高純氣體管路系統(tǒng)顆粒物產(chǎn)生原因分析及防治

劉見華 萬 燁 趙 雄 趙 宇 王 磊 嚴大洲

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.洛陽中硅高科技有限公司，河南 洛陽 471023；3.多晶硅材料制備技術(shù)國家工程實驗室，河南 洛陽 471023)

0 前言

半導(dǎo)體、生物醫(yī)藥、精細化工制造對高純氣體管路的潔凈度有很高的要求，微顆粒的污染是影響產(chǎn)品質(zhì)量和成品率的重要因素。例如，在半導(dǎo)體的制造過程中，高純氣體應(yīng)用于薄膜沉積等工藝，氣體中的微顆粒會產(chǎn)生針孔等缺陷，造成器件短路、斷路，影響器件性能，甚至導(dǎo)致器件失效。

有研究提出，在高純室內(nèi)硅片上的污染源中，氣體及化學(xué)試劑占比達到23%[1]，因此，高純氣體中的微顆粒含量是高純系統(tǒng)的重要控制指標(biāo)之一，同時也對高純氣體管路系統(tǒng)提出了更高的要求，要確保在高純氣體輸送過程中不受污染物污染。但是，微顆粒污染物的來源涉及多個方面，要提高潔凈技術(shù)的應(yīng)用水平，需從設(shè)計、材料選擇、制造、潔凈、檢驗、包裝和裝備全鏈條進行考慮，若有一個環(huán)節(jié)不滿足要求，系統(tǒng)的潔凈度就無法得到保證。本文分析了高純氣體管路顆粒物產(chǎn)生的原因，從材料的純化、表面處理、閥門和過濾器選型、焊接質(zhì)量控制、管道安裝、作業(yè)環(huán)境幾方面提出防治措施建議。

1 固體顆粒物的來源

光伏、LED、平板的制造要求潔凈度等級達到4級；而半導(dǎo)體的制造要求潔凈度等級達到3 級，甚至更高級別。相關(guān)指標(biāo)見表1[2]。

表1 潔凈室及潔凈區(qū)空氣潔凈度整數(shù)等級

在高純氣體的輸送過程中，管道、閥門、流量計、法蘭、接頭、過濾器、環(huán)境等都可能是固體顆粒物的來源。固體顆粒物的來源主要包括以下幾方面:

1.1 高純材料的制造

潔凈鏈的基礎(chǔ)是材料的制造。在鋼材熔煉過程中，微量的雜質(zhì)氣體會溶解在晶格中，在鋼材使用時析出并進入產(chǎn)品氣體中，從而污染產(chǎn)品氣體。在焊接時，若材料性能不穩(wěn)定，其內(nèi)部組織可能會發(fā)生變化。例如，當(dāng)材料的含碳量過高時，焊縫可能會受焊接熱的影響而形成碳析出，焊縫處會產(chǎn)生局部腐蝕應(yīng)力，嚴重時，會導(dǎo)致焊縫處滲漏，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

材質(zhì)不同，管道的滲透性也不同，所以應(yīng)根據(jù)使用介質(zhì)要求選取管道材質(zhì)。例如，氧在不同材質(zhì)中的滲透性存在差異，氧在不銹鋼和銅材質(zhì)中的滲透性為0 μL/L，在聚丙烯中為11 μL/L，在聚乙烯化合物中為27 μL/L，在天然橡膠中為40 μL/L。氣體中的水分也具有滲透性，且受環(huán)境濕度的影響。目前高純氣體管路主要選擇不銹鋼作材質(zhì)。

1.2 管道材料表面的雜質(zhì)

材料表面未進行處理時，可能會附著有氧化皮、油污、灰塵、金屬碎屑等雜質(zhì)，若沒有進行有效處理而直接使用，在介質(zhì)的沖刷下以及使用環(huán)境的溫度壓力發(fā)生變化時，上述雜質(zhì)會進入介質(zhì)氣體，造成氣體質(zhì)量下降和潔凈管道污染，嚴重時引起部件損壞，甚至導(dǎo)致管道報廢。

