化合物半導(dǎo)體芯片工藝線的特種氣體供應(yīng)系統(tǒng)探討

李 波，朱延超

(1.北京國聯(lián)萬眾半導(dǎo)體科技有限公司，北京101318；2.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

在化合物半導(dǎo)體芯片制造過程中，氧化、擴(kuò)散、淀積、刻蝕、注入、光刻等工藝中，大約要使用到30種不同種類的特種氣體（文中簡(jiǎn)稱特氣），全部工藝步驟超過幾百道。例如離子注入工藝中作為磷源、砷源的PH3和AsH3，刻蝕工藝中常用的F基 氣 體CF4、CHF3、SF6等和鹵族氣體Cl2、BCl3、HBr[1]，沉積薄膜工藝中的SiH4、NH3、N2O，光刻工藝中的F2/Kr/Ne、Kr/Ne等。從這些應(yīng)用可以看出，特氣在半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)中有著非常重要的作用。一旦特氣的純度或顆粒度不達(dá)標(biāo)，輕則導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)[2]，重則擴(kuò)散污染整條工藝線，甚至報(bào)廢，造成巨額損失。更為嚴(yán)重的是特氣危險(xiǎn)系數(shù)高，一旦發(fā)生泄漏嚴(yán)重影響人身財(cái)產(chǎn)安全。因此，特氣供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根本就是安全，一切設(shè)計(jì)和使用都必須以特氣安全為前提。

特氣供應(yīng)系統(tǒng)是指特氣的儲(chǔ)存、輸送、分配與控制的設(shè)備、管道和部件的總稱，其中“儲(chǔ)存”指氣源部分(特氣柜GC/GR)，“輸送”指配管部分(一般用SUS316L EP級(jí)不銹鋼管)，“分配”指二次分配部分(氣體分配柜VMB/VMP)，“控制”指監(jiān)督控制部分(特氣監(jiān)控系統(tǒng)GDS)。主要包括特氣柜、VMB、輸送管道及閥門、PLC自動(dòng)控制、以及氣體泄漏偵測(cè)、尾氣處理等主要模塊。

圖1是典型的化合物半導(dǎo)體芯片加工廠的特氣輸送系統(tǒng)示意圖[3]。特氣從特氣柜GC（Gas Cylinder）/氣瓶架（Gas Rack）出發(fā)，由特氣輸送管道供應(yīng)到廠房?jī)?nèi)的閥門箱VMB（Valve Manifold Box）中，然后再由VMB的各個(gè)支點(diǎn)供應(yīng)到相關(guān)設(shè)備供其使用，而對(duì)于設(shè)備工藝后的部分尾氣也還要進(jìn)入尾氣處理器（Scrubber）進(jìn)行處理。對(duì)于危險(xiǎn)性特氣，氣體房?jī)?nèi)還要求設(shè)有尾氣處理器，以便及時(shí)處理各種有毒氣體，處理后的尾氣再進(jìn)入中央處理裝置（Central Scrubber）以確保工作環(huán)境的安全[4]。

圖1 特氣供應(yīng)流程圖

1 特氣間、特氣柜

按照氣體的性質(zhì)進(jìn)行分類，特氣一般分為易燃性、毒性、腐蝕性、氧化性和惰性氣體五類[5]，而在工廠建設(shè)和系統(tǒng)規(guī)劃中，根據(jù)特氣性質(zhì)和相容性，通常會(huì)將特氣間分成易燃易爆特氣間、毒腐性特氣間和惰性氣體間進(jìn)行分類集中供應(yīng)管理[6]。有些100/150 mm（4/6英寸）及以下半導(dǎo)體芯片廠及科研機(jī)構(gòu)，有時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況，只設(shè)置易燃易爆特氣間和毒腐性特氣間，惰性氣體根據(jù)不相容性分配在兩個(gè)房間中。圖2是易燃易爆特氣間的布局。

