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日志

 
 

特气气瓶柜吹洗系统  

2011-05-17 13:42:21|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第24卷第5期
1 994年10月
微电子学
M ic lectro~i~$
V01.24.№ .5
oet.1994
李晓峰
电子工业部第。 磊 川重舯。 。 w 夕
摘要 气瓶柜是处理半导体特殊气体的重要装置。本文着重介绍j半导体气瓶拒
吹洗系统的结构特点、设计要求.以及气休处理技术和安全操作。
关键词 兰兰兰兰苎 生 予哮
A Purging System for Special·Gas Cabinet
Li Xiaofeng
Sichuan Ipugitute Solid-State Circuits,c^硎gqi g,Sichuan 630060
Abstract Gas cabinet is 8n important unit used tO handle special gases tor semiconductor protess
In this paper,a purging device for gas cabinet used in semicondu~or process is described,in
terms of the structural~eatures,design requirements and gas handling techniques as well as ope ration
safety measures—
K eywords Gas cabinet.Purging device.Cyclic purging
1 引 言
半导体生产过程中,大量使用高压、刚
毒、易燃、易爆的危险气体。通过对设备的良
好设计.以及合理的布局,正确有效的操作,
这些危险气体可以作到安全使甩。随着半导
体技术的发展.对气体的使甩量不断加大,品
种也更加多样化和纯度高纯化.相应地,对气
体处理设备(气瓶柜)的设计也提出了更高的
要求。气瓶柜制造厂家,都努力提高自己的产
品性能,使其安全、可控、稳定.尽量减少人为
的操作失误带来的损失。自1960年半导体工
业使用硼烷、磷烷等扩散源以来,气瓶柜已从
单一的手动开放式气体处理装置,发展到现
在的自动开闭、自动监控、自动处理封闭式气
体处理系统。由于全自动处理系统成本太高,
目前许多半导体厂家仍然使用手动处理系
统。在生产过程中,特殊气体的供气,通常使
用气瓶供气。而气瓶柜的使用.能安全、有效
收穑El期:1994—04—04
存放各种易燃、易爆、剧毒、腐蚀性气体}还能
把工作区域与危险气体隔离开;对气瓶和吹
洗系统提供连续的排风;在突发事故中能保
护现场操作人员。就气瓶柜而言,为了安全操
作危险气体,必须具备良好的通风装置,不漏
的输送管道和气体检测系统。因此,气瓶柜从
结构设计上,必须根据安全标准,进行选料配
管,选择使用不同阀门类型,气路分布、管道
连接形式,以及相应的毒气报警系统等。本文
就气瓶柜吹洗系统的结构特点、设计要求及
气体处理技术进行了详细的分析和论述。
2 吹洗系统的结构
吹冼系统是气瓶柜的主要组成部份.它
的作用是:1)调节工艺气体气路压力和流量
率,向反应室供气;2)当工艺气体用完后,更
换气瓶时,提供安全有效的方法,保证操作人
员的安全;3)更换新的气瓶后,保证工艺气体
的纯度。
2.1 吹洗系统的气路
吹洗气路的设计有其一个发展过程。最
李晓峰 特气气瓶柜吹洗系统
初使用的气路是直接从气瓶端接一个压力调
节器,带一个高压排泄.如图1所示。这种结
构是最早的,它能调节气体的压力和流量率,
可将压力调节器与气瓶之间的残余气体排
出,具有一定的使用价值,但这种结构不能将
管路的残余气体排干净,对工艺气体纯度遣
图1 高压排泄的3闲气路
成一定污染,对操作人员造成一
定的伤害。在第一种结构的基础
上发展成今天我们大量使用的气
路结构,如图2所示。这种结构通
过吹洗氮气引入,可以对气体管
路进行吹洗,把残余气体的浓度
稀释后排放.能保证工艺气体的
纯度和操作人员的安全。随着半
导体工艺的发展,对气体的纯度
要求越来越高,对气路的要求也
更加严格。目前较先进的吹洗系
图3 高.低压排泄及氮气吹洗的6闲气路
2.2 吹洗系统结构设计要求
要设计一个完整的吹洗系统,首先必须
根据气体的特性,安全标准选择阀门,压力调
节器、管道以及相应辅件等。就一个吹洗系统
而言,系统各部件及功能见表l。一个完整的
吹洗系统如图4所示。
统是带有真空辅助氮气吹洗,高低压排泄的
6阀吹洗系统,如图3所示。这种吹洗系统能
有效地对管路进行浓度稀释的循环吹洗,将
特殊气体的有效浓度降至最安全级。近期进
口的大量气瓶拒几乎都是采用这种基本结
构,只是或多或少增加了一些部件,如溢流
阀,流量限制阀、气动波纹管截止阀,以及粒
子过滤器等。
图2 高压排泄及氮气吹洗的4阔气路
图4 完整吹洗系坑气路
2.2.1 压力调节器
压力调节器的目的是把高压气源减压,
满足工艺气体所要求的压力。压力调节器分
为单级和双级。单级压力调节器是一级减压,
把气瓶或管路供气压力减压,供工艺使用,但
当进气压力发生变化时,出口压力变化范围
较大。这种压力调节器最好用在进气压力恒
定的地方,比如,液化气体系统或供气压力变
化在要求范围的系统。双级压力调节器有两
级减压.进气压力一级减压到一个预设定的
中间压力,进气压力x~--级减压相对来说是
恒定的,气瓶或管道压力发生变化时,供气压
力将不受影响。双级压力调节器给出一个更
精密、更恒定的控制,最好用于所有高压气体
或混合气体,也可用于由于环境温度引起钢
瓶压力变化较大的液化气体。因此要根据对
第s期 李跷峰: 特气气瓶拒吹洗系统
衰 欢洗系统部件殛功能特性
吹拽部件 功能特性
压力调节器(PCV) 减少气瓶压力,提供所需的压力,非泄放型,带有VCR接头
的316不锈钢阀体Pressure Control Valve ,所有密封及压力表头,根据工艺气体,进
行特殊选择。
如果澎量超过设定系数,切断工艺气体.安装尽可能靠近气
L x

