面向外延工廠的特殊氣體管理系統設計與應用

肖 健 周德兵 任 凱 馬利行

（南京國盛電子有限公司，江蘇 南京211111）

最近三十年，我國半導體產業飛速發展。隨著半導體工藝技術的不斷進步，硅片面積不斷增大，集成電路的單位成本和價格不斷降低，但投入成本卻持續增加。在硅外延生產中，特殊氣體作為關鍵輔料，品質高低直接影響產品質量，其供應出現任何問題都會對企業造成極大損失。同時，特殊氣體一般是有毒、易腐蝕、易燃易爆等危險氣體，其管理特殊性直接關系人員安全和工廠安全。

目前國內外先進半導體制造工廠大多實現了自動化智能化生產[1-3]。外延行業對特殊氣體的管理研究仍處在起步階段。隨著客戶對產品質量要求不斷提高，企業對安全生產意識不斷增強，必須加快推進特殊氣體管理信息化建設，通過設備互聯，共享信息資源，保障產品質量，助力安全生產，提高企業在市場經濟下的競爭能力[4-5]。

1 特殊氣體管理系統設計

1.1 功能需求分析

隨著特殊氣體管控技術的不斷改進和提高，氣柜向連續化、精密化和智能化發展。但每一套氣柜都是獨立的信息孤島，無法滿足企業信息化建設要求。圖1 為外延工廠典型的特殊氣體供應示意圖，特殊氣體采用氣體鋼瓶供氣，從供氣柜輸出，進入檢測柜實時監測氣體品質。檢測合格后，再進入分配柜，按需求供應給不同的外延設備使用。氣柜排風處安裝特殊氣體泄露偵測器，實時探測環境中特殊氣體濃度[6-7]。

分析企業特殊氣體管理現狀，就打破信息孤島、實現數據融合和大數據系統建設，提出以下需求：

（1）實時監控，動態管理

特殊氣體氣柜運行參數實時顯示，工程師在監控界面能夠及時掌握特殊氣體供氣狀態，基于氣柜實時狀態進行動態管理。

（2）雜質檢測，品質保證

實時檢測特殊氣體中雜質含量，發現存在品質問題，第一時間將異常信息反饋給質量管控工程師，防止批量性產品質量問題的發生。

（3）泄露探測，安全生產

圖1 特殊氣體供應示意圖

圖2 系統架構設計圖

安裝特殊氣體泄露傳感器，當監測到環境中特殊氣體濃度變化，根據危害程度，切斷供應系統，隔離危險地區，中斷生產工藝制程以及啟動相關的連鎖設備，將氣體泄露的危害程度降到最低，

基于以上三點功能需求，設計項目系統架構和網絡拓撲結構。

1.2 系統架構設計

系統架構設計是整個信息化監控系統開發的基礎，項目選擇面向對象的客戶端/服務器系統架構，這種架構體系的管理系統將數據庫、邏輯層和應用層相分離，同時面向對象的可擴展性和可維護性更方便工程技術人員使用。系統架構由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成，如圖2 所示。

1.3 系統網絡拓撲結構設計

系統拓撲結構采用總線型結構設計，如圖3 所示。以PLC 為工作核心，實時采集所有特殊氣體供氣氣柜、質量分析儀器、特殊氣體泄露偵測器的運行參數，通過TCP/IP 通訊協議，將數據傳輸至服務器進行管理，建立統一規則的數據中心，同時服務器根據實際生產管理中不同場景的使用需求，對數據進行定制化處理，滿足不同崗位工程師對特殊氣體管理的不同要求，數據最終以報表，圖表等形式在電腦上進行展示。工程師根據圖表曲線進行更有針對性的管理。

2 功能模塊的設計與實現

功能模塊是指特殊氣體管理系統中獨立的程序單元，不同的功能模塊組成一個高效的特殊氣體管理體系，通過采集、存儲、處理、分析各種設備參數數據，幫助工程師做出及時有針對性的決策。為滿足企業生產運行中特殊氣體管理需求，項目設計了特氣監控模塊、質量管理模塊和安全生產模塊，如圖4 所示。

