半導體生產廠房化學液集中供應系統設計

孫 敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

從半導體原材料到轉化為各式各樣的集成電路或者分立器件，其轉化過程利用了幾百種復雜程度不同的化學反應。毫無疑問，在半導體的制造工業中，需要大量的特殊材料和化學品。芯片制造首要是一種化學工藝，或者更準確地說，是一系列化學工藝，高達20%工藝步驟是清洗和晶圓表面的處理。近年來光電與光伏半導體工業發展迅速，相關的制程越來越復雜，線寬越來越窄，工藝要求也越來越高，生產過程需要使用大量的化學藥品，而這些化學品都具有一定危險性和腐蝕性，稍有疏忽，就會造成重大的人員傷亡和設備的損失，所以如何將這些化學品在保證品質的前提下安全輸送到制程設備上使用，如何將這些使用過的化學品合理地回收處理，將是半導體產業工廠生產安全的重要問題，這些都對工廠各系統的持續無故障運行能力以及所提供的制程相關原料品質提出了更高的要求。

1 化學液集中供應系統概述

在半導體產業化的生產中，化學液供應系統主要以中央供應系統為主，對于用量較少之化學液則采取人工供應方式。中央化學液供應系統縮寫為CDS（Center Chemical Dispense System）或者簡寫為BCD（Bulk Chemical Distribution），它是為生產線24 h 不間斷供應化學液的系統。一般使用CDS 系統的化學液都有需求量大，危險性高的特點。

1.1 系統供應目的

CDS 系統主要供應給以下的工藝步驟：

（1）光刻顯影制程需要的化學液顯影芯片圖案；

（2）晶圓清洗制程需要的化學液用以清洗芯片上的雜質、微粒子等；

（3）濕法刻蝕制程需要的化學液用以刻蝕芯片圖案；

（4）薄膜制備制程需要的化學氣相沉積前置反應物；

（5）化學機械拋光制程需要的化學液用以拋光芯片；

（6）研磨制程需要的化學液用以研磨芯片；

（7）清洗配件載體需要的化學液用以清洗制程設備零配件。

半導體各個制程中使用的工藝會對運輸到設備的化學液提出各種要求，其中對化學液的溫度、濃度、成分比例、狀態、反應或者混合時間、使用量的大小、流速等都有具體的要求，所以在運輸前、運輸中以及運輸后這些狀態是否要達到標準，是否會隨著運輸或者儲存時間狀態發生變化。這些因素決定了化學液注入最終使用設備是否能直接參與工藝使用。

1.2 集中供應系統化學液的分類和用途

在半導體生產過程中使用的化學液大概分成三類，酸、堿、有機物化學研磨液：

（1）酸。含有氫離子（H+）的液體叫做酸，包括HF、HNO3、H2SO4、王水和H3PO4等，以下是一些在半導體加工中常用的酸及其用途：

a）氫氟酸HF，是氟化氫的水溶液，無色透明液體，蒸汽有刺激臭味，劇毒。通過氫氟酸溶解二氧化硅這一特性來腐蝕玻璃、石英和硅片表面上的氧化層來達到刻蝕和清洗的目的。

b) 鹽酸HCL，是氯化氫氣體溶解于水制得的無色透明有刺激性氣味的液體，腐蝕性強，易揮發。鹽酸、雙氧水和去離子水組成SC2溶液。通過雙氧水氧化污染的金屬，而鹽酸與金屬離子生成可溶性的氯化物而溶解，最終達到去除金屬污染物的目的。

c) 硫酸H2SO4，無色無嗅的油狀液體。濃度95%～98%，相對體積質量為1.838 的硫酸為濃硫酸，氧化性強、吸水脫水性、腐蝕性強和高沸點難揮發性等。Piranha Clean 溶液由硫酸和雙氧水組成，通過硫酸及雙氧水的強氧化性和脫水性破壞有機物的碳氫鍵，去除有機不純物。

（2）堿。含有氫氧離子（OH-）的液體叫做堿，包括NH4OH、NaOH、KOH 和氫氧化四甲基銨，以下是一些在半導體加工中常用的堿及其用途：

a)氨水NH4OH。SC1 溶液是由氨水、雙氧水和去離子水組成。通過利用氨水的弱堿性活化硅晶圓及微粒子表面，使晶圓表面與微粒子間產生互相排斥作用，以達到去除微粒子的作用。并且氨水與部分過度金屬離子形成可溶性絡合物，去除金屬不溶物。具有氧化作用的雙氧水氧化晶圓表面的作用，然后氨水對硅氧化物進行微刻蝕，去除顆粒。

b)氫氧化鉀KOH，溶有硅土（Silica，SiO2）的氫氧化鉀溶液或者氨水溶液，使用在化學機械拋光制程中，是一種界電層平坦化研磨液，還是組成光刻后顯影液的一種成分。