管道的表面粗糙度會影響微顆粒的吸附和釋放，物理粘附在管道壁的微顆粒和因腐蝕或磨損產(chǎn)生的微顆粒是兩個主要的污染源。當(dāng)管道內(nèi)的氣體流動時，管材對介質(zhì)氣體產(chǎn)生加壓吸附；當(dāng)氣流停止時，管道吸附的氣體又會發(fā)生降壓解吸，繼而進入管道。如此，吸附和解吸循環(huán)作用，使管材表面金屬產(chǎn)生粉末，污染產(chǎn)品氣體。

1.3 產(chǎn)品氣體自身攜帶的污染物

在高純氣體制備過程中，受原料、純化過程、設(shè)備及閥門、過濾器等因素的影響，如精餾塔內(nèi)部劇烈的氣液交換、氣液對設(shè)備內(nèi)部和填料的沖刷、吸附劑或催化劑磨損產(chǎn)生固體顆粒等，產(chǎn)品氣體自身含有一定量的固體顆粒，且在充裝前沒有進行有效分離，所以產(chǎn)品氣體自身攜帶的污染物含量較高。

1.4 控制閥門和過濾器

閥門是控制系統(tǒng)管路的開關(guān)，其密封性對氣體質(zhì)量和微顆粒含量有重要影響，閥門結(jié)構(gòu)、填料材質(zhì)和密封形式均非常重要。部分閥門本體材料與介質(zhì)不兼容，材質(zhì)的純度或表面處理、泄露指標(biāo)、密封性能不合格，出廠前未進行有效潔凈處理等都會對產(chǎn)品造成影響。例如，填料閥門在啟閉時，閥桿與填料密封之間的相對摩擦運動容易產(chǎn)生微顆粒，嚴重時，密封性大幅減弱，物料發(fā)生泄漏，造成產(chǎn)品污染。

過濾器是分離微顆粒的有效裝置，常在管路系統(tǒng)設(shè)置精密過濾器進行固體顆粒的分離。過濾器的通量、過濾精度、過濾材質(zhì)、過濾級數(shù)、不當(dāng)操作等因素都會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，有機膜過濾器能產(chǎn)生和釋放微量的有機物質(zhì)，影響下游制造段的應(yīng)用。在置換時，使用大流量高氣速的氮氣進行吹掃，會造成精密過濾器損壞，從而影響過濾器使用效果。當(dāng)過濾器通量過大時，經(jīng)過過濾器的氣流速度會大幅度降低，導(dǎo)致微顆粒產(chǎn)生慣性撞擊，影響過濾材料的攔截性能，進而降低過濾器對微顆粒的捕捉效果。當(dāng)過濾器的通量過小時，通過過濾器的氣流受到的阻力變大，壓力損失增加，同時濾芯的使用壽命會大幅縮短。

1.5 施工安裝產(chǎn)生的污染

焊接是高純管路連接的最常用方式，施工環(huán)境對焊接質(zhì)量影響很大。若管材未進行有效保護，與空氣接觸，水、氧、顆粒物等物質(zhì)容易附著在管材上，在焊接部位形成氧化膜，使焊接部位成為微粒源。焊接完畢后，如果立即停止通保護氣，退火未進行有效處理，可能發(fā)生晶間腐蝕，在焊縫內(nèi)部形成裂紋，造成焊縫的氧化。

如果焊接施工不規(guī)范，焊縫出現(xiàn)內(nèi)凹或外凸，提供污物聚集的空間。如果焊縫過大或過小，會產(chǎn)生應(yīng)力，引起裂縫。如果管道在切割過程中出現(xiàn)變形或劃痕，端口不平整，有毛刺等，也會影響焊縫的質(zhì)量，從而影響整個配管質(zhì)量。

