在硅片制造过程中通过合理的H2排气处理来避免火灾和爆炸危险

hhnec

在硅片制造过程中通过合理的H2排气处理来避免火灾和爆炸危险
& z% I- X) `& b6 Q- d9 D. N     
        在硅片制造过程中，H2被广泛用于Si和化合物半导体的外延层淀积工艺中，而H2的易燃性也成为这些使用H2工艺的管道和排气处理中安全性的焦点。外延工艺废气中外延淀积气体的存在也会引起燃烧和环境危害，从而使H2的废气处理变得更复杂。因此，需结合的H2易燃性和不同气体百分含量下爆炸的危险性，来考虑特殊的废气处理方案。
; p: x  @) _( I  N! _' `/ q        外延层淀积工艺在高速Si器件和化合物半导体生产中的应用越来越广泛。该工艺中，H2用来与气氛中O2反应以降低氧化物的含量。因为H2具有低的粘度系数和高的比热特性，在淀积气体快速通过硅片表面时能有效地减小硅片不同区域的温差[1]。
        在外延工艺中，H2的流量通常为50标准公升/分（slm），也可以高到300slm。此外，用于SiGe晶体管的制造的外延工艺气氛中还含有淀积气体（如硅烷和锗化物），用于其它器件的制造的外延工艺气氛中还含有三氯硅烷、砷化三氢、磷化氢和其它有机金属气体（如三甲基镓或三甲基铟）。这些混合气体的存在对废气的抽除降压、排气消除和水洗涤等传统处理方法提出了新的挑战。
7 n& @. Y* @! m        在外延工艺中H2的易燃性和反应气体的引火性、剧毒性对废气处理装置提出了更高的要求。由于H2具有广泛的易燃范围（空气气氛中4-76%，O2气氛中4-95%），即使微量的H2泄漏到真空管道或工厂里，都可能形成易燃、易爆性混合气体。对于一些使用三氯硅烷的外延工艺，不稳定的固态物质在排气管道的沉积会形成点火源。此外，在很多外延层工艺中用来去除有机金属气体、三氯硅烷和HCl的水洗涤器，也常会发生静电放电现象而引起燃烧。
        因此，对含H2工艺中废气进行合理处理的要素包括H2和淀积气体的易燃性、==法规和行业安全条例，以及对H2排气装置的特殊要求等。
        H2的易燃性
# X: B" j7 E$ W        防止H2燃烧的最佳方法就是保持H2的百分含量低于4%，即其燃烧下限（LFL）。若H2的百分含量高于4%，就有可能在泄漏处发生自持性燃烧。如果泄漏发生在处于负压下的管道，外界的空气在大气压作用下在泄漏点进入管内，就会在管道内发生自持性燃烧，造成夹具、“O”形环、甚至管道本身的损伤。因此，每次进行管道系统组装、更换或维护时，应硬性规定对所有通H2管道作严格的泄漏检查。
        H2的可燃性具有广泛的百分含量范围和并受不同外界条件的影响。温度、压力和O2、N2等其它气体的含量都会影响H2的燃烧下限LFL、燃烧上限UFL和火焰锋速度等性能。稀释气体（如N2、O2或Ar）本身的特性也会影响H2的燃烧（如表1中所示“H2和其它气体的性能”）。在混合气体内添加CO2或其他稀释气体可将H2的LFL值略微提高几个百分点，提高量取决于各稀释气体（CO2、N2和O2）[2]的添加量，此外，水蒸气也略具熄火作用。空气气氛中H2的UFL为76%（如图1），而在纯O2气氛中H2的可燃性范围为4%~95%，在O2∶CO2=20∶80的气氛中为4%~61%。空气中H2的点燃能量为0.3mJ，而在纯O2气氛中减小到0.003mJ [4]。
        用N2对H2/空气混合气进行稀释时H2燃烧的最低百分含量为4%，而当CO2在混合气体中占有很大的比例时（如达到混合气体体积比的75%），相应H2燃烧的最低百分含量则提高到7.5%。同样，仅用体积比20%的Halon 13B1（CF3Br）来稀释，也使H2/空气混合气呈惰性[5]。H2在空气中燃烧的传播依赖于气体的自由基，稀释剂作为自由基的清除剂而削弱了H2的燃烧性。另外，空气气氛中4% LFL 的H2燃烧为向上运动的火焰，但10% 体积比的H2产生的燃烧为向下运动的火焰[6、7]，而要实现水平方向的燃烧则要求H2的百分含量至少为6%[8]。
        影响H2燃烧的因素有很多，然而有一点是确定的：只要混合气氛中H2的体积比 <4%，或在纯O2气氛中H2的体积比 <5%，H2都不会发生燃烧，与是否存在其它稀释剂均无关系。
' a- u5 Y0 ?* h$ j        可燃性和爆炸极限
        上述提到的LFL、UFL与爆炸下限LEL、爆炸上限UEL是不同的概念，不可互换使用。比如说，H2的LEL-UEL范围在空气气氛中为18-59%，而在纯O2气氛中为15-90%（见表1）。可燃性（亦称爆燃过程）表现为亚声波火焰锋面，而爆炸过程则表现为超声速波阵面，通常速度大于1000m/sec。
; i  U2 M) _  P# K+ ]        “爆炸波是一种冲击波形式，冲击压力引起化学反应所产生的能量是爆炸波得以持续的能量来源” [3]。也就是说，冲击波本身就引起燃料和氧化剂间的反应，在燃料和氧化剂具有合适含量的条件下可实现能量的自维持。爆燃过程要转变成爆炸必须满足以下条件：
● 燃料的含量在可爆炸所需的范围内
● 燃料/空气流足够大，使爆燃波阵面加速并超过声速
● 存在极不规则紊乱或声压反射结构（如墙壁、管道或其它可反射冲击波的障碍物）
        回闪现象的抑制
8 S2 O) ?0 s2 Q1 N; B        需要指出，火焰锋速度不仅受外界测试条件的影响，而且与燃料和氧化剂的百分含量有关。在空气气氛中H2的最大火焰锋速度达到0.265m/sec（参见表2）的条件是气氛中含42% H2和21% O2且发生层流。H2层流火焰锋的速度可在<0.1m/sec（N2气氛中H2和O2的含量都很低）到 >0.9m/sec（纯O2气氛中含70% H2）的范围变化。湍流现象（可由障碍物、空气的交叉流动、Reynolds值大于2000或真空泵的脉动等不同因素引起）会明显提高火焰锋速度。然而，即使气体正向运动的速度大于层流焰锋的速度，湍流的出现仍可能引起排气管内的火焰的回闪Flashback现象。有多种方法可以抑制火焰回闪现象的产生，但很明显，首先应防止可燃性混合气体的形成。引火性或易燃性活性气体（如SiH4或H2）的本身的防火性依赖于双重抑制或引入足够的惰性气体使其稀释到低于LFL浓度。然而，引入惰性气体的问题是增加了气体的流量，例如SiH4的流量为2slm，要实现SiH4在N2气氛中的最大含量<1%时， 则要求N2的流量为200slm；而当H2流量为200slm，，要达到H2在N2气氛中的最大含量<4%时，则需要N2的流量为5000slm（175cfm）。一些手册推荐，将可燃性气体含量稀释到其LFL的25%，所需稀释气体的流量将会增加至4倍。
  }9 L  b! j$ ]; \( M. ^' x        稀释气体的成本与工艺中气体总流量有直接的关系，因此工艺气体流量的增加会随之提高气体稀释方法的成本。用大量惰性气体对废气中H2进行稀释的费用将会很高，这有悖于ITRS提出的“主动降低动力消耗”这一精神[9]。
- j- C/ @9 O/ u         在有些情况下可使用回闪抑制器来防止火焰回闪的发生。回闪抑制器可以在一段时间内将火焰限制在其下游表面，从而促使热监测系统启动停止程序。回闪抑制器可以是一个通孔、一块金属丝网或在气体（和回闪火焰）必须经过的通路上设置一个装填有金属或陶瓷的容器。回闪抑制器的工作原理是在于当可燃性混合气体流过足够小的通孔时，障碍孔可吸收其大部分热量由此来防止向上逆流运动气体的爆燃（如图2）。通孔的大小，也称“熄火间隙”，取决于燃料和火焰锋的速度，如对H2来说，通孔直径为0.6mm，而对CH4和C3H8来说，通孔直径为2.0mm。不幸的是，大多数半导体生产工艺中，有许多固态物质会沉积在管道内而造成这些小通孔的堵塞。

