電子化學品的應用現(xiàn)狀及設計

＊羊學友

（世源科技工程有限公司成都分公司 四川 610000）

電子化學品整個行業(yè)的發(fā)展與電子器件廣大生產(chǎn)企業(yè)存在著密切聯(lián)系。產(chǎn)品類型及技術革新，均要以下游生產(chǎn)企業(yè)根本需求為核心。雖然電子化學品整個行業(yè)發(fā)展趨勢較好，但仍然不可松懈，應當要結合當前的應用情況，考慮到下游企業(yè)的基本需求，積極落實相關優(yōu)化設計實踐工作，如此才可為電子化學品整個行業(yè)能夠在今后維持穩(wěn)健發(fā)展狀態(tài)。

1.電子產(chǎn)業(yè)化學品的具體分類

電子化學品，又稱超凈高純試劑或工藝化學品，是指主體成分純度大于99.99%，雜質離子和微粒數(shù)符合嚴格要求的化學試劑，是晶圓、顯示面板、光伏電池、動力電池等制造材料之一。電子化學品，其主要以上游硫酸、鹽酸、氫氟酸、氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀、丙酮、乙醇、異丙醇等為原料，經(jīng)過預處理、過濾、提純等工藝生產(chǎn)得到的高純度產(chǎn)品。下游應用主要為光伏太陽能電池、平板顯示和半導體三大領域。張云秀[1]指出，電子化學品是集成電路、分立器件、顯示面板、太陽能電池等生產(chǎn)濕法工藝制程關鍵性材料，要求超凈高純，具有產(chǎn)品規(guī)格多、單個品種用量少、產(chǎn)品更新?lián)Q代快、質控要求極高、對生產(chǎn)及使用環(huán)境潔凈度要求高等特點。電子化學品，其主要用于晶圓、面板、硅片電池制造加工過程中的清洗、光刻、顯影、蝕刻、去膠等濕法工藝制程。按照組成成分和應用工藝不同可分為通用濕電子化學品（酸類、堿類、溶劑類，如硫酸、氫氟酸、雙氧水、氨水、硝酸、異丙醇等）和功能性濕電子化學品（配方產(chǎn)品，如顯影液、剝離液、清洗液、刻蝕液等）。

2.電子產(chǎn)業(yè)化學品的應用現(xiàn)狀

(1)集成電路產(chǎn)業(yè)中化學品的應用

電子化學品，其在晶圓加工中主要用于清洗、光刻、蝕刻工藝。晶圓清洗是指在氧化、光刻等工藝之前去除硅片表面的金屬離子、有機物、氧化物，對濕電子化學品有著較大的需求量。包括堿性（氨水+雙氧水）、酸性（鹽酸+雙氧水）、有機物清洗（濃硫酸+雙氧水）、氧化層清洗（稀釋氫氟酸）等不同類型清洗液。光刻工藝段包括光刻膠稀釋用溶劑、涂膠前基片表面處理劑、曝光之后的顯影劑及刻蝕完成后光刻膠去膠劑、剝離液等。

(2)面板產(chǎn)業(yè)中電子化學品應用及前景

電子化學品，其主要用于LCD及OLED面板Array制程。LCD及OLED面板生產(chǎn)工藝Array制程（TFT玻璃基板蝕刻）工藝流程，往往比較類似。主要包括：TFT玻璃基板清洗-沉積ITO薄膜（氧化物半導體薄膜，用于后續(xù)蝕刻）-涂布光刻膠-曝光、顯影-蝕刻-光刻膠剝離。所需濕電子化學品主要包括基板清洗用清洗劑、光刻膠稀釋劑、顯影劑、刻蝕液、剝離液等。面板Array制程磷酸、雙氧水、醋酸、硝酸單位用量最大。在面板加工領域，需求量較大的濕電子化學品主要是：磷酸（41.3%）、硝酸（24.06%）、MEA等極性溶液（15.8%）、醋酸（9.59%），主要在面板的蝕刻加工中充當蝕刻、清洗試劑。

(3)光伏產(chǎn)業(yè)中電子化學品的應用

太陽能電池工作原理的重要基礎是半導體P-N結的光伏效應，晶硅太陽能電池是目前應用最廣泛的電池，基本結構是在P型晶體硅材料上通過擴散等技術形成N型半導體層，組成P-N結。在N型半導體表面制備絨面結構和減反射層以減少光反射造成的光損失，在正面、背面分別制備金屬電極。

制絨工藝濕電子化學品用量占到60%～70%。太陽能電池片主要工藝步驟包括：清洗制絨、磷擴散制備P-N結、硅片清洗、邊緣刻蝕以避免短路、沉積反射膜、絲網(wǎng)印刷制備電極等。制絨工藝濕電子化學品消耗量最大，約占整個加工需求總量的60%～70%。制絨即通過化學腐蝕的方法將光滑的硅片表面腐蝕成凸凹不平的結構，以減少光反射造成的光損失。

