半导体行业特种气体气源柜研发及应用

2021-03-15曹文林

化工设计通讯 2021年2期

曹文林

（江苏新城气体有限公司，江苏扬州 225200）

半导体工业具有战略地位，半导体工业使用的特种气体也称为电子气。作为半导体工业生产的原材料之一，电子特种气体的使用量不断上升，对特种气体气源柜的需求也相应增加。许多特种气体是危险品，易燃易爆风险高，部分特种气体有剧毒，对气源柜的要求很高。半导体行业是我国大力发展的电子信息产业之一，但大部分特种气体气源柜来自进口。国外一些发达国家的特种气体气源柜已经进入成熟期，规格主导权、材料掌控、专利技术、产品质量等具有领先优势。国内特气设备的开发相对滞后，与之前半导体行业发展滞后相关。因此，大力发展特种气体气源柜是必然趋势，也具有重要的意义。

1 半导体行业特种气体气源柜构思

1.1 气源柜功能构思

设计气源柜的目的是为供应有毒有害性、腐蚀性等危险气体。气源柜的基本功能包括手动排放、手动吹扫、自动切换[1]。本文研究气源柜供气系统的面板部件，采取自动焊接、VCR连接，最大化降低气体泄漏的风险，并且尽可能减少面积。

气源柜的功能结构包括：为防止过高的压力对终端使用设备的不利影响，配置气体泄压阀；同一张控制板上设置工艺气源和吹扫气源；使用进口减压器在控制面板上，保持稳定的压力输出；内置浓度报警器；配置低压传感器；安装气体单向阀；柜体带有可视窗；安装压力表；真空发生器配置于面板管路上；柜体内安装钢瓶固定带等。

1.2 柜体造型设计方案构思

设计工业造型需要与美学基本原理相符合，比如色彩和搭配、比例和尺寸、对称和对比等。同时与人机工程学相符合，比如可视性、可操作性等[2]。

气源柜的钢瓶数设计可分为三种：三瓶位、双瓶位、单瓶位。规则尺寸各有不同。本文研究用于半导体行业的气源柜，需要保证安全生产，符合气体供气要求。如果使用单钢瓶气源柜，用光气体后更换钢瓶，需要将气体输岀阀门关闭，停止供气。如果使用双瓶位气源柜供气，可以确保两侧气瓶轮流连续不间断供气，但系统吹扫或者气瓶更换，需要引入另外一条管线[3]。使用三瓶位气源柜，可以放置1瓶吹扫气，2瓶工艺用气，保证安全生产，提供惰性气体吹扫保护，而且实现连续不间断供气。因此选择使用三瓶位气源柜。

1.3 柜内面板气路流程图构思

半导体行业使用的设备许多都是高尖端技术。特种气体气源柜的许多功能都在一张面板上，柜内的面板是整个设备的核心。面板涉及超压保护、连续不间断供气、保护惰性气体等功能。管路流程图设计依据这些功能要求，并且综合考虑管线布置的合理性、安装工艺、安全规范等[4]，采取设计方案为工艺气供气2瓶，高纯氮气吹扫1瓶。

在制药行业、医院、实验室等中广泛应用的普通气体自动切换装置，自动切换利用的是压差原理。自动切换装置中的配置包括截止阀、金属盘圆管、过滤器、单向阀、双表减压器等。以对称形式分布，中心是中间输出阀门，加上两个高压供气钢瓶，形成供气系统。p右表示右边减压器系统输出压力。p左表示左侧减压系统输出压力。气体经过减压器减压后输出压力值p。压力调到p左时，左侧减压器调压手轮锁死不动，右侧可以旋转，旋转范围180°。逆时针旋转，输入压力下降。顺时针旋转，输出压力上升。p右压力是变量。定值是p左压力。根据箭头显示气体正在使用方向，箭头指向右侧，说明供气的为右侧的钢瓶。箭头指向左侧，反映供气的是左侧的钢瓶。

在使用时，先确定优先供气的一侧，箭头指向左侧，设置优先供气的一侧为左侧钢瓶。然后将钢瓶连接，保证装置上是关闭的阀门。将装置上的阀门，以及钢瓶上的阀门开启。供气开始。左侧阀门先打开，之后是右侧。顺序每次都是先开瓶阀，之后是装置上的。供气压力显示为p左。如果右侧系统输出压力p右，高于左侧钢瓶气体压力，供气自动转换成右侧钢瓶。左侧钢瓶更换时，先关闭钢瓶阀门，再装置阀门。顺时针180°旋转手柄。空瓶拆卸后，将满瓶换上。顺时针旋转减压器手轮。右侧输出压力增加。换瓶后，右侧钢瓶供气。当左侧钢瓶输出压力高于右侧，就会自动供气。注意每次更换需要手动旋转手轮。

