關于半導體、平板顯示行業特氣系統構筑的要點分析

周莉

（南京京東方顯示技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

曾經中國電子領域科技之痛是“缺芯少屏”。經過十多年飛速發展，中國已經成為全世界最大的顯示屏生產大國。集成電路產業以其重要的戰略地位逐漸成為國際競爭的主戰場。一方面集成電路技術創新發展步入新階段，為我國集成電路產業帶來難得的發展機遇；另一方面中美高科技博弈逐漸成為中美經貿摩擦的焦點，我國必須盡快實現關鍵產品的自主可控。因此未來五年是我國集成電路產業進入高質量發展快車道的關鍵時期[2]。特氣在光電行業中應用廣泛，在芯片制造行業其種類多、用量小，平板顯示行業種類少、用量大，系統需要根據不同制造領域使用特征進行有針對性設計。

2 特氣供應系統設計

特氣系統供應能力的設計需要從供氣設備的規格、設備臺數、主管道尺寸三方面來考慮。

2.1 集成電路特氣系統供應能力的確定

在目前工藝技術較為先進的半導體晶圓代工廠的制造過程中，全部工藝步驟超過450 道，其中大約要使用50 種不同種類的氣體[3]。總體可按用量大小、不同性質分類設計規劃，通過調研多個8～12 寸集成電路工廠運行實績，了解各制程設備用氣機制，總結如下經驗：

2.1.1 集成電路用量大的氣體主要有：NF3（三氟化氮）、SiH4（硅烷）、N2O（笑氣）、NH3（氨氣）、SF6（六氟化硫）、CF4（四氟化碳）、4%H2/N2（氫氮混合氣）。通過調研國內外集成電路工廠生產實績，這些氣體的需求流量較大，因此建議供氣設備形式為BSGS(大流量供應氣柜)。

2.1.2 集成電路用量小的氣體對供應氣柜的設計流量要求不高，供氣設備的類型選擇Gas Cabinet（氣瓶柜，Toxic Gas 危害性氣體選擇）或Gas Rack（氣瓶架，Non-Toxic Gas 無危害性氣體選擇）即可滿足需求。

2.2 平板顯示特氣系統供應能力的確定

平板顯示主要細分為TFT-LCD、AMOLED 領域，未來為了滿足4K/8K 超高清、柔性顯示需求，高世代TFT（特別是金屬氧化物顯示技術）、G6 代及以上AMOLED 是未來重點投資建設方向。

2.2.1 高世代TFT-LCD 顯示

高世代TFT-LCD 使用的特氣有：SiH4（硅烷）、NH3(氨氣)、NF3(三氟化氮)、Cl2（氯氣）、N2O(笑氣)、H2(氫氣)、SF6(六氟化硫)、1%PH3/H2(磷烷混氫氣)等。各個氣體的設計供應流量大小可以按照UM 流量乘以同時使用系數來確定，經驗總結如下：

2.2.1.1 SiH4（硅烷）、NF3（三氟化氮）、N2O（笑氣）、H2（氫氣）、1%PH3/H2（磷烷混氫）、NH3(氨氣)這些CVD（氣相沉積鍍膜）使用的氣體，因為同時用氣腔室數不超過3 個，通常建議按照UM Total Peak Flow 的65%～75%設計系統供應能力；如國內某高世代IGZO-TFT 工廠選擇的使用系數為70%。

2.2.1.2 Cl2（氯氣）、CHF3（三氟甲烷）、SF6（六氟化硫）這些Dry Etch（干刻蝕）使用的氣體，依照經驗通常建議按照UM Total Peak 的50%～60%規劃。如國內某高世代IGZO-TFT 工廠選擇的使用系數為55%。

