一、概念
特氣輸送系統(tǒng)是指:將特種氣體從氣源端、根據(jù)工藝設備的工藝需求、通過對流量和壓力等參數(shù)的控制,通過管道、無二次污染、穩(wěn)定的輸送到工藝設備的用氣點。
其基本流程是:氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點。
二、分類
特種氣體根據(jù)氣體性質不同一般分為:惰性氣體、易燃易爆氣體、有毒氣體和腐蝕性氣體;根據(jù)供應包裝的不同分為:特種氣體和大宗特種氣體。
三、供氣系統(tǒng)的選擇
1、簡單供氣系統(tǒng)
簡單供氣系統(tǒng)主要針對4英寸及以下半導體芯片廠、半導體材料的科研機構以及一些單臺的工藝設備等。它們的制程簡單,通常不需要連續(xù)性供氣,對氣體供應系統(tǒng)的投資預算低。
由于氣體流量小,不經(jīng)常使用,特種氣體氣源多采用普通鋼瓶(<50L)。輸送系統(tǒng)多采用半自動氣瓶柜或氣瓶架加簡單的控制面板;配置繼電器控制,自動切換,手動吹掃,手動放空,有害性氣體配備緊急切斷閥。惰性氣體瓶架則采用全手動系統(tǒng),有些甚至用單瓶系統(tǒng)。所有氣體共用一個氣體房,甚至沒有氣體房,特氣鋼瓶和輸送系統(tǒng)有時放在回風夾道,或直接放在工藝制造設備旁邊或隔壁。如果沒有特別危險氣體一般共用一個抽風系統(tǒng)。簡單供氣系統(tǒng)通常存在安全隱患。
2、常規(guī)供氣系統(tǒng)
常規(guī)供氣系統(tǒng)主要應用于4-6英寸大規(guī)模集成電路廠,50MW以下的太陽能電池生產(chǎn)線,發(fā)光二極管的芯片工序線以及其它用氣量中等規(guī)模的電子行業(yè)。對氣體純度控制的要求不苛刻,系統(tǒng)配備在滿足安全的前提下盡量簡單,節(jié)省投資。
特種氣體采用普通鋼瓶(<50L)供氣。特氣輸送系統(tǒng)采用氣瓶柜。配置全自動PLC控制器,彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動閥門和壓力傳感器,可實現(xiàn)自動切換,自動氮氣吹掃,自動真空輔助放空;多重安全防護措施,泄漏偵測,遠程緊急切斷;專用氮氣吹掃起源等等。VMB采用支路氣動閥,氮氣吹掃,真空輔助排空。惰性氣體多采用半自動氣瓶架,繼電器控制,自動切換,手動吹掃,手動放空;VMB主管氣動閥,氮氣吹掃;支路氣動閥,氮氣吹掃,真空輔助排空。氣體房和抽風系統(tǒng)根據(jù)氣體性質進行分類。
3、大宗特氣供氣系統(tǒng)
大規(guī)模供氣系統(tǒng)主要針對大規(guī)模量產(chǎn)的8-12英寸(1英寸=25.4毫米)超大規(guī)模集成電路廠(氣體種類包括SiH4、N2O、2、 C2F6、 NH3等),100MW以上的太陽能電池生產(chǎn)線(氣體種類包括NH3),發(fā)光二極管的磊晶工序線(氣體種類包括NH3)、5代以上液晶顯示器工廠(氣體種類包括SIH4、CL2、NH3、NF3)等、光纖(氣體種類包括SiCl4)、硅材料外延生產(chǎn)線(氣體種類包括HCL)等行業(yè)。它們的投資規(guī)模巨大,采用最先進的工藝制程設備,用氣需求量大,對穩(wěn)定和不間斷供應、純度控制和安全生產(chǎn)提出最嚴格的要求。
這些工廠的特種氣體的供給,除了普通鋼瓶(50L及以下)包裝的特種氣體外,還有多種類的特種氣體都普遍采用大包裝容器,由此它們被稱為大宗特氣,包括Y-鋼瓶(450L),T-鋼瓶(980L),集裝格(940L),ISO罐(22,500L),魚雷車(13,400L)等。
大宗特氣供應系統(tǒng)(BSGS)采用全自動PLC控制器,彩色觸摸屏;氣體面板采用氣動閥門和壓力傳感器,可實現(xiàn)自動切換,自動氮氣吹掃,自動真空輔助放空;多重安全防護措施,泄漏偵測,遠程緊急切斷;專用氮氣吹掃起源等等。特種氣體采用獨立氣源,多用點采用VMB或VMP分路供應,VMB或VMP采用支路氣動閥,氮氣吹掃,真空輔助排空等。由于BSGS氣源總量大,多采用獨立的氣體房,獨立的抽風系統(tǒng)
四、氣體房的選擇和設計
