芯片制造設備優化作業在節能領域中精益生產應用研究

宋英華

（中芯國際集成電路制造（天津）有限公司天津300385）

芯片制造設備優化作業在節能領域中精益生產應用研究

宋英華

（中芯國際集成電路制造（天津）有限公司天津300385）

半導體芯片制造業會使用多種危險化學品，設備反應腔內部在生產中會附著各類化學品和反應副產物。設備反應腔維護保養時，會首先進行反應腔抽真空和充氮氣吹掃來降低有害氣體濃度。根據行業經驗，芯片制造設備規定了不同的參考吹掃次數。本文針對半導體蝕刻區域的四類設備通過現場檢測的方法適當減少反應腔吹掃次數。在工廠產能一定的情況下，減少反應腔吹掃次數可節約維護保養所需時間，等效增加產量，從而提高經濟效益。同時,減少設備吹掃次數,可以節約大量高純氮氣和電能,產生相應的環保效益。

芯片制造；吹掃；優化；節能

半導體芯片制造行業工藝和技術復雜，使用到大量有毒、易燃易爆、腐蝕性的化學品原物料。由于芯片制造的生產過程對環境和設備潔凈度有非常嚴格的要求，所以對于生產設備的各項定期保養都制定嚴格的程序。根據標準工作程序，在設備反應腔體開啟之前，會利用真空泵對反應腔體進行數十次到數百次的循環抽真空和氮氣吹掃，以降低開啟反應腔體瞬間腔體內有害物質的溢散濃度。本文主要通過對不同吹掃次數下的有害氣體濃度監測，評估合理的吹掃次數，并對其優化可行性及其效益分析。

1　芯片制造設備預防保養的吹掃流程

半導體芯片制造工藝復雜，其主要的工序包括清洗、擴散、光刻、化學氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、蝕刻、化學機械研磨等。半導體芯片制造的每個各個工序都會使用到多種危險性化學品。在整個工藝過程中，設備反應腔和管道內部會附著各類危險化學品和反應副產物，需定期對這些附著物進行清理，對設備反應腔進行維護保養，防止影響工藝流程。如果直接打開反應腔，則內部的化學品會散逸到環境中，對周圍人員造成傷害。為防止這種情況，各類設備反應腔打開前都會反復進行氮氣吹掃，即首先用真空泵將反應腔內抽真空，然后充入氮氣到常壓，然后再抽真空，再充入氮氣，反復循環。經過這一過程，反應腔內可揮發的各類危險性物質基本可吹掃干凈。

對于不同工藝流程的設備，反應腔開啟前需進行的吹掃次數是不同的，具體次數由數十次到上百次不等。設備的吹掃次數是設備廠商依據設備類型、使用氣體并結合行業經驗等提供的參考值。但對于不同吹掃次數下的反應腔內危害氣體濃度并沒有深入研究。本文即使用氣體偵測器測試在不同吹掃次數下反應腔內的氣體濃度，進而評估在保證人員安全的情況下，制定合理的吹掃次數。

2　吹掃次數優化方案

本文研究針對芯片制造蝕刻區的設備，利用手提式氣體偵測器對不同吹掃次數下的反應腔內氣體濃度進行檢測，使生產機臺的預防保養時間與人員暴露風險取得一個可接受的平衡點，并計算在不影響作業人員健康的前提下可能獲得的多余芯片產出及等效經濟與環保效益。

蝕刻區域的設備根據其工藝可分為金屬蝕刻機臺、氧化層蝕刻機臺和多晶硅蝕刻機臺。分別針對以上三個區域不同機臺。金屬蝕刻的機臺分別為Lam（科林）和AMAT（應用材料），其標志性氣體為HCl（氯化氫）；氧化層蝕刻和多晶硅蝕刻機臺都為Lam（科林），標志性氣體分別為HF（氟化氫）和HBr（溴化氫）。根據操作經驗，反應腔開啟前，Lam設備的吹掃次數為120次[1]，AMAT設備的吹掃次數為60次[2]。

工作人員使用手提式氣體偵測器，對上述的設備和氣體在不同的吹掃次數下進行檢測，得到各標志氣體在不同吹掃次數下的濃度，其具體濃度值如表1。

表1　蝕刻機臺在不同吹掃次數下的危險氣體濃度

所監測的三種危害性氣體在工作場所的容許濃度分別為HCl：5ppm；HF：2.4ppm；HBr：3ppm。對照表1，可得出使得三種危害性氣體濃度低于容許濃度的最低吹掃次數分別為HCl:30次（Lam）和5次（AMAT）；HBr:40次；HF:40次。

根據現場檢測結果，使有害氣體濃度低于容許濃度的吹掃次數遠小于設備經驗吹掃次數，即在此吹掃次數下，反應腔打開時其濃度已處于對人體無害范圍。另外，反應腔內氣體濃度低于氣體偵測器下限的吹掃次數同樣遠小于標準吹掃次數。因此，根據檢測結果，適當減少反應腔開啟前的吹掃次數是完全可行的，不會對人體造成傷害。

在自行試驗結果采集的基礎上,請國家有資質的認證監測機構進行復核檢測，檢測結果如表2顯示。因為檢測方法與機理的不同(自測采用電化學法,外測采用分光法)數值略有偏差,但總體結果無明顯影響。為節約時間,根據表2結果直接從中間段開始。

表2　蝕刻機臺外部資質單位檢測結果

基于上述檢測結果，并考慮到安全管理的保守性原則，將上述LAM和AMAT設備的吹掃次數分別減少20次和10次，是完全可行的。此時，使用手提式氣體偵測器檢測到的殘留氣體濃度均為ND（未檢出），如表3。

表3　建議吹掃次數

蝕刻區Lam和AMAT機臺每吹掃一次所用時間約為1min，如果按照表3中的建議次數進行吹掃，Lam機臺每次保養可節約20 min，AMAT機臺每次保養可節約10min，節約的這些時間均可轉化為機臺產量，則反應腔每次保養所節約的時間，具有一定的等效經濟效益。同時,減少吹掃而節約下了大量的高純氮氣及電能,也會產生節能環保效益.因此，維護過程中適當減少腔體吹掃次數，不會對人體健康造成危害，還能節約時間，產生經濟與節能環保效益。

3　結語

常操作中，直接接觸這些化學品的機會主要是設備反應腔的定期維護保養作業。但由于設備反應腔在開啟前會反復進行抽真空和充氮氣吹掃，可將反應腔開啟后的有害氣體濃度控制在對人體無害范圍內，保證人員安全。本文使用手提式氣體偵測器，檢測了在不同的吹掃次數下反應腔內的有害氣體濃度，對抽真空和氮氣吹掃操作的有效性進行了驗證，然后根據檢測數據和安全保守型原則，得出可適當減少吹掃次數的結論，并計算了由此節約的保養時間可產生的經濟與節能環保效益。

本文的研究主要針對蝕刻區域的四類生產設備，半導體工序的其它區域的其它類型設備，還需進一步的實驗驗證。另外，雖然根據檢測結果，適當減少吹掃次數以后殘留的有害氣體不會對人體造成危害，但由于半導體生產車間內是高度潔凈環境，殘留的痕量有害氣體是否會對結晶環境造成不利影響，也同樣需要進一步實驗驗證。

[1]Performing a Chamber Wet Clean,and Quarterly/Annually Preventive Maintence for the 2300 Versys,Metal HP,and Metal W Process Modules.202-803236-002-C:13.

[2]Dielectric Etch eMax 300mm Centura AP Operations and ProgrammingManual,Version 001:2002 October:291.