半导体工厂（FAB）大宗气体系统（Gas Yard）的设计

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，触媒吸附式N2纯化器需要高纯氢气供再生之用；触媒吸附式纯化器需要冷却水。因此，相关的公用工程管线必须在气体纯化间内留有接口。

2.2.3 过滤器
  半导体生产工艺过程不仅对气体纯度要求十分严格，而且对气体中的颗粒含量也有极高的要求，目前在集成电路芯片生产中，对大宗气体颗粒度的要求通常为：大于0.1μm的颗粒含量为零。而去除颗粒则需采用气体过滤器。
  一般的，经纯化的气体需经过两个串联的过滤器即可达到工艺要求，为方便滤芯更换，往往并联设置两组过滤器组，参见图1。
2.3 气体的品质监测
  大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测，观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测，而对CO、CO2及THC杂质采用间歇监测，测试结果连同其他测试参数（诸如压力、流量等）都会被送往控制室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）系统。
2.4 供气系统的可靠性问题
  由于微电子行业的投入与产出都是非常的大，任何供气中断都会带来巨大的经济损失，尤其对大型集成电路芯片生产厂而言。因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。若采用现场制气方式，往往还需要设置该种气体的储蓄供气系统作备用。
  1）每一种气体的纯化器都需要有一台作备用。
  2）氧气若采用现场制气方式，虽然可以不经纯化而直接供工艺设备使用，但仍应该设置一台纯化器作备用。
  当然，以上这些措施必须会导致气体成本的急剧上升，虽然与供气中断造成的损失相比要小的多，
但这必须要与业主讨论确定。而且，每个项目都有其特殊性，不必强求一步到位，可以考虑在不同的建设阶段逐步实施。
  另外,若有条件采用集中管道供气方式,还需要考察气体供应商的系统设计情况，是否有对供气中断、管路污染等突发事故的预防措施、应急措施和恢复手段。有必要提请业主注意在该种经济便利的供气方式背后潜在的风险。
3 大宗气体输送管道系统的设计
  经纯化后的大宗气体由气体纯化间送至辅助生产层（SubFAB）或生产车间（FAB）的架空地板下，在这里形成配管网络，再由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。以我的设计经验，在设计中要着重考虑以下几个方面。
3.1 配管系统的整体架构
  目前，较为常见的架构有树枝型（图2）和环型（图3）两种。其中又数树枝型最为常用,其架构清晰,且与其它系统的配管架构相似，利于整体空间规划。环型则能较好地保持用气点压力的稳定，但投资较高。因此在设计中应根据用气点的分布情况及用气压力要求综合考虑。例如，笔者在某200mm集成电路芯片生产厂的设计中，大宗气体配管系统均采用树枝型架构。由于该FAB厂房很大，管线较长，而工艺氮气用气点较多，有一些用气点对压力要求也较高，因此对工艺氮气管路系统特别采用了树枝型与环型相结合的方式（图4），环型主管主要保证用气点的压力稳定，其管径可小于树枝型主管的管径，从而降低成本。
3.2 配管系统的灵活性设计
  微电子行业的发展非常迅速，经常会发生工艺设备更新、挪位和新增等状况。即使在整个工厂的建设中，最终的工艺设备分布也会与设计时相去甚远。这种行业的特殊性要求设计必须充分考虑其灵活性（Flexibility），能满足未来的扩展需求。
  配管系统的基本设计原则是在主管（Main）上按一定间距设置支管端（Branch），再在每个支管上按一定间距设置分支管（Branch Take-off）供二次配管使用。另外，主管的管径不必随流量的递减而采取渐缩设计。
