面板企業(yè)潔凈室氣體泄漏影響后果研究

李峰(上海天馬有機發(fā)光顯示技術有限公司，上海 201201)

0 引言

半導體工藝中，需使用特殊氣體完成其關鍵制成部分，這些特殊氣體一般具有毒性和腐蝕性。半導體特氣供應輸送系統(tǒng)一般是特殊氣體從“儲存容器”通過供應管路及配件，到達供應機臺使用。機臺使用完畢后，尾氣連同未使用反應的剩余氣體通過傳輸管道到達尾氣處理裝置經(jīng)充分燃燒后，最終排入廠務處理系統(tǒng)(天面排氣平臺)，確認達標后排放到大氣環(huán)境中[1]。當潔凈室發(fā)生特氣泄漏時，對現(xiàn)場人員的健康構成巨大威脅，泄漏后果控制及現(xiàn)場人員的安全疏散是半導體企業(yè)安全管理中的重點工作。因此，本文針對特氣泄漏影響后果及防范工作開展針對性研究。

1 面板企業(yè)氣體泄漏模擬模式的構建

1.1 選擇案例的基本情況

上海某大型企業(yè)是國內領先的面板制造商，主營生產(chǎn)最先進的AM-OLED 顯示屏幕，該企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境屬工業(yè)潔凈廠房，生產(chǎn)過程中間工藝工序復雜，使用多種原料和溶劑。潔凈室二層主要搭建面板生產(chǎn)運行設備，潔凈室一層主要為化學品供氣管道、工藝輔助設備、尾氣處理裝置。因SUBFAB 設備維保、現(xiàn)場維護涉及部分人工崗，故特氣泄漏的后果模擬研究對工廠的安全管理和應急防控具有重要的意義。

1.2 泄漏場景選擇

通常來說，發(fā)生泄漏的部位主要集中在氣瓶柜(GC：Gas Cabinet)、氣體閥門分配箱(VMB：Valve Manifold Box)、生產(chǎn)制成尾氣處理設備(Local Scrubber)和特氣供應管道。AM-OLED面板制成核心工藝CVD 部分，工藝供氣氣體涉及SiF4、NF3、NH3、H2、SiH4，尾氣和衍生物包括SiO2、SiF4和少量HF。

案例場景選擇基于企業(yè)實際設置情況：潔凈室一層尾氣處理裝置(Local Scrubber)，周圍設有多種氣體VMB 閥門箱，考慮到CVD 設備后段管道氣體輸送為少量粉塵和衍生物，毒性危害不大，且管道保持負壓抽真空狀態(tài)，過程工藝如圖1 所示。因此本文研究CVD 設備前段特氣輸送管道泄漏后果，以潔凈室一層特氣輸送管道發(fā)生瞬時泄漏，對泄漏后產(chǎn)生的后果和同層影響范圍進行模擬，并基于ALOHA 能夠模擬毒性、可燃性、熱輻射和超壓等與化學品泄漏而導致毒性氣體擴散、火災或爆炸相關的主要危害，可以快速預測出對人體產(chǎn)生立即健康影響的毒氣濃度范圍以及可燃性氣體火災、爆炸所能波及的范圍[3]。

圖1 CVD供氣與尾氣排放圖示

1.3 泄漏模擬軟件介紹

ALOHA 軟件是由美國環(huán)境保護署、化學品突發(fā)事件和預備辦公室與國家海洋和大氣管理響應恢復辦公室聯(lián)合開發(fā)的一款化學品風險模擬程序。該軟件涵蓋近上千種化學品的理化性質，通過時間、地點、環(huán)境、溫度、風速、相對濕度等)和工藝過程(管道參數(shù)、工藝溫度、泄漏口尺寸等)數(shù)據(jù)以及數(shù)學模型的設定來計算化學品泄漏后的中毒、火災和爆炸事故的危害范圍，模擬結果與實際情況相符，目前已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的輔助管理軟件，廣泛應用于典型?；芬约俺鞘腥細夤艿佬孤┦鹿饰：Φ娘L險評價和應急人員的快速部署[4]。

1.4 泄漏類型選擇與泄漏規(guī)模確定

在 ALOHA 模擬計算的過程中，氣體擴散濃度正比于源的釋放率，因此對源的強度和泄漏持續(xù)時間的估計將對最終模擬結果產(chǎn)生重要影響。該公司工藝制成正常，供氣正常，閥門均處于開啟狀態(tài)，設備狀態(tài)正常，假定VMB 后端供氣管道發(fā)生氣體泄漏，供應制成的氣體瞬時放出。此狀態(tài)瞬時泄漏狀態(tài)，泄漏點為瞬時泄漏源，源的強度在泄漏的前1min 內幾乎無變化[5]。

1.5 事故后果分析與評判標準

案例企業(yè)CVD制成供應特氣包括SiH4、NH3、N2、H2、NF3等，制成完畢通入Local Scrubber 燃燒室成分包括顆粒物、尾氣和衍生物包括SiO2、SiF4和少量HF。因Scrubber 一直維持較大負壓，泄漏可能和后果均較小，因此本文研究CVD 設備前段正壓特氣輸送管道泄漏后果，以潔凈室一層特氣輸送管道發(fā)生瞬時泄漏，對泄漏后產(chǎn)生的后果和同層影響范圍進行模擬。考慮后果危害程度，本文選取制成供氣SiH4、NH3、NF3三種氣體開展分析。

