半导体大宗气体设计

g; F: V4 K5 f2 ]/ n5 搞要3 ?3 V/ a/ B. \\0 M

本文对集成电路芯片厂中的大宗气体系统的设计过程作了概括性的描述，对当前气体设计技术及其发展方向作了探讨，同时结合自己对多个FAB厂房的设计经验提出了设计中值得注意的问题和解决方案。

This paper introduces a general design process for Bulk Gas System in FAB.Current gas design technology and its development direction are also discussed.Based on the author抯 experience in FAB design,several potential problems in design and relevant solutions are issued.

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。1 m# m% O `' D; Q) i) T X

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（Specialty gas）。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。 * d3 V* j3 f2 u5 l

1 系统概述, ^1 R! p7 C; c4 O7 m; n\

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。% F1 P8 ~( p( ]* i, n* x

2 供气系统的设计

2.1 气体站 r9 c1 ?5 ?\

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。 氮气的用量往往是很大的，根据其用量的不同，可考虑采用以下几种方式供气：

1）液氮储罐，用槽车定期进行充灌，高压的液态气体经蒸发器（Vaporizer）蒸发为气态后，供工厂使用。一般的半导体工厂用气量适中时这种方式较为合适，这也是目前采用最多的一种方式。

2）采用空分装置现场制氮。这适用于N2用量很大的场合。集成电路芯片制造厂多采用此方式供气，而且还同时设置液氮储罐作备用。

氧气和氩气往往采用超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供应。7 h n9 W% W) E8 d1 X/ L+ A

氢气则以气态方式供应，一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。如用气量较大，则可采用Tube Trailer供气，只是由于道路消防安全审批等因素，目前在国内还很少采用此方式。相信随着我国微电子工业的飞速发展，相关的安全法规会更完善，Tube Trailer供气方式会被更多地采用。如果氢气用量相当大，则需要现场制氢，如采用水电解装置。5 R( L8 Y( F8 f! a

由于低温液氦储罐的成本相当昂贵，加以氦气用量不大，氦气一般采用钢瓶组（Bundle）的形式供应即可满足生产要求。随着大型集成电路厂越来越多地出现，氦气的用量也逐渐上升，国外已开始尝试使用液氦储罐，而且由于氦气在低于-4500F时才是液体，此时所有杂质在此液相中实际均已凝结在固体，理论上从该储罐气化的氮气已是高纯度，不用再经纯化处理。

随着国内半导体集成电路产业的飞速发展，将会出现一些半导体工厂较为密集的微电子生产园区，这时有可能采用集中的管道供气方式，即由气体公司在园区内建一大型气站，将大宗气体用地下管线送往各工厂。这种方式可以大大降低各厂的用地需求和用气成本，形成气体公司与半导体工厂多赢的局面。在上海某生产园区，某气体公司即将采用该方式对园区内的几家工厂提供氦气，目前正在建设中。% z# H E% `' U' s\@

2.1.2 在整个气体站的设计中,需要特别注意几个问题：

首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必须予以高度重视的,如气体站的平面布置必须符合相关安全规范。3 E R- r- v8 G Y) o: ?) S

其次，在设计供气压力时不仅要参照最终用户点的压力需求，而且必须考虑纯化器、过滤器以及配管系统的压力降。

另外，随着集成电路工艺的提升，对工艺氧气中的氮杂质含量要求也提高了。值得注意的是，该杂质目前尚无法通过气体纯化器有效去除，必须在空分装置中增加专门的超低温精馏过程处理，这不可避免导致成本的上升，当然由此法制取的氧气纯度已足够高，不需要经纯化即可直接用于工艺设备。另一折衷的方法是，目前200mm芯片生产工艺中，只有部分工艺设备对氧中氮的含量要求甚高，如果这些设备的用氧量不大，则可以考虑外购高纯氧气钢瓶专门对这些设备供气。 - F8 S, E6 W8 A/ t0 s7 S( ]8 i/ P! [0 _ 2.2气体纯化与过滤 2.2.1气体的品质要求

随着集成电路技术的不断发展，设计线宽不断微缩，这对气体品质的要求也越来越严格，目前对大宗气体的纯度要求往往达到ppb级，表1给出了某200mm芯片生产工艺线对大宗气体的品质要求。

