1995年，美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）在一份報(bào)告中預(yù)言："中國將在10-15年內(nèi)成為世界最大的半導(dǎo)體市場"。隨著中國經(jīng)濟(jì)的增長和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)市場仍將保持20%以上的高速增長態(tài)勢，中國有望在下一個(gè)十年成為僅次于美國的全球第二大半導(dǎo)體市場。而目前的發(fā)展態(tài)勢也正印證了這一點(diǎn)。
  作為半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中必不可少的系統(tǒng)，高純氣體系統(tǒng)直接影響全廠生產(chǎn)的運(yùn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量。相比較而言，集成電路芯片制造廠由于工藝技術(shù)難度更高、生產(chǎn)過程更為復(fù)雜，因而所需的氣體種類更多、品質(zhì)要求更高、用量更大，也就更具代表性。因此本文重點(diǎn)以集成電路芯片制造廠為背景來闡述。
集成電路芯片廠中所使用的氣體按用量的大小可分為二種，用量較大的稱為大宗氣體（Bulk gas），用量較小的稱為特種氣體（Specialty gas）。大宗氣體有：氮?dú)?、氧氣、氫氣、氬氣和氦氣。其中氮?dú)庠谡麄€(gè)工廠中用量最大，依據(jù)不同的質(zhì)量需求，又分為普通氮?dú)夂凸に嚨獨(dú)?。由于篇幅所限，本文僅涉及大宗氣體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)概述
  大宗氣體系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)和輸送管道系統(tǒng)組成，其中供氣系統(tǒng)又可細(xì)分為氣源、純化和品質(zhì)監(jiān)測等幾個(gè)部分。通常在設(shè)計(jì)中將氣源設(shè)置在獨(dú)立于生產(chǎn)廠房（FAB）之外的氣體站（Gas Yard），而氣體的純化則往往在生產(chǎn)廠房內(nèi)專門的純化間（Purifier Room）中進(jìn)行，這樣可以使高純氣體的管線盡可能的短，既保證了氣體的品質(zhì)，又節(jié)約了成本。經(jīng)純化后的大宗氣體由管道從氣體純化間輸送至輔道生產(chǎn)層（SubFAB）或生產(chǎn)車間的架空地板下，在這里形成配管網(wǎng)絡(luò)，最后由二次配管系統(tǒng)（Hook-up）送至各用戶點(diǎn)。圖1給出了一個(gè)典型的大宗氣體系統(tǒng)圖。
2 供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 氣體站
2.1.1 首先必須根據(jù)工廠所需用氣量的情況，選擇最合理和經(jīng)濟(jì)的供氣方式。
  氮?dú)獾挠昧客呛艽蟮?，根?jù)其用量的不同，可考慮采用以下幾種方式供氣：
  1）液氮儲(chǔ)罐，用槽車定期進(jìn)行充灌，高壓的液態(tài)氣體經(jīng)蒸發(fā)器（Vaporizer）蒸發(fā)為氣態(tài)后，供工廠使用。一般的半導(dǎo)體工廠用氣量適中時(shí)這種方式較為合適，這也是目前采用最多的一種方式。
  2）采用空分裝置現(xiàn)場制氮。這適用于N2用量很大的場合。集成電路芯片制造廠多采用此方式供氣，而且還同時(shí)設(shè)置液氮儲(chǔ)罐作備用。
  氧氣和氬氣往往采用超低溫液氧儲(chǔ)罐配以蒸發(fā)器的方式供應(yīng)。
  氫氣則以氣態(tài)方式供應(yīng)，一般采用鋼瓶組（Bundle）即可滿足生產(chǎn)要求。如用氣量較大，則可采用Tube Trailer供氣，只是由于道路消防安全審批等因素，目前在國內(nèi)還很少采用此方式。相信隨著我國微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，相關(guān)的安全法規(guī)會(huì)更完善，Tube Trailer供氣方式會(huì)被更多地采用。如果氫氣用量相當(dāng)大，則需要現(xiàn)場制氫，如采用水電解裝置。