2.2.2 AMOLED 顯示

AMOLED 顯示使用的特氣有：SiH4（硅烷）、NH3(氨氣)、NF3(三氟化氮)、Cl2（氯氣）、N2O(笑氣)、H2(氫氣)、SF6(六氟化硫)、20%PH3/H2(磷烷混氫氣)、C2HF5(五氟乙烷)、BCl3（三氯化硼）、4.5%HCl/H2/Ne（氯化氫混氫混氦）、100ppm H2/Ne（氫氦混合氣）、Xe（氙氣）、P-He（制程用高純氦氣）、P-CO2(制程用二氧化碳)、BF3(三氟化硼)、5%B2H6/H2(乙硼烷混氫)、5%TMB/H2(三甲基硼混氫)等。下面通過區分具體制程設備進行分析：

2.2.2.1 SiH4（硅烷）、NH3(氨氣)、NF3(三氟化氮)、N2O(笑氣)、H2(氫氣) 這些CVD(氣相沉積鍍膜)、EVA（封裝鍍膜）設備使用的氣體，用氣量大、流量多，建議供氣設備選擇BSGS，使用系數要略低于高世代TFT-LCD 的特氣系統，通常建議取55%～65%，如國內某AMOLED 工廠選擇的系數為60%。

2.2.2.2 Cl2（氯氣）、SF6(六氟化硫)、C2HF5(五氟乙烷)、P-CO2(制程用二氧化碳)等Dry Etch（干刻蝕）設備使用的氣體，用氣量略少、流量略低，建議供氣設備也還需要選擇BSGS，使用系數比上述CVD 和EVA（封裝鍍膜）略低，通常建議取40%～50%，如國內某AMOLED 工廠選擇的系數為45%。

2.2.2.3 ELA（準分子退火）設備使用的氣體4.5%HCl/0.9%H2/Ne（氯化氫混氫混氦）、100ppm H2/Ne（氫氦混合氣）、Xe（氙氣）、P-He（制程用高純氦氣），由于制程設備要求供應距離不大于30 米（供氣純度極度苛刻）、用氣需求流量不大，建議直接選擇Gas Cabinet（氣瓶柜）在Sub-Fab（潔凈室下夾層）本地供應。Gas Cabinet（氣瓶柜）的設計供應流量應滿足制程設備單點峰值流量需求（特殊的用氣機制：每日在極短時間瞬時用氣，其它時間不用氣）。

2.2.2.4 BCl3由于是低蒸汽壓狀態，對加熱系統、供應穩定性安全性要求極其嚴格。如果采用Y 瓶+BSGS 遠距離供應，后期運行容易導致管道堵塞、壓力不足、品質異常等問題，為確保供應的安全性和穩定性，建議直接在Sub-Fab 用Gas Cabinet（氣瓶柜）進行點對點單腔室供應，Gas Cabinet（氣瓶柜）的供應能力滿足單腔室流量需求即可。

2.2.2.5 20%PH3/H2(磷烷混氫氣)、5%B2H6/H2(乙硼烷混氫)、5%TMB/H2(三甲基硼混氫) 、BF3(三氟化硼)這些氣體應用于一些特殊工藝制程設備，用氣量和供應流量需求均不是很大，一般Gas Cabinet（氣瓶柜）的供應能力足以滿足生產需求。

2.3 特氣系統供應管徑的確定

由于供應的氣體性質有自燃性、易燃性、強腐蝕性、壓縮氣體、低壓蒸汽等，需合理控制氣體的供應流速，才能確保安全穩定供應，因此管徑選擇可參考表1。

表1 不同性質氣體供應流速參考表

由于供應的特氣種類較多，特定特殊氣體的流量與管徑的關系目前研究還存在較多不足，特氣系統建設方人員不能準確計算，推薦簡便計算方法如下：

根據空氣流量對應管徑的關系（表2），能快速得出介質為空氣的管道直徑，考慮到供應氣體的特性、安全冗余，將上述管徑放大一個規格，以此確定特氣管道直徑。

表2 介質為空氣的管道流量與管徑的對照表

3 特氣站的空間規劃

3.1 特氣容器包裝形式的確定

特氣容器包裝形式的選定需要從特氣供應流量、氣體包裝量、更換頻率、物流納期等統籌考慮，通常氣體更換作業用時為兩日（氣體下線→氣體待命上線），同時應盡可能減少氣體更換頻率，降低頻繁更換氣體帶來的安全風險，因此建議系統設計時需要選擇單瓶使用時長超過兩日以上的容器。

