半导体厂务工作.

半导体厂务工作
吴世全
国家奈米组件实验室
一、前言
近年来，半导体晶圆厂已进展到8"晶圆的量产规模，同时，也着手规划12"晶圆的建厂与生产，准备迎接另一世代的产业规模。

于是各厂不断地扩增其产能与扩充其厂区规模，似乎稍一停顿即会从此竞争中败下阵来。

所以，推促着制程技术不断地往前迈进，从0.25μm设计规格的64Mb（兆位）DRAM（动态随机存储元件）内存密度的此际技术起，又加速地往0.18μm规格的256M发展；甚至0.13μm的1Gb（千兆位）集积度的DRAM组件设计也屡见不鲜。

亦即整个半导体产业正陷入尖端技术更迭的追逐战，在竞争中，除了更新制程设备外，最重要的是维持厂区正常运作的厂务工作之配合，而这两方面的支出乃占资本财的最大宗。

特别是多次的工安事故及环保意识抬头之后，厂务工作更是倍显其重要及殷切。

事实上，半导体厂的厂务工作为多援属性的任务，也是后勤配合与收摊（废弃物）处理的工作；平时很难察觉其重要性，但状况一出，即会令整厂鸡飞狗跳，人仰马翻，以致关厂停机的地步。

所以，藉此针对厂务工作的内容做一概略性的描述，说明其重要性并供作参考与了解。

文章分为三部份：首先为厂务工作的种类，其次是厂务工作的未来方向，最后是本文的结语。

二、厂务工作的种类
目前在本实验室所代表的半导体制程的厂务工作，约可分为下列数项：
1.一般气体及特殊气体的供应及监控。

2.超纯水之供应。

3.中央化学品的供应。

4.洁净室之温度，湿度的维持。

5.废水及废气的处理系统。

6.电力，照明及冷却水的配合。

7.洁净隔间，及相关系统的营缮支持工作。

8.监控，辅佐事故应变的机动工作等数项。

下述将就各项工作内容予以概略性说明：1.一般气体及特殊气体的供应及监控[1]
一座半导体厂所可能使用的气体约为30种上下，其气体的规格会随制程要求而有不同；但通常可分为用量较大的一般气体(Bulk Gas，及用量较小的特殊气体(Special Gsa二大类。

在一般气体方面，包括有N2, O2, Ar, H2等。

另在特殊气体上，可略分为下述三大类：
(1 惰性气体(Inert Gas的He, SF6,CO2, CF4, C2F6, C4H8及CH3F等。

(2 燃烧性气体(Flammable Gas的SiH4,Si2H6, B2H6, PH3, SiH2Cl2, CH3, C2H2及CO等。

(3 腐蚀性气体(Corrosive Gas的Cl2,HCl, F2, HBr, WF6, NH3, BF2, BCl3, SiF4, AsH3, ClF3, N2O, SiCl4, AsCl3及SbCl5等。

实际上，有些气体是兼具燃烧及腐蚀性的。

其中除惰性气体外，剩下的均归类为毒性气体。

SiH4,B2H6,PH3等均属自燃性气体(Pyrophoricity，即在很低的浓度下，一接触大气后，立刻会产生燃烧的现象。

而这些仅是一般晶圆厂的气源而已，若是实验型的气源种类，则将更为多样性。

其在供气的流程上，N2可实行的方式，有1. 由远方的N2产生器配管输送，2使用液气槽填充供应，3利用N2的近厂产生器等三种。

目前园区都采1式为主，但新建厂房的N2用量增巨，有倾向以近厂N2产生器来更替；而本实验室则以液槽供应。

O2气体亦多采用液槽方式，不过H2气体在国内则以气态高压钢瓶为主。

图一乃气体供应之图示。

纯化器方面，N2及O2一般均采用触煤吸附双塔式，Ar则以Getter（吸附抓取）式为主，H2则可有Getter，Pd薄膜扩散式和触媒加超低温吸附式等三项选择。

至于危险特殊气体的供应气源，大都置于具抽风装置的气瓶柜内，且用2瓶或3瓶装方式以利用罄时切换；切换时，须以N2气体来冲净数十次以确定安全，柜上亦有ESO (Emergence Shut Off Valve阀，即紧急遮断阀，做为泄漏时的遮断之用。

目前对气体的不纯物要求已达1ppb（即109分之1）的程度，如表一所示。

为达此洁净度，除要求气源的纯度外，尚需考虑配管的设计和施工。

而施工的原则有下述八点：
1.Particle Free（无尘粒）
2.External Leak Free（无外漏）
3.Dead Space Free（无死角）
4.Out Gas Free（无逸气）
5.Effective Area Minimum（最小有效面积）
6.Error Operation Free（无操作误失）
7.Corrosion Free（无腐蚀）
8.Catalytic Behavior Free（无触化现象）
因此，管件的规格就必须愈来愈严谨，如表二所列。

