基本介紹
- 中文名：電子氣體
- 外文名：electron gas
- 所屬：工業名詞
- 定義：半導體工業用的氣體
- 類別數量：3
- 發展方向：高純度、大流量
簡介,發展趨勢,系統,
簡介
電子氣體是發展積體電路、光電子、微電子，特別是超大規模積體電路、液晶顯示器件、半導體發光器件和半導體材料製造過程中不可缺少的基礎性支撐源材料，它被稱為電子工業的“血液”和“糧食”，它的純度和潔淨度直接影響到光電子、微電子元器件的質量、集成度、特定技術指標和成品率，並從根本上制約著電路和器件的精確性和準確性。
近幾年來，智研數據研究中心隨著我國超大規模積體電路、平板顯示器、光伏發電等產業的迅速發展，電子氣體市場需求量明顯增長，電子特種氣體的國產化已是大勢所趨。據了解，我國在國產化方面取得可喜進展：國產高純氨改變了國外氣體公司壟斷市場的格局，高純四氟化碳“有價無貨”時代也宣告結束，高純氯化氫已成功打開國內市場。
發展趨勢
電子氣體污染控制要求日趨嚴格
隨著電子消費品的升級換代，產品製造尺寸越來越大，產品成品率和缺陷控制越來越嚴格，整個電子工業界對電子氣體氣源純度，以及杜絕輸送系統二次污染的要求越來越苛刻。基本上工業界對電子氣體氣相不純物以及顆粒度污染提出的技術指標，直接與分析儀器技術進步帶來的最低檢測極限（LDL）相關聯。如傳統的雷射顆粒測試儀可測到0.1微米，而核凝結技術（CNC）可達到0.01微米。
目前12英寸超大規模積體電路製造線寬已經發展到45納米， 對於大宗氣體的純度都要求在ppt級別, 顆粒度控制直指CNC分析儀器的下限。實驗室超高亮度發光二極體（LED）技術指標已達到200Lm/w（流明/瓦）以上，對於氫氣和氨氣的純度控制要求也都小於1ppb（十億分之一），氨氣則採用多級精餾生產，技術指標到達7N（7個9）的“白氨”，5N的氫氣需要採用先進的鈀膜純化器提純至9N。
大宗特氣系統(BSGS)的及時套用有利於提高污染控制。首先大包裝容器保證了氣體品質的連續性，降低了多次充裝污染風險。另外由於換瓶頻率的減少，也減少了污染幾率。BSGS多採用了深層吹掃，顯著提高了吹掃效果。
輸送管路系統普遍採用了316L不鏽鋼電解拋光（EP）管道，高純調壓閥、隔膜閥、高精密過濾器（<0.003μm）、VCR接頭等，接觸氣體的管路部件表面粗糙度可控制在5uin，同時採用零死區設計。施工技術採用全自動軌道焊接，同時制定和實施嚴格的超高純施工和QA/QC保證程式。
氣體輸送系統建成後必須經過嚴格的保壓、氦檢漏、顆粒度和水分、氧分以及其它氣相雜質的測試。
大流量、不間斷和穩定輸送
如何滿足大規模量產工廠對電子氣體大流量、不間斷和穩定輸送的要求是一個挑戰。
電子氣體多以集中式供應為趨勢，特種氣體集中放置在氣體房。輸送系統的數量是根據機台對流量的需求進行合理配置。特氣輸送設備必須採用全自動切換供氣，而且多設計了備用設備。對於低蒸汽壓氣體（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。在機台用氣點也都配置了質量流量計。
對於大流量的BSGS，不但要考慮管路壓降和液化鋼瓶蒸發吸熱對流量的影響，還要考慮氣體經過調壓閥減壓後的焦耳-湯普遜效應。一般而言，氣體減壓後，溫度會降低，甚至液化。這會照成輸送壓力的不穩定以及管路系統的損壞。因此需要考慮在減壓前對氣體進行預熱。氣體監控系統（GMS）通過計算機網路，實現對氣體輸送系統的實時監控，以確保系統的穩定性。
針對液化氣體（如氨氣）的BSGS，採用直接加熱液體的氣化輸送系統(Evaporator)已經研發成型，很快會在BSGS的套用上推廣。
