半導(dǎo)體工業(yè)中的特殊氣體（特氣）介紹
在半導(dǎo)體制造業(yè)中，氣體的使用極為廣泛，通?？梢苑譃閮深悾阂活愂鞘褂昧枯^大的大宗氣體（Bulk Gas），另一類是用量較少但至關(guān)重要且危險(xiǎn)系數(shù)較高的特殊氣體（Specialty Gas，簡(jiǎn)稱特氣）。
一、特氣的定義與特征
特殊氣體（特氣）通常指在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中使用量較小，但極少量便足以對(duì)人體造成生命威脅或嚴(yán)重?fù)p害的氣體。這類氣體多具有毒性、易燃性、腐蝕性，或者是需要特殊條件來(lái)存儲(chǔ)、輸送及使用的特殊性能。
與大宗氣體（如氮?dú)狻⒀鯕獾龋?img src="https://admin.1230shop.com/statics/ueditor/themes/default/images/spacer.gif" style="display: block; font-family: "微軟雅黑"; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; margin-right: 0px; margin-top: 0px; max-height: 100%; max-width: 100%; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; padding-right: 0px; padding-top: 0px;" />不同，特氣的存儲(chǔ)和使用過(guò)程需要嚴(yán)格控制，并且通常需要專門設(shè)計(jì)的設(shè)備、管道和安全系統(tǒng)來(lái)保障生產(chǎn)環(huán)境的安全性。
二、特氣的分類與具體特性
根據(jù)PDF所示，特氣主要可以分為以下幾類：
1. 易燃性氣體（Flammable Gas）
易燃性氣體的燃點(diǎn)低，一旦泄漏并與其他氣體混合，極易引起燃燒甚至爆炸。這類氣體包括：•硅烷（SiH4）•磷化氫（PH3）•氫氣（H2）•甲烷（CH4）
2. 毒性氣體（Toxic Gas）
毒性氣體具有強(qiáng)烈的反應(yīng)性，會(huì)嚴(yán)重危害人體機(jī)能，甚至致命。典型的毒性氣體有：•一氧化碳（CO）•氮氧化物（NO）•三氟化氯（ClF3）•砷化氫（AsH3）
3. 腐蝕性氣體（Corrosive Gas）
這類氣體極易與水分產(chǎn)生酸性物質(zhì)，造成腐蝕，對(duì)人體與設(shè)備都有極大的破壞性，代表性氣體有：•氨氣（NH3）•四氟化硅（SiF4）•氯氣（Cl2）•三氯化硼（BCl3）
4. 低壓性/保溫氣體（Heat Gas）
此類氣體通常呈黏稠液態(tài)，儲(chǔ)存與輸送需要加熱保溫，以維持氣態(tài)輸送，代表氣體包括：•六氟化鎢（WF6）•三氯化硼（BCl3）•二氯硅烷（DCS）
5. 惰性氣體（Inert Gas）
又稱窒息性氣體，此類氣體泄漏后會(huì)降低空氣中的氧含量至危險(xiǎn)水平（16%~6%以下），造成人體缺氧窒息甚至死亡，典型的氣體有：•六氟化硫（SF6）•八氟環(huán)丁烷（C4F8）•一氧化二氮（N2O）
三、特氣的具體應(yīng)用領(lǐng)域
在半導(dǎo)體的不同制造工藝中，不同的特氣有不同的具體用途，以SMIC工廠為例：•薄膜制程（Thinfilm）常使用硅烷（SiH4）、氯氣（Cl2）、六氟化鎢（WF6）等特氣。
•蝕刻制程（Etch）中大量應(yīng)用四氟化碳（CF4）、三氟化氯（ClF3）等高反應(yīng)性氣體。•擴(kuò)散制程（Diffusion）中則會(huì)使用一氧化二氮（N2O）、氦氧混合氣（He/O2）等。
四、特氣供應(yīng)系統(tǒng)的組成與安全保障
特殊氣體供應(yīng)系統(tǒng)包括以下關(guān)鍵組成部分：
1. 氣瓶柜（Gas Cabinet）與氣瓶架（Gas Rack）
氣瓶柜根據(jù)實(shí)際需求可設(shè)計(jì)成單瓶、雙瓶、三瓶架構(gòu)，并具備多種安全防護(hù)功能，如：•鋼瓶閥自動(dòng)切斷裝置（Shut Boy）•UV/IR火焰探測(cè)器•灑水裝置（Sprinkler）•