# H* \6 t! k5 m- s        燃烧室/清洗器的结合
        如果产生泄漏，用N2对排出的废气进行有限的稀释处理可以降低H2和O2的百分含量。工艺废气被稀释后并将其气流直径收缩至足够小，以确保气体的向前运动速度大于火焰锋速度。这种“火焰锋”方法用于层流型气体很有效，但对于湍流型气体却并不适用。使用N2对废气进行有限的稀释，如果气流收缩的长度又足够的话，回闪火焰会被“锁住latch”，直至温度上升使系统缓解或开启关闭程序，在某些情况下也会同时使用回闪抑制器。
然而， H2处理并不是外延工艺废气处理中的唯一问题，如淀积气体的氧化会形成固态物质、还有许多工艺常用的HCl会造成腐蚀、管道系统内堆积物或不稳定固态物质这些都有可能成为燃烧源。对外延工艺的废气处理最彻底的方法就是使用燃烧室，随后进行水清洗。对此，BOC Edwards研发了一种燃烧室和清洗器相结合的装置，可专门用于高H2含量的工艺废气的处理[10]。
        这种称为“Helios”的废气处理装置采用内燃烧型的多孔性陶瓷燃烧室，连结三段式水清洗器用来去除废气中的微粒和酸性气体，少量的天然气和空气的混合物作为燃烧室的燃料。含H2的工艺废气进入燃烧室被燃烧和氧化，燃烧产生的热气体随后进入熄火区，采用交叉喷水方式对燃烧室产生的废气进行冷却，并带走气体中的固态物质，而水溶性气体的去除则在填料塔中完成。
        保证燃烧室内O2含量的充足对H2的去除有着至关重要的影响，因此工艺设备上安装有一个智能接口，用来监测H2的流量。当H2流量超过100slm时，就通过工艺设备进气喷嘴的套筒向燃烧室内增加空气的流量（如图3）。 空气除了提供燃烧时所需的O2以外，其中的N2还可以降低高H2负载下燃烧室的温度。
        根据H2的流量对燃烧室的设置进行合理的改动，以确保最佳的H2去除效率，同时能将天然气燃料不完全燃烧产生的CO量降至最低。例如，当H2流量超过100slm，H2和天然气因争夺O2而产生大量的CO；相反，若空气流量过高而H2流量很低，燃烧室则将在低于最佳温度的环境中工作。对两段式燃烧室结构接口的控制确保在0~200slm流量间的H2能被完全去除。除了H2，该废气处理装置的设计还可有效地去除常用工艺中所有废气和副产物。燃烧室采用窄进气口结构是为了提高废气的前向运动速度，一旦有空气泄漏进入到废气中，可抑制火焰回闪现象。
% Q4 [0 G0 Z; y. Q* P" ^
        结论
        合理地去除工艺废气中的H2就必须对H2的易燃性有深入的了解。任何含H2工艺都必须进行严格的管道泄漏检查。防止可燃性混合气体（H2+ O2）的形成是H2废气处理中最重要的环节。可控式燃烧室可确保可燃气体的含量低于LFL，是安全去除H2的唯一方法。
0 U# o7 p/ P! R
) b1 {% ^. q$ b4 B. M! `" X/ i, O        H2和不同气体的性能
- s9 a1 v6 C) J        如本文所述，对影响H2可燃性的多种因素的了解是很重要的；可控式燃烧室确保可燃气体的含量低于LFL，可安全地去除H2（见表1）。

