半導體工廠(FAB)大宗氣體系統(tǒng)的設(shè)計(精)

1、半導體工廠（FAB）大宗氣體系統(tǒng) 的設(shè)計（精）半導體工廠(FAB)大宗氣體系統(tǒng)(Gas Yard )的設(shè)計1995年，美國半導體工業(yè)協(xié)會( SIA)在一份報告中預言："中國將在10-15年內(nèi)成為世界最大 的半導體市場"。隨著中國經(jīng)濟的增長和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進入 21世紀的中國半導體產(chǎn)業(yè)市場仍將保持20%以上的高速增長態(tài)勢，中國有望在下一個十年成為僅次于美國的全球第二大半導體市場。而目前的發(fā)展態(tài)勢也正印證了這一點。作為半導體生產(chǎn)過程中必不可少的系統(tǒng)，高純氣體系統(tǒng)直接影響全廠生產(chǎn)的運行和產(chǎn)品的質(zhì)量。相比較而言，集成電路芯片制造廠由于工藝技術(shù)難度更高、生產(chǎn)過程更為復雜，因而所需的

2、氣體種類更多、品質(zhì)要求更高、用量更大，也就更具代表性。因此本文重點以集成電路芯片制造 廠為背景來闡述。集成電路芯片廠中所使用的氣體按用量的大小可分為二種，用量較大的稱為大宗氣體(Bulkgas ),用量較小的稱為特種氣體( Specialtygas)。大宗氣體有：氮氣、氧氣、氫氣、氣氣和氯氣。其中氮氣在整個工廠中用量最大，依據(jù) 不同的質(zhì)量需求，又分為普通氮氣和工藝氮氣。由于篇幅所限，本文僅涉及大宗氣體系統(tǒng)的設(shè) 計。1系統(tǒng)概述大宗氣體系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)和輸送管道系統(tǒng)組成，其中供氣系統(tǒng)又可細分為氣源、純化和品質(zhì)監(jiān)測等幾個部分。通常在設(shè)計中將氣源設(shè)置在獨立于生產(chǎn)廠房( FAB )之外的氣體站(GasYa

3、rd ),而氣體的純化則往往在生產(chǎn)廠房內(nèi)專門的純化間( Purifier Room )中進行，這樣可以 使高純氣體的管線盡可能的短，既保證了氣體的品質(zhì)，又節(jié)約了成本。經(jīng)純化后的大宗氣體由 管道從氣體純化間輸送至輔道生產(chǎn)層(SubFAB )或生產(chǎn)車間的架空地板下，在這里形成配管網(wǎng)絡(luò)，最后由二次配管系統(tǒng)( Hook-up )送至各用戶點。圖 1給出了一個典型的大宗氣體系統(tǒng) 圖。2供氣系統(tǒng)的設(shè)計2.1 氣體站2.1.1 首先必須根據(jù)工廠所需用氣量的情況，選擇最合理和經(jīng)濟的供氣方式。 氮氣的用量往往是很大的，根據(jù)其用量的不同，可考慮采用以下幾種方式供氣：1)液氮儲罐，用槽車定期進行充灌，高壓的液態(tài)氣體

4、經(jīng)蒸發(fā)器(Vaporizer )蒸發(fā)為氣態(tài)后，供工廠使用。一般的半導體工廠用氣量適中時這種方式較為合適，這也是目前采用最多的一種 方式。2)采用空分裝置現(xiàn)場制氮。這適用于 N2用量很大的場合。集成電路芯片制造廠多采用此方式供氣，而且還同時設(shè)置液氮儲罐作備用。氧氣和氨氣往往采用超低溫液氯儲罐配以蒸發(fā)器的方式供應(yīng)。氫氣則以氣態(tài)方式供應(yīng)，一般采用鋼瓶組（Bundle）即可滿足生產(chǎn)要求。如用氣量較大，則可 采用Tube Trailer供氣，只是由于道路消防安全審批等因素，目前在國內(nèi)還很少采用此方式。 相信隨著我國微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，相關(guān)的安全法規(guī)會更完善，Tube Trailer供氣方式會被更 多地