其BA为Bright Anneal Treatment，即辉光烧钝退火处理，EP则为Electro-Polish，属电极抛光之等级。

另项的重要工作是在气体监控系统，主要的目的是做为操作时的管理，及安全上的管理。

可由表三说明之。

而气体的毒性规范乃以启始下限值(TLV/Threshold Limit Value为界定，表四乃部份毒性气体的TLV值。

关于毒气侦测的传感器原理，一般有下列六种：
1. 电化学式(Electro-chemical
2. 半导体式(Semiconductor
3.化学试纸式(Chemical Paper Tape
4. 火焰放射光谱式(Flame-emission Spectrometry
5. 傅力叶红外线光谱式(Fourier-Transform Inferred Spectrometry-FTIR
6.质谱仪式(Mass Spectrometry
而常使用的感测为前三种。

完整的毒气监控系统尚须具备：
1.24小时连续侦测
2.警报系统
3. 自动广播系统
4. 分区的闪光灯警报系统
5. 图控系统显示现场位置
6.各点读值历史记录趋势图
而当侦测到毒气泄漏时，立即警报于计算机屏幕，同时启动自动广播系统及分区的闪光灯警报系统，此时相关区域全体人员应立即撤出，现场人员立即通知紧急应变小组做适当的处理。

2.超纯水之供应[2]
纯水水质之要求随集成电路之集积度增加而提高，其标准如表五所示。

超纯水之制程随原水水质而有不同的方式，国内几以重力过滤方式；主要是去除水中的不纯物，如微粒子，有机物，无机盐类，重金属及生菌等等。

去除的技术上，有分离、吸附及紫外灯照射等。

表五详列的是新旧超纯水制程的比较情形。

其中新制程的步骤有：
(1多功能离子交换树脂和装置
所使用之强碱性离子交换树脂除了可以去除离子以外，还具有吸着、去除微粒子的功能；而微粒子吸着的机制乃树脂表面的正电吸引微粒子的负电，吸着力的大小，决定于树脂表面线状高分子之尾端状态。

(2臭氧－紫外线(UV照射型分解有机物设备
以往的技术中，采用的是过氧化氢－UV照射型之有机分解方式，以氧化和分解有机物。

原理乃利用UV照射过氧化氢此氧化剂，使其产生氢氧基(．OH来氧化有机物。

被氧化的有机物在形成有机酸后，变成了二氧化碳和水。

新技术中乃以臭氧代替过氧化氢，如此可提高有机物的氧化分解效率，连以往甚难去除的超微小粒子「胶体物质」都可以去除。

(3一塔二段式真空脱气塔
此乃去除水中溶存之氧气，以降低氧分子在芯片表面自然氧化膜的形成。

目前去除水中溶氧的方法及所面临的问题：
1.真空脱气法←无法使溶氧降至50μg/l以下。

2.膜脱气法←和 1.一样，且须使用大型机器，故不具经济性。

3.氮气脱气法←使用大量氮气，所以运转费用较高。

4.触媒法←必须添加氢和联氨，运转费亦高。

而此改良式设备乃就一塔一段式真空脱气法改变为多段式的抽气，并加装冷凝器，俾以缩小塔径和真空帮浦的尺寸。

如此，建设费减少1/3，运转费减少2/3，并使溶氧降至10mg/l以下，若再配备加热循环，则更能降低至10μg/l以下。

(4高速通水式非再生纯水器
就总有机体碳(TOC含量在10μg/l以下的超纯水而言，有机物的溶出是一项不可忽略的问题；而一般的离子交换树脂会溶出微量的有机物，所以在副系统的非再生型树脂塔中用超低溶出型的离子交换树脂后，再大幅提增其通水流速，如此便能大幅降低TOC值，且降低成本。

