半导体厂GAS系统基础知识.docx

1、半导体厂GAS系统基础知识半导体厂GAS系统基础知识Hook-up），自Take Off出口点至机台（Tool）或设备（Equipment）的入口点，谓之二次配（SP2 Hook-up）。以Specialty Gas（特殊性气体如：腐蚀性、毒性、易燃性、加热气体等之气体）而言其供气源为气柜（Gas Cabinet）。自G/C出口点至VMB（Valve Mainfold Box.多功能阀箱）或VMP（Valve Mainfold Panel多功能阀盘）之一次测（Primary）入口点，称为一次配（SP1 Hook-up），由VMB或VMP Stick之二次侧（Secondary）出口点至机台入口

2、点谓之二次配（SP2 Hook-up）。GAS简单知识基本掌握第一章 气体概述由于制程上的需要，在半导体工厂使用了许多种类的气体，一般我们皆依气体特性来区分，可分为一般气体（BULK GAS）与特殊气体（SPECIALTY GAS）两大类。前者为使用量较大之气体，如N2、CDA等，因用量较大，一般气体常以大宗气体称之。后者为使用量较小之气体一般指用量小,极少用量便会对人体造成生命威胁的气体，如SiH4、NF3等1.1 Bulk Gas 介绍 半导体厂所使用的大宗气体，一般有：CDA、GN2、PN2、PAr、PO2、PH2、PHe等七种。1大宗气体的制造：CDA / IA (Clean Dry

3、Air / Instrument Air)：CDA之来源取之于大气经压缩机压缩后除湿，再经过滤器或活性炭吸附去除粉尘及炭氢化合物以供给无尘室CDA/IA (Clean Dry Air)。GN2 (Nitrogen)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经过触媒转化器，将CO反应成CO2，将H2反应成H2O，再由分子筛吸附CO2、H2O，再经分溜分离O2 & CnHm。N2=-195.6，O2=-183。PN2 (Nitrogen)：将GN2经由纯化器(Purifier)纯化处理，产生高纯度的氮气。一般液态氮气纯度约为99.9999，含小数点后共6个9。经纯化器纯化过的氮气纯度约为99.99999

4、99，含小数点后共9个9。PO2 (Oxygen)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99.0以上纯度之氧，再除去N2、Ar、CnHm。另外可由水电解方式解离H2 O2，产品液化后易于运送储存。PAr (Argon)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99.0以上纯度之氩气，因氩气在空气中含量仅0.93，生产成本相对较高。PH2 (Hydrogen)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99.0以上纯度之氢气。另外可由水电解方式解离H2 O2，制程廉价但危险性高易触发爆炸，液化后易于运送储存。PHe (Helium)：由稀有富含氦气之天然气中提炼，其主要

5、产地为美国及俄罗斯。利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，易由分溜获得。Helium=-268.9，Methane=-161.4。2大宗气体在半导体厂的用途： CDA： CDA主要供给FAB内气动设备动力气源及吹净(purge)，Local Scrubber助燃。IA主要供给厂务系统气动设备动力气源及吹净。 N2： 主要供给部分气动设备气源或供给吹净、稀释、惰性气体环境及化学品输送压力来源。 O2： 供给ETCH制程氧化剂所需及CPCVD制程中供给氧化制程用，供给O3 Generator所需之氧气供应及其它制程所需。 Ar： 供给Sputter制程，离子溅镀热传导介质，Chamber稀释及惰性气体

6、环境。 H2： 供给炉管设备燃烧造成湿氧环境，POLY制程中做H2 BAKE之用，W-PLUG制程中作为WF6之还原反应气体及其它制程所需。 He：供给化学品输送压力介质及制程芯片冷却。3.BULK GAS 的供应系统Methods:Bulk Gas Supply System before Fab Bulk Gas Supply System in Fab 大宗气体(BULK GAS)虽然不像特殊气体(SPECIALITY GAS)，有的具有强烈的毒性、腐蚀性。但是我们使用大宗气体时，仍然要注意安全。GN2、PN2、PAr、PHe具有窒息性的危险，这些气体无臭、无色、无味，如大量泄出而相对致

