硅基電子氣體的安全生產

任傳宗，武曉闖，郭樹虎，3，趙 宇，常 欣，趙 雄，3，萬 燁，3

（1.洛陽中硅高科技有限公司，河南洛陽 471023；2.多晶硅制備技術國家工程實驗室，河南洛陽 471023；3.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

多晶硅生產過程中所涉及的物料有四氯化硅、三氯氫硅、二氯二氫硅、六氯乙硅烷等，這幾種物料可以通過吸附、精餾的方式進行提純[1-2]，達到電子級要求的產品。其中，電子級四氯化硅可以用于半導體行業硅外延片[3]，或者作為硅源前驅體制備正硅酸乙酯和鋁刻蝕；電子級三氯氫硅主要作為半導體硅外延片和CVD成膜工藝所需的硅源氣體[4]，在硅外延片生產中得到了廣泛的應用；電子級二氯二氫硅也是半導體工業重要的硅源氣體，具有沉積速度快，沉積薄膜均勻、溫度較低等特點[5]；電子級六氯乙硅烷可以作為半導體制程中低溫CVD/ALD氮化硅，外延硅和氮氧化硅薄膜的前驅體[6]。近年來，隨著我國超大規模集成電路、平板顯示器、光伏發電等產業的迅速發展，硅基電子氣體市場需求量明顯增長，硅基電子氣體的國產化已是大勢所趨。

分析了硅基電子氣體的物料特性，并針對物料生產的不同過程，采取不同的管控措施，實現安全生產的目的。

1 物性特點

硅基電子氣體多為易燃易爆、有毒有害危險化學品，其物料特點見表1。

表1 硅基電子氣體物料特性

四氯化硅屬于腐蝕性氣體，刺激呼吸道黏膜，遇水生成氯化氫與二氧化硅，氯化氫屬于酸性，對周圍金屬材質的設備造成損壞，且刺激人體呼吸道。

三氯氫硅，閃點-27.8℃，極易燃燒，在空氣中的爆炸極限為6.9%～70%，危險性比較大。三氯氫硅遇水生成二氧化硅、氫氣、氯化氫[7-9]，產物中有氫氣，有爆炸風險。

二氯二氫硅本身極易形成爆炸混合氣，爆炸極限4.1%-98.8%，危險性極大。二氯二氫硅，遇水生成二氧化硅、氫氣、氯化氫。

六氯乙硅烷本身不燃，屬于腐蝕性氣體，刺激呼吸道黏膜，遇水生成氯化氫與二氧化硅。六氯乙硅烷生成的水解物危險性同樣比較大，相當于同樣當量的TNT[10]。

2 隱患分析

硅基電子氣體的生產，大都是通過精餾的方式進行。物料在精餾塔內運行中，氣液相混合，塔上的儀表元件，如壓力表、壓力變送器、測溫盲管等，塔體、再沸器、塔頂冷凝器等部位均設有法蘭，進出料管道上有閥門，物料傳輸過程中有屏蔽泵，這些都是潛在的泄漏風險。一旦物料發生泄漏，存在著火甚至爆炸的風險。

此外，操作人員在日常取樣過程中，系統改造過程中，充裝等過程中，會接觸到硅基電子氣體。硅基電子氣體從系統內取出后與空氣接觸，就會發生一系列的變化，與空氣的水分發生反應，生成酸性氣體與可燃性氣體，處理不當會形成爆炸性混合氣體，引發火災和人員傷害。

3 設備安全管控

3.1 生產設備

設備管道、法蘭焊接均需采用全封閉自動焊，且要求熱影響區不能有變色現象。閥門之間為了保證安全性與密封性均，推薦采用VCR連接。VCR接頭的特性為流體阻力小，結構易于密封，而且VCR接頭的密封能力隨著介質壓力的增高而增大，極大地降低了設備泄漏風險。

設備投入運行后，由于環境溫度隨著季節的變化比較明顯，夏季最高溫能達到40℃，冬季最低氣溫能達到-10℃，換熱器與管道的密封件的選擇就顯得尤為重要，選擇不合適就會造成物料泄露。比如O型圈、四氟墊，這樣的密封材質隨著溫度的變化收縮度比較大，在系統上使用出現泄漏的概率比較大，應盡可能采用金屬密封方式，金屬隨溫度變化比較小，出現泄漏概率比較低，這樣可以達到安全運行的目的。