若管道設(shè)計、布局、支撐設(shè)置不合理，可能形成較多的死區(qū)，產(chǎn)生管道應(yīng)力，造成污染物的聚集。如果管道距離動設(shè)備近，且未進行有效的固定或支撐，管道易產(chǎn)生震動。此外，閥門等器件在操作時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩損傷管路。

2 高純管路系統(tǒng)潔凈控制

2.1 管路材料潔凈

精密制造的發(fā)展有賴于與之相關(guān)的基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，潔凈鏈的基礎(chǔ)是材料的制造。材料性能的提升有兩種途徑:一是尋求新型合金，改善材料自身的性能，減少材料本身的缺陷，提高材料耐磨性；二是改善材料制造工藝，采用真空熔煉技術(shù)，防止在熔煉過程中金屬吸收氣體和雜質(zhì)。

為了改善材料的性能，通常向鋼材中添加一定含量的元素或控制相應(yīng)元素的含量。例如，高鉻含量的材料抗腐蝕性好；高鎳含量的材料延展性好，抗氫脆；低碳含量的材料抗腐蝕，防止焊接后發(fā)生氧化；低硫含量的材料具有優(yōu)異的焊接性能；低錳材料抗腐蝕，塑性好。

在鋼材熔煉過程中，少量氣體會溶解在晶格中，在鋼材使用時又會析出，進而污染產(chǎn)品氣體。因此，開發(fā)了氬氧脫碳技術(shù)、真空感應(yīng)熔煉技術(shù)和真空電弧重熔技術(shù)，如圖1、圖2 所示。采用雙真空熔化工藝，以除去雜質(zhì)和氣體，降低非金屬和雜質(zhì)含量，減少潛在污染和提高材料的焊接性能。

圖1 真空感應(yīng)熔煉示意圖

圖2 真空電弧重熔示意圖

2.2 材料表面處理

管材的表面處理對系統(tǒng)潔凈非常重要，對材料進行表面處理主要是清除材料表面的有害雜質(zhì)，獲得表面光潔度。表面處理主要是利用先進的工藝將材料加工成UHP 級產(chǎn)品，并建立管道材料的表面粗糙度、焊接性能、公差、包裝、外觀等一系列指標(biāo)體系。金屬材料表面處理方法主要有4 種:機械拋光、光亮退火、化學(xué)酸洗鈍化、電解拋光等。

2.2.1 機械拋光

機械拋光是利用機械的方法直接去除材料表面的凸起，采用切削、研磨等工藝手段使材料表面發(fā)生塑性變形，以改善材料的表面粗糙度。但在拋光過程中，滾壓或摩擦等作用會導(dǎo)致磨料和金屬碎屑進入材料內(nèi)部，或產(chǎn)生拉絲劃痕，對拋光面造成二次污染。機械拋光的設(shè)備簡單，價格便宜，但被拋光零件的形狀和尺寸容易受到限制，且拋光設(shè)備對異形件處理不徹底，容易留下死角。

2.2.2 光亮退火

管路在生產(chǎn)過程中使用惰性氣體進行保護，以防拉拔時熾熱的管線被氧化，之后使用酸液鈍化，然后經(jīng)熱純水清洗和氮氣吹干，材質(zhì)多為SS304 和SS316L，成品采用塑料單層包裝，粗糙度一般為0.15～1 μm，能夠滿足大多數(shù)氣體的輸送要求，但是在關(guān)鍵制程工藝中可能會影響產(chǎn)品氣體的質(zhì)量。此方法處理的管道一般用于高純的氮氣、氧氣、氧氣等系統(tǒng)。

2.2.3 化學(xué)酸洗鈍化

化學(xué)酸洗鈍化是采用不同配比的酸洗液對金屬表面進行處理，利用凸起和凹陷處材料溶解速度的不同實現(xiàn)金屬表面的光滑[3]。酸洗拋光過程中，金屬表面釋放的氫會不同程度地進入管道基體材料內(nèi)部，因為不銹鋼中不同金屬的溶解能力不同，經(jīng)處理后，表面呈電位不等狀態(tài)，且一直保持這種狀態(tài)。酸洗鈍化處理不能完全除去酸洗拋光處理中的原始變質(zhì)層和氫化層，實際上只能使處理表面變光滑，而不能提高平整度。

