半導體工廠（FAB）大宗氣體係統（Gas Yard）的設計

1995年，美國半導體工業協會（SIA）在一份報告中預言："中國將在10-15年內成為世界最大的半導體市場"。隨著中國經濟的增長和信息產業的發展，進入21世紀的中國半導體產業市場仍將保持20%以上的高速增長態勢，中國有望在下一個十年成為僅次於美國的全球第二大半導體市場。而目前的發展態勢也正印證了這一點。
  作為半導體生產過程中必不可少的係統，高純氣體係統直接影響全廠生產的運行和国产传媒在线的質量。相比較而言，集成電路芯片製造廠由於工藝技術難度更高、生產過程更為複雜，因而所需的氣體種類更多、品質要求更高、用量更大，也就更具代表性。因此本文重點以集成電路芯片製造廠為背景來闡述。
集成電路芯片廠中所使用的氣體按用量的大小可分為二種，用量較大的稱為大宗氣體（Bulk gas），用量較小的稱為特種氣體（Specialty gas）。大宗氣體有：氮氣、氧氣、氫氣、氬氣和氦氣。其中氮氣在整個工廠中用量最大，依據不同的質量需求，又分為普通氮氣和工藝氮氣。由於篇幅所限，本文僅涉及大宗氣體係統的設計。
1 係統概述
  大宗氣體係統由供氣係統和輸送管道係統組成，其中供氣係統又可細分為氣源、純化和品質監測等幾個部分。通常在設計中將氣源設置在獨立於生產廠房（FAB）之外的氣體站（Gas Yard），而氣體的純化則往往在生產廠房內專門的純化間（Purifier Room）中進行，這樣可以使高純氣體的管線盡可能的短，既保證了氣體的品質，又節約了成本。經純化後的大宗氣體由管道從氣體純化間輸送至輔道生產層（SubFAB）或生產車間的架空地板下，在這裏形成配管網絡，最後由二次配管係統（Hook-up）送至各用戶點。圖1給出了一個典型的大宗氣體係統圖。
2 供氣係統的設計
2.1 氣體站
2.1.1 首先必須根據工廠所需用氣量的情況，選擇最合理和經濟的供氣方式。
  氮氣的用量往往是很大的，根據其用量的不同，可考慮采用以下幾種方式供氣：
  1）液氮儲罐，用槽車定期進行充灌，高壓的液態氣體經蒸發器（Vaporizer）蒸發為氣態後，供工廠使用。一般的半導體工廠用氣量適中時這種方式較為合適，這也是目前采用最多的一種方式。
  2）采用空分裝置現場製氮。這適用於N2用量很大的場合。集成電路芯片製造廠多采用此方式供氣，而且還同時設置液氮儲罐作備用。
  氧氣和氬氣往往采用超低溫液氧儲罐配以蒸發器的方式供應。
  氫氣則以氣態方式供應，一般采用鋼瓶組（Bundle）即可滿足生產要求。如用氣量較大，則可采用Tube Trailer供氣，隻是由於道路消防安全審批等因素，目前在國內還很少采用此方式。相信隨著我國微電子工業的飛速發展，相關的安全法規會更完善，Tube Trailer供氣方式會被更多地采用。如果氫氣用量相當大，則需要現場製氫，如采用水電解裝置。
  由於低溫液氦儲罐的成本相當昂貴，加以氦氣用量不大，氦氣一般采用鋼瓶組（Bundle）的形式供應即可滿足生產要求。隨著大型集成電路廠越來越多地出現，氦氣的用量也逐漸上升，國外已開始嚐試使用液氦儲罐，而且由於氦氣在低於-4500F時才是液體，此時所有雜質在此液相中實際均已凝結在固體，理論上從該儲罐氣化的氮氣已是高純度，不用再經純化處理。
隨著國內半導體集成電路產業的飛速發展，將會出現一些半導體工廠較為密集的微電子生產園區，這時有可能采用集中的管道供氣方式，即由氣體公司在園區內建一大型氣站，將大宗氣體用地下管線送往各工廠。這種方式可以大大降低各廠的用地需求和用氣成本，形成氣體公司與半導體工廠多贏的局麵。在上海某生產園區，某氣體公司即將采用該方式對園區內的幾家工廠提供氦氣，目前正在建設中。
2.1.2 在整個氣體站的設計中,需要特別注意幾個問題：
  首先,供氫係統和供氧係統的安全性問題是必須予以高度重視的,如氣體站的平麵布置必須符合相關安全規範。
  其次，在設計供氣壓力時不僅要參照最終用戶點的壓力需求，而且必須考慮純化器、過濾器以及配管係統的壓力降。
  另外，隨著集成電路工藝的提升，對工藝氧氣中的氮雜質含量要求也提高了。值得注意的是，該雜質目前尚無法通過氣體純化器有效去除，必須在空分裝置中增加專門的超低溫精餾過程處理，這不可避免導致成本的上升，當然由此法製取的氧氣純度已足夠高，不需要經純化即可直接用於工藝設備。另一折衷的方法是，目前200mm芯片生產工藝中，隻有部分工藝設備對氧中氮的含量要求甚高，如果這些設備的用氧量不大，則可以考慮外購高純氧氣鋼瓶專門對這些設備供氣。