緊急停氣按鈕（EMO）•氣體泄漏檢測(cè)（DPS/DPG）•防爆玻璃與通風(fēng)系統(tǒng)
2. 閥件分流箱（VMB）和閥件分流盤（VMP）
這兩種裝置主要用于特氣的精密控制和安全輸送，一般設(shè)計(jì)成4-stick、8-stick或10-stick等多種規(guī)格。其安全配置包括緊急停氣按鈕（EMO）、泄漏檢測(cè)裝置、防爆玻璃等設(shè)施。
3. 管路系統(tǒng)（Gas Piping System）
根據(jù)氣體特性，不同氣體對(duì)應(yīng)不同的管道材質(zhì)和輸送設(shè)計(jì)，如：•高純度不銹鋼管（S.S.316L）用于毒性或惰性氣體；•雙層管路（Double Wall）用于高危氣體以增強(qiáng)安全性；
•需要加熱保溫的氣體管路則配備熱追蹤（Heat Tracing）系統(tǒng)。
五、特氣安全防護(hù)與使用規(guī)范
由于特氣本身具備極高的危險(xiǎn)性，其使用必須嚴(yán)格遵守安全規(guī)范：•現(xiàn)場(chǎng)需配置實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)；•必須具備自動(dòng)安全聯(lián)鎖與緊急停機(jī)功能；
•從業(yè)人員必須接受全面的氣體特性培訓(xùn)；•定期進(jìn)行設(shè)備檢查與維護(hù)，防止泄漏或意外發(fā)生。
特殊氣體（特氣）雖然在半導(dǎo)體生產(chǎn)中用量相對(duì)較少，但其關(guān)鍵作用無(wú)可替代。
合理設(shè)計(jì)并規(guī)范操作特氣的供應(yīng)與使用系統(tǒng)，確保其安全性與穩(wěn)定性，不僅對(duì)保障人員安全至關(guān)重要，也對(duì)生產(chǎn)的高效與產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用。
隨著半導(dǎo)體工藝持續(xù)向高精尖邁進(jìn)，特氣供應(yīng)系統(tǒng)將進(jìn)一步發(fā)展為更安全、高效與智能化的系統(tǒng)，這也必將是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期趨勢(shì)之一。
3. SGS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要求3.1 安全設(shè)計(jì)規(guī)范特種氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合以下安全規(guī)范：防火間距：氣瓶間與實(shí)驗(yàn)區(qū)防火間距≥8m(GB 50177)，特種氣體站與主廠房間距符合GB 55037-2022要求。
防泄漏系統(tǒng)：雙閥聯(lián)鎖設(shè)計(jì)(手動(dòng)閥+電磁閥)，配備激光氣體傳感器(H?檢測(cè)精度1ppm)和壓力傳感器。防混氣設(shè)計(jì)：獨(dú)立氣路分區(qū)，不相容氣體系統(tǒng)吹掃氮?dú)獠坏霉灿猛坏獨(dú)庠础?zwnj;
防靜電措施：所有管道和設(shè)備接地電阻≤4Ω，法蘭間設(shè)跨接線。應(yīng)急系統(tǒng)：自燃性/易燃性氣瓶柜設(shè)水噴淋系統(tǒng)(ClF3除外)，毒性/腐蝕性氣體間設(shè)緊急洗眼器。
3.2 材料與施工標(biāo)準(zhǔn)管道材料：316L不銹鋼EP級(jí)電解拋光管，內(nèi)壁粗糙度≤0.4μm。焊接要求：采用自動(dòng)軌道氬弧焊，高純氬氣保護(hù)，焊接樣品需通過(guò)鑒定。
測(cè)試驗(yàn)收：壓力試驗(yàn)：采用高純氮?dú)饣驓鍤?，禁止使用水壓試?yàn)和檢漏液。氦檢漏：檢測(cè)靈敏度≤1×10?? Pa·m³/s。潔凈度測(cè)試：顆粒物≤0.1μm，水分≤10ppb，氧分≤10ppb。
3.3 電氣與控制系統(tǒng)電源要求：特氣系統(tǒng)需獨(dú)立電源回路，配備UPS不間斷電源。信號(hào)接口：采用MODBUS RTU等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，與工廠DCS/SCADA系統(tǒng)集成。