（3）有機溶劑，包含異丙醇、NMP、乙醇、顯影液、光刻膠稀釋劑等等。以下是一些在半導體加工中常用的有機溶劑及其用途：

a)異丙醇，行業中稱為IPA，無色透明液體，氣味和乙醇類似，易燃易爆易揮發，有中度毒性。常利用IPA 和水互溶的特性作為晶圓的干燥劑。

b)丙酮，無色刺激性氣味液體，易燃，中毒毒性，腐蝕性強。常用于黃光室里正光阻的清洗去除。

常用化學液的主要危害性見表1。

表1 半導體制造工藝常用化學藥液危害性表

2 化學液集中供應系統的流程及構成

在半導體生產工廠中使用的中央化學藥液供應系統可以根據機臺的不同有兩種分類，一種是單純的藥液供應系統（Supply System）：將化學液自儲存設備，利用供酸機臺及管路供應給制程機臺使用。另一種是具有混合、加熱或者攪拌等功能的功能系統(Functional System)：將藥液從儲存設備，先經過稀釋混合、加熱、冷卻或者攪拌沉淀的功能之后，再供應給制程機臺使用。具體使用哪種供液方式，取決于機臺的功能以及工藝上的要求。

2.1 中央供藥液基本要求

不同系統會有不同的要求，但是大部分的供液系統有相同基本的要求：

（1）操作安全性，能耐腐蝕、耐壓力、防爆等；

（2）化學液零污染，要求系統中與化學液接觸部分完全與化學液兼容，不會產生反應或者溶解；

（3）微粒子控制，藥液因為溫度壓力可能會產生微粒，需要用過濾器循環過濾；

（4）流量要求，各個機臺需要的流量不同，整個供液系統需要滿足最高的流量要求；

（5）泄露報警，如果系統中有泄露的地方，需要立即發出警報，在界面中顯示出泄露大概區域，并且暫停這一部分的供液功能，關閉相關部分的閥門和動力系統，使得故障能迅速恢復，將損失降到最低。把信息結果匯入故障診斷系統；

（6）取樣分析，各段供應的化學液需要進行自動取樣分析，根據需要分析系統和管路中帶入的粒子以及金屬離子。把結果匯入故障診斷系統；

（7）自動控制運轉，系統和各個機臺的交互運行能夠進行自動控制，提供運行監控界面，顯示實時系統狀態，其中包括泵、過濾系統、壓力容器等的各種參數，如果一旦有參數超出正常范圍，進行自動調節之后將進行報警，將信息匯入故障診斷系統；

（8）自動的維護保養系統功能，能夠在系統閑時，根據具體情況，定期對系統管路進行保養維護以及清潔，延長整個系統的使用，提高系統的安全性；

（9）化學液用量的統計，能根據人為控制或者自動結算監控，及時調整藥液供應時間和頻率，使得藥液供應能及時補充生產，不成為整個生產的瓶頸；

（10）系統自動故障診斷，根據前面提及的各個控制系統匯總的故障信息，自動診斷故障點或者可能發生故障點的相關度，最大化的縮短故障排除時間。

2.2 系統設備使用材料

系統中設備容器及管路使用的材料如表2所示。

2.3 中央集中供藥液方式

首先根據藥液使用量的大小選擇藥液的供應容器，如果使用量很大，比如在多個清洗步驟中都會使用到的強氧化劑H2O2以及強酸濃硫酸H2SO4，就使用槽車供應先到化學液充填站，再使用氮氣加壓輸送至大于10 m3的存儲罐中。使用量中等或者少量的化學液例如HF 以及顯影液等，則使用便攜式可移動的容器來輸送到主管路。經過過濾系統的化學液則通過N2或者泵分別輸入各個三通閥箱。

