面板企业洁净室气体泄漏影响后果研究

李峰(上海天马有机发光显示技术有限公司，上海 201201)

0 引言

半导体工艺中，需使用特殊气体完成其关键制成部分，这些特殊气体一般具有毒性和腐蚀性。半导体特气供应输送系统一般是特殊气体从“储存容器”通过供应管路及配件，到达供应机台使用。机台使用完毕后，尾气连同未使用反应的剩余气体通过传输管道到达尾气处理装置经充分燃烧后，最终排入厂务处理系统(天面排气平台)，确认达标后排放到大气环境中[1]。当洁净室发生特气泄漏时，对现场人员的健康构成巨大威胁，泄漏后果控制及现场人员的安全疏散是半导体企业安全管理中的重点工作。因此，本文针对特气泄漏影响后果及防范工作开展针对性研究。

1 面板企业气体泄漏模拟模式的构建

1.1 选择案例的基本情况

上海某大型企业是国内领先的面板制造商，主营生产最先进的AM-OLED 显示屏幕，该企业生产环境属工业洁净厂房，生产过程中间工艺工序复杂，使用多种原料和溶剂。洁净室二层主要搭建面板生产运行设备，洁净室一层主要为化学品供气管道、工艺辅助设备、尾气处理装置。因SUBFAB 设备维保、现场维护涉及部分人工岗，故特气泄漏的后果模拟研究对工厂的安全管理和应急防控具有重要的意义。

1.2 泄漏场景选择

通常来说，发生泄漏的部位主要集中在气瓶柜(GC：Gas Cabinet)、气体阀门分配箱(VMB：Valve Manifold Box)、生产制成尾气处理设备(Local Scrubber)和特气供应管道。AM-OLED面板制成核心工艺CVD 部分，工艺供气气体涉及SiF4、NF3、NH3、H2、SiH4，尾气和衍生物包括SiO2、SiF4和少量HF。

案例场景选择基于企业实际设置情况：洁净室一层尾气处理装置(Local Scrubber)，周围设有多种气体VMB 阀门箱，考虑到CVD 设备后段管道气体输送为少量粉尘和衍生物，毒性危害不大，且管道保持负压抽真空状态，过程工艺如图1 所示。因此本文研究CVD 设备前段特气输送管道泄漏后果，以洁净室一层特气输送管道发生瞬时泄漏，对泄漏后产生的后果和同层影响范围进行模拟，并基于ALOHA 能够模拟毒性、可燃性、热辐射和超压等与化学品泄漏而导致毒性气体扩散、火灾或爆炸相关的主要危害，可以快速预测出对人体产生立即健康影响的毒气浓度范围以及可燃性气体火灾、爆炸所能波及的范围[3]。

图1 CVD供气与尾气排放图示

1.3 泄漏模拟软件介绍

ALOHA 软件是由美国环境保护署、化学品突发事件和预备办公室与国家海洋和大气管理响应恢复办公室联合开发的一款化学品风险模拟程序。该软件涵盖近上千种化学品的理化性质，通过时间、地点、环境、温度、风速、相对湿度等)和工艺过程(管道参数、工艺温度、泄漏口尺寸等)数据以及数学模型的设定来计算化学品泄漏后的中毒、火灾和爆炸事故的危害范围，模拟结果与实际情况相符，目前已经发展成为一种重要的辅助管理软件，广泛应用于典型危化品以及城市燃气管道泄漏事故危害的风险评价和应急人员的快速部署[4]。

1.4 泄漏类型选择与泄漏规模确定

在 ALOHA 模拟计算的过程中，气体扩散浓度正比于源的释放率，因此对源的强度和泄漏持续时间的估计将对最终模拟结果产生重要影响。该公司工艺制成正常，供气正常，阀门均处于开启状态，设备状态正常，假定VMB 后端供气管道发生气体泄漏，供应制成的气体瞬时放出。此状态瞬时泄漏状态，泄漏点为瞬时泄漏源，源的强度在泄漏的前1min 内几乎无变化[5]。

1.5 事故后果分析与评判标准

案例企业CVD制成供应特气包括SiH4、NH3、N2、H2、NF3等，制成完毕通入Local Scrubber 燃烧室成分包括颗粒物、尾气和衍生物包括SiO2、SiF4和少量HF。因Scrubber 一直维持较大负压，泄漏可能和后果均较小，因此本文研究CVD 设备前段正压特气输送管道泄漏后果，以洁净室一层特气输送管道发生瞬时泄漏，对泄漏后产生的后果和同层影响范围进行模拟。考虑后果危害程度，本文选取制成供气SiH4、NH3、NF3三种气体开展分析。