  无庸讳言，这种配管系统的确具有充分的灵活性，但由于超高纯气体管路的管件和阀件价格昂贵，该系统的成本之高也是显而易见的。通常，集成电路芯片厂的建设往往会分成若干个阶段，一方面可以缓解一次性投资的巨大资金压力，另一方面也可以根据市场状况作出相应的调整决策。在新厂建设的第一阶段，设计产量往往不是很高，用气点也不是很多，尤其是氢、氩、氧、氦的用气点就更少。因此必须考虑如何来简化该配管系统以降低成本。下面以图5为例，对一些典型的工况作分析：
  工况一：支管I中，用气点a与b均在该支管的最远端，因此无法作简化。即使c与d处目前暂无用气点，但还是应该设置分支管和阀门，以备将来之用。
  工况二：支管II中，用气点e和f的远端没有其它的用气点，则支管线可以分别在e点和f点后结束。注意，支管的终端阀必须带排气口，以供管线延伸使用。
  工况三：支管III的二端都没有用气点，则只在该二端安装带排气口的隔膜阀，以备将来之用。
值得注意的是，工况三在设计中往往会被忽略。另外，主管和支管的终端阀宜采用带排气口的隔膜阀，利于今后可能的扩展。
3.3 管径的设计计算
  管径的选择是基于气体流量的大小，同时也不能忽略气体的压力值对计算的巨大影响。另外，管道中氧气的流速值要低一些，可选用8m/s。
  在芯片厂的设计中，工艺设备的用气量往往会有二个数值，一个是峰值（Peak），一个是均值（Average），而且对不同的设备而言，峰值与均值之间的差异是完全不同的。那么在管径计算中以何种流量作为基准呢？笔者在此给出一些自己的设计经验，以供参考：
  首先，芯片厂中工艺设备的运行方式是间歇式的。在某一设备的运行过程中，会有短暂片刻的用气量达到峰值，而后用气量减小，甚至为零，由此类造成峰值和均值之间会存在很大差异，甚至是几何级的差异。
  对主管而言，可以将所有工艺设备峰值流量的总和乘上系数（一般为0.7-0.8）,来作为流量值,这样计算得到的管径基本上可以满足供气需求。因为不可能FAB中所有的工艺设备在同一时刻同时达到用气峰值,因此没有必要采用峰值总流量作为计算依据,过大的管径只能是浪费金钱。
对于支管乃至分支管而言，则需要根据实际情况作具体分析。如果某分支管用气点较多，则可以沿用主管的处理方法；如果用气点不多，甚至只有一个，则还是以用气点的总峰值流量来计算较为稳妥。
3.4 配管系统的选材
  对于工艺气体而言，由于在芯片生产中需要与芯片接触并参与反应，因此需选用经电解抛光（Electro-Polish）处理的316L不锈钢管，即SS316L EP管，其耐腐蚀性好，表面粗糙度低，Ramax（最大表面粗糙度）<0.7微米。光滑的表面使颗粒无从吸附滞留，从而保证气体的纯度。
对普通氮气而言，由于其并不作为制程中的反应气体，可以选用经光辉烧结（Bright Anneal）处理的316L不锈钢管，即SS316L BA管，也可以采用经化学清洗（Chemical Clean）处理的316L不锈钢管，即SS316L CC管。其Ramax为3-6微米。
3.5 其它设计要点
  在设计中还应遵循国内其他相关规范，如《洁净厂房设计规范》、《氢氧站设计规范》、《供氢站设计规范》等，其中主要的设计要点有：
（1）在主管末端要设计气体取样口，对于氢气和氧气，还需在主管末端设置放散管。放散管引至室外，应高出屋脊1米，并应有防雨、放杂物侵入的措施；
（2）氢气、氧气管道间距问题；
（3）氧气管道及其阀门、附件应经严格脱脂处理，并应设导除静电的接地设施；
（4）氢气管道接至用气设备的支管和放散管，应设阻火器；引至室外的放散管，应设置防雷保护设施；应设导除静电的接地设施。
4 结论
  大宗气体系统的设计是整个半导体工厂设计中的一个重要部分，虽然整个系统的流程并不复杂，但是其中任一环节的疏忽都可能会导致严重的后果。在设计中，必须在供气稳定、连续不中断的前提下，严格保证气体的品质，从而保障整个工厂生产的顺利进行。另外在成本方面也应有所考虑，力求达到安全性与经济性的平衡。