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高纯气体输送系统中气体与管道的关系

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高纯气体输送系统中气体与管道的关系

发布日期:2021-07-08 作者: 点击:

  高纯气配管技术是高纯气体供气系统的重要组成部分,它是能否将符合要求的高纯气体送到用气点保持质量合格的关键技术;所谓的高纯气体配管技术包括系统的正确设计、管件及其附件的选择、施工安装和试验测试等。微电子产品生产中对高纯气体纯度和杂质含量的要求越来越严格,使得高纯气体的配管技术越来越受到人们的关注和重视。本文介绍了高纯气输送系统从材料选择、施工、验收、日常管理等方面的介绍。

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  常用气体类型。


  电子业常用气体的分类:


  常见的气体,也称为大型气体(Bulkgas):氢(H2)、氮(N2)、氧(O2)、氩(A2)等;


  特殊气体(Specialtygas)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……


  一般情况下,气体的种类可分为腐蚀性、毒性、易燃、助燃、惰性等,常用半导体气体的分类如下:


  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…


  3、助燃:O2,Cl2,N2O,NF3…等;


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


  许多半导体气体对人体有害。尤其是其中一些气体,如SiH4的自燃,由于泄漏而与空气中的氧气发生剧烈反应而开始燃烧;还有AsH3的毒性很大,任何微小的泄漏都会对人体造成危害,也就是由于这些明显的危险,对系统设计的安全性要求特别高。


  使用气体范围。


  煤气制品是现代工业的重要基础原料,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、医药等行业中,都使用大量的普通气体或特殊气体。天然气的应用,尤其对这些领域具有重要影响的高科技,是其不可或缺的原料气或工艺气。而气体工业产品的品种、质量、数量等都离不开各种新兴工业部门和现代科技的需求和推动。


  用于微电子、半导体工业的气体。


  在半导体工艺过程中,气体的使用起着重要作用,尤其是半导体制程目前已被广泛应用于各个行业,从传统的ULSI、TFT-LCD到现在的微机电(MEMS)产业,都是以半导体制程为产品的制造流程,其中的制程包括干蚀刻、氧化、离子布植、薄膜沉积等都使用到相当多的气体,而气体的纯度对组件性能、产品良率有着决定性的影响,气体供应的安全则关系到人员的健康与工厂运作。


  高纯管输送对高纯气体输送的意义。


  熔炼不锈钢时,每吨能吸收约200g的气体。经加工后,不锈钢表面不仅粘附各种污染物,而且在其金属晶格内还吸附了一定量的气体。管道内有气流通过时,金属吸收的这部分气体将重新进入气流,污染纯净气体。在管道内气流非连续流动时,管内气体在其形成压力作用下吸附,气流停止通过时,管内气体会形成降压解析式,而解析气体则作为杂质进入管内。与此同时,吸附、解析循环,使得管道内表面金属也会产生一定的粉末,这种金属粉尘颗粒同样会污染管道中的纯净气体。管道的这一特性非常重要,为了保障输送气体的纯净度,不仅要求管道内表面必须有很高的光滑度,而且还应具有很高的耐磨性。


  气体腐蚀性较强时,一定要选择耐腐蚀的不锈钢管道作配管,否则,管道就会因腐蚀导致在内表面产生腐蚀斑,严重时会造成大量金属剥离甚至穿孔,从而污染输配的纯净气体。高纯、高洁净度气体输送管道的大流量连接,原则上全部采用焊接方式焊接,所需的管件,焊口组织无变化。含碳量高的材料焊接时,受焊接部位透气,使管内和管内气体相互渗透,使输送气体的纯净、干燥和洁净受到破坏,使我们的一切努力都失去意义。总之,对于高纯气体及特种气体输送管道,必须采用一种特殊处理的高纯不锈钢管,直至使高纯管道系统(包括管道、管件、阀门、VMB、VMP)在高纯气体分配中承担重要任务。


  输配电管道清洁技术的一般概念。


  高纯净气体输送配管,是指输送气体的“三度”要求或控制。


  1、气体纯度:气体中杂质气氛的含量,一般表示为气体纯度的百分率,如99.9999%,还以体积比ppm,ppb,ppb,ppt表示。


  2、干度:气体中微量水分的含量,或称其为湿量,通常用露点来表示,正如常压露点-70℃。


  3、洁净度:气体中含有多少污染物,颗粒大小为m,颗粒数/M3,对于压缩空气而言,包含含油量的不可避免的固体残留物,通常也用多少mg/m3表示。


  污染物粒度分类:污染物颗粒,主要指由管道侵蚀、磨损、腐蚀产生的金属颗粒、大气中尘埃微粒,以及微生物、噬菌体和凝结湿气体滴等,按其粒径大小分为:


  a、颗粒大——颗粒大小大于5微米;


  b、粒径在0.1-5μm范围内;


  超微颗粒——颗粒尺寸小于0.1微米。


  为了加强应用本技术时,可以对微粒的尺寸和单位有感性认识,现提供一组特定的微粒状态,供对照参考。


  煤气输送管选用原则。


  一切高纯度、高洁净气体都需要通过管道输送到设备用点(POU),在气体出口指标一定的情况下,为达到工艺对气体质量的要求,在气体出口指标一定的情况下,应更加重视配管系统的材料选择和施工质量。除了制气和净化设备的精度外,管道系统的许多因素对管道系统有很大影响,所以选择管道时应恪守相关的行业原则,并在图纸中注明管道材质。


  根据使用需要选择管道的材质,如用于制程中的反应气体则选用高等级的316LEP管,经电解抛光(Electro-Polish)处理,耐腐蚀,表面粗糙度低,Rmax(maximumpeaktovalleyheight)大约0.3μm,其值远低于经过烧结处理的316LBA管的0.8μm,由于平整度越高,越不容易形成微涡流,而污染粒子带出。而316LBA管常用于与晶片接触但不参与制程反应的气体,如GN2、CDA。管道内表面粗糙度是衡量管道质量的指标。粗糙度越低,携带颗粒的可能性就越小。另外一种AP管(Annealing&Picking),它没有经过特殊处理,用于双套外部管道,而不用作供气管道。


  现在国内可参照的洁净空气标准较少,通常我们除了参照《洁净厂房设计规范》、《氢氧站设计规范》、《氢氧站设计规范》、《压缩空气设计规范》等相关技术规范外,我们在行业内惯用的选材与配管一般是参照国际通用的标准。


  半导体行业线宽越小,对气体纯度、微粒含量、杂质含量、露点等方面的要求也越来越高。表格1为各线宽对超纯氮的要求。


  1、高纯氮气(PN2):系统管道采用内壁电解抛光(EP)低碳(316L)不锈钢管,阀门采用同材料的波纹管阀或隔膜阀。


  2、氮气(N2):系统管道采用内壁电解抛光(EP)低碳(316L)不锈钢管或光亮退火(BA)不锈钢(316L)管,阀门采用相同材料的波纹管或球阀。


  3.高纯氢(PH2)氢(H2):系统管道采


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