特殊气体供应系统概述

2017-12-19京东方科技集团股份有限公司李全朕

电子世界 2017年23期

京东方科技集团股份有限公司李全朕

特殊气体供应系统概述

京东方科技集团股份有限公司李全朕

随着半导体芯片、太阳能光伏、液晶面板产业的发展，生产使用的特殊气体种类不断增加，气体供应系统愈发复杂。特殊气体已经成为工厂内危险系数最高的因子，在这里我们根据特气不同的物理、化学性质进行了分类和讨论，进而对特种气体供应系统的规划、设计、设备选型及其安全管理进行了阐述，并且工厂内有着重要作用的气柜设计进行了探讨。

特殊气体；气体供应；系统设计；安全管理

1 引言

半导体产业、液晶面板产业近些年在中国得到了飞速的发展，在生产过程中大量使用不同种类的危险化学品，包括大宗气体、特殊气体及化学药液；尤其以特殊气体供应危险性高、一旦发生泄漏危害性大。所以其供应系统的设计、安装、运行、管理须重点关注。本文主要讨论特种气体的分类、供应和相关安全管理等。

2 特气的分类

半导体、液晶面板产业所使用的特种气体一般按照气体的性质进行分类，一般分为自燃性、可燃性、毒性、腐蚀性、氧化性、惰性气体，而在工厂建设中和系统规划中根据不同气体的性质一般分为易燃易爆、毒性腐蚀性、惰性气体进行分类集中供应管理。

（1）易燃易爆气体

把自燃、可燃气体等都归为这类气体。如硅烷、乙硅烷、乙硼烷等这类气体一般只要与空气接触就会燃烧属于自燃气体。可燃气体都有一定的着火点和爆炸范围（包括爆炸上限、爆炸下限），一般着火点温度越低、爆炸范围越大危险性越高，如H2,CH4,NH3都属于可燃气体。

（2）毒性腐蚀性气体

半导体制造行业中使用的特殊气体很多都是对人体的危害主要体现在它的强腐蚀性和有毒性质，比如CL2,BCL3，NF3等气体，其中PH3,B2H6等气体也属于有毒气体，但由于其同时具有易燃易爆性质，因此供应系统一般归为易燃易爆气体进行集中供应。像CL2,SIF4,NF3等有毒不可燃的气体归为有毒气体进行集中供应管理。

（3）惰性气体(Inert Gas)

隋性气体一般指一些没有毒性且不可燃的气体，这类气体的危害性一般是指窒息性和高压,比如AR,HE,NE,N2这种气体。

3 特气供应流程

特殊气体的供应方式有很多种，比如用量较大的采用槽车供应、用量次之的一般使用卧式钢瓶供应或集装格、用量再小的气体一般采用立式气体钢瓶供应，具体采用哪种供气方式，需要以生产设备的具体用量作为依据，综合考虑钢瓶更换频率、人员配置、作业强度和现场运行管理安全、方便等条件经比较后方可确定。根据不同的特气供应方式，集中供应的特气站房设置也会不同。一般使用槽车、卧式气瓶、集装格供应的特气系统站房需要独立于主厂房建设；使用立式气瓶供应的特气站房可设置在厂房一层，同时设置于厂房内的特气站房对于相同化学性质的特气存储量也具有严格的要求，例如对于自燃性的特气要求存储量不能超过2.8立方，以硅烷为例目前44L钢瓶的单瓶气体容量即约为2.8立方，因此对于硅烷用量较大、供应稳定性要求较高的供应系统一般不建议在厂房内供应；但由于厂房内立式气瓶供应具有投资少、供应方便、设备安全等特点，用量较小的实验室、中试线一般采用此种方式供应。根据气体危险性的不同供应方式也不近相同，有毒、易燃易爆气体对于使用立式气瓶进行供应的一般采用用气柜（GC）和阀门箱（VMB的形式进行供应）；对于惰性气体采用立式气瓶供应的一般采用气架（GR）+阀门盘（VMP）进行供应。

图1所示为立式气瓶供应特种气体的输送系统简图。

图1 立式气瓶供应特种气体的输送系统简图

由于大部分气体满瓶的压力很高，很多气瓶压力在100KG/CM2以上，压力太高而不能直接在生产设备上使用，同时半导体元件和液晶面板生产的复杂程度很高，对于气源供应的稳定性要求极高，生产设备对气体稳定供应特别敏感，为保证系统稳定的压力输出所以特气供应系统一般采用两级调压的方式进行供应，即气柜/气架1级调压，阀门箱/阀门盘2级调压；两级调压更稳定的原理是由于随着气瓶的使用，瓶内气体的剩余压力不断降低、在不操作调压阀的前提下，气柜1级调压后的压力会不断升高导致管道内压力升高，而在阀门箱内增加2级调压后，对阀门箱/阀门盘后直接用于设备生产的气体压力基本可以维持不变，而达到稳定供应的目的。