若以微粒子的动向来描绘各相关组件的去除效率，可如图二看出。

其组件有凝集水过滤塔，混床塔，RO（逆渗透膜），CP（套筒式纯水器，非再生型离子交换树脂塔）。

而从图二得知，混床塔之后的微粒子是由其后端的组件中溶出。

至于去除TOC的有效组件有：离子树脂塔，紫外线氧化槽，活性碳塔和TOC-UV灯等，其效率如图三所示。

3.中央化学品的供应[3]
目前的化学品供应已由早期的人工倒入方式改为自动供酸系统，其系统可分为四大单元：化学品来源(Chemical Source。

充填单元(Charge Unit、稀释／混合单元(Dilution/Mixing Unit，储存槽(Buffer Tank及供应单元(Supply unit。

(1来源方式有桶装(Drum，糟车(Lorry，及混合方式(Mixing Source。

(2充填单元／供应单元二者为供应系统的动力部份，而将化学品经管路输送到指定点。

方法有帮浦(Pump抽取，真空吸取(Vacuum Suction及高压输送(Pressure Delivery等三种。

且为降低化学品被污染的机率须配备佐助组件，如纯水，氮气喷枪－清洗接头；滤网风扇 (HEPA Fan－保持正压避免外界灰尘粒子进入；排气(Exhaust－排除溢漏化学品及本身的气味于室外。

(3稀释／混合单方面，乃指一般化学品或研磨液加纯水的稀释，及研磨液与化学品，或此二者与纯水的混合而言。

(4管路设计方面需注意事项有：
1.非水平管路：即从源头到使用点由高而低，当管路漏酸时便会流到未端的阀箱(Valve Box，可轻易清除。

2.不同高层的管路排列：上下排列之管材最好能同一属性，如同为不锈钢或铁弗龙，或透明塑料管(CPVC。

否则安排的顺序为铁弗龙在上，往下为CPVC，最后不锈钢管。

3.研磨液管路设计：因其与空气接触时易干涸结晶而阻塞管路，故须注意管路尺寸及避免死角。

4.接点测漏装置，以便随时侦测管路泄漏与否。

5.避免过多的管路接点。

4.洁净室之湿度，温度的维持[4]
事实上，一座半导体晶圆厂之洁净室的组成须含括多项子系统方能满足表六所列的标准：
(1与洁净室特别搭配的建筑结构－以利洁净空气的流畅，防震及足够的支撑结构，和宽敞的搬运动线。

(2不断地新鲜，干净空气之补充－弥补机台之排气及保持室内正压以杜绝外气的污染。

(3保持洁净室的清洁度－配备空气循环的驱动风扇，透气的地板及天花板，且地板高架化以利回风及配管，天花板则安装过滤网与衔吊架。

(4 恒温恒湿之控制－除配置外气空调箱外(Make-up Air unit，室内仍需有不滴水的二次空调盘管来做温度微控，另加装精确的自动感温控制系统，即可达成此恒温，恒湿之控制。

(5考虑静电、噪音及磁场等防护的工程电力系统装配。

(6不发尘及不堆尘的室内设计，即以专用epoxy涂覆之。

(7 另含盖了内部隔间，人员洗尘室(Air Shower、物料传递窗(Pass Window等设施。

在这些子系统中，对恒温，恒湿之控制最为重要的，及直接的是空调箱和二次空调盘；而空调箱之效率乃取决于设备容量与其数量，这项的决定又与制程机台排气量息息相关，因此必须一并考虑，通常Make-up Air容量是下述各项容量的总和：
1.生产机台排气量。

2.维持室内正压的空间量，此约为整个洁净空间换气量的1至5倍之间。

3.容量裕度。

另外尚需考虑循环过滤的风量，包括换气的次数，过滤网的效率等级与总循环的压降等因素。

至于二次盘(dry coil的型式考虑有：
1.热交换式或混合式两种供选择。

2.费用上，以热交换式较高，且占空间，但有较准及稳的温控效果。

3.黄光区的温湿特别严格，需选用不同型态之二次盘。

最后上述之系统均全年无休运转，故需要有备用机台的安排。

5.废水及废气的处理系统[5]
由于制程技术不断演进，使得相关供应系统等级及质量日趋精密且复杂，如毒性气体，化学药品或纯水系统等，而此物质的排放却造成环境恶化的来源之一；因此，如何处理此类高纯度且大量的毒性物质之排放，将是厂务废水，废气处理的重要工作与任务。

(1首先是废水处理系统
半导体厂废水之来源，可略分为制程废水，纯水系统之废水，废气洗涤中和液废水等三种，如表七所列。

各排放水可分为直接排放及回收处理方式。

1.制程废水：
直接排放－HF浓废液，HF洗涤废水，酸／碱性废水，晶圆研磨废水等五种，经各分类管线排至废水厂。

回收处理－有机系列(Solvent,IPA, H2SO4,DIR70%，及DIR90%等，经排放收集委外处理或直接再利用。

2.纯水系统之废水：
直接排放－纯水系统再生时之洗涤药剂混合水（含盐酸再生／洗涤液及碱洗涤液）
回收处理－系统浓缩液（逆渗透膜组，超限外滤膜组）或是碱性再生废液。

