凈度氣體輸配管道的連接,原則上全部采用焊接,要求采用的管材,在施焊時組織不發生變化。含碳過高的材料在焊接時,受焊接部位的透氣,使得管內外氣體的相互滲透,破壞輸送氣體的純度、干燥度和潔凈度,導致我們的各項努力全部失去意義。綜上所述,對于高純氣體及特種氣體輸送管道,必需采用一種特種處理的高純不銹鋼管,至使高純管道系統(包含管道、管件、閥門、VMB、VMP)在高純氣體配送中占有至關重要的使命。


                      輸配管道潔凈技術的一般概念


                      高純、潔凈氣體體輸送配管道,是指對輸送氣體的“三度”有一定的要求或控制。


                      1、氣體純度:氣體中雜質氣氛的含量,通常用氣體純度的百分數來表示,如99.9999%,也用雜質氣氛含量的體積比ppm 、ppb、 ppt表示。


                      2、干燥度:氣體中微量水分的含量,或稱之為濕量,通常以露點表示,如常壓露點-70℃。


                      3、潔凈度:氣體中含有污染物粒子的數量,粒徑為 m的粒子,多少粒/M3 來表示,對于壓縮空氣,通常也用不可避免的固體殘留物的多少mg/m3來表示,其中涵蓋了含油量。


                      污染物大小分類:污染物粒子,主要指管道沖刷、磨損、腐蝕產生的金屬粒子、大氣煙塵粒子,以及微生物、噬菌體以及含濕氣體凝聚的液滴等,按其粒徑的大小分為:


                      a、大粒子—粒徑在5μm以上;


                      b、粒子—料徑在0.1μm-5μm之間;


                      c、超微粒子—粒徑小于0.1μm。


                      為增強應用本技術時,能夠對粒子大小和μm單位的感性認識,現提供一組具體的粒子狀況,供對照參考


                      氣體輸配管道選材的原則


                      所有高純度、高潔凈的氣體均需通過管路輸送到設備用點(POU),為了達到工藝對氣體的質量要求,在氣體出口指標一定的情況下,則更需重視配管系統的材料選用和施工質量。除取決于制氣或凈化設備的精度外,在很大程度上受到管路系統諸多因素的影響,因此,管材的選取應恪守相關行業原則,并在圖紙中注明管道材質。


                      管路的材質則依使用的需求進行選擇,若為制程用的反應氣體則選擇高等級的316L EP管,經電解拋光(Electro-Polish)處理,耐腐蝕,表面粗糙度低,Rmax(maximum peak to valley height)約為0.3μm以下,其值遠低于經過燒結(Bright Anneal)處理之316L BA管的0.8μm,因平整度越高越不容易形成微渦流,而將污染粒子帶出。316L BA管則常使用于和芯片接觸但不參與制程反應的氣體,如GN2、CDA。管內表面粗糙度是衡量管材質量的標準。粗糙度越低,其顆粒攜帶可能性大大降低。另一種未經特殊處理的AP管(Annealing & Picking),則用于不做為供氣管路的雙套外管。


                      目前在國內潔凈管道可參照標準比較少,通常我們除了參照《潔凈廠房設計規范》《氫氣站設計規范》《氫氧站設計規范》《壓縮空氣設計規范》等有關技術行業技術規范外,在業內我們慣用的選材與配管一般參照國際通用的行業標準。


                      在半導體體行業線寬越做越小,其對氣體純度、顆粒度、雜質含量、露點的要求也越來越高。表1是各線寬下對超純氮氣的要求。


                      1、高純氮氣(PN2):系統管道采用內壁電解拋光(EP)低碳(316L)不銹鋼管,閥門采用相同材質的波紋管閥或隔膜閥。


                      2、氮氣(N2):系統管道采用內壁電解拋光(EP)低碳(316L)不銹鋼管或光亮退火(BA)低碳(316L)不銹鋼管,閥門采用相同材質的波紋管閥或球閥。


                      3、高純氫氣(PH2)氫氣(H2):系統管道采用內壁電解拋光(EP)低碳(316L)不銹鋼管,閥門采用相同材質的波紋管閥或隔膜閥。


                      4、氬氣(Ar):系統管道采用內壁電解拋光(EP)低碳(316L)不銹鋼管,閥門采用相同材質的波紋管閥或隔膜閥。


                      5、氦氣(He):系統管道采用內壁電解拋光(EP)低碳(316L不銹鋼管)閥門采用相同材質的波紋管閥或隔膜閥。


                      6、特氣系統:必要的還需做雙套管:外管酸洗鈍化(AP)處理,內管電解拋光(EP),閥門采用相同材質的波紋管閥或隔膜閥。


                      7、壓縮空氣(CDA):系統管道采用光亮退火(BA)低碳(316L)不銹鋼管,閥門采用相同材質的球閥(要求不高的公司亦可采用銅管,視工藝要求定)。


                      對于特殊氣體來講,氣體品種多,有毒有害氣體多,原來是一機臺配一氣柜,高昂的裝備組合和維修費用大大增加了投資成本,且有的還布置在工藝間內,存在著泄漏的安全隱患?,F在廣泛采用集中供氣系統,氣柜集中,自控系統不斷完善,其報警、噴淋、切換、吹掃多較為成熟,特氣間也與工藝間隔離,并對房間有防爆要求,工作的安全性大大提高 。


                      針對腐蝕性、毒性、燃燒性的氣體,通常設計將鋼瓶置于氣瓶柜(Gas Cabinet)內,再透過管路將氣體供應至現場附近的閥箱(VMB, Valve Manifold Box),而后再進入制程機臺的使用點(POU, Point of Use),于進入機臺腔體之前,會有獨立的氣體控制盤(GB, Gas Box)與制程控制模塊聯機,以質流控制器(MFC, Mass Flow Controller)進行流量之控制與進氣的混合比例控制,通常此氣體控制盤不屬于廠務系統的設計范疇,而是歸屬制程機臺設備的一部份。一般的惰性氣體則是以開放式的氣瓶架(Gas Rack)與閥盤(VMP, Valve Manifold Panel)進行供應。


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