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半导体代工厂的特气供应系统探讨  

2011-05-17 13:46:27|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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n ufacturingTect'm~
彭志辉,黄其煜
(上海交通大学微电子学院,上海20003O)
摘要:对在半导体晶圆代工 中应用的特种气体及气体的不同特性进行了分类和讨论,进而对特种气
体在晶圆厂的主要供应流程及其要点进行了阐述,并且对在晶圆厂有着重要作用的关键管件及重要设计进行
了探讨。
关键词:晶圆代工; 特种气体;大宗气体; 阈限值
中图分类号:06l 3.1 文献标识码:B 文章编号:l003.353X(2005)08.003 8-03
Study on the Supply System of Special Gases in Foundry
PENG Zhi—hui,HUANG Qi—yu
(School of Micro—Electl 0nics.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China)
Abstract:The special gases used in Foundry and their different properties were classified and
discussed.The process flow chart and outline were described,and the key piping,fitting & some
design emphases were studied.
Key words:foundry; special gas;bulk gas: TLV
1引言
在目前工艺技术较为先进的半导体晶圆代工厂
的制造过程中,全部工艺步骤超过450道,其中大
约要使用50种不同种类的气体。一般把气体分为大
宗气体(Bulk Gas)和特种气体(Special Gas)两种。大
宗气体一般是指集中供应且用量较大的气体,涵盖
制程用气如PO PAr,PH PHe,以及非制程用气如
CDA,IA,GN 等。特种气体主要有各种掺杂用气体、
外延用气体、离子注入用气体、刻蚀用气体以及其
他广为各种制程设备所使用的惰性气体等。如扩散
工艺中作为工艺腔清洁所用的C1F ,干层刻蚀时常
用的CF ,CHF 与SF 等,以及离子注入法作为n型
硅片离子注入磷源、砷源的PH 和AsH 等.。从
以上的应用可以看出,气体在半导体晶圆代工厂有
着非常重要的作用。因为各种气体的特性不同,所
以要设计出不同的气体输送系统来满足各种不同制
程设备的需求。本文主要讨论特种气体的分类、供
38 半导体技术第30卷第8期
应和相关的关键管件等。
2 特气的分类
半导体制造业所使用的特种气体一般按其使用
时的特性见图l,可分为五大类I 2】,
(1)易燃性气体
把自燃、易燃、可燃气体等都定义为这类气
体。如常温下的SiH 气体只要与空气接触就会燃
烧,当环境温度达到一定时,PH 与B,H 等气体也
会产生自燃。可燃易燃气体都有一定的着火燃烧爆
炸范围, 即上限、下限值。此范围越大的气体起
爆炸燃烧危险性就越高, 如B,H 的爆炸上限为
98%,爆炸下限为0.9%。属于易燃气体有H ,NH
PH DCS,C1F 等等。
(2)毒性气体(TOXiC Ga s): 半导体制造
行业中使用的气体很多都是对人体有害、有毒的。
其中又以AsH ,B,H ,PH 等气体的毒性最大,它
们的阈限值TLV (Threshold Limited Valve)分
2005年8月
制造丝朱
