半导体厂务系统

1、Gas yardLN TanhGN2 Und&r Grmr)d Pipmg cr On Sile Generator霾 giPURlFiEF Li.,EvaporatorLO. LAr Tank! PUR旧印GHsCMCMI PURlAERBank of CylinderManiloldffl - Gas Yard一般氯度供氧系就流程圃半导体厂务工作吴世全国家奈米元件实验室一、前言近年来，半导体晶圆厂已进展到8”晶圆的量产规模，同时，也着手规划12晶圆的建厂与生产，准备迎接另一世代的产业规模。於是各厂不断地扩增其产能与扩充其厂区规模，似乎稍一停顿即会从此竞争中败下阵来。所以，推促着制程技术不断

2、地往前迈进，从 0.25医m设计规格的64Mb（百万位元）DRAM动 态随机记忆元件）记忆体密度的此际技术起，又加速地往0.18 m规格的256M发展；甚至0.13 m的1Gb （十亿位元）集积度的 DRAMS件设计也屡见不鲜。亦即 整个半导体产业正陷入尖端技术更迭的追逐战，在竞争中，除了更新制程设备外， 最重要的是维持厂区正常运作的厂务工作之配合，而这两方面的支出乃占资本财 的最大宗。特别是多次的工安事故及环保意识抬头之彼，厂务工作更是倍显其重 要及殷切。事实上，半导体厂的厂务工作为多援属性的任务，也是彼勤配合与收摊（废弃物） 处理的工作；平时很难察觉其重要性，但状况一出，即会令整厂鸡飞狗跳

3、，人仰 马翻，以致关厂停机的地步。所以，藉此针对厂务工作的内容做一概略性的描述, 说明其重要性并供作参考与了解。文章分为三部份：首先为厂务工作的种类，其 次是厂务工作的未来方向，最彼是本文的结语Design Rule表一靠艘的规格DRAM Metrology微米 Mrflllii256KdM 4M 16Ml 64Ml 256M23 1 13 0.8 - 0,5 ! 035 1 0 1802 I mpurity in N?即b 100 50 1。j 5 nIn a .,!卜Hivsa rDew Paint inN, QC76 i-80Particle Siz 微米 03 1 02-900.1Pa

4、rticle Density ps/cf 100 5。 10I !:-1001-110! -1200.1L_.(M 1 0.05I. 1训51幡* 111TM1!I 1二、厂务工作的种类目前在本实验室所代表的半导体制程的厂务工作，约可分为下列数项：一iPiping Matefinl.SS烈嘏l.M imi uauia51 OJ|Mm ；0 l|。3 isii/i）TOG （典 C/l）SiQj（pc 01）Na （ng NM ）Ft （嗯 FM）2h （Zn/1）Cu（ ng JCl （.gClfl）（愿喇4M） 舅理】双：零?MM !点理K） Ml IMMI IHMIM 1B * Uhlfi

5、o m i- 192, rwirrv-i.n -V jj _:*, 10G j -:一 101-5 ；氏5： io - iT45-10：:1山】*附20 5101、？05-5o,m4如*一r - Rv L f 515 网 50 0（h JOO；5100.1 1（X1!50 HI：40.1 10050工田：（MCOO!50 HJ ：0 C j,rr;上口 Ie PAR CLE5MAM J,一粉性超珏1演富通用器席揖娱整埸 |雇T d 1f J1栉木布型李诲做IT珈法通造堂 NXWL- .FOLSMfl卜 IIflFmSTICK f”ISHER p i iivHTTwrnUI班J医布希uIL漏三杳

6、购工庭中机内的TOC第二富航工做中系内的搬春子新商6.ErrorOperation Free（无操作误失）7.CorrosionFree （无腐蚀）8.CatalyticBehavior Free（无触化现象）因此，管件的规格就必须愈来愈严谨，如表二所列。其 BA为Bright Anneal Treatment ,即辉光烧钝退火处理，EP则为Electro-Polish ,属电极抛光之等另项的重要工作是在气体监控系统，主要的目的是做为操作时的管理，及安全上的管理。可由表三说明之。而气体的毒性规范乃以启始下限值(TLV/Threshold Limit Value) 为界定，表四乃部份毒性气体的T

