关于半导体、平板显示行业特气系统构筑的要点分析

周莉

（南京京东方显示技术有限公司，江苏 南京 210000）

1 概述

曾经中国电子领域科技之痛是“缺芯少屏”。经过十多年飞速发展，中国已经成为全世界最大的显示屏生产大国。集成电路产业以其重要的战略地位逐渐成为国际竞争的主战场。一方面集成电路技术创新发展步入新阶段，为我国集成电路产业带来难得的发展机遇；另一方面中美高科技博弈逐渐成为中美经贸摩擦的焦点，我国必须尽快实现关键产品的自主可控。因此未来五年是我国集成电路产业进入高质量发展快车道的关键时期[2]。特气在光电行业中应用广泛，在芯片制造行业其种类多、用量小，平板显示行业种类少、用量大，系统需要根据不同制造领域使用特征进行有针对性设计。

2 特气供应系统设计

特气系统供应能力的设计需要从供气设备的规格、设备台数、主管道尺寸三方面来考虑。

2.1 集成电路特气系统供应能力的确定

在目前工艺技术较为先进的半导体晶圆代工厂的制造过程中，全部工艺步骤超过450 道，其中大约要使用50 种不同种类的气体[3]。总体可按用量大小、不同性质分类设计规划，通过调研多个8～12 寸集成电路工厂运行实绩，了解各制程设备用气机制，总结如下经验：

2.1.1 集成电路用量大的气体主要有：NF3（三氟化氮）、SiH4（硅烷）、N2O（笑气）、NH3（氨气）、SF6（六氟化硫）、CF4（四氟化碳）、4%H2/N2（氢氮混合气）。通过调研国内外集成电路工厂生产实绩，这些气体的需求流量较大，因此建议供气设备形式为BSGS(大流量供应气柜)。

2.1.2 集成电路用量小的气体对供应气柜的设计流量要求不高，供气设备的类型选择Gas Cabinet（气瓶柜，Toxic Gas 危害性气体选择）或Gas Rack（气瓶架，Non-Toxic Gas 无危害性气体选择）即可满足需求。

2.2 平板显示特气系统供应能力的确定

平板显示主要细分为TFT-LCD、AMOLED 领域，未来为了满足4K/8K 超高清、柔性显示需求，高世代TFT（特别是金属氧化物显示技术）、G6 代及以上AMOLED 是未来重点投资建设方向。

2.2.1 高世代TFT-LCD 显示

高世代TFT-LCD 使用的特气有：SiH4（硅烷）、NH3(氨气)、NF3(三氟化氮)、Cl2（氯气）、N2O(笑气)、H2(氢气)、SF6(六氟化硫)、1%PH3/H2(磷烷混氢气)等。各个气体的设计供应流量大小可以按照UM 流量乘以同时使用系数来确定，经验总结如下：

2.2.1.1 SiH4（硅烷）、NF3（三氟化氮）、N2O（笑气）、H2（氢气）、1%PH3/H2（磷烷混氢）、NH3(氨气)这些CVD（气相沉积镀膜）使用的气体，因为同时用气腔室数不超过3 个，通常建议按照UM Total Peak Flow 的65%～75%设计系统供应能力；如国内某高世代IGZO-TFT 工厂选择的使用系数为70%。

2.2.1.2 Cl2（氯气）、CHF3（三氟甲烷）、SF6（六氟化硫）这些Dry Etch（干刻蚀）使用的气体，依照经验通常建议按照UM Total Peak 的50%～60%规划。如国内某高世代IGZO-TFT 工厂选择的使用系数为55%。

2.2.2 AMOLED 显示

AMOLED 显示使用的特气有：SiH4（硅烷）、NH3(氨气)、NF3(三氟化氮)、Cl2（氯气）、N2O(笑气)、H2(氢气)、SF6(六氟化硫)、20%PH3/H2(磷烷混氢气)、C2HF5(五氟乙烷)、BCl3（三氯化硼）、4.5%HCl/H2/Ne（氯化氢混氢混氦）、100ppm H2/Ne（氢氦混合气）、Xe（氙气）、P-He（制程用高纯氦气）、P-CO2(制程用二氧化碳)、BF3(三氟化硼)、5%B2H6/H2(乙硼烷混氢)、5%TMB/H2(三甲基硼混氢)等。下面通过区分具体制程设备进行分析：

2.2.2.1 SiH4（硅烷）、NH3(氨气)、NF3(三氟化氮)、N2O(笑气)、H2(氢气) 这些CVD(气相沉积镀膜)、EVA（封装镀膜）设备使用的气体，用气量大、流量多，建议供气设备选择BSGS，使用系数要略低于高世代TFT-LCD 的特气系统，通常建议取55%～65%，如国内某AMOLED 工厂选择的系数为60%。

2.2.2.2 Cl2（氯气）、SF6(六氟化硫)、C2HF5(五氟乙烷)、P-CO2(制程用二氧化碳)等Dry Etch（干刻蚀）设备使用的气体，用气量略少、流量略低，建议供气设备也还需要选择BSGS，使用系数比上述CVD 和EVA（封装镀膜）略低，通常建议取40%～50%，如国内某AMOLED 工厂选择的系数为45%。

2.2.2.3 ELA（准分子退火）设备使用的气体4.5%HCl/0.9%H2/Ne（氯化氢混氢混氦）、100ppm H2/Ne（氢氦混合气）、Xe（氙气）、P-He（制程用高纯氦气），由于制程设备要求供应距离不大于30 米（供气纯度极度苛刻）、用气需求流量不大，建议直接选择Gas Cabinet（气瓶柜）在Sub-Fab（洁净室下夹层）本地供应。Gas Cabinet（气瓶柜）的设计供应流量应满足制程设备单点峰值流量需求（特殊的用气机制：每日在极短时间瞬时用气，其它时间不用气）。

