沃飞讲解半导体工厂大宗气体系统的设计

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　　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。

　　一、供气系统的设计

　　1、气体站

　　2、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。

　　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。

　　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。

　　二、大宗气体输送管道系统的设计

　　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。

　　三、配管系统的灵活性设计

　　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。

　　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。

　　三、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;

　　(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;

　　(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。

　　四、结论

　　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。

　　五、关于沃飞科技

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