太陽能電池生產(chǎn)過程氫氟酸、氫氧化鉀、硝酸、雙氧水用量最大。單晶硅制絨工藝一般采用氫氧化鉀等堿性溶液作為腐蝕劑，配合鹽酸、氫氟酸進行清洗。多晶硅采用硝酸、氫氟酸等混合酸液作為腐蝕劑，采用高純氫氧化鉀，氫氟酸+鹽酸混合液進行清洗。近年來單晶硅片占比提升較快，單多晶產(chǎn)能市占比已從2015年的2:8變?yōu)?018年的3.5:6.5。未來高效電池的市占比不斷擴大，預計單晶硅片市占比仍將繼續(xù)提升，太陽能電池領域氫氧化鉀、雙氧水需求將明顯增加。

3.化學品系統(tǒng)設計

化學品作為電子廠不可或缺的部分，又因本身的腐蝕性，易燃易爆等特性，在設計時一定要根據(jù)使用的具體情況進行合理且嚴密的設計。

(1)化學液集中供應系統(tǒng)概述

化學品系統(tǒng)主要以中央供應系統(tǒng)為主。化學品中央供應系統(tǒng)包括槽車、儲存桶、儲罐、供應單元、稀釋單元、閥門箱、管路組成。按功能分段可簡單分為4個系統(tǒng)：充裝系統(tǒng)、稀釋及混合單元、供應單元、控制單元，具體如下：

①充裝系統(tǒng)。根據(jù)制程用量需求及純度需求，化學品可以采用桶裝（DRUM 200L）或儲罐或槽車3種。在用量不大的情況下主要以桶裝方式供應，但桶裝方式充裝或運送時品質不易控制。對于使用量較大的化學品一般采用槽車充裝與儲罐儲存，如雙氧水、IPA等。②稀釋混合單元。稀釋一般是指將化學品或研磨液加純水稀釋，而混合則是多種化學品或多種研磨液混合，也可將化學品或研磨液加純水混合，一般由使用單位根據(jù)實際情況定義。③供應單元。供應單元是供應系統(tǒng)的動力部分，其目的是將化學品經(jīng)管路送至工藝設備，因此供應單元包括輸送設備、過濾器、輸送管線等。一般輸送方式有3種：泵送：常用的供應方式，是利用泵提供動力將化學品送至儲槽或使用點，優(yōu)點是輸送量大，壓力較高，可輸送距離較遠；缺點是泵的使用和維護成本較高，發(fā)生事故概率較大，泵本身也會釋放小顆粒污染物污染化學品。真空吸取：在供應系統(tǒng)安裝真空泵，利用真空將化學品吸入小容器中再使用高壓氮氣將化學品壓到儲罐中或使用點；氮氣加壓輸送：在儲罐中直接用氮氣壓至儲罐或使用點，此種方式需考慮儲罐及管道的壓力耐受性；這種方式優(yōu)點為供應量穩(wěn)定、維修成本低、氣體品質高不會污染化學品；缺點是輸送量較小。

(2)廢液收集

廢液收集系統(tǒng)由管路及儲罐組成，儲罐按不大于7天廢液排放量進行設計。回收應采用集中處理系統(tǒng)，通過收集桶或槽車輸送至專業(yè)工廠進行回收處理。回收系統(tǒng)一般布置在廠房支持區(qū)，需要避免直接在潔凈室下方進行易燃性廢液收集，化學品廢液收集應按照化學性質不同進行分開布置。若在下夾層進行收集，需要參考相關規(guī)范，對儲量進行限定并配備相關的安全措施。

在下夾層設置收集或提升站時，應有下列安全措施：①收集桶液位控制，當液位超過限定時啟動報警措施；②當易燃品處于柜體或密閉空間時，應設置易燃氣體探測，立即啟動報警功能；③采用與國家相關機構認證的滅火系統(tǒng)。

(3)管路設計與材料選取

化學品管路、分支箱、閥門箱需考慮項目預留擴產(chǎn)需求，管道在進入潔凈室前設置預留閥，以滿足未來擴產(chǎn)或后續(xù)預留的需求；所有的管路、三通、閥門必須設置在套管或閥門箱內避免化學品泄漏造成污染及其他危害安全的事項發(fā)生。

化學品管路應位于所有管路的最下層，避免泄漏危害其他管線。管路設計時，應考慮設置適當?shù)钠露缺阌诓檎倚孤┰础９芗茉O計時應考慮所有的靜荷載，如管材、化學品、閥門等重量，以及可能產(chǎn)生操作荷載。

化學品的三通箱、閥門箱避免設置在工藝層，一般設置在工藝設備的下夾層，閥門箱內應設置泄漏偵測，若發(fā)生泄漏時，應立即連鎖關閉泵及相關閥門，并判斷是否啟動消防連鎖及其他安全措施。

