半导体气体特性及系统介绍
半导体工厂大宗气体系统的设计
半导体工厂大宗气体系统的设计引言：半导体工厂（FAB）生产过程中需要使用大量的气体，这些气体在各个工序中起着至关重要的作用。
因此，设计一个高效可靠的大宗气体系统对于确保半导体工厂的正常运行和产品质量至关重要。
本文将重点探讨半导体工厂大宗气体系统的设计。
一、系统需求分析：在设计半导体工厂大宗气体系统之前，首先需要进行系统需求分析。
这包括对半导体生产工艺的了解，对所需气体种类和流量的确定，以及对系统的可靠性和安全性的考虑。
1.工艺要求：不同的半导体生产工艺所需的气体种类和流量可能会有所不同。
因此，需要先了解工艺要求，确定所需的气体类型，如氮气、氧气、氢气等，以及其流量。
2.流程和流量：在确定所需气体类型后，需要进行系统流程和流量的设计。
这包括确定气体的输送、净化、储存和分配的流程，并根据工艺要求确定每个阶段所需的气体流量。
3.可靠性和安全性：大宗气体系统设计需要考虑系统的可靠性和安全性。
可靠性包括系统的稳定性和可持续性，确保气体供应稳定并能满足生产需求。
安全性考虑包括气体的安全处理和泄漏的防范。
二、系统设计方案：在进行系统设计时，需要根据前面的需求分析，结合实际情况，提出一个合理的设计方案。
1.气体配送系统：气体配送系统用于将气体从供应源输送到工艺设备。
它包括气体输送管道、阀门和流量计等设备。
为了确保气体的流量和压力稳定，可以使用压力传感器和流量控制阀进行控制。
此外，还应根据需要设计合适的管网结构，确保气体分配均匀。
2.气体净化系统：气体净化系统用于去除气体中的杂质和污染物，以确保气体质量符合生产要求。
它包括过滤器、吸附剂和催化剂等设备。
根据不同的气体类型和污染物种类，选择适当的净化设备和方法。
3.气体储存系统：由于气体供应可能会有时间和流量的波动，因此需要设计一个气体储存系统，以弥补供应的不稳定性。
气体储存系统可以包括储气罐、压缩机和气体储存器等设备。
通过合理的容量和流量的设计，确保气体供应的持续和稳定。
半导体厂GAS系统基础知识解读
GAS系统基础知识概述HOOK-UP专业认知一、厂务系统HOOK UP定义HOOK UP 乃是藉由连接以传输UTILITIES使机台达到预期的功能。
HOOK UP是将厂务提供的UTILITIES ( 如水,电,气,化学品等),经由预留之UTILITIES连接点( PORT OR STICK),藉由管路及电缆线连接至机台及其附属设备( SUBUNITS)。
机台使用这些UTILITIES,达成其所被付予的制程需求并将机台使用后,所产生之可回收水或废弃物( 如废水,废气等),经由管路连接至系统预留接点,再传送到厂务回收系统或废水废气处理系统。
HOOK UP 项目主要包括∶CAD，MOVE IN ，CORE DRILL，SEISMIC ，VACUU，GAS，CHEMICAL，D.I ,PCW,CW,EXHAUST,ELECTRIC, DRAIN.二、GAS HOOK-UP专业知识的基本认识在半导体厂，所谓气体管路的Hook-up（配管衔接）以Buck Gas （一般性气体如CDA、GN2、PN2、PO2、PHE、PAR、H2等）而言，自供气源之气体存贮槽出口点经主管线（Main Piping）至次主管线（Sub-Main Piping）之Take Off点称为一次配（SP1Hook-up），自Take Off出口点至机台（Tool）或设备（Equipment）的入口点，谓之二次配（SP2 Hook-up）。
以Specialty Gas（特殊性气体如：腐蚀性、毒性、易燃性、加热气体等之气体）而言其供气源为气柜（Gas Cabinet）。
自G/C出口点至VMB（Valve Mainfold Box.多功能阀箱）或VMP（Valve Mainfold Panel多功能阀盘）之一次测（Primary）入口点，称为一次配（SP1 Hook-up），由VMB或VMP Stick之二次侧（Secondary）出口点至机台入口点谓之二次配（SP2 Hook-up）。
气体特性及系统简介
课程内容：大宗与特殊气体特性介绍一、大宗气体种类：半导体厂所使用的大宗气体，以台积厂常见有：CDA、GN2、PN2、PAr、PO2、PH2、PHe等七种。
