半导体大宗气体设计.docx

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半导体大宗气体设计

搞要

本文对集成电路芯片厂中的大宗气体系统的设计过程作了概括性的描述,对当前气体设计技术及其发展方向作了探讨,同时结合自己对多个FAB厂房的设计经验提出了设计中值得注意的问题和解决方案。

ThispaperintroducesageneraldesignprocessforBulkGasSysteminFAB.Currentgasdesigntechnologyanditsdevelopmentdirectionarealsodiscussed.Basedontheauthor抯experienceinFABdesign,severalpotentialproblemsindesignandrelevantsolutionsareissued.

1995年,美国半导体工业协会（SIA）在一份报告中预言:

"中国将在10-15年内成为世界最大的半导体市场"。

随着中国经济的增长和信息产业的发展,进入21世纪的中国半导体产业市场仍将保持20%以上的高速增长态势,中国有望在下一个十年成为仅次于美国的全球第二大半导体市场。

而目前的发展态势也正印证了这一点。

作为半导体生产过程中必不可少的系统,高纯气体系统直接影响全厂生产的运行和产品的质量。

相比较而言,集成电路芯片制造厂由于工艺技术难度更高、生产过程更为复杂,因而所需的气体种类更多、品质要求更高、用量更大,也就更具代表性。

因此本文重点以集成电路芯片制造厂为背景来阐述。

集成电路芯片厂中所使用的气体按用量的大小可分为二种,用量较大的称为大宗气体（Bulkgas）,用量较小的称为特种气体（Specialtygas）。

大宗气体有:

氮气、氧气、氢气、氩气和氦气。

其中氮气在整个工厂中用量最大,依据不同的质量需求,又分为普通氮气和工艺氮气。

由于篇幅所限,本文仅涉及大宗气体系统的设计。

1系统概述

大宗气体系统由供气系统和输送管道系统组成,其中供气系统又可细分为气源、纯化和品质监测等几个部分。

通常在设计中将气源设置在独立于生产厂房（FAB）之外的气体站（GasYard）,而气体的纯化则往往在生产厂房内专门的纯化间（PurifierRoom）中进行,这样可以使高纯气体的管线尽可能的短,既保证了气体的品质,又节约了成本。

经纯化后的大宗气体由管道从气体纯化间输送至辅道生产层（SubFAB）或生产车间的架空地板下,在这里形成配管网络,最后由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。

图1给出了一个典型的大宗气体系统图。

2供气系统的设计

2.1气体站

2.1.1首先必须根据工厂所需用气量的情况,选择最合理和经济的供气方式。

氮气的用量往往是很大的,根据其用量的不同,可考虑采用以下几种方式供气:

1）液氮储罐,用槽车定期进行充灌,高压的液态气体经蒸发器（Vaporizer）蒸发为气态后,供工厂使用。

一般的半导体工厂用气量适中时这种方式较为合适,这也是目前采用最多的一种方式。

2）采用空分装置现场制氮。

这适用于N2用量很大的场合。

集成电路芯片制造厂多采用此方式供气,而且还同时设置液氮储罐作备用。

氧气和氩气往往采用超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供应。

氢气则以气态方式供应,一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。

如用气量较大,则可采用TubeTrailer供气,只是由于道路消防安全审批等因素,目前在国内还很少采用此方式。

相信随着我国微电子工业的飞速发展,相关的安全法规会更完善,TubeTrailer供气方式会被更多地采用。

如果氢气用量相当大,则需要现场制氢,如采用水电解装置。

由于低温液氦储罐的成本相当昂贵,加以氦气用量不大,氦气一般采用钢瓶组（Bundle）的形式供应即可满足生产要求。

随着大型集成电路厂越来越多地出现,氦气的用量也逐渐上升,国外已开始尝试使用液氦储罐,而且由于氦气在低于-4500F时才是液体,此时所有杂质在此液相中实际均已凝结在固体,理论上从该储罐气化的氮气已是高纯度,不用再经纯化处理。

随着国内半导体集成电路产业的飞速发展,将会出现一些半导体工厂较为密集的微电子生产园区,这时有可能采用集中的管道供气方式,即由气体公司在园区内建一大型气站,将大宗气体用地下管线送往各工厂。

这种方式可以大大降低各厂的用地需求和用气成本,形成气体公司与半导体工厂多赢的局面。

在上海某生产园区,某气体公司即将采用该方式对园区内的几家工厂提供氦气,目前正在建设中。

2.1.2在整个气体站的设计中,需要特别注意几个问题:

首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必须予以高度重视的,如气体站的平面布置必须符合相关安全规范。