3.2 充裝系統

為了減少人員與危險化學品的接觸機會，推薦采用全自動充裝系統實現硅基電子特氣的充裝。該系統通常由輸送模塊、吹掃模塊、安全模塊、控制模塊、通訊模塊等部分組成。輸送模塊的主要功能為實現工藝氣體的壓力自動調節；吹掃模塊的主要功能為在更換鋼瓶或更換設備組件時，用惰性氣體置換設備內的工藝氣體，以確保操作的安全性；安全模塊根據氣體的物化性質不同而配置不同，通常包括高溫報警器、火焰偵測器、過流保護開關、消防噴淋等裝置；控制模塊為設備的控制中樞，通過實時監控設備的壓力、重量及安全模塊狀態判斷設備的運行狀態，并進行自動控制。全自動氣柜還具備自動吹掃的功能；通訊模塊的主要功能為與中央監控系統（GMS或FMCS）進行實時通訊，實現對設備的遠程中央集中監控的功能。

4 生產過程的安全管控

4.1 系統投用之前的安全管控

在系統建設期，選擇合適的連接方式，比如用凸凹面法蘭連接，選用12.9級耐高溫螺栓，墊片選用金屬石墨纏繞墊，減少由于溫度變化對密封面的影響。在安裝法蘭與墊片時，專人監控，清理干凈密封面的灰塵，確保安裝一次成功，不能出現由于墊片的安裝所引起密封面泄漏。在系統打壓過程中，進行雙人確認，每一個密封面要兩人以上檢漏，確保檢漏過程無紕漏。特別是塔系的安裝，需要廠家進行指導安裝，在每一個安裝的重要步驟，需要廠家人員現場確認簽字，從而保證安裝質量達到設計要求，這樣才能生產出合格產品。

4.2 生產開車過程的管控

在系統開啟時，在每片法蘭處黏上pH試紙，物料如果發生泄漏，pH試紙變色予以提示。精餾塔升溫過程要緩慢，推薦5～10℃×/h，防止快速升溫過程中由于膨脹系數不同而造成泄漏。開車過程中時刻關注再沸器與塔頂冷凝器的換熱狀態，回水檢測pH，出現異常情況及時進行排查處理。換熱器投用順序保持先通冷再通熱的步驟，避免由于換熱器急劇收縮造成的設備泄漏。系統運行過程中的物料周轉，需要雙人確認，避免由于人為操作失誤造成的物料泄漏事故。過程管控是生產運行必要的管控手段，只有過程管控好，才會有好的結果。

4.3 正常運行過程的管控

正常運行時關注系統溫度壓力，使其在正常參數范圍之內，不超壓、不超溫。巡檢人員巡檢過程中時刻關注系統設備本體、法蘭、儀表原件、換熱器的泄漏情況，發現異常情況及時處理，及時上報，避免事態的擴大。

正常運行過程中，中控室時刻關注系統內溫度、壓力的變化，參數超出正常范圍時及時調整，特別是超壓時，及時切斷系統熱源，停進料，盡快泄壓，使壓力恢復到正常壓力范圍內，排查問題，將問題排查出來后系統再投入運行。電子氣系統要求純度比較高，換熱器泄漏對系統是致命的，所以在運行過程中應格外注意，確保系統穩定運行，產品合格達標。

4.4 停車過程中的安全管控

停車過程時，緩慢降溫，推薦5～10℃×/h，避免由于急劇升溫造成的設備急劇收縮，由于不同材質收縮率的不同造成密封處泄漏。系統停穩定之后，將換熱器進水閥門關閉，內部的水排出，系統內保持一定的壓力，避免由于換熱器的泄漏造成水與物料接觸發生反應，對其他設備造成腐蝕與損壞。處于北方氣候的企業，冬天溫度比較低，需要進行防凍，換熱器水路需要徹底置換干凈，避免冷卻水上凍，造成換熱器泄漏；夏天需要漏管道防憋壓，由于溫度比較高，液體不容易被壓縮，充滿液體的物料管道，在太陽下暴曬溫度升高，管道或換熱器內壓力迅速升高，容易在密封薄弱出發生泄漏，為了避免類似事情發生，采取與緩沖罐連通的方式進行防憋壓操作。

5 結論

對多晶硅系統副產的硅基電子氣體的物性特點和風險隱患進行分析，分別從設備和安全運行角度出發，制定不同的安全管控措施，從根本上減少物料泄漏，避免事故發生，實現硅基電子氣體生產的本質安全。

與此同時，硅基電子特氣生產的國產化才剛剛起步，產品量產化還有很長的路要走，結合目前硅基電子氣體的發展情況，漏還需要在以下幾點加強安全管控：

1）硅基電子特氣生產中使用到的設備、儲存容器、儀表等，對不同物料的適用性需要做進一步的理論研究。

2）硅基電子氣體產品走向國外市場，需按照國際認可的標準來推進生產安全管控。

3）需開發更安全的物料處理方式，避免接觸硅基電子氣體對人體形成傷害。