關(guān)于半導(dǎo)體、平板顯示行業(yè)特氣系統(tǒng)構(gòu)筑的要點(diǎn)分析

周莉

（南京京東方顯示技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

曾經(jīng)中國電子領(lǐng)域科技之痛是“缺芯少屏”。經(jīng)過十多年飛速發(fā)展，中國已經(jīng)成為全世界最大的顯示屏生產(chǎn)大國。集成電路產(chǎn)業(yè)以其重要的戰(zhàn)略地位逐漸成為國際競爭的主戰(zhàn)場。一方面集成電路技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展步入新階段，為我國集成電路產(chǎn)業(yè)帶來難得的發(fā)展機(jī)遇；另一方面中美高科技博弈逐漸成為中美經(jīng)貿(mào)摩擦的焦點(diǎn)，我國必須盡快實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵產(chǎn)品的自主可控。因此未來五年是我國集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展快車道的關(guān)鍵時(shí)期[2]。特氣在光電行業(yè)中應(yīng)用廣泛，在芯片制造行業(yè)其種類多、用量小，平板顯示行業(yè)種類少、用量大，系統(tǒng)需要根據(jù)不同制造領(lǐng)域使用特征進(jìn)行有針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2 特氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

特氣系統(tǒng)供應(yīng)能力的設(shè)計(jì)需要從供氣設(shè)備的規(guī)格、設(shè)備臺(tái)數(shù)、主管道尺寸三方面來考慮。

2.1 集成電路特氣系統(tǒng)供應(yīng)能力的確定

在目前工藝技術(shù)較為先進(jìn)的半導(dǎo)體晶圓代工廠的制造過程中，全部工藝步驟超過450 道，其中大約要使用50 種不同種類的氣體[3]。總體可按用量大小、不同性質(zhì)分類設(shè)計(jì)規(guī)劃，通過調(diào)研多個(gè)8～12 寸集成電路工廠運(yùn)行實(shí)績，了解各制程設(shè)備用氣機(jī)制，總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)：

2.1.1 集成電路用量大的氣體主要有：NF3（三氟化氮）、SiH4（硅烷）、N2O（笑氣）、NH3（氨氣）、SF6（六氟化硫）、CF4（四氟化碳）、4%H2/N2（氫氮混合氣）。通過調(diào)研國內(nèi)外集成電路工廠生產(chǎn)實(shí)績，這些氣體的需求流量較大，因此建議供氣設(shè)備形式為BSGS(大流量供應(yīng)氣柜)。

2.1.2 集成電路用量小的氣體對(duì)供應(yīng)氣柜的設(shè)計(jì)流量要求不高，供氣設(shè)備的類型選擇Gas Cabinet（氣瓶柜，Toxic Gas 危害性氣體選擇）或Gas Rack（氣瓶架，Non-Toxic Gas 無危害性氣體選擇）即可滿足需求。

2.2 平板顯示特氣系統(tǒng)供應(yīng)能力的確定

平板顯示主要細(xì)分為TFT-LCD、AMOLED 領(lǐng)域，未來為了滿足4K/8K 超高清、柔性顯示需求，高世代TFT（特別是金屬氧化物顯示技術(shù)）、G6 代及以上AMOLED 是未來重點(diǎn)投資建設(shè)方向。

2.2.1 高世代TFT-LCD 顯示

高世代TFT-LCD 使用的特氣有：SiH4（硅烷）、NH3(氨氣)、NF3(三氟化氮)、Cl2（氯氣）、N2O(笑氣)、H2(氫氣)、SF6(六氟化硫)、1%PH3/H2(磷烷混氫氣)等。各個(gè)氣體的設(shè)計(jì)供應(yīng)流量大小可以按照UM 流量乘以同時(shí)使用系數(shù)來確定，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

2.2.1.1 SiH4（硅烷）、NF3（三氟化氮）、N2O（笑氣）、H2（氫氣）、1%PH3/H2（磷烷混氫）、NH3(氨氣)這些CVD（氣相沉積鍍膜）使用的氣體，因?yàn)橥瑫r(shí)用氣腔室數(shù)不超過3 個(gè)，通常建議按照UM Total Peak Flow 的65%～75%設(shè)計(jì)系統(tǒng)供應(yīng)能力；如國內(nèi)某高世代IGZO-TFT 工廠選擇的使用系數(shù)為70%。

2.2.1.2 Cl2（氯氣）、CHF3（三氟甲烷）、SF6（六氟化硫）這些Dry Etch（干刻蝕）使用的氣體，依照經(jīng)驗(yàn)通常建議按照UM Total Peak 的50%～60%規(guī)劃。如國內(nèi)某高世代IGZO-TFT 工廠選擇的使用系數(shù)為55%。

