化合物半導體芯片工藝線的特種氣體供應系統探討

李 波，朱延超

(1.北京國聯萬眾半導體科技有限公司，北京101318；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

在化合物半導體芯片制造過程中，氧化、擴散、淀積、刻蝕、注入、光刻等工藝中，大約要使用到30種不同種類的特種氣體（文中簡稱特氣），全部工藝步驟超過幾百道。例如離子注入工藝中作為磷源、砷源的PH3和AsH3，刻蝕工藝中常用的F基 氣 體CF4、CHF3、SF6等和鹵族氣體Cl2、BCl3、HBr[1]，沉積薄膜工藝中的SiH4、NH3、N2O，光刻工藝中的F2/Kr/Ne、Kr/Ne等。從這些應用可以看出，特氣在半導體芯片生產中有著非常重要的作用。一旦特氣的純度或顆粒度不達標，輕則導致半導體產品質量不過關[2]，重則擴散污染整條工藝線，甚至報廢，造成巨額損失。更為嚴重的是特氣危險系數高，一旦發生泄漏嚴重影響人身財產安全。因此，特氣供應系統的設計根本就是安全，一切設計和使用都必須以特氣安全為前提。

特氣供應系統是指特氣的儲存、輸送、分配與控制的設備、管道和部件的總稱，其中“儲存”指氣源部分(特氣柜GC/GR)，“輸送”指配管部分(一般用SUS316L EP級不銹鋼管)，“分配”指二次分配部分(氣體分配柜VMB/VMP)，“控制”指監督控制部分(特氣監控系統GDS)。主要包括特氣柜、VMB、輸送管道及閥門、PLC自動控制、以及氣體泄漏偵測、尾氣處理等主要模塊。

圖1是典型的化合物半導體芯片加工廠的特氣輸送系統示意圖[3]。特氣從特氣柜GC（Gas Cylinder）/氣瓶架（Gas Rack）出發，由特氣輸送管道供應到廠房內的閥門箱VMB（Valve Manifold Box）中，然后再由VMB的各個支點供應到相關設備供其使用，而對于設備工藝后的部分尾氣也還要進入尾氣處理器（Scrubber）進行處理。對于危險性特氣，氣體房內還要求設有尾氣處理器，以便及時處理各種有毒氣體，處理后的尾氣再進入中央處理裝置（Central Scrubber）以確保工作環境的安全[4]。

圖1 特氣供應流程圖

1 特氣間、特氣柜

按照氣體的性質進行分類，特氣一般分為易燃性、毒性、腐蝕性、氧化性和惰性氣體五類[5]，而在工廠建設和系統規劃中，根據特氣性質和相容性，通常會將特氣間分成易燃易爆特氣間、毒腐性特氣間和惰性氣體間進行分類集中供應管理[6]。有些100/150 mm（4/6英寸）及以下半導體芯片廠及科研機構，有時會根據實際情況，只設置易燃易爆特氣間和毒腐性特氣間，惰性氣體根據不相容性分配在兩個房間中。圖2是易燃易爆特氣間的布局。

圖2 易燃易爆特氣間布局圖

特氣間的選擇和設計一般由設計院完成。基于安全考慮，特氣間一般都獨立于主廠房單獨建設，其規劃時需考慮建筑物的防火、泄爆、防火防爆間距、危險物的總量控制等。特氣間必須有良好的通風，在特氣間中技術人員要進行鋼瓶更換和日常的維護保養工作[7]。

特氣間內最主要的組成部分就是特氣的供應設備特氣柜（GC）/氣瓶架（GR），其中GC具備密閉的箱體、具備排風接口、具備自動切換和吹掃的功能，而且有更強的防爆功能，一般應用在危險性高的易燃易爆和有毒氣體供應上；氣瓶架一般為敞開式的全手動系統，有些甚至采用單瓶系統，不具備自動吹掃的功能，應用在惰性氣體的供應系統中。