别只有50× l0 ,l 00× l0-9,300× l 0 。这些气体
在工作环境中的允许浓度极微,因此在贮存、输送
以及使用的过程中都要求特别的小心。一般都应该
采取特定的技术措施来控制使用这些气体。N0,
C4F6,C5F8,NF3,CH 3F笙抑1:11J/屠f~干. I 軎性气体。
(3)腐蚀性气体(CO rrO Sive Ga s): 这些
腐蚀性气体通常同时也兼有较强的毒性。腐蚀性气
体在干燥状态下一般不易侵蚀金属,但在遇到水的
环境下就显示出很强的腐蚀性, 如HC1,HF,PCI ,
SiF 4,C1F 3,wF 6等。
(4)惰性气体(Inert Gas) 隋性气体本身一
般不会直接对人体产生伤害,在气体传输过程中,
相对于安全上的要求不如以上其他气体严格。但惰
性气体具有室 皂、特性,在密闭空间若发生泄漏会使
人窒息而造成工伤事故。属于这类的气体有C.F
CF ,SF6,CHF 3等。
(5)氧化性气体(OXide Ga s): 这类气体
有较强的氧化性,一般同时具有其他特性,如毒性
或腐蚀性等。属于这类的气体有C1F ,C1,,NF 等。
图1 气体按其特性分类图
3 特气供应系统
高纯工业气体的供应方式一般有多种,如现场
制气, 用管道输送供气, 槽车输送供气, 外购气
体钢瓶或钢瓶组输送供气等。具体采用哪种供气方
式,设计人员主要考虑的因素是工』一的生产规模和
用气要求以及周边地区的气体供应状况等。综合所
有条件经过认真的技术经济比较后方可确定。我们
的设计原则是既要做到确保供气质量、运行管理方
便,还要降低产品的生产成本, 以便安全、可靠、
高效地供应气体。
对于晶圆代工厂的特种气体的供应方式,目前
A ugust 2005
应用最为广泛的是采用外购气体钢瓶或钢瓶组来输
送供气。因为它具有投资较少,使用方式灵活的优
点,电耗及制气成本相对也比较低廉。但在气体输
送的过程中气体比较容易受到污染,这就要求整个
供应系统得到严格的管理和维护。
图2为典型的晶圆代工厂的特种气体输送系统
简图。
Scrubber Gas Cabinet VMB T00I Local Scrubber
图2 特殊气体供应流程图
气瓶柜一般集中设置在主体厂房一楼的气体房
内,在气体房中技术人员要进行钢瓶更换和日常的
维护保养工作。对于毒性气体还要求设有各种废气
处理装置Scrubber(洗刷柜 , 以便及时处理各种作
业过程中产生的有毒气体,处理后的尾气再进入中
央处理装置(Central Scrubber),以确保工作环境的
安全。特种气体从气瓶GC (Gas Cylinder)出发
先经过各种阀、配件以及压力调节器(P re s su re
Gegulator)等, 由特殊气体输送管道供应到位F厂
房二楼Sub.Fab的多个阀分配柜VMB (Valve Mani.
f0ld Box)中。然后制程气体再由VMB的各个stick
点供应到三楼无尘室的相关工作台供其使用,而对
于工作台工作使用的部分尾气也还要进入现场处理装
置Local Scrubber进行处理。
4 关键管件的要求及连接
目前在半导体制程设备以及相关厂务系统中所
使用的管件材料主要有不锈钢制(S t a i n l e s s
S te e 1), 铁氟隆(T e fl O n)制, 高密度聚乙烯
(HDPE)以及聚偏二氟乙烯制(PVDF)等。其中
在气体传输中以不锈钢制管件的应用最为广泛,通
常在所有与制程相关的制程气体(Proce S S Gas)
的输送上都要应用不锈钢制管件,铁氟隆制的管件
主要用来传输一’些不能与不锈钢制管相接触的制程
气体或高浓度的酸碱液体,如三氯乙烷和废硫酸
Semiconductor Technology Vo1.30 No.8 39
等;HDPE制管件广泛应用在一般废水排放系统
中;而PVDF管材主要应用在制程清洗所用的高纯
水(UPW)管路上, 这种管材符合高纯水对溶解
氧(DO)、总有机物(TOC)和微粒(Particle)