7、LV值羲舟蠢事爰司挤靠迤晒新者出打 UMI。lit 将一一.暨生.诲般：贴1速J * /mmn田Q!E1&震 Ir*m4hbb i rwm Brn asn aiminevi r hbi ibwibi-L 酗911-u-isfctL _、4_ IV 1i3谊生牝tAf，第：IjE 5i7rf- f -斯而语费k=n MSBMSStW*一节那时Tlf 得L嘈一曲撕.咖戈；E 4sa-sjiu廉MILi 涧.呻泌T-._1_._JMTAl ：iMWBWWTm 11 J -华未；:*1a-j,赫9ji至R蹩！ _即rHUM! 1 M re-a i那端糜缸网 T电工1 j嬴嬴遍=* * i , i wr

8、vmMNl就比驾飓酬同厂一物-上!-j*rj_uiwt_E潮:“里_一EE 1磁 1nAy1P前,霉华, Vl B-tl Blll IHF.MCL N/Q. HN。.I pa 谶抵港解盛玲遇 收藻4l:离本阜中犯犯* 收施晅利水就僮崖遗附收祟至霹小%值和褥故 做鄢节南水IB植层电挈 k科*S外需理 加该春用潢而府收金松河两 M版步屋肉利峭收艰七?小雕中和辟成同收位席村加- M耽或瞪利器ria I rh11 bmi r wur - i rE ,瓶现中嘉水脸中间建腌3 .化学试纸式(ChemicalPaper Tape)4 .火焰放射光谱式(Flame-emissionSpectrometry)5

9、 .傅力叶红外线光谱式(Fourier-Transform Inferred Spectrometry-FTIR)6 .质谱仪式(Mass Spectrometry)而常使用的感测为前三种。完整的毒气监控系统尚须具备：1.24小时连续侦测2 .警报系统3 .自动广播系统4 .分区的闪光灯警报系统5 .图控系统显示现场位置6 .各点读值历史记录趋势图而当侦测到毒气泄漏时，立即警报於电脑萤幕，同时启动自动广播系统及分区的闪光灯警报系 统，此时相关区域全体人员应立即撤出，现场人员立即通知紧急应变小组做适当的处理闺四鹿水鹿理系统圄多幡丘平洋rr4胤*苏他排氧林翔地或选建修2.超纯水之供应2纯水水质之要

10、求随积体电路之集积度增加而提高，其标准如表五所示。超纯水之制程随原水水 质而有不同的方式，国内几以重力过滤方式；主 要是去除水中的不纯物，如微粒子，有机物，无 机盐类，重金属及生菌等等。去除的技术上，有 分离、吸附及紫外灯照射等。表五详列的是新旧超纯水制程的比较情形。其中新制程的步骤有：4(1)多功能离子交换树脂和装置“ 所使用之强磴性离子交换树脂除了可以去除离子以外，还具有吸着、去除微粒子的功能；而微粒子吸着的机制乃树脂表面的正电吸引微粒子的负电，吸着力的大小，决定於树脂表面线状高 分子之尾端状态(2)臭氧紫外线(UV)照射型分解有机物设备以往的技术中，采用的是过氧化氢一 UV照射型之有机分

11、解方式，以氧化和分解有机物。原理乃利 用UV照射过氧化氢此氧化剂，使其产生氢氧基(. OH怵氧化有机物。被氧化的有机物在形成有机酸彳麦，变成了二氧化碳和水。新技术中乃以臭氧代替过氧化氢，如此可提高有机物的氧化分解 效率，连以往甚难去除的超微小粒子胶体物质都可以去除。(3) 一塔二段式真空脱气塔人人眼事版中田忖表ZZAYFK* MM. MM此乃去除水中溶存之氧气，以降低氧分子在晶WTHr*aiwz 人LM&I/- - /，J片表面自然氧化膜的形成。KWHU/ K4J LG JIzL . II LiUlI li 4 Will IIM J li II Jl& J I. U 1 L E 4/I. Li