3.废气洗涤废水
直接排放－洗涤制程所排放的废气之水，均直接排放至处理厂。

至于其处理的程序及步骤，可由图四说明之。

下文为其各项之说明：
1.HF浓废液：
此废液至处理系统后，添加NaOH提升pH值至8～10之间，注入CaCl2，Ca(OH2与HF反应向生成CaF2污泥，即
HF+CaCl2 + Ca(OH2←CaF2 + HCl + H2O的反应式。

藉此去除氟离子之浓度量，而CaF2污泥产物与晶圆研磨废液混合，且添加Polymer（高分子）增进其沈降性，以利CaF2污泥经脱水机挤压过滤。

污泥饼则委托代处理业者处理。

另一产物HCl酸气由处理厂废气洗涤后排放，污泥滤液则注入调节池。

2.一般废水：
包括HF洗涤废水，酸／碱性废水。

经水系统树脂塔再生废液，废气洗涤废水等进入调节池混合均匀，稀释后泵入调整池中，添加NaOH，H2SO4等酸碱中和剂，将之调整为6.0～9.0的pH 值范围后放流入园区下水道。

3.回收处理单元：
a.有机废液回收－将IPA溶剂、显影液及浓硫酸废液等独立收集，并委外处理。

b.浓缩液回收再利用－纯水系统设备产生之浓缩液，除供应原系统反洗，再生用外，更可补充大量飞散之冷却用水，如此不但降低排水量，亦可节省用水量。

c.纯水供应系统回收水－目前纯水供应系统可直接回收70%至纯水制造系统，另将制程之洗涤水回收以供冷却系统及卫生用水，此部份占20%，因此，纯水供应系统回收水已可达90%。

d.碱性再生废液－纯水系统碱性再生废液收集应用于废水处理系统之pH值调节用，如此可减少化学药剂之使用量。

(2废气处理系统
废气产生的设备约有离子布值机，化学清洗站，蚀刻机，炉管，溅镀机，有机溶剂与气瓶柜等，其中有较高浓度污染的废气均先由该机台所属的Local Scrubber（局部洗涤机）先行处理后，在经由全厂之中央废气处理系统做三次处理后，再排入大气中，以达到净化气体之功能，其架构示意如图五说明。

晶圆厂的废气常含有酸，碱性或腐蚀性，故处理系统的管材就必须能耐酸、碱性或腐蚀性，故处理系统的管材就必须能耐酸、碱性，抗蚀性，甚至耐高温及防水性等，故表八乃将常用材质及使用种类整理归纳。

而其废气处理种类及方式如下：
1.一般性废气，其来源为氧化扩散炉的热气，烤箱及干式帮浦的排气，此废气可直接排放至大气。

2.酸、碱性之废气，来源为化学清洗站，具刺激性及有害人体。

故一般以湿式洗涤塔做水洗处理后再排入大气。

洗涤塔利用床体或湿润的表面可去除0.1微米以上的粒子。

其气体与液体的接触方式有交叉（垂直交叉）流式、同向流式及逆向流式三种，而水流的设计上，有喷嘴式，喷雾式，颈式及拉西环式等四种。

3.有机溶剂废气通常使用吸附式处理，其常用之吸附剂为活性碳，饱和后可以更换或以再生方式处理。

4.含毒气性废气，其来源为化学气相沈积，干蚀刻机，扩散，离子布值机及磊晶等制程时所产生。

在经机台本身的局部洗涤机的处理后，其后段的处理方法有吸附法，直接燃烧法及化学反应法等数种。

尤其是薄膜成长和磊晶制程时SiH4气体，须特别注意，因其为一俱爆炸及可燃性的气体。

所以单独配管且先经一密闭坚固的燃烧室(Burning Box，内通空气稀释SiH4至可燃之浓度，令它先行燃烧后再经湿式洗涤塔处理后排出室外。

其反应方式为：
SiH4 + 2O2←SiO2（粉末） + 2H2O
其中SiO2粉末须定期清洗，以免污染及堵塞管路系统。

另可采用KOH水溶液做为循环液系统，利用二者反应去除SiH 4，反应式如下：
SiH4 + 2KOH + H2O←K2SiO3 + 4H2
再经湿式洗涤塔处理后排出。

其它一些常用的毒性气体，如AsH3,PH3, B2H6亦可以此类化学反应处理。

6.电力，照明及冷却水的配合
此三项系统在生产流程上的配合，一般都不容易察觉，但一有状况，往往都有立即且严重的影响；因他们似乎很少发生问题，就如同空气一般的普遍。

