半導體制造設備排氣通風設計及仿真

史 霄，楊 師，楊元元，費玖海

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京100176)

半導體清洗設備中會使用多種化學液，以CMP（化學機械拋光）后清洗設備為例，常用的化學試劑包括氨水、雙氧水、HF 等，均屬于易揮發、對人身體健康有危害的危險化學品。設備的排氣通風設施主要是由FFU（空氣過濾單元）、排氣管道、調節風閥等構成，主要實現兩方面的功能，一是引導設備中氣流的方向從設備中的潔凈區域流向非潔凈區域，使得非潔凈區域產生的顆粒物不會污染產品；另一方面是將揮發的危險氣體通過排風系統抽走，與廠務端的廢氣處理系統連接，統一對其處理，使危險氣體不會逸散到周圍環境中對設備操作人員產生身體健康危害。前者為設備需滿足的功能性要求，決定了清洗設備所能達到的清洗潔凈度，以14～28 nm 工藝制程為例，需要晶圓表面顆粒度在0.06 μm 尺寸以上的顆粒少于50 顆，要求極為嚴苛，所以排氣通風設計需要對設備內顆粒物的流向進行嚴格控制，不能使其流向晶圓傳輸區域。另一項要求為安全強制性要求，需滿足相關行業標準，從而為安全生產、環境保護、人身健康提供保障。

1 SEMI S6 標準介紹

SEMI 標準是國際半導體產業協會為半導體制程設備提供的一套實用的環保、安全和衛生準則，適用于芯片制造、組裝和測試的所有設備。其中SEMI S2 標準是SEMI 標準中關于安全的標準體系。晶圓代工廠在采購設備時，都會要求設備必須通過SEMI S2 安全認證。SEMI S2 是一系列安全標準的綱要，主要包含S3-工藝液體加熱系統安全標準；S6-半導體制造設備排氣通風安全標準；S22-半導體制造設備電氣設計安全標準；F47-電壓瞬降測試等。S6 標準[1]提供了半導體制造設備的排氣通風安全性能標準，設計原理以及評估此標準的測試方法。本文從設計標準、性能標準、測試方法等方面進行介紹。

1.1 設計標準

排氣通風系統由封閉箱體和連接風管組成，其材質應與設備所使用的化學液或氣體無任何化學反應。以CMP 后清洗設備為例，清洗模組使用的化學品多為低濃度的酸堿溶液，排風管道采用PP 材質；干燥模組會使用IPA 氣體進行晶圓干燥，IPA 為易燃有機溶劑，相關排風管道采用不銹鋼管道。在風管連接點處應提供風量閥門，作為排風壓力及流量的調節裝置。設備維修保養時所需排氣通風設施也應該納入系統設計。設備端無需提供低于-375 Pa 靜壓的能力，如果需要，由使用設備的廠務端提供。

1.2 性能標準

首先應確定設備中有害氣體的釋放及產生率。須針對正常運行、保養、失效（例如化學液過熱或者主容納空間泄露）等情況，提供合理的有害氣體的足量氣流。對任何可能出現的單一故障狀況在設計時給予考慮，例如所有非焊接方式的管路連接處的脫離。設備設計時應包含可在排氣通風能力完全喪失時降低其風險的措施，例如切斷化學品供應，排放化學品等。例如可在排風管道連接處安裝壓力傳感器監測排氣通風系統靜壓，當壓力不滿足設計標準時，利用安全聯鎖裝置切斷化學品供應。排氣通風設計應確保在設備正常運行時危險氣體在工作區域的濃度符合SEMI S2 呼吸空氣標準，可燃氣體在密閉箱體累計濃度低于LFL(可燃范圍下限)的25%。針對可燃氣體，設備中可設置濃度監測傳感器，當可燃氣體濃度超出安全范圍時，利用安全聯鎖裝置切斷其供應。

1.3 測試方法

SEMI S2 針對不同作業設備制定了不同的毒性材質暴露標準，因此有必要根據不同標準及不同的釋放率進行排氣通風性能測試。在環境允許的情況下，可用工藝制程中的相關氣體作為樣品進行測試，如果出現無法接受的風險，可用釋放率不低于相關物質的追蹤氣體進行測試。測量相關物質濃度的取樣時間應與OEL (職業暴露限值——指定時間內工作人員可暴露空氣中某種物質的最大濃度) 一致。取樣位置應能代表最槽狀況、實際呼吸區以及潛在點火源位置。

2 利用流體仿真軟件驗證排氣通風有效性

在設備設計階段，為了確認設計的排氣通風系統是否有效，以及評估設備內部氣流流向，可以使用流體仿真軟件對設備三維模型進行仿真模擬，通過仿真結果可以直觀地反應設備內部的壓力、氣體流向等，用來初步評判排氣通風系統的設計有效性。

圖1 所示是一個用于CMP 后清洗系統的刷洗箱體的結構，包含雙面刷洗機構、晶圓夾持機構、箱體等。清洗工藝在箱體中進行，其中上刷和下刷機構可以自轉，并且可以上下運動至晶圓表面，施加壓力從而進行擦洗；箱體中設置有噴嘴噴淋DIW 和化學液，對晶圓表面進行沖洗。

箱體結構是一個大致密閉的箱體，但在擋水門周圍存在一定的縫隙，存在危害氣體溢出的風險，如圖2 所示。箱體下方設置有排風口，用來抽走箱體中化學液噴淋產生的危害氣體?，F已知化學品的用量，需要通過仿真分析排風口的管徑設計能否使箱體保持負壓，從而保證無危害氣體溢出。

圖1 刷洗箱體結構

圖2 刷洗縫隙及排風口位置

圖3 箱體的簡化模型及邊界條件

為了便于仿真計算，減少計算量和計算時間，將箱體進行一定程度地簡化。箱體的簡化模型及邊界條件如圖3 所示。在擋水門附近的縫隙處與外界大氣聯通，可將其壓力設為環境壓力101 325 Pa。排風口與廠務排氣管路連接，相對壓力一般為-500 Pa，因此設置其壓力為100 825 Pa?；瘜W液使用流量為2 L/min，濃度1%，可計算其揮發速度為3e-5m3/s，因此將箱體底面設置為入口體積流量3e-5m3/s。

采用SolidWorks Flow Simulation 軟件進行仿真計算，Flow Simulation 是一款計算流體力學（CFD）軟件，該軟件與Solidworks 緊密集成，使得CAD 與CFD 達到無縫集成的效果。在軟件中設定邊界條件以及求解目標，最終求解得出收斂的結果[2]。圖4 為槽內的壓力分布切面圖以及縫隙處的表面參數，可以看出擋水門縫隙處的靜壓平均值為101 320 Pa，壓力小于標準大氣壓，且體積流量為正值0.0014 m3/s，說明排風口可以將槽內的壓力控制在標準大氣壓之下，且無氣體溢出。圖5 為槽內的流動跡線圖，從圖5 中可以看出在擋水門縫隙處的顆粒運動方向為從槽外到槽內，也說明無氣體溢出。

圖4 壓力分布切面圖及表面參數

圖5 槽內流動跡線圖

3 結束語

總之，設備排氣通風系統的設計可以依據設計師的經驗，在設計階段確定排氣通風管路的位置及管徑大小，通過流體仿真軟件可以模擬設備或模塊氣流的狀態，從而對設計進行優化，并根據SEMI S6 中的測試方法和標準對設備進行實際測試，驗證了排氣通風設施的有效性。