特氣系統的設計與施工
2023-04-18 17:21:25
一個工藝技術先進的大規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的設計與施工方面做一個簡單描述。
一：概念
特氣輸送系統是指：將特種氣體從氣源端、根據工藝設備的工藝需求、通過對流量和壓力等參數的控制，通過管道、無二次污染、穩定的輸送到工藝設備的用氣點。
其基本流程是：氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點
二：分類
特種氣體根據氣體性質不同一般分為：惰性氣體、易燃易爆氣體、有毒氣體和腐蝕性氣體;根據供應包裝的不同分為：特種氣體和大宗特種氣體。
三：供氣系統的選擇
1.簡單供氣系統
簡單供氣系統主要針對4英寸及以下半導體芯片廠、半導體材料的科研機構以及一些單臺的工藝設備等。它們的制程簡單，通常不需要連續性供氣，對氣體供應系統的投資預算低。
由于氣體流量小，不經常使用，特種氣體氣源多采用普通鋼瓶(<50L)。輸送系統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，有些甚至用單瓶系統。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有時放在回風夾道，或直接放在工藝制造設備旁邊或隔壁。如果沒有特別危險氣體一般共用一個抽風系統。簡單供氣系統通常存在安全隱患。
2.常規供氣系統
常規供氣系統主要應用于4-6英寸大規模集成電路廠，50MW以下的太陽能電池生產線，發光二極管的芯片工序線以及其它用氣量中等規模的電子行業。對氣體純度控制的要求不苛刻，系統配備在滿足安全的前提下盡量簡單，節省投資。
特種氣體采用普通鋼瓶(<50L)供氣。特氣輸送系統采用氣瓶柜。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。氣體房和抽風系統根據氣體性質進行分類。
3.大宗特氣供氣系統
大規模供氣系統主要針對大規模量產的8-12英寸(1英寸=25.4毫米)超大規模集成電路廠(氣體種類包括SiH4、N2O、2、C2F6、NH3等)，100MW以上的太陽能電池生產線(氣體種類包括NH3)，發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)、硅材料外延生產線(氣體種類包括HCL)等行業。它們的投資規模巨大，采用最先進的工藝制程設備，用氣需求量大，對穩定和不間斷供應、純度控制和安全生產提出最嚴格的要求。
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。
大宗特氣供應系統(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，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
四：氣體房的選擇和設計
除了簡單的供氣系統以外，特氣房一般都獨立于主場房而單獨建設，其規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。常規供氣系統一般也采用多種氣瓶柜共設在一個氣體室;而對于大宗特氣，會根據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，氣體房的選擇和設計一般由設計院完成。
五：管道系統的設計
1.材料的選擇
特氣管路系統普遍采用316L不銹鋼電解拋光(EP)管道，閥門一般采用高純調壓閥、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，采用經過特殊處理的耐腐蝕強的EP管。
2.主管路系統的設計
在確定好氣體房和用氣點以后,主管路系統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。輸送系統的數量和管徑的大小一般根據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)而且多設計了備用系統。由于氣體本身的危險性，許多地方采用把管道鋪設在電纜橋架里，對于穿墻或穿過夾道的地方，周圍有危險源和經常有危險作業的地方，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量流量計，壓力調節閥。對于劇毒、高反應性和自燃氣體，應使用雙套管輸送。同時管道的設計要采用零死區設計，即整個管道系統從氣柜到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輔助系統的設計
氣體柜或控制面板在安裝和運輸的過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，所以特氣柜需設計接入高壓惰性氣體氦氣或氮氣。一般選擇在特氣房設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。氮氣系統采用SUS316L-EP管，CDA可采用SUS316L-BA管，其管徑根據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，但有的氣體如三氟化氯,硅烷遇水反應，這時就還需要考慮采用二氧化碳滅火系統。
排風系統和放空系統也是特氣系統的重要組成部分。其排風系統也根據危險品性質分成普通排風系統(GEX)、酸性排風系統(SEX)、溶劑排風系統(VEX)、氨氣排風系統(AEX)。普通排風系統采用鍍鋅鐵皮風管，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其性質接入上面不同的排風系統。氣體的放空是指特氣管道和氣柜中的特氣經氮氣稀釋后由放空管道排放到大氣或排風系統中，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處理后排放至相應的排風系統中。放空系統一般采用SUS304不銹鋼管道，一直延伸到屋頂，高出屋面兩米左右，并設防雨罩。
六:GMS和GDS系統
氣體監控系統(GMS)通過計算機網絡，實現對氣體輸送系統的實時監控，以確保系統的穩定性。
氣體偵測系統(GDS)是全廠生命安全系統(LSS)的重要組成部分。對于偵測器的要求，除了精度高，反應迅速外，還應具備自檢功能。對于這兩個系統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，合理選擇管徑和材料，是我們設計的重點，這樣可顯著降低整個系統的成本。
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，對施工的質量和程序進行嚴格的監控和管理。最后整個系統還要進行氦檢漏、水分、氧分和顆粒度檢測、以及其他要求做的氣相雜質的測試。
其現場基本的施工程序為：施工圖紙會審﹣→施工組織編寫﹣→預制間的搭設﹣→施工機具的準備﹣→施工人員的培訓﹣→預制圖紙的編寫﹣→管道的預制﹣→管道的現場安裝﹣→系統檢測﹣→系統驗收
1.預制間的選擇
特種氣體管道的施工對環境的要求比較高，管道施工采用大批量預制然后現場安裝的方法。按照標準，預制作業需要在潔凈度達到百級的凈化間進行，作業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,一般都是簡單系統和常規系統,為了節約成本和資金,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,除作業人員和檢察人員外,應禁止無關人員出入。如果業主要求比較嚴格，也采用彩鋼板搭設一個簡單的預制件，房間內鋪上地板革，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壓器、防止施工現場電流波動對焊接質量造成影響、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量的培訓,了解特種管道的施工作業要求和規范,了解特種氣體的基本知識,從而加深對特種管道施工質量重要性的認識。
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，對焊工也必須進行焊接程序的培訓，熟悉各種焊接參數的調整，最后管工和焊工都必須經過考試，由專門的質量管理人員確認合格后，發給作業許可證后方可施工，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的重點。
現場的質量管理人員要做好材料的質量檢查記錄和每天的施工質量檢查記錄，包括管工彎管的質量，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，預制好的管道，管口是不是封好;(管道封口應套上管帽，再采用EP管完好的內包裝袋割下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量要求，每個焊縫都必須仔細檢查，并作好焊接作業者和焊接數量記錄。
焊工每天在焊接前必須先作焊接試樣，經檢查合格后方可進行焊接施工，每天的施工結束后還必須做一個末試樣，以確認今天的焊接作業是否存在焊接隱患。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。每天的焊接試樣要妥善保存。(焊縫質量的檢查主要有焊縫的寬笮度、焊縫的內外均勻度、焊縫的凹凸度、是否氧化、其他不允許的缺陷)
架設到管架上的管道，在焊接作業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束管道內都要處于沖氣保護的狀態，但在不進行焊接作業時可適當調小管內氣壓。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：系統檢測
特氣管道施工結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技術(CNC)它可達到0.01微米。其它氣相雜質的測試根據具體要求確定。