& w  u. j, X" n: o% j& {6 S

: x1 y4 m/ s9 R: N& k! I9 R7 C
在不同气氛中，H2 “可燃性的最小百分含量”也不同，下面列举两种（见表2）。


; h  n( r: x% d- d$ f2 ]
( T1 {" n) |+ z/ b图1.  H2可燃性的变化曲线[3]
; M; H/ Z6 y; G1 M8 X
& g  e& t' Z) H9 ?* b; G图2  Helios燃烧室顶部剖面图，其中引入空气使H2进行燃烧

图3. Helios燃烧室顶部剖面图，其中引入空气使H2进行燃烧


4 X0 I4 A' g! i; D; c作者：Joe Van Gompel，资深产品经理，BOC Edwards，联系作者：joe.vangompel@bocedwards.com

cdsky521

你说的很有道理呀!
5 P- e# O  [& N( C* E# w但是对于遇到含有PH3,TCS制程气体在尾气处理时你选的是什么Scrubber?
有什么更好的建议也可以发信息到我的邮箱,大家相互交流一下.
; o' h5 T' C* `* K3 a6 L/ k! Fsky1203fly@126.com

zhangzq-8

有道理，能否把你资料发送到我信箱zzqx@163.com <zzqx@163.com>。tHANKS

zxfsn888

为什么要往邮箱发呢？在这里可以说出来呀

daimyou

感谢楼主提供

Fanzhanghan

LZ,对于EPI工艺机台，由于机台采用AP Furance，不设置Vacuum pump。导致风管内压力不能满足后端燃烧式Local scrubber所需要的压力差。使用了WET Local scrubber。利用N2稀释H2，排出。
8 D4 K( d. I  m% _; f! n) i有哪些安全设施需要安装啊？？
) B+ Z6 T1 H# ~是否需要在Exhaust duct上安装fire damper？但是NFPA318上规定一般Exhaust管路不允许安装Fire damper。

daimyou

感谢楼主提供!!

tmmjy

感谢楼主提供，正需要这方面的资料。

HAOYIK

一般都有DCS\PH3\B2H6等气体,有时粉尘烧得很厉害,应该是PH3,这些有没有好的办法,建议讨论

5月天空

对常压外延，尾气处理是大是大非常危险的。掺杂剂PH3，在尾气管道中能以P的形式存在，P的燃点为40度，轻微碰一下，温度就满足燃点。对尾气中的H2，采用稀释风机，对高浓度的H2进行稀释，是成本最低的方案。
) y! r  z! H8 a% l8 f$ g3 Y
. O1 t% L" q! G2 N7 _在对尾气管道进行维护时，风险高。特别是打开尾气管道的瞬间。

sinoadamwang

老大要求做排风，去学习下。

mle

非常感谢楼主提供资料!

weitingan

樓主請問MOCVD的H2也可以用否!