半導(dǎo)體行業(yè)特種氣體氣源柜研發(fā)及應(yīng)用

曹文林

（江蘇新城氣體有限公司，江蘇揚(yáng)州 225200）

半導(dǎo)體工業(yè)具有戰(zhàn)略地位，半導(dǎo)體工業(yè)使用的特種氣體也稱(chēng)為電子氣。作為半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)的原材料之一，電子特種氣體的使用量不斷上升，對(duì)特種氣體氣源柜的需求也相應(yīng)增加。許多特種氣體是危險(xiǎn)品，易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)高，部分特種氣體有劇毒，對(duì)氣源柜的要求很高。半導(dǎo)體行業(yè)是我國(guó)大力發(fā)展的電子信息產(chǎn)業(yè)之一，但大部分特種氣體氣源柜來(lái)自進(jìn)口。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的特種氣體氣源柜已經(jīng)進(jìn)入成熟期，規(guī)格主導(dǎo)權(quán)、材料掌控、專(zhuān)利技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)特氣設(shè)備的開(kāi)發(fā)相對(duì)滯后，與之前半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展滯后相關(guān)。因此，大力發(fā)展特種氣體氣源柜是必然趨勢(shì)，也具有重要的意義。

1 半導(dǎo)體行業(yè)特種氣體氣源柜構(gòu)思

1.1 氣源柜功能構(gòu)思

設(shè)計(jì)氣源柜的目的是為供應(yīng)有毒有害性、腐蝕性等危險(xiǎn)氣體。氣源柜的基本功能包括手動(dòng)排放、手動(dòng)吹掃、自動(dòng)切換[1]。本文研究氣源柜供氣系統(tǒng)的面板部件，采取自動(dòng)焊接、VCR連接，最大化降低氣體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并且盡可能減少面積。

氣源柜的功能結(jié)構(gòu)包括：為防止過(guò)高的壓力對(duì)終端使用設(shè)備的不利影響，配置氣體泄壓閥；同一張控制板上設(shè)置工藝氣源和吹掃氣源；使用進(jìn)口減壓器在控制面板上，保持穩(wěn)定的壓力輸出；內(nèi)置濃度報(bào)警器；配置低壓傳感器；安裝氣體單向閥；柜體帶有可視窗；安裝壓力表；真空發(fā)生器配置于面板管路上；柜體內(nèi)安裝鋼瓶固定帶等。

1.2 柜體造型設(shè)計(jì)方案構(gòu)思

設(shè)計(jì)工業(yè)造型需要與美學(xué)基本原理相符合，比如色彩和搭配、比例和尺寸、對(duì)稱(chēng)和對(duì)比等。同時(shí)與人機(jī)工程學(xué)相符合，比如可視性、可操作性等[2]。

氣源柜的鋼瓶數(shù)設(shè)計(jì)可分為三種：三瓶位、雙瓶位、單瓶位。規(guī)則尺寸各有不同。本文研究用于半導(dǎo)體行業(yè)的氣源柜，需要保證安全生產(chǎn)，符合氣體供氣要求。如果使用單鋼瓶氣源柜，用光氣體后更換鋼瓶，需要將氣體輸岀閥門(mén)關(guān)閉，停止供氣。如果使用雙瓶位氣源柜供氣，可以確保兩側(cè)氣瓶輪流連續(xù)不間斷供氣，但系統(tǒng)吹掃或者氣瓶更換，需要引入另外一條管線[3]。使用三瓶位氣源柜，可以放置1瓶吹掃氣，2瓶工藝用氣，保證安全生產(chǎn)，提供惰性氣體吹掃保護(hù)，而且實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷供氣。因此選擇使用三瓶位氣源柜。

1.3 柜內(nèi)面板氣路流程圖構(gòu)思

半導(dǎo)體行業(yè)使用的設(shè)備許多都是高尖端技術(shù)。特種氣體氣源柜的許多功能都在一張面板上，柜內(nèi)的面板是整個(gè)設(shè)備的核心。面板涉及超壓保護(hù)、連續(xù)不間斷供氣、保護(hù)惰性氣體等功能。管路流程圖設(shè)計(jì)依據(jù)這些功能要求，并且綜合考慮管線布置的合理性、安裝工藝、安全規(guī)范等[4]，采取設(shè)計(jì)方案為工藝氣供氣2瓶，高純氮?dú)獯祾?瓶。

