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(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。

目前电子消费品的种类繁多以及升级换代日趋频繁，同类产品的不同制造规模、不同级别档次的生产工厂和科研机构共存。基于投资规模和产品档次的不同的实际要求，工业界对电子气体输送系统基本有以下三类需求： 大规模供气系统主要针对大规模量产的8-12英寸（1英寸=25.4毫米） 超大规模集成电路厂（气体种类包括SiH4、N2O、2、 C2F6、 NH3等），100MW以上的太阳能电池生产线（气体种类包括NH3），发光二极管的磊晶工序线（气体种类包括NH3）、5代以上液晶显示器工厂（气体种类包括4、3、NF3）、光纤（气体种类包括SiCl4）、硅材料外延生产线（气体种类包括HCL）等行业。它们的投资规模巨大，采用最先进的工艺制程设备，用气需求量大，对稳定和不间断供应、纯度控制和安全生产提出最严格的要求。

上述工厂的大宗普通气体多采用现场制气(On-site)或工业园区管道(Pipeline)集中供应方式，一个年产5万片的8英寸 超大规模集成电路厂高纯氮气的需求超过5,000Nm3/h，发光二极管的磊晶工序线和硅外延生产线的氢气需求超过100Nm3/h。

除了普通钢瓶（50L及以下）包装的特种气体外，还有多种类的特种气体都普遍采用大包装容器，由此它们被称为大宗特气，包括Y-钢瓶（450L），T-钢瓶（980L），集装格（940L），ISO罐（22,500L），鱼雷车（13,400L）等。

大宗特气供应系统（BSGS）采用全自动PLC控制器，彩色触摸屏；气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空；多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断；专用氮气吹扫起源等等。特种气体采用独立气源，多用点采用VMB或VMP分路供应，VMB或VMP采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空等。由于BSGS气源总量大，多采用独立的气体房，独立的抽风系统。 常规供气系统主要应用于4-6英寸 大规模集成电路厂，50MW以下的太阳能电池生产线，发光二极管的芯片工序线以及其它用气量中等规模的电子行业。它们的投资规模中等，生产线可能是二手设备，对气体纯度控制的要求不苛刻，系统配备在满足安全的前提下尽量简单，节省投资。

常规供气系统的大宗普通气体多建立现场气站，采用现场液体储罐（LIN, LOX, LAR）或集装格(H2, He)供应方式。气体由管路系统输送至厂房，直接开三通送至用气点。

特种气体采用普通钢瓶（<50L）供气。特气输送系统采用气瓶柜。配置全自动PLC控制器，彩色触摸屏；气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空；多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断；专用氮气吹扫起源等等。VMB采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。惰性气体多采用半自动气瓶架，继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空；VMB主管气动阀，氮气吹扫；支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。气体房和抽风系统根据气体性质进行分类。 简单供气系统主要针对4英寸及以下半导体芯片厂、半导体材料的科研机构等。它们的制程简单，通常不需要连续性供气，对气体供应系统的投资预算低，生产和管理人员欠缺安全意识。

由于气体流量小，特种气体气源多采用普通钢瓶（<50L）。输送系统多采用半自动气瓶柜或气瓶架，配置继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空，有害性气体配备紧急切断阀。惰性气体瓶架则采用全手动系统，有些甚至用单瓶系统。共用一个气体房，甚至没有气体房，特气钢瓶和输送系统有时放在回风夹道，或直接放在工艺制造设备旁边。共用一个抽风系统。系统通常存在安全隐患。 随着电子消费品的升级换代，产品制造尺寸越来越大，产品成品率和缺陷控制越来越严格，整个电子工业界对电子气体气源纯度，以及杜绝输送系统二次污染的要求越来越苛刻。基本上工业界对电子气体气相不纯物以及颗粒度污染提出的技术指标，直接与分析仪器技术进步带来的最低检测极限（LDL）相关联。如传统的激光颗粒测试仪可测到0.1微米，而核凝结技术（CNC）可达到0.01微米。

目前12英寸超大规模集成电路制造线宽已经发展到45纳米， 对于大宗气体的纯度都要求在ppt级别, 颗粒度控制直指CNC分析仪器的下限。实验室超高亮度发光二极管（LED）技术指标已达到200Lm/w（流明/瓦）以上，对于氢气和氨气的纯度控制要求也都小于1ppb（十亿分之一），氨气则采用多级精馏生产，技术指标到达7N（7个9）的“白氨”，5N的氢气需要采用先进的钯膜纯化器提纯至9N。

大宗特气系统(BSGS)的及时应用有利于提高污染控制。首先大包装容器保证了气体品质的连续性，降低了多次充装污染风险。另外由于换瓶频率的减少，也减少了污染几率。BSGS多采用了深层吹扫，显著提高了吹扫效果。