圖2 易燃易爆特氣間布局圖

特氣間的選擇和設(shè)計(jì)一般由設(shè)計(jì)院完成。基于安全考慮，特氣間一般都獨(dú)立于主廠房單獨(dú)建設(shè)，其規(guī)劃時(shí)需考慮建筑物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險(xiǎn)物的總量控制等。特氣間必須有良好的通風(fēng)，在特氣間中技術(shù)人員要進(jìn)行鋼瓶更換和日常的維護(hù)保養(yǎng)工作[7]。

特氣間內(nèi)最主要的組成部分就是特氣的供應(yīng)設(shè)備特氣柜（GC）/氣瓶架（GR），其中GC具備密閉的箱體、具備排風(fēng)接口、具備自動(dòng)切換和吹掃的功能，而且有更強(qiáng)的防爆功能，一般應(yīng)用在危險(xiǎn)性高的易燃易爆和有毒氣體供應(yīng)上；氣瓶架一般為敞開式的全手動(dòng)系統(tǒng)，有些甚至采用單瓶系統(tǒng)，不具備自動(dòng)吹掃的功能，應(yīng)用在惰性氣體的供應(yīng)系統(tǒng)中。

圖3是某品牌特氣系統(tǒng)的GC特氣柜及內(nèi)部供氣面板。特氣柜中配置全自動(dòng)PLC控制器，彩色觸摸屏；氣體面板采用氣動(dòng)閥門、文丘里真空發(fā)生器、壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，自動(dòng)氮?dú)獯祾撸詣?dòng)真空輔助放空；采用調(diào)壓閥、手動(dòng)隔膜閥、過流開關(guān)（EFS）、單向閥、過濾器等實(shí)現(xiàn)壓力及質(zhì)量控制，采用煙感探測(cè)器、噴淋頭、遠(yuǎn)程緊急切斷、專用氮?dú)獯祾叩榷嘀匕踩雷o(hù)措施。針對(duì)特氣柜中撓性接頭(pigtail)的氣瓶接頭，原來的CGA（Compressed Gas Association）標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法滿足氣體應(yīng)用中更高的氣體純度和更高的安全性發(fā)展需求，因此DISS（Diameter Index Safety System）標(biāo)準(zhǔn)誕生。DISS接頭可以從源頭上降低人為誤操作的可能性，采用的墊片通常有鎳、鋁和聚三氟氯乙烯（PCTFE）三種材質(zhì)，大大降低了鋼瓶接頭本體和鋼瓶閥損傷的可能性，從而提高了特氣系統(tǒng)安全性。

圖3 某品牌特氣系統(tǒng)的特氣柜（GC）

圖4是某品牌特氣系統(tǒng)的GR氣瓶架及供氣面板。與GC工作原理一致，只是功能性簡(jiǎn)化，僅配備了壓力表、減壓閥和手動(dòng)隔膜閥；有些特殊要求的惰性氣體會(huì)采用半自動(dòng)氣瓶架，配備繼電器控制，自動(dòng)切換，手動(dòng)吹掃，手動(dòng)放空。

圖4 某品牌特氣系統(tǒng)的氣瓶架（GR）

對(duì)于一些低蒸汽壓氣體，如DCS、BCl3、NH3等，需要考慮鋼瓶加熱，氣體面板加熱，管道伴熱等處理，使氣體輸送壓力穩(wěn)定并能滿足設(shè)備的使用[4]。

根據(jù)化合物半導(dǎo)體芯片工藝的生產(chǎn)需求，目前應(yīng)用最為廣泛的是采用外購氣體鋼瓶或鋼瓶組來輸送供氣，多采用普通鋼瓶（＜50 L）。因?yàn)樗顿Y少，使用方式靈活，成本相對(duì)比較低廉。除此之外部分用量大的特氣還會(huì)采用Y-鋼瓶，T-鋼瓶，集裝格等方式供氣。當(dāng)特氣消耗量達(dá)到一定值時(shí)，則需在廠房安全距離以外的區(qū)域建立氣站為生產(chǎn)線供氣。