es

s t

ow

V a
y lv e




过滤器(F) 0,2~O.02pm的过滤器,主要保护压力调节器和漉量限制
Filter 阎。
高压工艺截止阀(V1) 隔嗅无填料截止阀,在更换气瓶,吹洗操作中隔离过滤器,流
High-Pressure Process Shut-of Valve 量限制阀和压力调节器。
氮气吹冼截止阎(vz) 辐膜无填料截止阔,在耿洗操作中,控制欢洗气体进入工艺
Nitrogen Purge Shut-of Valve 管线。
低压工艺截止阀(Va) 隔嗅无填料截止阀,控制低压端工艺残余气体和吹洗气体的
Low-Pressure Vent Valve 排泄。
高压排泄闷(v。) 隔嗅无填料截止阀,控制高压端工艺残余气体和吹洗气体的
High—Pressure Vent Valve 排泄。
低压捧泄阁(Vs) 隔嗅无填料截止阀,控制低压端工艺残余气体和吹洗气体的
Low—Pressure Vent Valve 排泄。
工艺气体安全溢漉阀(V。) 防止调压器失灵
Process Gas Safety Relief V~ ,保护低压端.
,lve
氯气吹洗安全溢漉阀<Vt) 保护畎洗系统部件
Nitrogen Purge Safety Relief Valve .
V真ac空uu发m 生G:ei善n截era止to阎r V(Val。v) e 隔膜无填料截止阀,控制真空发生器工作.
真空发生器(G)
Vacuurl~l Generator 对稀释吹洗提供真空.
捧泄单向阀(CV1) 防止大气进入吹洗系统
Vent Check Valve 。
氮气吹洗单向阀(CV ) 防止有毒工艺气体反向瘟动
Nitrogen—Pureg Cheek Valve 。
VCR接头(++) 硬接触密封、用于高压,工艺气体管路。
气体的压力变化,气体性质来选择或设计压
力调节器。常用压力调节器的结构及组件如
图5所示.
由于我们讨论的是特气用气,因此对于
不同气体性质,压力调节器的选材是至关重
要的.表2为各种不同用途的压力调节器的
部份选用材料。对于砷烷、磷烷、硅烷、氯化氢
以及相应的混合气体等,压力调节器的材料
选择如表3所示。特别要注意氨气压力调节
器的选择:阀芯座只能选用聚四氟乙稀,表头
波动管只能选择316不锈钢,而不能选择蒙
乃尔合金,因蒙乃尔合金是镍铜合金,材料里
的铜要与氨气反应生成络合物。
2.2.2 截止阀
用手控制高、低压气体的进入,采用隔膜
无填料阀.可隔离外界污染,高强度、低扭矩、
可靠的软阀芯密封,完整的导向芯轴保证重
复性的关断。隔膜截止阀结构示意图如图6
所示。隔膜截止阀主要部件材辩见表4。
图5 压力调节器结构示意图
60 李晓峰: 特气气瓶柜吹冼系统 1994年
表2 压力调节器材料