一般情況下，經(jīng)酸洗鈍化的管材對粗糙度不作要求，且不采用單獨塑料包裝，材質(zhì)為SS304 和SS304L，用于氣體輸送時，會影響產(chǎn)品氣體的純度和顆粒度。這種管道外觀較暗，無光澤，成本較低，主要應(yīng)用于壓縮空氣和普通氣體管道、超高純氣體套管、冷卻水和尾氣管道。

2.2.4 電解拋光

電解拋光又稱電化學(xué)拋光，是電化學(xué)陽極溶解的過程，利用因材料表面凸起或凹陷處電流大小的不同而產(chǎn)生的溶解速度差異，使管材表面光滑平整，且表面晶粒結(jié)構(gòu)和金屬基體一致，從而改善金屬材料表面的微觀結(jié)構(gòu)[4]。該方法在材料表面生成一層緊密穩(wěn)定的氧化鉻膜，可提高材料的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，且可以處理異形件。

材料中的碳化物及非金屬雜質(zhì)的導(dǎo)電性較差，因此在電解拋光時，雜質(zhì)和不銹鋼材料的電化學(xué)溶解性存在差異，導(dǎo)致最終拋光材料表面凹凸不平。因此，應(yīng)優(yōu)選純度高、表面光滑、碳含量低的材料，例如SS316L，產(chǎn)品粗糙度為0.08～0.375 μm，采用雙層塑料包裝，幾乎能夠滿足所有關(guān)鍵工藝的氣體輸送，可應(yīng)用于超高純氣體和腐蝕性氣體的輸送系統(tǒng)。

2.3 閥門、過濾器選型

隔膜閥(圖3)和波紋管閥(圖4)分別使用金屬膜片和波紋管密封閥腔，具有良好的密封可靠性。隔膜閥結(jié)構(gòu)簡單，采用金屬膜片密封，死區(qū)體積不足同口徑波紋管閥的一半。此外，隔膜閥無顆粒，漏率低，使用高潔凈等級材料，耐壓等級高，含多種接口，主要用于高純特種氣體的輸送控制。波紋管閥采用金屬密封，無顆粒，漏率低，經(jīng)過高純處理，CV 值高，可配置吹掃口，主要應(yīng)用于超高純大宗氣體輸送系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、大尺寸的特氣管道。

圖3 隔膜閥

圖4 波紋管閥

在管路系統(tǒng)中設(shè)置合理、有效的過濾器，可提升對雜質(zhì)顆粒的捕捉效果，減少濾芯更換次數(shù)。此外，也可設(shè)置兩級以上過濾精度不同的過濾器，如預(yù)過濾器和高精度過濾器。同時，要注意過濾器材料、密封材料與過濾介質(zhì)的兼容性，避免它們因不當(dāng)選用而成為污染源。

2.4 焊接質(zhì)量控制

高純金屬管道采用管材熔融的全自動軌道焊接技術(shù)，如圖5 所示，要求施焊人員經(jīng)過專門培訓(xùn)且施工安裝經(jīng)驗豐富。為防止焊接部位氧化，在焊接時向施焊管內(nèi)通入與工藝介質(zhì)同等純度的保護氣體，一般為高純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣。焊接完成后，管道內(nèi)繼續(xù)通保護氣至焊口冷卻，能有效防止焊接部位內(nèi)部氧化。管道預(yù)制時，在切割過程中應(yīng)防止管道變形或產(chǎn)生痕跡，管道切口應(yīng)進行倒角，去除毛刺，保持加工面光潔，并用酒精或丙酮清洗，完成后用管帽封閉管端[5]。彎管宜采用冷加工處理，使用專用彎管器制作小管徑管道的彎頭，且同一材料不能重復(fù)進行彎管，彎管處不能出現(xiàn)壓扁、彎折、起皺等現(xiàn)象，大尺寸管道應(yīng)直接采用成品彎頭。完成預(yù)制的管道必須做好保護，如在管道兩端使用潔凈的蓋子進行密封，以減少環(huán)境空氣造成的污染。

