300mm半导体代工厂的化学供应系统探讨

300mm半导体代工厂的化学供应系统探讨

张云秀，黄其煜

（上海交通大学微电子学院，上海２０００３０）

１引言

进入２００５年以来，随着大陆半导体行业的继续发展，３００ｍｍ芯片生产线在大陆也已开始上马。中芯国际已建一条３００ｍｍ生产线，在建两条３００ｍｍ生产线；华虹ＮＥＣ在建一条３００ｍｍ芯片生产线；海力士 意法在建一条３００ｍｍ生产线等［１］。相对于传统的２００ｍｍ或１５０ｍｍ生产线，３００ｍｍ芯片生产线由于晶圆面积很大，是２００ｍｍ的２.２５倍，可以进一步降低每个芯片单元的生产成本，但是也由于面积的因素，生产线的任何问题都有可能造成极大的损失。同时，由于制程的不断发展，线宽越来越窄，工艺的要求也越来越高，这些因素都对厂务各系统的无故障运行能力提出了更高的要求。

厂务的气体、化学（包括研磨浆料系统）和纯水系统为整条生产线提供气体（特气和大宗气体）、化学品和纯水，它们与芯片直接接触，所以这些系统被称为制程相关系统。制程相关系统的稳定与否直接关系到生产线制造是否正常。本文将重点介绍３００ｍｍ厂务化学系统的分类、架构、品质控制、安全设计并且将对设计进行探讨。

２定义和分类

厂务化学系统是为生产线提供一年３６５天无中断化学品供应的系统。本文所定义的化学供应系统包括研磨浆料系统，简而言之，是由厂务化学课（气化课）负责的系统。厂务化学系统所供应的化学品一是要达到一定量（大量的机台使用该化学品或单个机台用量很大），二是要具有长距离（如１００ｍ）输送不易变质的特点。一般供应到湿法清洗、黄光、ＣＭＰ、零部件清洗等部门。

按照所供应的化学品的种类不同，厂务化学系统一般可分为三大类，即化学研磨液系统、有机溶剂系统和酸碱系统。

（１）化学研磨液系统。供应到ＣＭＰ去的、用于研磨的化学浆料称为化学研磨液。此类化学品中，微小颗粒如二氧化硅或氧化铁悬浮在液体中，组成悬浮液。

（２）有机溶剂。一般是指具有自燃性或易燃性的有机化学品，如丙酮、ＩＰＡ（异丙醇）等。有机溶剂一般用于清洗，供应柜统一放于防爆间内。

（３）酸碱化学品。酸碱化学品系统是指负责供应酸碱盐溶液的系统。由于芯片厂的工作对象是硅晶片，能在硅晶片上蚀刻图形的大多是酸碱性的溶液或气体，如氢氟酸、硫酸等。酸碱系统是厂务化学系统中化学品种类最多的一个大类。显影液虽然是有机化学品，但是由于它的特性与一般化学品比较类似，所以把显影液也归类于酸碱化学品，供应柜放在化学房内。

３基本构成

传统的晶圆代工厂厂务化学系统和ＬＣＤ厂的厂务化学品供应系统类似。其两大特点是：一为供应系统不对供应的化学品产生污染；二是要配合生产线作无中断供应。从组成上说，化学供应系统主要是由供应柜（ｃｈｅｍｉｃａｌｄｉｓｐｅｎｓｅｍｏｄｕｌｅ，ＣＤＭ）部分、管路供应部分和监控部分构成。图１是供应柜和管路供应的示意图。

供应柜部分位于厂务区域，一般与生产线在同一栋楼，不同楼层。由泵、阀门、过滤器及其他设备构成，主要作用是将化学品从容器中输送到管路供应系统。管路供应部分则负责将化学品从化学房输送到位于无尘室的阀箱，主要是由管路和阀门箱（ＶＭＢ）构成。它联系着化学品供应系统的源头---供应柜和尽头---二次配。