2 特氣輸送管道

由于某些特氣具有易燃或腐蝕的特性，同時(shí)生產(chǎn)線對(duì)氣體純度要求很高，因此特氣管道多使用耐腐蝕SUS316L EP（Electro Polishing）級(jí)不銹鋼管道，而惰性氣體和吹掃氣體也可使用BA（Bright Annealing）級(jí)不銹鋼管道。對(duì)于SiH4、PH3、BCl3、Cl2等易燃易爆、劇毒氣體的傳輸，一般采用雙套管的形式，即兩根大小不同的管件組成，內(nèi)層管道接觸工藝特氣，因此要求級(jí)別較高，使用SUS316L EP管或防護(hù)等級(jí)更高的管道，外管則作為內(nèi)管的保護(hù)管路，一般狀態(tài)下不會(huì)接觸特氣，使用SUS304 AP（Acid Pickling）管即可。外管兩端密封后內(nèi)外管之間抽成真空負(fù)壓狀態(tài)，并在氣柜端易觀察位置設(shè)置負(fù)壓表，如管道負(fù)壓上升則表明內(nèi)層管道可能發(fā)生泄漏[8]。

特氣輸送管道施工完成后，需經(jīng)過專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行五項(xiàng)測(cè)試：保壓、氦檢、顆粒度測(cè)試、水分測(cè)試、氧份測(cè)試，全部測(cè)試合格后才能投入生產(chǎn)使用[9]。對(duì)于輸送腐蝕性氣體的管道還要進(jìn)行鈍化操作。

3 閥門箱

當(dāng)多臺(tái)工藝設(shè)備均使用某一種特氣時(shí)，使用VMB（閥門箱）或VMP（閥門盤）將集中供氣通過多條支路分流到各個(gè)工藝設(shè)備供其使用特氣。

VMB與VMP的工作原理相同，都具備分配特氣和調(diào)壓供應(yīng)的功能，區(qū)別在于VMB一般與特氣柜配套使用，應(yīng)用在危險(xiǎn)性較高的特殊氣體上，因此VMB具有密閉箱體，通常具備N2吹掃、文丘里抽真空，自動(dòng)緊急遠(yuǎn)程切斷、泄露報(bào)警等功能，在每個(gè)進(jìn)出支路上均配置手動(dòng)隔膜閥、氣動(dòng)隔膜閥、壓力表、壓力傳感器、減壓閥、單向閥、過濾器、安全閥等；而VMP一般與氣瓶架配套使用，配置在惰性氣體的供應(yīng)上。圖5是某品牌特氣系統(tǒng)VMB閥門箱。

圖5 某品牌特氣系統(tǒng)VMB閥門箱

4 尾氣處理器

特氣柜在更換鋼瓶時(shí)都要進(jìn)行管道吹掃操作，如果所使用的特氣為有毒、腐蝕性及易燃易爆的氣體時(shí)，則吹掃排出的氣體不能直接排放至大氣中，需要經(jīng)過尾氣處理裝置處理符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)后才能排放。同樣經(jīng)過工藝設(shè)備使用后的殘氣及副產(chǎn)物也需要做相應(yīng)地處理，才能安全排放。

化合物半導(dǎo)體行業(yè)普遍使用的尾氣處理器（Scrubber）主要有水洗式、吸附式，電加熱+水洗式、高溫等離子體燃燒式幾種，其中，水洗式主要用來處理Cl2、HCl、BCl3、NH3等有毒腐蝕性氣體，設(shè)備便宜，處理簡(jiǎn)單；吸附式依照吸附材料種類處理，不適用于容易堵塞的氣體流；電加熱+水洗式可用來處理SiH4、PH3、DCS、NH3等易燃有毒性特氣，應(yīng)用范圍較廣；針對(duì)NO、N2O、NO2、CF4等不易燃難吸附的特氣只能采用高溫等離子體燃燒式尾氣處理器才能達(dá)到較好的處理效果，處理效率可達(dá)到99%以上。

5 特氣監(jiān)控系統(tǒng)

