半导体工厂大宗气体系统的设计 搞要本文对集成电路芯片厂中的大宗气体系统的设计过程作了概括性的描述，对当前气体设计技术及其发展方向作了探讨，同时结合自己对多个FAB厂房的设计经验提出了设计中值得注意的问题和解决方案。This paper introduces a general design process for Bulk Gas Systemin gas design technology and its development directionare also on the author抯 experience in FABdesign,several potential problems in design and relevant solutionsare issued.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（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（GasYard），而气体的纯化则往往在生产厂房内专门的纯化间（PurifierRoom ）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:）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（Bu ndle）即可满足生产要求。如 用气量较大，则可采用 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， TubeTrailer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。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200mn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( purifierRoom)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 卩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。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 SCAD（A SupervisoryControl and Date Acquisition）系统。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。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。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（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。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）, 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