酸堿化學品管路材質選用主要考慮腐蝕性，一般采用雙套管，內管一般采用PFA，外管一般采用透明PVC管道便于監(jiān)測；有機化學品因閃點低及有機類化學品相似相容性，考慮防火需求，一般采用不銹鋼材質，當該有機化學品具有一定腐蝕性時，可改成雙套管。

(4)安全措施設計

①供應系統(tǒng)中如果采用氮氣作為動力方式，在相應槽罐上應設置安全閥、爆破片、壓力報警儀等。當壓力超過設定值時，啟動安全聯(lián)鎖，爆破片頂破，并開始泄壓，確保整個儲罐及相應系統(tǒng)的安全。設置事故緊急三通開關與緊急排放旁路管路系統(tǒng)，當系統(tǒng)處于事故狀態(tài)時輸送系統(tǒng)無法立即停止，三通開關快速切換至排放系統(tǒng)。②選擇適當類型的傳感器檢測化學液泄漏，包括耐腐蝕性和長時間檢測壽命的特點。并且需要具有防止泄漏和排放功能，避免發(fā)生二次危險。③安裝手動開關以在緊急情況下切斷或分流化學液供應。④填充化學液桶、槽和柜時，使用液位或壓力傳感器監(jiān)測液位和壓力，并在超過一定值時自動停止供應。⑤易燃易爆化學液輸送系統(tǒng)應配備滅火裝置，并使用傳感器監(jiān)測火焰、溫度或煙霧，以進行有效滅火和報警。并且要擁有遠程報警信號傳輸功能。減少泄漏和事故的風險，并提供及時應急響應。

4.化學品站房相關設計

化學品按照物化特性予以劃分，可分為酸性化學品、堿性化學品、有機化學品；站房初步規(guī)劃時應考慮化學品房間的安全性、不相容化學品分類、防爆與泄爆設置、消防與通風配備等。化學品的儲存、分配應根據(jù)生產(chǎn)工藝和化學品的品質、數(shù)量、物化特性進行確定；化學品應按照化學品特性進行分類儲存，不相容的化學品布置在不同的房間內，房間采用實體墻進行隔離。在規(guī)劃時，還要考慮后續(xù)擴充的預留空間。設計時注意區(qū)分化學品庫與化學品供應間，化學品庫用于存儲各類化學品，具體實際操作時要參照《建筑防火規(guī)范》GB 50016；化學品供應間主要供應機臺工藝需求，設計時要參照《電子化學品系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB 5078與《電子化學品系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB 50016。

一般電子廠所需的化學品種類多達幾十種，一般情況下，使用量大的化學品可按一周的使用量進行儲存，使用量少的可按一個月的使用量進行儲存,室外化學品庫還受庫房占地面積、總圖等因素影響，具體情況具體分析。應特別注意甲類化學品儲存量的設計，參照《建筑防火規(guī)范》GB 50016—2014規(guī)定，甲類庫占地面積不宜超過1500m2。同理生產(chǎn)廠房內的化學品房間占地面積不宜超過本層面積的5%。當生產(chǎn)區(qū)域內使用危險性較大的化學品量比較少時，可不按照物質危險特性確定火災危險類別最大的量可參照《建筑防火規(guī)范》GB 50016—2014條文說明。

化學品站房涉及的設備主要有儲罐、桶槽、機泵集成單元等，設備布置應滿足工藝流程、日常維護檢修及防火間距要求且做到緊急合理，整齊美觀。設備布置應考慮一個良好的操作環(huán)境，如人員通行的便利，設備維護時設備搬進、搬出的空間，必要的操作平臺等；涉及到危險化學品時還應注意防火堤的設計，防火間距的要求。

吳秀娟[2]指出，有機化學品如STRIPPER、THINNER、IPA、EBR等主要用于刻蝕后的清洗、剝離，使用量較大；按照《電子工廠化學品系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB 50781—2012要求，生產(chǎn)廠房內的化學品儲罐容量為該化學品7天的消耗量，同時注意單一化學品的儲存量有沒有達到現(xiàn)行國家標準《危險化學品重大危險源辨識》GB 18218規(guī)定的數(shù)量。化學品可按照火災危險性進行分類儲存，甲類化學品供應間應設置在廠房外側，并考慮爆炸泄壓措施；并注意火災危險性較大部分房間面積不宜超過本層面積的5%，否則會影響廠房的火災危險性定性。

5.結束語

雖然現(xiàn)階段伴隨著如半導體廠、顯示面板廠、光伏電池廠、動力電池廠等電子廠的持續(xù)發(fā)展，對化學品種類需求、用量、純度要求越來越高，然則，高端電子化學品國產(chǎn)率卻仍然偏低。隨著國家政策的支持，產(chǎn)品種類及產(chǎn)品率不斷提高，國內電子化學品企業(yè)逐步切入到高端市場。化學品系統(tǒng)是電子廠安全生產(chǎn)重要的環(huán)節(jié)之一，一定要有合理的規(guī)劃，縝密的布局，科學的設計。