半導(dǎo)體制造設(shè)備排氣通風(fēng)設(shè)計及仿真

史 霄，楊 師，楊元元，費玖海

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京100176)

半導(dǎo)體清洗設(shè)備中會使用多種化學(xué)液，以CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）后清洗設(shè)備為例，常用的化學(xué)試劑包括氨水、雙氧水、HF 等，均屬于易揮發(fā)、對人身體健康有危害的危險化學(xué)品。設(shè)備的排氣通風(fēng)設(shè)施主要是由FFU（空氣過濾單元）、排氣管道、調(diào)節(jié)風(fēng)閥等構(gòu)成，主要實現(xiàn)兩方面的功能，一是引導(dǎo)設(shè)備中氣流的方向從設(shè)備中的潔凈區(qū)域流向非潔凈區(qū)域，使得非潔凈區(qū)域產(chǎn)生的顆粒物不會污染產(chǎn)品；另一方面是將揮發(fā)的危險氣體通過排風(fēng)系統(tǒng)抽走，與廠務(wù)端的廢氣處理系統(tǒng)連接，統(tǒng)一對其處理，使危險氣體不會逸散到周圍環(huán)境中對設(shè)備操作人員產(chǎn)生身體健康危害。前者為設(shè)備需滿足的功能性要求，決定了清洗設(shè)備所能達(dá)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(yán)苛，所以排氣通風(fēng)設(shè)計需要對設(shè)備內(nèi)顆粒物的流向進(jìn)行嚴(yán)格控制，不能使其流向晶圓傳輸區(qū)域。另一項要求為安全強(qiáng)制性要求，需滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而為安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、人身健康提供保障。

1 SEMI S6 標(biāo)準(zhǔn)介紹

SEMI 標(biāo)準(zhǔn)是國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會為半導(dǎo)體制程設(shè)備提供的一套實用的環(huán)保、安全和衛(wèi)生準(zhǔn)則，適用于芯片制造、組裝和測試的所有設(shè)備。其中SEMI S2 標(biāo)準(zhǔn)是SEMI 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于安全的標(biāo)準(zhǔn)體系。晶圓代工廠在采購設(shè)備時，都會要求設(shè)備必須通過SEMI S2 安全認(rèn)證。SEMI S2 是一系列安全標(biāo)準(zhǔn)的綱要，主要包含S3-工藝液體加熱系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)；S6-半導(dǎo)體制造設(shè)備排氣通風(fēng)安全標(biāo)準(zhǔn)；S22-半導(dǎo)體制造設(shè)備電氣設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)；F47-電壓瞬降測試等。S6 標(biāo)準(zhǔn)[1]提供了半導(dǎo)體制造設(shè)備的排氣通風(fēng)安全性能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計原理以及評估此標(biāo)準(zhǔn)的測試方法。本文從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、性能標(biāo)準(zhǔn)、測試方法等方面進(jìn)行介紹。

1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

排氣通風(fēng)系統(tǒng)由封閉箱體和連接風(fēng)管組成，其材質(zhì)應(yīng)與設(shè)備所使用的化學(xué)液或氣體無任何化學(xué)反應(yīng)。以CMP 后清洗設(shè)備為例，清洗模組使用的化學(xué)品多為低濃度的酸堿溶液，排風(fēng)管道采用PP 材質(zhì)；干燥模組會使用IPA 氣體進(jìn)行晶圓干燥，IPA 為易燃有機(jī)溶劑，相關(guān)排風(fēng)管道采用不銹鋼管道。在風(fēng)管連接點處應(yīng)提供風(fēng)量閥門，作為排風(fēng)壓力及流量的調(diào)節(jié)裝置。設(shè)備維修保養(yǎng)時所需排氣通風(fēng)設(shè)施也應(yīng)該納入系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)備端無需提供低于-375 Pa 靜壓的能力，如果需要，由使用設(shè)備的廠務(wù)端提供。