安全日趨嚴格
電子氣體可能存在窒息性、腐蝕性、毒性、易燃易爆性等危險，其危害性被不同國家區域和不同的工業組織進行了詳細的危險等級分類。對於一個大規模量產的電子工廠，其使用和存儲的電子氣體數量之多可以毫不誇張地被視為擁有“大規模殺傷性”武器庫。任何設計上、施工中、日常運行里存在的安全隱患都會對工廠、人員和環境帶來巨大的災難。
如何保證電子氣體的安全儲存、使用操作，系統的工藝和產品本徵安全設計，在眾多的國際標準規範如SEMI，NFPA，CGA，FM等都有很詳細的規定，目前中國國內也正在起草針對電子特種氣體的國家標準規範。通常而言，會根據氣體性質和相容性，將氣體房分成可燃氣體房、腐蝕性氣體房、惰性氣體房、矽烷氣體房、三氟化氯氣體房等。氣體房規劃需要考慮建築物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險物總量控制等等。針對矽烷輸送系統，特別是BSGS系統，因總量較大，應採用隔離式建築。氣體房和氣櫃應採用自動噴淋系統。而三氟化氯遇水反應，需要採用二氧化碳滅火系統。
使用電子氣體的工廠抽風系統也根據危險品性質分成了普通排風系統(GEX)，酸性排風系統(SEX)，溶劑排風系統(VEX)和氨氣排風系統(AEX)。換鋼瓶時的吹掃尾氣，也建議排放至尾氣處理器中。
輸送管道一般採用無縫SS316L EP管。施工採用自動軌道焊接，經保壓、氦檢漏和純度測試。對於劇毒、高反應性和自燃氣體，應使用雙套管輸送。一些劇毒氣體如磷烷、砷烷等，安全輸送系統（SDS）正在被廣泛使用。其鋼瓶內採用負壓吸附的方式，用真空法輸送，從根本上避免了氣體的泄漏。
氣體偵測系統(GDS)是全廠生命安全系統（LSS）的重要組成部分。對於偵測器的要求，除了精度高，反應迅速外，還應具備自檢功能。
建設成本日趨降低
因為電子工業投資規模越來越大，縮短建設周期，降低建設成本也越來越重要。對電子氣體輸送系統而言，如何在不降低系統污染控制水平和不犧牲安全配置的前提下，努力減少建設和運行成本，同樣是一個挑戰。
合理配置系統，合理選型材料，可顯著降低初始投資費用。這就要求電子氣體輸送系統承包商具備較強的系統設計能力。性質相匹配的氣體，採用同一吹掃氮氣系統，可顯著節約氣瓶櫃的投資。對於VMB，可採用移動式吹掃氮氣盤。小管路 (≤1/2”)的施工，直接採用彎管的方式，既節約了彎頭的費用，也大大提高了施工效率。嚴格執行高純管路施工規範，可大大降低測試氣體和測試時間。這些都是行之有效的成本控制措施。採用大包裝容器的氣源，可大大降低物流和人力操作等運行費用。因而BSGS越來越受到更多客戶的青睞。
綜上所述，電子氣體輸送系統面臨著高純度、大流量、嚴格的安全措施和大力降低建設成本四個方面的挑戰，同時這四個方面也是未來的發展方向。
系統
電子氣體(Electronicgases)是超大規模積體電路、平面顯示器件，化合物半導體器件，太陽能電池，光纖等電子工業生產不可缺少的原材料，它們廣泛套用於薄膜、刻蝕、摻雜、氣相沉積、擴散等工藝。例如在目前工藝技術較為先進的超大規模積體電路工廠的晶圓片製造過程中，全部工藝步驟超過450道，其中大約要使用50種不同種類的電子氣體。電子氣體輸送系統是指為滿足工藝製程的需求，在充分保證工藝和產品安全使用的前提下，將電子氣體從氣源端無二次污染、控制工藝需求的流量和壓力等參數、穩定地輸送到工藝生產設備的用氣點。根據氣體性質和供應包裝的不同，一般電子氣體可劃分為大宗普通氣體、特種氣體和大宗特種氣體。