2.2.2 AMOLED 顯示

AMOLED 顯示使用的特氣有：SiH4（硅烷）、NH3(氨氣)、NF3(三氟化氮)、Cl2（氯氣）、N2O(笑氣)、H2(氫氣)、SF6(六氟化硫)、20%PH3/H2(磷烷混氫氣)、C2HF5(五氟乙烷)、BCl3（三氯化硼）、4.5%HCl/H2/Ne（氯化氫混氫混氦）、100ppm H2/Ne（氫氦混合氣）、Xe（氙氣）、P-He（制程用高純氦氣）、P-CO2(制程用二氧化碳)、BF3(三氟化硼)、5%B2H6/H2(乙硼烷混氫)、5%TMB/H2(三甲基硼混氫)等。下面通過區(qū)分具體制程設(shè)備進(jìn)行分析：

2.2.2.1 SiH4（硅烷）、NH3(氨氣)、NF3(三氟化氮)、N2O(笑氣)、H2(氫氣) 這些CVD(氣相沉積鍍膜)、EVA（封裝鍍膜）設(shè)備使用的氣體，用氣量大、流量多，建議供氣設(shè)備選擇BSGS，使用系數(shù)要略低于高世代TFT-LCD 的特氣系統(tǒng)，通常建議取55%～65%，如國內(nèi)某AMOLED 工廠選擇的系數(shù)為60%。

2.2.2.2 Cl2（氯氣）、SF6(六氟化硫)、C2HF5(五氟乙烷)、P-CO2(制程用二氧化碳)等Dry Etch（干刻蝕）設(shè)備使用的氣體，用氣量略少、流量略低，建議供氣設(shè)備也還需要選擇BSGS，使用系數(shù)比上述CVD 和EVA（封裝鍍膜）略低，通常建議取40%～50%，如國內(nèi)某AMOLED 工廠選擇的系數(shù)為45%。

2.2.2.3 ELA（準(zhǔn)分子退火）設(shè)備使用的氣體4.5%HCl/0.9%H2/Ne（氯化氫混氫混氦）、100ppm H2/Ne（氫氦混合氣）、Xe（氙氣）、P-He（制程用高純氦氣），由于制程設(shè)備要求供應(yīng)距離不大于30 米（供氣純度極度苛刻）、用氣需求流量不大，建議直接選擇Gas Cabinet（氣瓶柜）在Sub-Fab（潔凈室下夾層）本地供應(yīng)。Gas Cabinet（氣瓶柜）的設(shè)計(jì)供應(yīng)流量應(yīng)滿足制程設(shè)備單點(diǎn)峰值流量需求（特殊的用氣機(jī)制：每日在極短時(shí)間瞬時(shí)用氣，其它時(shí)間不用氣）。

2.2.2.4 BCl3由于是低蒸汽壓狀態(tài)，對(duì)加熱系統(tǒng)、供應(yīng)穩(wěn)定性安全性要求極其嚴(yán)格。如果采用Y 瓶+BSGS 遠(yuǎn)距離供應(yīng)，后期運(yùn)行容易導(dǎo)致管道堵塞、壓力不足、品質(zhì)異常等問題，為確保供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性，建議直接在Sub-Fab 用Gas Cabinet（氣瓶柜）進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單腔室供應(yīng)，Gas Cabinet（氣瓶柜）的供應(yīng)能力滿足單腔室流量需求即可。

2.2.2.5 20%PH3/H2(磷烷混氫氣)、5%B2H6/H2(乙硼烷混氫)、5%TMB/H2(三甲基硼混氫) 、BF3(三氟化硼)這些氣體應(yīng)用于一些特殊工藝制程設(shè)備，用氣量和供應(yīng)流量需求均不是很大，一般Gas Cabinet（氣瓶柜）的供應(yīng)能力足以滿足生產(chǎn)需求。

2.3 特氣系統(tǒng)供應(yīng)管徑的確定

由于供應(yīng)的氣體性質(zhì)有自燃性、易燃性、強(qiáng)腐蝕性、壓縮氣體、低壓蒸汽等，需合理控制氣體的供應(yīng)流速，才能確保安全穩(wěn)定供應(yīng)，因此管徑選擇可參考表1。

表1 不同性質(zhì)氣體供應(yīng)流速參考表

由于供應(yīng)的特氣種類較多，特定特殊氣體的流量與管徑的關(guān)系目前研究還存在較多不足，特氣系統(tǒng)建設(shè)方人員不能準(zhǔn)確計(jì)算，推薦簡便計(jì)算方法如下：

根據(jù)空氣流量對(duì)應(yīng)管徑的關(guān)系（表2），能快速得出介質(zhì)為空氣的管道直徑，考慮到供應(yīng)氣體的特性、安全冗余，將上述管徑放大一個(gè)規(guī)格，以此確定特氣管道直徑。

