半导体工厂大宗气体系统设计

半导体工厂大宗气体系统的设计

搞要

本文对集成电路芯片厂中的大宗气体系统的设计过程作了概括性的描述，对当前气体设计技术及其发展方向作了探讨，同时结合自己对多个FAB厂房的设计经验提出了设计中值得注意的问题和解决方案。

This paper introduces a general design process for Bulk Gas System

in FAB.Current gas design technology and its development direction

are also discussed.Based on the author抯experience in FAB

design,several potential problems in design and relevant solutions

are issued.

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，