7、空气中含氧量（一般为21）减少至16以下时，即有头痛与恶心现象。当氧气含量少至10时，将使人陷入意识不清状态，6以下瞬间昏倒，无法呼吸，6分钟以内即死亡。PH2因泄漏或混入时，其本身之浓度只要在H2之爆炸范围(4%75%)内（如对空气），只要一有火源，此气体乃会因相混而燃烧。PO2会使物质易于氧化产生燃烧，造成火灾的不幸事件。因此，身在半导体工厂工作的我们，在设计上、施工中，如何避免泄漏、如何防患，则是我们努力的工作之一。1.2 特殊气体特性及系统简介 半导体厂所使用的特殊气体种类繁多，约有四五十种，依危险性可区分为以下数类：* 易燃性气体 Flammable Gas * 毒性气体 Toxic

8、 Gas * 腐蚀性气体 Corrosive Gas * 低压性/保温气体 Heat Gas * 惰性气体 Inert Gas1. 特殊气体特性简介* 易燃性气体 : 燃点低, 一泄漏与其他气体相混,便易引起爆炸及燃烧 如 SIH4 , PH3 , H2 ,. * 毒性气体 : 反应性极强,强烈危害人体功能 , 如 CO, NO,CLF3,. * 腐蚀性气体 : 易与水份起反应而产生酸性物质,有刺鼻,腐蚀,破坏人体的危险性 如 NH3, SIF4,CL2,.* 低压性/保温气体 : 属粘稠性液态气体,需包 加热线 及 保温棉 ,将管内的温度升高以使其气化,才能充分供应气体 , 如 WF6, B

9、CL3 , DCS,.* 惰性气体 : 又称窒息性气体 , 当泄漏出的量使空气中含氧量减少至16%6%以下时,便会影响人体,甚至死亡 , 如 SF6 , C4F8 , N2O , .2. 供应系统简介* GC （Gas Cabinet） 气瓶柜 *GR （Gas Rack） 气瓶架 * BSGS System （Bulk Sepcial gas supply system）特殊气体大量供应系统* Y-Cylinder , Bundle 集束钢瓶 * Trailer 槽车* VDB 主阀箱 / VDP 主阀盘 （Valve Distribution Box/Panel）* VMB 阀箱 / VM

10、P 阀盘 (Valve Manifold Box/Panel)Specialty Gas Supply SystemSpecialty Gas Supply System- Equipment in every floor 我们不排除这些气体会对我们有不良影响。身在半导体工厂的我们，在设计上、施工中，如何避免泄漏、如何防患，则是我们努力的工作之一。第二章 一次配管和二次配管半导体厂的气体管路，我们一般区分为一次配管（SP1）及二次配管（SP2，又称Hookup）。 SP1：为由气体的起始流出点（Gas yard/Gas cabinet）至无尘室中的Take off Valve 或 VMB（Va

11、lve manifold box）/VMP（Valve manifold panel）。 SP2：为由Take off Valve 或 VMB/VMP开始至生产机台设备处为止（Hookup）。所使用管材以1/4”、3/8”、1/2”、3/4”为主。Piping之设计应配合气体类型考量，一般分为Bulk Gas及Speciality Gas两大类。2.1 Material 介绍 了解半导体气体工程的配管，和管路设计，必须先了解材料（Material）2.1.1 材料区分：1.TUBE & PIPE（管件）2.FITTINGS（配件）3.VALVE（阀件）4.REGULATOR（调压阀）5.CHE