监控部分具有控制和报警功能，它负责维持化学系统２４ｈ正常运作；当系统出现问题时，提供警报。现在比较常用的有以ＡＢＰＬＣ（可编程逻辑控制器）为主的架构、以欧姆龙ＰＬＣ和以西门子ＰＬＣ为主的架构。三者的基本结构是一样的，如图２，３所示。

４品质监控

化学供应系统所供应的化学品一般都有很高的纯度要求，金属离子浓度一般控制在十亿分之一的数量级，还有浓度、水分、颗粒等其他指标。化学系统品质控制的标准是系统不对所供应的化学品造成污染。一般化学系统（除混酸系统外）对化学品品质没有监控，更没有纯化作用。品质的监控，是由质量控制部门来执行的，由他们定期从生产线或厂务系统取样进行分析。当分析项目超出控制指标时，就会启动相关程序查找超标的原因，有时是化学品原料有问题，有时是化学供应系统出现故障，需要具体原因具体分析。例如，当某些金属离子严重超标，超标原因可能就是桶槽或阀门出现泄漏，需要立刻停机检查，但如果离子超标范围不大，仍在１０－９级别，可能是取样时受污染或化学品品质的问题。

化学供应系统要实现对化学品的无污染，一切和化学品接触的配件的材质都有要求，比如管路通常使用ＰＦＡ或ＳＵＳ３１６材质。ＰＦＡ这是一种氟塑料，它的杂质析出量极少且可以很方便的通过焊接或扩管实现连接。ＳＵＳ３１６ＥＰ（电抛光）管用于一些不与不锈钢反应的溶剂的运输，如异丙醇（ＩＰＡ）。其余与化学品接触的配件，如阀、桶槽的膜片等，也会使用聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ）、聚全氟乙烯（ＰＴＦＥ）等新型材料。

５安全设计

厂务化学供应系统负责运输的化学品一般具有腐蚀性、毒性、易燃或自燃性。化学品泄漏如果不加以正确处理，带来的不仅是生产上的损失，还有人身安全的威胁。所以，每一位工作人员都应该在操作前对化学品的危害性有所了解，并且应该知道发生意外时个人保护设备的使用和紧急处理程序的执行［２］。

为了防止化学品泄漏带来的危害性，厂务化学系统采用了以下的安全设计：①将泄漏侦测器安装在供应柜、阀箱和桶槽底部。②管路设计成双套管，化学品在内管走，如果内管泄漏，化学品就会顺着内外管之间的空隙流到阀箱或供应柜，然后由安装在该处的泄漏侦测器引发警报。③在桶槽顶部安装安全阀，氮气进气

口安装泄压阀，如果压力过大，就自动泄压。④在供应柜和一些易挥发化学品的阀箱上安装制程排气管路，如有极微量化学品泄漏到空气中，可以及时排走，保证人身安全。⑤在桶槽周围设置围栏或地沟连接到地坑，如有液体进入地坑，自动排走且警报。

对于易燃性或自燃性的有机溶剂来说，防爆设计则尤为重要。在有机溶剂房内的一切设备包括照明都要采取防爆设计，一些不防爆的设施如ＰＬＣ需要安置到有机溶剂房外。每一套输送易燃、自燃化学品的供应系统供应柜内和有机溶剂房内都配有相应的气体侦测器，微量泄漏也可以被侦测到。每一套供应系统供应柜都配有二氧化碳灭火器和温度感应侦测器，超过一定温度，就喷出二氧化碳灭火。通过采用这些措施，可以尽快地发现问题并及时解决，最大限度地保证人身安全。

