半导体工业中的特殊气体（特气）介绍

在半导体制造业中，气体的使用极为广泛，通常可以分为两类：一类是使用量较大的大宗气体（Bulk Gas），另一类是用量较少但至关重要且危险系数较高的特殊气体（Specialty Gas，简称特气）。

 

一、特气的定义与特征

特殊气体（特气）通常指在半导体生产工艺中使用量较小，但极少量便足以对人体造成生命威胁或严重损害的气体。这类气体多具有毒性、易燃性、腐蚀性，或者是需要特殊条件来存储、输送及使用的特殊性能。
与大宗气体（如氮气、氧气等）不同，特气的存储和使用过程需要严格控制，并且通常需要专门设计的设备、管道和安全系统来保障生产环境的安全性。

二、特气的分类与具体特性
根据PDF所示，特气主要可以分为以下几类：
1. 易燃性气体（Flammable Gas）
易燃性气体的燃点低，一旦泄漏并与其他气体混合，极易引起燃烧甚至爆炸。这类气体包括：•硅烷（SiH4）•磷化氢（PH3）•氢气（H2）•甲烷（CH4）
2. 毒性气体（Toxic Gas）
毒性气体具有强烈的反应性，会严重危害人体机能，甚至致命。典型的毒性气体有：•一氧化碳（CO）•氮氧化物（NO）•三氟化氯（ClF3）•砷化氢（AsH3）
3. 腐蚀性气体（Corrosive Gas）
这类气体极易与水分产生酸性物质，造成腐蚀，对人体与设备都有极大的破坏性，代表性气体有：•氨气（NH3）•四氟化硅（SiF4）•氯气（Cl2）•三氯化硼（BCl3）
4. 低压性/保温气体（Heat Gas）
此类气体通常呈黏稠液态，储存与输送需要加热保温，以维持气态输送，代表气体包括：•六氟化钨（WF6）•三氯化硼（BCl3）•二氯硅烷（DCS）
5. 惰性气体（Inert Gas）

又称窒息性气体，此类气体泄漏后会降低空气中的氧含量至危险水平（16%~6%以下），造成人体缺氧窒息甚至死亡，典型的气体有：•六氟化硫（SF6）•八氟环丁烷（C4F8）•一氧化二氮（N2O）

三、特气的具体应用领域

在半导体的不同制造工艺中，不同的特气有不同的具体用途，以SMIC工厂为例：•薄膜制程（Thinfilm）常使用硅烷（SiH4）、氯气（Cl2）、六氟化钨（WF6）等特气。

•蚀刻制程（Etch）中大量应用四氟化碳（CF4）、三氟化氯（ClF3）等高反应性气体。•扩散制程（Diffusion）中则会使用一氧化二氮（N2O）、氦氧混合气（He/O2）等。

四、特气供应系统的组成与安全保障
特殊气体供应系统包括以下关键组成部分：
1. 气瓶柜（Gas Cabinet）与气瓶架（Gas Rack）

气瓶柜根据实际需求可设计成单瓶、双瓶、三瓶架构，并具备多种安全防护功能，如：•钢瓶阀自动切断装置（Shut Boy）•UV/IR火焰探测器•洒水装置（Sprinkler）•

紧急停气按钮（EMO）•气体泄漏检测（DPS/DPG）•防爆玻璃与通风系统

2. 阀件分流箱（VMB）和阀件分流盘（VMP）
这两种装置主要用于特气的精密控制和安全输送，一般设计成4-stick、8-stick或10-stick等多种规格。其安全配置包括紧急停气按钮（EMO）、泄漏检测装置、防爆玻璃等设施。
3. 管路系统（Gas Piping System）

根据气体特性，不同气体对应不同的管道材质和输送设计，如：•高纯度不锈钢管（S.S.316L）用于毒性或惰性气体；•双层管路（Double Wall）用于高危气体以增强安全性；