输送管路系统普遍采用了316L不锈钢电解抛光（EP）管道，高纯调压阀、隔膜阀、高精密过滤器（<0.003μm）、VCR接头等，接触气体的管路部件表面粗糙度可控制在5uin，同时采用零死区设计。施工技术采用全自动轨道焊接，同时制定和实施严格的超高纯施工和QA/QC保证程序。

气体输送系统建成后必须经过严格的保压、氦检漏、颗粒度和水分、氧分以及其它气相杂质的测试。 如何满足大规模量产工厂对电子气体大流量、不间断和稳定输送的要求是一个挑战。

电子气体多以集中式供应为趋势，特种气体集中放置在气体房。输送系统的数量是根据机台对流量的需求进行合理配置。特气输送设备必须采用全自动切换供气，而且多设计了备用设备。对于低蒸汽压气体（WF6，DCS，BCl3，C5F8，ClF3等），需要考虑钢瓶加热，气体面板加热，管道伴热等。为了精确控制流量，在气源端一般会考虑配置高精度的压力变送器、电子秤、温控器等。在机台用气点也都配置了质量流量计。

对于大流量的BSGS，不但要考虑管路压降和液化钢瓶蒸发吸热对流量的影响，还要考虑气体经过调压阀减压后的焦耳-汤普逊效应。一般而言，气体减压后，温度会降低，甚至液化。这会照成输送压力的不稳定以及管路系统的损坏。因此需要考虑在减压前对气体进行预热。气体监控系统（GMS）通过计算机网络，实现对气体输送系统的实时监控，以确保系统的稳定性。

针对液化气体（如氨气）的BSGS，采用直接加热液体的气化输送系统(Evaporator)已经研发成型，很快会在BSGS的应用上推广。 电子气体可能存在窒息性、腐蚀性、毒性、易燃易爆性等危险，其危害性被不同国家区域和不同的工业组织进行了详细的危险等级分类。对于一个大规模量产的电子工厂，其使用和存储的电子气体数量之多可以毫不夸张地被视为拥有“大规模杀伤性”武器库。任何设计上、施工中、日常运行里存在的安全隐患都会对工厂、人员和环境带来巨大的灾难。

如何保证电子气体的安全储存、使用 *** 作，系统的工艺和产品本征安全设计，在众多的国际标准规范如SEMI，NFPA，CGA，FM等都有很详细的规定，目前中国国内也正在起草针对电子特种气体的国家标准规范。通常而言，会根据气体性质和相容性，将气体房分成可燃气体房、腐蚀性气体房、惰性气体房、硅烷气体房、三氟化氯气体房等。气体房规划需要考虑建筑物的防火、泄爆、防火防爆间距、危险物总量控制等等。针对硅烷输送系统，特别是BSGS系统，因总量较大，应采用隔离式建筑。气体房和气柜应采用自动喷淋系统。而三氟化氯遇水反应，需要采用二氧化碳灭火系统。

使用电子气体的工厂抽风系统也根据危险品性质分成了普通排风系统(GEX)，酸性排风系统(SEX)，溶剂排风系统(VEX)和氨气排风系统(AEX)。换钢瓶时的吹扫尾气，也建议排放至尾气处理器中。

输送管道一般采用无缝SS316L EP管。施工采用自动轨道焊接，经保压、氦检漏和纯度测试。对于剧毒、高反应性和自燃气体，应使用双套管输送。一些剧毒气体如磷烷、砷烷等，安全输送系统（SDS）正在被广泛使用。其钢瓶内采用负压吸附的方式，用真空法输送，从根本上避免了气体的泄漏。

气体侦测系统(GDS)是全厂生命安全系统（LSS）的重要组成部分。对于侦测器的要求，除了精度高，反应迅速外，还应具备自检功能。 因为电子工业投资规模越来越大，缩短建设周期，降低建设成本也越来越重要。对电子气体输送系统而言，如何在不降低系统污染控制水平和不牺牲安全配置的前提下，努力减少建设和运行成本，同样是一个挑战。

合理配置系统，合理选型材料，可显著降低初始投资费用。这就要求电子气体输送系统承包商具备较强的系统设计能力。性质相匹配的气体，采用同一吹扫氮气系统，可显著节约气瓶柜的投资。对于VMB，可采用移动式吹扫氮气盘。小管路 (≤1/2”)的施工，直接采用弯管的方式，既节约了弯头的费用，也大大提高了施工效率。严格执行高纯管路施工规范，可大大降低测试气体和测试时间。这些都是行之有效的成本控制措施。采用大包装容器的气源，可大大降低物流和人力 *** 作等运行费用。因而BSGS越来越受到更多客户的青睐。

综上所述，电子气体输送系统面临着高纯度、大流量、严格的安全措施和大力降低建设成本四个方面的挑战，同时这四个方面也是未来的发展方向。

---