二、大宗气体的制造：CDA / ICA (Clean Dry Air / Instrument Air)：CDA之来源取之于大气经压缩机压缩后除湿，再经过滤器或活性炭吸附去除粉尘及炭氢化合物以供给无尘室CDA/ICA (Clean Dry Air)。
GN2 (Nitrogen)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经过触媒转化器，将CO反应成CO2，将H2反应成H2O，再由分子筛吸附CO2、H2O，再经分溜分离O2 & CnHm。
N2=-195.6℃，O2=-183℃。
PN2 (Nitrogen)：将GN2经由纯化器(Purifier)纯化处理，产生高纯度的氮气。
一般液态氮气纯度约为99.9999﹪，总共是6个9。
经纯化器纯化过的氮气纯度约为99.9999999﹪，总共是9个9。
PO2 (Oxygen)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99.0﹪以上纯度之氧，再除去N2、Ar、CnHm。
另外可由水电解方式解离H2 ＆ O2，产品液化后易于运送储存。
PAr (Argon)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99.0﹪以上纯度之氩气，因氩气在空气中含量仅0.93﹪，生产成本相对较高。
PH2 (Hydrogen)：利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99.0﹪以上纯度之氢气。
另外可由水电解方式解离H2 ＆ O2，制程廉价但危险性高易触发爆炸，液化后易于运送储存。
PHe (Helium)：由稀有富含氦气之天然气中提炼，其主要产地为美国及俄罗斯。
利用压缩机压缩冷却气体成液态气体，易由分溜获得,Helium=-268.9℃。
三、大宗气体在半导体厂的用途：CDA：CDA主要供给FAB内气动设备动力气源及吹净(purge)，Local Scrubber助燃。
半导体厂GAS系统基础知识
GAS系统基础知识概述HOOK-UP专业认知一、厂务系统HOOK UP定义HOOK UP 乃是藉由连接以传输UTILITIES使机台达到预期的功能。
HOOK UP是将厂务提供的UTILITIES ( 如水,电,气,化学品等),经由预留之UTILITIES连接点( PORT OR STICK),藉由管路及电缆线连接至机台及其附属设备( SUBUNITS)。
机台使用这些UTILITIES,达成其所被付予的制程需求并将机台使用后,所产生之可回收水或废弃物( 如废水,废气等),经由管路连接至系统预留接点,再传送到厂务回收系统或废水废气处理系统。
HOOK UP 项目主要包括∶CAD，MOVE IN ，CORE DRILL，SEISMIC ，VACUU，GAS，CHEMICAL，D.I ,PCW,CW,EXHAUST,ELECTRIC, DRAIN.二、GAS HOOK-UP专业知识的基本认识在半导体厂，所谓气体管路的Hook-up（配管衔接）以Buck Gas （一般性气体如CDA、GN2、PN2、PO2、PHE、PAR、H2等）而言，自供气源之气体存贮槽出口点经主管线（Main Piping）至次主管线（Sub-Main Piping）之Take Off点称为一次配（SP1Hook-up），自Take Off出口点至机台（Tool）或设备（Equipment）的入口点，谓之二次配（SP2 Hook-up）。
以Specialty Gas（特殊性气体如：腐蚀性、毒性、易燃性、加热气体等之气体）而言其供气源为气柜（Gas Cabinet）。
自G/C出口点至VMB（Valve Mainfold Box.多功能阀箱）或VMP（Valve Mainfold Panel多功能阀盘）之一次测（Primary）入口点，称为一次配（SP1 Hook-up），由VMB或VMP Stick之二次侧（Secondary）出口点至机台入口点谓之二次配（SP2 Hook-up）。
半导体气体系统介绍
