电子气体系统技术应用现状和发展趋势

电子气体系统技术应用现状和发展趋势

点击次数：120 发布时间：2010-8-11

电子气体（Electronicgases）

气体工业名词，半导体工业用的气体统称电子气体。按其门类可分为纯气，高纯气和半导体特殊材料气体三大类。特殊材料气体主要用于外延，掺杂和蚀刻工艺；高纯气体主要用作稀释气和运载气。电子气体是特种气体的一个重要分支。电子气体按纯度等级和使用场合，可分为电子级，LSI （大规模集成电路）级，VLSI（超大规模集成电路）级和ULSI（特大规模集成电路）级。

电子气体系统技术应用现状和发展趋势

1．现状

电子气体是超大规模集成电路、平面显示器件、化合物半导体器件、太阳能电池、光纤等电子工业生产不可缺少的原材料，它们广泛应用于薄膜、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺。例如在目前工艺技术较为先进的超大规模集成电路工厂的晶圆片制造过程中，全部工艺步骤超过450道，其中大约要使用50种不同种类的电子气体。电子气体输送系统是指为满足工艺制程的需求，在充分保证工艺和产品安全使用的前提下，将电子气体从气源端无二次污染、控制工艺需求的流量和压力等参数、稳定地输送到工艺生产设备的用气点。根据气体性质和供应包装的不同，一般电子气体可划分为大宗普通气体、特种气体和大宗特种气体。

目前电子消费品的种类繁多以及升级换代日趋频繁，同类产品的不同制造规模、不同级别档次的生产工厂和科研机构共存。基于投资规模和产品档次的不同的实际要求，工业界对电子气体输送系统基本有以下三类需求：

1.1 大规模供气系统

大规模供气系统主要针对大规模量产的8-12英寸（1英寸=25.4毫米）超大规模集成电路厂（气体种类包括SiH4、N2O、2、 C2F6、 NH3等），100MW以上的太阳能电池生产线（气体种类包括NH3），发光二极管的磊晶工序线（气体种类包括NH3）、5代以上液晶显示器工厂（气体种类包括4、3、NF3）、光纤（气体种类包括SiCl4）、硅材料外延生产线（气体种类包括HCL）等行业。它们的投资规模巨大，采用最先进的工艺制程设备，用气需求量大，对稳定和不间断供应、纯度控制和安全生产提出最严格的要求。

上述工厂的大宗普通气体多采用现场制气（On-site）或工业园区管道（Pipeline）集中供应方式，一个年产5万片的8英寸超大规模集成电路厂高纯氮气的需求超过5,000Nm3/h，发光二极管的磊晶工序线和硅外延生产线的氢气需求超过100Nm3/h。

除了普通钢瓶（50L及以下）包装的特种气体外，还有多种类的特种气体都普遍采用大包装容器，由此它们被称为大宗特气，包括Y-钢瓶（450L），T-钢瓶（980L），集装格（940L），ISO罐（22,500L），鱼雷车（13,400L）等。

大宗特气供应系统（BSGS）采用全自动PLC控制器，彩色触摸屏；气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空；多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断；专用氮气吹扫起源等等。特种气体采用独立气源，多用点采用VMB或VMP分路供应，VMB或VMP采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空等。由于BSGS气源总量大，多采用独立的气体房，独立的抽风系统。

1.2 常规供气系统

常规供气系统主要应用于4-6英寸大规模集成电路厂，50MW以下的太阳能电池生产线，发光二极管的芯片工序线以及其它用气量中等规模的电子行业。它们的投资规模中等，生产线可能是二手设备，对气体纯度控制的要求不苛刻，系统配备在满足安全的前提下尽量简单，节省投资。

常规供气系统的大宗普通气体多建立现场气站，采用现场液体储罐（LIN, LOX, LAR）或集装格（H2, He）供应方式。气体由管路系统输送至厂房，直接开三通送至用气点。

特种气体采用普通钢瓶（<50L）供气。特气输送系统采用气瓶柜。配置全自动PLC控制器，彩色触摸屏；气体面板采用气动阀门和压力传感器，可实现自动切换，自动氮气吹扫，自动真空辅助放空；多重安全防护措施，泄漏侦测，远程紧急切断；专用氮气吹扫起源等等。VMB采用支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。惰性气体多采用半自动气瓶架，继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空；VMB主管气动阀，氮气吹扫；支路气动阀，氮气吹扫，真空辅助排空。气体房和抽风系统根据气体性质进行分类。

1.3 简单供气系统

简单供气系统主要针对4英寸及以下半导体芯片厂、半导体材料的科研机构等。它们的制程简单，通常不需要连续性供气，对气体供应系统的投资预算低，生产和管理人员欠缺安全意识。

由于气体流量小，特种气体气源多采用普通钢瓶（<50L）。输送系统多采用半自动气瓶柜或气瓶架，配置继电器控制，自动切换，手动吹扫，手动放空，有害性气体配备紧急切断阀。惰性气体瓶架则采用全手动系统，有些甚至用单瓶系统。共用一个气体房，甚至没有气体房，特气钢瓶和输送系统有时放在回风夹道，或直接放在工艺制造设备旁边。共用一个抽风系统。系统通常存在安全隐患。

2．发展趋势

2.1 电子气体污染控制要求日趋严格

随着电子消费品的升级换代，产品制造尺寸越来越大，产品成品率和缺陷控制越来越严格，整个电子工业界对电子气体气源纯度，以及杜绝输送系统二次污染的要求越来越苛刻。基本上工业界对电子气体气相不纯物以及颗粒度污染提出的技术指标，直接与分析仪器技术进步带来的最低检测

极限（LDL）相关联。如传统的激光颗粒测试仪可测到0.1微米，而核凝结技术（CNC）可达到0.01微米。

目前12英寸超大规模集成电路制造线宽已经发展到45纳米，对于大宗气体的纯度都要求在ppt 级别, 颗粒度控制直指CNC分析仪器的下限。实验室超高亮度发光二极管（LED）技术指标已达到200Lm/w（流明/瓦）以上，对于氢气和氨气的纯度控制要求也都小于1ppb（十亿分之一），氨气则采用多级精馏生产，技术指标到达7N（7个9）的“白氨”，5N的氢气需要采用先进的钯膜纯化器提纯至9N。

大宗特气系统（BSGS）的及时应用有利于提高污染控制。首先大包装容器保证了气体品质的连续性，降低了多次充装污染风险。另外由于换瓶频率的减少，也减少了污染几率。BSGS多采用了深层吹扫，显著提高了吹扫效果。

输送管路系统普遍采用了316L不锈钢电解抛光（EP）管道，高纯调压阀、隔膜阀、高精密过滤器（<0.003μm）、VCR接头等，接触气体的管路部件表面粗糙度可控制在5uin，同时采用零死区设计。施工技术采用全自动轨道焊接，同时制定和实施严格的超高纯施工和QA/QC保证程序。

气体输送系统建成后必须经过严格的保压、氦检漏、颗粒度和水分、氧分以及其它气相杂质的测试。

2.2 大流量、不间断和稳定输送

如何满足大规模量产工厂对电子气体大流量、不间断和稳定输送的要求是一个挑战。

电子气体多以集中式供应为趋势，特种气体集中放置在气体房。输送系统的数量是根据机台对流量的需求进行合理配置。特气输送设备必须采用全自动切换供气，而且多设计了备用设备。对于低蒸汽压气体（WF6，DCS，BCl3，C5F8，ClF3等），需要考虑钢瓶加热，气体面板加热，管道伴热等。为了精确控制流量，在气源端一般会考虑配置高精度的压力变送器、电子秤、温控器等。在机