电子级高纯气体输送系统概述

电子级高纯气体输送系统概述
李东升(上海正帆超净技术有限公司，上海，201108)摘要：从系统设计角度，论述了电子级高纯气体输送系统的主要设备，气体纯化器选型，输送管道、管件和阀门的材料和型式，安装施工验收的技术指标，以及微量污染的来源及控制措施等。

关键词：高纯气体；纯化；输送系统；微量污染
OverviewofElectronicGradeHighPurityGasDeliverySystem
Dennis Li (Shanghai GenTech UHP Co., Ltd, Shanghai 201108)Abstract:This paper, from system design point of view, describes electronic grade highpuritygasdeliverysystem,includingmajorequipmentintroduction,gaspurifierselecti on,delieverypipingandcomponentsmaterialandtype,installationandtestspecification, microcontamination source and prevention, etc.
Keywords:High purity gas; Purification; Delivery system; Microcontamination
1.简介
随着大规模集成电路制造技术的日益发展，工艺对所用气体纯度的要求也越来越高。

为了满足客户用气点规格需求，必须将气源纯化，并经高纯管路系统输送到用气点。

本文将从系统设计的角度，论述高纯气体系统的主要设备选型、管道设计和施工标准。

高纯气源纯度一般99.998% (氧气> 99.6%)，杂质含量通常在10ppm以内。

经纯化过滤后，纯度可达99.99998%(>99.95%forO2)，杂质含量可控制在1～50 ppb(氧气中的氮气除外)，0.02微米的颗粒度10颗/立方英尺。

气体在输送过程中也可能被污染，主要包括化学污染和颗粒污染。

化学污染包括来自材料/管路表面的析出气体（H2O,H2），接头密封处微小泄漏引起的反向扩散（O2,H2O,CO2），以及由于系统设计和部件选型引起的死区扩散
（O2,H2O,CO2,H2）。

颗粒污染是由于材料/管路表面和设计造成的现有颗粒脱落以及新颗粒的产生。

2.气源
气体来源一般分深冷液体（如液氮、液氩、液氧）和高压气体（如氢气、氦气）两种。

低温液体储罐是双层容器，内层容器装液体，与外层容器之间的空隙充填有保温材料并抽真空。

这样可以确保泄漏到内层容器内的热量降到最小。

液罐配有充装、压力控制、泄压和液位计等装置。

蒸发器是用于将低温液体转化成气体的换热器，通常是大气环境的翅片管蒸发器。

压力控制组管(PCM)向客户工艺制程输送稳定压力的气体。

PCM通常配有旁路，以便在维护时不需切断气体。

过滤器组管在PCM的下游，装有两个并列的过滤器，以避免在更换过滤器时停机。

3.气体纯化
3.1.消气剂型纯化器：用于氮气、氩气或氦气
该装置通过加热的不挥发金属消气剂床层的消气剂反应（物理吸附和化学吸附），可将氮气、氩气和氦气中的气相杂质(如O2, H2, CO2, CO, CH4, H2O)，以及氩气、氦气中的氮气降至极低浓度。

该装置由消气剂柱、加热器、过滤器（可选）和气体装配件。

氮气纯化器使用的消气剂与氩气/氦气的不同，两者不能互换使用。

消气剂材料不可再生。

当消气剂材料用完时，整个消气剂柱将被更换，装置可由产品气体吹扫后再次利用。

消气剂柱的使用寿命取决于气体流量和入口杂质水平，必须根据特定现场情况评估。

3.2.催化剂/吸附型纯化器：用于氮气、氩气或氦气
该装置通过使用镍催化剂反应柱（单独置于小装置中），或与分子筛吸附柱（在大装置中）串联，从而将气体产品中的气相杂质(如CO2, CO, O2, H2, H2O)去除,使其降至极低浓度。

反应柱（或反应吸附柱）都是可再生型的，且经并联配有一个单柱（或一套双柱），一边在纯化气体时，另一边则处于再生状态。

产品气体气流可在两柱间来回交替流动。

镍催化剂和分子筛可通过加热和以混合有1%氢气的产品气体吹扫其反应床达到再生的目的。

3.3.催化剂型纯化器：用于氧气
该装置可通过一支加热的钯催化剂反应柱和一个与之串联的室温分子筛吸附柱，从而从氧气中去除气相杂质(如CO2, CO, CH4, H2, H2O),使其降至极低浓度。

分子筛柱是可再生型的，设计成并联的两支柱子，一边在纯化气体时，另一边则处于再生模式。

氧气气流可在两分子筛柱间来回交替流动。

该装置包括一个钯催化柱、两个分子筛柱、热交换器、加热器、过滤器和其它部件。

分子筛可通过加热和以纯氧吹扫再生。

3.4.消气剂型纯化器：用于氢气
该装置通过室温镍/分子筛柱（化学/物理吸附）和一个加热的金属氢化物消气剂柱（化学吸附），去除氢气中的气相杂质(如O2, CO2, CO, N2, CH4, H2O)使其降至极低杂质浓度。

