半导体代工厂的特气供应系统探讨

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1、半导体代工厂的特气供应系统探讨彭志辉，黄其煜（上海交通大学微电子学院，上海200030）摘要：对在半导体晶圆代工厂中应用的特种气体及气体的不同特性进行了分类和讨论，进而对特种气体在晶圆厂的主要供应流程及其要点进行了阐述，并且对在晶圆厂有着重要作用的关键管件及重要设计进行了探讨。关键词：晶圆代工；特种气体；大宗气体；阈限值中图分类号：O613.1文献标识码：B文章编号：1003-353X(2005)08-0038-031引言在目前工艺技术较为先进的半导体晶圆代工厂的制造过程中，全部工艺步骤超过450道，其中大约要使用50种不同种类的气体。一般把气体分为大宗气体

2、(BulkGas)和特种气体(SpecialGas)两种。大宗气体一般是指集中供应且用量较大的气体，涵盖制程用气如PO2,PAr,PH2,PHe，以及非制程用气如CDA,IA,GN2等。特种气体主要有各种掺杂用气体、外延用气体、离子注入用气体、刻蚀用气体以及其他广为各种制程设备所使用的惰性气体等。如扩散工艺中作为工艺腔清洁所用的ClF3，干层刻蚀时常用的CF4,CHF3与SF6等，以及离子注入法作为n型硅片离子注入磷源、砷源的PH3和AsH3等[1]。从以上的应用可以看出，气体在半导体晶圆代工厂有着非常重要的作用。因为各种气体的特性不同，所以要设计出不同的气

3、体输送系统来满足各种不同制程设备的需求。本文主要讨论特种气体的分类、供应和相关的关键管件等。2特气的分类半导体制造业所使用的特种气体一般按其使用时的特性见图1，可分为五大类[2]，（1）易燃性气体把自燃、易燃、可燃气体等都定义为这类气体。如常温下的SiH4气体只要与空气接触就会燃烧，当环境温度达到一定时，PH3与B2H6等气体也会产生自燃。可燃易燃气体都有一定的着火燃烧爆炸范围，即上限、下限值。此范围越大的气体起爆炸燃烧危险性就越高，如B2H6的爆炸上限为98%，爆炸下限为0.9%。属于易燃气体有H2,NH3,PH3,DCS,ClF3等等。（2）毒性气体（T

4、oxicGas）：半导体制造行业中使用的气体很多都是对人体有害、有毒的。其中又以AsH3,B2H6,PH3等气体的毒性最大，它们的阈限值TLV（ThresholdLimitedValve）分别只有50×10-9,100×10-9,300×10-9。这些气体在工作环境中的允许浓度极微，因此在贮存、输送以及使用的过程中都要求特别的小心。一般都应该采取特定的技术措施来控制使用这些气体。NO,C4F6,C5F8,NF3,CH3F等都属于毒性气体。（3）腐蚀性气体（CorrosiveGas）：这些腐蚀性气体通常同时也兼有较强的毒性。腐蚀性气体在干燥状态下一般不易侵蚀金

5、属，但在遇到水的环境下就显示出很强的腐蚀性，如HCl,HF,PCl3,SiF4,ClF3，WF6等。（4）惰性气体(InertGas)：隋性气体本身一般不会直接对人体产生伤害，在气体传输过程中，相对于安全上的要求不如以上其他气体严格。但惰性气体具有窒息特性，在密闭空间若发生泄漏会使人窒息而造成工伤事故。属于这类的气体有C2F6,CF4,SF6,CHF3等。（5）氧化性气体（OxideGas）：这类气体有较强的氧化性，一般同时具有其他特性，如毒性或腐蚀性等。属于这类的气体有ClF3,Cl2,NF3等。3特气供应系统高纯工业气体的供应方式一般有多种，如现场制气，

6、用管道输送供气，槽车输送供气，外购气体钢瓶或钢瓶组输送供气等。具体采用哪种供气方式，设计人员主要考虑的因素是工厂的生产规模和用气要求以及周边地区的气体供应状况等。综合所有条件经过认真的技术经济比较后方可确定。我们的设计原则是既要做到确保供气质量、运行管理方便，还要降低产品的生产成本，以便安全、可靠、高效地供应气体。对于晶圆代工厂的特种气体的供应方式，目前应用最为广泛的是采用外购气体钢瓶或钢瓶组来输送供气。因为它具有投资较少，使用方式灵活的优点，电耗及制气成本相对也比较低廉。但在气体输送的过程中气体比较容易受到污染，这就要求整个供应系统得到严格的管理和维护。图

7、2为典型的晶圆代工厂的特种气体输送系统简图。气瓶柜一般集中设置在主体厂房一楼的气体房内，在气体房中技术人员要进行钢瓶更换和日常的维护保养工作。对于毒性气体还要求设有各种废气处理装置Scrubber(洗刷柜)，以便及时处理各种作业过程中产生的有毒气体，处理后的尾气再进入中央处理装置（CentralScrubber）,以确保工作环境的安全。特种气体从气瓶GC（GasCylinder）出发先经过各种阀、配件以及压力调节器（PressureGegulator）等，由特殊气体输送管道供应到位于厂房二楼Sub-Fab的多个阀分配柜VMB（ValveManifoldB

8、ox）中。然后制程气体再由VMB的各个stick点供