圖5 全自動軌道焊接示意圖

在焊接前或焊接過程中，若焊接的參數(shù)發(fā)生變化，則應(yīng)重新進行焊縫試驗，檢驗合格后才可進行焊接。接頭處的焊縫要求完全焊透，否則易產(chǎn)生物理空間，聚集污染物。若焊縫不合格，需重新焊接，不能直接在原焊縫上進行補焊，因為補焊容易產(chǎn)生應(yīng)力，引起新的裂縫，應(yīng)將原焊縫進行打磨，露出本體母材后再進行焊接。焊縫凸出厚度不應(yīng)超過管道厚壁的10%，焊縫色變應(yīng)小于3 級(圖6)。焊縫要求均勻一致，焊縫內(nèi)側(cè)平直無凹凸，表面光潔，焊縫外側(cè)環(huán)狀波紋均勻美觀，無夾渣、氣孔、裂紋、氧化等現(xiàn)象。

圖6 高純管道焊縫色變等級

2.5 管道安裝

管道應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理布置，且不影響儀表與設(shè)備的操作。將預(yù)制好的管道或閥組固定在支吊架上，在不受力狀態(tài)下組裝；進行點焊時，要求管道與管道之間同心，處在同一水平面和垂直線上。等焊縫溫度降低后，管口需要使用膠帶重新進行密封，正式進行滿焊時，先去除膠帶再施工。另外，支吊架上的墊片材料與管道間應(yīng)不會發(fā)生反應(yīng)，因為管材表面擦傷、劃痕等缺陷都是應(yīng)力源，會引起腐蝕的不均勻性。

長距離的管路應(yīng)按照設(shè)計規(guī)范增加支撐，防止管路因自重向下凹陷造成損傷，以及管路振動時產(chǎn)生微顆粒污染，且不允許采用活動支撐和彈性支撐，支撐不得約束管道的軸向自由度。閥門、過濾器不能使用工藝管道進行支撐，必須設(shè)置獨立支撐。在操作時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的閥門也應(yīng)進行固定，以防止旋轉(zhuǎn)扭矩對管路造成損傷。

施工完成后，進行氣密性、微量水和氧含量、固體顆粒物含量測試，使用氦氣檢查泄漏。采用氣壓試驗，壓力為設(shè)計壓力的1.15 倍[6]，較長的管路系統(tǒng)可分段檢查泄漏，試壓應(yīng)逐步加壓，檢測無誤后再升高至設(shè)定壓力，并保壓24 h。在系統(tǒng)投入使用前，對管路系統(tǒng)進行徹底的吹掃，去除施工殘留和附著的顆粒物。

2.6 預(yù)制加工作業(yè)環(huán)境的潔凈度控制

空氣中的微顆粒數(shù)達到3 000 萬/m3以上。為防止顆粒污染，管道的預(yù)制加工應(yīng)在潔凈室內(nèi)進行，同時減少現(xiàn)場焊接點的數(shù)量，且潔凈室的潔凈度、溫度、濕度等指標(biāo)應(yīng)始終處于要求范圍內(nèi)。若現(xiàn)場不具備設(shè)置潔凈室的條件，可考慮設(shè)置潔凈小室來保持管端焊接處的潔凈，實現(xiàn)局部的潔凈環(huán)境，提升預(yù)制件的潔凈度。潔凈小室具有占地小、方便靈活、可實施性好等優(yōu)點。

3 結(jié)束語

高純系統(tǒng)的潔凈度對輸送產(chǎn)品介質(zhì)的純度會產(chǎn)生很大影響，顆粒物的防治必須從設(shè)計、材料選擇、制造、清潔、檢驗、包裝和裝配全潔凈鏈進行控制，確保氣體在管路系統(tǒng)輸送過程中不受污染，保證高純氣體質(zhì)量的一致性。