12、 ii-biii目前去除水中溶氧的方法及所面临的问题:1 .真空脱气法一无法使溶氧降至 50 g/l以下。2 .膜脱气法一和1.一样，且须使用大型机器，故不具经济性。3 .氮气脱气法一使用大量氮气，所以运转费用较高。4 .触媒法一必须添加氢和联氨，运转费亦高。而此改良式设备乃就一塔一段式真空脱气法改变为多段式的抽气，并加装冷凝器，俾以缩小塔径和真空帮浦的尺寸。如此，建设费减少 1/3,运转费减少2/3,并使溶氧降至10mg/l以下, 若再配备加热循环，则更能降低至10 g/l以下。（4）高速通水式非再生纯水器就总有机体碳（TOC）含量在10 w g/l以下的超纯水而言，有机物的溶出是一项不可忽

13、略的问题；而一般的离子交换树脂会溶出微量的有机物，所以在副系统的非再生型树脂塔中用超低溶出型的离子交换树脂彳麦，再大幅提增其通水流速，如此便能大幅降低TOC直，且降低成本。若以微粒子的动向来描绘各相关组件的去除效率，可如图二看出。其组件有凝集水过滤塔，混床塔，RO（逆渗透膜），CP （套筒式纯水器，非再生型离子交换树脂塔）。而从图二得知，混床塔 之彳麦的微粒子是由其彳麦端的组件中溶出至於去除TOC勺有效组件有：离子树脂塔，紫外线氧化槽，活性碳塔和TOC-UV丁等，其效率如图三所示。3. 中央化学品的供应3目前的化学品供应已由早期的人工倒入方式改为自动供酸系统，其系统可分为四大单元：化学品来源

14、(Chemical Source) 。充填单元(Charge Unit) 、稀释混合单元(Dilution/Mixing Unit) ，储存槽 (Buffer Tank) 及供应单元(Supply unit) 。来源方式有桶装(Drum),糟车(Lorry),及混合方式(Mixing Source)。(2) 充填单元供应单元二者为供应系统的动力部份，而将化学品经管路输送到指定点。方法有帮浦(Pump)抽取，真空吸取(Vacuum Suction)及高压输送(Pressure Delivery)等三种。且为降低化学品被污染的机率须配备佐助组件，如纯水，氮气喷枪清洗接头；滤网风扇(HEPA Fan

15、)保持正压避免外界灰尘粒子进入；排气(Exhaust) 排除溢漏化学品及本身的气味於室外。(3) 稀释混合单方面，乃指一般化学品或研磨液加纯水的稀释，及研磨液与化学品，或此二者与纯水的混合而言。(4) 管路设计方面需注意事项有：1. 非水平管路：即从源头到使用点由高而低，当管路漏酸时便会流到未端的阀箱(Valve Box) ，可轻易清除。2. 不同高层的管路排列：上下排列之管材最好能同一属性，如同为不锈钢或铁弗龙，或透明塑胶CPVC最彳麦不锈钢管管(CPVC)o否则安排的顺序为铁弗龙在上，往下为3. 研磨液管路设计：因其与空气接触时易乾涸结晶而阻塞管路，故须注意管路尺寸及避免死角。4. 接点测

16、漏装置，以便随时侦测管路泄漏与否。5. 避免过多的管路接点。4. 洁净室之湿度，温度的维持4事实上，一座半导体晶圆厂之洁净室的组成须含括多项子系统方能满足表六所列的标准：(1) 与洁净室特别搭配的建筑结构以利洁净空气的流畅，防震及足够的支撑结构，和宽敞的搬运动线。(2) 不断地新鲜，乾净空气之补充弥补机台之排气及保持室内正压以杜绝外气的污染。(3) 保持洁净室的清洁度配备空气循环的驱动风扇，透气的地板及天花板，且地板高架化以利回风及配管，天花板则安装过滤网与衔吊架。(4) 恒温恒湿之控制除配置外气空调箱外(Make-up Air unit) ，室内仍需有不滴水的二次空调盘管来做温度微控，另加装

17、精确的自动感温控制系统，即可达成此恒温，恒湿之控制。(5) 考量静电、噪音及磁场等防护的工程电力系统装配。(6) 不发尘及不堆尘的室内设计，即以专用epoxy 涂覆之。(7) 另含盖了内部隔间，人员洗尘室(Air Shower) 、物料传递窗(Pass Window) 等设施。在这些子系统中，对恒温，恒湿之控制最为重要的，及直接的是空调箱和二次空调盘；而空调箱之效率乃取决於设备容量与其数量，这项的决定又与制程机台排气量息息相关，因此必须一并考虑，通常Make-up Air 容量是下述各项容量的总和：1. 生产机台排气量。2. 维持室内正压的空间量，此约为整个洁净空间换气量的1 至 5 倍之间。