5、采用。如果氫氣用量相當大，則需要現(xiàn)場制氫，如采用水電解裝置。由于低溫液氮儲罐的成本相當昂貴，加以氮氣用量不大，氮氣一般采用鋼瓶組（Bundle）的形 式供應(yīng)即可滿足生產(chǎn)要求.隨著大型集成電路廠越來越多地出現(xiàn)，氮氣的用量也逐漸上升，國 外已開始嘗試使用液氮儲罐，而且由于氮氣在低于Y500F時才是液體，此時所有雜質(zhì)在此液相 中實際均已凝結(jié)在固體，理論上從該儲罐氣化的氮氣已是高純度，不用再經(jīng)純化處理。隨著國內(nèi)半導體集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，將會出現(xiàn)一些半導體工廠較為密集的微電子生產(chǎn)園 區(qū)，這時有可能采用集中的管道供氣方式，即由氣體公司在園區(qū)內(nèi)建一大型氣站，將大宗氣體 用地下管線送往各工廠。這種方式可以

6、大大降低各廠的用地需求和用氣成本，形成氣體公司與 半導體工廠多贏的局面。在上海某生產(chǎn)園區(qū)，某氣體公司即格采用該方式對園區(qū)內(nèi)的幾家工廠 提供氮氣，目前正在建設(shè)中。2.1.2 在整個氣體站的設(shè)計中，需要特別注意幾個問題：首先，供氫系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)的安全性問題是必須予以高度重視的，如氣體站的平面布置必須符合 相關(guān)安全規(guī)范。其次，在設(shè)計供氣壓力時不僅要參照最終用戶點的壓力需求，而且必須考慮純化器、過濾器以 及配管系統(tǒng)的壓力降。另外，隨著集成電路工藝的提升，對工藝氧氣中的氮雜質(zhì)含量要求也提高了。值得注意的是， 該雜質(zhì)目前尚無法通過氣體純化器有效去除，必須在空分裝置中增加專門的超低溫精儲過程處 理，這不可避

7、免導致成本的上升，當然由此法制取的氧氣純度已足夠高，不需要經(jīng)純化即可直 接用于工藝設(shè)備。另一折衷的方法是，目前200mm芯片生產(chǎn)工藝中，只有部分工藝設(shè)備對氧 中氮的含量要求甚高，如果這些設(shè)備的用氧量不大，則可以考慮外購高純氧氣鋼瓶專門對這些 設(shè)備供氣。2.2 氣體純化與過濾2.2.1 氣體的品質(zhì)要求隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計線寬不斷微縮，這對氣體品質(zhì)的要求也越來越嚴格，目前 對大宗氣體的純度要求往往達到ppb級，表1給出了某200mm芯片生產(chǎn)工藝線對大宗氣體的品質(zhì)要求。因此，必須用不銹鋼管道將大宗氣體從氣體站送至生產(chǎn)廠房的純化室(purifier Room )進行純化，氣體經(jīng)純化器除去其

8、中的雜質(zhì)，再經(jīng)過濾器除去其中的顆粒(Particle )。出于安全考慮，一般將氫氣純化室設(shè)計為單獨一室，并有防爆、泄爆要求。2.2.2 純化器目前國內(nèi)采用的氣體純化器都是進口的，主要的生產(chǎn)廠家有 SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。純化器根據(jù)其作用原理的不同可以對不同的氣體進行純化。我將目前市場上純化器的情況作了整理，見表 2。一般說來，N2、O2純化器較多采用觸媒吸附式，Ar、H2純化器則以 Getter效果最佳，H2純化器也多采用觸媒吸附結(jié)合Getter式。在設(shè)計中要注意的是，不同氣體純化器需要不同的公用工程與之相配套。例如，觸媒吸附式N2純化器需要高純氫氣供再生之用；觸媒

9、吸附式純化器需要冷卻水。因此，相關(guān)的公用工程管線 必須在氣體純化間內(nèi)留有接口。2.2.3 過濾器半導體生產(chǎn)工藝過程不僅對氣體純度要求十分嚴格，而且對氣體中的顆粒含量也有極高的要求，目前在集成電路芯片生產(chǎn)中，對大宗氣體顆粒度的要求通常為：大于0.1 am的顆粒含量為零。而去除顆粒則需采用氣體過濾器。一般的，經(jīng)純化的氣體需經(jīng)過兩個串聯(lián)的過濾器即可達到工藝要求，為方便濾芯更換，往往并聯(lián)設(shè)置兩組過濾器組，參見圖1。2.3 氣體的品質(zhì)監(jiān)測大宗氣體在經(jīng)純化及過濾后應(yīng)對其進行品質(zhì)監(jiān)測，觀察其純度與顆粒度的指標是否已高于實際的工藝要求。目前著重對氣體中的氧含量、水含量和顆粒度進行在線連續(xù)監(jiān)測，而對CO、CO2