镍/分子筛柱可以再生，设计成并联的两个柱，一个在纯化气体时，另一个则处于再生状态。

氢气流可在两分子筛柱间来回交替流动。

该装置包括两支镍/分子筛柱、一支金属氢化物消气剂柱、热交换器、加热器、过滤器（可选）和其它部件。

消气剂材料不可再生。

当消气剂材料用完时，整个消气剂柱被换新，装置可用氩气吹扫再次利用。

消气剂柱的使用寿命取决于气体流量和入口杂质水平，必须根据特定现场情况评估。

镍/分子筛可通过加热和以纯氢吹扫而再生。

3.5.钯管型纯化器：用于氢气
该类装置通过加热的钯管（该管只允许氢分子扩散通过），去除氢气中的气相杂质(如O2, N2，CO2, CO, Ar，CH4, H2O)使其降至极低杂质浓度。

该装置只有在大于200psi(14bar)的压差存在时才可有效运转。

包括钯管单元、热交换器、加热器、过滤器（可选）以及其它部件。

3.6.干燥器：用于氩气、氧气、氢气、氮气和氦气
该装置通过室温分子筛管（物理吸附），去除氩气、氧气、氢气、氮气和氦气中的湿气（H
2O），使其降至极低杂质浓度。

该纯化器包括一支填满分子筛的管子，间或带有进口和出口阀。

分子筛是可再生型的，可以少量最初成本价格返回原厂再生。

3.7.室温型纯化器：氩气、氦气、氮气和氢气
该装置通过使用室温镍催化剂管（化学和物理吸附）去除O2, H2O, CO, CO2和H2杂质，使其降至极低浓度水平。

此纯化器包括一支填满镍催化剂的管子，间或带有进口和出口阀。

该管是再生型的，可以少量最初成本价格返回原厂再生。

4.输送管道
4.1.防止微量污染的材料
选择合适的材料和表面处理对防止气体析出和微量粒子污染至关重要。

国际半导体设备和材料协会（SEMI E49)对高纯管道系统的材料和测试进行了详细描述。

4.1.1.管道和部件
应用不锈钢或镍基合金（如哈氏合金）管道和部件，制定详细的磨光和钝化工艺（如电解抛光，氧钝化），以减小管道内表面积并增加其抗腐蚀能力。

典型的电子级管道和部件是由电解抛光至平均Ra为10微米（最大Ra为15微米）的316L的不锈钢制得。

4.1.2.塑料材质
尽量减少阀门和调压阀座处使用的塑料材质的体积和气流接触面。

塑料材质可析出大量不纯物，特别是湿气。

4.2.机械设计防止微量污染
为了防止反向扩散，系统设计采用最小死区和内表面面积，选用小容积和内表面的部件非常关键。

阀门及滤器的选型和位置则是防止粒子微量污染的重要环节
4.2.1.焊接
为防止反向扩散，应设计为全焊接系统，尽量减少机械接头。

如果遇到必须是机械连接的情况时，则只能应用面密封型连接。

务请注意，在电子级系统中绝对不可使用螺纹连接
4.2.2.部件选择
为防止反向扩散，只可使用隔膜密封或波纹管密封阀门。

因为隔膜密封阀可使死区和内表面积降至最小。

选用流通型或三通型压力传感器替换带有测压管的表头可将死区降至最小。

在使用三通管件和在线阀门处改用模块型分支阀以将死区降到最低。

不可使用带有摩擦、滑动或旋转部件（如球阀）的组件，因为这些部件均可产生颗粒。

为了防止经卸压阀的内漏和反向扩散，卸载阀应与上游安装爆破片。

在已知的颗粒产生点（如纯化器床层）的下游安装过滤器。

过滤器应安装在温控区域以减少过滤介质上的颗粒脱落和析出气。

为运输方便，当管帽需焊接在预制设备上时，应使管帽呈水平或向下状态，这样在切开管帽时，碎片就不会掉落在打开的管道里。

4.3．管道输送系统
由管道、管件和阀门等组成。

管道系统采用全焊接连接。

电解抛光（EP）级：
管道材料：TP316L型不锈钢，EP级
管道接口：自动轨道对焊接口，吹扫口和仪表连接采用面密封接头。

不允许使用螺纹接口。

阀门型式：TP316L型不锈钢，隔膜型或波纹管型，EP级
清洗：所有部件均为电子级清洗
非电解抛光（非EP）级：
管道材料：TP316L型不锈钢，非EP级
管道接口：自动轨道对焊接口，吹扫口和仪表连接采用面密封接头。

不允许使用螺纹接口。

阀门型式：TP316L型不锈钢，球阀或波纹管阀，非EP级
清洗：所有部件均为电子级清洗
5.制作和安装
电子级大宗气体输送系统的制作和安装所要遵循的原则大致如下：
材料和部件须满足电子行业性能规格，且须由具备认证合格的供应商供货。

在开始安装前，应对组装设备供应商、现场承包商、焊工、以及质量控制人员和规格进行认证。

车间制作设备应在车间认证，并在保有内压下运输以防止微量污染。

为了减少焊接变色和颗粒污染，管道现场焊接需采用自动轨道对焊机。

为了提高系统清洁，尽量减少面密封机械接头和非气体流通死区。

根据法规要求，完工后的系统应进行压力测试。

完工后的系统应采用工艺气体进行调试，以检验产品纯度规格。

输送管道应进行氦测漏、颗粒度、水分和氧分测试以达到合同规格要求。