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日志

 
 

半导体工厂(FAB)大宗气体系统(Gas Yard)的设计  

2011-05-03 15:56:56|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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SAESTaiyoToyoJPCATTO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,N2O2纯化器较多采用触媒吸附式,ArH2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0.1μm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COCO2THC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SCADASupervisory
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ab均在该支管的最远端,因此无法作简化。即使cd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ef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Ramax3-6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,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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