半导体无尘生产车间特种气体供应系统如何设计?

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半导体无尘生产车间的特种气体供应系统设计需综合考虑气体纯度、安全性、稳定性及工艺需求，以下从系统组成、设计要点、安全控制、监测与管理等方面展开说明：


一、系统组成与分类

1. 特种气体分类

工艺气体：如硅烷（SiH₄）、氨气（NH₃）、氯气（Cl₂）等，用于薄膜沉积、刻蚀、掺杂等工艺。

辅助气体：如氮气（N₂）、压缩空气（CDA），用于吹扫、压力维持或气动设备驱动。

危险气体：如磷化氢（PH₃）、三氟化硼（BF₃）等剧毒或易燃易爆气体，需特殊安全设计。

2. 系统核心组件

气源部分：

气体钢瓶组、散装储罐（如大宗气体 N₂、O₂）或现场制气设备（如氮气发生器）。
钢瓶需配置防错装接头（如 VCR、SWAGELOK），避免气体混淆。
输送管路：

材质：采用 **316L 不锈钢电解抛光管（BA 级）** 或内壁钝化处理管，减少颗粒和气体吸附。
管径：根据气体流量、压力降计算确定，主管道直径通常为 1/2"~2"，分支管为 1/4"~3/8"。
连接方式：采用自动轨道焊接，确保零泄漏，避免螺纹连接产生颗粒。
控制与监测单元：

减压阀（Regulator）：将钢瓶高压降至工艺所需低压（如 0.1~0.5MPa）。
质量流量控制器（MFC）：精确控制气体流量，精度达 ±1% FS。
气体侦测器：实时监测泄漏（如 PID、激光传感器），危险气体需配备双探头冗余监测。
尾气处理系统：

燃烧式处理（如 H₂、SiH₄）：通过高温焚烧生成无害物质。
湿式洗涤（如 NH₃、HCl）：利用化学溶液吸收中和。
干式吸附（如 PH₃）：通过活性炭或金属氧化物吸附。


二、设计关键要点

1. 气体纯度保障

管路清洁：安装前需进行 ** 钝化（Passivation）** 和氦质谱检漏（泄漏率＜1×10⁻⁹ Pa・m³/s），避免油污、水分残留。

气体过滤：在靠近用气点前设置0.01~0.1μm 过滤器，去除颗粒和杂质。

避免交叉污染：不同气体管路需独立铺设，危险气体采用双套管设计（内管输气，外管通氮气保护）。

2. 管路布局与走向

分区供应：根据工艺区域需求，将气体分为多个子系统（如刻蚀区、沉积区），便于独立控制和维护。

架空敷设：管路沿天花板或墙面高架铺设，远离地面减少振动和人为损坏，同时便于检漏和维修。

坡度设计：气体管路需有**≥0.3% 的坡度**，流向气体使用点，冷凝液通过集液罐定期排放，避免积液影响气流稳定性。

3. 压力与流量控制

压力分级：采用二级减压设计，一级减压阀将钢瓶压力降至中压（如 1~2MPa），二级减压阀降至工艺压力，减少压力波动。

冗余设计：关键气体（如 SiH₄）采用双钢瓶自动切换系统，通过压力传感器触发切换，确保不间断供应。

流量匹配：根据设备最大耗气量设计管路容量，预留 20%~30% 余量，避免高峰期供气不足。

三、安全控制系统设计

1. 泄漏防护与应急响应

负压通风：气体间和管路走廊需保持负压（-5~-10Pa），防止泄漏气体扩散至生产区，排风需经处理达标后排放。

紧急切断（ESD）：在气体间、车间入口及中控室设置紧急切断按钮，联动关闭气源阀门和通风系统。

消防联动：危险气体区域配备七氟丙烷灭火系统，并与气体侦测器联动，泄漏时自动启动灭火程序。

2. 防爆与防静电

电气防爆：气体间和可能泄漏区域采用防爆电气设备（如 Ex d IIC T6 等级），避免电火花引发爆炸。

静电控制：管路需全程接地（接地电阻＜4Ω），使用导电材质支架，防止静电积聚产生火花。

3. 安全标识与隔离

气体标识：管路外表面喷涂对应气体颜色和流向箭头（如 SiH₄为橙色，NH₃为黄色），并标注气体名称和危险等级。

物理隔离：危险气体管路与其他管路保持**≥30cm 间距**，并用金属隔板分隔，避免交叉风险。


四、监测与管理系统

1. 实时监控平台

配置中央监控系统（SCADA），实时显示气体压力、流量、纯度等参数，异常时自动报警（声光报警 + 短信通知）。
历史数据存储≥1 年，用于趋势分析和故障追溯，如流量突变可提示管路堵塞或设备异常。
2. 智能管理功能

自动切换与补气：钢瓶组通过压力传感器自动切换，并触发物流系统自动补气，减少人工干预。
能效优化：根据生产节拍动态调整气体供应，非生产时段降低流量或切换至 standby 模式，节约能源。

五、典型设计方案示例



六、标准与规范遵循

设计需符合以下国内外标准：

中国：GB 50472-2008《电子工业洁净厂房设计规范》、GB 50177-2016《氢气站设计规范》。
国际：SEMI S2-0216（半导体制造设备安全准则）、NFPA 55（压缩气体和低温流体规范）。
半导体特种气体供应系统设计需以高纯度、高安全性、高稳定性为核心，通过合理的管路布局、精准的控制策略和完善的安全防护，确保气体品质满足纳米级工艺要求，同时保障人员和设备安全。设计中需结合具体产线需求，预留扩展接口，并通过数字化监控实现全生命周期管理。