特种气体二次配分管工法拓展评估与实践

肖志凯

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一、评估背景

在“贸易战”、“美禁”等环境下，我国半导体发展受到严峻的冲击，现半导体行业已成为我国关乎国计民生以及国家安全的重要行业之一，而在半导体产品制程过程中经常会使用到大量的特种气体。因大多数特种气体具有自燃、易燃、毒性、腐蚀性、氧化性的特点，因此在管件、阀件的相连处会设置于气体分配阀门箱(以下简称VMB)内，以避免气体泄漏至工作环境中导致灾害，而特种气体的安全性也是半导体产业致力发展的关键。而在我司既有的特种气体施作工法、经验中（本评估项目仅对我司进行评估及作为未来扩充参考，不作为其他厂参考依据），仅蚀刻机台配置（以下简称ET）的VMB 中单一点位(以下简称Take off 点)会衔接至同一机台的多个点位（简称开Tee供应），其余生产机台配置的VMB单一Take off 点仅会衔接至机台的一个点位，例如薄膜机台（以下简称TF）需求6个点位，在以往工法中需求VMB 6个Take off 点。在产能提升过程中，大量的机台安装同时也伴随着庞大的特种气体需求，因此VMB 亦需大量扩增，不仅占用无尘室空间同时也耗费大量资金。对现有配管工法统计整理简化如表1，但并不代表所有生产机台或者未来生产机台会与此表类似。

表1：二次配管工法表

生产机台	使用点位	配管工法
ET	多	1 对 多
DF	单	1 对 1
TF	单	1 对 1
DF	单	1 对 1
WET	单	1 对 1

本文将充分拓展特种气体二次配分管工法，选择TF生产机台，并针对低需求流量特种气体作为评估对象。特种气体二次配分管工法是使用一对多之气体管件，将气体进行分接供应至同一机台多个点位。故以同类型机台进行比较，确认使用此工法首要可满足机台生产需求之条件。另以同类型机台使用单一takeoff点位衔接与使用特种气体二次配分管工法的气体流量差异进行比较。旨在寻求既可满足机台设备需求下，又可以更节省时间、空间、成本的作法。

二、评估方法

1、特种气体二次配分管工法

特种气体VMB二次配单一Take off对生产机台（以下简称tool）单一点位工法与分管工法其差异(如图1)，评估特种气体二次配分管工法将使用SUS316L EP的三通料件，对管路进行分接。在SUS316L EP管路要执行分接处将三通料件焊接(如图2)，并依照SEMI规范之焊道标准进行检验。特种气体二次配分管工法管路于高架地板下方处进行分接，再延伸衔接至机台(如图3)

 

     图1 特种气体配置(a) 一对一工法                         (b) 特种气体分管工法示意图

图2 二次配分管工法焊接料件示意图                    图3 特种气体分管工法管路配置示意图

2、对象选择

依据目前使用气体点位统计表（如表2），选取使用率高的气体作为评估对象，以期许达到短期内评估效益最大化及经验收集效率最高。

表2 特种气体点位统计表

序号	气体	Take off建制	已使用	序号	气体	Take off建制	已使用
1	NF3	248	230	28	5%H2/HE	20	18
2	NH3	220	185	29	3MS	16	14
3	SIH4	144	127	30	1%PH3/HE	16	15
4	CO2	144	112	31	NO	16	14
5	PH2	132	109	32	SICL4	12	12
6	N2O	112	94	33	SIF4	12	12
7	CF4	100	83	34	PCO2	12	10
8	CHF3	96	73	35	C3F8	12	9
9	CL2	92	67	36	5%B2H6/N2	12	7
10	CH2F2	84	68	37	SO2	8	4
11	C4F6	80	71	38	1%F2/1.3%KR/NE	8	6
12	SIH2CL2	76	68	39	1%F2/3.5%AR/NE	8	5
13	BCL3	76	34	40	1.2%H2/N2	8	5
14	SF6	64	59	41	1.3%KR/NE	8	5
15	CH3F	64	50	42	10PPM XE/3.5%AR/NE	8	5
16	COS	64	48	43	1%B2H6/H2	8	5
17	20%F2/N2	64	37	44	0.5%O2/HE	8	4
18	HBR	60	48	45	5%B2H6/AR	8	4
19	HF	60	45	46	2.7%C2H4/HE	8	2
20	C4F8	52	41	47	10%GEH4/H2	4	4
21	CO	48	23	48	5%BCL3/HE	4	3
22	4%H2/N2	44	27	49	10%CH4/AR	4	2
23	CLF3	40	35	50	10%NH3/HE	4	2
24	C3H6	40	20	51	20%O2/AR	4	2
25	C2H4	36	27	52	WF6	3	3
26	CH4	28	22	53	1%PH3/N2	0	0
27	Si2H6	28	18

