3. 气体供应系统架构：大宗气体与特殊气体供应系统
半导体制造过程中，气体供应系统是厂务设施的核心命脉。根据气体用量与危险性，通常将气体分为大宗气体（Bulk Gas）与特殊气体（Specialty Gas）两大类，其供应架构、存储方式与安全设计要求存在显著差异。本章将系统解析两类气体的供应系统架构，以及气瓶柜（GC）、气瓶架（GR）、阀门箱（VMB）、阀门盘（VMP）等关键设备的结构与功能。
3.1 大宗气体（Bulk Gas）供应系统
大宗气体指用量大、纯度要求高、通常通过管道集中供应的气体，主要包括：氮气（N₂）、氧气（O₂）、氢气（H₂）、氩气（Ar）、氦气（He）等。其供应系统通常采用储罐+气化+管网的架构。
核心特征： 连续供应、高纯度、低压/中压管网、集中监控。
3.1.1 大宗气体供应系统架构
典型的大宗气体供应系统由以下子系统构成：
- 储罐区： 低温液态储罐（如液氮储罐）或高压气瓶组，负责气体存储。
- 气化系统： 通过空温式气化器或水浴式气化器将液态气体转化为气态。
- 调压与纯化单元： 将气体压力调整至工艺需求值（通常0.5~1.0 MPa），并进一步去除杂质。
- 分配管网： 采用不锈钢（SS316L EP）管道，将气体输送至各生产车间。
- 监控系统： 实时监测压力、流量、纯度、泄漏等参数。
3.2 特殊气体（Specialty Gas）供应系统
特殊气体用量小、种类多、纯度高、危险性高（易燃、剧毒、腐蚀性），通常采用气瓶柜（GC）或气瓶架（GR）+阀门箱（VMB）的分布式供应架构。
安全警示： 特殊气体泄漏可能导致中毒、火灾、爆炸等严重事故。供应系统必须配备泄漏检测、紧急切断、排风联动等安全装置。
3.2.1 特殊气体供应系统架构
特殊气体供应系统通常包含以下层级：
- 气源端： 气瓶柜（GC）或气瓶架（GR）内安装气瓶，配备减压阀、吹扫阀、泄漏检测等。
- 分配端： 阀门箱（VMB）或阀门盘（VMP）作为气体分配节点，将气体从气源分配至多个使用点。
- 使用端： 工艺设备（如刻蚀机、CVD、离子注入机）通过管道连接至VMB/VMP。
- 排风与尾气处理： 所有特殊气体设备均接入排风系统，部分剧毒/腐蚀性气体需经尾气处理（如洗涤塔、燃烧塔）后排入大气。
3.3 气瓶柜（Gas Cabinet, GC）
气瓶柜是用于存放、连接和供应特殊气体的安全封闭柜体，是特殊气体供应系统的核心设备。
3.3.1 结构组成
| 组件 | 功能描述 | 安全要求 |
|---|---|---|
| 柜体 | 不锈钢或碳钢喷涂，防火、防腐蚀 | 耐火等级≥1小时，接地电阻＜10Ω |
| 气瓶固定架 | 固定气瓶，防止倾倒 | 链条或抱箍固定，承重≥500kg |
| 减压阀 | 将气瓶高压（15~20 MPa）降至工艺压力（0.1~0.5 MPa） | 双级减压，材质与气体兼容 |
| 吹扫阀 | 更换气瓶时用惰性气体（N₂）吹扫管路 | 自动/手动吹扫，防止空气混入 |
| 泄漏检测器 | 检测柜内气体泄漏浓度 | 报警阈值：TWA或10%LEL |
| 排风接口 | 连接排风系统，保持柜内负压 | 排风量≥0.5 m/s（面风速） |
| 紧急切断阀 | 泄漏或火灾时远程/自动关闭气源 | 气动或电动，响应时间＜3秒 |
3.3.2 功能特点
- 安全隔离： 将危险气体与操作人员物理隔离，防止泄漏扩散。
- 自动切换： 双瓶柜可实现主/备气瓶自动切换，保证连续供气。
- 远程监控： 压力、泄漏、排风状态等信号上传至厂务监控系统（FMCS）。
- 防爆设计： 易燃气体柜体配备防爆窗、泄压板。
巡检要点： 每日检查气瓶柜排风是否正常（面风速≥0.5 m/s）、泄漏检测器是否在校验有效期内、紧急切断阀动作是否灵活。
3.4 气瓶架（Gas Rack, GR）
气瓶架是气瓶柜的简化版本，通常用于非易燃、低毒性的特殊气体，或用于空间受限的场合。气瓶架为开放式结构，不设封闭柜体。
3.4.1 结构与功能对比
| 对比项 | 气瓶柜（GC） | 气瓶架（GR） |
|---|---|---|
| 结构形式 | 封闭柜体 | 开放式框架 |
| 适用气体 | 易燃、剧毒、腐蚀性气体 | 惰性、低毒性气体 |
| 排风要求 | 必须连接排风，保持负压 | 通常不设排风，或仅设局部排风 |
| 泄漏检测 | 柜内安装泄漏检测器 | 环境监测或便携式检测 |
| 安全等级 | 高 | 中 |
| 典型应用 | SiH₄、PH₃、Cl₂、NH₃ | CF₄、N₂O、Ar、He |
3.5 阀门箱（VMB）与阀门盘（VMP）
阀门箱（Valve Manifold Box, VMB）和阀门盘（Valve Manifold Panel, VMP）是特殊气体供应系统中用于气体分配与隔离的关键设备。
3.5.1 阀门箱（VMB）
VMB是一个封闭的金属箱体，内部集成多个气动或手动阀门、压力传感器、吹扫管路等，用于将一路气源分配至多路使用点。
- 结构： 不锈钢箱体，内部管道采用SS316L EP或更高等级。
- 功能： 气体分配、压力监测、吹扫、隔离。
- 安全特性： 箱体负压排风、泄漏检测、紧急切断。
- 典型配置： 1路输入，2~8路输出，每路独立控制。
3.5.2 阀门盘（VMP）
VMP是VMB的简化版本，通常为开放式面板，安装于工艺设备附近或夹层内，用于小流量、低危险性气体的分配。
- 结构： 不锈钢面板，阀门和管道外露。
- 功能： 气体分配、手动/气动开关。
- 安全特性： 通常不设排风，依赖环境通风。
- 典型应用： 惰性气体、低毒性气体的就近分配。
3.6 大宗气体与特殊气体系统对比总结
| 对比维度 | 大宗气体系统 | 特殊气体系统 |
|---|---|---|
| 气体种类 | N₂、O₂、H₂、Ar、He | SiH₄、PH₃、Cl₂、NH₃、CF₄等 |
| 供应方式 | 储罐+管网，连续供应 | 气瓶柜/架+VMB/VMP，间歇或连续 |
| 纯度要求 | ≥99.999% | ≥99.999% ~ 99.9999% |
| 危险性 | 低~中（H₂易燃） | 高（易燃、剧毒、腐蚀） |
| 安全设备 | 调压阀、安全阀、泄漏监测 | GC/GR、VMB/VMP、排风、ESD、尾气处理 |
| 巡检重点 | 储罐液位、气化器状态、管网压力 | 气瓶余量、泄漏检测、排风、阀门状态 |
工程实践要点：
- 大宗气体系统设计需考虑冗余（N+1），确保连续供应。
- 特殊气体系统必须遵循“先吹扫、后更换”的操作规程。
- VMB/VMP的安装位置应远离热源、震动源，并便于巡检与维护。
- 所有气体供应设备均需纳入FMCS监控，实现远程报警与联动。