李峰(上海天馬有機發(fā)光顯示技術(shù)有限公司，上海 201201)

0 引言

半導(dǎo)體工藝中，需使用特殊氣體完成其關(guān)鍵制成部分，這些特殊氣體一般具有毒性和腐蝕性。半導(dǎo)體特氣供應(yīng)輸送系統(tǒng)一般是特殊氣體從“儲存容器”通過供應(yīng)管路及配件，到達供應(yīng)機臺使用。機臺使用完畢后，尾氣連同未使用反應(yīng)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(wù)處理系統(tǒng)(天面排氣平臺)，確認(rèn)達標(biāo)后排放到大氣環(huán)境中[1]。當(dāng)潔凈室發(fā)生特氣泄漏時，對現(xiàn)場人員的健康構(gòu)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(dǎo)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(gòu)建

1.1 選擇案例的基本情況

上海某大型企業(yè)是國內(nèi)領(lǐng)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(fù)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(shè)備，潔凈室一層主要為化學(xué)品供氣管道、工藝輔助設(shè)備、尾氣處理裝置。因SUBFAB 設(shè)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(yīng)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(shè)備(Local Scrubber)和特氣供應(yīng)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(shè)置情況：潔凈室一層尾氣處理裝置(Local Scrubber)，周圍設(shè)有多種氣體VMB 閥門箱，考慮到CVD 設(shè)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(fù)壓抽真空狀態(tài)，過程工藝如圖1 所示。因此本文研究CVD 設(shè)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(xué)品泄漏而導(dǎo)致毒性氣體擴散、火災(zāi)或爆炸相關(guān)的主要危害，可以快速預(yù)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(zāi)、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(xué)品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室與國家海洋和大氣管理響應(yīng)恢復(fù)辦公室聯(lián)合開發(fā)的一款化學(xué)品風(fēng)險模擬程序。該軟件涵蓋近上千種化學(xué)品的理化性質(zhì)，通過時間、地點、環(huán)境、溫度、風(fēng)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(xué)模型的設(shè)定來計算化學(xué)品泄漏后的中毒、火災(zāi)和爆炸事故的危害范圍，模擬結(jié)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(yīng)用于典型?；芬约俺鞘腥?xì)夤艿佬孤┦鹿饰：Φ娘L(fēng)險評價和應(yīng)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(jié)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(shè)備狀態(tài)正常，假定VMB 后端供氣管道發(fā)生氣體泄漏，供應(yīng)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(nèi)幾乎無變化[5]。

1.5 事故后果分析與評判標(biāo)準(zhǔn)

案例企業(yè)CVD制成供應(yīng)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(fù)壓，泄漏可能和后果均較小，因此本文研究CVD 設(shè)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?？紤]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(yīng)急行動計劃指南確定毒性影響區(qū)域，毒物的關(guān)注濃度有急性暴露水平指南濃度(AEGL)、應(yīng)急反應(yīng)指南濃度(ERPG)、保護行動標(biāo)準(zhǔn)(PAC)、臨時緊急暴露極限(TEEL)4 種指標(biāo)。評判標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(jié)果，如表1 所示，毒氣體積分?jǐn)?shù)1 值和2值之間會對人體造成輕度傷害；毒氣體積分?jǐn)?shù)在2 值和3 值之間會嚴(yán)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?jǐn)?shù)在3 值以上會造成嚴(yán)重的、持久的威脅生命的影響[5]。

表1 SiH4、NH3、NF3物質(zhì)特性和評判標(biāo)準(zhǔn)

2 案例應(yīng)用

2.1 SiH4模擬結(jié)果

設(shè)置風(fēng)速0.8m/s，環(huán)境溫度23℃，管道直徑0.95cm，管道長度110m，管道內(nèi)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(dǎo)致的瞬時泄漏，此時泄漏管道另一端為關(guān)閉狀態(tài)。

模擬結(jié)果如圖2 所示，在設(shè)定參考范圍內(nèi)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(yīng)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(zāi)后果模擬，如圖3，模擬結(jié)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(zāi)的濃度。

圖2 硅烷泄漏毒性擴散模擬

圖3 硅烷泄漏火災(zāi)擴散模擬

2.2 NH3模擬結(jié)果

設(shè)置風(fēng)速0.8m/s，環(huán)境溫度23℃，管道直徑3cm，管道長度205m，管道內(nèi)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(dǎo)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(guān)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(jié)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(fēng)向50m處濃度情況

2.3 NF3模擬結(jié)果

設(shè)置風(fēng)速0.8m/s，環(huán)境溫度23℃，管道直徑2.5cm，管道長度187m，管道內(nèi)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(dǎo)致的瞬時泄漏，此時泄漏管道另一端為關(guān)閉狀態(tài)。模擬結(jié)果如圖6 所示，在設(shè)定參考范圍內(nèi)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(jié)語

文章針對面板關(guān)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(shè)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(shè)備維保、現(xiàn)場維護等人工崗設(shè)定提供了泄漏后果影響范圍和防護安全距離指導(dǎo)。

公司要加強監(jiān)管職責(zé)，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(shè)有GDS 氣體偵測系統(tǒng)，可及時反應(yīng)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(yīng)急設(shè)有“緊急應(yīng)變小組(Emergency Response Team)”和“緊急應(yīng)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(yán)重性，做好危機應(yīng)急處理。