圖3是某品牌特氣系統的GC特氣柜及內部供氣面板。特氣柜中配置全自動PLC控制器，彩色觸摸屏；氣體面板采用氣動閥門、文丘里真空發生器、壓力傳感器，可實現自動切換，自動氮氣吹掃，自動真空輔助放空；采用調壓閥、手動隔膜閥、過流開關（EFS）、單向閥、過濾器等實現壓力及質量控制，采用煙感探測器、噴淋頭、遠程緊急切斷、專用氮氣吹掃等多重安全防護措施。針對特氣柜中撓性接頭(pigtail)的氣瓶接頭，原來的CGA（Compressed Gas Association）標準已經無法滿足氣體應用中更高的氣體純度和更高的安全性發展需求，因此DISS（Diameter Index Safety System）標準誕生。DISS接頭可以從源頭上降低人為誤操作的可能性，采用的墊片通常有鎳、鋁和聚三氟氯乙烯（PCTFE）三種材質，大大降低了鋼瓶接頭本體和鋼瓶閥損傷的可能性，從而提高了特氣系統安全性。

圖3 某品牌特氣系統的特氣柜（GC）

圖4是某品牌特氣系統的GR氣瓶架及供氣面板。與GC工作原理一致，只是功能性簡化，僅配備了壓力表、減壓閥和手動隔膜閥；有些特殊要求的惰性氣體會采用半自動氣瓶架，配備繼電器控制，自動切換，手動吹掃，手動放空。

圖4 某品牌特氣系統的氣瓶架（GR）

對于一些低蒸汽壓氣體，如DCS、BCl3、NH3等，需要考慮鋼瓶加熱，氣體面板加熱，管道伴熱等處理，使氣體輸送壓力穩定并能滿足設備的使用[4]。

根據化合物半導體芯片工藝的生產需求，目前應用最為廣泛的是采用外購氣體鋼瓶或鋼瓶組來輸送供氣，多采用普通鋼瓶（＜50 L）。因為它投資少，使用方式靈活，成本相對比較低廉。除此之外部分用量大的特氣還會采用Y-鋼瓶，T-鋼瓶，集裝格等方式供氣。當特氣消耗量達到一定值時，則需在廠房安全距離以外的區域建立氣站為生產線供氣。

2 特氣輸送管道

由于某些特氣具有易燃或腐蝕的特性，同時生產線對氣體純度要求很高，因此特氣管道多使用耐腐蝕SUS316L EP（Electro Polishing）級不銹鋼管道，而惰性氣體和吹掃氣體也可使用BA（Bright Annealing）級不銹鋼管道。對于SiH4、PH3、BCl3、Cl2等易燃易爆、劇毒氣體的傳輸，一般采用雙套管的形式，即兩根大小不同的管件組成，內層管道接觸工藝特氣，因此要求級別較高，使用SUS316L EP管或防護等級更高的管道，外管則作為內管的保護管路，一般狀態下不會接觸特氣，使用SUS304 AP（Acid Pickling）管即可。外管兩端密封后內外管之間抽成真空負壓狀態，并在氣柜端易觀察位置設置負壓表，如管道負壓上升則表明內層管道可能發生泄漏[8]。

特氣輸送管道施工完成后，需經過專業的技術人員進行五項測試：保壓、氦檢、顆粒度測試、水分測試、氧份測試，全部測試合格后才能投入生產使用[9]。對于輸送腐蝕性氣體的管道還要進行鈍化操作。

3 閥門箱

當多臺工藝設備均使用某一種特氣時，使用VMB（閥門箱）或VMP（閥門盤）將集中供氣通過多條支路分流到各個工藝設備供其使用特氣。

VMB與VMP的工作原理相同，都具備分配特氣和調壓供應的功能，區別在于VMB一般與特氣柜配套使用，應用在危險性較高的特殊氣體上，因此VMB具有密閉箱體，通常具備N2吹掃、文丘里抽真空，自動緊急遠程切斷、泄露報警等功能，在每個進出支路上均配置手動隔膜閥、氣動隔膜閥、壓力表、壓力傳感器、減壓閥、單向閥、過濾器、安全閥等；而VMP一般與氣瓶架配套使用，配置在惰性氣體的供應上。圖5是某品牌特氣系統VMB閥門箱。

