特种气体输送管道系统的施工管理

一、前言

超净的气体输送管道系统,是指具有超净化要求的输送高纯气体、掺杂气体的管道系统,广泛应用于集成电路器件生产、太阳能光伏电池生产PDF显示器面板生产等微电子领域,该系统输送的气体主要有高纯大宗气体(高纯氧、高纯氢、高纯氦、高纯氢等气体)、特气(硅烷、磷烷、砷烷、氯化氢、氯气等工艺气体),以上气体在下文中简称"超净气体"。

随着微电子工业的不断发展,特别是超大规模集成电路制造的晶圆尺寸不断增大,线宽尺寸从微米级进人到亚微米(小于1um)级以及深亚微米(小于0.18um)级,这样,对半导体制造工艺中的超净气体的品质要求越来越高,对这些气体中微粒、杂质及露点控制要求极为严格,已达到ppb、ppt级,尘埃粒径要求控制小于0.1um的微粒,因此对超净气体的输送管路系统的洁净度提出了非常高的要求。工艺气体中的杂质对半导体制造的整个过程都有影响。如高温处理中,重金属微粒向硅的内部侵人扩散,诱发结晶缺陷,是导致半导体器件特性裂化的原因。腐蚀工序中,由于微粒附着在硅片处,将导致接触部分和周围的腐蚀加工精度降低。

热处理工序中,碱金属微粒使氧化膜与硅的界面特性产生异常 ,引起耐压性差或电气特性劣化。

由于一旦该气体输送管道发生污染,将很难通过吹扫彻底清除污染物,往往是被迫更换掉被污染的管路,由于该系统造价昂贵,这样造成的损失将很大,因此,超净气体管道系统洁净度的要求甚至比对其纯度的要求在某种程度上显得更为重要,洁净度管理的要点是控制微粒污染,这已经成为超净气体输送管路的一项关键内容。微粒污染源来自两个方面:一是粘附在管壁上的微粒,二是因磨损或腐蚀等原因在管内壁产生的微粒。本篇从气体管路系统配置、管路系统材料选择、配管技术等方面,结合工程实践,提出一些防止管路系统对超净气体的微粒污染措施,供同行关注与参考。

二、系统配置；

除特气外的超净气体管道,在配管系统上应分段配置气体过滤器以去除微粒子,通常应采用两级以上的气体过滤器,在洁净厂房内通常设置预过滤器和高精度末端气体过滤器,预过滤器设在洁净厂房气体房间的干管上,对进行预过滤．以减轻末端气体过滤器的负荷,并延长其使用寿命．高精度终端气体过滤器应设在用气点处,在管路系统设计中,应该充分考虑系统末端的放空管,各主管和支干管未端的吹扫阀及必要的取样口,以便干运行前的吹扫、气体置换和维护管理,系统中应尽量减少滞留气体的空间．不应出现盲管段等不易吹扫到的死角,以避免微粒的积聚：

特气管道系统一般是在供气起点（气柜内）和终端设置《用气点）设置气体过滤器．

三、配管材料选择

1．主材选择：

对超高纯气体管道．应采用内壁电解抛光的超低碳不锈钢管(SUS3I6LEP),表面粗糙度Ra10uin。对于制作EP管的母材普通的单真空熔化不锈钢是不能满足高纯气体的要求的,因单真空熔化不锈钢制作的附件和管道表面相对粗糙．易于吸附释放出微粒。应采用更先进的双真空熔化不锈钢,双真空熔化316L不锈钢中不纯杂质进一步减少,从而使成品中的凹坑数量和被吸附的气体减少。另外,双真空熔化不锈钢的化学成分是经严格控制的,因此减少了污染的潜在性和提高了附件的可焊接性。

管道的表面粗糙度对颗粒物吸附或释放的影响是最主要的,在BA管内壁．粘附在管道内表面的颗粒物无法吹扫掉,因为在颗粒躲藏的区域（管道内表面凹陷处）几乎没有流体通过,当弯管时,成百上千的颗粒物会被检测到。

