芯片制造設(shè)備優(yōu)化作業(yè)在節(jié)能領(lǐng)域中精益生產(chǎn)應(yīng)用研究

宋英華

（中芯國際集成電路制造（天津）有限公司天津300385）

芯片制造設(shè)備優(yōu)化作業(yè)在節(jié)能領(lǐng)域中精益生產(chǎn)應(yīng)用研究

宋英華

（中芯國際集成電路制造（天津）有限公司天津300385）

半導(dǎo)體芯片制造業(yè)會(huì)使用多種危險(xiǎn)化學(xué)品，設(shè)備反應(yīng)腔內(nèi)部在生產(chǎn)中會(huì)附著各類化學(xué)品和反應(yīng)副產(chǎn)物。設(shè)備反應(yīng)腔維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，會(huì)首先進(jìn)行反應(yīng)腔抽真空和充氮?dú)獯祾邅斫档陀泻怏w濃度。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，芯片制造設(shè)備規(guī)定了不同的參考吹掃次數(shù)。本文針對半導(dǎo)體蝕刻區(qū)域的四類設(shè)備通過現(xiàn)場檢測的方法適當(dāng)減少反應(yīng)腔吹掃次數(shù)。在工廠產(chǎn)能一定的情況下，減少反應(yīng)腔吹掃次數(shù)可節(jié)約維護(hù)保養(yǎng)所需時(shí)間，等效增加產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),減少設(shè)備吹掃次數(shù),可以節(jié)約大量高純氮?dú)夂碗娔?產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)保效益。

芯片制造；吹掃；優(yōu)化；節(jié)能

半導(dǎo)體芯片制造行業(yè)工藝和技術(shù)復(fù)雜，使用到大量有毒、易燃易爆、腐蝕性的化學(xué)品原物料。由于芯片制造的生產(chǎn)過程對環(huán)境和設(shè)備潔凈度有非常嚴(yán)格的要求，所以對于生產(chǎn)設(shè)備的各項(xiàng)定期保養(yǎng)都制定嚴(yán)格的程序。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作程序，在設(shè)備反應(yīng)腔體開啟之前，會(huì)利用真空泵對反應(yīng)腔體進(jìn)行數(shù)十次到數(shù)百次的循環(huán)抽真空和氮?dú)獯祾?，以降低開啟反應(yīng)腔體瞬間腔體內(nèi)有害物質(zhì)的溢散濃度。本文主要通過對不同吹掃次數(shù)下的有害氣體濃度監(jiān)測，評估合理的吹掃次數(shù)，并對其優(yōu)化可行性及其效益分析。

1　芯片制造設(shè)備預(yù)防保養(yǎng)的吹掃流程

半導(dǎo)體芯片制造工藝復(fù)雜，其主要的工序包括清洗、擴(kuò)散、光刻、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、蝕刻、化學(xué)機(jī)械研磨等。半導(dǎo)體芯片制造的每個(gè)各個(gè)工序都會(huì)使用到多種危險(xiǎn)性化學(xué)品。在整個(gè)工藝過程中，設(shè)備反應(yīng)腔和管道內(nèi)部會(huì)附著各類危險(xiǎn)化學(xué)品和反應(yīng)副產(chǎn)物，需定期對這些附著物進(jìn)行清理，對設(shè)備反應(yīng)腔進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，防止影響工藝流程。如果直接打開反應(yīng)腔，則內(nèi)部的化學(xué)品會(huì)散逸到環(huán)境中，對周圍人員造成傷害。為防止這種情況，各類設(shè)備反應(yīng)腔打開前都會(huì)反復(fù)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，即首先用真空泵將反?yīng)腔內(nèi)抽真空，然后充入氮?dú)獾匠?，然后再抽真空，再充入氮?dú)?，反?fù)循環(huán)。經(jīng)過這一過程，反應(yīng)腔內(nèi)可揮發(fā)的各類危險(xiǎn)性物質(zhì)基本可吹掃干凈。

對于不同工藝流程的設(shè)備，反應(yīng)腔開啟前需進(jìn)行的吹掃次數(shù)是不同的，具體次數(shù)由數(shù)十次到上百次不等。設(shè)備的吹掃次數(shù)是設(shè)備廠商依據(jù)設(shè)備類型、使用氣體并結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)等提供的參考值。但對于不同吹掃次數(shù)下的反應(yīng)腔內(nèi)危害氣體濃度并沒有深入研究。本文即使用氣體偵測器測試在不同吹掃次數(shù)下反應(yīng)腔內(nèi)的氣體濃度，進(jìn)而評估在保證人員安全的情況下，制定合理的吹掃次數(shù)。

2　吹掃次數(shù)優(yōu)化方案

本文研究針對芯片制造蝕刻區(qū)的設(shè)備，利用手提式氣體偵測器對不同吹掃次數(shù)下的反應(yīng)腔內(nèi)氣體濃度進(jìn)行檢測，使生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的預(yù)防保養(yǎng)時(shí)間與人員暴露風(fēng)險(xiǎn)取得一個(gè)可接受的平衡點(diǎn)，并計(jì)算在不影響作業(yè)人員健康的前提下可能獲得的多余芯片產(chǎn)出及等效經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