  由于低溫液氦儲(chǔ)罐的成本相當(dāng)昂貴，加以氦氣用量不大，氦氣一般采用鋼瓶組（Bundle）的形式供應(yīng)即可滿足生產(chǎn)要求。隨著大型集成電路廠越來越多地出現(xiàn)，氦氣的用量也逐漸上升，國外已開始嘗試使用液氦儲(chǔ)罐，而且由于氦氣在低于-4500F時(shí)才是液體，此時(shí)所有雜質(zhì)在此液相中實(shí)際均已凝結(jié)在固體，理論上從該儲(chǔ)罐氣化的氮?dú)庖咽歉呒兌?，不用再?jīng)純化處理。
隨著國內(nèi)半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)一些半導(dǎo)體工廠較為密集的微電子生產(chǎn)園區(qū)，這時(shí)有可能采用集中的管道供氣方式，即由氣體公司在園區(qū)內(nèi)建一大型氣站，將大宗氣體用地下管線送往各工廠。這種方式可以大大降低各廠的用地需求和用氣成本，形成氣體公司與半導(dǎo)體工廠多贏的局面。在上海某生產(chǎn)園區(qū)，某氣體公司即將采用該方式對(duì)園區(qū)內(nèi)的幾家工廠提供氦氣，目前正在建設(shè)中。
2.1.2 在整個(gè)氣體站的設(shè)計(jì)中,需要特別注意幾個(gè)問題：
  首先,供氫系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)的安全性問題是必須予以高度重視的,如氣體站的平面布置必須符合相關(guān)安全規(guī)范。
  其次，在設(shè)計(jì)供氣壓力時(shí)不僅要參照最終用戶點(diǎn)的壓力需求，而且必須考慮純化器、過濾器以及配管系統(tǒng)的壓力降。
  另外，隨著集成電路工藝的提升，對(duì)工藝氧氣中的氮雜質(zhì)含量要求也提高了。值得注意的是，該雜質(zhì)目前尚無法通過氣體純化器有效去除，必須在空分裝置中增加專門的超低溫精餾過程處理，這不可避免導(dǎo)致成本的上升，當(dāng)然由此法制取的氧氣純度已足夠高，不需要經(jīng)純化即可直接用于工藝設(shè)備。另一折衷的方法是，目前200mm芯片生產(chǎn)工藝中，只有部分工藝設(shè)備對(duì)氧中氮的含量要求甚高，如果這些設(shè)備的用氧量不大，則可以考慮外購高純氧氣鋼瓶專門對(duì)這些設(shè)備供氣。
2.2氣體純化與過濾
2.2.1氣體的品質(zhì)要求
  隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)線寬不斷微縮，這對(duì)氣體品質(zhì)的要求也越來越嚴(yán)格，目前對(duì)大宗氣體的純度要求往往達(dá)到ppb級(jí)，表1給出了某200mm芯片生產(chǎn)工藝線對(duì)大宗氣體的品質(zhì)要求。
因此，必須用不銹鋼管道將大宗氣體從氣體站送至生產(chǎn)廠房的純化室（purifier Room）進(jìn)行純化，氣體經(jīng)純化器除去其中的雜質(zhì)，再經(jīng)過濾器除去其中的顆粒（Particle）。出于安全考慮，一般將氫氣純化室設(shè)計(jì)為單獨(dú)一室，并有防爆、泄爆要求。
2.2.2 純化器
目前國內(nèi)采用的氣體純化器都是進(jìn)口的，主要的生產(chǎn)廠家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。純化器根據(jù)其作用原理的不同可以對(duì)不同的氣體進(jìn)行純化。我將目前市場上純化器的情況作了整理，見表2。
  一般說來，N2、O2純化器較多采用觸媒吸附式，Ar、H2純化器則以Getter效果最佳，H2純化器也多采用觸媒吸附結(jié)合Getter式。
  在設(shè)計(jì)中要注意的是，不同氣體純化器需要不同的公用工程與之相配套。例如，觸媒吸附式N2純化器需要高純氫氣供再生之用；觸媒吸附式純化器需要冷卻水。因此，相關(guān)的公用工程管線必須在氣體純化間內(nèi)留有接口。

2.2.3 過濾器
  半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝過程不僅對(duì)氣體純度要求十分嚴(yán)格，而且對(duì)氣體中的顆粒含量也有極高的要求，目前在集成電路芯片生產(chǎn)中，對(duì)大宗氣體顆粒度的要求通常為：大于0.1μm的顆粒含量為零。而去除顆粒則需采用氣體過濾器。
