芯片制造厂电压暂降问题及治理

黄 磊

中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，上海 201203

芯片制造厂电压暂降问题及治理

黄 磊

中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，上海 201203

分析目前配电系统电压暂降治理方案存在的缺陷，深入研究动态电压补偿器的原理并进行改造，达到电压暂降治理的全覆盖。

芯片制造厂；电压暂降；不间断电源；动态电压补偿器

引言

随着上世纪90年代电力电子设备的广泛应用，电压暂降才日益成为关注的焦点。在影响电能质量的诸多因素中，电压暂降引起用户的投诉最多，主要有以下几方面原因：

1）电压暂降发生的频率远高于其它电力品质问题，根据美国电力研究协会（EPRI）调查工业界面临的最大电力品质问题就是电压暂降。据统计60%以上的电压暂降事件都和雷击、台风、暴雨等恶劣的天气有关。当高压输电线路发生风筝、热气球引起的短路故障时，该线路上甚至几公里外的电力用户依然会受到影响。

2）由于电压暂降所引起的生产设备误动作、中断等事件会给社会带来巨大的经济损失，严重时甚至造成意外伤亡事件。

3）现代自动化机电设备对电压暂降的要求比传统的设备要求更高。

所以电压暂降对芯片制造的影响不可忽略，必须对它加以治理。

1 电压暂降的定义及对芯片制程的影响

国际电气与电子工程师协会IEEE Std1159-1992电压暂降(voltage sag),定义为:供电系统中某点的工频电压均方根值突然下降至额定值的10%～90%,并在随后的10ms～1min的短暂持续期后恢复正常。如果持续时间超过1min，则认为是电压偏低。

对于制造芯片这样的高科技产业，由于生产的产品种类繁多、加工步骤繁多、属于重复混合加工的制造形式，因此芯片制程中的每一道加工工艺都显得非常重要。常规的动态存储内存的加工工艺约需要200道以上的工序，其中任何一步的出错都会直接影响产品的良率，让昂贵的芯片一文不值。制造芯片机台有生产光掩膜的曝光机、光刻机、离子注入机、炉管、等离子刻蚀机、等离子体增强化学气相淀积机等。这些芯片制造机台在工作过程中的优良特性，例如真空度、沉淀速率、温度、离子注入计量等参数，在很大程度上依靠稳定可靠的电力品质。

电压暂降导致芯片制造厂生产设备停机有以下几方面原因。第一在生产芯片过程中大量使用有毒有害的气体及化学品，为避免意外泄露事件的发生都会使用紧急停机连锁功能。在发生电压暂降时，紧急停机连锁功能的电气控制回路中的继电器会因电压低而触发，从而导致设备的停机。第二生产过程中所使用设备的控制单元如PLC及变频器

等的运转参数中对电压暂降的忽略或延时功能没有激活导致设备停机。最后供给生产设备所必须的气体、化学、纯水、冷却水、排气、制程真空等厂务系统当发生电压暂降停机时，制程设备由于对这些系统的压力等参数有连锁功能因此也会停机。图1芯片制造厂房、设备及厂务系统示意图。由图可以看出无尘室的环境、厂务供应系统、设备控制系统等都相互关联，只要一个环节因电压暂降导致停机都会影响芯片产能及良率。

图1 芯片制造厂房、设备及厂务系统示意图

2 SM公司电压暂降治理方案的分析及改善

SM公司目前在上海建有多座200MM及300MM晶圆厂，厂区采用三回路35KV高压供电设计，经各级变压器转换为10KV/380V/208V向下游负载供电。由于在建厂初期没有考虑电压暂降的问题，随着这几年产量的不断屡创新高对电压暂降的困扰也是进一步增加。电压暂降的治理分两个方面，一方面需要提高设备本身抗电压暂降的能力。在设备制造层面应符合SEMI-F47标准，芯片制造厂在购买设备验收时也应进行抗电压暂降检测。目前已使用设备也需要根据实际情况更换相关器件或对相应的控制单元如单片机、PLC及变频器等的参数进行修改，激活对电压暂降的忽略或延时功能。由于公司目前已在生产，大规模修改设备内部器件及参数可能会导致一定的生产风险。

另一方面按照投资回报率高低来提高设备局部或全部供电的电力品质。芯片生产机台电力是否需要电压暂降治理可依据设备同时制造芯片的数量作评估，例如炉管机台一次有上百片的芯片同时氧化处理，一旦发生电压暂降的异常停机所造成的损失非常巨大，因此需要考虑上应该把炉管的机台电源进行抗电压暂降治理。但由于炉管的机台功率有200KVA左右功率比较大不适合全部接入，因此经过多方面衡量最后把炉管的控制系统及真空泵纳入电压暂降治理范围而主机台仍然用市电。对真空泵电源进行电压暂降治理的目的是：第一电压暂降时可继续维持炉管腔内的真空度避免腔体玷污后芯片报废，第二避免真空泵跳脱后因互锁导致主机台停机。提高控制系统电力品质的目的是为了在发生电压暂降时，即使发生主机台停机但由于控制系统仍在工作可以记录整个芯片当前正在工作的工序，当主机台复机后可继续工作避免长时间停机导致的芯片报废及产能损失。

厂务供应系统方面，将与生产直接相关的厂务系统中的关键设备纳入电压暂降治理范围。例如芯片制造厂中的制程抽真空系统，当真空系统中的真空泵突然停止时会发生自动化机器手臂吸取的芯片掉落破片的事故。排气系统主要用于抽除设备所排出的有毒、有害废气。由于有安全隐患排气的压力往往与机台设备有互锁关系，当发生由电压暂降引起的排气停机导致排气压力降低时会导致所有相关联的机台停机。制程冷却水是供给机台工作过程中降温所使用的，机台与冷却水的流量有互锁关系。超纯水为芯片制程提供最为清洁的清洗介质，芯片每一步的加工工序都需要利用超纯水来清洗祛除杂质。气体及化学供应系统由于直接和生产相关，系统的稳定直接与芯片的制造良率相关联。因此这些系统在电力系统规划时需要考虑抗电压暂降问题。

图2 电压暂降记录及动态电压补偿器的保护范围

公司以往的电压暂降治理策略是按照发生暂降后的严重程度分步骤安装不间断电源（UPS）。但由于芯片制造厂的电力消耗非常巨大，因此全部安装UPS所需费用太大而不现实，并且UPS也有其致命的弱点：1）由于目前大陆市场没有与机台电压相匹配的208V/50HZ UPS，需要安装降压变压器这将导致整体效率下降。2）UPS储能器件是电池，但电池需要25℃的环境温度来维持寿命，这会增加空调费用。每季度进行电池检测、每4～5年需要更换电池此费用也非常高。电池中所含的铅对环境是高污染。

目前公司进行电压暂降治理的趋势正在从以往使用不间断电源向动态电压补偿器（DVR，Dynamic Voltage Regulator）过渡。DVR是一种电压源补偿装置，串接于电源与负荷之间。当发生电压暂降时，DVR能在几毫秒内将下游负载的电压恢复到正常。DVR是一项新技术，动态负载性能佳、日常运行损耗小、维护工作量小、它没有蓄电池，正在被越来越多的制造企业所接受。

图3 暂态状态（正半周）

图4 交叉耦合系统图

图5 DVR上游电源电力系统示意

图6 2011-2-17电压暂降及经过治理的电压波形

结合公司近10年电压暂降记录与动态电压补偿器的补偿曲线，并分析各品牌动态电压补偿器的优缺点，最终选择美国SQ公司的DVR。所选择的动态电压补偿器的保护范围及SM公司电压暂降记录的比对如图2所示。发生单相电压暂降时，DVR的保护范围为AA、BB、CC三个区域即可以单相停电保护5S。发生两相电压暂降时，DVR的保护范围为AA、BB区域。发生三相电压暂降时，DVR的保护范围为AA区域即可以停电保护0.2S。从图中可以看出此款DVR完全满足电压暂降的治理要求，可以保护SM公司近十年来的全部的电压暂降事件。开关提供电力。2）市电电压暂降至额定电压50%～88%时，由逆变器提供补偿需要的电压差。当电压暂降至额定电压55%且交流电处于正半周波时，整流器D2向电容器C2充电至输入电源的峰值电压。逆变器S1开始通电, C1电容器上的45%额定电压与电源处于串联回路，负载电压为55%+45%额定电压,如图3所示。当交流电处于负半周波时，DVR的另一半器件工作也达到电压补偿的作用。3）当市电电压暂降至额定电压0%～50%时，利用交叉耦合及电容放电来进行电容补偿。DVR在单相或两相发生电压暂降时，能充分利用未发生电压暂降相位的电能量以交叉耦合方式，在电压暂降过程中起到更好的保护效果，如图4所示。

但DVR有个致命的缺陷就是无法补偿对超过0.2S的停电事件，为了更好的治理电压暂降甚至短时停电事件需要对原有的DVR进行相应的改造。

由于公司采用三路高压进线，根据10年来电压暂降事件的统计，两路同时都发生低于50%的电压暂降的概率非常低，可以把DVR中交叉补偿的电源回路改造成了另外一路进线电源如图5所示。这样改造后当主回路发生电压暂降而补偿电源正常时，可以使原系统保护单相停电5S的基础上拓展到两相乃至三相停电5秒的补偿效果。

同时为了系统更有效的工作在电力系统10.5KV侧增加备自投功能（BZT）。即在电源回路1发生停电时，延时1.5S后回路1-1断路器断开、Tie断路器闭合，此时电源1回路下的负载全部有电源回路2供应。

在改造完成后当电源1发生停电事件时，由3路电源与电容可以补偿5秒，但在1.5秒时10.5KV侧备自投会动作使得1路电源下的负载全部转移到2路电源，因此1.5秒后DVR主电源又恢复正常，所以DVR下游的负载可以不受电压暂降的影响。

3 改进型动态电压补偿器在厂务系统的应用

由于电压暂降治理项目涉及公司的设备、系统非常繁多，若短时间全面展开可能会导致公司产能的损失及项目运行的风险。因此决定从厂务纯水系统（Ultrapure Water，UPW）开始治理，发生电压暂降并导致生产影响的都是由于UPW系统中供应用户侧的循环泵、压力提升泵的停机而导致UPW压力过低从而影响生产线设备。因此只要把UPW系统相关的泵治理好就能大大提高整套系统抗电压暂降的能力，这缩小了UPW系统电压暂降治理的范围。

为了更好的对比治理后的效果，首先以没有进行治理前发生在2009年6月27日18:43分的电压暂降为例。电压降到额定电压的75.1%，持续时间为68毫秒，暂降导致UPW系统出口压力由0.56Mpa降到0.28Mpa,纯水的流量由399CMH降到318CMH。由于UPW压力波动所导致5台刻蚀设备停机、 8台化学机械研磨设备停机，并导致54片芯片报废。

2011年1月到2月间，SM厂区分别发生3次电压暂降事件。经过公司的电力品质监测仪记录为：1月26日，发生两相电压暂降到额定电压的83%，持续时间为72毫秒。2月17日，发生两相电压暂降到额定电压的68.8%，持续时间为84毫秒。2月23日，发生三相电压暂降其中C相降到额定电压的74.7%，持续时间101毫秒。按照以往情况，以上电压暂降会导致UPW水压波动以及制程设备的异常停机。但经过治理后由于DVR的电压输出波形完全符合UPW循环泵及压力提成泵的电力品质要求，UPW系统未受到电压暂降的影响如图6。

4 结语

电压暂降已上升为芯片制造厂最为重要的电力品质问题，在影响芯片制造良率的诸多电力品质问题中占90%以上。本文对电力系统与动态电压补偿器进行改造使之达到电压暂降治理的全覆盖，通过真实暂降事件的考验，验证治理方案完全满足要求。

[1]SEMI F47-0200 Specification for semiconductor process equipment voltage sag immunity. Current edition approved by North American Regional Standards Committee on December 15，1999. Initially available on www.semi.org January 2000

[2]董其国.电能质量技术问答.北京：中国电力出版，2003. ISBN 7-5083-1654-1

[3]Michael Quirk, Julian Serda.韩郑生译.半导体制造技术.北京：电子工业出版社，2009.7 ISBN 978-7-121-08944-2

[4]周双喜，朱凌志，郭锡玖，王小海.电压稳定性及其控制

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.06.036

黄磊（1975-）.男，上海市，2009级复旦大学，工程硕士，工作中芯国际厂务处，电科经理，从事研究电力系统维护及电能质量改善。