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高纯/特种气体的概念及供气系统
- Jul 19, 2018 -

近20年来,随着更复杂、更密集的大规模和超大规模集成电路的生产,对高纯气体洁净度的要求,已不亚于对纯度和干燥度的要求,凡工艺气体,无一不对其中的粒子提出限制。因此,对于高纯气体,纯度、干燥度、洁净度是三项重要的标度。由于高纯度气体的使用地点、性质、工况(如温度、压力等)都不完全一致,所以,如何确定高纯气体的“三度”(纯度、干燥度、洁净度),还没有一个严格而明确的概念。    


        对于纯度和干燥度的控制,我国CBJ73—84《洁净厂房设计规范》中指出,“高纯气体系指纯度大于或等于99.9995%,含水量小于5ppm气体。”日本把微电子生产中所采用的气体,按其不同的品位,具体分为下列几个不同的档次:

1.超高纯气体    气体中杂质总含量控制在1ppm以下,水份含量控制在0.2~1ppm。
2.高纯气体       气体中杂质总含量控制在5ppm以下,水份含量控制在3 ppm以内。
3.洁净气体      气体中杂质总含量控制在10 ppm以下,对水份含量未作严格规定。 


        上述规定,都未涉及洁净度。我们知道集成电路的生产,几乎都是在洁净环境中进行,是防止尘埃粒子污染微电子产品所必需的。所以,对洁净的生产环境绝不允许采用不洁净的气体来破坏,必须使气体的洁净度与洁净环境保持一致,根据相关资料以及近些年公司相关工程的经验进行了一些归纳。


高纯/特种气体的概念及供气系统一、高纯/特种气体的概念

半导体集成电路制造所需要的高纯气体主要分为两大类:
1.普通气体:也叫大宗气体,主要有:H2 、N2 、O2 、Ar 、He等。
2.特种气体:主要指各种掺杂用气体、外延用气体、离子注入用气体、刻蚀用气体等。

半导体制造用气体按照使用时的危险性分类:

1.可燃、助燃、易燃易爆气体:H2 、CH4、H2S、NH3 、SiH4、PH3 、B2H6、SiH2CL3、CLF3、SiHCL3等
2.有毒气体:AsH3、PH3 、B2H6等
3.助燃气体:O2 、N2O、F2 、HF等
4.窒息性气体:N2 、He 、CO2、Ar等
5.腐蚀性气体:HCL 、PCL3 、POCL3 、HF、SiF4、CLF3等


二.特种气体供应系统

        特种气体的供应方式截至目前为止,几乎皆用钢瓶的方式进行。一般常用的为高压钢瓶,依其填充的气体特性有分为气态和液态两种。一般气体依液态储存于钢瓶内,瓶内压力较高,所以最佳方式是选用吸附式气态钢瓶,以气体分子与吸附剂间的范德瓦力将气体吸附于吸附剂孔隙中,其优点为供气压力低于一个大气压,无任何泄漏的危险,且供气量为普通高压钢瓶的10倍,低蒸汽压的气体以液态储存于钢瓶内;针对易燃易爆,有毒性腐蚀性的气体,常将钢瓶至于特气柜中,再通过管路将气体供应至现场附近的阀箱,经过一系列的控制而后进入用气点;一般惰性气体以开放式的气瓶架和阀盘供应;具体方式如下:

现场制气、管道供气

        这种供气方式时将制气设备建造在用气量较大或者用气品种较多的工厂内或按区域设置供应周边各单位用气;


1-中压贮气罐;2-调压阀组;3-气体过滤器;4-液态气体贮罐;5-汽化器;6-安全阀; 7-自动控制阀;8-气体纯化装置;9-流量计;10-末端气体过滤器;11-末端气体纯化器;12-用气点;13-高压气体压缩机;14-高压气体贮罐(P=15~20MPa)

         

外购气体供气

        由集中制气工厂制取的液态气体由低温液态气体贮罐槽车运送至用气工厂,再使用工厂设置低温液态气体贮罐,将液态气体槽车中的液态气体抽送入液态气体贮罐贮存,根据工厂用气量,液态气体由贮罐送出经汽化器化为气体后,经由调压器组调压并经气体过滤器送去使用车间,若气体纯度或杂质含量不能满足使用要求,则需要再在车间内设置末端提纯装置,对气体进行提纯并去除杂质,同时为满足不同需求,还应在工厂使用车间末端或在车间内集中设置不同过滤精度的气体过滤器,示意图如下:


外购气体钢瓶供气

        外购气体钢瓶集中存放在工厂的气瓶间(库)中,气瓶中高压气体经气体总线,减压阀组汇集,减压至一定压力经气体纯化装置纯化后供气。为确保连续供气,气体钢瓶一般分为两组,交替放气,根据产品工艺要求,选择满足供气品质的气体纯化装置或在用气点处设置末端气体纯化装置。


1-钢瓶及总线2-减压阀组;3-调压装置;4-气体纯化装置;   5-末 气 体 纯 化 器;6-气 体 过 滤 器;7-用 气 点

其他:实验室气体管路系统规范,实验室集中供气工程要求

        实验室气体采用集中供气方式,由实验室外专用供气区域用管路引进。除了洁净空气由空气压缩系统直接产生外,其余气体都是采用高压气瓶供气。每种气体都要有主供和备供气瓶,并安装自动切换面板进行供气控制,保证不间断供气。另外主要的控制阀门和减压阀门都应安装在实验室外。

        实验室气体由不锈钢管(BA级)路输送,一般1.5米内并必须有支架固定在墙面。在实验室内所有管路安装在天花板下方,沿墙进行明设。所有管路标明连接的气体。气体管路每隔1.5米的距离,都要有明确标示,同时指示气体的流向。

        所有减压器都需要连接一条通出气体存藏区的排气管路。易燃、氧化气体排气管路不能并在一起。

        所有设计和施工必须符合相关的规范和要求,如:《科学实验室建筑设计规范》–JGJ 91-93;《氢气使用安全技术规程》-GB 4962-1985;《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》-GB50236-1998。(上海图勃气体工程有限公司)

        所有气体管路都由高质量的、完全退火型、无缝连接的不锈钢管(BA级)组成。铜管只使用在气体管路的末端,对气体纯度要求不是太严格的地方。(比如通风柜)。

        气体管道不得和电缆、导电线路同架铺设。易燃气体,如乙炔需要和其他气体分开单独引入。氢气管道若与其他可燃气体管道平行敷设时,其间距不应小于0.5M;交叉敷设时间距不应小于0.25M。分层敷设时氢气管道应位于上方。

       压缩空气在管路上有过滤杂质和水分的净化装置,此净化装置需要并联一路,用单独的阀门隔离,以方便对过滤装置进行维修。

高纯气体管路的连接为无缝焊接。连接到阀门或调节装置时才可以使用接头配件。

       每个实验室都要有单独的控制阀、减压阀和压力表。

       引到工作台的气体管路要安装单独的控制阀。工作台上要均匀排放各种气体的控制阀门。在氦气管路前面建议安装气体净化装置。

每隔1.5米左右,气体管路就需要有支架。另外根据气体管路弯曲的半径,设置合适的支架位置。所有弯曲处都要有支撑。气体管路所有的支架都要进行镀锌防腐处理。

      不锈钢管件在现场安装时方可启封,启封后均要适用5N的高纯气体吹扫后才能接入系统。整个系统安装完成后,还要再使用5N的高纯氮气进行大流量吹扫,以确保整个系统的洁净度。

       供气系统安装完成后,根据要求进行相关的强度测试、密封测试和稳定性测试。