在制藥行業(yè)、醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室等中廣泛應(yīng)用的普通氣體自動(dòng)切換裝置，自動(dòng)切換利用的是壓差原理。自動(dòng)切換裝置中的配置包括截止閥、金屬盤(pán)圓管、過(guò)濾器、單向閥、雙表減壓器等。以對(duì)稱(chēng)形式分布，中心是中間輸出閥門(mén)，加上兩個(gè)高壓供氣鋼瓶，形成供氣系統(tǒng)。p右表示右邊減壓器系統(tǒng)輸出壓力。p左表示左側(cè)減壓系統(tǒng)輸出壓力。氣體經(jīng)過(guò)減壓器減壓后輸出壓力值p。壓力調(diào)到p左時(shí)，左側(cè)減壓器調(diào)壓手輪鎖死不動(dòng)，右側(cè)可以旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)范圍180°。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸入壓力下降。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出壓力上升。p右壓力是變量。定值是p左壓力。根據(jù)箭頭顯示氣體正在使用方向，箭頭指向右側(cè)，說(shuō)明供氣的為右側(cè)的鋼瓶。箭頭指向左側(cè)，反映供氣的是左側(cè)的鋼瓶。

在使用時(shí)，先確定優(yōu)先供氣的一側(cè)，箭頭指向左側(cè)，設(shè)置優(yōu)先供氣的一側(cè)為左側(cè)鋼瓶。然后將鋼瓶連接，保證裝置上是關(guān)閉的閥門(mén)。將裝置上的閥門(mén)，以及鋼瓶上的閥門(mén)開(kāi)啟。供氣開(kāi)始。左側(cè)閥門(mén)先打開(kāi)，之后是右側(cè)。順序每次都是先開(kāi)瓶閥，之后是裝置上的。供氣壓力顯示為p左。如果右側(cè)系統(tǒng)輸出壓力p右，高于左側(cè)鋼瓶氣體壓力，供氣自動(dòng)轉(zhuǎn)換成右側(cè)鋼瓶。左側(cè)鋼瓶更換時(shí)，先關(guān)閉鋼瓶閥門(mén)，再裝置閥門(mén)。順時(shí)針180°旋轉(zhuǎn)手柄。空瓶拆卸后，將滿瓶換上。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)減壓器手輪。右側(cè)輸出壓力增加。換瓶后，右側(cè)鋼瓶供氣。當(dāng)左側(cè)鋼瓶輸出壓力高于右側(cè)，就會(huì)自動(dòng)供氣。注意每次更換需要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪。

依據(jù)普通氣體自動(dòng)切換，進(jìn)行特種氣體氣源柜內(nèi)面板氣路流程設(shè)計(jì)。面板上所用的管閥件主要包括不銹鋼三通、吹掃氣用雙表減壓器、過(guò)濾器、壓力傳感器、單向閥、工藝氣用雙表減壓器、安全閥、隔膜截止閥、輸出用壓力表、真空發(fā)生器、不銹鋼彎頭、不銹鋼C型彎管。如圖1，工藝氣系統(tǒng)進(jìn)行高壓吹掃，通過(guò)工藝氣排空口排出氣體，從而在鋼瓶更換時(shí)，充分置換高壓力、高濃度的工藝氣體。然后將管線死角、閥件的殘氣抽空，使用真空發(fā)生器抽取。系統(tǒng)內(nèi)的工藝氣在鋼瓶更換時(shí)不會(huì)流出，具有保護(hù)的作用。

圖1 流程圖設(shè)計(jì)

2 半導(dǎo)體行業(yè)特種氣體氣源柜設(shè)計(jì)

2.1 氣源柜柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柜體使用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，厚度為2mm。進(jìn)行剪切、折彎、沖壓等操作處理。表面作防銹處理。做耐腐蝕、耐酸堿表面處理，使用靜電粉沫噴涂防護(hù)層。噴涂防護(hù)層經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試合格，能夠防爆、阻燃、防腐，牢固可靠。為固定氣瓶，內(nèi)置套鎖式不銹鋼卡圈[5]。內(nèi)設(shè)排風(fēng)口，方便排出泄漏的氣體。配備特種氣體泄漏報(bào)警裝置。合頁(yè)采用不銹鋼材料。門(mén)銷(xiāo)使用鍍鋅金屬專(zhuān)用門(mén)銷(xiāo)。拉手使用不銹鋼拉手。

2.1.1 柜體外形尺寸設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中使用的供氣方式為三鋼瓶，吹掃氣1個(gè)鋼瓶，工藝氣2個(gè)鋼瓶。柜體外形尺寸依據(jù)鋼瓶的數(shù)量，以及管閥件數(shù)量。鋼瓶總直徑270～300mm，其中膠皮保護(hù)圈20mm后，鋼瓶直徑230～260mm。柜體高度為1 800mm。柜體寬度1 100mm，能夠放下鋼瓶并且方便使用者操作。柜體厚度與門(mén)一共500mm，柜體厚度能夠方便操作員操作閥門(mén)，同時(shí)小于一個(gè)人的臂長(zhǎng)。柜體采用雙開(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)，由中心向外扇形打開(kāi)，方便相關(guān)人員操作，也節(jié)省空間。

