电子化学品的应用现状及设计

＊羊学友

（世源科技工程有限公司成都分公司 四川 610000）

电子化学品整个行业的发展与电子器件广大生产企业存在着密切联系。产品类型及技术革新，均要以下游生产企业根本需求为核心。虽然电子化学品整个行业发展趋势较好，但仍然不可松懈，应当要结合当前的应用情况，考虑到下游企业的基本需求，积极落实相关优化设计实践工作，如此才可为电子化学品整个行业能够在今后维持稳健发展状态。

1.电子产业化学品的具体分类

电子化学品，又称超净高纯试剂或工艺化学品，是指主体成分纯度大于99.99%，杂质离子和微粒数符合严格要求的化学试剂，是晶圆、显示面板、光伏电池、动力电池等制造材料之一。电子化学品，其主要以上游硫酸、盐酸、氢氟酸、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、丙酮、乙醇、异丙醇等为原料，经过预处理、过滤、提纯等工艺生产得到的高纯度产品。下游应用主要为光伏太阳能电池、平板显示和半导体三大领域。张云秀[1]指出，电子化学品是集成电路、分立器件、显示面板、太阳能电池等生产湿法工艺制程关键性材料，要求超净高纯，具有产品规格多、单个品种用量少、产品更新换代快、质控要求极高、对生产及使用环境洁净度要求高等特点。电子化学品，其主要用于晶圆、面板、硅片电池制造加工过程中的清洗、光刻、显影、蚀刻、去胶等湿法工艺制程。按照组成成分和应用工艺不同可分为通用湿电子化学品（酸类、碱类、溶剂类，如硫酸、氢氟酸、双氧水、氨水、硝酸、异丙醇等）和功能性湿电子化学品（配方产品，如显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等）。

2.电子产业化学品的应用现状

(1)集成电路产业中化学品的应用

电子化学品，其在晶圆加工中主要用于清洗、光刻、蚀刻工艺。晶圆清洗是指在氧化、光刻等工艺之前去除硅片表面的金属离子、有机物、氧化物，对湿电子化学品有着较大的需求量。包括碱性（氨水+双氧水）、酸性（盐酸+双氧水）、有机物清洗（浓硫酸+双氧水）、氧化层清洗（稀释氢氟酸）等不同类型清洗液。光刻工艺段包括光刻胶稀释用溶剂、涂胶前基片表面处理剂、曝光之后的显影剂及刻蚀完成后光刻胶去胶剂、剥离液等。

(2)面板产业中电子化学品应用及前景

电子化学品，其主要用于LCD及OLED面板Array制程。LCD及OLED面板生产工艺Array制程（TFT玻璃基板蚀刻）工艺流程，往往比较类似。主要包括：TFT玻璃基板清洗-沉积ITO薄膜（氧化物半导体薄膜，用于后续蚀刻）-涂布光刻胶-曝光、显影-蚀刻-光刻胶剥离。所需湿电子化学品主要包括基板清洗用清洗剂、光刻胶稀释剂、显影剂、刻蚀液、剥离液等。面板Array制程磷酸、双氧水、醋酸、硝酸单位用量最大。在面板加工领域，需求量较大的湿电子化学品主要是：磷酸（41.3%）、硝酸（24.06%）、MEA等极性溶液（15.8%）、醋酸（9.59%），主要在面板的蚀刻加工中充当蚀刻、清洗试剂。

(3)光伏产业中电子化学品的应用

太阳能电池工作原理的重要基础是半导体P-N结的光伏效应，晶硅太阳能电池是目前应用最广泛的电池，基本结构是在P型晶体硅材料上通过扩散等技术形成N型半导体层，组成P-N结。在N型半导体表面制备绒面结构和减反射层以减少光反射造成的光损失，在正面、背面分别制备金属电极。

制绒工艺湿电子化学品用量占到60%～70%。太阳能电池片主要工艺步骤包括：清洗制绒、磷扩散制备P-N结、硅片清洗、边缘刻蚀以避免短路、沉积反射膜、丝网印刷制备电极等。制绒工艺湿电子化学品消耗量最大，约占整个加工需求总量的60%～70%。制绒即通过化学腐蚀的方法将光滑的硅片表面腐蚀成凸凹不平的结构，以减少光反射造成的光损失。

