半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计(精)

半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计(精)

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

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

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。

另外,若有条件采用集中管道供气方式,还需要考察气体供应商的系统设计情况，是否有对供气中断、管路污染等突发事故的预防措施、应急措施和恢复手段。有必要提请业主注意在该种经济便利的供气方式背后潜在的风险。

3 大宗气体输送管道系统的设计

经纯化后的大宗气体由气体纯化间送至辅助生产层（SubFAB）或生产车间（FAB）的架空地板下，在这里形成配管网络，再由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。以我的设计经验，在设计中要着重考虑以下几个方面。

3.1 配管系统的整体架构

目前，较为常见的架构有树枝型（图2）和环型（图3）两种。其中又数树枝型最为常用,其架构清晰,且与其它系统的配管架构相似，利于整体空间规划。环型则能较好地保持用气点压力的稳定，但投资较高。因此在设计中应根据用气点的分布情况及用气压力要求综合考虑。例如，笔者在某200mm集成电路芯片生产厂的设计中，大宗气体配管系统均采用树枝型架构。由于该FAB厂房很大，管线较长，而工艺氮气用气点较多，有一些用气点对压力要求也较高，因此对工艺氮气管路系统特别采用了树枝型与环型相结合的方式（图4），环型主管主要保证用气点的压力稳定，其管径可小于树枝型主管的管径，从而降低成本。

3.2 配管系统的灵活性设计

微电子行业的发展非常迅速，经常会发生工艺设备更新、挪位和新增等状况。即使在整个工厂的建设中，最终的工艺设备分布也会与设计时相去甚远。这种行业的特殊性要求设计必须充分考虑其灵活性（Flexibility），能满足未来的扩展需求。

配管系统的基本设计原则是在主管（Main）上按一定间距设置支管端（Branch），再在每个支管上按一定间距设置分支管（Branch

Take-off）供二次配管使用。另外，主管的管径不必随流量的递减而采取渐缩设计。

无庸讳言，这种配管系统的确具有充分的灵活性，但由于超高纯气体管路的管件和阀件价格昂贵，该系统的成本之高也是显而易见的。通常，集成电路芯片厂的建设往往会分成若干个阶段，一方面可以缓解一次性投资的巨大资金压力，另一方面也可以根据市场状况作出相应的调整决