半導(dǎo)體工廠大宗氣體系統(tǒng)的設(shè)計_圖文

1、半導(dǎo)體工廠大宗氣體系統(tǒng)的設(shè)計. h, R% B6 u2 p4 m搞要本文對集成電路芯片廠中的大宗氣體系統(tǒng)的設(shè)計過程作了概括性的描述，對當前氣體設(shè)計技術(shù)及其發(fā)展方向作了探討，同時結(jié)合自己對多個FAB廠房的設(shè)計經(jīng)驗提出了設(shè)計中值得注意的問題和解決方案。6 O+ v 8 S3 z% N% RThis paper introduces a general design process for Bulk Gas System in FAB.Current gas design technology and its development direction are also discussed.Base

2、d on the author抯 experience in FAB design,several potential problems in design and relevant solutions are issued.5 T8 z& f& J0 A4 1995年，美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會（SIA）在一份報告中預(yù)言：中國將在10-15年內(nèi)成為世界最大的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體市場。而目前的發(fā)展態(tài)勢也正印證了這一點。3 v P7 % t6 k j作為半導(dǎo)體

3、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(fù)雜，因而所需的氣體種類更多、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（Bulk gas），用量較小的稱為特種氣體（Specialty gas）。大宗氣體有：氮氣、氧氣、氫氣、氬氣和氦氣。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1 2 w# , |

4、L( ? e+ E* k0 2 v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（Gas Yard），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1 U# : B& d

5、+ W+ T6 X& a2.1 氣體站- c. V# yO4 z S0 c4 V5 b* _3 G% V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(dǎo)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。# N( M w. t2 ? M2）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。8 hG$ l! J% La& 9 j氧氣和氬氣往往采用超低溫液氧儲罐配以蒸發(fā)器的方式供應(yīng)。氫

6、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。: f2 v, T$ A2 f/ t: J. Ut m由于低溫液氦儲罐的成本相當昂貴，加以氦氣用量不大，氦氣一般采用鋼瓶組（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)，氦氣的用量也逐漸上升，國外已開始嘗試使用液氦儲罐，而且由于氦

7、氣在低于-4500F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(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，將會出現(xiàn)一些半導(dǎo)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(dǎo)體工廠多贏的局面。在上海某生產(chǎn)園區(qū)，某氣體公司即將采用該方式對園區(qū)內(nèi)的幾家工廠提供氦氣，目前正在建設(shè)中。: j* Q3 y- p* E i# O- N- B2 R5 E f6 q R8 L其次，在設(shè)計供氣壓力時不僅要參照最

8、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。 R% 1 l4 WT7 A5 g7 / E& xY9 m: z, | t; A3 L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。8 Q% l3 + v# p( - . r: + F% Z% G p4 f, k Y7 I% * N! s ! O1

9、G2 m; |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, Yp8 kq4 9 Od/ Q4 x0 A S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)。* d+ s7 c9 l. & : E _0

10、 O2.4 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。6 I% g9 s3 2 | G w1）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，以上這些措施必須會導(dǎo)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，& Q7 B- J/ x Q* O; x- SZ但這必須要與業(yè)主討論確定。而且，

11、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(yù)防措施、應(yīng)急措施和恢復(fù)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(fēng)險。5 v+ t3 k6 I+ V3 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)計中要著重考慮以下幾個方面。3.1 配管系統(tǒng)的整體架構(gòu)2 y5 k! f! h2 O8

12、 $ $ h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，從而降低成本。3.2 配管系統(tǒng)的靈活性設(shè)計微

13、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（Branch Take-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見的。通常，集成電路芯片廠的建設(shè)往往會分成若干個階

14、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、氬、氧、氦的用氣點就更少。因此必須考慮如何來簡化該配管系統(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。6 R L# j8 a ?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，以供管線延伸使用。 l* A; q& X(

15、 Y; r# iB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。g$ V. ! v& _M8 |+ I5 m3.3 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。$ 6 r& C3 * a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

16、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：4 g6 i6 U$ K7 z6 R* _# W v 首先，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。0 Z$ - V& T N- x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

17、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值流量來計算較為穩(wěn)妥。& E: e- _* Q2 8 L3 3 j3.4 配管系統(tǒng)的選材U% t- o( p9 t l - W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SS316L EP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。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)（Bright Anneal）處理的316L不銹鋼管，即SS316L BA管，也可以采用經(jīng)化學(xué)清洗（Chemical Clean）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2 l+ B9 d4 K+ B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：9 W( RN5 ?( K( a（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)高出屋脊1米，并應(yīng)有防雨、放雜物侵入的措施；（