ALOHA 软件以美国工业卫生协会制定的美国应急行动计划指南确定毒性影响区域，毒物的关注浓度有急性暴露水平指南浓度(AEGL)、应急反应指南浓度(ERPG)、保护行动标准(PAC)、临时紧急暴露极限(TEEL)4 种指标。评判标准是根据影响程度的不同对泄漏事故发生后的影响区域进行分区以确定不同应急措施的临界值。本文根据气体特性选用ERPG、TEEL 代表的毒气影响界定表征结果，如表1 所示，毒气体积分数1 值和2值之间会对人体造成轻度伤害；毒气体积分数在2 值和3 值之间会严重影响人员身体健康，主要是对某些器官的伤害；毒气体积分数在3 值以上会造成严重的、持久的威胁生命的影响[5]。

表1 SiH4、NH3、NF3物质特性和评判标准

2 案例应用

2.1 SiH4模拟结果

设置风速0.8m/s，环境温度23℃，管道直径0.95cm，管道长度110m，管道内壁光滑，管道压力59.7psi，管道温度23℃，泄漏形式考虑最不利情况即管道断裂导致的瞬时泄漏，此时泄漏管道另一端为关闭状态。

模拟结果如图2 所示，在设定参考范围内硅烷浓度过低，扩散范围较小，无法获取扩散浓度变化图，仅有气体毒性影响范围。同时，考虑一定浓度的硅烷可能空气反应发生自燃现象，若达到爆炸极限下限的硅烷云团遇点火源点燃，可能引发闪火或爆炸。因此针对硅烷再进行火灾后果模拟，如图3，模拟结果显示该公司的硅烷管道发生断裂后经泄漏扩散形成的气团不会聚积到自燃火灾的浓度。

图2 硅烷泄漏毒性扩散模拟

图3 硅烷泄漏火灾扩散模拟

2.2 NH3模拟结果

设置风速0.8m/s，环境温度23℃，管道直径3cm，管道长度205m，管道内壁光滑，管道压力43.7psi，管道温度39.1℃，泄漏形式为管道断裂导致的瞬时泄漏，泄漏模拟为自泄漏起管道另一端的气体停止流动，即供气端处于关闭状态。因现有布置人工岗位直线距离不小于50m，模拟场景为氨气管道泄漏对距离管道50m 外场所的影响，如图4 和图5 所示。

图4 氨气泄漏毒性扩散图

模拟结果显示，瞬时泄漏的情况下，距离泄漏源22m 处可达到NH3EPRG-3 限定值，距离泄漏源22～51m 可达到NH3EPRG-2限定值，距离泄漏源51～127m 可达到NH3EPRG-1 限定值。

图5 氨气泄漏下风向50m处浓度情况

2.3 NF3模拟结果

设置风速0.8m/s，环境温度23℃，管道直径2.5cm，管道长度187m，管道内壁光滑，管道压力57.2psi，管道温度23℃，泄漏形式考虑最不利情况即管道断裂导致的瞬时泄漏，此时泄漏管道另一端为关闭状态。模拟结果如图6 所示，在设定参考范围内三氟化氮浓度过低，扩散范围较小，无法获取扩散浓度变化图。此外模拟数据显示，距离泄漏源28m 处可达到NF3EPRG-2限定值，距离泄漏源19m 可达到NF3EPRG-3 限定值。

图6 三氟化氮泄漏毒性扩散模拟

3 结语

文章针对面板关键制成工艺CVD 过程供气管道进行气体泄漏模拟后果研究，采用ALOHA 软件基于案例企业实际设施参数进行瞬时泄漏模拟，确定出事故可能人员健康的影响区域，并对其进行危险区域划分，实现了事故影响区域的直观表现。为设备维保、现场维护等人工岗设定提供了泄漏后果影响范围和防护安全距离指导。

公司要加强监管职责，在日常运行及维护时，尤其要管道检查及保养，一旦发现形变裂缝等要迅速采取措施，防止其扩大。企业设有GDS 气体侦测系统，可及时反应异常并联动，因此要长久保持良好状态。同时针对事故应急设有“紧急应变小组(Emergency Response Team)”和“紧急应变中心(Emergency Response Center)”，在遇到紧急事故时，要会根据泄漏点大小及位置初步判断泄漏影响范围及严重性，做好危机应急处理。