ALOHA 軟件以美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會制定的美國應急行動計劃指南確定毒性影響區(qū)域，毒物的關注濃度有急性暴露水平指南濃度(AEGL)、應急反應指南濃度(ERPG)、保護行動標準(PAC)、臨時緊急暴露極限(TEEL)4 種指標。評判標準是根據(jù)影響程度的不同對泄漏事故發(fā)生后的影響區(qū)域進行分區(qū)以確定不同應急措施的臨界值。本文根據(jù)氣體特性選用ERPG、TEEL 代表的毒氣影響界定表征結果，如表1 所示，毒氣體積分數(shù)1 值和2值之間會對人體造成輕度傷害；毒氣體積分數(shù)在2 值和3 值之間會嚴重影響人員身體健康，主要是對某些器官的傷害；毒氣體積分數(shù)在3 值以上會造成嚴重的、持久的威脅生命的影響[5]。

表1 SiH4、NH3、NF3物質特性和評判標準

2 案例應用

2.1 SiH4模擬結果

設置風速0.8m/s，環(huán)境溫度23℃，管道直徑0.95cm，管道長度110m，管道內壁光滑，管道壓力59.7psi，管道溫度23℃，泄漏形式考慮最不利情況即管道斷裂導致的瞬時泄漏，此時泄漏管道另一端為關閉狀態(tài)。

模擬結果如圖2 所示，在設定參考范圍內硅烷濃度過低，擴散范圍較小，無法獲取擴散濃度變化圖，僅有氣體毒性影響范圍。同時，考慮一定濃度的硅烷可能空氣反應發(fā)生自燃現(xiàn)象，若達到爆炸極限下限的硅烷云團遇點火源點燃，可能引發(fā)閃火或爆炸。因此針對硅烷再進行火災后果模擬，如圖3，模擬結果顯示該公司的硅烷管道發(fā)生斷裂后經(jīng)泄漏擴散形成的氣團不會聚積到自燃火災的濃度。

圖2 硅烷泄漏毒性擴散模擬

圖3 硅烷泄漏火災擴散模擬

2.2 NH3模擬結果

設置風速0.8m/s，環(huán)境溫度23℃，管道直徑3cm，管道長度205m，管道內壁光滑，管道壓力43.7psi，管道溫度39.1℃，泄漏形式為管道斷裂導致的瞬時泄漏，泄漏模擬為自泄漏起管道另一端的氣體停止流動，即供氣端處于關閉狀態(tài)。因現(xiàn)有布置人工崗位直線距離不小于50m，模擬場景為氨氣管道泄漏對距離管道50m 外場所的影響，如圖4 和圖5 所示。

圖4 氨氣泄漏毒性擴散圖

模擬結果顯示，瞬時泄漏的情況下，距離泄漏源22m 處可達到NH3EPRG-3 限定值，距離泄漏源22～51m 可達到NH3EPRG-2限定值，距離泄漏源51～127m 可達到NH3EPRG-1 限定值。

圖5 氨氣泄漏下風向50m處濃度情況

2.3 NF3模擬結果

設置風速0.8m/s，環(huán)境溫度23℃，管道直徑2.5cm，管道長度187m，管道內壁光滑，管道壓力57.2psi，管道溫度23℃，泄漏形式考慮最不利情況即管道斷裂導致的瞬時泄漏，此時泄漏管道另一端為關閉狀態(tài)。模擬結果如圖6 所示，在設定參考范圍內三氟化氮濃度過低，擴散范圍較小，無法獲取擴散濃度變化圖。此外模擬數(shù)據(jù)顯示，距離泄漏源28m 處可達到NF3EPRG-2限定值，距離泄漏源19m 可達到NF3EPRG-3 限定值。

圖6 三氟化氮泄漏毒性擴散模擬

3 結語

文章針對面板關鍵制成工藝CVD 過程供氣管道進行氣體泄漏模擬后果研究，采用ALOHA 軟件基于案例企業(yè)實際設施參數(shù)進行瞬時泄漏模擬，確定出事故可能人員健康的影響區(qū)域，并對其進行危險區(qū)域劃分，實現(xiàn)了事故影響區(qū)域的直觀表現(xiàn)。為設備維保、現(xiàn)場維護等人工崗設定提供了泄漏后果影響范圍和防護安全距離指導。

公司要加強監(jiān)管職責，在日常運行及維護時，尤其要管道檢查及保養(yǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)形變裂縫等要迅速采取措施，防止其擴大。企業(yè)設有GDS 氣體偵測系統(tǒng)，可及時反應異常并聯(lián)動，因此要長久保持良好狀態(tài)。同時針對事故應急設有“緊急應變小組(Emergency Response Team)”和“緊急應變中心(Emergency Response Center)”，在遇到緊急事故時，要會根據(jù)泄漏點大小及位置初步判斷泄漏影響范圍及嚴重性，做好危機應急處理。