如表2序号前10项特种气体使用点位占总使用点位的58%，建置点数占总建置点数的55%，因此直观显示使用率与建置比例成正相关，如能在使用端减少需求，将直接减少VMB的数量建置，最终将节省VMB设备及其他配套费用，例如空间、安全措施、支架、通讯等。

表2中前10项特种气体，仅7~10项的气体在ET使用，已执行分管工法，自2018年至今进行了多次尝试，形成了标准的分管经验，例如“1 Tee 6”分管工法无法满足流量/压力需求，最终改为“1 Tee 3”分管工法，不仅可以满足流量/压力需求，且符合工艺/美观的要求，在此不对为何不选择“1对4”或者“1对5”进行赘述。其中表2前6项气体在TF使用最多，因此选择TF作为评估对象。

3、理论计算

依据理论流量计算公式及经验流速表（如表3），比对机台需求进行二次配分管工法的设计（以1支1/4”take off管径，平均约40psi的需求压力进行计算，计算如表4）。

根据“表3：理论流量限制计算表”，如末端多个流量需求之和小于理论值的情况下，应可以进行开tee供应。

理论流量计算公式                                                   

流量计算式  

                     D：管内径 mm

流速计算式                        Q：流量  m3/H

              V：流速   m/s

管径计算式                        P：供给压力+1.033kg/cm2abs

           k=（10000（273+t）/（9+273π）

表3 经验流速表                                                 表4 理论流量限制计算表                               

序号	气体种类	举例	气源压力/PSI	Take-off 压力/PSI	流速/（m/s）
1	大宗气体	N2、O2、PH2	＞100	＞15	10
2	气态高压	SiH4、NF3、CH4	＞500	＞15	8
3	液态气体	CH2F2、CH3F	100＜	≥15	6
4	极低压气体	SiH2CL2、BCL3	＜100	＜15	4

气体	流量/sccm
NF3	27,736
NH3	20,802
SiH4	27,736
CO2	20,802
PH2	34,669
N2O	20,802

三、作业实践

1、实践

自2018年我司建设至今，一直在思考、推广特种气体二次配分管工法（即开Tee 供应），但屡次遭到使用部门的拒绝，理由是目前配置充足、担心流量不足，导致返工延误生产机台组装，且业界并无规范及实践可参考。因此一直拖延至今未广泛推广特种气体二次配分管工法。2022年恰逢以下时机进行实践：   

实践A

2022/7/15机台A刚好搬机入厂，且需求2点NF3气体，恰巧厂内仅剩余1点NF3，而新购的NF3 VMB只能于2022/9入厂，待得一个月工程后方能送气，因此无法满足生产机台入厂后15天送气的需求。

