一個(gè)工藝技術(shù)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(jì)與施工方面做一個(gè)簡(jiǎn)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(duì)流量和壓力等參數(shù)的控制，通過管道、無(wú)二次污染、穩(wěn)定的輸送到工藝設(shè)備的用氣點(diǎn)。

其基本流程是：氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點(diǎn)

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(jiǎn)單供氣系統(tǒng) 
簡(jiǎn)單供氣系統(tǒng)主要針對(duì)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)以及一些單臺(tái)的工藝設(shè)備等。它們的制程簡(jiǎn)單，通常不需要連續(xù)性供氣，對(duì)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(dòng)氣瓶柜或氣瓶架加簡(jiǎn)單的控制面板；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)。所有氣體共用一個(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)備旁邊或隔壁。如果沒有特別危險(xiǎn)氣體一般共用一個(gè)抽風(fēng)系統(tǒng)。簡(jiǎn)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(yáng)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(duì)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(jiǎn)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(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；多重安全防護(hù)措施，泄漏偵測(cè)，遠(yuǎn)程緊急切斷；專用氮?dú)獯祾咂鹪吹鹊取MB采用支路氣動(dòng)閥，氮?dú)獯祾撸婵蛰o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)獯祾撸恢窔鈩?dòng)閥，氮?dú)獯祾撸婵蛰o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。               

3.大宗特氣供氣系統(tǒng)

大規(guī)模供氣系統(tǒng)主要針對(duì)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(yáng)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，采用的工藝制程設(shè)備，用氣需求量大，對(duì)穩(wěn)定和不間斷供應(yīng)、純度控制和安全生產(chǎn)提出嚴(yán)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(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；多重安全防護(hù)措施，泄漏偵測(cè)，遠(yuǎn)程緊急切斷；專用氮?dú)獯祾咂鹪吹鹊取Ｌ胤N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)獯祾撸婵蛰o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)

四：氣體房的選擇和設(shè)計(jì) 

除了簡(jiǎn)單的供氣系統(tǒng)以外，特氣房一般都獨(dú)立于主場(chǎng)房而單獨(dú)建設(shè)，其規(guī)劃時(shí)需考慮建筑物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險(xiǎn)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(gè)氣體室；而對(duì)于大宗特氣，會(huì)根據(jù)氣體特性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、毒性氣體房等。氣體房需要有良好的通風(fēng)，氣體房的選擇和設(shè)計(jì)一般由設(shè)計(jì)院完成。

五：管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 

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(duì)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(qiáng)的EP管 。

2.主管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在確定好氣體房和用氣點(diǎn)以后,主管路系統(tǒng)一般遵循管道線路短,拐彎少,布置緊湊合理,給人簡(jiǎn)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(jī)臺(tái)用氣點(diǎn)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(jì)了備用系統(tǒng)。由于氣體本身的危險(xiǎn)性，許多地方采用把管道鋪設(shè)在電纜橋架里，對(duì)于穿墻或穿過夾道的地方，周圍有危險(xiǎn)源和經(jīng)常有危險(xiǎn)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(duì)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)，壓力調(diào)節(jié)閥。對(duì)于劇毒、高反應(yīng)性和自燃?xì)怏w，應(yīng)使用雙套管輸送。同時(shí)管道的設(shè)計(jì)要采用零死區(qū)設(shè)計(jì)，即整個(gè)管道系統(tǒng)從氣柜到VMB、從VMB到用氣點(diǎn)，要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，中間不允許有在氣體置換時(shí)有殘留空氣的死角。因此，整個(gè)管路系統(tǒng)中由VMB完成氣體的分配，中間沒有三通。管道還要有良好的接地。

3輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣體柜或控制面板在安裝和運(yùn)輸?shù)倪^程中由于搬運(yùn)和震動(dòng)，閥門、接頭、過濾器等的更換、或其他原因、需要對(duì)其重新進(jìn)行高壓氣密性試驗(yàn)和氦檢，氣體的置換也需要用到高壓氮?dú)饣蚝猓蕴貧夤裥柙O(shè)計(jì)接入高壓惰性氣體氦氣或氮?dú)狻Ｒ话氵x擇在特氣房設(shè)置一臺(tái)或多臺(tái)惰性氣體柜。其連接形式為：

