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半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计


半导体工厂(FAB)大宗气体系统(Gas Yard)的设计 半导体工厂( ) 大宗气体系统( )
1995 年,美国半导体工业协会(SIA)在一份报告中预言:"中国将在 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发展, 进入 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第二大半导体 市场。而目前的发展态势也正印证了这一点。 作为半导体生产过程中必不可少的系统,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、生产过程更为复杂,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。 集成电路芯片厂中所使用的气体按用量的大小可分为二种,用量较大的称为大宗气体(Bulk gas) ,用量较小的称为特种气体(Specialty gas) 。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, 又分为普通氮气和工艺氮气。 由于篇幅所限, 本文仅涉及大宗气体系统的设计。 1 系统概述 大宗气体系统由供气系统和输送管道系统组成, 其中供气系统又可细分为气源、 纯化和品质监测 等几个部分。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(Gas Yard) ,而气体的纯化则往往在生产厂房内专门的纯化间(Purifier Room)中进行,这样可以使 高纯气体的管线尽可能的短,既保证了气体的品质,又节约了成本。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, 最后由二次配管系统(Hook-up)送至各用户点。图 1 给出了一个典型的大宗气体系统图。 2 供气系统的设计 2.1 气体站 2.1.1 首先必须根据工厂所需用气量的情况,选择最合理和经济的供气方式。 氮气的用量往往是很大的,根据其用量的不同,可考虑采用以下几种方式供气: 1)液氮储罐,用槽车定期进行充灌,高压的液态气体经蒸发器(Vaporizer)蒸发为气态后,供 工厂使用。 一般的半导体工厂用气量适中时这种方式较为合适, 这也是目前采用最多的一种方式。 2)采用空分装置现场制氮。这适用于 N2 用量很大的场合。集成电路芯片制造厂多采用此方式 供气,而且还同时设置液氮储罐作备用。 氧气和氩气往往采用超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供应。 氢气则以气态方式供应,一般采用钢瓶组(Bundle)即可满足生产要求。如用气量较大,则可

采用 Tube Trailer 供气,只是由于道路消防安全审批等因素,目前在国内还很少采用此方式。相 信随着我国微电子工业的飞速发展,相关的安全法规会更完善,Tube Trailer 供气方式会被更多 地采用。如果氢气用量相当大,则需要现场制氢,如采用水电解装置。 由于低温液氦储罐的成本相当昂贵,加以氦气用量不大,氦气一般采用钢瓶组(Bundle)的形 式供应即可满足生产要求。随着大型集成电路厂越来越多地出现,氦气的用量也逐渐上升,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,此时所有杂质在此液相中 实际均已凝结在固体,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发展,将会出现一些半导体工厂较为密集的微电子生产园 区,这时有可能采用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 地下管线送往各工厂。 这种方式可以大大降低各厂的用地需求和用气成本, 形成气体公司与半导 体工厂多赢的局面。 在上海某生产园区, 某气体公司即将采用该方式对园区内的几家工厂提供氦 气,目前正在建设中。 2.1.2 在整个气体站的设计中,需要特别注意几个问题: 首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必须予以高度重视的,如气体站的平面布置必须符合 相关安全规范。 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,而且必须考虑纯化器、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。值得注意的是,该 杂质目前尚无法通过气体纯化器有效去除,必须在空分装置中增加专门的超低温精馏过程处理, 这不可避免导致成本的上升, 当然由此法制取的氧气纯度已足够高, 不需要经纯化即可直接用于 工艺设备。另一折衷的方法是,目前 200mm 芯片生产工艺中,只有部分工艺设备对氧中氮的含 量要求甚高,如果这些设备的用氧量不大,则可以考虑外购高纯氧气钢瓶专门对这些设备供气。 2.2 气体纯化与过滤 2.2.1 气体的品质要求 随着集成电路技术的不断发展,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 大宗气体的纯度要求往往达到 ppb 级,表 1 给出了某 200mm 芯片生产工艺线对大宗气体的品 质要求。 因此, 必须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 (purifier Room) 进行纯化, 气体经纯化器除去其中的杂质,再经过滤器除去其中的颗粒(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。