太阳能电池生产过程氢氟酸、氢氧化钾、硝酸、双氧水用量最大。单晶硅制绒工艺一般采用氢氧化钾等碱性溶液作为腐蚀剂，配合盐酸、氢氟酸进行清洗。多晶硅采用硝酸、氢氟酸等混合酸液作为腐蚀剂，采用高纯氢氧化钾，氢氟酸+盐酸混合液进行清洗。近年来单晶硅片占比提升较快，单多晶产能市占比已从2015年的2:8变为2018年的3.5:6.5。未来高效电池的市占比不断扩大，预计单晶硅片市占比仍将继续提升，太阳能电池领域氢氧化钾、双氧水需求将明显增加。

3.化学品系统设计

化学品作为电子厂不可或缺的部分，又因本身的腐蚀性，易燃易爆等特性，在设计时一定要根据使用的具体情况进行合理且严密的设计。

(1)化学液集中供应系统概述

化学品系统主要以中央供应系统为主。化学品中央供应系统包括槽车、储存桶、储罐、供应单元、稀释单元、阀门箱、管路组成。按功能分段可简单分为4个系统：充装系统、稀释及混合单元、供应单元、控制单元，具体如下：

①充装系统。根据制程用量需求及纯度需求，化学品可以采用桶装（DRUM 200L）或储罐或槽车3种。在用量不大的情况下主要以桶装方式供应，但桶装方式充装或运送时品质不易控制。对于使用量较大的化学品一般采用槽车充装与储罐储存，如双氧水、IPA等。②稀释混合单元。稀释一般是指将化学品或研磨液加纯水稀释，而混合则是多种化学品或多种研磨液混合，也可将化学品或研磨液加纯水混合，一般由使用单位根据实际情况定义。③供应单元。供应单元是供应系统的动力部分，其目的是将化学品经管路送至工艺设备，因此供应单元包括输送设备、过滤器、输送管线等。一般输送方式有3种：泵送：常用的供应方式，是利用泵提供动力将化学品送至储槽或使用点，优点是输送量大，压力较高，可输送距离较远；缺点是泵的使用和维护成本较高，发生事故概率较大，泵本身也会释放小颗粒污染物污染化学品。真空吸取：在供应系统安装真空泵，利用真空将化学品吸入小容器中再使用高压氮气将化学品压到储罐中或使用点；氮气加压输送：在储罐中直接用氮气压至储罐或使用点，此种方式需考虑储罐及管道的压力耐受性；这种方式优点为供应量稳定、维修成本低、气体品质高不会污染化学品；缺点是输送量较小。

(2)废液收集

废液收集系统由管路及储罐组成，储罐按不大于7天废液排放量进行设计。回收应采用集中处理系统，通过收集桶或槽车输送至专业工厂进行回收处理。回收系统一般布置在厂房支持区，需要避免直接在洁净室下方进行易燃性废液收集，化学品废液收集应按照化学性质不同进行分开布置。若在下夹层进行收集，需要参考相关规范，对储量进行限定并配备相关的安全措施。

在下夹层设置收集或提升站时，应有下列安全措施：①收集桶液位控制，当液位超过限定时启动报警措施；②当易燃品处于柜体或密闭空间时，应设置易燃气体探测，立即启动报警功能；③采用与国家相关机构认证的灭火系统。

(3)管路设计与材料选取

化学品管路、分支箱、阀门箱需考虑项目预留扩产需求，管道在进入洁净室前设置预留阀，以满足未来扩产或后续预留的需求；所有的管路、三通、阀门必须设置在套管或阀门箱内避免化学品泄漏造成污染及其他危害安全的事项发生。

化学品管路应位于所有管路的最下层，避免泄漏危害其他管线。管路设计时，应考虑设置适当的坡度便于查找泄漏源。管架设计时应考虑所有的静荷载，如管材、化学品、阀门等重量，以及可能产生操作荷载。

化学品的三通箱、阀门箱避免设置在工艺层，一般设置在工艺设备的下夹层，阀门箱内应设置泄漏侦测，若发生泄漏时，应立即连锁关闭泵及相关阀门，并判断是否启动消防连锁及其他安全措施。