半导体气体系统介绍半导体气体系统是一种用于制造纯净半导体材料的机械设备，它通常包含气体供应系统、气体控制系统、气体分析系统和气体处理系统等部件。
半导体气体系统的主要功能是提供和控制具有高纯度和稳定性的气体，以满足半导体制造工艺的要求。
在半导体制造过程中，气体被广泛用于多种用途，如反应气体用于沉积薄膜、掺杂气体用于修改材料的电特性、稀释气体用于稳定反应等。
因此，半导体气体系统的设计和运行至关重要，它直接影响到半导体器件的质量和性能。
首先，气体供应系统是半导体气体系统的核心组成部分。
它通过设备的进气口将外部气体引入系统，并将其送到设备的不同部位。
为了确保高纯度的气体供应，气体供应系统通常配备了高效的气体净化装置，如过滤器、活性炭吸附器、电化学氧化器等，以去除气体中的杂质和杂气。
其次，气体控制系统对气体供应进行精确的调节和控制。
它通常包括气体流量控制器、压力调节器、温度控制器等设备，以确保气体在制造过程中的合适流量、压力和温度条件。
气体控制系统还可以实现自动化控制，根据制造工艺的要求动态调整气体输送参数。
此外，半导体气体系统还需要具备气体分析功能，以对气体的成分和纯度进行监测和分析。
气体分析系统通常包括气体检测仪、气体质谱仪、红外光谱仪等设备，它们能够检测气体中微量杂质和杂气的存在，并通过数据分析提供对气体纯度的定量评估。
最后，气体处理系统是半导体气体系统中的重要组成部分。
它主要用于处理和回收使用过的气体，以降低杂质和杂气的含量，节约气体资源。
气体处理系统通常包括气体净化装置、气体回收装置、气体贮存装置等，通过吸附、分离、压缩等处理手段，将废气中的有用组分捕获和回收，同时去除废气中的杂质和杂气。
总之，半导体气体系统是半导体制造工艺中不可或缺的设备之一、它通过提供高纯度、稳定性的气体，保证了半导体材料的质量和性能。
随着半导体制造工艺的不断发展，半导体气体系统将继续发展，并不断提高气体纯度、稳定性和自动化水平，以满足更高要求的半导体制造工艺。
半导体气体系统组成
半导体气体系统组成摘要：I.半导体气体系统概述- 半导体气体系统的定义和作用- 半导体气体系统的组成II.半导体气体系统的主要组成部分- 气体供应系统- 气体排放系统- 气体混合和调节系统- 气体监测和控制系统III.半导体气体系统的功能- 供应半导体制造过程中所需的气体- 排放半导体制造过程中产生的废气- 调节气体的压力、流量和成分- 监测和控制气体的质量和安全性IV.半导体气体系统的应用- 半导体制造过程中的氧化、还原和掺杂- 半导体器件的封装和测试- 半导体工厂的安全和环保V.半导体气体系统的发展趋势- 高效节能的气体系统- 环保安全的气体排放技术- 智能化和自动化的气体监测和控制正文：半导体气体系统是半导体制造过程中的重要组成部分，它对半导体产品的性能、质量和生产效率有着重要的影响。
半导体气体系统主要由气体供应系统、气体排放系统、气体混合和调节系统以及气体监测和控制系统组成。
气体供应系统是半导体气体系统的核心部分，它负责向半导体制造过程供应各种气体，如氮气、氧气、氩气、氯气等。
气体供应系统通常由气瓶、压缩机、阀门、管道等组成，它们将气体从气瓶压缩后输送到半导体制造设备中。
气体排放系统是半导体气体系统的另一重要部分，它负责将半导体制造过程中产生的废气排放到大气中。
气体排放系统通常由排放管道、阀门、风机等组成，它们将废气从半导体制造设备中收集后排放到大气中。
气体混合和调节系统是半导体气体系统的重要组成部分，它负责将不同种类的气体按一定的比例混合，以满足半导体制造过程的要求。
气体混合和调节系统通常由混合器、调节阀、流量计等组成，它们可以精确地控制气体的压力、流量和成分。
气体监测和控制系统是半导体气体系统的安全保障，它负责监测和控制气体的质量和安全性。
气体监测和控制系统通常由传感器、控制器、报警器等组成，它们可以实时地监测气体的成分、压力、流量等参数，并及时地报警和调节，以保证半导体制造过程的安全和稳定。
半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计(精)
半导体工厂(FAB)大宗气体系统的设计(精)半导体工厂（FAB）大宗气体系统（Gas Yard）的设计1995年，美国半导体工业协会（SIA）在一份报告中预言："中国将在10-15年内成为世界最大的半导体市场"。