12、CK VALVE（逆止阀）6.FILTER（过滤器）7.VACUUM GENERATOR（真空产生器）8.其他2.1.2 选料依据：气体种类 , 气体特性 * 影响材料使用的等级 AP / BA / EP / V+V / .业主需求及预算*有无指定厂牌或规格依机台所需用量及本身接点选定料件尺寸 * 影响材料使用的尺寸 ” / ” / 15A / .依机台所需压力及流量不同选择材料型式 * 选用压力范围适合或流量符合之阀件视盘面组装选择料件接头型式 * VCR / SWG / Welding / Flange.2.1.3 TUBE & PIPE 管件：1.定义: * Pipe :, 以 公称内径

13、(ID) 配合壁厚作为量度之尺寸. * Tube : 以外径(OD) 及壁厚作为量度之尺寸.*规格 : 6M/stick or 4M/stick or 100M/roll2.常用材质: SS304 /SS304L & SS316 / SS316L & VIM+VAR & HC-223.表面处理等级 : BA Bright Anneal 表面研磨 EP Electro Polish 表面研磨 + 电解研磨4.等级: * Bulk Gas 一般使用 316L BA 或 316L EP 等级 * Specialty Gas : 易燃性 / 惰性 气体 316L EP 毒性 双套管 ( 304 AP

14、+ 316L EP ) / 单管 316L EP 腐蚀性 气体 VIM + VAR 低压性气体 - 316L EP + Heater Line + Warm Cover2.1.4 FITTINGS 配件：1.材质同管件2.常用种类 : a.Nut + Gland + Gasket b.Elbow,Tee,Reducer c.Cap,Plug d.Connector e.others3.型式及规格 : 一般可分为 VCR / SWG / WELDING /螺牙接头/FLANGE 尺寸从 1/8“1”(VCR/SWG)及1/4“300A(WELD/FLANGE) 皆有, 又分 短接头 SCM (m

15、icro) or 长接头 SCL (long) & SCF (以Kitz作说明):Product Name Size Size for other side Type Specification Material SCM 4 0 E EP LE SCM：表示BANKEN公司对FITTING的分类，是属于短接头型式。 4：表示尺寸为1/4”。 0：表示另一端尺寸同前，为1/4”。 E：表示此料件型式为ELBOW。 EP：表示料件表面处理等极为EP。LE：表示此料件为VIM+VAR等级的EP4.常用厂牌 : KITZ / HAM-LET / IHARA / SWAGELOK /FUJIKIN.5.

16、另外大部分FITTING又分为三种不同规格，分别为一般Type；Union Type及Reducing Type。一般型即为平时所见之焊接型式，Union型为对接型式（即直接以GLAND+NUT锁紧），Reducing型类似一般型，唯其两端（三端）尺寸不同。 一般组盘所用接头有两种，分别为VCR及SWG，其中VCR需锁紧1/8圈，SWG需锁紧1 1/4圈(1/4”以下需锁紧3/4圈)，方能有效锁紧。 大部分的气体使用之GASKET为Ni材质，CO对Ni具侵蚀性* CO & O3 Gasket must be SUS.。2.1.5 VALVE 阀件：1.材质同管件2.常用种类 : * 手动阀 (

17、 Manual Valve ) a.Ball Valve 球阀 b.Bellows Valve 波纹管阀 c.Diaphragm Valve 膜片阀*气动阀 ( Air Valve ) *逆止阀 ( Check Valve ) CHECK VALVE选取主要依据其尺寸及两端接头型式决定。Cracking Pressure为Check Valve使气体通过之最小压力。通常选用3 psig以下之型式。NH3必需使用特殊之Check Valve， * NH3 Check valve must be AFLAS type.。 * 其他3.常用厂牌 : KITZ / OHNO / IHARA / MOT

18、OYAMA / NUPRO.4. 备注: * 高压阀 / 低压阀 - 依使用场所不同来选择 * 两通阀 / 三通阀 / 四通阀 / . : 依需求来选择,注意流向选择 2.1.6 REGULATOR 调压阀：1.材质同管件2. Seat 材质: PCTFE , SS316L , Kel-F81 * N2O Seat material must be Vespel.3.常用种类 : * 高压 / 低压 / 一般压力 * 2P 无表头 / 3P or 4P 单表头 或双表头 * VCR / SWG / Flange 4. REGULATOR一般分高压与低压选取，但尚有高流量型式可供选取，另外可依表