表2 介質(zhì)為空氣的管道流量與管徑的對(duì)照表

3 特氣站的空間規(guī)劃

3.1 特氣容器包裝形式的確定

特氣容器包裝形式的選定需要從特氣供應(yīng)流量、氣體包裝量、更換頻率、物流納期等統(tǒng)籌考慮，通常氣體更換作業(yè)用時(shí)為兩日（氣體下線→氣體待命上線），同時(shí)應(yīng)盡可能減少氣體更換頻率，降低頻繁更換氣體帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇單瓶使用時(shí)長超過兩日以上的容器。

3.2 特氣站房布局

集成電路、平板顯示使用的用量大的氣體，其容器包裝形式以Y-Cylinder（470L 臥式氣瓶）或Tube Trailer（管束車）為主，其中SiH4（硅烷）需按照國家標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立建站，其它氣體可按照性質(zhì)設(shè)置在特氣站。為減少運(yùn)行時(shí)人員接觸泄漏氣體的風(fēng)險(xiǎn)，較好的保護(hù)供氣設(shè)備，建議將特氣站規(guī)劃為上中下三部分，中央部分為供氣設(shè)備和點(diǎn)檢通道，上部為槽車/管束車供應(yīng)間，下部為Y 瓶或47L 氣瓶供應(yīng)間，如圖1。

圖1 典型的特氣站布局示意圖

3.3 生產(chǎn)輔房特氣供應(yīng)間布局

集成電路工廠特氣系統(tǒng)中用量小但種類繁多的氣體，需按照氣體性質(zhì)規(guī)劃特殊可燃?xì)怏w供應(yīng)間、易燃易爆氣體供應(yīng)間、毒性/腐蝕性氣體供應(yīng)間、惰性氣體供應(yīng)間、Sub-Fab（潔凈室下夾層）本地供應(yīng)五類供應(yīng)區(qū)間。

3.4 其它容易忽略的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

3.4.1 特氣站房宜設(shè)置叉車充電間，布置氫氣氣體偵測器，確保叉車充電安全；

3.4.2 氨氣的雨霧噴淋系統(tǒng)噴淋后的含氨廢水需避免通過長距離管道輸送至廢水站因沉降引發(fā)管道破損造成土壤環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。建議以下形式：

a.容器為槽車時(shí)，對(duì)地坪承重要求高，宜將液氨廢液收集罐設(shè)置在室外，收集罐的容量應(yīng)大于氨氣供應(yīng)間的液氨最大存儲(chǔ)量，收集罐和收集坑應(yīng)進(jìn)行防腐防滲漏處理(如圖2）。

圖2 室外液氨廢水收集系統(tǒng)示意圖（適宜供應(yīng)間承重要求高的槽車供應(yīng)系統(tǒng)）

b.當(dāng)氨氣容器為930L T 瓶時(shí)，地坪承重要求不高，可將氨氣供應(yīng)間建設(shè)為沉降式結(jié)構(gòu)，沉降的應(yīng)急收集池容量應(yīng)大于氨氣供應(yīng)間液氨的最大存儲(chǔ)量，收集池和收集坑內(nèi)表壁進(jìn)行防腐蝕防滲漏處理（如圖3）。

圖3 室內(nèi)沉降液氨廢水收集系統(tǒng)示意圖（適宜采用T 瓶氨氣罐的供應(yīng)間）

4 供氣設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 Vent Line（排放管路）

業(yè)內(nèi)硅烷供應(yīng)系統(tǒng)的Vent 較多采用Burn Tube 形式（如圖4），易出現(xiàn)硅烷排放堵塞、Burn Tube 內(nèi)燃爆等異常，因此建議采用氮?dú)庀♂寣?duì)高空排放的方式（如圖5），其中采用氮?dú)鈱⒐柰檫M(jìn)行稀釋，硅烷的排放采用限流措施排放、氮?dú)獾牧髁客ㄟ^流量計(jì)進(jìn)行控制；當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁慨惓？蓪⑿畔⒎答伣oBSGS(大流量供應(yīng)氣柜)進(jìn)行安全聯(lián)鎖，停止硅烷氣體排放，確保硅烷排放的安全穩(wěn)定可靠。

圖4 Burn Tube 式

圖5 氮?dú)庀♂尭呖张欧攀?/p>

4.2 供氣設(shè)備的JT-Heater（焦耳-湯普生效應(yīng)加熱器）

部分高壓氣體經(jīng)過減壓閥會(huì)發(fā)生焦耳-湯普生效應(yīng)（溫度驟降甚至液化），為此通常在BSGS 供應(yīng)管線加入JT-Heater，其屬于比較昂貴的部件，功率越大成本越高，而集成電路和平板顯示制造工廠產(chǎn)量爬坡周期長，因此需特別注意特氣系統(tǒng)承建商的選型，避免因節(jié)約成本而選定加熱器功率偏小導(dǎo)致供應(yīng)氣體降溫甚至液化引發(fā)斷供。

結(jié)束語

集成電路、平板顯示制造工廠產(chǎn)品更新迭代不斷加快，為了使特氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加安全、穩(wěn)定成本更優(yōu)，就需要我們不斷總結(jié)工作中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，分享成果，為行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。