10、及THC雜質(zhì)采用間歇監(jiān)測，測試結(jié)果連同其他測試參數(shù)(諸如壓力、流量等)都會被送往控制室中的 SCADA (Supervisory Control and Date Acquisition)系統(tǒng)。2.4 供氣系統(tǒng)的可靠性問題由于微電子行業(yè)的投入與產(chǎn)出都是非常的大，任何供氣中斷都會帶來巨大的經(jīng)濟損失，尤其對大型集成電路芯片生產(chǎn)廠而言。因此在設(shè)計中必須充分考慮氣體供應(yīng)系統(tǒng)運行的安全可靠性。若采用現(xiàn)場制氣方式，往往還需要設(shè)置該種氣體的儲蓄供氣系統(tǒng)作備用。1)每一種氣體的純化器都需要有一臺作備用。2)氧氣若采用現(xiàn)場制氣方式，雖然可以不經(jīng)純化而直接供工藝設(shè)備使用，但仍應(yīng)該設(shè)置一臺純化器作備用 當然，以上這

11、些措施必須會導致氣體成本的急劇上升，雖然與供氣中斷造成的損失相比要小的多，但這必須要與業(yè)主討論確定。而且，每個項目都有其特殊性，不必強求一步到位，可以考慮在 不同的建設(shè)階段逐步實施。另外，若有條件采用集中管道供氣方式，還需要考察氣體供應(yīng)商的系統(tǒng)設(shè)計情況，是否有對供氣中斷、管路污染等突發(fā)事故的預防措施、應(yīng)急措施和恢復手段。有必要提請業(yè)主注意在該種經(jīng)濟便利的供氣方式背后潛在的風險。3大宗氣體輸送管道系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)純化后的大宗氣體由氣體純化間送至輔助生產(chǎn)層（SubFAB ）或生產(chǎn)車間（FAB）的架空地板下，在這里形成配管網(wǎng)絡(luò)，再由二次配管系統(tǒng)（ Hook-up ）送至各用戶點。以我的設(shè)計經(jīng)驗，在設(shè)計中

12、要著重考慮以下幾個方面。3.1 配管系統(tǒng)的整體架構(gòu)目前，較為常見的架構(gòu)有樹枝型（圖2）和環(huán)型（圖 3）兩種。其中又數(shù)樹枝型最為常用，其架構(gòu)清晰，且與其它系統(tǒng)的配管架構(gòu)相似，利于整體空間規(guī)劃。環(huán)型則能較好地保持用氣點壓力的 穩(wěn)定，但投資較高。因此在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)用氣點的分布情況及用氣壓力要求綜合考慮。例如，筆者在某200mm集成電路芯片生產(chǎn)廠的設(shè)計中，大宗氣體配管系統(tǒng)均采用樹枝型架構(gòu)。由于該FAB廠房很大，管線較長，而工藝氮氣用氣點較多，有一些用氣點對壓力要求也較高，因此對工藝氮氣管路系統(tǒng)特別采用了樹枝型與環(huán)型相結(jié)合的方式（圖4）,環(huán)型主管主要保證用氣點的壓力穩(wěn)定，其管徑可小于樹枝型主管的管徑，從

13、而降低成本。3.2 配管系統(tǒng)的靈活性設(shè)計微電子行業(yè)的發(fā)展非常迅速，經(jīng)常會發(fā)生工藝設(shè)備更新、挪位和新增等狀況。即使在整個工廠的建設(shè)中，最終的工藝設(shè)備分布也會與設(shè)計時相去甚遠。這種行業(yè)的特殊性要求設(shè)計必須充分考慮其靈活性（Flexibility ）,能滿足未來的擴展需求。配管系統(tǒng)的基本設(shè)計原則是在主管（Main ）上按一定間距設(shè)置支管端（ Branch ）,再在每個支管上按一定間距設(shè)置分支管（BranchTake-off ）供二次配管使用。另外，主管的管徑不必隨流量的遞減而采取漸縮設(shè)計。無庸諱言，這種配管系統(tǒng)的確具有充分的靈活性，但由于超高純氣體管路的管件和閥件價格昂貴，該系統(tǒng)的成本之高也是顯而易