•需要加热保温的气体管路则配备热追踪（Heat Tracing）系统。

五、特气安全防护与使用规范

由于特气本身具备极高的危险性，其使用必须严格遵守安全规范：•现场需配置实时气体监测与报警系统；•必须具备自动安全联锁与紧急停机功能；

•从业人员必须接受全面的气体特性培训；•定期进行设备检查与维护，防止泄漏或意外发生。

特殊气体（特气）虽然在半导体生产中用量相对较少，但其关键作用无可替代。

合理设计并规范操作特气的供应与使用系统，确保其安全性与稳定性，不仅对保障人员安全至关重要，也对生产的高效与产品质量起着决定性作用。

随着半导体工艺持续向高精尖迈进，特气供应系统将进一步发展为更安全、高效与智能化的系统，这也必将是半导体产业的长期趋势之一。 

3. SGS系统关键技术要求3.1 安全设计规范特种气体系统设计必须符合以下安全规范：‌防火间距‌：气瓶间与实验区防火间距≥8m(GB 50177)，特种气体站与主厂房间距符合GB 55037-2022要求。‌

防泄漏系统‌：双阀联锁设计(手动阀+电磁阀)，配备激光气体传感器(H₂检测精度1ppm)和压力传感器。‌防混气设计‌：独立气路分区，不相容气体系统吹扫氮气不得共用同一氮气源。‌

防静电措施‌：所有管道和设备接地电阻≤4Ω，法兰间设跨接线。‌应急系统‌：自燃性/易燃性气瓶柜设水喷淋系统(ClF3除外)，毒性/腐蚀性气体间设紧急洗眼器。

3.2 材料与施工标准‌管道材料‌：316L不锈钢EP级电解抛光管，内壁粗糙度≤0.4μm。‌焊接要求‌：采用自动轨道氩弧焊，高纯氩气保护，焊接样品需通过鉴定。‌

测试验收‌：压力试验：采用高纯氮气或氩气，禁止使用水压试验和检漏液。氦检漏：检测灵敏度≤1×10⁻⁹ Pa·m³/s。洁净度测试：颗粒物≤0.1μm，水分≤10ppb，氧分≤10ppb。

3.3 电气与控制系统‌电源要求‌：特气系统需独立电源回路，配备UPS不间断电源。‌信号接口‌：采用MODBUS RTU等标准协议，与工厂DCS/SCADA系统集成。‌

联动控制‌：与消防、排风、工艺设备等系统联动，泄漏时自动启动应急预案。3.4 尾气处理系统‌中和塔‌：处理酸性/碱性废气，去除效率≥99%。‌

焚烧炉‌：处理可燃性废气，温度≥1000℃。‌洗涤塔‌：处理毒性/腐蚀性废气，配备pH自动调节。‌监测要求‌：排放口设在线监测，数据联网上传环保部门。

4. SGS系统接口标准4.1 机械接口‌气瓶连接‌：采用CGA、DISS等标准接口，配套pigtail过渡。‌管道连接‌：主管道采用VCR或焊接，支管采用VCR或卡套连接。‌

设备接口‌：压力变送器、流量计等采用1/4"或1/2"VCR接口。4.2 电气接口‌信号类型‌：4-20mA模拟量、RS485数字信号、干接点报警信号。‌

通信协议‌：MODBUS RTU/TCP、PROFIBUS、Ethernet/IP等。‌安全联锁‌：硬线连接紧急切断信号，响应时间≤100ms。

4.3 软件接口‌数据格式‌：OPC UA、SQL数据库接口。‌报警管理‌：分级报警(预警、报警、紧急)，与工厂MES系统集成。‌

用户界面‌：WEB或客户端，支持多级权限管理。

美国Honeywell霍尼韦尔Midas气体侦测器：

Ammonia NH3 0 - 100 ppm MIDAS-E-NH3

Arsine AsH3 0 - 0.2 ppm MIDAS-E-ASH

Boron Trichloride BCl3 0 - 8.0 ppm MIDAS-E-HCL

Boron Trifluoride BF3 0 - 8.0 ppm MIDAS-E-HFX

Boron Trifluoride (Low Level) BF3 0 - 0.2 ppm MIDAS-E-HFL

Bromine Br2 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-BR2

Carbon Dioxide CO2 0 - 2.0 % vol MIDAS-E-CO2

Carbon Monoxide CO 0 - 100 ppm MIDAS-E-COX

Chlorine Cl2 0 - 2.0 ppm MIDAS-E-HAL

Chlorine Dioxide ClO2 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-BR2

Chlorine Trifluoride ClF3 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-SF4

Diborane B2H6 0 - 0.4 ppm MIDAS-E-HYD

Dichlorosilane H2SiCl2 0 - 8.0 ppm MIDAS-E-HCL

Difluoromethane CH2F2 0 - 120 ppm MIDAS-E-CFX

Disilane Si2H6 0 - 20 ppm MIDAS-E-SHX

Fluorine F2 0 - 4.0 ppm MIDAS-E-HAL

Germane GeH4 0 - 0.8 ppm MIDAS-E-HYD

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