名秫 主要材料
阿体 3]6不锈钢 、铜、镀镍铜、镀铬铜、铝,
PVC‘。
3]隔膜 6不锈钢,锌镍铜合金、镀镍银台金、
聚四氟乙稀、聚氯丁橡胶、氟帐啦
密封层 聚三氟氯化乙稀聚合物、聚四氟乙稀
阿芯座 蒙乃尔合金、聚四氟乙稀、尼龙、聚氯丁
椽胶、聚三氟氯化乙稀聚合物
阿盖 镀镍铜、涂有环氧树脂的铝
表头 3]6不锈钢波动管’蒙乃尔合金波动管、
铜波动管。
*相当于国产00Cr]7NI]4Mo2;不锈钢
**灰塑料
表3 特殊气体压力调节器材料选择
名称 材 料 备 注
闫体 用于砷烷、磷
316不锈钢 烷、硅烷、氯化
隔膜 氢等特殊气体,
密封层 聚三氟氯化乙稀聚 不包括氨气。
合物和聚四氯乙稀
阀芯座 蒙乃尔高强度耐腐
蚀镍铜合金
阀盖 镀镍铜
表头 3]6不锈钢或蒙乃尔
台金波动管
r’T=彳 ll ll l;l =[= 一半
田6 隔瞄l阔结构示意图
表4 阀门主要部件材料
名待 材料 备注
阿体 用于各种用途
魄芯座 曲气体畎洗管
阿杆 3]6不锈钢 道
弹簧
隔膜
隔膜垫 涂有聚四氟己稀的
3]6不锈钢
闫芯 聚兰氟氯化乙稀聚
合物Kel—F
2.2.3 流量限制阀
在半导体工艺制造过程中,把流量限制
阀加到工艺管道和气瓶阀上,目的是限制工
艺气体的最大流量,减少有毒、自燃气体的释
放。比如,使用自燃的硅烷气体、流量限制阀
可减少气体流量、使现场气体燃烧能够得到
控制。如果是有毒气体,泄漏率得到限制.气
体浓度被稀释,可减轻危险条件。这种被动式
的流量限制阀,有一个小的喷咀、装在靠近气
瓶的管路上,只有在气瓶阀失灵的情况下才
起作用。这种流量限制阀一般可以设定流量
大小,实际应用中,较先进的流量限制周可以
设定流量大小,一旦流量超过设定值,气动遥
控紧急关断,起到一个安全保护作用。、图7为
装入气瓶接咀内较简单的流量限制阀。
图7 流量限制阿
2.:.4 粒子过滤器
粒子过滤器主要是去掉工艺气体中的固
体颗粒,过滤粒子的大小,根据气悻和工艺的
要求而定,过滤机理一股是通过拦截、惯性碰
撞、扩散等。拦截一般发生在过滤器的表面.
主要是过滤大颗粒.过滤粒子在1 m以上。

李晓峰, 特气气瓶柜吹洗系统 1994正
比35kPa表压,并把循环吹洗次数增加到20
次,便显著地改善了稀释系统。
. 2O
D—f 1—2.3×10 。
、0 · , ,
典型情况是:一次循环需要30秒至120
秒,循环20次的总时间约为10分钟至40分
钟。根据巳吹洗和未吹洗的腔体容积以及由
未吹洗的腔体扩散出来的速率,稳定流动的
吹洗气体能在与上述相等的时间内提供的稀
释系数为10 ~10~ 。图l1为某种工艺气体
残余气体浓度对循环吹洗次数的对数曲线,
循环次数超过2O次。从图上可看到,较高绝
对压强与较低绝对压强的差值越大,可用很
E
e