其次,在设计供气压力时不仅要参照最终用户点的压力需求,而且必须考虑纯化器、过滤器以及配管系统的压力降。

另外,随着集成电路工艺的提升,对工艺氧气中的氮杂质含量要求也提高了。

值得注意的是,该杂质目前尚无法通过气体纯化器有效去除,必须在空分装置中增加专门的超低温精馏过程处理,这不可避免导致成本的上升,当然由此法制取的氧气纯度已足够高,不需要经纯化即可直接用于工艺设备。

另一折衷的方法是,目前200mm芯片生产工艺中,只有部分工艺设备对氧中氮的含量要求甚高,如果这些设备的用氧量不大,则可以考虑外购高纯氧气钢瓶专门对这些设备供气。

2.2气体纯化与过滤

2.2.1气体的品质要求

随着集成电路技术的不断发展,设计线宽不断微缩,这对气体品质的要求也越来越严格,目前对大宗气体的纯度要求往往达到ppb级,表1给出了某200mm芯片生产工艺线对大宗气体的品质要求。

因此,必须用不锈钢管道将大宗气体从气体站送至生产厂房的纯化室（purifierRoom）进行纯化,气体经纯化器除去其中的杂质,再经过滤器除去其中的颗粒（Particle）。

出于安全考虑,一般将氢气纯化室设计为单独一室,并有防爆、泄爆要求。

2.2.2纯化器

目前国内采用的气体纯化器都是进口的,主要的生产厂家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。

纯化器根据其作用原理的不同可以对不同的气体进行纯化。

我将目前市场上纯化器的情况作了整理,见表2。

一般说来,N2、O2纯化器较多采用触媒吸附式,Ar、H2纯化器则以Getter效果最佳,H2纯化器也多采用触媒吸附结合Getter式。

在设计中要注意的是,不同气体纯化器需要不同的公用工程与之相配套。

例如,触媒吸附式N2纯化器需要高纯氢气供再生之用;触媒吸附式纯化器需要冷却水。

因此,相关的公用工程管线必须在气体纯化间内留有接口。

2.2.3过滤器

半导体生产工艺过程不仅对气体纯度要求十分严格,而且对气体中的颗粒含量也有极高的要求,目前在集成电路芯片生产中,对大宗气体颗粒度的要求通常为:

大于0.1μm的颗粒含量为零。

而去除颗粒则需采用气体过滤器。

一般的,经纯化的气体需经过两个串联的过滤器即可达到工艺要求,为方便滤芯更换,往往并联设置两组过滤器组,参见图1。

2.3气体的品质监测

大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测,观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的工艺要求。

目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测,而对CO、CO2及THC杂质采用间歇监测,

测试结果连同其他测试参数（诸如压力、流量等）都会被送往控制室中的SCADA（SupervisoryControlandDateAcquisition）系统。

2.4供气系统的可靠性问题

由于微电子行业的投入与产出都是非常的大,任何供气中断都会带来巨大的经济损失,尤其对大型集成电路芯片生产厂而言。

因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。

若采用现场制气方式,往往还需要设置该种气体的储蓄供气系统作备用。

1）每一种气体的纯化器都需要有一台作备用。

2）氧气若采用现场制气方式,虽然可以不经纯化而直接供工艺设备使用,但仍应该设置一台纯化器作备用。

当然,以上这些措施必须会导致气体成本的急剧上升,虽然与供气中断造成的损失相比要小的多,

但这必须要与业主讨论确定。

而且,每个项目都有其特殊性,不必强求一步到位,可以考虑在不同的建设阶段逐步实施。

另外,若有条件采用集中管道供气方式,还需要考察气体供应商的系统设计情况,是否有对供气中断、管路污染等突发事故的预防措施、应急措施和恢复手段。

有必要提请业主注意在该种经济便利的供气方式背后潜在的风险。

3大宗气体输送管道系统的设计

经纯化后的大宗气体由气体纯化间送至辅助生产层（SubFAB）或生产车间（FAB）的架空地板下,在这里形成配管网络,再由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。

以我的设计经验,在设计中要着重考虑以下几个方面。

3.1配管系统的整体架构

目前,较为常见的架构有树枝型（图2）和环型（图3）两种。

其中又数树枝型最为常用,其架构清晰,且与其它系统的配管架构相似,利于整体空间规划。

环型则能较好地保持用气点压力的稳定,但投资较高。

因此在设计中应根据用气点的分布情况及用气压力要求综合考虑。

例如,笔者在某200mm集成电路芯片生产厂的设计中,大宗气体配管系统均采用树枝型架构。

由于该FAB厂房很大,管线较长,而工艺氮气用气点较多,有一些用气点对压力要求也较高,因此对工艺氮气管路系统特别采用了树枝型与环型相结合的方式（图4）,环型主管主要保证用气点的压力稳定,其管径可小于树枝型主管的管径,从而降低成本。