蝕刻區(qū)域的設(shè)備根據(jù)其工藝可分為金屬蝕刻機(jī)臺(tái)、氧化層蝕刻機(jī)臺(tái)和多晶硅蝕刻機(jī)臺(tái)。分別針對以上三個(gè)區(qū)域不同機(jī)臺(tái)。金屬蝕刻的機(jī)臺(tái)分別為Lam（科林）和AMAT（應(yīng)用材料），其標(biāo)志性氣體為HCl（氯化氫）；氧化層蝕刻和多晶硅蝕刻機(jī)臺(tái)都為Lam（科林），標(biāo)志性氣體分別為HF（氟化氫）和HBr（溴化氫）。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)腔開啟前，Lam設(shè)備的吹掃次數(shù)為120次[1]，AMAT設(shè)備的吹掃次數(shù)為60次[2]。

工作人員使用手提式氣體偵測器，對上述的設(shè)備和氣體在不同的吹掃次數(shù)下進(jìn)行檢測，得到各標(biāo)志氣體在不同吹掃次數(shù)下的濃度，其具體濃度值如表1。

表1　蝕刻機(jī)臺(tái)在不同吹掃次數(shù)下的危險(xiǎn)氣體濃度

所監(jiān)測的三種危害性氣體在工作場所的容許濃度分別為HCl：5ppm；HF：2.4ppm；HBr：3ppm。對照表1，可得出使得三種危害性氣體濃度低于容許濃度的最低吹掃次數(shù)分別為HCl:30次（Lam）和5次（AMAT）；HBr:40次；HF:40次。

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，使有害氣體濃度低于容許濃度的吹掃次數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)備經(jīng)驗(yàn)吹掃次數(shù)，即在此吹掃次數(shù)下，反應(yīng)腔打開時(shí)其濃度已處于對人體無害范圍。另外，反應(yīng)腔內(nèi)氣體濃度低于氣體偵測器下限的吹掃次數(shù)同樣遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)吹掃次數(shù)。因此，根據(jù)檢測結(jié)果，適當(dāng)減少反應(yīng)腔開啟前的吹掃次數(shù)是完全可行的，不會(huì)對人體造成傷害。

在自行試驗(yàn)結(jié)果采集的基礎(chǔ)上,請國家有資質(zhì)的認(rèn)證監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核檢測，檢測結(jié)果如表2顯示。因?yàn)闄z測方法與機(jī)理的不同(自測采用電化學(xué)法,外測采用分光法)數(shù)值略有偏差,但總體結(jié)果無明顯影響。為節(jié)約時(shí)間,根據(jù)表2結(jié)果直接從中間段開始。

表2　蝕刻機(jī)臺(tái)外部資質(zhì)單位檢測結(jié)果

基于上述檢測結(jié)果，并考慮到安全管理的保守性原則，將上述LAM和AMAT設(shè)備的吹掃次數(shù)分別減少20次和10次，是完全可行的。此時(shí)，使用手提式氣體偵測器檢測到的殘留氣體濃度均為ND（未檢出），如表3。

表3　建議吹掃次數(shù)

蝕刻區(qū)Lam和AMAT機(jī)臺(tái)每吹掃一次所用時(shí)間約為1min，如果按照表3中的建議次數(shù)進(jìn)行吹掃，Lam機(jī)臺(tái)每次保養(yǎng)可節(jié)約20 min，AMAT機(jī)臺(tái)每次保養(yǎng)可節(jié)約10min，節(jié)約的這些時(shí)間均可轉(zhuǎn)化為機(jī)臺(tái)產(chǎn)量，則反應(yīng)腔每次保養(yǎng)所節(jié)約的時(shí)間，具有一定的等效經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),減少吹掃而節(jié)約下了大量的高純氮?dú)饧半娔?也會(huì)產(chǎn)生節(jié)能環(huán)保效益.因此，維護(hù)過程中適當(dāng)減少腔體吹掃次數(shù)，不會(huì)對人體健康造成危害，還能節(jié)約時(shí)間，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)與節(jié)能環(huán)保效益。

3　結(jié)語

常操作中，直接接觸這些化學(xué)品的機(jī)會(huì)主要是設(shè)備反應(yīng)腔的定期維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)。但由于設(shè)備反應(yīng)腔在開啟前會(huì)反復(fù)進(jìn)行抽真空和充氮?dú)獯祾?，可將反?yīng)腔開啟后的有害氣體濃度控制在對人體無害范圍內(nèi)，保證人員安全。本文使用手提式氣體偵測器，檢測了在不同的吹掃次數(shù)下反應(yīng)腔內(nèi)的有害氣體濃度，對抽真空和氮?dú)獯祾卟僮鞯挠行赃M(jìn)行了驗(yàn)證，然后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和安全保守型原則，得出可適當(dāng)減少吹掃次數(shù)的結(jié)論，并計(jì)算了由此節(jié)約的保養(yǎng)時(shí)間可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能環(huán)保效益。

本文的研究主要針對蝕刻區(qū)域的四類生產(chǎn)設(shè)備，半導(dǎo)體工序的其它區(qū)域的其它類型設(shè)備，還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，雖然根據(jù)檢測結(jié)果，適當(dāng)減少吹掃次數(shù)以后殘留的有害氣體不會(huì)對人體造成危害，但由于半導(dǎo)體生產(chǎn)車間內(nèi)是高度潔凈環(huán)境，殘留的痕量有害氣體是否會(huì)對結(jié)晶環(huán)境造成不利影響，也同樣需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]Performing a Chamber Wet Clean,and Quarterly/Annually Preventive Maintence for the 2300 Versys,Metal HP,and Metal W Process Modules.202-803236-002-C:13.

[2]Dielectric Etch eMax 300mm Centura AP Operations and ProgrammingManual,Version 001:2002 October:291.