2.2氣體純化與過濾
2.2.1氣體的品質要求
  隨著集成電路技術的不斷發展，設計線寬不斷微縮，這對氣體品質的要求也越來越嚴格，目前對大宗氣體的純度要求往往達到ppb級，表1給出了某200mm芯片生產工藝線對大宗氣體的品質要求。
因此，必須用不鏽鋼管道將大宗氣體從氣體站送至生產廠房的純化室（purifier Room）進行純化，氣體經純化器除去其中的雜質，再經過濾器除去其中的顆粒（Particle）。出於安全考慮，一般將氫氣純化室設計為單獨一室，並有防爆、泄爆要求。
2.2.2 純化器
目前國內采用的氣體純化器都是進口的，主要的生產廠家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。純化器根據其作用原理的不同可以對不同的氣體進行純化。我將目前市場上純化器的情況作了整理，見表2。
  一般說來，N2、O2純化器較多采用觸媒吸附式，Ar、H2純化器則以Getter效果最佳，H2純化器也多采用觸媒吸附結合Getter式。
  在設計中要注意的是，不同氣體純化器需要不同的公用工程與之相配套。例如，觸媒吸附式N2純化器需要高純氫氣供再生之用；觸媒吸附式純化器需要冷卻水。因此，相關的公用工程管線必須在氣體純化間內留有接口。

2.2.3 過濾器
  半導體生產工藝過程不僅對氣體純度要求十分嚴格，而且對氣體中的顆粒含量也有極高的要求，目前在集成電路芯片生產中，對大宗氣體顆粒度的要求通常為：大於0.1μm的顆粒含量為零。而去除顆粒則需采用氣體過濾器。
  一般的，經純化的氣體需經過兩個串聯的過濾器即可達到工藝要求，為方便濾芯更換，往往並聯設置兩組過濾器組，參見圖1。
2.3 氣體的品質監測
  大宗氣體在經純化及過濾後應對其進行品質監測，觀察其純度與顆粒度的指標是否已高於實際的工藝要求。目前著重對氣體中的氧含量、水含量和顆粒度進行在線連續監測，而對CO、CO2及THC雜質采用間歇監測，測試結果連同其他測試參數（諸如壓力、流量等）都會被送往控製室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）係統。
2.4 供氣係統的可靠性問題
  由於微電子行業的投入與產出都是非常的大，任何供氣中斷都會帶來巨大的經濟損失，尤其對大型集成電路芯片生產廠而言。因此在設計中必須充分考慮氣體供應係統運行的安全可靠性。若采用現場製氣方式，往往還需要設置該種氣體的儲蓄供氣係統作備用。
  1）每一種氣體的純化器都需要有一台作備用。
  2）氧氣若采用現場製氣方式，雖然可以不經純化而直接供工藝設備使用，但仍應該設置一台純化器作備用。
  當然，以上這些措施必須會導致氣體成本的急劇上升，雖然與供氣中斷造成的損失相比要小的多，
但這必須要與業主討論確定。而且，每個項目都有其特殊性，不必強求一步到位，可以考慮在不同的建設階段逐步實施。
  另外,若有條件采用集中管道供氣方式,還需要考察氣體供應商的係統設計情況，是否有對供氣中斷、管路汙染等突發事故的預防措施、應急措施和恢複手段。有必要提請業主注意在該種經濟便利的供氣方式背後潛在的風險。
3 大宗氣體輸送管道係統的設計
  經純化後的大宗氣體由氣體純化間送至輔助生產層（SubFAB）或生產車間（FAB）的架空地板下，在這裏形成配管網絡，再由二次配管係統（Hook-up）送至各用戶點。以我的設計經驗，在設計中要著重考慮以下幾個方麵。
3.1 配管係統的整體架構
  目前，較為常見的架構有樹枝型（圖2）和環型（圖3）兩種。其中又數樹枝型最為常用,其架構清晰,且與其它係統的配管架構相似，利於整體空間規劃。環型則能較好地保持用氣點壓力的穩定，但投資較高。因此在設計中應根據用氣點的分布情況及用氣壓力要求綜合考慮。例如，筆者在某200mm集成電路芯片生產廠的設計中，大宗氣體配管係統均采用樹枝型架構。由於該FAB廠房很大，管線較長，而工藝氮氣用氣點較多，有一些用氣點對壓力要求也較高，因此對工藝氮氣管路係統特別采用了樹枝型與環型相結合的方式（圖4），環型主管主要保證用氣點的壓力穩定，其管徑可小於樹枝型主管的管徑，從而降低成本。
3.2 配管係統的靈活性設計