3.2配管系统的灵活性设计

微电子行业的发展非常迅速,经常会发生工艺设备更新、挪位和新增等状况。

即使在整个工厂的建设中,最终的工艺设备分布也会与设计时相去甚远。

这种行业的特殊性要求设计必须充分考虑其灵活性（Flexibility）,能满足未来的扩展需求。

配管系统的基本设计原则是在主管（Main）上按一定间距设置支管端（Branch）,再在每个支管上按一定间距设置分支管（BranchTake-off）供二次配管使用。

另外,主管的管径不必随流量的递减而采取渐缩设计。

无庸讳言,这种配管系统的确具有充分的灵活性,但由于超高纯气体管路的管件和阀件价格昂贵,该系统的成本之高也是显而易见的。

通常,集成电路芯片厂的建设往往会分成若干个阶段,一方面可以缓解一次性投资的巨大资金压力,另一方面也可以根据市场状况作出相应的调整决策。

在新厂建设的第一阶段,设计产量往往不是很高,用气点也不是很多,尤其是氢、氩、氧、氦的用气点就更少。

因此必须考虑如何来简化该配管系统以降低成本。

下面以图5为例,对一些典型的工况作分析:

工况一:

支管I中,用气点a与b均在该支管的最远端,因此无法作简化。

即使c与d处目前暂无用气点,但还是应该设置分支管和阀门,以备将来之用。

工况二:

支管II中,用气点e和f的远端没有其它的用气点,则支管线可以分别在e点和f点后结束。

注意,支管的终端阀必须带排气口,以供管线延伸使用。

工况三:

支管III的二端都没有用气点,则只在该二端安装带排气口的隔膜阀,以备将来之用。

值得注意的是,工况三在设计中往往会被忽略。

另外,主管和支管的终端阀宜采用带排气口的隔膜阀,利于今后可能的扩展。

3.3管径的设计计算

管径的选择是基于气体流量的大小,同时也不能忽略气体的压力值对计算的巨大影响。

另外,管道中氧气的流速值要低一些,可选用8m/s。

在芯片厂的设计中,工艺设备的用气量往往会有二个数值,一个是峰值（Peak）,一个是均值（Average）,而且对不同的设备而言,峰值与均值之间的差异是完全不同的。

那么在管径计算中以何种流量作为基准呢?

笔者在此给出一些自己的设计经验,以供参考:

首先,芯片厂中工艺设备的运行方式是间歇式的。

在某一设备的运行过程中,会有短暂片刻的用气量达到峰值,而后用气量减小,甚至为零,由此类造成峰值和均值之间会存在很大差异,甚至是几何级的差异。

对主管而言,可以将所有工艺设备峰值流量的总和乘上系数（一般为0.7-0.8）,来作为流量值,这样计算得到的管径基本上可以满足供气需求。

因为不可能FAB中所有的工艺设备在同一时刻同时达到用气峰值,因此没有必要采用峰值总流量作为计算依据,过大的管径只能是浪费金钱。

对于支管乃至分支管而言,则需要根据实际情况作具体分析。

如果某分支管用气点较多,则可以沿用主管的处理方法;如果用气点不多,甚至只有一个,则还是以用气点的总峰值流量来计算较为稳妥。

3.4配管系统的选材

对于工艺气体而言,由于在芯片生产中需要与芯片接触并参与反应,因此需选用经电解抛光（Electro-Polish）处理的316L不锈钢管,即SS316LEP管,其耐腐蚀性好,表面粗糙度低,Ramax（最大表面粗糙度）<0.7微米。

光滑的表面使颗粒无从吸附滞留,从而保证气体的纯度。

对普通氮气而言,由于其并不作为制程中的反应气体,可以选用经光辉烧结（BrightAnneal）处理的316L不锈钢管,即SS316LBA管,也可以采用经化学清洗（ChemicalClean）处理的316L不锈钢管,即SS316LCC管。

其Ramax为3-6微米。

3.5其它设计要点

在设计中还应遵循国内其他相关规范,如《洁净厂房设计规范》、《氢氧站设计规范》、《供氢站设计规范》等,其中主要的设计要点有:

（1）在主管末端要设计气体取样口,对于氢气和氧气,还需在主管末端设置放散管。

放散管引至室外,应高出屋脊1米,并应有防雨、放杂物侵入的措施;