19、头（Gauge）需求加以搭配。(以 KITZ 为例) * Bulk Gas 一般使用 316L BA 或 316L EP 等级 / VCR 或SWG 1/4” - R25 系列 3/8” - R35 系列 1/2” - RH1 系列 * Specialty Gas : 毒性 / 易燃性 / 惰性 气体 316L EP - L25 or R25 系列 腐蚀性 气体 VIM + VAR - L25SVA 系列 低压性气体 需选择可调负压的 type - L96SSA 系列(-30”Hg030 psi)2.1.7 about Pressure Gauge & Transducer 1.常用种类区别

20、: * Pressure Gauge ( PG ) 压力表头 , 指针式 , C122 * Pressure Switch ( PS ) 压力开关 , 指针式 , 带传输线 ,IPS 122 * Digital Pressure Gauge ( PID ) 电子式压力表头* Pressure Transducer ( PT ) 压力传送器2. 使用于: 盘面 及 管路上3. 压力范围大致可分为 : * 高压 (03000 psi) * 低压 (-30”Hg030 psi) (-30”Hg0160 psi) 4. 常用电源 : 24V DC , 420 mA DC2.1.8 FILTER 过滤器

21、：1. 功能: 过滤气体中的微粒子 ( Particle )2. 过滤等级选择 , 即滤径尺寸(particle size) , 可分为: * 0.01um / 0.03um / 0.003um3. 中心滤片 (Medium) 材质: PTFE / SS316L / NI * CO 滤片材质为 PTFE4. 流量考量 (flow rate) : 分 一般流量 及 大流量 30 slpm / 100 slpm / 300 slpm / 1500 slpm.5. Connecting type: VCR or SWG or Welding 6.注意: 一般常用 滤片材质 (以 Mykrolis 为

22、例) * Bulk Gas PTFE * Specialty Gas : 毒性 / 易燃性 / 惰性 气体 PTFE 系列 腐蚀性 气体 PTFE , no SS316Lfor CO - PTFE type2.1.9 VACUUM GENERATOR 真空产生器： 装于 G/C / G/R / VMB / VMP作为 Vent 抽气使用VACUUM GENERATOR的选取主要在于其接头的尺寸及型式。Vent out 1/2”GN2 in ” 2.1.10其他：（1）氩气：纯度99.999以上，每个钢瓶6立方公尺或7立方公尺，通常一瓶每组可使用23天。 （2）C型钢：制作支撑架用，有高低脚、双

23、并、有孔等型式。 （3）电工管夹：将管材固定于C型钢上，最大可使用至5/8”之管子。 （4）管束：分单立、双立、P型等型式，固定管子用。 （5）牙条：吊挂、固定型钢用。 （6）型钢垫片：配合牙条、吊挂型钢用。（7）弹簧螺帽：置于型钢槽内，锁螺丝或牙条用。2.2 一次配管2.2 一次配管（SPI）2.2.1 BULK GAS SPI名词：MAIN-主管 SUB MAIN -副主管TAKE OFF VALVE 一次配与二次配连接的阀ISOLATION VALVE 隔离阀BOTTOM VALVE 末端阀1 SCOPESP1：为由气体的起始流出点（Gas yard）至无尘室中的Take off Val

24、ve2 管路形式Bulk Gas在Sub Fab中的供应系统按其形状可以分为 鱼骨式和回路式两种。鱼骨式：MAIN 和Sub Main 以鱼骨的形状分布 回路式：MAIN 和Sub Main构成回路形式 这两种BULK GAS的供应形式各有自己的优缺点，鱼骨式成本比较低，但是由于气体在Sub Main但方向供应的距离比较长，容易产生较大的压降，末端部分的TAKE OFF VALVE 容易产生压力不足的情况；回路式使用MAIN从两端向SUB MAIN 供气的方式，很大程度上降低了压降带来的不良影响，但是由于延长了MAIN的长度，成本比较高。 实际上，不管鱼骨式还是回路式，通过科学的计算，选择适当