因此，必须用不锈钢管道将大宗气体从气体站送至生产厂房的纯化室（purifier Room）进行纯化，气体经纯化器除去其中的杂质，再经过滤器除去其中的颗粒（Particle）。出于安全考虑，一般将氢气纯化室设计为单独一室，并有防爆、泄爆要求。 2.2.2 纯化器

目前国内采用的气体纯化器都是进口的，主要的生产厂家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。纯化器根据其作用原理的不同可以对不同的气体进行纯化。我将目前市场上纯化器的情况作了整理，见表2。2 V% D+ [! q1 z( U/ F/ c\

一般说来，N2、O2纯化器较多采用触媒吸附式，Ar、H2纯化器则以Getter效果最佳，H2纯化器也多采用触媒吸附结合Getter式。/ I# S' [0 p0 R

在设计中要注意的是，不同气体纯化器需要不同的公用工程与之相配套。例如，触媒吸附式N2纯化器需要高纯氢气供再生之用；触媒吸附式纯化器需要冷却水。因此，相关的公用工程管线必须在气体纯化间内留有接口。 2.2.3 过滤器

半导体生产工艺过程不仅对气体纯度要求十分严格，而且对气体中的颗粒含量也有极高的要求，目前在集成电路芯片生产中，对大宗气体颗粒度的要求通常为：大于0.1μm的颗粒含量为零。而去除颗粒则需采用气体过滤器。' o# U- W+ ]) W G5 m

一般的，经纯化的气体需经过两个串联的过滤器即可达到工艺要求，为方便滤芯更换，往往并联设置两组过滤器组，参见图1。 i t- J [! E8 l 2.3 气体的品质监测

大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测，观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测，而对CO、CO2及THC杂质采用间歇监测，

测试结果连同其他测试参数（诸如压力、流量等）都会被送往控制室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）系统。4 r, k+ ]% I f/ h5 L ? 2.4 供气系统的可靠性问题

由于微电子行业的投入与产出都是非常的大，任何供气中断都会带来巨大的经济损失，尤其对大型集成电路芯片生产厂而言。因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。若采用现场制气方式，往往还需要设置该种气体的储蓄供气系统作备用。

1）每一种气体的纯化器都需要有一台作备用。9 p: S9 v/ ~ }6 Y# t2 }: o: v

2）氧气若采用现场制气方式，虽然可以不经纯化而直接供工艺设备使用，但仍应该设置一台纯化器作备用。 当然，以上这些措施必须会导致气体成本的急剧上升，虽然与供气中断造成的损失相比要小的多，/ B! q0 i- p\

但这必须要与业主讨论确定。而且，每个项目都有其特殊性，不必强求一步到位，可以考虑在不同的建设阶段逐步实施。- h7 L L8 L; p: S: f

另外,若有条件采用集中管道供气方式,还需要考察气体供应商的系统设计情况，是否有对供气中断、管路污染等突发事故的预防措施、应急措施和恢复手段。有必要提请业主注意在该种经济便利的供气方式背后潜在的风险。

3 大宗气体输送管道系统的设计 `5 J; E; s) g$ r3 `& J# U8 W# B

经纯化后的大宗气体由气体纯化间送至辅助生产层（SubFAB）或生产车间（FAB）的架空地板下，在这里形成配管网络，再由二次配管系统（Hook-up）送至各用户点。以我的设计经验，在设计中要着重考虑以下几个方面。1 l; T. d6 N4 P 3.1 配管系统的整体架构

目前，较为常见的架构有树枝型（图2）和环型（图3）两种。其中又数树枝型最为常用,其架构清晰,且与其它系统的配管架构相似，利于整体空间规划。环型则能较好地保持用气点压力的稳定，但投资较高。因此在设计中应根据用气点的分布情况及用气压力要求综合考虑。例如，笔者在某200mm集成电路芯片生产厂的设计中，大宗气体配管系统均采用树枝型架构。由于该FAB厂房很大，管线较长，而工艺氮气用气点较多，有一些用气点对压力要求也较高，因此对工艺氮气管路系统特别采用了树枝型与环型相结合的方式（图4），环型主管主要保证用气点的压力稳定，其管径可小于树枝型主管的管径，从而降低成本。 ! j8 W9 W/ ]; M! u0 B: N1 [