不过由于资源的不足，常会有临时限电，限水的事件发生，所以在电力供应系统方面，都会设置不断电系统及紧急电源以备不时之需。

同时为了消除漏电的状况，通常会设计安置一共同的接地电网，用来保障机器设备及人员的安全。

照明系统亦甚为重要，无论平时或紧急照明装置，都需保持明亮及舒适，否则容易影响工作的情绪及效率。

另在冷却水的供应上，亦必须慎重，诸如出水的压力，温度及流量都必须适当，不然即会对设备造成影响，甚至当机。

同时其水质的纯度，导电度以及防锈的预防亦须留意，尤其在配备高周波电磁场的机台冷却上，更为重要。

这些设备如射频溅镀机，电子回旋共振蒸镀或蚀刻设备，和电浆强化化学蒸镀或蚀刻机等。

当冷却水的导电镀增加时，即会造成漏电的效应而影响机合的操作参数；若防锈不良会造成管路生锈，堵塞等现象，以致影响冷却的效果，造成设备的损伤。

7.洁净室隔间，及相关机房，系统的营缮支持工作
洁净室的空间规划，一般在建厂之初统一设计完善；但由于技术层次不断地提升，因此机台设备，生产流程必须随时跟上半导体技术世代的演进。

于是新设备进出洁净室的事件亦常有之，此时，就必须安排隔间工程，电力，气体供应，甚或排气，排水等架设；于是需要一组系统营缮的支持人员资以配合。

而负责此项工作的人员须对整个洁净室的结构，特性，有相当程度的熟悉方可胜任。

8.监控、辅佐事故应变的机动工作
一座洁净室的运作通常都是每天24小时不停歇的，所以必须要有人员随时地监控整个系统，包括空调的温湿度，气体或化学品的供应，废水及废气的处理；…等等，如此方能确保厂区的安全与正常的运作。

事实上，实验室可能出现一些紧急或危险的事故，例如：毒气外泄，火警，停电…等等，此时必须要有紧急应变的处理人员予以处理，且通知人员做适当的应变或疏散，俾能降低损失。

至于这些人员的挑选及训练都必须事前做好规划，而且必须经常提供适当的训练及演习，方能在紧急状况发生时确保己身的安全下，做到厂区安全维护及灾害救援的任务。

三、厂务工作的未来方向
一个健全完整的厂务工作必须达到下述几个目标：
1.安全考虑：
从设计时的事先预防规划开始，到安装有效的侦测系统，及最后的紧急事故之解决与扑灭上，都需全面顾及。

2.环境顾虑：
即减少对环境的影响，所以应具体检讨生产流程，做到工业减废，使废水，废气及废弃物减量，另再进行回收或再生。

3.可靠要求：
由增设备份设备及确定做到预防保养的方式，来提高各系统的可靠性。

4.稳定度的达成
厂务系统的稳定性为提高产品良率之必要因素，因此，举凡环境的温度高低，纯水质量，电压质量及气体或化学品的供应，均需保持甚高之稳定性。

5.质量的提升：
良好的厂务系统质量可使生产或研发单位无后顾之忧，尤其0.18μm以下的技术世代后，各系统之规划设计均以知识的极限来考虑，如以ppt(10M-12为兆分之一的单位来评估超纯水及气体的不纯度。

因此，避免可能的污染，以提高厂务系统的质量，进而确保产品的质量。

6.弹性的因应：
厂区的弹性化设计，乃因应日新月异的制程发展及生产设备异动的不二法门，也是延续工厂寿命及年限的方法。

7.人性的诉求：
人为高科技产业最大的资产，故人性化的考虑乃新厂规划中不可或缺的一环。

四、结语
厂务的工作是一项幕后，支持性的工作，但其重要性绝不亚于场区任一部门；甚且在压力的承受上，更是过之而不及。

但在具体的成果和绩效的呈现上，都是较软弱的一环，于是造成厂务
的工作同仁有些莫名的情绪与反应。

因此，如何从工作中体念自身的重要性与成就感，进而提升自己的专业技能及对此项工作的认同感，除了扮演厂务幕后英雄的角色外，更能担任先进技术开展的积极辅佐角色。

因此，清楚自己事业生涯的定位与规划，愉快而安定从事自己选择的工作，进而提供一稳定，可靠的半导体场区环境，俾能含蕴更完满、先进的半导体科技。

参考数据
1. 林茂勋，电子月刊，1997，26期。

2. 李茂己，电子月刊，1998，33期。

3. 李仁富，电子月刊，1997，26期。

4. 高爱扬，电子月刊，1997，26期。

5. 彭振国，王白云，电子月刊，1997，26期。

6. 张俊彦，电子月刊，1997，26期。