Gas初识_Bulk Gas（一）

半导体工厂Fab使用到的Gas主要分为2类： 大宗气体系统和特种气体系统

大宗气体系统（Bulk Gas）： 使用量较大的几种气体，有氮气（N2）、氧气（O2）、氢气（H2）、氩气（AR）、氦气（He）、压缩空气（CDA）。

一、大宗气体系统概述

Bulk Gas System主要由供气系统和管道系统组成，其中的供气系统包含气源、纯化、品质监测等几部分，一般气源设置在独立于生产厂房之外的气站（Gas Yard），而气体的纯化一般设置在生产厂房内专门的纯化间（Purifier Room），这样的目的是可以保证高纯度的气体输送距离减少，既可以保证气体品质，而且可以节约成本。一般高纯度输送气体的管道采用SUS 316L EP级管道。经过纯化的高纯气体从纯化间输送到辅道生产层（Sub Fab）或生产车间的架空地板下，形成配管网络，最后由二次配管系统（Hook up）送至各生产装备。

其中氮气在整个Fab生产制造中使用量最大，根据使用点品质要求不同，又区分为普通氮气（GN2）和工艺纯化氮气（PN2）

N2供应系统示意图

二、大宗气体供气系统

2.1 气体站

2.1.1 首先必须根据工厂所需用气量的情况，选择最合理和经济的供气方式。

概述中已说明使用量最大的是氮气，根据其用量的不同，可考虑采用以下几种方式供气：

1）液氮储罐，用槽车定期进行充灌，高压的液态气体经蒸发器（Vaporizer）蒸发为气态后，供工厂使用。一般的半导体工厂用气量适中时这种方式较为合适，这也是目前采用最多的一种方式。

汽化器Vaporizer

2）采用空分装置现场制氮。这适用于N2用量很大的场合。集成电路芯片制造厂多采用此方式供气，而且还同时设置液氮储罐作备用。

3）氧气和氩气往往采用超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供应。

氧气和氩气供应示意图

4）氢气则以气态方式供应，一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。如用气量较大，则可采用Tube Trailer供气，只是由于道路消防安全审批等因素，目前在国内还很少采用此方式。相信随着我国微电子工业的飞速发展，相关的安全法规会更完善，Tube Trailer供气方式会被更多地采用。如果氢气用量相当大，则需要现场制氢，如采用水电解装置。

氢气和氦气供应示意图

5）氦气以气态方式供应，一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。如用气量较大，则可采用Tube Trailer/ISO槽车供气。

6）压缩空气主要通过Gas Yard内压缩机产气，干燥机吸附后得到干燥洁净的压缩空气，简称CDA。CDA一般在所有的行业均有使用，半导体Fab使用的压力相对一般行业稍高，常见在8.5bar以上。

在整个气体站，需要特别注意几个问题：

首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必须予以高度重视的,如气体站的平面布置必须符合国家和行业相关安全规范。

其次，在设计供气压力时不仅要参照最终用户点的压力需求，而且必须考虑纯化器、过滤器以及配管系统的压力降。

2.2气体纯化与过滤

2.2.1气体的品质要求

目前对大宗气体的纯度要求往往达到ppb级，生产工艺线对大宗气体的品质要求较高。

因此，必须用不锈钢管道将大宗气体从气体站送至生产厂房的纯化室（purifier Room）进行纯化，气体经纯化器除去其中的杂质，再经过滤器除去其中的颗粒（Particle）。出于安全考虑，一般将氢气纯化室设计为单独一室，并有防爆、泄爆要求。

2.2.2 纯化器

目前国内采用的气体纯化器都是进口的，主要的生产厂家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。纯化器根据其作用原理的不同可以对不同的气体进行纯化。

一般说来，N2、O2纯化器较多采用触媒吸附式，Ar、H2、He纯化器则以Getter效果最佳，H2纯化器也多采用触媒吸附结合Getter式。

CDA常用加热吸附式干燥机来干燥压缩空气。吸附式干燥机是利用吸附剂（活性氧化铝、硅胶、分子筛）吸附水分的特性来降低压缩空气中水分的含量，一般来说可以使出口气的露点达到-40度以上。

在设计中要注意的是，不同气体纯化器需要不同的公用工程与之相配套。例如，触媒吸附式N2纯化器需要高纯氢气供再生之用；触媒吸附式纯化器需要冷却水。因此，相关的公用工程管线必须在气体纯化间内留有接口。

CDA干燥机后端室内管道需要注意结露问题，很多在设计时未能完全考虑，后期运营时部分管道结露严重，特别是靠近墙面处的管道，对墙面造成一定的影响。

2.3 气体的品质监测

大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测，观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测，而对CO、CO2及THC杂质采用间歇监测，有条件的Fab也会连续监测。测试结果连同其他测试参数（诸如压力、流量等）都会被送往控制室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）系统。同时也可以将数据共享给必要的单位或组织。

2.4 供气系统的可靠性问题

由于微电子行业的投入与产出都是非常的大，任何供气中断都会带来巨大的经济损失。因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。若采用现场制气方式，往往还需要设置该种气体的储蓄供气系统作备用。

每一种气体的纯化器都需要有一台作备用。防止在一台纯化器异常时及时切换到备用纯化器。保证气体供应的稳定性。

VDB（Valve Distributing Box），VMB（Valve Manifold Box） 的总箱,主管路到FAB内先接VDB,再分到各各VMB内，也会有些厂叫做FDB(Flow Dispense Box)，流量分配盒，一般都是用在流量需求特别大的气体供应上。你可以理解为空调系统里的分集水器，也就是由总站出来的流体分流输送的装置。大致的供气路劲可以是总站——VDB——VMB——VMP（分盘）——设备用气点。简略回答如上，谢谢。

