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。

电子气体

气体工业名词，半导体工业用的气体统称电子气体。按其门类可分为纯气，高纯气和半导体特殊材料气体三大类。特殊材料气体主要用于外延，掺杂和蚀刻工艺高纯气体主要用作稀释气和运载气。电子气体是特种气体的一个重要分支。电子气体按纯度等级和使用场合，可分为电子级，LSI(大规模集成电路)级，VLSI(超大规模集成电路)级和ULSI(特大规模集成电路)级。

近几年来，智研数据研究中心随着我国超大规模集成电路、平板显示器、光伏发电等产业的迅速发展，电子气体市场需求量明显增长，电子特种气体的国产化已是大势所趋。据了解，我国在国产化方面取得可喜进展:国产高纯氨改变了国外气体公司垄断市场的格局，高纯四氟化碳"有价无货"时代也宣告结束，高纯氯化氢已成功打开国内市场。

电子气体(Electronicgases)是超大规模集成电路、平面显示器件，化合物半导体器件，太阳能电池，光纤等电子工业生产不可缺少的原材料，它们广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。例如在目前工艺技术较为先进的超大规模集成电路工厂的晶圆片制造过程中，全部工艺步骤超过450道，其中大约要使用50种不同种类的电子气体。电子气体输送系统是指为满足工艺制程的需求，在充分保证工艺和产品安全使用的前提下，将电子气体从气源端无二次污染、控制工艺需求的流量和压力等参数、稳定地输送到工艺生产设备的用气点。根据气体性质和供应包装的不同，一般电子气体可划分为大宗普通气体、特种气体和大宗特种气体。

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