18、3. 容量裕度。另外尚需考虑循环过滤的风量，包括换气的次数，过滤网的效率等级与总循环的压降等因素。至於二次盘(dry coil) 的型式考量有：1. 热交换式或混合式两种供选择。2. 费用上，以热交换式较高，且占空间，但有较准及稳的温控效果。3. 黄光区的温湿特别严格，需选用不同型态之二次盘。最彳麦上述之系统均全年无休运转，故需要有备用机台的安排。5. 废水及废气的处理系统5由於制程技术不断演进，使得相关供应系统等级及品质日趋精密且复杂，如毒性气体，化学药品或纯水系统等，而此物质的排放却造成环境恶化的来源之一；因此，如何处理此类高纯度且大量的毒性物质之排放，将是厂务废水，废气处理的重要工作与任

19、务。(1) 首先是废水处理系统半导体厂废水之来源，可略分为制程废水，纯水系统之废水，废气洗涤中和液废水等三种，如表七所列。各排放水可分为直接排放及回收处理方式。1. 制程废水：直接排放-HF浓废液，HF洗涤废水，酸/磴性废水，晶圆研磨废水等五种，经各分类管线排至废水厂。回收处理有机系列(Solvent,IPA), HSO ,DIR70%,及DIR90掰，经排放收集委外处理或直接再利用。2. 纯水系统之废水：直接排放纯水系统再生时之洗涤药剂混合水(含盐酸再生洗涤液及硷洗涤液)回收处理系统浓缩液(逆渗透膜组，超限外滤膜组)或是硷性再生废液。3. 废气洗涤废水直接排放洗涤制程所排放的废气之水，均直接

20、排放至处理厂。至於其处理的程序及步骤，可由图四说明之。下文为其各项之说明：1. HF 浓废液：此废液至处理系统彳麦，添加NaOHI升pH值至810之间，注入CaC4, Ca(OH)?与HF反应向生成 CaF 污泥，即2HF+CaCl + Ca(OH) CaF + HCl + H O的反应式。藉此去除氟离子之浓度量，而 CaF污泥产物与晶圆研磨废液混合，且添加 Polymer (高分子)增进其沈降性，以利 CaF污泥经脱水机挤压2过滤。污泥饼则委托代处理业者处理。另一产物HCl酸气由处理厂废气洗涤彳麦排放，污泥滤液则注入调节池。2. 一般废水：包才HF洗涤废水，酸/磴性废水。经水系统树脂塔再生废

21、液，废气洗涤废水等进入调节池混合均匀，稀释彳麦泵入调整池中，添加 NaOH H SO等酸磴中和剂，将之调整为 6.09.0的pH值范 围彳麦放流入园区下水道。3. 回收处理单元：a. 有机废液回收将IPA 溶剂、显影液及浓硫酸废液等独立收集，并委外处理。b. 浓缩液回收再利用纯水系统设备产生之浓缩液，除供应原系统反洗，再生用外，更可补充大量飞散之冷却用水，如此不但降低排水量，亦可节省用水量。c. 纯水供应系统回收水目前纯水供应系统可直接回收70%至纯水制造系统，另将制程之洗涤水回收以供冷却系统及卫生用水，此部份占20%，因此，纯水供应系统回收水已可达90%。d.磴性再生废液-纯水系统磴性再生废

22、液收集应用於废水处理系统之pH值调节用，如此可减少化学药剂之使用量。(2) 废气处理系统废气产生的设备约有离子布值机，化学清洗站，蚀刻机，炉管，溅镀机，有机溶剂与气瓶柜等，其中有较高浓度污染的废气均先由该机台所属的Local Scrubber （局部洗涤机）先行处理彳麦，在经由全厂之中央废气处理系统做三次处理彳麦，再排入大气中，以达到净化气体之功能，其架构示意如图五说明。晶圆厂的废气常含有酸，硷性或腐蚀性，故处理系统的管材就必须能耐酸、硷性或腐蚀性，故处理系统的管材就必须能耐酸、硷性，抗蚀性，甚至耐高温及防水性等，故表八乃将常用材质及使用种类整理归纳。而其废气处理种类及方式如下：1. 一般性废