表2 系統設備容器及管路使用材料表

化學液的驅動方式有兩種，一種是泵傳輸，另一種是使用N2產生壓力輸送。其中常用于半導體中央供藥液的泵也有很多種類，其中因為驅動方式的不同可以分為氣動泵、電動泵和磁力泵等，其中氣動泵成本經濟，并且可使用耐腐蝕材料制造，輸送一些酸性藥液。磁力泵密封性很好，可以做到完全不泄露，動力輸入和輸出可以完全零摩擦，降低能耗。電機驅動的泵可以做到很精確的閉環控制，已達到最終的高精度輸出。而N2壓力輸送，常用在一些藥液黏度大，用量精度高、揮發性強以及燃點低的情況下。

2.4 化學液集中供應系統控制流程

圖1是中央集中供液的總體流程示意圖。藥液會根據使用量的大小采取不同的供應容器，通過化學液過濾系統CDU 過濾不符合要求的微粒子，再通過三通閥箱Tee Box 閥箱以及分支閥箱VMB 供應到各個機臺，其中在各段不同點需要有化學液采樣分析盒Sampling Box，最終的分析信息需要匯總到總控制臺的故障診斷系統。

圖2為單路多反饋控制流程圖。具體到單路的控制流程里，主管路將溶液供應到CDU 過濾系統，當化學液中的微粒尺寸和數量滿足要求之后，會將電信號反饋給OCP 即運算處理器。當機臺發出需求信號時，OCP 判斷CDU 信號，如果滿足要求OCP 將控制信號通過HUB 放大信號之后發送給VMB 分支閥箱，這時過濾好的藥液就會通過三通閥箱以及分支閥箱供應給機臺。如果機臺、閥箱以及過濾系統有漏液、堵塞以及完成等狀態，信號會被反饋給OCP，OCP 將處理當前狀態，關閉執行單元，并且將信號通過HUB 發送到系統數據監控和采集系統SCADA System，相應發出警示或者警報。

在一些清洗或者刻蝕工藝中，有些機臺使用的是不同化學液的混合物，需要根據一定的體積或者質量比例進行配液。機臺可能會在工藝槽中直接配液，或者有配液槽進行提前配液以及其它的預備功能，比如加熱、攪拌反應或者冷卻降溫等。現在通常使用的都是將質量比例換算成體積比例進行配比。精度要求不高的，并且混合后體積不會有很大變化的混液過程，可以通過混液槽里使用液位傳感器進行體積控制。精度要求高的使用流量傳感器來測量流過的液體體積。為了達到較高的精度要求，傳感器則需要安裝在距離配液容器進口處。圖3為帶混液槽的化學液部分系統示意圖。

圖1 中央集中供化學液流程示意圖

圖4 有混液槽的化學藥液系統示意圖

2.5 化學液集中供應安全防護系統

化學液輸送系統需要以下安全裝置：

（1）設置溢出流量閥或者開關（Excess Valve/Switch）以及相應排放管道，用于在系統中由于某些故障造成的輸送無法停止、泄露以及腐蝕等等緊急情況下，化學液的排放溢出。

（2）泄露相關安全保護，其中包括檢測化學液泄露的傳感器。這類傳感器有耐腐蝕性，能夠保證長時間的檢測壽命。可根據具體化學液的性質進行類型選擇，如果有導電性，可選擇導線式傳感器，可根據不同點之間電阻值得變化檢測到泄露以及泄露位置。如果無導電性，可選擇光電式傳感器，可避免化學液接觸導致的腐蝕。除了選擇檢測傳感器，還需要有泄露二次圍堵和排放功能，以免泄露造成污染腐蝕等引起的二次危險與損失。

（3）各段化學液供應源處安裝手動開關，在遇有緊急情況時可切斷化學液供應或者分流，以保證需要保護的裝備切斷或者減少化學液進入。

（4）化學液桶、槽和柜進行填充時，需要有液位傳感器或者壓力傳感器，實時監測化學液液位及壓力，如果超過一定值時供應必須自動停止。

（5）易燃易爆化學液輸送系統應該配有滅火裝置，使用火焰、溫度或者煙霧傳感器監測，一旦發生險情，必須能進行有效的滅火并且有聲光報警，以及遠程報警信號傳輸。

3 結束語

半導體生產廠房化學液供應系統，向來是半導體生產的重要環節，其設計結果是否正確關系到整個生產環境的安全，所以在設計規劃時，需要有完整而細致的目的要求，以及嚴謹而全面的解決方案。本文根據半導體生產的目的、化學液特性與用途，提出了常用化學液集中供應的基本要求，從而得出半導體廠房中央化學液集中供應的系統設計。系統設計包括系統類型、基本構成、控制流程以及安全技術措施等，以供此系統具體設計和優化時參考和查閱。

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