经过与使用部门负责人充分解释流量限制条件及开Tee能满足流量需求，以满足生产机台送气条件的情况下，答应开Tee测试，如表5所述。

表5 机台A需求计算表

气体	User需求	需求流量	POU限流	配置方案	VMB take off点
NF3	2点	10SLM/点	27SLM	1 Tee 2	1

最终，机台A于8月底组装完成，完成特种气体的配管工作并送气，实测NF3气体流量、压力符合机台A所提的生产条件。

实践B

在一年的推广之后，使用部门也陆续接受了特种气体二次配分管工法。2023/7/10机台B刚好搬机入厂，如以“实践A”的方式进行二次配分管开Tee供应，共需求4个点位，即N2O-Hi 需求3个点位，N2O-Lo可 1 Tee 3 供应，如表6所述。

表6 机台B需求计算表

特种气体	User需求	需求流量	POU限流	配置方案	VMB take off点
N2O-Hi	3点	20SLM/点	27SLM	1 To 1	3
N2O-Lo	3点	0.2LSM/点	27SLM	1 Tee 3	1

经过分析了解机台的气体使用机制，N2O-Hi与N2O-Lo在生产过程中不可能同时使用，即分阶段使用，因此产生本实践，即N2O-Hi与N2O-Lo搭配供应，最终如下图4所示供应方式，全部采用1 Tee 2方式供应，比“实践A”节省VMB 1个点位。

 

图4 机台B二次配分管工法示意图

2、标准化

经过一年多的分析、实践，共执行9台TF生产机台的开Tee供应，形成了以下两种我厂自有的标准工法参考：

标准1：按理论流量限制区分开Tee限制

表7 建议可开T方式

序号	GAS	需求流量SLM(Normal/MAX)			建议可开T方式
		Normal	MAX	少数	1对1	1对2	1对3
1	PH2	20	40	＜10	＞10	≤10	≤5
2	SIH4	2	5.5	＜10	＞10	≤10	≤5
3	NF3	15	38	＜10	＞10	≤10	≤5
4	NH3	15	30	＜10	＞10	≤10	≤5
5	N2O	20	35	＜10	＞10	≤10	≤5
6	CO2	20	60	＜10	＞10	≤10	≤5
其他		3chamber大小流量			大流量	小流量

标准2：同一气体分阶段使用开Tee供应（即如“实践B”同个机台或同个chamber需求之两管气体不会在同个时间使用）

四、效益分析

1、安全效益

以VMB至机台特气管路配管长度为48m（我司1个点位长度的定义），使用标准4m的管路进行配置。同机台相同气体需求点位为6点，以理论管路每4m有一个焊道，管路头尾处各焊接一对接头之条件进行分析。二次配分管工法假设于距机台接点4m处进行开Tee。结果显示，使用一对多分管工法可减少焊道数量，结果下表8所示。

表8 不同分管工法焊道计算表

机台需求	工法	焊道数量
相同气种特气点位6点 (假设管长 48m，4m 一焊道)	1 对 1	78
	1 对 2	42
	1 对 3	30

2、经济效益

以每个机台需求为相同气体6点，且机台数量相同的前提进行比较。二次配分管工法以符合流量需求下执行1 Tee 2的工法，1 VMB 统一有8个特气点位，机台数按80台作为比较分析。VMB的底座长宽为400mm*1050mm，考虑其维修空间，一VMB占地面积需求约1 m2，

依据上述假设条件的统计结果，使用分管工法，可节省一半的VMB配置，节省一半的无尘室空间。

表9 不同分管工法VMB\空间需求计算表

工法	机台数	需求点位	VMB点位	需求VMB	需求空间
1 To 1	80	480	480	60 set	60  m2
1 Tee 2	80	480	240	30 set	30  m2

五、结论

通过评估、实践，特气分管工法不仅可满足机台需求，且气体管路的焊道减少，降低气体泄漏风险，有效提升气体管路安全性。另外VMB的设置数量亦减少，除增加无尘室空间利用率，减少管路配置费用、减少VMB建置，在满足设备需求下，成本较低。此工法不仅达成高安全性、高价值效益之目标，又可同时满足生产需求。

六、参考文献

GB 50646-2020 特种气体系统工程技术标准

GB 50472-2008 电子工业洁净厂房设计规范

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