聯(lián)動(dòng)控制：與消防、排風(fēng)、工藝設(shè)備等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，泄漏時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。3.4 尾氣處理系統(tǒng)中和塔：處理酸性/堿性廢氣，去除效率≥99%。
焚燒爐：處理可燃性廢氣，溫度≥1000℃。洗滌塔：處理毒性/腐蝕性廢氣，配備pH自動(dòng)調(diào)節(jié)。監(jiān)測(cè)要求：排放口設(shè)在線監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上傳環(huán)保部門。
4. SGS系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)4.1 機(jī)械接口氣瓶連接：采用CGA、DISS等標(biāo)準(zhǔn)接口，配套pigtail過(guò)渡。管道連接：主管道采用VCR或焊接，支管采用VCR或卡套連接。
設(shè)備接口：壓力變送器、流量計(jì)等采用1/4"或1/2"VCR接口。4.2 電氣接口信號(hào)類型：4-20mA模擬量、RS485數(shù)字信號(hào)、干接點(diǎn)報(bào)警信號(hào)。
通信協(xié)議：MODBUS RTU/TCP、PROFIBUS、Ethernet/IP等。安全聯(lián)鎖：硬線連接緊急切斷信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間≤100ms。
4.3 軟件接口數(shù)據(jù)格式：OPC UA、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)接口。報(bào)警管理：分級(jí)報(bào)警(預(yù)警、報(bào)警、緊急)，與工廠MES系統(tǒng)集成。
用戶界面：WEB或客戶端，支持多級(jí)權(quán)限管理。
美國(guó)Honeywell霍尼韋爾Midas氣體偵測(cè)器：
Ammonia NH3 0 - 100 ppm MIDAS-E-NH3
Arsine AsH3 0 - 0.2 ppm MIDAS-E-ASH
Boron Trichloride BCl3 0 - 8.0 ppm MIDAS-E-HCL
Boron Trifluoride BF3 0 - 8.0 ppm MIDAS-E-HFX
Boron Trifluoride (Low Level) BF3 0 - 0.2 ppm MIDAS-E-HFL
Bromine Br2 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-BR2
Carbon Dioxide CO2 0 - 2.0 % vol MIDAS-E-CO2
Carbon Monoxide CO 0 - 100 ppm MIDAS-E-COX
Chlorine Cl2 0 - 2.0 ppm MIDAS-E-HAL
Chlorine Dioxide ClO2 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-BR2
Chlorine Trifluoride ClF3 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-SF4
Diborane B2H6 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-HYD
Dichlorosilane H2SiCl2 0 - 8.0 ppm MIDAS-E-HCL
Difluoromethane CH2F2 0 - 120 ppm MIDAS-E-CFX
Disilane Si2H6 0 - 20 ppm MIDAS-E-SHX
Fluorine F2 0 - 4.0 ppm MIDAS-E-HAL
Germane GeH4 0 - 0.8 ppm MIDAS-E-HYD
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