等均严格要求的条件。
不锈钢制管件是用来传输各种制程气体的主要
管件,尤其是传输一些剧毒易燃易爆的危险性气
体。所以不锈钢制管件的制作和施工要求在以上几
种不同材质的管件中最为严格, 晶圆厂一般对于P
级要求(× l 0I9级)制程气体的输送,均要求采
用SUS3l6材质的EP(Electronic Polishing)管材,
对于一般非制程气体的输送采用SUS3l6材质的BA
(Bright Annea1)管材。SUS3l6作为一种低含碳量
的不锈钢材料,它不仅具有抗腐蚀性好的优点,而
且对凹洞的抵抗性也很好。由于BA管的制作是经过
了溶解、压延(H Ot/C Old ROlling)、溶接
(Welding)、热处理(Hot treatment)、研磨(Polishing)
等复杂过程,其表面粗糙度R. 耋4.5 m。EP管材
除了表面研磨等过程外,再加以电解研磨及精密洗
净技术, 其R.,耋0.7 m【 。
气体管件在安装时,施工原则是应尽可能地以
连续式且无接口的方式进行,这样可以减少使用接
头的数量,降低潜在的气体泄漏风险。管件与管件
间的连接最好以轨道式焊接法(Orbital Welding)
来接合,对于不锈钢的焊接要采用氩弧焊,并向施
焊管内通入同等纯度的氩气,这样可以确保连接的
品质,并防止管件内壁因不当的焊接而沉积碳,从
而造成气体管件的污染。管件与各种配件之间的连
接必须以金属面对金属面密封(Metal to metal face
sea1)的方式进行。一般晶圆厂比较常用的气体管
路连接的接头方式有VCR和Swagelok两种,具体
选用形式应根据生产工艺对高纯度气体的用气要求
和气体本身特性进行选择。一般情况下,VCR式
的接头主要用在制程气体以及危险气体的传输上,
管路连接后接头里面的垫圈(Gasket)将会适度变
形以确保管路每秒低于l 0 C C的氦气泄漏率
(Leakage Rate) 。不过在接合时要避免因拴得
太紧而导致不锈钢垫圈过度变形造成接合不良或气
体外泄。Swagelok接头通常用在惰性气体、氮气
以及CDA等气体的传输上,因为这些气体可以容
许一定的外泄率,所以不常用成本较高且须焊接的
40 丰导体技术第30卷第8期
VCR式接头。总的来说,管件的安装原则是应尽
可能减少管件的长度、接头和阀件的数量,因为大
多数的危险气体的泄漏都发生在施工不当的接头和
阀件接合处。
5危险气体的特别事项
作为半导体晶圆代工厂气体的使用者,每一位
工作人员都应该在使用前对各种危险气体的安全数
据加以了解,并且应该知道如何应对这些气体外泄
时的紧急处理程序。
一般来讲,我们将有三重保障来防范万一有意
外发生的危险气体外泄进入到工作环境中。一个是
特种气体的气瓶以及全部经过正负压测漏的气体输
送管路; 第二个是持续不断的排气抽风系统
(EXhau St),管路节点如气瓶柜、VMB、工作
台等均具有很强排气抽风系统,以确保每一管路节
点外围都处于负压环境。若发生微量的有毒气体的
泄漏,排气抽风系统将第一时间抽出:另外一个
f 晏的足处J 抽JxL u或蚪境 · ,lfn,”} f1 侦测
系统,若发生任何有毒气体的泄漏将会被气体侦测
系统所侦测到,这个控制系统将根据气体外泄对人
体危害的大小来确定整个气体输送系统的相关互锁
动作,严重时紧急关闭上游所有气源, 同时会驱动
中央控制室和现场的相关报警系统LAU,甚至会驱
动全厂的自动语音广播系统通知立即疏散,要求相
关人员迅速撤离报警区域。因此只要工程技术人员
严格按照所制定的标准作业程序操作,所有这些安
全装置都将确保人员不会有安全上的顾虑。
另一方面,因为晶圆厂无尘室都是密闭作业环
境及回风系统设置,一旦发生危害将不易排险。所
以我们在使用这些有毒易爆性的气体时,必须非常
的小心,有以下几点需要特别注意:
(1)对于A SH 、PH 、B H SiH 等剧毒
气体的传输,需要采用同轴式管件。这种管件是由