目前電子消費品的種類繁多以及升級換代日趨頻繁，同類產品的不同製造規模、不同級別檔次的生產工廠和科研機構共存。基於投資規模和產品檔次的不同的實際要求，工業界對電子氣體輸送系統基本有以下三類需求：
大規模供氣系統
大規模供氣系統主要針對大規模量產的8-12英寸（1英寸=25.4毫米） 超大規模積體電路廠，100MW以上的太陽能電池生產線，發光二極體的磊晶工序線、5代以上液晶顯示器工廠、光纖、矽材料外延生產線等行業。它們的投資規模巨大，採用最先進的工藝製程設備，用氣需求量大，對穩定和不間斷供應、純度控制和安全生產提出最嚴格的要求。
上述工廠的大宗普通氣體多採用現場制氣(On-site)或工業園區管道(Pipeline)集中供應方式，一個年產5萬片的8英寸 超大規模積體電路廠高純氮氣的需求超過5,000Nm3/h，發光二極體的磊晶工序線和矽外延生產線的氫氣需求超過100Nm3/h。
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採用大包裝容器，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（BSGS）採用全自動PLC控制器，彩色觸控螢幕；氣體面板採用氣動閥門和壓力感測器，可實現自動切換，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。特種氣體採用獨立氣源，多用點採用VMB或VMP分路供應，VMB或VMP採用支路氣動閥，氮氣吹掃，真空輔助排空等。由於BSGS氣源總量大，多採用獨立的氣體房，獨立的抽風系統。
常規供氣系統
常規供氣系統主要套用於4-6英寸 大規模積體電路廠，50MW以下的太陽能電池生產線，發光二極體的晶片工序線以及其它用氣量中等規模的電子行業。它們的投資規模中等，生產線可能是二手設備，對氣體純度控制的要求不苛刻，系統配備在滿足安全的前提下儘量簡單，節省投資。
常規供氣系統的大宗普通氣體多建立現場氣站，採用現場液體儲罐（LIN, LOX, LAR）或集裝格供應方式。氣體由管路系統輸送至廠房，直接開三通送至用氣點。
特種氣體採用普通鋼瓶（<50L）供氣。特氣輸送系統採用氣瓶櫃。配置全自動PLC控制器，彩色觸控螢幕；氣體面板採用氣動閥門和壓力感測器，可實現自動切換，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採用支路氣動閥，氮氣吹掃，真空輔助排空。惰性氣體多採用半自動氣瓶架，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。氣體房和抽風系統根據氣體性質進行分類。
簡單供氣系統
簡單供氣系統主要針對4英寸及以下半導體晶片廠、半導體材料的科研機構等。它們的製程簡單，通常不需要連續性供氣，對氣體供應系統的投資預算低，生產和管理人員欠缺安全意識。
由於氣體流量小，特種氣體氣源多採用普通鋼瓶（<50L）。輸送系統多採用半自動氣瓶櫃或氣瓶架，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。惰性氣體瓶架則採用全手動系統，有些甚至用單瓶系統。共用一個氣體房，甚至沒有氣體房，特氣鋼瓶和輸送系統有時放在迴風夾道，或直接放在工藝製造設備旁邊。共用一個抽風系統。系統通常存在安全隱患。
目前主要的電子氣體
目前主要有：矽烷、氨氣、四氟化碳、六氟化硫、氯化氫、八氟環丁烷、甲烷、一氧化二氮、三氯化硼、溴化氫、一氧化碳、氖氣、氪氣等。