酸碱化学品管路材质选用主要考虑腐蚀性，一般采用双套管，内管一般采用PFA，外管一般采用透明PVC管道便于监测；有机化学品因闪点低及有机类化学品相似相容性，考虑防火需求，一般采用不锈钢材质，当该有机化学品具有一定腐蚀性时，可改成双套管。

(4)安全措施设计

①供应系统中如果采用氮气作为动力方式，在相应槽罐上应设置安全阀、爆破片、压力报警仪等。当压力超过设定值时，启动安全联锁，爆破片顶破，并开始泄压，确保整个储罐及相应系统的安全。设置事故紧急三通开关与紧急排放旁路管路系统，当系统处于事故状态时输送系统无法立即停止，三通开关快速切换至排放系统。②选择适当类型的传感器检测化学液泄漏，包括耐腐蚀性和长时间检测寿命的特点。并且需要具有防止泄漏和排放功能，避免发生二次危险。③安装手动开关以在紧急情况下切断或分流化学液供应。④填充化学液桶、槽和柜时，使用液位或压力传感器监测液位和压力，并在超过一定值时自动停止供应。⑤易燃易爆化学液输送系统应配备灭火装置，并使用传感器监测火焰、温度或烟雾，以进行有效灭火和报警。并且要拥有远程报警信号传输功能。减少泄漏和事故的风险，并提供及时应急响应。

4.化学品站房相关设计

化学品按照物化特性予以划分，可分为酸性化学品、碱性化学品、有机化学品；站房初步规划时应考虑化学品房间的安全性、不相容化学品分类、防爆与泄爆设置、消防与通风配备等。化学品的储存、分配应根据生产工艺和化学品的品质、数量、物化特性进行确定；化学品应按照化学品特性进行分类储存，不相容的化学品布置在不同的房间内，房间采用实体墙进行隔离。在规划时，还要考虑后续扩充的预留空间。设计时注意区分化学品库与化学品供应间，化学品库用于存储各类化学品，具体实际操作时要参照《建筑防火规范》GB 50016；化学品供应间主要供应机台工艺需求，设计时要参照《电子化学品系统工程技术规范》GB 5078与《电子化学品系统工程技术规范》GB 50016。

一般电子厂所需的化学品种类多达几十种，一般情况下，使用量大的化学品可按一周的使用量进行储存，使用量少的可按一个月的使用量进行储存,室外化学品库还受库房占地面积、总图等因素影响，具体情况具体分析。应特别注意甲类化学品储存量的设计，参照《建筑防火规范》GB 50016—2014规定，甲类库占地面积不宜超过1500m2。同理生产厂房内的化学品房间占地面积不宜超过本层面积的5%。当生产区域内使用危险性较大的化学品量比较少时，可不按照物质危险特性确定火灾危险类别最大的量可参照《建筑防火规范》GB 50016—2014条文说明。

化学品站房涉及的设备主要有储罐、桶槽、机泵集成单元等，设备布置应满足工艺流程、日常维护检修及防火间距要求且做到紧急合理，整齐美观。设备布置应考虑一个良好的操作环境，如人员通行的便利，设备维护时设备搬进、搬出的空间，必要的操作平台等；涉及到危险化学品时还应注意防火堤的设计，防火间距的要求。

吴秀娟[2]指出，有机化学品如STRIPPER、THINNER、IPA、EBR等主要用于刻蚀后的清洗、剥离，使用量较大；按照《电子工厂化学品系统工程技术规范》GB 50781—2012要求，生产厂房内的化学品储罐容量为该化学品7天的消耗量，同时注意单一化学品的储存量有没有达到现行国家标准《危险化学品重大危险源辨识》GB 18218规定的数量。化学品可按照火灾危险性进行分类储存，甲类化学品供应间应设置在厂房外侧，并考虑爆炸泄压措施；并注意火灾危险性较大部分房间面积不宜超过本层面积的5%，否则会影响厂房的火灾危险性定性。

5.结束语

虽然现阶段伴随着如半导体厂、显示面板厂、光伏电池厂、动力电池厂等电子厂的持续发展，对化学品种类需求、用量、纯度要求越来越高，然则，高端电子化学品国产率却仍然偏低。随着国家政策的支持，产品种类及产品率不断提高，国内电子化学品企业逐步切入到高端市场。化学品系统是电子厂安全生产重要的环节之一，一定要有合理的规划，缜密的布局，科学的设计。