除了簡單的供氣系統(tǒng)以外,特氣房一般都獨立于主場房而單獨建設,其規(guī)劃時需考慮建筑物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險物的總量控制等。常規(guī)供氣系統(tǒng)一般也采用多種氣瓶柜共設在一個氣體室;而對于大宗特氣,會根據(jù)氣體特性和相容性將氣體房分成可燃氣體房、腐蝕性氣體房、惰性氣體房、硅烷氣體房、毒性氣體房等。氣體房必須有良好的通風,氣體房的選擇和設計一般由設計院完成。
五、管道系統(tǒng)的設計
1、材料的選擇
特氣管路系統(tǒng)普遍采用316L不銹鋼電解拋光(EP)管道,閥門一般采用高純調壓閥、隔膜閥、高精密過濾器、(<0.003微米)、VCR接頭等。接觸氣體的管路部件表面粗糙度可控制在5uin。對于某些高腐蝕性的氣體如CL2等,采用經(jīng)過特殊處理的耐腐蝕強的EP管 。
2、主管路系統(tǒng)的設計
在確定好氣體房和用氣點以后,主管路系統(tǒng)一般遵循管道線路最短,拐彎最少,布置緊湊合理,給人簡單美觀的感覺。輸送系統(tǒng)的數(shù)量和管徑的大小一般根據(jù)機臺用氣點的多少和流量大小確定,基本都采用小管徑輸送(1/4-3/4)而且多設計了備用系統(tǒng)。由于氣體本身的危險性,許多地方采用把管道鋪設在電纜橋架里,對于穿墻或穿過夾道的地方,周圍有危險源和經(jīng)常有危險作業(yè)的地方,露天的地方管道一般布置在全封閉的橋架里。
對于低蒸汽壓氣體(WF6,DCS,BCl3,C5F8,ClF3等),需要考慮鋼瓶加熱,氣體面板加熱,管道伴熱等。為了精確控制流量,在氣源端一般會考慮配置高精度的壓力變送器、電子秤、溫控器等。在機臺用氣點也都配置了質量流量計,壓力調節(jié)閥。對于劇毒、高反應性和自燃氣體,應使用雙套管輸送。同時管道的設計要采用零死區(qū)設計,即整個管道系統(tǒng)從氣柜到VMB、從VMB到用氣點,要點對點,中間不允許有在氣體置換時有殘留空氣的死角。因此,整個管路系統(tǒng)中由VMB完成氣體的分配,中間沒有三通。最后管道還要有良好的接地。
3、輔助系統(tǒng)的設計
氣體柜或控制面板在安裝和運輸?shù)倪^程中由于搬運和震動,閥門、接頭、過濾器等的更換、或其他原因、需要對其重新進行高壓氣密性試驗和氦檢,氣體的置換也需要用到高壓氮氣或氦氣,所以特氣柜需設計接入高壓惰性氣體氦氣或氮氣。一般選擇在特氣房設置一臺或多臺惰性氣體柜。其連接形式為:
特氣柜中裝有各種氣體驅動閥,主管路在送氣前必須進行管道的吹掃和空氣的置換,所以還需輔助有高純氮氣和潔凈壓縮空氣系統(tǒng)。氮氣系統(tǒng)采用SUS316L-EP管,CDA可采用SUS316L-BA管,其管徑根據(jù)氣柜的多少來計算決定。
氣體房和氣柜還須有自動噴淋系統(tǒng),但有的氣體如三氟化氯,硅烷遇水反應,這時就還需要考慮采用二氧化碳滅火系統(tǒng)。
排風系統(tǒng)和放空系統(tǒng)也是特氣系統(tǒng)的重要組成部分。其排風系統(tǒng)也根據(jù)危險品性質分成普通排風系統(tǒng)(GEX)、酸性排風系統(tǒng)(SEX)、溶劑排風系統(tǒng)(VEX)、氨氣排風系統(tǒng)(AEX)。普通排風系統(tǒng)采用鍍鋅鐵皮風管,酸性排風一般采用玻璃鋼風管,溶劑和氨氣排風一般采用不銹鋼風管。氣柜的排風也是根據(jù)其性質接入上面不同的排風系統(tǒng)。氣體的放空是指特氣管道和氣柜中的特氣經(jīng)氮氣稀釋后由放空管道排放到大氣或排風系統(tǒng)中,有的劇毒性或高危害性的氣體建議排放到尾氣處理器中經(jīng)處理后排放至相應的排風系統(tǒng)中。放空系統(tǒng)一般采用SUS304不銹鋼管道,一直延伸到屋頂,高出屋面兩米左右,并設防雨罩。
六、GMS和GDS系統(tǒng)
氣體監(jiān)控系統(tǒng)(GMS)通過計算機網(wǎng)絡,實現(xiàn)對氣體輸送系統(tǒng)的實時監(jiān)控,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
氣體偵測系統(tǒng)(GDS)是全廠生命安全系統(tǒng)(LSS)的重要組成部分。對于偵測器的要求,除了精度高,反應迅速外,還應具備自檢功能。對于這兩個系統(tǒng)在這里只能做一個概念性的介紹。
最后、充分了解氣體特性、從而合理配置系統(tǒng),合理選擇管徑和材料,是我們設計的重點,這樣可顯著降低整個系統(tǒng)的成本。

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