2.2.2.4 BCl3由于是低蒸汽压状态，对加热系统、供应稳定性安全性要求极其严格。如果采用Y 瓶+BSGS 远距离供应，后期运行容易导致管道堵塞、压力不足、品质异常等问题，为确保供应的安全性和稳定性，建议直接在Sub-Fab 用Gas Cabinet（气瓶柜）进行点对点单腔室供应，Gas Cabinet（气瓶柜）的供应能力满足单腔室流量需求即可。

2.2.2.5 20%PH3/H2(磷烷混氢气)、5%B2H6/H2(乙硼烷混氢)、5%TMB/H2(三甲基硼混氢) 、BF3(三氟化硼)这些气体应用于一些特殊工艺制程设备，用气量和供应流量需求均不是很大，一般Gas Cabinet（气瓶柜）的供应能力足以满足生产需求。

2.3 特气系统供应管径的确定

由于供应的气体性质有自燃性、易燃性、强腐蚀性、压缩气体、低压蒸汽等，需合理控制气体的供应流速，才能确保安全稳定供应，因此管径选择可参考表1。

表1 不同性质气体供应流速参考表

由于供应的特气种类较多，特定特殊气体的流量与管径的关系目前研究还存在较多不足，特气系统建设方人员不能准确计算，推荐简便计算方法如下：

根据空气流量对应管径的关系（表2），能快速得出介质为空气的管道直径，考虑到供应气体的特性、安全冗余，将上述管径放大一个规格，以此确定特气管道直径。

表2 介质为空气的管道流量与管径的对照表

3 特气站的空间规划

3.1 特气容器包装形式的确定

特气容器包装形式的选定需要从特气供应流量、气体包装量、更换频率、物流纳期等统筹考虑，通常气体更换作业用时为两日（气体下线→气体待命上线），同时应尽可能减少气体更换频率，降低频繁更换气体带来的安全风险，因此建议系统设计时需要选择单瓶使用时长超过两日以上的容器。

3.2 特气站房布局

集成电路、平板显示使用的用量大的气体，其容器包装形式以Y-Cylinder（470L 卧式气瓶）或Tube Trailer（管束车）为主，其中SiH4（硅烷）需按照国家标准独立建站，其它气体可按照性质设置在特气站。为减少运行时人员接触泄漏气体的风险，较好的保护供气设备，建议将特气站规划为上中下三部分，中央部分为供气设备和点检通道，上部为槽车/管束车供应间，下部为Y 瓶或47L 气瓶供应间，如图1。

图1 典型的特气站布局示意图

3.3 生产辅房特气供应间布局

集成电路工厂特气系统中用量小但种类繁多的气体，需按照气体性质规划特殊可燃气体供应间、易燃易爆气体供应间、毒性/腐蚀性气体供应间、惰性气体供应间、Sub-Fab（洁净室下夹层）本地供应五类供应区间。

3.4 其它容易忽略的设计细节

3.4.1 特气站房宜设置叉车充电间，布置氢气气体侦测器，确保叉车充电安全；

3.4.2 氨气的雨雾喷淋系统喷淋后的含氨废水需避免通过长距离管道输送至废水站因沉降引发管道破损造成土壤环境污染的风险。建议以下形式：

a.容器为槽车时，对地坪承重要求高，宜将液氨废液收集罐设置在室外，收集罐的容量应大于氨气供应间的液氨最大存储量，收集罐和收集坑应进行防腐防渗漏处理(如图2）。

图2 室外液氨废水收集系统示意图（适宜供应间承重要求高的槽车供应系统）

b.当氨气容器为930L T 瓶时，地坪承重要求不高，可将氨气供应间建设为沉降式结构，沉降的应急收集池容量应大于氨气供应间液氨的最大存储量，收集池和收集坑内表壁进行防腐蚀防渗漏处理（如图3）。

图3 室内沉降液氨废水收集系统示意图（适宜采用T 瓶氨气罐的供应间）

4 供气设备的设计优化

4.1 Vent Line（排放管路）

业内硅烷供应系统的Vent 较多采用Burn Tube 形式（如图4），易出现硅烷排放堵塞、Burn Tube 内燃爆等异常，因此建议采用氮气稀释对高空排放的方式（如图5），其中采用氮气将硅烷进行稀释，硅烷的排放采用限流措施排放、氮气的流量通过流量计进行控制；当氮气流量异常可将信息反馈给BSGS(大流量供应气柜)进行安全联锁，停止硅烷气体排放，确保硅烷排放的安全稳定可靠。

图4 Burn Tube 式

图5 氮气稀释高空排放式

4.2 供气设备的JT-Heater（焦耳-汤普生效应加热器）

部分高压气体经过减压阀会发生焦耳-汤普生效应（温度骤降甚至液化），为此通常在BSGS 供应管线加入JT-Heater，其属于比较昂贵的部件，功率越大成本越高，而集成电路和平板显示制造工厂产量爬坡周期长，因此需特别注意特气系统承建商的选型，避免因节约成本而选定加热器功率偏小导致供应气体降温甚至液化引发断供。

结束语

集成电路、平板显示制造工厂产品更新迭代不断加快，为了使特气系统的设计更加安全、稳定成本更优，就需要我们不断总结工作中的经验和教训，分享成果，为行业的发展贡献自己的一份力量。