蔷。
搪环吐冼擞致
圈ll 残余浓度与循环吹冼次数}某种工
艺气体;丁字吹洗结构,循环吹洗
次数超过2o次
图12 不同结构的吹洗气路a)十字吹洗
结构,b)丁字吹洗结构

e



图13 丁字吹洗与十字吹冼残余粮度与
循环吹洗次数某种工艺气体,
1.44Pa~67.73kPa真空稀释,循
环吹洗次数超过20次
少的循环次数就能将残余气体的浓度降至安
全级,稳定流速的吹洗效果最差。即使使用循
环吹洗法,如果吹洗装置的气路结构不同、吹
洗效果也迥然不同。图12(a)为十字连接吹
洗结构,(b)为丁字型连接结构。(b)与(a)的
差别在于把吹洗气体引入更靠近气瓶端口。
图l3是残余气体浓度与上述两种结构循环
吹洗的对数曲线,吹洗次数超过20次,从曲
线上可看到,丁字结构用很少的循环次数就
能将残余气体的浓度降至安全级。
在具体的循环吹洗法中,当源气用完需
换新源瓶,更换新源瓶后,保证工艺气体纯
度,以及工艺过程进行完后,需高压端残余气
体排放,如图4所示。典型的吹洗步骤见表
5。当工艺过程进行完后,需对系统管路以及
压力调节空腔进行吹洗,排在低压端残余气
体,如图4所示。典型的吹洗步骤见表6。
丧5 吹洗系统高压螭典型吹洗步骤
1 关气瓶闲V 6
2 关闲v】隔离压7
力调节器 8
3 开闲vB使真空9
发生器产生真空1O
4 开闲v 排空系ll

5 保持3~6秒钟
关蔺
开蔺
保持
关蔺
开蔺
保持
关闻
开蔺v。




第5期 李晓峰;特气气瓶柜吹洗系统
衰6 吹洗系统低压端典型吹洗步骤
l 关气瓶阀 6
2 关阀v;隔离工7
艺系统8
3 开阀v3真空发9
生器产生真空 1O
4 开阔v 排空系11
统 l2
5 保持3~6杪钟
关阀
开阀
开阀
保持
关阀
开阎
保持
关阀
开阀V




4 安全操作
气瓶柜是存放危险气体的重要装置、要
做到安全操作。安全准备和对安全问题的了
解是保证安全的关键。好的安全操作步骤常
用规则包括
1)定时安全检查所有设备及其环境条件.如
气体 排气管及排风量等。
2)使用危险气体必须对操作人员和维修人员
进行培训。
3)各种供气管路必须加注醒目的标记。
4)备用安全设备(如配套的空气呼吸瓶、防护
衣服及医疗药具等)。
5)执行标准操作规程,例行安全检查措施。
此外 在操作失误或单向阎失灵都可能
造成危险气体向N 库的倒灌。因此.绝对禁
止用罐装N。来畎洗危险气体的管路.而应
当用极干燥的瓶装N:来吹洗反应剂气体的
供气管路。为了保证氧化荆与还原剂.NH
与含氯化物的气体绝对不能混淆,要求各自
分别备有吹洗管路的瓶装N:气。在不使用
气体时(晚上或周未等)必须关闭压缩气体气
瓶顶阀。
5 结束语
通过对气瓶柜吹洗系统的结构分析,确
保正确的选材和设计.这是我们的主要目的,
安全是第一位的。作为设计人员,应该听取半
导体制造工艺人员的意见,充分考虑各方面
的因素,才能制造出安全、有效的设备。目前
国内半导体厂家几乎全部采用进口气瓶拒。
一个进121气瓶拒的价格大约是一万多美元.
而国内还投有制造气瓶拒的厂家。作为半导
体用气的重要辅助设备.气瓶柜是不可缺少
的。国外气瓶拒技术发展非常快,通常十八个
月到两年就要升级换代,也就是新的技术被
大量引入气瓶拒技术,而气瓶拒的费用在短
期内也有惊人的增加,全自动气瓶柜在国外
被广泛使用.它能更好地控制工艺过程。气瓶
拒技术将向着更安全、稳定、洁净的系统发
展。而国内半导体设备与国外还存在很大的
差距。因此,我们必须紧跟国外先进技术.努
力发展我们自己的气瓶柜技术.力争在短期
内赶上国外先进技术
参考文献
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2 Hardy T K·Shay R H,Assessing gas cah Lnet
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4 白井,俊昭.半导体制造用气安全管理.应用物
理.1983f52(7);597
5 许钟峨.空气洁净技术原理.北京:中国建筑工
业出版杜,1983
6 新加坡蚵门及配件公司产品手册;l991
7 美国Matheson气体产品手册f 1985

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