摘要：本文介绍了半导体制造中的气体系统、化学品系统、超纯水系统、冷却水系统的特点及应用，以便更好保障生产。

    关键词：大宗气体 特气 化学品 超纯水 冷却水

    1 引言

    近年来，半导体销售大幅增长，芯片产业复苏经实实在在的到来。而此次复苏的动力，一是消费电子的需求，其中亚洲市场的强劲需求尤为突出；二是地域扩张效应，其中中国经济的快速增长导致亚太地区产生的波浪延伸效应尤为重要，中国已日益成为世界晶圆代工的基地。正是在这样一个背景下，中国国内的晶圆生产线的建设也是方兴未艾，此起彼伏。目前国内已经有了多条6”以上的晶圆生产线，涌现了一批朝阳在望的公司，如中芯国际、上海宏力、华虹NEC、苏州和舰、上海先进、华润上华等。其中中芯国际已在筹建12”晶圆生产线。产业的兴旺必然带来竞争的加剧，各方都在不断增加产能，扩充规模，半导体产业陷入了一个尖端技术的更迭战。为了赢得竞争，除了不断提升技术等级、产量、改进设备外，动力供应的可靠、优质、经济也是半导体公司可以考虑的竞争因素。圆片制造中设备需要的气体、纯水、化学品、冷却水都是通过管路输送的，优质的产品依赖于优质的动力源，为了满足工艺要求，必须充分考虑上述输送系统的运行稳定，输送介质的高质量。本文就是对这四个系统作一些探讨。

    2 系统介绍及应用

    2．1 气体输送系统

    半导体生产中的气体分为两类。一类是用量较大的大宗气体输送系统，包括了压缩空气、氮气、氧气、真空、氢气等。另一类是用量较小的特殊气体输送系统，其中惰性气体主要有Ar、He、SF6、C02、CF4、C2F6、C4F8、CH3F；可燃气体主要有Sill4、SiH2C12、CH3、C2H2、CO、PH3；腐蚀性气体C12、HCl、NH3、F2、HBr、WF6、BF2、BCl3、SiF4、SICl4。对于大宗气体来讲，一方面必须根据规划项目消耗总量的要求，来选择合理的配套，站房的配置、布局必须考虑经济性、稳定性，布局必须考虑设计规范要求，并便于今后运行的操作及维护，设立空压站、真空站、氮站、氢氧站等动力站(其常见流程见图1)。

    另一方面，随着科学技术的发展，线宽越做越小，其对气体纯度、颗粒度、杂质含量以及露点的要求也越来越高。表1是各种线宽下对超纯氮气的要求。

    对于特殊气体来讲，气体品种多，有毒有害气体多，原来是一机台配一气柜，高昂的装备组合和维修费用大大增加了投资成本，且有的还布置在工艺间内，存在着泄漏的安全隐患。现在广泛采用集中供气系统(图2)。

    气柜集中，自控系统不断完善，其报警、喷淋、切换、吹扫多较为成熟，特气间也与工艺间隔离，并对房间有防爆要求，工作的安全睦大大提高。

    所有气体均需通过管路输送到设备用点，为了达到工艺对气体的质量要求，在气体出口指标一定的情况下，则更需重视配管系统的材料选用和施工质量。表2是各种线宽下超纯气体材料的选用。

    从上看出管件规格愈来愈精细。BA是(Bright Anneal Treatment)辉光烧钝退火处理，EP是(Electro Polish)电极抛光。管内表面粗糙度是衡量管材质量的标准。粗糙度越低，其颗粒携带可能性大大降低。另外阀门必须经氦泄漏测试。在设备终端根据工艺对气体的压力及颗粒要求，选择调压阀和过滤器，其材质应与管材匹配。一般来说，特气的过滤器应选择316L滤膜的气体过滤器，超纯的氮气、氧气、氢气可选择PTFE滤膜的气体过滤器，因为相对来讲，316L滤膜溶出物较少，且可承受较高压力，符合特气输送的实际情况。

    从施工方面来讲，管道焊接必须采用氩气保护自动轨道焊，氩气纯度应≥99．9999％，露点≤-70℃，颗粒0．1μm。通过气体保护，管道内表面的焊缝可以形成均匀的焊点，保证内表面粗糙度，同时因保护气体的存在，可以阻止氧化铁的形成。自动焊接应做到无尘埃、无外泄、无死角、无逸气、无腐蚀、无钝化。焊接需在1000级的洁净室内进行。

    从上看出，系统的流程设计、材料选用及安装技术决定了气体最终质量。

    2．2 化学品输送系统

    在圆片制造过程中，会用到各种化学品。早期的化学品是在洁净区内通过人工倒人的，这样既消耗了人力，生产效率也不高，最主要是操作不慎漏在地面上，影响了洁净区的环境。为了改变这种状况，现在化学品自动供应系统已被广为应用(其流程见图3)。

    为了保证化学品的充分混合，泵一直在打循环。化学品输送的过滤器必须考虑：

①化学兼容性；

②溶出物为了保证化学品纯度，对于一般的溶液，滤芯可采用PTFE，对于H2S04、H3P04必须采用带PFA支撑的滤芯；

③过滤效率及过滤精度过滤精度一般为线宽的1／2-1／3。

输送管及阀门采用PFA(可溶性聚四氟乙烯)材质，其有卓越的耐化学腐蚀性，对所有的化学品都耐腐蚀，有“塑料王”之称，且抗蠕变性较好，拉伸强度高。

另外，化学品输送必须考虑安全性。

    2.3 超纯水系统

    超纯水主要应用于半导体生产中圆片的清洗，且用量较大，其制程也较为复杂(其流程见图4)。

    为满足工艺设备对水质的要求，必须考虑输送材料、流速、合理的输送系统设计。

    在材料选择方面，广泛应用PVDF(聚偏氟乙烯)管和PVDF隔膜阀。PVDF耐温范围较大：-30℃-120℃，耐震耐压，重量轻，与其它的聚合物相比，有突出的机械强度、硬度和抗蠕变性、优秀的抗化学性和抗析出性，不易产生细菌。另外回水管在考虑投资成本的情况下，可采用PPH管。表3是各种线宽下超纯水的指标要求。

    为抑制超纯水系统中细菌的产生，其系统必须是一个一直流动的系统，即送回水管路组成，且2m／s≤设计流速≤3m／s,另为保证设备终端前的水质及水压的平衡，推荐采用每台设备循环的同程式系统(其流程见图5)。

    2．4 冷却水系统

    半导体生产中，需注人品质优良的水在机内循环，保证设备正常运行及节水目的。对水温也有一定要求，需恒温15℃、20℃的水，因此需提供恒温冷却水系统。(其流程见图6)

    在冷冻水管上加调节阀，通过感应出水温度自动调节开度，来达到水恒温的目的。通过水泵的变频调节，保证输出压力，并达到节电的效果。
另外为了保证水质，防止结垢，推荐使用纯水作为补充水。在出口加水过滤器，保证颗粒要求。同时为提高冷却效率，板式换热器及输送管材质选用不锈钢。为保证水力平衡，系统也可考虑采用同程式。

    3 结语

    以上输送系统对半导体生产有着至关重要的作用，我们需重视系统的各个环节，不断优化与改进系统，为圆片的高质量、高产量生产提供强有力的保证。