圖5 某品牌特氣系統VMB閥門箱

4 尾氣處理器

特氣柜在更換鋼瓶時都要進行管道吹掃操作，如果所使用的特氣為有毒、腐蝕性及易燃易爆的氣體時，則吹掃排出的氣體不能直接排放至大氣中，需要經過尾氣處理裝置處理符合環保標準后才能排放。同樣經過工藝設備使用后的殘氣及副產物也需要做相應地處理，才能安全排放。

化合物半導體行業普遍使用的尾氣處理器（Scrubber）主要有水洗式、吸附式，電加熱+水洗式、高溫等離子體燃燒式幾種，其中，水洗式主要用來處理Cl2、HCl、BCl3、NH3等有毒腐蝕性氣體，設備便宜，處理簡單；吸附式依照吸附材料種類處理，不適用于容易堵塞的氣體流；電加熱+水洗式可用來處理SiH4、PH3、DCS、NH3等易燃有毒性特氣，應用范圍較廣；針對NO、N2O、NO2、CF4等不易燃難吸附的特氣只能采用高溫等離子體燃燒式尾氣處理器才能達到較好的處理效果，處理效率可達到99%以上。

5 特氣監控系統

特氣作為半導體芯片產業的第一危險源，被列為“極高風險”等級，除了因為特氣本身有毒、腐蝕性及易燃易爆的特性以外，無塵室的密閉作業環境及回風系統，都大大增加了半導體廠房的風險[4]。一旦泄漏會對人身財產造成很大的傷害，因此第一時間能夠探測出泄漏的特氣顯得尤為重要。

除了本文提到的危險性氣體可以根據雙套管外管的負壓判斷外，更重要的是安裝特氣監控系統，以保證人員和財產的安全。目前行業普遍采用的是GDS特氣檢測報警系統（Gas Detection System），實時監測、預警處理、遠程控制、設備管理一體化，能夠實現對廠區內危險氣體泄漏實時監測并能判斷報警。

GDS通常包括氣柜自帶的特氣泄漏偵測裝置和外置的特氣偵測器系統，氣柜自帶的偵測裝置包括部分易燃易爆特氣氣柜紅外-紫外線（UV-IR）火花探測器、煙感探測器；特氣偵測器系統是使用額外的偵測器裝置，通過偵測器傳感器監控關聯氣體的濃度來判斷是否發生氣體泄漏，特氣偵測點一般按照氣柜排風管、氣柜環境、VMB排風管、VMB環境及工藝設備環境來布置，對于工藝設備而言，當使用多種易燃易爆或有毒腐蝕性的特氣時，需配備多種對應的氣體偵測器。特氣中的惰性氣體無需對應的氣體偵測器進行監控，只檢測所在環境中的氧氣濃度。任何有毒氣體的泄漏將會被氣體偵測系統所偵測到，偵測器將根據氣體的濃度高低確定氣體供應系統的聯動，一般分為濃度高報警和濃度高高報警，達到高高報警意味著現場特氣濃度短時接觸即會對人體造成傷害，這種狀態下原則上特氣供應系統會立即關閉相應氣源，有廣播系統的廠房內會驅動廣播系統立即通知人員疏散，迅速撤離報警區域，啟動相應的應急處理流程。

在化合物半導體芯片工藝線，常用的特氣探測器主要有3種，即：電化學式、紙帶式和紅外線（IR）式。其中電化學式探測器使用更為普遍，其工作方式是電源帶動氣泵對待測區域的氣體進行抽氣采樣，將氣體送入探頭處進行檢測，適用于多種特氣，結構簡單，操作容易，靈敏度高，價格便宜，其缺點是極易被干擾，產生誤報警，而且需定期更換。

6 結束語

保障特氣供應系統的安全穩定運行對芯片工藝線的正常運營有著非常重要的意義，它不僅對工藝線產能目標和產品質量的實現有著很大的關聯作用，而且與人員和財產的安全緊密相關。如何確保特氣供應系統不出問題，安全監控系統發揮其預警機制，需要企業和從業人員深思。