2.1.2 柜體翻板的設(shè)計(jì)

柜體的底板與地面有一定的高度，需要人為抱起鋼瓶，將鋼瓶放入柜體，而不是平行將鋼瓶推進(jìn)柜體。鋼瓶用完氣后從柜內(nèi)取出也是如此。但反復(fù)搬運(yùn)鋼瓶，需要花費(fèi)時(shí)間和體力，一個(gè)40L的標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶，裝滿氣體是55kg，空瓶是50kg。因此在設(shè)計(jì)中，為解決這一問(wèn)題，安裝一個(gè)翻板在底部靠近門(mén)一側(cè)的邊緣。依靠合頁(yè)將柜體底板與翻板連接。需要搬運(yùn)鋼瓶時(shí)，放倒翻板，形成一個(gè)小斜坡。很容易挪動(dòng)鋼瓶，不需要換瓶者抱起鋼瓶。瓶底與地面接觸，挪動(dòng)鋼瓶省時(shí)省力。使用碳鋼材質(zhì)翻板，3mm厚度。翻板表面進(jìn)行磷化處理，與翻板鉸鏈配合使用。鋪上一層5mm的橡膠板，可以防止鋼瓶與翻板接觸摩擦，并且有減震的作用。

2.1.3 柜體底板的設(shè)計(jì)

柜體內(nèi)部放置40L的標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶三個(gè)，氣體用完后需要更換。對(duì)柜體底板形成重力，長(zhǎng)時(shí)間作用下，尤其是底板中部，容易導(dǎo)致彎曲變形。由此影響鋼瓶擺放的穩(wěn)定性，容易帶來(lái)很大的安全隱患。在設(shè)計(jì)中，柜體底部增加設(shè)置加強(qiáng)筋，提升底板的抗壓性，避免底板彎曲變形。大部分鋼瓶是碳鋼材質(zhì)，或者其他金屬材質(zhì)，柜體也為碳鋼材質(zhì)。鋼瓶更換時(shí)，在摩擦下容易產(chǎn)生靜電[6]，對(duì)于一些特殊氣體來(lái)說(shuō)非常危險(xiǎn)，使用橡膠板可以防止靜電。柜體底板四角安裝膨脹螺絲，提升牢固性和穩(wěn)定性。

2.1.4 柜體翻板搭鉤的設(shè)計(jì)

更換鋼瓶時(shí)，放倒柜體底部翻板，換完后，向上翻起。如果地面不平整，翻板會(huì)碰撞鋼瓶或者柜門(mén)，因此需要加強(qiáng)固定。在柜體側(cè)面立板上，設(shè)置固定掛鉤。掛鉤上有兩個(gè)長(zhǎng)孔，直徑7mm，用螺絲固定，不能過(guò)松或者過(guò)緊。需要翻板時(shí)，向上抬起掛鉤。翻板用完后，憑借掛鉤自身重量，將翻板勾住。

2.2 氣源柜面板管閥件的布局設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)面板尺寸為1 000cm×500cm×2mm。在氣源柜內(nèi)部支架上進(jìn)行橫向安裝。將面板拆成兩塊，避免過(guò)長(zhǎng)不容易安裝。一塊用于吹掃氣系統(tǒng)的管閥件。一塊用于工藝氣系統(tǒng)的管閥件。用活接頭連接兩個(gè)系統(tǒng)之間的閥件。完成安裝后連接即可。在面板邊緣進(jìn)行折邊，形成“幾”字形，保證足夠的強(qiáng)度。

氣源柜面板需要的閥件主要包括不銹鋼彎頭、不銹鋼三通、真空發(fā)生器、壓力傳感器、單向閥、安全閥、工藝用雙表減壓器、過(guò)濾器、隔膜截止閥、吹掃氣用雙表減壓器、不銹鋼管等。由于高度超過(guò)設(shè)計(jì)尺寸500mm的要求，因此重新排列面板上的管閥件。水平擺放過(guò)濾器F（A）和F（B），以及減壓器進(jìn)氣端閥門(mén)DV（A）3和DV（B）3。DV（A）1和DV（B）擺放在面板中部。DV（A）3和DV（B）3分開(kāi)引向柜門(mén)。真空發(fā)生器和低壓放空的防空管線，在面板上不連接，而是分別引向柜外。安全閥RV、單向閥CV1、閥門(mén)DV1、DV2、DV3，擺放在面板左側(cè)。

3 結(jié)論

主要探討設(shè)計(jì)半導(dǎo)體行業(yè)的特種氣體氣源柜，包括柜體設(shè)計(jì)和內(nèi)部控制面板，使用三瓶位氣源柜，以及控制面板吹掃方式，提升產(chǎn)品性能和安全性，用于半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。