4 气柜/气架、阀门箱/阀门盘

气柜/气架均是特气气体的供应设备，两者的不同在于前者具备密闭的箱体、具备排风接口、具备自动切换和吹扫的功能，一般用在危险性高的易燃易爆和有毒气体供应上；气架一般为开敞式的供应设备，不具备自动吹扫的功能但是有自动切换功能和尾气排放口，一般应用在惰性气体的供应系统中。阀门箱一般与气柜配套使用，应用在危险性较高的特殊气体上，阀门箱具有密闭箱体和排风，一些要求较高的工厂内阀门箱的每个支路上均具备吹扫气体管道。阀门盘与气架配套使用一般配置在惰性气体的供应上。但是两者的共同特点是具备分配特种气体、调压供应的功能，可以实现一个气源对不同工艺设备、不同压力的供应。

5 特气系统管道

由于特气具有腐蚀或易燃的特性，同时生产线对气体供应纯度要求很高，因此特气系统管道使用耐腐蚀SUS316L EP级的管道较多，对与吹扫气体和排放气体的管道可使用BA级和AP级的管道，对于CL2、PH3 、B2H6、SiH4等自燃气体、剧毒气体的传输，一般采用双套管的形式，即两根大小不同的管件组成，内层管道接触工艺特气，因此要求级别较高使用SUS316L EP管或防护等级更高的管道，外管则作为内管的保护管路，一般状态下不会接触特气，使用SUS304 AP管即可。外管两端密封后内外管之间抽成真空负压状态，并在气柜端易观察位置设置负压表，如管道负压上升则表明内层管道可能发生泄漏。

6 特气生命安全系统

由于特气的危险性较高，人体一旦接触气体就会造成很大的伤害，因此第一时间能够侦测出泄漏到环境中的特气显得尤为重要，除了上文提到的部分气体可以根据双套管外管的负压判断外，更重要的是安装配套的生命安全系统。包括气柜自带泄漏侦测装置和外装气体侦测器系统，气柜自带的侦测装置包括部分自燃气体气柜红外-紫外线（UV-IR）火花探测器；气体侦测器系统是使用额外的侦测器装置，通过侦测器传感器监控关联气体的浓度来判断是否发生气体泄漏，特气侦测点一般按照气柜排风管、气柜环境、阀门箱排风管、阀门箱环境及工艺设备环境来布置，任何有毒气体的泄漏将会被气体侦测系统所侦测到，侦测器将根据气体的浓度高低确定气体供应系统的联动，一般分为浓度高报警和浓度高高报警，达到高高报警意味着现场特气浓度短时接触即会对人体造成伤害，这种状态下原则上特气供应系统会立即关闭相应气源，有广播系统的工厂内会驱动广播系统立即通知人员疏散，迅速撤离报警区域，启动相应的应急处理流程。

7 特气供应系统的动力需求

特气系统正常供应状态下，系统本身需要其他的一些水、电、气的需求来满足其运行的安全性及稳定性。特气供应设备对水的需求主要是气柜内可能有消防喷淋管的需求和现场的应急用水的需求，其中消防水主要是在发生火灾的时候对气柜内的钢瓶进行喷水冷却，避免高温发生爆炸事故；特气供应系统的电力供应需使用不间断电源，也就是工厂内的U电。U电在市电断电的情况下仍可供应，给特气管理人员提供时间去采取现场处理的措施应对市政电力中断造成的影响，以免系统突然断电发生特气事故。特气系统对于动力气体的需求一般是作为气动阀的动力源和管道吹扫抽真空的动力气体需求，由于部分特气具有易燃易爆的特点因此气柜气动阀的气源一般为氮气，而不是通常气动阀使用的压缩空气；气柜内的气瓶进行更换时如果直接拆除气瓶将会导致气柜与气瓶连接管内的残留气体泄漏到环境中造成危害，因此必须对该段气体进行反复吹扫，吹扫的原理就是根据文丘里管原理，利用N2快速通过文丘里管形成局部负压，对连接管道进行抽真空，将残留尾气通过尾气处理装置处理后排产厂内排气管道，从而使连接管内的气体最终达到安全浓度，进行气瓶更换安全作业。