６设计探讨

６.１桶槽设计

传统化学供应系统的桶槽是按三天的用量来设计的，这样，桶槽从２００～１２０００Ｌ大小不等。桶槽太大，造成资金浪费，也占空间；太小，又需要频

繁地补充化学品，加重轮班人员的负担。我们建议的桶槽大小与日用量的关系如表１。

６.２对要酸的监控

一套化学系统少到１个ＶＭＢ（阀门箱）４个ＰＯＵ（用户点）（阀箱中ＰＯＵ的数量，不同的系统制造商、不同的用户会有不同的设计，此处以１个ＶＭＢ，４个ＰＯＵ为例），多到十几个ＶＭＢ几十个ＰＯＵ；厂务化学课一般需要维护２０套以上这样的系统，至少几百个用户点。生产线每要酸一次，化学供应系统ＶＭＢ的相应气动阀就要开关一次，而所有气动阀的开关都是由ＰＬＣ来控制的，所以，化学供应系统的监控可以做到很强大，可以通过计算ＶＭＢ中各个气动阀的开关时间来计算该个机台用化学品的总时间，从而算出每个机台使用化学品的总量；可以控制每个设备机台用酸的最长时间，帮助Ｆａｂ监控设备的运行；可以记录设备机台各个时间段要酸的时间和次数，帮助Ｆａｂ设备做故障排除；这些功能可以在ＰＬＣ里编入，也可以在监控系统或通过监控系统的接口用数据库来编写。

６.３防止补充错化学品的探讨

由于化学系统维护人员很大一部分工作是重复地将２００Ｌ桶装的化学品推入供应柜再供应到生产线上去，化学品酸桶的大小和形状大同小异，将错误的化学品推入供应柜的事件时有所闻。对此，代工厂和化学品供应商都采取了一些防范措施，如对特定化学品使用特定的接头，对特定化学品使用特定的颜色标签等，并取得了一定的效果。在众多方法中，使用条形码是一种很有效且很有潜力的方法。在各种化学品的桶槽上贴上条形码，将化学品推入桶槽前，必须用条形码验证通过后，化学品供应柜门才会开，这样可避免换错化学品。该项措施已在很多化学系统上使用。值得进一步探讨的是，条形码可以搭载更多的信息，如可以将化学品的过期日期和其他有关信息（浓度等）记入条形码，当将已过期的化学品推入供应柜时，化学系统自动产生警报；此外由于小系统一般为两个２００Ｌ桶槽交替供应，如果用量不大，往往过期了化学品还没用完，过期日期如果在系统中有存储，当化学品过期仍没有使用完时，系统可产生警报通知更换。

６.４补充化学品过程的无纸化操作

补充化学品的标准流程是一人负责操作，一人协助检查并做纸本记录。纸本记录一般包括化学品的数量、更换日期、更换人员、批号和过期时间，纸本记录放在现场，满一页（约２０～３０条记录）后存档。这样做，一是纸本容易遗失和破损，二是补充换酸次数太多时往往会产生懈怠心理而不去按照流程操作，建议直接在触摸屏上执行该步骤。在补充化学品时，在触摸屏上记录操作员的代号（如Ａ，Ｂ）系统可自动记录补充时间、化学品过期时间、批号等其他信息，可以简化补充化学品的流程。

６.５易挥发化学品的系统管路选择

盐酸和其他小分子易挥发化学品供应系统长久以来一直存在一个问题，即管路和其他配件不足以抵抗化学品的侵蚀，小分子可以透过管路和其他抵抗层进入空气和配件内部，腐蚀配件，造成失效。

近几年来，一些更致密的ＰＦＡ材料被研发出来，使人们不再像以前那样束手无策。

７结束语

在最新代的主流生产技术中，３００ｍｍ晶圆已采用１３０ｎｍ，９０ｎｍ及６５ｎｍ技术，并且由于更集成的先进技术，与２００ｍｍ芯片相比，生产成本至少降低了３０％［３］。因此，发展３００ｍｍ晶圆是未来的一种趋势。在３００ｍｍ厂的资本密集度和生产规模下，化学中央供应系统的任何问题都会造成无法估量的损失，化学供应系统的设计应该吸取以往的经验，使用新技术和新材料，不断提高化学供应系统的稳定性和可靠性。