3.2 配管系统的灵活性设计 \\. l. E$ X. K( W% l8 U2 b

微电子行业的发展非常迅速，经常会发生工艺设备更新、挪位和新增等状况。即使在整个工厂的建设中，最终的工艺设备分布也会与设计时相去甚远。这种行业的特殊性要求设计必须充分考虑其灵活性（Flexibility），能满足未来的扩展需求。- S4 [3 Z% ]/ ~

配管系统的基本设计原则是在主管（Main）上按一定间距设置支管端（Branch），再在每个支管上按一定间距设置分支管（Branch Take-off）供二次配管使用。另外，主管的管径不必随流量的递减而采取渐缩设计。\

无庸讳言，这种配管系统的确具有充分的灵活性，但由于超高纯气体管路的管件和阀件价格昂贵，该系统的成本之高也是显而易见的。通常，集成电路芯片厂的建设往往会分成若干个阶段，一方面可以缓解一次性投资的巨大资金压力，另一方面也可以根据市场状况作出相应的调整决策。在新厂建设的第一阶段，设计产量往往不是很高，用气点也不是很多，尤其是氢、氩、氧、氦的用气点就更少。因此必须考虑如何来简化该配管系统以降低成本。下面以图5为例，对一些典型的工况作分析：

工况一：支管I中，用气点a与b均在该支管的最远端，因此无法作简化。即使c与d处目前暂无用气点，但还是应该设置分支管和阀门，以备将来之用。 , S2 R$ @* W7 T `

工况二：支管II中，用气点e和f的远端没有其它的用气点，则支管线可以分别在e点和f点后结束。注意，支管的终端阀必须带排气口，以供管线延伸使用。

工况三：支管III的二端都没有用气点，则只在该二端安装带排气口的隔膜阀，以备将来之用。

值得注意的是，工况三在设计中往往会被忽略。另外，主管和支管的终端阀宜采用带排气口的隔膜阀，利于今后可能的扩展。

3.3 管径的设计计算 ?3 I! x. Z3 G

管径的选择是基于气体流量的大小，同时也不能忽略气体的压力值对计算的巨大影响。另外，管道中氧气的流速值要低一些，可选用8m/s。

在芯片厂的设计中，工艺设备的用气量往往会有二个数值，一个是峰值（Peak），一个是均值（Average），而且对不同的设备而言，峰值与均值之间的差异是完全不同的。那么在管径计算中以何种流量作为基准呢？笔者在此给出一些自己的设计经验，以供参考：3 B) D1 t/ | u\

首先，芯片厂中工艺设备的运行方式是间歇式的。在某一设备的运行过程中，会有短暂片刻的用气量达到峰值，而后用气量减小，甚至为零，由此类造成峰值和均值之间会存在很大差异，甚至是几何级的差异。 , v }' [2 R+ x2 F0 t8 |

对主管而言，可以将所有工艺设备峰值流量的总和乘上系数（一般为0.7-0.8）,来作为流量值,这样计算得到的管径基本上可以满足供气需求。因为不可能FAB中所有的工艺设备在同一时刻同时达到用气峰值,因此没有必要采用峰值总流量作为计算依据,过大的管径只能是浪费金钱。

对于支管乃至分支管而言，则需要根据实际情况作具体分析。如果某分支管用气点较多，则可以沿用主管的处理方法；如果用气点不多，甚至只有一个，则还是以用气点的总峰值流量来计算较为稳妥。\q$ s0 R* ]0 |3 Z( {* X. z 3.4 配管系统的选材

对于工艺气体而言，由于在芯片生产中需要与芯片接触并参与反应，因此需选用经电解抛光（Electro-Polish）处理的316L不锈钢管，即SS316L EP管，其耐腐蚀性好，表面粗糙度低，Ramax（最大表面粗糙度）<0.7微米。光滑的表面使颗粒无从吸附滞留，从而保证气体的纯度。4 u9 c: Q. J- L 对普通氮气而言，由于其并不作为制程中的反应气体，可以选用经光辉烧结（Bright Anneal）处理的316L不锈钢管，即SS316L BA管，也可以采用经化学清洗（Chemical Clean）处理的316L不锈钢管，即SS316L CC管。其Ramax为3-6微米。 3.5 其它设计要点

在设计中还应遵循国内其他相关规范，如《洁净厂房设计规范》、《氢氧站设计规范》、《供氢站设计规范》等，其中主要的设计要点有：

（1）在主管末端要设计气体取样口，对于氢气和氧气，还需在主管末端设置放散管。放散管引至室外，应高出屋脊1米，并应有防雨、放杂物侵入的措施；1 P: x/ E( Q) E4 R \\; f （2）氢气、氧气管道间距问题；

（3）氧气管道及其阀门、附件应经严格脱脂处理，并应设导除静电的接地设施；, | D\ （4）氢气管道接至用气设备的支管和放散管，应设阻火器；引至室外的放散管，应设置防雷保护设施；应设导除静电的接地设施。 4 结论0 x% m7 \\8 U) C

大宗气体系统的设计是整个半导体工厂设计中的一个重要部分，虽然整个系统的流程并不复杂，但是其中任一环节的疏忽都可能会导致严重的后果。在设计中，必须在供气稳定、连续不中断的前提下，严格保证气体的品质，从而保障整个工厂生产的顺利进行。另外在成本方面也应有所考虑，力求达到安全性与经济性的平衡。

特殊气体供应系统规划与设计

Gas Cabinet/Gas Rack Type：; G3 B( k4 u: _; H3 ~1 I

气瓶柜一般常见选用配备如下：UV/IR火焰侦测器、温度侦测器、烟雾侦测器、过流量计、紧急遮断阀(AV1、ESV)、磅秤、洒水头、高压侧漏等。; O\

Type 1：使用于液态气体有高压侧漏(PT使用3000psia)如HCL、ASH3

PH3等，以电子磅秤计算钢瓶剩余量。3 z( |( q8 f X; q& Q

Type 2：使用于高压气体有高压侧漏(PT使用3000psia)如：SIH4，CH4，# B u8 B3 a$ S$ v2 d$ ? H2，5%PH3等，所以使用压力侦测的方式计算钢瓶的剩量。\

Type 3：使用于液态气体没有高压侧漏(PT使用1000psia或250psia如：* T( Y1 z/ h9 u) @- J WF6、SIH2CL2、N2O等，以电子磅秤计算钢瓶剩余量。! }9 F, i. R! l Type 4：使用于气态气体没有高压侧漏(PT使用3000psia或1000)psia 如：CO、CF4、NF3等，所以使用压力侦测的方式计算钢瓶- Y6 `1 @3 v6 o/ { 的剩量。5 v% M# q5 f8 j' p3 R' ^: Y Q

Type 5：使用于液态气体有高压侧漏没有AV1(PT使用3000psia)如 HCL、ASH3、PH3等，以电子磅秤计算钢瓶剩余量。) ~7 \\, b Z8 |6 e

Type 6：使用于高压气体有高压侧漏没有AV1 (PT使用3000psia)如：$ k- J9 r k! S8 W5 D\ SIH4，CH4，H2，5%PH3等，所以使用压力侦测的方式计算/ ], ?$ X+ m k) W+ f 钢瓶的剩量。

Type 7：使用于两个PROCESS系统有磅秤有，如：ASH3,PH3、CL2,BCL3$ _ g( S+ ~) O. T3 c$ [7 B 等，以电子磅秤计算钢瓶剩余量(此系统为特殊规格适用于实 验室场所)。 Y* ^2 i& X; F3 [! t- l

Type 8：使用于两个PROCESS系统，如：SIH4,CH4、1%PH3,5%ASH3 等，压力侦测的方式计算钢瓶的剩量 (此系统为特殊规格适 用于实验室场所)。

Type 9：使用于两个PROCESS系统一个有磅秤，如：ASH3,SIH4、* P! M9 H4 N# G- y8 |7 R: { CF4,CO2等，以电子磅秤计算及压力侦测的方式计算钢瓶剩 余量(此系统为特殊规格适用于实验室场所)。7 T- v9 l i6 ?

Type 10：使用于一个PROCESS一个PURGE钢瓶系统有磅秤，如：

ASH3、PH3、CL2、BCL3等，以电子磅秤计算钢瓶剩余量(此$ j9 Z N1 h; x5 }/ N 系统为特殊规格适用于实验室场所)。

Type 11：使用于一个PROCESS一个PURGE钢瓶系统，如SIH4、CF4; ?6 |6 Q1 Z, ]! D* k 等，以电子磅秤计算钢瓶剩余量(此系统为特殊规格适用于实' [5 z0 G H, ^: T5 R( \\ 验室场所)。

简易型Gas Rack Type：6 n b; O g% A- z Type 1：完全手动Type。

Type 2：半自动Type有自动切换功能(需控制器)。 4 U! }% T; D5 [$ k U' i- O% T

因气体特性不同，危险性气体建议客户加装紧急遮断阀，当紧急状况发生时可以将钢瓶阀关闭停止供气，除非钢瓶破裂，否则只要紧急遮断阀功能正常，将可保证供应的安全性，此外过流量侦测器也建议安装，避免异常的流量供应。 8 v$ v( a0 E: F/ G 功能设计：

气瓶柜内的钢瓶数设计可分为三种：分别为单钢、双钢、三钢。单钢的设计通常使用于研究机构或实验室等。制程尚未有量产，气体使用量小，现场可随时协调停机进行钢瓶之更换，其优点节省空间、成本低、但需透过日常之管理与协调以免中断制程造成损失。双钢与三钢常用于量产工厂，制程不允许停机情况，当一支钢瓶使用完后，另一支钢瓶stand by会自动转为供气，此两种形式最大的差别是在purge管路的纯化氮气是以钢瓶或厂务端供应，当purge用的PN2统一由厂务端来供应时，所有特殊气体供应系统不管是否兼容，全部连接到同一个供应源，会有较高的风险值；万一中央供应系统的PN2中断，警报系统又损坏，

2.2 大流量、不间断和稳定输送

如何满足大规模量产工厂对电子气体大流量、不间断和稳定输送的要求是一个挑战。

电子气体多以集中式供应为趋势，特种气体集中放置在气体房。输送系统的数量是根据机台对流量的需求进行合理配置。特气输送设备必须采用全自动切换供气，而且多设计了备用设备。对于低蒸汽压气体（WF6，DCS，BCl3，C5F8，ClF3等），需要考虑钢瓶加热，气体面板加热，管道伴热等。为了精确控制流量，在气源端一般会考虑配置高精度的压力变送器、电子秤、温控器等。在机台用气点也都配置了质量流

量计。 1 k3 R# H/ {: a0 D0 B( z w ; N% i/ |8 b1 z F\

对于大流量的BSGS，不但要考虑管路压降和液化钢瓶蒸发吸热对流量的影响，还要考虑气体经过调压阀减压后的焦耳-汤普逊效应。一般而言，气体减压后，温度会降低，甚至液化。这会照成输送压力的不稳定以及管路系统的损坏。因此需要考虑在减压前对气体进行预热。气体监控系统（GMS）通过计算机网络，实现

对气体输送系统的实时监控，以确保系统的稳定性。 + L/ {% T8 [7 U5 c }

针对液化气体（如氨气）的BSGS，采用直接加热液体的气化输送系统(Evaporator)已经研发成型，

很快会在BSGS的应用上推广。 9 k7 W6 G/ F# L

2.3 安全日趋严格 c9 v8 f% c$ n9 J, g0 P' X4 b

电子气体可能存在窒息性、腐蚀性、毒性、易燃易爆性等危险，其危害性被不同国家区域和不同的工业组织进行了详细的危险等级分类。对于一个大规模量产的电子工厂，其使用和存储的电子气体数量之多可以毫不夸张地被视为拥有“大规模杀伤性”武器库。任何设计上、施工中、日常运行里存在的安全隐患

都会对工厂、人员和环境带来巨大的灾难。

如何保证电子气体的安全储存、使用操作，系统的工艺和产品本征安全设计，在众多的国际标准规范如SEMI，NFPA，CGA，FM等都有很详细的规定，目前中国国内也正在起草针对电子特种气体的国家标准规范。通常而言，会根据气体性质和相容性，将气体房分成可燃气体房、腐蚀性气体房、惰性气体房、硅烷气体房、三氟化氯气体房等。气体房规划需要考虑建筑物的防火、泄爆、防火防爆间距、危险物总量控制等等。针对硅烷输送系统，特别是BSGS系统，因总量较大，应采用隔离式建筑。气体房和气柜应采用自动

喷淋系统。而三氟化氯遇水反应，需要采用二氧化碳灭火系统。

使用电子气体的工厂抽风系统也根据危险品性质分成了普通排风系统(GEX)，酸性排风系统(SEX)，溶

剂排风系统(VEX)和氨气排风系统(AEX)。换钢瓶时的吹扫尾气，也建议排放至尾气处理器中。 输送管道一般采用无缝SS316L EP管。施工采用自动轨道焊接，经保压、氦检漏和纯度测试。对于剧毒、高反应性和自燃气体，应使用双套管输送。一些剧毒气体如磷烷、砷烷等，安全输送系统（SDS）正在

被广泛使用。其钢瓶内采用负压吸附的方式，用真空法输送，从根本上避免了气体的泄漏。

气体侦测系统(GDS)是全厂生命安全系统（LSS）的重要组成部分。对于侦测器的要求，除了精度高，

反应迅速外，还应具备自检功能。 8 Z9 N1 H# R3 `* I; I

2.4 建设成本日趋降低

因为电子工业投资规模越来越大，缩短建设周期，降低建设成本也越来越重要。对电子气体输送系统而言，如何在不降低系统污染控制水平和不牺牲安全配置的前提下，努力减少建设和运行成本，同样是一

个挑战。 0 O4 M$ t: [7 R, }% z% G

合理配置系统，合理选型材料，可显著降低初始投资费用。这就要求电子气体输送系统承包商具备较强的系统设计能力。性质相匹配的气体，采用同一吹扫氮气系统，可显著节约气瓶柜的投资。对于VMB，可采用移动式吹扫氮气盘。小管路 (≤1/2”)的施工，直接采用弯管的方式，既节约了弯头的费用，也大大提高了施工效率。严格执行高纯管路施工规范，可大大降低测试气体和测试时间。这些都是行之有效的成本控制措施。采用大包装容器的气源，可大大降低物流和人力操作等运行费用。因而BSGS越来越受到更

多客户的青睐。

综上所述，电子气体输送系统面临着高纯度、大流量、严格的安全措施和大力降低建设成本四个方面

的挑战，同时这四个方面也是未来的发展方向。

V+V与EP的材质成分不一样，考虑到腐蚀性问题，如某些氟化物，会使用这样材质的管材，工艺明显是有区别的，EP是316表面处理技术，V+V就不单单是表面处理了，它是316材质的刚才再经过回炉处理（如

VIM+VAR就是VACUUM INDUCTION MELTING + VACUUM ARC REMELTING的熔炼处理技术）产生.... 关于前辈提及的管道是否满足工艺要求，我开始也就提到了，就是考虑抗腐蚀效果的因素，你说的这个问题就想化学品上的一个问题来打比方，比如你可以选用451的PFA管也可以使用951的PFA管，但951的

抗酸渗性还是要优于451的

气体输配管道选材的原则6 g; A X9 b- a\

所有高纯度、高洁净的气体均需通过管路输送到设备用点（POU），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。除取决于制气或净化设备的精度外，在很大程度上受到管路系统诸多因素的影响，因此，管材的选取应恪守相关行业原则，并在图纸中注

明管道材质。

管路的材质则依使用的需求进行选择，若为制程用的反应气体则选择高等级的316L EP管，经电解拋光(Electro-Polish)处理，耐腐蚀，表面粗糙度低，Rmax(maximum peak to valley height)约为0.3μm以下，其值远低于经过光辉烧结(Bright Anneal)处理之316L BA管的0.8μm，因平整度越高越不容易形成微涡流，而将污染粒子带出。316L BA管则常使用于和芯片接触但不参与制程反应的气体，如GN2、CDA。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。另一种未经特殊处理

的AP管(Annealing & Picking)，则用于不做为供气管路的双套外管。7 X$ C, r9 g4 E

目前在国内洁净管道可参照标准比较少，通常我们除了参照《洁净厂房设计规范》《氢气站设计规范》《氢氧站设计规范》《压缩空气设计规范》等有关技术行业技术规范外，在业内我们惯用的选材与配管一般参

照国际通用的行业标准：1 X4 c( y+ w3 E% A* u7 _8 h

在半导体体行业线宽越做越小，其对气体纯度、颗粒度、杂质含量、露点的要求也越来越高。表1是各线

宽下对超纯氮气的要求

高纯氮气（PN2）：系统管道采用内壁电解抛光（EP）低碳（316L）不锈钢管，阀门采用相同材质的波纹管

阀或隔膜阀。$ M: f2 Z* |% \\3 J( N. b

氮气（N2）：系统管道采用内壁电解抛光（EP）低碳（316L）不锈钢管或光亮退火（BA）低碳（316L）不

锈钢管，阀门采用相同材质的波纹管阀或球阀。0 x; B: C& X _9 ^4 c

高纯氢气（PH2）氢气（H2）：系统管道采用内壁电解抛光（EP）低碳（316L）不锈钢管，阀门采用相同材

质的波纹管阀或隔膜阀。

氩气（Ar）：系统管道采用内壁电解抛光（EP）低碳（316L）不锈钢管，阀门采用相同材质的波纹管阀或

隔膜阀。

氦气（He）：系统管道采用内壁电解抛光（EP）低碳（316L不锈钢管）阀门采用相同材质的波纹管阀或隔

膜阀。5 E4 Y9 j# q0 ]0 J

特气系统：必要的还需做双套管：外管酸洗钝化（AP）处理，内管电解抛光（EP），阀门采用相同材质的

波纹管阀或隔膜阀。

压缩空气（CDA）：系统管道采用光亮退火（BA）低碳（316L）不锈钢管，阀门采用相同材质的球阀（要求

不高的公司亦可采用铜管，视工艺要求定）

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，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，工作的安全性大大提高 (图1)。 - j# H% {& R# X& Y2 J3 Y

（图1）+ |6 R! z* i\

针对腐蚀性、毒性、燃烧性的气体，通常设计将钢瓶置于气瓶柜(Gas Cabinet)内，再透过管路将气体供应至现场附近的阀箱(VMB, Valve Manifold Box)，而后再进入制程机台的使用点(POU, Point of Use)，于进入机台腔体之前，会有独立的气体控制盘(GB, Gas Box)与制程控制模块联机，以质流控制器(MFC, Mass Flow Controller)进行流量之控制与进气的混合比例控制，通常此气体控制盘不属于厂务系统的设计范畴，而是归属制程机台设备的一部份。一般的惰性气体则是以开放式的气瓶架(Gas Rack)与阀盘(VMP, Valve Manifold Panel)进行供应。详细的描述与讨论将在下节进行，现在仅举一简单的两种不同供气流程规划的

实例，如图一、二所示。

[图一：毒性 / 可燃性气体供应规划流程实例9 R' `& s5 Y$ z\

[图二：惰性气体供应规划流程实例# B6 B1 i* R# B0 p4 J3 t 超洁净不锈钢管道、管件、阀门的定义; l. b [: ]& ]' M

用途：不锈钢洁净管道用于输送半导体业中高纯或超纯洁净气体，及生物制药产业中洁净管道（各种水）。

表面处理方式：# L* B3 Y/ F8 |9 V, f\

RA 值的比较（Roughness Average,粗糙度平均值）7 M2 L# @) T5 N$ |& ~8 [# I& F4 t

材质 表面处理方式 内表面粗糙度平均值（μm）

316L AP RA〈=1.0

316L BA RA〈=0.8. Z% Z* [/ Y S) }$ A' I- N

316L EP RA〈=0.13-0.2

PP?聚伸苯基硫

PE?聚醚醚銅 # |& a. l, W2 e; q: u

PTFE?聚四氟乙烯 PVDF?聚氟化亞乙烯 PFA?側鏈聚四氟乙烯

14楼的兄弟说到V+V，我斗胆发表一些不同看法。目前在国内多是台湾或日本的user会使用到V+V的材料。实际上，很多欧美的项目上好像没有这样的材料出现。我所知道的Intel在爱尔兰，美国，以色列的几个厂和实验室，有的制程甚至低于45纳米，特气种类很多质量很高，也只是用EP的材料。事实也证明，真正成熟的EP工艺可以满足半导体厂特气的苛刻要求。如果严格追究的话，V+V只有日本的炼钢厂才有，

真是他们的独特工艺呢，还是一种名称的游戏呢？

当然，我同时也在考虑是不是国内和国外的气体质量本身也有差别，才导致管道材料的使用不得不同呢？

V+V与EP的材质成分不一样，考虑到腐蚀性问题，如某些氟化物，会使用这样材质的管材，工艺明显是有区别的，EP是316表面处理技术，V+V就不单单是表面处理了，它是316材质的刚才再经过回炉处理（如

VIM+VAR就是VACUUM INDUCTION MELTING + VACUUM ARC REMELTING的熔炼处理技术）产生.... 关于前辈提及的管道是否满足工艺要求，我开始也就提到了，就是考虑抗腐蚀效果的因素，你说的这个问题就想化学品上的一个问题来打比方，比如你可以选用451的PFA管也可以使用951的PFA管，但951的

抗酸渗性还是要优于451的

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