3.2 特氣站房布局

集成電路、平板顯示使用的用量大的氣體，其容器包裝形式以Y-Cylinder（470L 臥式氣瓶）或Tube Trailer（管束車）為主，其中SiH4（硅烷）需按照國家標準獨立建站，其它氣體可按照性質設置在特氣站。為減少運行時人員接觸泄漏氣體的風險，較好的保護供氣設備，建議將特氣站規劃為上中下三部分，中央部分為供氣設備和點檢通道，上部為槽車/管束車供應間，下部為Y 瓶或47L 氣瓶供應間，如圖1。

圖1 典型的特氣站布局示意圖

3.3 生產輔房特氣供應間布局

集成電路工廠特氣系統中用量小但種類繁多的氣體，需按照氣體性質規劃特殊可燃氣體供應間、易燃易爆氣體供應間、毒性/腐蝕性氣體供應間、惰性氣體供應間、Sub-Fab（潔凈室下夾層）本地供應五類供應區間。

3.4 其它容易忽略的設計細節

3.4.1 特氣站房宜設置叉車充電間，布置氫氣氣體偵測器，確保叉車充電安全；

3.4.2 氨氣的雨霧噴淋系統噴淋后的含氨廢水需避免通過長距離管道輸送至廢水站因沉降引發管道破損造成土壤環境污染的風險。建議以下形式：

a.容器為槽車時，對地坪承重要求高，宜將液氨廢液收集罐設置在室外，收集罐的容量應大于氨氣供應間的液氨最大存儲量，收集罐和收集坑應進行防腐防滲漏處理(如圖2）。

圖2 室外液氨廢水收集系統示意圖（適宜供應間承重要求高的槽車供應系統）

b.當氨氣容器為930L T 瓶時，地坪承重要求不高，可將氨氣供應間建設為沉降式結構，沉降的應急收集池容量應大于氨氣供應間液氨的最大存儲量，收集池和收集坑內表壁進行防腐蝕防滲漏處理（如圖3）。

圖3 室內沉降液氨廢水收集系統示意圖（適宜采用T 瓶氨氣罐的供應間）

4 供氣設備的設計優化

4.1 Vent Line（排放管路）

業內硅烷供應系統的Vent 較多采用Burn Tube 形式（如圖4），易出現硅烷排放堵塞、Burn Tube 內燃爆等異常，因此建議采用氮氣稀釋對高空排放的方式（如圖5），其中采用氮氣將硅烷進行稀釋，硅烷的排放采用限流措施排放、氮氣的流量通過流量計進行控制；當氮氣流量異常可將信息反饋給BSGS(大流量供應氣柜)進行安全聯鎖，停止硅烷氣體排放，確保硅烷排放的安全穩定可靠。

圖4 Burn Tube 式

圖5 氮氣稀釋高空排放式

4.2 供氣設備的JT-Heater（焦耳-湯普生效應加熱器）

部分高壓氣體經過減壓閥會發生焦耳-湯普生效應（溫度驟降甚至液化），為此通常在BSGS 供應管線加入JT-Heater，其屬于比較昂貴的部件，功率越大成本越高，而集成電路和平板顯示制造工廠產量爬坡周期長，因此需特別注意特氣系統承建商的選型，避免因節約成本而選定加熱器功率偏小導致供應氣體降溫甚至液化引發斷供。

結束語

集成電路、平板顯示制造工廠產品更新迭代不斷加快，為了使特氣系統的設計更加安全、穩定成本更優，就需要我們不斷總結工作中的經驗和教訓，分享成果，為行業的發展貢獻自己的一份力量。