特氣柜中裝有各種氣體驅(qū)動(dòng)閥，主管路在送氣前需要進(jìn)行管道的吹掃和空氣的置換，所以還需輔助有高純氮?dú)夂蜐崈魤嚎s空氣系統(tǒng)。氮?dú)庀到y(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(jì)算決定。

氣體房和氣柜還須有自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，但有的氣體如三氟化氯,硅烷遇水反應(yīng)，這時(shí)就還需要考慮采用二氧化碳滅火系統(tǒng)。

排風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)也根據(jù)危險(xiǎn)品性質(zhì)分成普通排風(fēng)系統(tǒng)（GEX）、酸性排風(fēng)系統(tǒng)（SEX）、溶劑排風(fēng)系統(tǒng)（VEX）、氨氣排風(fēng)系統(tǒng)（AEX）。普通排風(fēng)系統(tǒng)采用鍍鋅鐵皮風(fēng)管，酸性排風(fēng)一般采用玻璃鋼風(fēng)管，溶劑和氨氣排風(fēng)一般采用不銹鋼風(fēng)管。氣柜的排風(fēng)也是根據(jù)其性質(zhì)接入上面不同的排風(fēng)系統(tǒng)。氣體的放空是指特氣管道和氣柜中的特氣經(jīng)氮?dú)庀♂尯笥煞趴展艿琅欧诺酱髿饣蚺棚L(fēng)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(fēng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

氣體偵測(cè)系統(tǒng)（GDS）是全廠生命安全系統(tǒng)（LSS）的重要組成部分。對(duì)于偵測(cè)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(duì)于這兩個(gè)系統(tǒng)在這里只能做一個(gè)概念性的介紹。

、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?cè)O(shè)計(jì)的，這樣可降低整個(gè)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(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，對(duì)施工的質(zhì)量和程序進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和管理。整個(gè)系統(tǒng)還要進(jìn)行氦檢漏、水分、氧分和顆粒度檢測(cè)、以及其他要求做的氣相雜質(zhì)的測(cè)試。

其現(xiàn)場(chǎng)基本的施工程序?yàn)椋菏┕D紙會(huì)審﹣→施工組織編寫﹣→預(yù)制間的搭設(shè)﹣→施工機(jī)具的準(zhǔn)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(chǎng)安裝﹣→系統(tǒng)檢測(cè)﹣→系統(tǒng)驗(yàn)收

1.預(yù)制間的選擇

特種氣體管道的施工對(duì)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(chǎng) 安裝的方法。按照標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)制作業(yè)需要在潔凈度達(dá)到百級(jí)的凈化間進(jìn)行，作業(yè)人員也按照百級(jí)凈化間的管理著裝。因此對(duì)于大宗特氣項(xiàng)目，一般都建有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制間。

但我們?cè)趯?shí)際的施工中,大宗特氣項(xiàng)目很少,一般都是簡(jiǎn)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(chǎng)找一塊相對(duì)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(wú)關(guān)人員出入。如果業(yè)主要求比較嚴(yán)格，也采用彩鋼板搭設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)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(tái)層流罩，做一個(gè)簡(jiǎn)單的凈化空間，進(jìn)行管道的預(yù)制工作。

2.主要的施工機(jī)具

特種氣體管道的主要施工機(jī)具有:全自動(dòng)軌道焊機(jī)(D100、MIOO等)管道切割機(jī)（GF鋸）、管子割刀、平口機(jī)、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(chǎng)電流波動(dòng)對(duì)焊接質(zhì)量造成影響、臺(tái)虎鉗、配電箱、拖線盤、臺(tái)鉆、電鉆、沖擊鉆、切割機(jī)、電焊機(jī)、手工氬弧焊機(jī)、其他輔助工具。