依据普通气体自动切换，进行特种气体气源柜内面板气路流程设计。面板上所用的管阀件主要包括不锈钢三通、吹扫气用双表减压器、过滤器、压力传感器、单向阀、工艺气用双表减压器、安全阀、隔膜截止阀、输出用压力表、真空发生器、不锈钢弯头、不锈钢C型弯管。如图1，工艺气系统进行高压吹扫，通过工艺气排空口排出气体，从而在钢瓶更换时，充分置换高压力、高浓度的工艺气体。然后将管线死角、阀件的残气抽空，使用真空发生器抽取。系统内的工艺气在钢瓶更换时不会流出，具有保护的作用。

图1 流程图设计

2 半导体行业特种气体气源柜设计

2.1 气源柜柜体结构设计

柜体使用优质冷轧钢板，厚度为2mm。进行剪切、折弯、冲压等操作处理。表面作防锈处理。做耐腐蚀、耐酸碱表面处理，使用静电粉沫喷涂防护层。喷涂防护层经过实验测试合格，能够防爆、阻燃、防腐，牢固可靠。为固定气瓶，内置套锁式不锈钢卡圈[5]。内设排风口，方便排出泄漏的气体。配备特种气体泄漏报警装置。合页采用不锈钢材料。门销使用镀锌金属专用门销。拉手使用不锈钢拉手。

2.1.1 柜体外形尺寸设计

本文设计中使用的供气方式为三钢瓶，吹扫气1个钢瓶，工艺气2个钢瓶。柜体外形尺寸依据钢瓶的数量，以及管阀件数量。钢瓶总直径270～300mm，其中胶皮保护圈20mm后，钢瓶直径230～260mm。柜体高度为1 800mm。柜体宽度1 100mm，能够放下钢瓶并且方便使用者操作。柜体厚度与门一共500mm，柜体厚度能够方便操作员操作阀门，同时小于一个人的臂长。柜体采用双开门设计，由中心向外扇形打开，方便相关人员操作，也节省空间。

2.1.2 柜体翻板的设计

柜体的底板与地面有一定的高度，需要人为抱起钢瓶，将钢瓶放入柜体，而不是平行将钢瓶推进柜体。钢瓶用完气后从柜内取出也是如此。但反复搬运钢瓶，需要花费时间和体力，一个40L的标准钢瓶，装满气体是55kg，空瓶是50kg。因此在设计中，为解决这一问题，安装一个翻板在底部靠近门一侧的边缘。依靠合页将柜体底板与翻板连接。需要搬运钢瓶时，放倒翻板，形成一个小斜坡。很容易挪动钢瓶，不需要换瓶者抱起钢瓶。瓶底与地面接触，挪动钢瓶省时省力。使用碳钢材质翻板，3mm厚度。翻板表面进行磷化处理，与翻板铰链配合使用。铺上一层5mm的橡胶板，可以防止钢瓶与翻板接触摩擦，并且有减震的作用。

2.1.3 柜体底板的设计

柜体内部放置40L的标准钢瓶三个，气体用完后需要更换。对柜体底板形成重力，长时间作用下，尤其是底板中部，容易导致弯曲变形。由此影响钢瓶摆放的稳定性，容易带来很大的安全隐患。在设计中，柜体底部增加设置加强筋，提升底板的抗压性，避免底板弯曲变形。大部分钢瓶是碳钢材质，或者其他金属材质，柜体也为碳钢材质。钢瓶更换时，在摩擦下容易产生静电[6]，对于一些特殊气体来说非常危险，使用橡胶板可以防止静电。柜体底板四角安装膨胀螺丝，提升牢固性和稳定性。

2.1.4 柜体翻板搭钩的设计

更换钢瓶时，放倒柜体底部翻板，换完后，向上翻起。如果地面不平整，翻板会碰撞钢瓶或者柜门，因此需要加强固定。在柜体侧面立板上，设置固定挂钩。挂钩上有两个长孔，直径7mm，用螺丝固定，不能过松或者过紧。需要翻板时，向上抬起挂钩。翻板用完后，凭借挂钩自身重量，将翻板勾住。

2.2 气源柜面板管阀件的布局设计

本文研究设计面板尺寸为1 000cm×500cm×2mm。在气源柜内部支架上进行横向安装。将面板拆成两块，避免过长不容易安装。一块用于吹扫气系统的管阀件。一块用于工艺气系统的管阀件。用活接头连接两个系统之间的阀件。完成安装后连接即可。在面板边缘进行折边，形成“几”字形，保证足够的强度。

气源柜面板需要的阀件主要包括不锈钢弯头、不锈钢三通、真空发生器、压力传感器、单向阀、安全阀、工艺用双表减压器、过滤器、隔膜截止阀、吹扫气用双表减压器、不锈钢管等。由于高度超过设计尺寸500mm的要求，因此重新排列面板上的管阀件。水平摆放过滤器F（A）和F（B），以及减压器进气端阀门DV（A）3和DV（B）3。DV（A）1和DV（B）摆放在面板中部。DV（A）3和DV（B）3分开引向柜门。真空发生器和低压放空的防空管线，在面板上不连接，而是分别引向柜外。安全阀RV、单向阀CV1、阀门DV1、DV2、DV3，摆放在面板左侧。