两根大小不同的管件组成,里面的一条是用来传输
有毒或易爆气体的主要管路。外管则作为内管的保
护管路,并且内外管之问抽成真空负压状态。假如
内管因为某种因素破裂时,外泄的有毒气体会导致
内外管的压力上升并触发相应的报警,从而确保气
体管路外泄能得到及时有效的处理。
(下转第4 4页)
2005年8月
的光栅图形有利于进行二次外延,而矩形的光栅在
二次外延时容易引起缺陷。同时我们注意到,开始
腐蚀的时候,腐蚀深度随时间增加而加深,超过一
定时间以后,随着腐蚀时间的增加,深度反而变
浅,这是因为光刻胶掩模被钻蚀通,光刻胶不能很
好得起到保护作用,但是在制作一级和二级光栅的
时候, 腐蚀时间一般不会长到出现钻蚀的程度。
5 结论
本文研究了用湿法腐蚀InP衬底的制作光栅结
构, 经过对比得出, 在室温2 3℃ ,腐蚀液HB r:
HNO :H,O体积比为1:1:30时,可以有良好的腐蚀
速度,制出比较理想的正弦形光栅。对InP片子,
用该配比腐蚀,腐蚀时间为10s左右时,通过合适
的曝光剂量,可以得到良好的光栅图形。这对二次
外延制作DFB半导体激光器有非常重要的意义。
参考文献:
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[J]. 半导体情报, l 990,2 7(5):56— 5 8.
(收稿门期:2 0 0 4 0 9 l 7)
作者简介:
高丽艳(1 980一),女, 硕1:生,从事半导体光电的研究和DFB
半导体激光器的设计与制作:
陈国鹰(1 9 5 7一), 男. 博士, 教授. 博导. 河北工业人学信
息学院.致力于半导体光电的研究.担任河北省、火津市多个项目的土
研人,有数篇论文在重要刊物及国际会议发表. 曾获两项国家发明号
利:
花吉珍(1 965一), 男,硕上.高级I 程师 多年来 直从事激
光器的研究.完成多项新品研制和攻关项目, 在莺要期刊及国际会议发
表论文数篇。
(上接第4 0 页)
(2)由于SiH 气体的自燃性,一旦外泄将对
厂房和人员的生命财产安全造成极大的威胁。因
此,Sil1 气柜应处于与主体厂房分开的地方,而且
钢瓶阀要求使用气动阀,以确保钢瓶在紧急情况下
能够自动关闭。包含Sil 在内,CO,B,H ,PH ,
AsH ,SbH 等钢瓶内接头应安装限制流量孔。制
造商应依据SEMI s5提供流量计算。
(3)对于PH ,Sil ,B,H 等气柜还要装有
红外.紫外线(UV.IR)双重扫描的火花侦测器,
其光束应该覆盖所有可能泄漏的位置,而且其量程
设置应该侦测到比气体侦测器侦测范围更小的气体
泄漏,用以监控任何可能产生的火花并触发相应的
互锁, 以确保厂房及人员的安全。
(4)由于CIF 与水产生激烈反应而成爆炸性
物质,ClF 钢瓶不可安置洒水器。灭火装置应以
C0,方式为主。
6 结束语
半导体制造业被美国Factory Mutual System
44 半导体技术第30卷第8期
(FMS)列为”极高风险” 的行业。除了投资财务
上的风险外,其意外损失的风险,主要是因为它在
制程中要使用到极高毒性,腐蚀性及易燃性气体、液
体和大量可燃性塑材,再加上无尘室的密闭作业环
境及回风系统,所有这些因素都大大增加了半导体厂
房的风险。
参考文献:
[1] QUIRK M,SERDA J.半导体制造技术[M] 韩郑生译,
北京: 电子工业出版社,2 0 0 4.
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2003,(5).
(收稿日期:2 0 0 5 0 4 0 9)
作者简介:
彭志辉,上海交通大学微电子学院工程硕士生,中芯国际集成电路
制造(上海)有限公司厂务工程师:
黄其煜, 博士, 上海交通大学微电子学院研究生导师。
2005年8月
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