日前，南京市召开了“2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会”以及“半导体气体安全研讨会”。300多家半导体企业参加会议。上海市计量测试技术研究院技术人员从半导体气体的重要性、我国半导体气体检测和安全标准体系现状、我国半导体气体安全标准未来发展方向与参会代表展开了技术分享与研讨。

　　

　　半导体工业用的气体统称电子气体。按其门类可分为纯气，高纯气和半导体特殊材料气体三大类。特殊材料气体主要用于外延，掺杂和蚀刻工艺;高纯气体主要用作稀释气和运载气。电子气体是特种气体的一个重要分支。电子气体按纯度等级和使用场合，可分为电子级，LSI(大规模集成电路)级，VLSI(超大规模集成电路)级和ULSI(特大规模集成电路)级。

　　

　　目前主要的电子气体有：硅烷、氨气、四氟化碳、六氟化硫、氯化氢、八氟环丁烷、甲烷、一氧化二氮、三氯化硼、溴化氢、一氧化碳、氖气、氪气等。

　　

　　电子气体是发展集成电路、光电子、微电子，特别是超大规模集成电路、液晶显示器件、半导体发光器件和半导体材料制造过程中不可缺少的基础性支撑源材料，它被称为电子工业的“血液”和“粮食”，它的纯度和洁净度直接影响到光电子、微电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率，并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性 。

　　

　　近几年来，智研数据研究中心随着我国超大规模集成电路、平板显示器、光伏发电等产业的迅速发展，电子气体市场需求量明显增长，电子特种气体的国产化已是大势所趋。据了解，我国在国产化方面取得可喜进展：国产高纯氨改变了国外气体公司垄断市场的格局，高纯四氟化碳“有价无货”时代也宣告结束，高纯氯化氢已成功打开国内市场。

　　

　　电子气体可能存在窒息性、腐蚀性、毒性、易燃易爆性等危险，其危害性被不同国家区域和不同的工业组织进行了详细的危险等级分类。对于一个大规模量产的电子工厂，其使用和存储的电子气体数量之多可以毫不夸张地被视为拥有“大规模杀伤性”武器库。任何设计上、施工中、日常运行里存在的安全隐患都会对工厂、人员和环境带来巨大的灾难。

　　

　　如何保证电子气体的安全储存、使用操作，系统的工艺和产品本征安全设计，在众多的国际标准规范如SEMI，NFPA，CGA，FM等都有很详细的规定，目前中国国内也正在起草针对电子特种气体的国家标准规范。通常而言，会根据气体性质和相容性，将气体房分成可燃气体房、腐蚀性气体房、惰性气体房、硅烷气体房、三氟化氯气体房等。气体房规划需要考虑建筑物的防火、泄爆、防火防爆间距、危险物总量控制等等。针对硅烷输送系统，特别是BSGS系统，因总量较大，应采用隔离式建筑。气体房和气柜应采用自动喷淋系统。而三氟化氯遇水反应，需要采用二氧化碳灭火系统。

　　

　　使用电子气体的工厂抽风系统也根据危险品性质分成了普通排风系统(GEX)，酸性排风系统(SEX)，溶剂排风系统(VEX)和氨气排风系统(AEX)。换钢瓶时的吹扫尾气，也建议排放至尾气处理器中。

　　

　　输送管道一般采用无缝SS316L EP管。施工采用自动轨道焊接，经保压、氦检漏和纯度测试。对于剧毒、高反应性和自燃气体，应使用双套管输送。一些剧毒气体如磷烷、砷烷等，安全输送系统(SDS)正在被广泛使用。其钢瓶内采用负压吸附的方式，用真空法输送，从根本上避免了气体的泄漏。气体侦测系统(GDS)是全厂生命安全系统(LSS)的重要组成部分。对于侦测器的要求，除了精度高，反应迅速外，还应具备自检功能。

　　

　　电子气体是超大规模集成电路、平面显示器件，化合物半导体器件，太阳能电池，光纤等电子工业生产不可缺少的原材料，它们广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。例如在目前工艺技术较为先进的超大规模集成电路工厂的晶圆片制造过程中，全部工艺步骤超过450道，其中大约要使用50种不同种类的电子气体。电子气体输送系统是指为满足工艺制程的需求，在充分保证工艺和产品安全使用的前提下，将电子气体从气源端无二次污染、控制工艺需求的流量和压力等参数、稳定地输送到工艺生产设备的用气点。根据气体性质和供应包装的不同，一般电子气体可划分为大宗普通气体、特种气体和大宗特种气体。

　　

　　大宗特气供应系统(BSGS)采用全自动PLC控制器，彩色触摸屏;气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空;多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断;专用氮气吹扫起源等等。特种气体采用独立气源，多用点采用VMB或VMP分路供应，VMB或VMP采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空等。由于BSGS气源总量大，多采用独立的气体房，独立的抽风系统。

　　

　　常规供气系统主要应用于4-6英寸 大规模集成电路厂，50MW以下的太阳能电池生产线，发光二极管的芯片工序线以及其它用气量中等规模的电子行业。它们的投资规模中等，生产线可能是二手设备，对气体纯度控制的要求不苛刻，系统配备在满足安全的前提下尽量简单，节省投资。

　　

　　特种气体采用普通钢瓶(<50L)供气。特气输送系统采用气瓶柜。配置全自动PLC控制器，彩色触摸屏;气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空;多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断;专用氮气吹扫起源等等。VMB采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。惰性气体多采用半自动气瓶架，继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空;VMB主管气动阀，氮气吹扫;支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。气体房和抽风系统根据气体性质进行分类。

　　

　　简单供气系统主要针对4英寸及以下半导体芯片厂、半导体材料的科研机构等。它们的制程简单，通常不需要连续性供气，对气体供应系统的投资预算低，生产和管理人员欠缺安全意识。

　　

　　由于气体流量小，特种气体气源多采用普通钢瓶(<50L)。输送系统多采用半自动气瓶柜或气瓶架，配置继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空，有害性气体配备紧急切断阀。惰性气体瓶架则采用全手动系统，有些甚至用单瓶系统。共用一个气体房，甚至没有气体房，特气钢瓶和输送系统有时放在回风夹道，或直接放在工艺制造设备旁边。共用一个抽风系统。系统通常存在安全隐患。

　　

　　新闻来源：上海市计量测试技术研究院