圖3 系統網絡拓撲結構設計圖

圖4 特殊氣體管理系統首頁

2.1 特氣監控模塊

隨著客戶對產品要求的不斷提高，企業對特殊氣體管理的要求也不斷增加，為了能夠監控特殊氣體供氣狀態，需要從供氣氣柜端獲取其運行數據并進行分析，小尺寸外延工廠特殊氣體管理模式是依靠人工一臺一臺對氣柜的運行參數進行抄錄，參數抄錄頻次按重要性分為一天、一周、一月和一年，這種管理模式發現問題的及時有效性無法保障，同時勞動量極大。針對以上需求，特氣監控模塊需要實現一個直觀、方便的監控方式，使每臺特殊氣體氣柜的工作狀態都能實時的被監控，方便工程師判斷特殊氣體供氣狀態。圖5 為摻雜供氣氣柜參數實時監控界面。

監控界面中間區域顯示摻雜供氣系統盤面各閥門狀態、壓力傳感器讀數。兩側為該系統的模式燈和狀態燈，工程師通過模式燈和狀態燈第一時間直觀的了解氣柜運行狀態，出現異常后能快速有針對性的安排人員進行維修。通過底部切換按鈕可以實現不同供氣界面的切換。

2.2 質量管理模塊

隨著高純氣體制程技術的推進，針對半導體氣體的高純度特性，發展的極微量分析技術也日趨完備，對于高純氣體可作離線或在線檢測，檢測極限可達到ppb 甚至ppt 的水準。主要分析方法包括氣象色譜分析法（Gas Chromatography）、氧氣分析儀（Trace Oxygen Analyzer）、水分分析儀（Mositure Analyzer）、大氣壓離子化質譜儀（API-MS）和顆粒儀（Particle Counter）。根據不同的使用需求，在特殊氣體輸送管路中會設置一種或多種檢測儀器，保障特殊氣體品質要求[8]。圖6 為HCL 氣體中水分含量監控界面。

水分含量是影響氣體純度的一個重要因素，大多數氣體中含有微量水，水在高溫下，會使晶片、芯片發生氧化反應，在硅晶片中生成無定形SiO2，在外延過程會起到雜質聚集作用，造成晶格缺陷。監控界面上半部分為模式、設置、趨勢顯示等功能按鈕，中間區域顯示HCL 中實時水分含量，下端為狀態燈，質量管控工程師可以設置預警和報警限，當水分含量大于設置限時會觸發報警，通知工程師檢查維修，預防產品質量問題的發生。

2.3 安全生產模塊

在半導體晶圓工廠內，因為工藝制程需求的不同，會使用到很多危險性氣體，一旦發生氣體泄露，不但會給企業造成巨大的經濟損失，同時對人體也會造成極大的傷害。在硅外延生產過程中，使用的特殊氣體一般具有易燃性、毒性、腐蝕性，因此氣體泄露偵測器在安全生產監控系統上擔任著非常重要的角色[9-11]。圖7 為摻雜泄漏偵測監控界面。

一旦探測到氣體泄漏，報警監控界面可以準確的顯示泄露發生的地點，根據氣體外泄的危害大小來確定整個氣體輸送系統的相關互鎖動作。嚴重時緊急關閉上游所有氣源，隔離危險地區，同時會驅動中央控制室和現場的相關報警系統，中斷生產工藝制程以及啟動相關的連鎖設備，將氣體泄露的危害程度降到最低。

3 結論

本文分析企業特殊氣體管理現狀和需求，設計了以PLC 為數據交互核心，面向對象的客戶端/服務器系統架構。開發了特氣監控模塊、質量管理模塊和安全生產模塊。通過實時采集供氣氣柜、質量分析儀器、氣體泄露偵測器的運行參數，建立統一規則的數據中心，工程師可以及時掌握特殊氣體供氣狀態，發現潛在風險，保障產品質量。

圖5 摻雜供氣氣柜實時監控界面

圖6 HCL 水分儀監控界面

圖7 摻雜泄漏偵測監控界面