23、气， 其来源为氧化扩散炉的热气， 烤箱及乾式帮浦的排气， 此废气可直接排放至大气。2. 酸、硷性之废气，来源为化学清洗站，具刺激性及有害人体。故一般以湿式洗涤塔做水洗处理彳麦再排入大气。洗涤塔利用床体或湿润的表面可去除0.1微米以上的粒子。其气体与液体的接触方式有交叉（垂直交叉）流式、同向流式及逆向流式三种，而水流的设计上，有喷嘴式，喷雾式，颈式及拉西环式等四种。3. 有机溶剂废气通常使用吸附式处理，其常用之吸附剂为活性碳，饱和彳麦可以更换或以再生方式处理。4. 含毒气性废气， 其来源为化学气相沈积， 乾蚀刻机 ，扩散 ， 离子布值机及磊晶等制程时所产生。在经机台本身的局部洗涤机的处理彳麦，其

24、彳麦段的处理方法有吸附法，直接燃烧法及化学反应法等数种。尤其是薄膜成长和磊晶制程时SiH 气体，须特别注意，因其为一俱爆炸及可燃性的气体。4所以单独配管且先经一密闭坚固的燃烧室（Burning Box）,内通空气稀释 SiH至可燃之浓度，令4它先行燃烧彳麦再经湿式洗涤塔处理彳麦排出室外。其反应方式为:SiH + 2O SiO（粉末）+ 2H O其中SiO粉末须定期清洗，以免污染及堵塞管路系统。另可采用KOHK溶液做为循环液系统，2利用二者反应去除SiH ，反应式如下：4SiH + 2KOH + H 0K SiO + 4H再经湿式洗涤塔处理彳麦排出。其他一些常用的毒性气体，如ASHFH3, B

25、2H6亦可以此类化学反应处理。6. 电力，照明及冷却水的配合此三项系统在生产流程上的配合， 一般都不容易察觉， 但一有状况， 往往都有立即且严重的影响；因他们似乎很少发生问题，就如同空气一般的普遍。不过由於资源的不足，常会有临时限电，限水的事件发生，所以在电力供应系统方面，都会设置不断电系统及紧急电源以备不时之需。同时为了消除漏电的状况，通常会设计安置一共同的接地电网，用来保障机器设备及人员的安全。照明系统亦甚为重要，无论平时或紧急照明装置，都需保持明亮及舒适，否则容易影响工作的情绪及效率。另在冷却水的供应上，亦必须慎重，诸如出水的压力，温度及流量都必须适当，不然即会对设备造成影响，甚至当机。

26、同时其水质的纯度，导电度以及防锈的预防亦须留意，尤其在配备高周波电磁场的机台冷却上，更为重要。这些设备如射频溅镀机，电子回旋共振蒸镀或蚀刻设备，和电浆强化化学蒸镀或蚀刻机等。当冷却水的导电镀增加时，即会造成漏电的效应而影响机合的操作参数；若防锈不良会造成管路生锈，堵塞等现象，以致影响冷却的效果，造成设备的损伤。7. 洁净室隔间，及相关机房，系统的营缮支援工作洁净室的空间规划， 一般在建厂之初统一设计完善； 但由於技术层次不断地提升， 因此机台设备，生产流程必须随时跟上半导体技术世代的演进。於是新设备进出洁净室的事件亦常有之，此时，就必须安排隔间工程，电力，气体供应，甚或排气，排水等架设；於是需要一组系统营缮的支援人员资以配合。而负责此项工作的人员须对整个洁净室的结构，特性，有相当程度的熟悉方可胜任。8. 监控、辅佐事故应变的机动工作一座洁净室的运作通常都是每天24 小时不停歇的，所以必须要有人员随时地监控整个系统，包括空调的温湿度，气体或化学品的供应，废水及废气的处理；等等，如此方能确保厂区的安全与正常的运作。事实上，实验室可能出现一些紧急或危险的事故，例如：毒气外泄，