半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计

1995年，美国半导体工业协会〔SIA〕在一份报告中预言：”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进展,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其次大半导体市场。而目前的进展态势也正印证了这一点.作为半导体生产过程中必不行少的系统，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、生产过程更为简单，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。〔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,又分为一般氮气和工艺氮气。由于篇幅所限,本文仅涉及大宗气体系统的设计.系统概述等几个局部。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〔GasYar，而气体的纯化则往往在生产厂房内特地的纯化间〔PurifierRoom〕高纯气体的管线尽可能的短，既保证了气体的品质，又节约了本钱。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，最终由二次配管系统〔Hook—up)1给出了一个典型的大宗气体系统图。供气系统的设计气体站2。1.1首先必需依据工厂所需用气量的状况，选择最合理和经济的供气方式。氮气的用量往往是很大的,依据其用量的不同，可考虑承受以下几种方式供气：液氮储罐，用槽车定期进展充灌，高压的液态气体经蒸发器(Vaporizer〕蒸发为气态后，供.2〕N2用量很大的场合。集成电路芯片制造厂多承受此方式供气，而且还同时设置液氮储罐作备用。氧气和氩气往往承受超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供给。氢气则以气态方式供给,一般承受钢瓶组(Bundle〕即可满足生产要求。如用气量较大，则可承受TubeTrailer供气，只是由于道路消防安全审批等因素,目前在国内还很少承受此方式。信任随着我国微电子工业的飞速进展，相关的安全法规会更完善,TubeTrailer供气方式会被更多地承受。假设氢气用量相当大,则需要现场制氢,如承受水电解装置。由于低温液氦储罐的本钱相当昂贵，加以氦气用量不大,氦气一般承受钢瓶组〔Bundle)的形式供给即可满足生产要求。随着大型集成电路厂越来越多地消灭，氦气的用量也渐渐上升，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，此时全部杂质在此液相中实际均已分散在固体，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进展，将会消灭一些半导体工厂较为密集的微电子生产园区，这时有可能承受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，需要特别留意几个问题:首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必需予以高度重视的，如气体站的平面布置必需符合相关安全标准。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，而且必需考虑纯化器、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.值得留意的是，该杂质目前尚无法通过气体纯化器有效去除，必需在空分装置中增加特地的超低温精馏过程处理，艺设备。另一折衷的方法是，目前200mm芯片生产工艺中，只有局部工艺设备对氧中氮的含量要求甚高，假设这些设备的用氧量不大，则可以考虑外购高纯氧气钢瓶特地对这些设备供气。2。2气体纯化与过滤气体的品质要求随着集成电路技术的不断进展,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ppb级,1200mm芯片生产工艺线对大宗气体的品质要求。因此,必需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〕进展纯化,〔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.纯化器Toyo、JPC、ATTO2。一般说来，N2、O2纯化器较多承受触媒吸附式，Ar、H2纯化器则以Getter效果最正确,H2纯化Getter式。在设计中要留意的是，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需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格外严格，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。而去除颗粒则需承受气体过滤器。一般的，经纯化的气体需经过两个串联的过滤器即可到达工艺要求，为便利滤芯更换，往往并联1。2.3气体的品质监测工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进展在线连续监测,而对CO、CO2及THC杂质承受间歇监测,测试结果连同其他测试参数(都会被送往把握室中的SCADA〔SupervisoryControlandDateAcquisition)系统。2。4供气系统的牢靠性问题由于微电子行业的投入与产出都是格外的大，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.因此在设计中必需充分考虑气体供给系统运行的安全牢靠性。假设承受现场制气方式，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。氧气假设承受现场制气方式，虽然可以不经纯化而直接供工艺设备使用，但仍应当设置一台纯化器作备用。,但这必需要与业主争辩确定。而且,每个工程都有其特别性，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，假设有条件承受集中管道供气方式，还需要考察气体供给商的系统设计状况，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。有必要提请业主留意在该种经济便利的供气方式背后潜在的风险.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关心生产层〔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.以我的设计阅历，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〔2)和环型〔3〕两种.其中又数树枝型最为常用，其架构定，但投资较高.因此在设计中应依据用气点的分布状况及用气压力要求综合考虑。例如，笔者200mm集成电路芯片生产厂的设计中,大宗气体配管系统均承受树枝型架构。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承受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，从而降低本钱。3.2配管系统的机敏性设计微电子行业的进展格外快速，经常会发生工艺设备更、挪位和增等状况。即使在整个工厂的建设中,.这种行业的特别性要求设计必需充分考虑其机敏性〔Flexibility，能满足将来的扩展需求.配管系统的根本设计原则是在主管(Main〕上按肯定间距设置支管端(Branch按肯定间距设置分支管(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实行渐缩设计。该系统的本钱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假设干个阶段，一方厂建设的第一阶段，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。因此必需考虑如何来简化该配管系统以降低本钱。下面以图5为例，对一些典型的工况作分析:Iab均在该支管的最远端，因此无法作简化.cd处目前暂无用气点,但还是应当设置分支管和阀门,以备将来之用。工况二：支管II中，用气点ef的远端没有其它的用气点，则支管线可以分别在ef点后完毕.留意，支管的终端阀必需带排气口,以供管线延长使用.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。值得留意的是，工况三在设计中往往会被无视。另外,主管和支管的终端阀宜承受带排气口的隔膜阀,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，同时也不能无视气体的压力值对计算的巨大影响。另外，管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阅历,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到达峰值，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，可以将全部工艺设备峰值流量的总和乘上系数〔一般为0.7-0这样计算得到的管径根本上可以满足供气需求。由于不行能FAB中全部的工艺设备在同一时刻同时到达用气峰值,因此没有必要承受峰值总流量作为计算依据，过大的管径只能是铺张金钱.对于支管乃至分支管而言，则需要依据实际状况作具体分析。假设某分支管用气点较多，则可以沿用主管的处理方法；假设用气点不多，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响，因此需选用经电解抛光〔Electro—Polish〕316LSS316LEP管，其耐腐蚀性好，外表粗糙度低,Ramax〔最大外表粗糙度〈0.7微米。光滑的外表使颗粒无从吸附滞留，从而保证气体的纯度。对一般氮气而言，由于其并不作为制程中的反响气体，可以选用经光辉烧结〔BrightAnneal〕316LSS316LBA管，也可以承受经化学清洗〔ChemicalClean)316LSS316LCCRamax3-6微米。3。5其它设计要点在设计中还应遵循国内其他相关标准，如《干净厂房设计标准计标准》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,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;