管道附件特殊要求是无泄漏,无杂质,无气体释放、无死区和无聚合物。阀门选用波纹管阀或隔膜阀,因波纹管阀和隔膜阀漏气量少,尤其隔膜阀的阀体死空间小,易吹除,应优先选用,阀座的密封面往往是引起内部泄漏的主要原因,常用的的阀座密封材料是塑料,例如3M的kel-F或杜邦的Teflon,这些塑料像其它的塑料一样会被渗透,并且阀门的频繁动作会不可避免地使密封面产生微小粒子。高纯气体的外部泄漏必须减小到至少低于泄露检测的极限,只有采取金属一金属面密封能达到,在必须拆卸的地方,采用可靠性高的金属密封垫-端面密封方式(VCR）连接,其余采用全自动脉冲氩弧焊轨道焊机进行焊接连接。全自动脉冲氩弧焊轨道焊机焊接,不添加焊丝,可以确保焊接质量,焊缝成型均匀美观,能最大限度地降低焊缝对气体微粒的影响,同时也减少了由于焊接工人的水平不同而导致焊接质量的差异。

四、施工方法：

在管道安装前,应绘制管道轴侧图,标明管道的长度和焊口的详细位置。绘图时应多考虑焊接的操作空间,并尽量着气流的方向进行安装。为了防止微粒污染,管道的所有预组装加工应在临时净化间内进行。管子在切割过程中应防止变形或划出痕迹,在切割的过程中用高纯氩气进行吹扫以避免污染。切割完后,用专用刮削工具将端口刮削至平整,光滑,如端面不平,用专用工具将未端平整。焊接接口的好坏将直接影响到焊缝的质量,从而影响整个配管安全。为了确保焊缝质量,正式施焊前以及焊接过程中任何一参数（位置、气流、管径等〕发生变化,都必须做焊接试验《即样品）,样品的焊接记录也应登记在每天的日常焊接记录上面,经检验合格后方可正式施焊,焊缝成型必项均匀、美观．不允许有未焊透、未熔合、焊面内凹、气孔、错边等缺陷。预制好的管道附件的两端必须用洁净的塑料盖子连同塑料薄膜起封好,并用洁净的胶带扎紧,以减少大气对管道的污染。

在现场施工时,周围的环境会对洁净管道有污染的危险性,因此应尽可能地在临时净化间内施焊,减少现场焊接点的数量。在全自动脉冲氩弧焊焊接过程中,如果管内残留有氧气或水分,则在焊接部位会形成氧化膜,变成微粒发生源,所以,在焊接过程中及焊接前后,用高纯氮气充分置换管内的氧气或水分是非常重要的。焊接保护气体经过0.05um过滤器过滤。现场每完成好一部分管道,两端阀门必须关紧（如没有阀门,管内就应一直充着氩气保护）在管道施工过程中难免会有微粒进人管道系统内,管路系统的吹扫是一个必不可少的过程；高纯气体管道用高纯氮气进行吹扫,先吹主干管,其次吹支干管．最后吹扫各支管。吹扫时间根据气体品质不同要求确定,直到测试纯度合格为止。非氮气管道,用氮气吹扫合格后进行置换,然后再次吹扫,直至置换后的气体达到纯度要求为止。根据气体工艺要求应做各种测试,包括管道系统总体对外泄漏试验、总体对内泄漏试验、颗粒物、露点、含氧量测试氦检泄漏试验等。管道经测试合格后管内通入高纯氮气进行保护。

对于高纯气体输送系统的洁净度控制,贯穿于系统设计、施工、验收、使用各阶段,在设计阶段需作周密考虑,从系统配置上保证减少污染。在施工阶段,从施工开始时即必须对微粒进行严密管理,在整个施工过程中每道工序和流程中,需采取防止微粒污染的措施,才能把微粒污染控制到最小限度,满足高纯气体对管路输送系统的要求。

以上就是沃飞科技对于特种气体输送管道系统的施工管理的一些介绍, 提出一些防止不锈钢管路系统对超净气体的微粒污染措施,供同行关注与参考。