（2）氢气、氧气管道间距问题;

（3）氧气管道及其阀门、附件应经严格脱脂处理,并应设导除静电的接地设施;

（4）氢气管道接至用气设备的支管和放散管,应设阻火器;引至室外的放散管,应设置防雷保护设施;应设导除静电的接地设施。

4结论

大宗气体系统的设计是整个半导体工厂设计中的一个重要部分,虽然整个系统的流程并不复杂,但是其中任一环节的疏忽都可能会导致严重的后果。

在设计中,必须在供气稳定、连续不中断的前提下,严格保证气体的品质,从而保障整个工厂生产的顺利进行。

另外在成本方面也应有所考虑,力求达到安全性与经济性的平衡。

特殊气体供应系统规划与设计

GasCabinet/GasRackType:

气瓶柜一般常见选用配备如下:

UV/IR火焰侦测器、温度侦测器、烟雾侦测器、过流量计、紧急遮断阀（AV1、ESV）、磅秤、洒水头、高压侧漏等。

Type1:

使用于液态气体有高压侧漏（PT使用3000psia）如HCL、ASH3

PH3等,以电子磅秤计算钢瓶剩余量。

Type2:

使用于高压气体有高压侧漏（PT使用3000psia）如:

SIH4,CH4,

H2,5%PH3等,所以使用压力侦测的方式计算钢瓶的剩量。

Type3:

使用于液态气体没有高压侧漏（PT使用1000psia或250psia如:

WF6、SIH2CL2、N2O等,以电子磅秤计算钢瓶剩余量。

Type4:

使用于气态气体没有高压侧漏（PT使用3000psia或1000）psia

如:

CO、CF4、NF3等,所以使用压力侦测的方式计算钢瓶

的剩量。

Type5:

使用于液态气体有高压侧漏没有AV1（PT使用3000psia）如

HCL、ASH3、PH3等,以电子磅秤计算钢瓶剩余量。

Type6:

使用于高压气体有高压侧漏没有AV1（PT使用3000psia）如:

SIH4,CH4,H2,5%PH3等,所以使用压力侦测的方式计算

钢瓶的剩量。

Type7:

使用于两个PROCESS系统有磅秤有,如:

ASH3,PH3、CL2,BCL3

等,以电子磅秤计算钢瓶剩余量（此系统为特殊规格适用于实

验室场所）。

Type8:

使用于两个PROCESS系统,如:

SIH4,CH4、1%PH3,5%ASH3

等,压力侦测的方式计算钢瓶的剩量（此系统为特殊规格适

用于实验室场所）。

Type9:

使用于两个PROCESS系统一个有磅秤,如:

ASH3,SIH4、

CF4,CO2等,以电子磅秤计算及压力侦测的方式计算钢瓶剩

余量（此系统为特殊规格适用于实验室场所）。

Type10:

使用于一个PROCESS一个PURGE钢瓶系统有磅秤,如:

ASH3、PH3、CL2、BCL3等,以电子磅秤计算钢瓶剩余量（此

系统为特殊规格适用于实验室场所）。

Type11:

使用于一个PROCESS一个PURGE钢瓶系统,如SIH4、CF4

等,以电子磅秤计算钢瓶剩余量（此系统为特殊规格适用于实

验室场所）。

简易型GasRackType:

Type1:

完全手动Type。

Type2:

半自动Type有自动切换功能（需控制器）。

因气体特性不同,危险性气体建议客户加装紧急遮断阀,当紧急状况发生时可以将钢瓶阀关闭停止供气,除非钢瓶破裂,否则只要紧急遮断阀功能正常,将可保证供应的安全性,此外过流量侦测器也建议安装,避免异常的流量供应。

功能设计:

气瓶柜内的钢瓶数设计可分为三种:

分别为单钢、双钢、三钢。

单钢的设计通常使用于研究机构或实验室等。

制程尚未有量产,气体使用量小,现场可随时协调停机进行钢瓶之更换,其优点节省空间、成本低、但需透过日常之管理与协调以免中断制程造成损失。

双钢与三钢常用于量产工厂,制程不允许停机情况,当一支钢瓶使用完后,另一支钢瓶standby会自动转为供气,此两种形式最大的差别是在purge管路的纯化氮气是以钢瓶或厂务端供应,当purge用的PN2统一由厂务端来供应时,所有特殊气体供应系统不管是否兼容,全部连接到同一个供应源,会有较高的风险值;万一中央供应系统的PN2中断,警报系统又损坏,

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