2.2.2 纯化器 目前国内采用的气体纯化器都是进口的,主要的生产厂家有 SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO 等。 纯化器根据其作用原理的不同可以对不同的气体进行纯化。 我将目前市场上纯化器的情况作 了整理,见表 2。 一般说来,N2、O2 纯化器较多采用触媒吸附式,Ar、H2 纯化器则以 Getter 效果最佳,H2 纯 化器也多采用触媒吸附结合 Getter 式。 在设计中要注意的是,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 须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十分严格,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 0.1?m 的颗粒含量为零。 而去除颗粒则需采用气体过滤器。 一般的,经纯化的气体需经过两个串联的过滤器即可达到工艺要求,为方便滤芯更换,往往并联 设置两组过滤器组,参见图 1。 2.3 气体的品质监测 大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测, 观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的 工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测,而对 CO、CO2 及 THC 杂质采用间歇监测,测试结果连同其他测试参数(诸如压力、流量等)都会被送往控制 室中的 SCADA(Supervisory Control and Date Acquisition)系统。 2.4 供气系统的可靠性问题 由于微电子行业的投入与产出都是非常的大, 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。 因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。 若采 用现场制气方式,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。 2)氧气若采用现场制气方式,虽然可以不经纯化而直接供工艺设备使用,但仍应该设置一台纯 化器作备用。 当然, 以上这些措施必须会导致气体成本的急剧上升, 虽然与供气中断造成的损失相比要小的多, 但这必须要与业主讨论确定。而且,每个项目都有其特殊性,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,若有条件采用集中管道供气方式,还需要考察气体供应商的系统设计情况,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。有必要提请业主注意在该种经济便 利的供气方式背后潜在的风险。 3 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辅助生产层(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。以我的设计经验,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(图 2)和环型(图 3)两种。其中又数树枝型最为常用,其架构 清晰,且与其它系统的配管架构相似,利于整体空间规划。环型则能较好地保持用气点压力的稳 定,但投资较高。因此在设计中应根据用气点的分布情况及用气压力要求综合考虑。例如,笔者 在某 200mm 集成电路芯片生产厂的设计中, 大宗气体配管系统均采用树枝型架构。 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 气管路系统特别采用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,从而降低成本。 3.2 配管系统的灵活性设计 微电子行业的发展非常迅速,经常会发生工艺设备更新、挪位和新增等状况。即使在整个工厂的 建设中, 最终的工艺设备分布也会与设计时相去甚远。 这种行业的特殊性要求设计必须充分考虑 其灵活性(Flexibility) ,能满足未来的扩展需求。 配管系统的基本设计原则是在主管(Main)上按一定间距设置支管端(Branch) ,再在每个支管 上按一定间距设置分支管(Branch Take-off)供二次配管使用。另外,主管的管径不必随流量的递减而采取渐缩设计。 无庸讳言, 这种配管系统的确具有充分的灵活性, 但由于超高纯气体管路的管件和阀件价格昂贵, 该系统的成本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若干个阶段,一方 面可以缓解一次性投资的巨大资金压力, 另一方面也可以根据市场状况作出相应的调整决策。 在 新厂建设的第一阶段,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。因此必须考虑如何来简化该配管系统以降低成本。下面以图 5 为例,对一些典型 的工况作分析: 工况一:支管 I 中,用气点 a 与 b 均在该支管的最远端,因此无法作简化。即使 c 与 d 处目前暂 无用气点,但还是应该设置分支管和阀门,以备将来之用。

工况二:支管 II 中,用气点 e 和 f 的远端没有其它的用气点,则支管线可以分别在 e 点和 f 点后 结束。注意,支管的终端阀必须带排气口,以供管线延伸使用。 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。 值得注意的是,工况三在设计中往往会被忽略。另外,主管和支管的终端阀宜采用带排气口的隔 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,同时也不能忽略气体的压力值对计算的巨大影响。另外,管 道中氧气的流速值要低一些,可选用 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经验,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 气量达到峰值,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,可以将所有工艺设备峰值流量的总和乘上系数(一般为 0.7-0.8),来作为流量值, 这样计算得到的管径基本上可以满足供气需求。因为不可能 FAB 中所有的工艺设备在同一时刻 同时达到用气峰值,因此没有必要采用峰值总流量作为计算依据,过大的管径只能是浪费金钱。 对于支管乃至分支管而言,则需要根据实际情况作具体分析。如果某分支管用气点较多,则可以 沿用主管的处理方法;如果用气点不多,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应,因此需选用经电解抛光 (Electro-Polish)处理的 316L 不锈钢管,即 SS316L EP 管,其耐腐蚀性好,表面粗糙度低,Ramax(最大表面粗糙度)<0.7 微米。光滑的表面使颗 粒无从吸附滞留,从而保证气体的纯度。 对普通氮气而言,由于其并不作为制程中的反应气体,可以选用经光辉烧结(Bright Anneal)处理的 316L 不锈钢管,即 SS316L BA 管,也可以采用经化学清洗(Chemical Clean)处理的 316L 不锈钢管,即 SS316L CC 管。其 Ramax 为 3-6 微米。 3.5 其它设计要点 在设计中还应遵循国内其他相关规范,如《洁净厂房设计规范》《氢氧站设计规范》《供氢站设 、 、

计规范》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,应高出屋脊 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; (3)氧气管道及其阀门、附件应经严格脱脂处理,并应设导除静电的接地设施; (4)氢气管道接至用气设备的支管和放散管,应设阻火器;引至室外的放散管,应设置防雷保 护设施;应设导除静电的接地设施。 4 结论 大宗气体系统的设计是整个半导体工厂设计中的一个重要部分,虽然整个系统的流程并不复杂, 但是其中任一环节的疏忽都可能会导致严重的后果。在设计中,必须在供气稳定、连续不中断的 前提下,严格保证气体的品质,从而保障整个工厂生产的顺利进行。另外在成本方面也应有所考 虑,力求达到安全性与经济性的平衡。


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