特氣作為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的第一危險(xiǎn)源，被列為“極高風(fēng)險(xiǎn)”等級(jí)，除了因?yàn)樘貧獗旧碛卸尽⒏g性及易燃易爆的特性以外，無塵室的密閉作業(yè)環(huán)境及回風(fēng)系統(tǒng)，都大大增加了半導(dǎo)體廠房的風(fēng)險(xiǎn)[4]。一旦泄漏會(huì)對(duì)人身財(cái)產(chǎn)造成很大的傷害，因此第一時(shí)間能夠探測(cè)出泄漏的特氣顯得尤為重要。

除了本文提到的危險(xiǎn)性氣體可以根據(jù)雙套管外管的負(fù)壓判斷外，更重要的是安裝特氣監(jiān)控系統(tǒng)，以保證人員和財(cái)產(chǎn)的安全。目前行業(yè)普遍采用的是GDS特氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（Gas Detection System），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警處理、遠(yuǎn)程控制、設(shè)備管理一體化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廠區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)氣體泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并能判斷報(bào)警。

GDS通常包括氣柜自帶的特氣泄漏偵測(cè)裝置和外置的特氣偵測(cè)器系統(tǒng)，氣柜自帶的偵測(cè)裝置包括部分易燃易爆特氣氣柜紅外-紫外線（UV-IR）火花探測(cè)器、煙感探測(cè)器；特氣偵測(cè)器系統(tǒng)是使用額外的偵測(cè)器裝置，通過偵測(cè)器傳感器監(jiān)控關(guān)聯(lián)氣體的濃度來判斷是否發(fā)生氣體泄漏，特氣偵測(cè)點(diǎn)一般按照氣柜排風(fēng)管、氣柜環(huán)境、VMB排風(fēng)管、VMB環(huán)境及工藝設(shè)備環(huán)境來布置，對(duì)于工藝設(shè)備而言，當(dāng)使用多種易燃易爆或有毒腐蝕性的特氣時(shí)，需配備多種對(duì)應(yīng)的氣體偵測(cè)器。特氣中的惰性氣體無需對(duì)應(yīng)的氣體偵測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控，只檢測(cè)所在環(huán)境中的氧氣濃度。任何有毒氣體的泄漏將會(huì)被氣體偵測(cè)系統(tǒng)所偵測(cè)到，偵測(cè)器將根據(jù)氣體的濃度高低確定氣體供應(yīng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，一般分為濃度高報(bào)警和濃度高高報(bào)警，達(dá)到高高報(bào)警意味著現(xiàn)場(chǎng)特氣濃度短時(shí)接觸即會(huì)對(duì)人體造成傷害，這種狀態(tài)下原則上特氣供應(yīng)系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)閉相應(yīng)氣源，有廣播系統(tǒng)的廠房?jī)?nèi)會(huì)驅(qū)動(dòng)廣播系統(tǒng)立即通知人員疏散，迅速撤離報(bào)警區(qū)域，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急處理流程。

在化合物半導(dǎo)體芯片工藝線，常用的特氣探測(cè)器主要有3種，即：電化學(xué)式、紙帶式和紅外線（IR）式。其中電化學(xué)式探測(cè)器使用更為普遍，其工作方式是電源帶動(dòng)氣泵對(duì)待測(cè)區(qū)域的氣體進(jìn)行抽氣采樣，將氣體送入探頭處進(jìn)行檢測(cè)，適用于多種特氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，靈敏度高，價(jià)格便宜，其缺點(diǎn)是極易被干擾，產(chǎn)生誤報(bào)警，而且需定期更換。

6 結(jié)束語

保障特氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)芯片工藝線的正常運(yùn)營有著非常重要的意義，它不僅對(duì)工藝線產(chǎn)能目標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)有著很大的關(guān)聯(lián)作用，而且與人員和財(cái)產(chǎn)的安全緊密相關(guān)。如何確保特氣供應(yīng)系統(tǒng)不出問題，安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮其預(yù)警機(jī)制，需要企業(yè)和從業(yè)人員深思。