高纯气配管技术是高纯气体供气系统的重要组成部分，是能否将符合要求的高纯气体送至用气点仍保持质量合格的关键技术；所谓高纯气配管技术包括系统的正确设计、管件及附件的选择、施工安装和试验测试等内容。近年来以大规模集成电路为代表的微电子产品生产对高纯气体的纯度和杂质含量的日益严格的要求，使高纯气体的配管技术日益受到关注和重视。以下针对高纯气体输送从选材到施工以及验收、日常管理作个简单的概述。

常见气体的种类

电子行业中常见气体的分类：

普通气体，也称大宗气体 (Bulk gas )：氢气(H2)、氮气(N2)、氧气(O2)、氩气(A2)等

特种气体(Specialty gas )主要有：SiH4 PH3 B2H6 A8H3 CL HCL CF4 NH3 POCL3 SIH2CL2 SIHCL3 NH3 BCL3 SIF4 CLF3 CO C2F6 N2O F2 HF HBR SF6……等等；

特殊气体的种类一般可分为：腐蚀性、毒性、可燃性、助燃性、惰性等，一般常用的半导体气体分类如下：

①、腐蚀性 / 毒性：HCl 、BF3、 WF6、HBr、SiH2Cl2、NH3、 PH3、Cl2、 BCl3 …等；

②、可燃性：H2、 CH4、 SiH4、PH3、AsH3、SiH2Cl2、B2H6、CH2F2、CH3F、CO…等；

③、助燃性：O2、Cl2、N2O、NF3…等

④、惰性：N2、CF4、C2F6、C4F8、SF6、CO2、Ne、Kr、He…等；

半导体气体很多是对人体有害。特别是其中有些气体如SiH4的自燃性，只要一泄漏就会与空气中的氧气起剧烈反应，开始燃烧；还有AsH3的剧毒性，任何些微的泄漏都可能造成人员生命的危害，也就是因为这些显而易见的危险，所以对于系统设计安全性的要求就特别高。 

气体的应用范围

气体产品作为现代工业重要的基础原料，应用范围十分广泛，在冶金、钢铁、石油、化工、机械、电子、玻璃、陶瓷、建材、建筑、食品加工、医药医疗等部门，均使用大量的常用气体或特种气体。气体的应用，特别对这些领域的高新技术有重要的影响，是其不可缺少的原料气或工艺气。也只有各种新兴工业部门和现代科学技术的需要和推动，气体工业产品才能在品种、质量和数量等方面得到飞跃发展。

气体在微电子、半导体行业中应用

气体的使用在半导体制程中一直扮演着重要的角色，特别是半导体制程目前已被广泛的应用于各项产业，凡举传统的ULSI、TFT-LCD到现在的微机电(MEMS)产业，皆以所谓的半导体制程为产品的制造流程，其中的制程包括如干蚀刻、氧化、离子布植、薄膜沉积等皆使用到相当多的气体，而气体的纯度则对组件性能、产品良率有着决定性的影响，气体供应的安全性则关乎人员的健康与工厂运作的安全。

高纯管道在高纯气体输送中的意义

在不锈钢熔炼制材过程中，每吨可吸收大约200g的气体。不锈钢材加工完毕，不仅其表面粘有各种污染物，而且在其金属晶格内也吸留有一定量的气体。当管路中有气流通过时，金属所吸留的这部分气体会重新进入气流中，污染纯净气体。当管内气流为不连续流动时，管材对所通过的气体形成压力下吸附，气流停止通过时，管材所吸附的气体又形成降压解析，而解析的气体同样作为杂质进入管内纯净气体中。同时，吸附、解析周而复始，使得管材内表面金属也会产生一定的粉末，这种金属粉尘粒子同样污染管内纯净的气体。管材的这一特性至关重要，为了确保输送的气体的纯净度，不仅要求管材内表面有一个极高的光滑度，而且，应当具有很高的耐磨特性。

腐蚀性能较强的气体时，必须选用耐腐蚀的不锈钢管材作配管，否则，管材将会由于腐蚀而在内表面产生腐蚀斑，严重时会出现大片金属剥离甚至穿孔，从而污染输配的纯净气体。

大流量的高纯、高洁净度气体输配管道的连接，原则上全部采用焊接，要求采用的管材，在施焊时组织不发生变化。含碳过高的材料在焊接时，受焊接部位的透气，使得管内外气体的相互渗透，破坏输送气体的纯度、干燥度和洁净度，导致我们的各项努力全部失去意义。

综上所述，对于高纯气体及特种气体输送管道，必须采用一种特种处理的高纯不锈钢管，至使高纯管道系统(包含管道、管件、阀门、VMB、VMP)在高纯气体配送中占有至关重要的使命。

输配管道洁净技术的一般概念

高纯、洁净气体体输送配管道，是指对输送气体的“三度”有一定的要求或控制。气体纯度：气体中杂质气氛的含量，通常用气体纯度的百分数来表示，如99.9999%,也用杂质气氛含量的体积比ppm 、ppb、 ppt表示；

干燥度：气体中微量水分的含量，或称之为湿量，通常以露点表示，如常压露点-70℃。

洁净度：气体中含有污染物粒子的数量，粒径为µm的粒子，多少粒/M3 来表示，对于压缩空气，通常也用不可避免的固体残留物的多少mg/m3来表示，其中涵盖了含油量。

污染物大小分类：污染物粒子，主要指管道冲刷、磨损、腐蚀产生的金属粒子、大气烟尘粒子，以及微生物、噬菌体以及含湿气体凝聚的液滴等，按其粒径的大小分为：

a、大粒子—粒径在5μm以上

b、粒子—料径在0.1μm-5μm之间

c、超微粒子—粒径小于0.1μm。

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