随着中国经济的增长和信息产业的发展，进入21世纪的中国半导体产业市场仍将保持20%以上的高速增长态势，中国有望在下一个十年成为仅次于美国的全球第二大半导体市场。
而目前的发展态势也正印证了这一点。
作为半导体生产过程中必不可少的系统，高纯气体系统直接影响全厂生产的运行和产品的质量。
相比较而言，集成电路芯片制造厂由于工艺技术难度更高、生产过程更为复杂，因而所需的气体种类更多、品质要求更高、用量更大，也就更具代表性。
因此本文重点以集成电路芯片制造厂为背景来阐述。
集成电路芯片厂中所使用的气体按用量的大小可分为二种，用量较大的称为大宗气体（Bulk gas），用量较小的称为特种气体（Specialtygas）。
大宗气体有：氮气、氧气、氢气、氩气和氦气。
其中氮气在整个工厂中用量最大，依据不同的质量需求，又分为普通氮气和工艺氮气。
由于篇幅所限，本文仅涉及大宗气体系统的设计。
1 系统概述大宗气体系统由供气系统和输送管道系统组成，其中供气系统又可细分为气源、纯化和品质监测等几个部分。
通常在设计中将气源设置在独立于生产厂房（FAB）之外的气体站（Gas Yard），而气体的纯化则往往在生产厂房内专门的纯化间（Purifier Room）中进行，这样可以使高纯气体的管线尽可能的短，既保证了气体的品质，又节约了成本。
经纯化后的大宗气体由管道从气体纯化间输送至辅道生产层（SubFAB）或生产车间的架空地板下，在这里形成配管网络，最后由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。
图1给出了一个典型的大宗气体系统图。
2 供气系统的设计2.1 气体站2.1.1 首先必须根据工厂所需用气量的情况，选择最合理和经济的供气方式。
HOOK-UP系统简介
HOOK-UP系统简介工作特点1．晶圆厂简介2．晶圆厂所需气体之特性与功能3．晶圆厂所需化学物质及其特性4．工作内容1．晶圆厂简介晶圆厂是生产芯片的现代化厂房，其主要工作场所为无尘室。
无尘室是恒温恒湿的，温度为21°C。
相对湿度为65%。
一般晶圆厂无尘室分为扩散区（炉管区）、黄光区、蚀刻区、薄膜区。
2．晶圆厂所需气体之特性及功能由于制程上的需要，在半导体工厂使用了许多种类的气体。
一般我们皆以气体特性来区分。
可分为特殊气体及一般气体两大类。
前者为使用量较小之气体。
如SiH4、NF3等。
后者为使用量较大之气体。
如N2、CDA等。
因用量较大；一般气体常以“大宗气体”称之。
即Bulk Gas。
特气—Specialty Gas。
2-1 Bulk Gas在半导体制程中，需提供各种高纯度的一般气体使用于气动设备动力、化学品输送压力介质或用作惰性环境，或参与反应或去除杂质度等不同功能。
目前由于半导体制程日益精进，其所要求气体纯度亦日益提并。
以下将简述半导体厂一般气体之品质要求及所需配合之设备及功能。
2-1-1大宗气体种类：半导体厂能使用的大宗气体，一般有CDA、GN2、PN2、PAr、PO2、PH2、PHe等7种。
2-1-2 大宗气体的制造：<1> CDA/ICA(Clean Dry Air)洁净干燥空气。
CDA之来源取之于大气经压缩机压缩后除湿，再经过滤器或活性炭吸附去除粉尘及碳氢化合物以供给无尘室CDA/ZCD。
CDA System:空气压缩机缓衡储存槽冷却干燥机过滤器CDA<2> GN2利用压缩机压缩冷却气体成液态气体。
经触媒转化器，将CO反应成CO2，将H2反应成H2O，再由分筛吸附CO2、H2O，再经分溜分离O2&CnHm。
N2=-195.6°C O2=-183°CPN2将GN2经由纯化器(Purifier)纯化处理，产生高纯度的N2。
一般液态原氮的纯度为99.9999%经纯化器纯化过的氮的纯度为99.9999999%GN2&PN2 System(见附图)<3> PO2经压缩机压缩冷却气体成液态气体，经二次分溜获得99%以上纯度之O2，再除去N2、Ar、CnHm。
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• 2. 主要用途介紹:
* CDA–作為Fab中氣動設備(如Pump )的氣源及吹淨( Purge )作為Local Scrubber 助燃的氣源
* IA–作為廠務系統氣動設備的氣源及吹淨( Purge )
* HPCDA–黃光區Scanner 機台專用( 移動平台/ 使Filter 緊靠) * GN2/ PN2-作為部分氣動設備氣源及提供惰性的氣體環境
Pn2 主要的功能為吹淨( Purge )
* PO2 -提供製程中氧化的作用
* PAR–作為製程中濺渡的傳導介質
* PHE-作為製程中冷卻晶片的氣源
* PH2-提供燃燒,烘烤的作用及其他反應
V V
V
PHE V
V
PH2
V V V PAR V V V
V PO2V
V V V V PN2V V V V V GN2V HPCDA V
V
V
V V
CDA Implant Thinfilm
Etch Photo Diffusion
Gas Name • 3. 製程與氣體的分佈:以SMIC FAB2 為例
Vaporizer
• 4. Bulk Gas 供應系統介紹:
V
V
V
He
V V V V
H2V
Ar V V
O2V V N2V
CDA Compressor 壓縮機
Bundle 集束鋼瓶
Trailer 槽車
Container 儲存罐
Storage tank 桶槽
Produced on-site
GAS TYPE
CDA flow sheet:
N2 flow sheet:
O2 flow sheet:
Ar flow sheet:
H2 flow sheet:
He flow sheet:
Liquid Gas Toxic,Corrosive,Yellow
Color,Nonflammable
Chlorine 氯氣Cl 2Liquid Gas Toxic,Corrosive Trifuorochloride 三氟化氯ClF 3
Compressed Gas Flammable,Colorless,Combustible Methane 甲烷CH 4Liquid Gas Flammable,Colorless,Liguefied Methylsilane CH 3SiH 3
Liquid Gas Toxic,Flammable,Colorless,Odorless Halocarbon-32CH 2F 2
Compressed Gas Flammable,Colorless,Incombustible Methyl Fluoride 氟代甲烷CH 3F
Liquid Gas Colorless,Incombustible,Nonflammable Halocarbon-23三氟甲烷CHF 3
Liquid Gas Colorless,Incombustible Monochlorodifluoromethane CHClF 2
Compressed Gas Inert,Colorless,Incombustible,Nonflammable Halocarbon-14四氟化碳CF 4
Liquid Gas Toxic,Corrosive,Colorless,Nonflammable Boron Trichloride 三氯化硼BCl 3
Liquid Gas Toxic ,Flammable ,Colorless,Combustible Arsine 砷化氫AsH 3
Compressed Gas Inert,Colorless,Incombustible,Nonflammable Argon 氬氣Ar
性質特性Product Name Chemical
Symbol
氣體特性表
V C4F8
V CL2
V CLF3
V V NH3
V WF6
V F2/KR/NE V V SIH4
V V DCS
V NF3
V V N20
V He/O2(0.5%)
V CF4
Implant Thimfilm Etch Photo Diffusion Gas Name
• 3. 製程與氣體的分佈:以SMIC 為例
• 4. Specialty Gas 供應系統介紹:
SP1 SCOPE -
* Gas Cabinet 氣瓶櫃
* Gas Rack 氣瓶架
* Y-Cylinder
* Bundle 集束鋼瓶
