半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计

半导体工厂（FAB）大宗气体系统（Gas Yard）的设计

1995年，美国半导体工业协会（SIA）在一份报告中预言："中国将在10-15年内成为世界最大的半导体市场"。随着中国经济的增长和信息产业的发展，进入21世纪的中国半导体产业市场仍将保持20%以上的高速增长态势，中国有望在下一个十年成为仅次于美国的全球第二大半导体市场。而目前的发展态势也正印证了这一点。

作为半导体生产过程中必不可少的系统，高纯气体系统直接影响全厂生产的运行和产品的质量。相比较而言，集成电路芯片制造厂由于工艺技术难度更高、生产过程更为复杂，因而所需的气体种类更多、品质要求更高、用量更大，也就更具代表性。因此本文重点以集成电路芯片制造厂为背景来阐述。

集成电路芯片厂中所使用的气体按用量的大小可分为二种，用量较大的称为大宗气体（Bulk gas），用量较小的称为特种气体（Specialty

gas）。大宗气体有：氮气、氧气、氢气、氩气和氦气。其中氮气在整个工厂中用量最大，依据不同的质量需求，又分为普通氮气和工艺氮气。由于篇幅所限，本文仅涉及大宗气体系统的设计。

1 系统概述

大宗气体系统由供气系统和输送管道系统组成，其中供气系统又可细分为气源、纯化和品质监测等几个部分。通常在设计中将气源设置在独立于生产厂房（FAB）之外的气体站（Gas Yard），而气体的纯化则往往在生产厂房内专门的纯化间（Purifier Room）中进行，这样可以使高纯气体的管线尽可能的短，既保证了气体的品质，又节约了成本。经纯化后的大宗气体由管道从气体纯化间输送至辅道生产层（SubFAB）或生产车间的架空地板下，在这里形成配管网络，最后由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。图1给出了一个典型的大宗气体系统图。

2 供气系统的设计

2.1 气体站

2.1.1 首先必须根据工厂所需用气量的情况，选择最合理和经济的供气方式。

氮气的用量往往是很大的，根据其用量的不同，可考虑采用以下几种方式供气：

1）液氮储罐，用槽车定期进行充灌，高压的液态气体经蒸发器（Vaporizer）蒸发为气态后，供工厂使用。一般的半导体工厂用气量适中时这种方式较为合适，这也是目前采用最多的一种方式。2）采用空分装置现场制氮。这适用于N2用量很大的场合。集成电路芯片制造厂多采用此方式供气，而且还同时设置液氮储罐作备用。

氧气和氩气往往采用超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供应。

氢气则以气态方式供应，一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。如用气量较大，则可

采用Tube Trailer供气，只是由于道路消防安全审批等因素，目前在国内还很少采用此方式。相信随着我国微电子工业的飞速发展，相关的安全法规会更完善，Tube Trailer供气方式会被更多地采用。如果氢气用量相当大，则需要现场制氢，如采用水电解装置。

由于低温液氦储罐的成本相当昂贵，加以氦气用量不大，氦气一般采用钢瓶组（Bundle）的形式供应即可满足生产要求。随着大型集成电路厂越来越多地出现，氦气的用量也逐渐上升，国外已开始尝试使用液氦储罐，而且由于氦气在低于-4500F时才是液体，此时所有杂质在此液相中实际均已凝结在固体，理论上从该储罐气化的氮气已是高纯度，不用再经纯化处理。

随着国内半导体集成电路产业的飞速发展，将会出现一些半导体工厂较为密集的微电子生产园区，这时有可能采用集中的管道供气方式，即由气体公司在园区内建一大型气站，将大宗气体用地下管线送往各工厂。这种方式可以大大降低各厂的用地需求和用气成本，形成气体公司与半导体工厂多赢的局面。在上海某生产园区，某气体公司即将采用该方式对园区内的几家工厂提供氦气，目前正在建设中。

2.1.2 在整个气体站的设计中,需要特别注意几个问题：

首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必须予以高度重视的,如气体站的平面布置必须符合相关安全规范。

其次，在设计供气压力时不仅要参照最终用户点的压力需求，而且必须考虑纯化器、过滤器以及配管系统的压力降。

另外，随着集成电路工艺的提升，对工艺氧气中的氮杂质含量要求也提高了。值得注意的是，该杂质目前尚无法通过气体纯化器有效去除，必须在空分装置中增加专门的超低温精馏过程处理，这不可避免导致成本的上升，当然由此法制取的氧气纯度已足够高，不需要经纯化即可直接用于工艺设备。另一折衷的方法是，目前200mm芯片生产工艺中，只有部分工艺设备对氧中氮的含量要求甚高，如果这些设备的用氧量不大，则可以考虑外购高纯氧气钢瓶专门对这些设备供气。

2.2气体纯化与过滤

2.2.1气体的品质要求

随着集成电路技术的不断发展，设计线宽不断微缩，这对气体品质的要求也越来越严格，目前对大宗气体的纯度要求往往达到ppb级，表1给出了某200mm芯片生产工艺线对大宗气体的品质要求。

因此，必须用不锈钢管道将大宗气体从气体站送至生产厂房的纯化室（purifier Room）进行纯化，气体经纯化器除去其中的杂质，再经过滤器除去其中的颗粒（Particle）。出于安全考虑，一般将氢气纯化室设计为单独一室，并有防爆、泄爆要求。

2.2.2 纯化器

目前国内采用的气体纯化器都是进口的，主要的生产厂家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO 等。纯化器根据其作用原理的不同可以对不同的气体进行纯化。我将目前市场上纯化器的情况作了整理，见表2。

一般说来，N2、O2纯化器较多采用触媒吸附式，Ar、H2纯化器则以Getter效果最佳，H2纯化器也多采用触媒吸附结合Getter式。

在设计中要注意的是，不同气体纯化器需要不同的公用工程与之相配套。例如，触媒吸附式N2纯化器需要高纯氢气供再生之用；触媒吸附式纯化器需要冷却水。因此，相关的公用工程管线必须在气体纯化间内留有接口。

2.2.3 过滤器

半导体生产工艺过程不仅对气体纯度要求十分严格，而且对气体中的颗粒含量也有极高的要求，目前在集成电路芯片生产中，对大宗气体颗粒度的要求通常为：大于0.1μm的颗粒含量为零。而去除颗粒则需采用气体过滤器。

一般的，经纯化的气体需经过两个串联的过滤器即可达到工艺要求，为方便滤芯更换，往往并联设置两组过滤器组，参见图1。

2.3 气体的品质监测

大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测，观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测，而对CO、CO2及THC杂质采用间歇监测，测试结果连同其他测试参数（诸如压力、流量等）都会被送往控制室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）系统。

2.4 供气系统的可靠性问题

由于微电子行业的投入与产出都是非常的大，任何供气中断都会带来巨大的经济损失，尤其对大型集成电路芯片生产厂而言。因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。若采用现场制气方式，往往还需要设置该种气体的储蓄供气系统作备用。

1）每一种气体的纯化器都需要有一台作备用。

2）氧气若采用现场制气方式，虽然可以不经纯化而直接供工艺设备使用，但仍应该设置一台纯化器作备用。

当然，以上这些措施必须会导致气体成本的急剧上升，虽然与供气中断造成的损失相比要小的多，但这必须要与业主讨论确定。而且，每个项目都有其特殊性，不必强求一步到位，可以考虑在不同的建设阶段逐步实施。