  微電子行業的發展非常迅速，經常會發生工藝設備更新、挪位和新增等狀況。即使在整個工廠的建設中，最終的工藝設備分布也會與設計時相去甚遠。這種行業的特殊性要求設計必須充分考慮其靈活性（Flexibility），能滿足未來的擴展需求。
  配管係統的基本設計原則是在主管（Main）上按一定間距設置支管端（Branch），再在每個支管上按一定間距設置分支管（Branch Take-off）供二次配管使用。另外，主管的管徑不必隨流量的遞減而采取漸縮設計。
  無庸諱言，這種配管係統的確具有充分的靈活性，但由於超高純氣體管路的管件和閥件價格昂貴，該係統的成本之高也是顯而易見的。通常，集成電路芯片廠的建設往往會分成若幹個階段，一方麵可以緩解一次性投資的巨大資金壓力，另一方麵也可以根據市場狀況作出相應的調整決策。在新廠建設的第一階段，設計產量往往不是很高，用氣點也不是很多，尤其是氫、氬、氧、氦的用氣點就更少。因此必須考慮如何來簡化該配管係統以降低成本。下麵以圖5為例，對一些典型的工況作分析：
  工況一：支管I中，用氣點a與b均在該支管的最遠端，因此無法作簡化。即使c與d處目前暫無用氣點，但還是應該設置分支管和閥門，以備將來之用。
  工況二：支管II中，用氣點e和f的遠端沒有其它的用氣點，則支管線可以分別在e點和f點後結束。注意，支管的終端閥必須帶排氣口，以供管線延伸使用。
  工況三：支管III的二端都沒有用氣點，則隻在該二端安裝帶排氣口的隔膜閥，以備將來之用。
值得注意的是，工況三在設計中往往會被忽略。另外，主管和支管的終端閥宜采用帶排氣口的隔膜閥，利於今後可能的擴展。
3.3 管徑的設計計算
  管徑的選擇是基於氣體流量的大小，同時也不能忽略氣體的壓力值對計算的巨大影響。另外，管道中氧氣的流速值要低一些，可選用8m/s。
  在芯片廠的設計中，工藝設備的用氣量往往會有二個數值，一個是峰值（Peak），一個是均值（Average），而且對不同的設備而言，峰值與均值之間的差異是完全不同的。那麽在管徑計算中以何種流量作為基準呢？筆者在此給出一些自己的設計經驗，以供參考：
  首先，芯片廠中工藝設備的運行方式是間歇式的。在某一設備的運行過程中，會有短暫片刻的用氣量達到峰值，而後用氣量減小，甚至為零，由此類造成峰值和均值之間會存在很大差異，甚至是幾何級的差異。
  對主管而言，可以將所有工藝設備峰值流量的總和乘上係數（一般為0.7-0.8）,來作為流量值,這樣計算得到的管徑基本上可以滿足供氣需求。因為不可能FAB中所有的工藝設備在同一時刻同時達到用氣峰值,因此沒有必要采用峰值總流量作為計算依據,過大的管徑隻能是浪費金錢。
對於支管乃至分支管而言，則需要根據實際情況作具體分析。如果某分支管用氣點較多，則可以沿用主管的處理方法；如果用氣點不多，甚至隻有一個，則還是以用氣點的總峰值流量來計算較為穩妥。
3.4 配管係統的選材
  對於工藝氣體而言，由於在芯片生產中需要與芯片接觸並參與反應，因此需選用經電解拋光（Electro-Polish）處理的316L不鏽鋼管，即SS316L EP管，其耐腐蝕性好，表麵粗糙度低，Ramax（最大表麵粗糙度）<0.7微米。光滑的表麵使顆粒無從吸附滯留，從而保證氣體的純度。
對普通氮氣而言，由於其並不作為製程中的反應氣體，可以選用經光輝燒結（Bright Anneal）處理的316L不鏽鋼管，即SS316L BA管，也可以采用經化學清洗（Chemical Clean）處理的316L不鏽鋼管，即SS316L CC管。其Ramax為3-6微米。
3.5 其它設計要點
  在設計中還應遵循國內其他相關規範，如《潔淨廠房設計規範》、《氫氧站設計規範》、《供氫站設計規範》等，其中主要的設計要點有：
（1）在主管末端要設計氣體取樣口，對於氫氣和氧氣，還需在主管末端設置放散管。放散管引至室外，應高出屋脊1米，並應有防雨、放雜物侵入的措施；
（2）氫氣、氧氣管道間距問題；
（3）氧氣管道及其閥門、附件應經嚴格脫脂處理，並應設導除靜電的接地設施；
（4）氫氣管道接至用氣設備的支管和放散管，應設阻火器；引至室外的放散管，應設置防雷保護設施；應設導除靜電的接地設施。
4 結論
  大宗氣體係統的設計是整個半導體工廠設計中的一個重要部分，雖然整個係統的流程並不複雜，但是其中任一環節的疏忽都可能會導致嚴重的後果。在設計中，必須在供氣穩定、連續不中斷的前提下，嚴格保證氣體的品質，從而保障整個工廠生產的順利進行。另外在成本方麵也應有所考慮，力求達到安全性與經濟性的平衡。