1.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

首先應(yīng)確定設(shè)備中有害氣體的釋放及產(chǎn)生率。須針對正常運行、保養(yǎng)、失效（例如化學(xué)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(xiàn)的單一故障狀況在設(shè)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(shè)備設(shè)計時應(yīng)包含可在排氣通風(fēng)能力完全喪失時降低其風(fēng)險的措施，例如切斷化學(xué)品供應(yīng)，排放化學(xué)品等。例如可在排風(fēng)管道連接處安裝壓力傳感器監(jiān)測排氣通風(fēng)系統(tǒng)靜壓，當(dāng)壓力不滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，利用安全聯(lián)鎖裝置切斷化學(xué)品供應(yīng)。排氣通風(fēng)設(shè)計應(yīng)確保在設(shè)備正常運行時危險氣體在工作區(qū)域的濃度符合SEMI S2 呼吸空氣標(biāo)準(zhǔn)，可燃?xì)怏w在密閉箱體累計濃度低于LFL(可燃范圍下限)的25%。針對可燃?xì)怏w，設(shè)備中可設(shè)置濃度監(jiān)測傳感器，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超出安全范圍時，利用安全聯(lián)鎖裝置切斷其供應(yīng)。

1.3 測試方法

SEMI S2 針對不同作業(yè)設(shè)備制定了不同的毒性材質(zhì)暴露標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)及不同的釋放率進(jìn)行排氣通風(fēng)性能測試。在環(huán)境允許的情況下，可用工藝制程中的相關(guān)氣體作為樣品進(jìn)行測試，如果出現(xiàn)無法接受的風(fēng)險，可用釋放率不低于相關(guān)物質(zhì)的追蹤氣體進(jìn)行測試。測量相關(guān)物質(zhì)濃度的取樣時間應(yīng)與OEL (職業(yè)暴露限值——指定時間內(nèi)工作人員可暴露空氣中某種物質(zhì)的最大濃度) 一致。取樣位置應(yīng)能代表最槽狀況、實際呼吸區(qū)以及潛在點火源位置。

2 利用流體仿真軟件驗證排氣通風(fēng)有效性

在設(shè)備設(shè)計階段，為了確認(rèn)設(shè)計的排氣通風(fēng)系統(tǒng)是否有效，以及評估設(shè)備內(nèi)部氣流流向，可以使用流體仿真軟件對設(shè)備三維模型進(jìn)行仿真模擬，通過仿真結(jié)果可以直觀地反應(yīng)設(shè)備內(nèi)部的壓力、氣體流向等，用來初步評判排氣通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計有效性。

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

箱體結(jié)構(gòu)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(fēng)險，如圖2 所示。箱體下方設(shè)置有排風(fēng)口，用來抽走箱體中化學(xué)液噴淋產(chǎn)生的危害氣體。現(xiàn)已知化學(xué)品的用量，需要通過仿真分析排風(fēng)口的管徑設(shè)計能否使箱體保持負(fù)壓，從而保證無危害氣體溢出。

圖1 刷洗箱體結(jié)構(gòu)

圖2 刷洗縫隙及排風(fēng)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(jìn)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(lián)通，可將其壓力設(shè)為環(huán)境壓力101 325 Pa。排風(fēng)口與廠務(wù)排氣管路連接，相對壓力一般為-500 Pa，因此設(shè)置其壓力為100 825 Pa?；瘜W(xué)液使用流量為2 L/min，濃度1%，可計算其揮發(fā)速度為3e-5m3/s，因此將箱體底面設(shè)置為入口體積流量3e-5m3/s。

采用SolidWorks Flow Simulation 軟件進(jìn)行仿真計算，F(xiàn)low Simulation 是一款計算流體力學(xué)（CFD）軟件，該軟件與Solidworks 緊密集成，使得CAD 與CFD 達(dá)到無縫集成的效果。在軟件中設(shè)定邊界條件以及求解目標(biāo)，最終求解得出收斂的結(jié)果[2]。圖4 為槽內(nèi)的壓力分布切面圖以及縫隙處的表面參數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)大氣壓，且體積流量為正值0.0014 m3/s，說明排風(fēng)口可以將槽內(nèi)的壓力控制在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之下，且無氣體溢出。圖5 為槽內(nèi)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(nèi)，也說明無氣體溢出。

圖4 壓力分布切面圖及表面參數(shù)

圖5 槽內(nèi)流動跡線圖

3 結(jié)束語

總之，設(shè)備排氣通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計可以依據(jù)設(shè)計師的經(jīng)驗，在設(shè)計階段確定排氣通風(fēng)管路的位置及管徑大小，通過流體仿真軟件可以模擬設(shè)備或模塊氣流的狀態(tài)，從而對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)SEMI S6 中的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備進(jìn)行實際測試，驗證了排氣通風(fēng)設(shè)施的有效性。