半导体代工厂的特气供应系统探讨

半导体代工厂的特气供应系统探讨摘要：对在半导体晶圆代工厂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(BulkGas)和特种气体(SpecialGas)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PO2,PAr,PH2,PHe，以及非制程用气如CDA,IA,GN2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ClF3,干层刻蚀时常用的CF4,CHF3与SF6等，以及离子注入法作为n型硅片离子注入磷源、砷源的PH3和AsH3等［1］。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1，可分为五大类［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SiH4气体只要与空气接触就会燃烧，当环境温度达到一定时，PH3与B2H6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B2H6的爆炸上限为98%,爆炸下限为0.9%。属于易燃气体有H2,NH3,PH3,DCS,ClF3毒性气体(ToxicGas):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AsH3,B2H6,PH3等气体的毒性最大，它们的阈限值TLV(ThresholdLimitedValve)分别只有50X10-9,100X10-9,300X10-9。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。NO,C4F6,C5F8,NF3,CH3F等都属于毒性气体。腐蚀性气体(CorrosiveGas):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HCl,HF,PCl3,SiF4,ClF3,WF6等。惰性气体(InertGas)：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。但惰性气体具有窒息特性，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C2F6,CF4,SF6,CHF3等。氧化性气体(OxideGas):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ClF3,Cl2,NF3等。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厂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。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(CentralScrubber),以确保工作环境的安全。特种气体从气瓶GC(GasCylinder)出发先经过各种阀、配件以及压力调节器(PressureGegulator)等，由特殊气体输送管道供应到位于厂房二楼Sub-Fab的多个阀分配柜VMB(ValveManifoldBox)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LocalScrubber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(StainlessSteel)，铁氟隆(Teflon)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(ProcessGas)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(X10-9级)制程气体的输送，均要求采用SUS316材质的EP(ElectronicPolishing)管材，对于一般非制程气体的输送采用SUS316材质的BA(BrightAnneal)管材。SUS316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(Hot/ColdRolling)、溶接(Welding)、热处理(Hottreatment)、研磨(Polishing)等复杂过程，其表面粗糙度Rmax=4.5mmoEP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RmaxM0.7mm[3]。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(OrbitalWelding)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(Metaltometalfaceseal)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10-9cc的氦气泄漏率（LeakageRate）［4］。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（Exhaust），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；另外一个很重要的是处于抽风口或环境点的毒性气体侦测器系统，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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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AsH3、PH3、B2H6、SiH4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，并且内外管之间抽成真空负压状态。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。（2）由于SiH4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，SiH4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SiH4在内，CO,B2H6,PH3,AsH3,SbH3等钢瓶内接头应安装限制流量孔。制造商应依据SEMIS5提供流量计算。对于PH3，SiH4，B2H6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。由于ClF3与水产生激烈反应而成爆炸性物质，ClF3钢瓶不可安置洒水器。灭火装置应以CO2方式为主。6结束语半导体制造业被美国FactoryMutualSystem(FMS)列为”极高风险”的彳亍业。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。