25、的压力和管径，都可以满足厂务的需求，选择哪种方式，主要看业主的需要和选择。3 阀件的选择*该图为各种阀件在供应系统中的应用位置 *选择的依据：阀的类型：根据气体的种类Purge Port：根据管路焊接时Ar Purge（防止管路内部焊道氧化）的需求 *各位置阀的选择Isolation Valve (On Main /Submain) Welding with 2 purge portBottom Valve (On Main /Submain)Welding with 2 purge portTake off Valve 3/4 ,15A or larger Size: use welding

26、 with outlet purge port valve 1/2 or smaller size: use inlet welding outlet VCR(SWG) with No port valve We alse can choose VCR(SWG) valve as take off vale with no purge port following supplying status2.2.2 SPECIALTY GAS SPI名词：GCGas Cabinet 气瓶柜GRGas Rack 气瓶架VMBValve Manifold Box VMPValve Manifold Pan

27、elVDBValve Distribution BoxVDPValve Distribution Panel1 SCOPE为由气体的起始流出点（GC/R）至无尘室中的VMB/P2 气体设备的设计设计流程介绍 : 1.客户提出需求2.设计建议案提出: a) Key-Point Introduction b) Flow Sheet Drawing c) Material Qty List3.箱体,盘面发包组立: a) Material Chosen b) Panel Layout Drawing c) Box Struct Drawing Gas Cabinet / Gas Rack 设计 : 1

28、.功能设计可分为 单钢 / 双钢 ( 2 Process ) / 三钢 ( 2 Process + 1 N2 )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stand by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相容，全

29、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，恰巧两种不相容的气体同时使用purge，此时极有可能发生爆炸的事件发生，相同性质可使用同一瓶钢瓶来purge增加的成本及空间非常有限，是一种非常好的应变方式。三钢气柜成本不会差很多安全性会是最好的，只要空间允许应最优先选择。2操作性设计：一般气瓶柜都设计有两个特殊气体钢瓶，需自动切换的功能以达到连续供应不断气的目的，气态气体通常以压力感应器来计算钢瓶的剩余量，若是液态蒸气压气体则以电子磅秤来侦测剩余量，当一瓶用完时会切换到另一瓶。操作上一般可分为全自动、半自动、手动三种方式通常换钢瓶时会执行下列几种Purge

30、：(a)Pre-purge(换钢瓶前) 首先将钢瓶阀关闭，测试是否有关紧，用真空产生器将特殊气体抽出，再用PN2来稀释管壁内的特殊气体，重复执行充吹的动作将管壁内的特殊气体稀释干净，此时即可更换钢瓶。(b)Post-purge(换钢瓶后) 通常以PN2来进行保压测试，测试钢瓶接头是否衔接良好，再利用PN2重复执行充吹的动作来将钢瓶接头清洁干净。(c)Process purge(用特殊气体)直接用特殊气体来Purge管壁，主要的目的是要将PN2完全的清除让供气的品质更好，不会因更换钢瓶而供应品质受到影响。(d)Hi pressure leak test(高压测漏) 通常高压燃烧性气体会建议使用高压测漏，因为经过高压测漏更能确保钢瓶接头衔接没问题。一般钢瓶更换时机大约是剩余10%的残留量，但实际上应以制程的需求来决定，这样才会得到最佳的更换时间。再者，钢瓶都有使用期限，操过使用期限因为部分特殊气体会对钢瓶造成为腐蚀，污染气源。为到达上述1-4项的功能，其管件的设计就会比较复杂，建议顾客尽量使用自动的供应系统，若