  一般的，經(jīng)純化的氣體需經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的過濾器即可達(dá)到工藝要求，為方便濾芯更換，往往并聯(lián)設(shè)置兩組過濾器組，參見圖1。
2.3 氣體的品質(zhì)監(jiān)測
  大宗氣體在經(jīng)純化及過濾后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)測，觀察其純度與顆粒度的指標(biāo)是否已高于實(shí)際的工藝要求。目前著重對(duì)氣體中的氧含量、水含量和顆粒度進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測，而對(duì)CO、CO2及THC雜質(zhì)采用間歇監(jiān)測，測試結(jié)果連同其他測試參數(shù)（諸如壓力、流量等）都會(huì)被送往控制室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）系統(tǒng)。
2.4 供氣系統(tǒng)的可靠性問題
  由于微電子行業(yè)的投入與產(chǎn)出都是非常的大，任何供氣中斷都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其對(duì)大型集成電路芯片生產(chǎn)廠而言。因此在設(shè)計(jì)中必須充分考慮氣體供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。若采用現(xiàn)場制氣方式，往往還需要設(shè)置該種氣體的儲(chǔ)蓄供氣系統(tǒng)作備用。
  1）每一種氣體的純化器都需要有一臺(tái)作備用。
  2）氧氣若采用現(xiàn)場制氣方式，雖然可以不經(jīng)純化而直接供工藝設(shè)備使用，但仍應(yīng)該設(shè)置一臺(tái)純化器作備用。
  當(dāng)然，以上這些措施必須會(huì)導(dǎo)致氣體成本的急劇上升，雖然與供氣中斷造成的損失相比要小的多，
但這必須要與業(yè)主討論確定。而且，每個(gè)項(xiàng)目都有其特殊性，不必強(qiáng)求一步到位，可以考慮在不同的建設(shè)階段逐步實(shí)施。
  另外,若有條件采用集中管道供氣方式,還需要考察氣體供應(yīng)商的系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，是否有對(duì)供氣中斷、管路污染等突發(fā)事故的預(yù)防措施、應(yīng)急措施和恢復(fù)手段。有必要提請(qǐng)業(yè)主注意在該種經(jīng)濟(jì)便利的供氣方式背后潛在的風(fēng)險(xiǎn)。
3 大宗氣體輸送管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
  經(jīng)純化后的大宗氣體由氣體純化間送至輔助生產(chǎn)層（SubFAB）或生產(chǎn)車間（FAB）的架空地板下，在這里形成配管網(wǎng)絡(luò)，再由二次配管系統(tǒng)（Hook-up）送至各用戶點(diǎn)。以我的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)中要著重考慮以下幾個(gè)方面。
3.1 配管系統(tǒng)的整體架構(gòu)
  目前，較為常見的架構(gòu)有樹枝型（圖2）和環(huán)型（圖3）兩種。其中又?jǐn)?shù)樹枝型最為常用,其架構(gòu)清晰,且與其它系統(tǒng)的配管架構(gòu)相似，利于整體空間規(guī)劃。環(huán)型則能較好地保持用氣點(diǎn)壓力的穩(wěn)定，但投資較高。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)用氣點(diǎn)的分布情況及用氣壓力要求綜合考慮。例如，筆者在某200mm集成電路芯片生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)中，大宗氣體配管系統(tǒng)均采用樹枝型架構(gòu)。由于該FAB廠房很大，管線較長，而工藝氮?dú)庥脷恻c(diