半导体制造设备排气通风设计及仿真

史 霄，杨 师，杨元元，费玖海

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京100176)

半导体清洗设备中会使用多种化学液，以CMP（化学机械抛光）后清洗设备为例，常用的化学试剂包括氨水、双氧水、HF 等，均属于易挥发、对人身体健康有危害的危险化学品。设备的排气通风设施主要是由FFU（空气过滤单元）、排气管道、调节风阀等构成，主要实现两方面的功能，一是引导设备中气流的方向从设备中的洁净区域流向非洁净区域，使得非洁净区域产生的颗粒物不会污染产品；另一方面是将挥发的危险气体通过排风系统抽走，与厂务端的废气处理系统连接，统一对其处理，使危险气体不会逸散到周围环境中对设备操作人员产生身体健康危害。前者为设备需满足的功能性要求，决定了清洗设备所能达到的清洗洁净度，以14～28 nm 工艺制程为例，需要晶圆表面颗粒度在0.06 μm 尺寸以上的颗粒少于50 颗，要求极为严苛，所以排气通风设计需要对设备内颗粒物的流向进行严格控制，不能使其流向晶圆传输区域。另一项要求为安全强制性要求，需满足相关行业标准，从而为安全生产、环境保护、人身健康提供保障。

1 SEMI S6 标准介绍

SEMI 标准是国际半导体产业协会为半导体制程设备提供的一套实用的环保、安全和卫生准则，适用于芯片制造、组装和测试的所有设备。其中SEMI S2 标准是SEMI 标准中关于安全的标准体系。晶圆代工厂在采购设备时，都会要求设备必须通过SEMI S2 安全认证。SEMI S2 是一系列安全标准的纲要，主要包含S3-工艺液体加热系统安全标准；S6-半导体制造设备排气通风安全标准；S22-半导体制造设备电气设计安全标准；F47-电压瞬降测试等。S6 标准[1]提供了半导体制造设备的排气通风安全性能标准，设计原理以及评估此标准的测试方法。本文从设计标准、性能标准、测试方法等方面进行介绍。

1.1 设计标准

排气通风系统由封闭箱体和连接风管组成，其材质应与设备所使用的化学液或气体无任何化学反应。以CMP 后清洗设备为例，清洗模组使用的化学品多为低浓度的酸碱溶液，排风管道采用PP 材质；干燥模组会使用IPA 气体进行晶圆干燥，IPA 为易燃有机溶剂，相关排风管道采用不锈钢管道。在风管连接点处应提供风量阀门，作为排风压力及流量的调节装置。设备维修保养时所需排气通风设施也应该纳入系统设计。设备端无需提供低于-375 Pa 静压的能力，如果需要，由使用设备的厂务端提供。

1.2 性能标准

首先应确定设备中有害气体的释放及产生率。须针对正常运行、保养、失效（例如化学液过热或者主容纳空间泄露）等情况，提供合理的有害气体的足量气流。对任何可能出现的单一故障状况在设计时给予考虑，例如所有非焊接方式的管路连接处的脱离。设备设计时应包含可在排气通风能力完全丧失时降低其风险的措施，例如切断化学品供应，排放化学品等。例如可在排风管道连接处安装压力传感器监测排气通风系统静压，当压力不满足设计标准时，利用安全联锁装置切断化学品供应。排气通风设计应确保在设备正常运行时危险气体在工作区域的浓度符合SEMI S2 呼吸空气标准，可燃气体在密闭箱体累计浓度低于LFL(可燃范围下限)的25%。针对可燃气体，设备中可设置浓度监测传感器，当可燃气体浓度超出安全范围时，利用安全联锁装置切断其供应。

1.3 测试方法

SEMI S2 针对不同作业设备制定了不同的毒性材质暴露标准，因此有必要根据不同标准及不同的释放率进行排气通风性能测试。在环境允许的情况下，可用工艺制程中的相关气体作为样品进行测试，如果出现无法接受的风险，可用释放率不低于相关物质的追踪气体进行测试。测量相关物质浓度的取样时间应与OEL (职业暴露限值——指定时间内工作人员可暴露空气中某种物质的最大浓度) 一致。取样位置应能代表最槽状况、实际呼吸区以及潜在点火源位置。

2 利用流体仿真软件验证排气通风有效性

在设备设计阶段，为了确认设计的排气通风系统是否有效，以及评估设备内部气流流向，可以使用流体仿真软件对设备三维模型进行仿真模拟，通过仿真结果可以直观地反应设备内部的压力、气体流向等，用来初步评判排气通风系统的设计有效性。

图1 所示是一个用于CMP 后清洗系统的刷洗箱体的结构，包含双面刷洗机构、晶圆夹持机构、箱体等。清洗工艺在箱体中进行，其中上刷和下刷机构可以自转，并且可以上下运动至晶圆表面，施加压力从而进行擦洗；箱体中设置有喷嘴喷淋DIW 和化学液，对晶圆表面进行冲洗。

箱体结构是一个大致密闭的箱体，但在挡水门周围存在一定的缝隙，存在危害气体溢出的风险，如图2 所示。箱体下方设置有排风口，用来抽走箱体中化学液喷淋产生的危害气体。现已知化学品的用量，需要通过仿真分析排风口的管径设计能否使箱体保持负压，从而保证无危害气体溢出。

图1 刷洗箱体结构

图2 刷洗缝隙及排风口位置

图3 箱体的简化模型及边界条件

为了便于仿真计算，减少计算量和计算时间，将箱体进行一定程度地简化。箱体的简化模型及边界条件如图3 所示。在挡水门附近的缝隙处与外界大气联通，可将其压力设为环境压力101 325 Pa。排风口与厂务排气管路连接，相对压力一般为-500 Pa，因此设置其压力为100 825 Pa。化学液使用流量为2 L/min，浓度1%，可计算其挥发速度为3e-5m3/s，因此将箱体底面设置为入口体积流量3e-5m3/s。

采用SolidWorks Flow Simulation 软件进行仿真计算，Flow Simulation 是一款计算流体力学（CFD）软件，该软件与Solidworks 紧密集成，使得CAD 与CFD 达到无缝集成的效果。在软件中设定边界条件以及求解目标，最终求解得出收敛的结果[2]。图4 为槽内的压力分布切面图以及缝隙处的表面参数，可以看出挡水门缝隙处的静压平均值为101 320 Pa，压力小于标准大气压，且体积流量为正值0.0014 m3/s，说明排风口可以将槽内的压力控制在标准大气压之下，且无气体溢出。图5 为槽内的流动迹线图，从图5 中可以看出在挡水门缝隙处的颗粒运动方向为从槽外到槽内，也说明无气体溢出。

图4 压力分布切面图及表面参数

图5 槽内流动迹线图

3 结束语

总之，设备排气通风系统的设计可以依据设计师的经验，在设计阶段确定排气通风管路的位置及管径大小，通过流体仿真软件可以模拟设备或模块气流的状态，从而对设计进行优化，并根据SEMI S6 中的测试方法和标准对设备进行实际测试，验证了排气通风设施的有效性。