14、見的。通常，集成電路芯片廠的建設(shè)往往會分成若干個階段，一方面可以緩解一次性投資的巨大資金壓力，另一方面也可以根據(jù)市場狀況作出相應(yīng)的調(diào)整決策。在新廠建設(shè)的第一階段，設(shè)計產(chǎn)量往往不是很高，用氣點也不是很多，尤其是氫、氧、氧、氨的用氣點就更少。因此必須考慮如何來簡化配管系統(tǒng)以降低成本。下面以圖5為例，對一些典型的工況作分析：工況一：支管I中，用氣點a與b均在該支管的最遠端，因此無法作簡化。即使 c與d處目前 暫無用氣點，但還是應(yīng)該設(shè)置分支管和閥門，以備將來之用。工況二：支管II中，用氣點e和f的遠端沒有其它的用氣點，則支管線可以分別在 e點和f點后結(jié)束。注意，支管的終端閥必須帶排氣口，以供管線延伸使

15、用。工況三：支管III的二端都沒有用氣點，則只在該二端安裝帶排氣口的隔膜閥，以備將來之用。值得注意的是，工況三在設(shè)計中往往會被忽略。另外，主管和支管的終端閥宜采用帶排氣口的 隔膜閥，利于今后可能的擴展。3.3 管徑的設(shè)計計算管徑的選擇是基于氣體流量的大小，同時也不能忽略氣體的壓力值對計算的巨大影響。另外，管道中氧氣的流速值要低一些，可選用8m/s o在芯片廠的設(shè)計中，工藝設(shè)備的用氣量往往會有二個數(shù)值，一個是峰值（Peak）, 一個是均值（Average ）,而且對不同的設(shè)備而言，峰值與均值之間的差異是完全不同的。那么在管徑計算中以何種流量作為基準呢？筆者在此給出一些自己的設(shè)計經(jīng)驗，以供參考：首

16、先，芯片廠中工藝設(shè)備的運行方式是間歇式的。在某一設(shè)備的運行過程中，會有短暫片刻的用氣量達到峰值，而后用氣量減小，甚至為零，由此類造成峰值和均值之間會存在很大差異， 甚至是幾何級的差異。對主管而言，可以將所有工藝設(shè)備峰值流量的總和乘上系數(shù)（一般為0.7-0.8 ），來作為流量值這樣計算得到的管徑基本上可以滿足供氣需求。因為不可能FAB中所有的工藝設(shè)備在同一時刻同時達到用氣峰值，因此沒有必要采用峰值總流量作為計算依據(jù)，過大的管徑只能是浪費金錢。對于支管乃至分支管而言，則需要根據(jù)實際情況作具體分析。如果某分支管用氣點較多，則可 以沿用主管的處理方法；如果用氣點不多，甚至只有一個，則還是以用氣點的總峰

17、值流量來計 算較為穩(wěn)妥。3.4 配管系統(tǒng)的選材對于工藝氣體而言，由于在芯片生產(chǎn)中需要與芯片接觸并參與反應(yīng)，因此需選用經(jīng)電解拋光（Electro-Polish ）處理的 316L 不銹鋼管，即 SS316LEP管，其耐腐蝕性好，表面粗糙度低，Ramax （最大表面粗糙度）<0.7微米。光滑的表面使顆粒無從吸附滯留，從而保證氣體的純度。Bright對普通氮氣而言，由于其并不作為制程中的反應(yīng)氣體，可以選用經(jīng)光輝燒結(jié)(Anneal )處理的316L不銹鋼管，即 SS316L BA 管，也可以采用經(jīng)化學清洗( ChemicalClean )處理的316L不銹鋼管，即 SS316L CC 管。其Ramax為3-6微米。3.5 其它設(shè)計要點在設(shè)計中還應(yīng)遵循國內(nèi)其他相關(guān)規(guī)范，如潔凈廠房設(shè)計規(guī)范、氫氧站設(shè)計規(guī)范、供氫站設(shè)計規(guī)范等，其中主要的設(shè)計要點有：(1)在主管末端要設(shè)計氣體取樣口，對于氫氣和氧氣，還需在主管末端設(shè)置放散管。放散管引至室外，應(yīng)高出屋