* Trailer 槽車
SP2 SCOPE -
* VMB 閥箱
* VMP 閥盤
Gas Cabinet / Gas Rack 概述:
1. 可分為單鋼/ 雙鋼( 2 Process ) / 三鋼( 2 Process + 1 N2 )
2. 依氣體特性來設計盤面功能:
for example: smic fab2
3. 安全功能: Shut Boy 鋼瓶閥, UV/IR 火焰偵測器, Sprinker 灑水頭,
EMO 緊急停氣按鈕, DPS/DPG 洩漏偵測器……
V V DCS
V 高壓測漏HP 加熱裝置HEAT V 冷卻裝置COOL
V V CL2V WF6
V SIH4
電子磅秤LC 過流量計
EFS
VMB / VMP 概述:
1. VMB —Valve Manifold Box (閥件分流箱)
VMP—Valve Manifold Panel (閥件分流盤)
2. 一般可設計成4-stick / 8-stick / 10-stick , 視各案情況
3. 依氣體特性及業主需求來設計盤面功能
4. 安全功能: EMO 緊急停氣按鈕, DPS/DPG 洩漏偵測器, 防爆鋼絲玻璃……
•SMIC FAB2 GAS PIPING SPEC. :
Single S.S.316L-EP
EP
4%H2/N2
S.S.316L VIM+VAR Heat tracing V+V Heat SiH2Cl2Single S.S.316L-EP
EP NO Double Wall S.S.316L-EP stainless steel fiting Double EP CO Single S.S.316L-EP
EP 10%CH4/Ar Double Wall S.S.316L-EP stainless steel fiting EP NF3Single S.S.316L-EP
EP C5F8
Single S.S.316L-EP EP CH2F2Single S.S.316L-EP EP CH3F Single S.S.316L-EP EP N2O Toxic/Flammable gas
Gas piping type Gas piping type Gas name Gas type
Double Wall S.S.316L-EP
Double EP
1%PH3/N2
Double Wall S.S.316L-EP Double EP SiH4
Pyrophoric gas
Single S.S.316L-EP EP HCl Single S.S.316L-EP EP SiF4Single S.S.316L-EP EP 0.9F2/1.2%Kr/Ne Double Wall S.S.316L-EP Heat tracing Double EP Heat WF6
S.S.316L VIM+VAR
V+V
HBr S.S.316L VIM+VAR V+V Cl2
S.S.316L VIM+VAR V+V NH3Double Wall S.S.316L VIM+VAR Heat tracing Double V+V Heat ClF3S.S.316L VIM+VAR Heat tracing
V+V Heat BCl3Corrosive gas
Gas piping type
Gas piping type Gas name Gas type
Single S.S.316L-EP
EP
1.2%Kr/Ne
Single S.S.316L-EP EP He/O2(30%)Single S.S.316L-EP EP He/O2(0.5%)Single S.S.316L-EP EP CO2Single S.S.316L-EP EP 1.2%HE/N2Single S.S.316L-EP EP SF6
Single S.S.316L-EP EP C2F6Single S.S.316L-EP EP C4F8Single S.S.316L-EP EP CHF3Single S.S.316L-EP EP CF4Inert gas
Gas piping type Gas piping type Gas name Gas Room type。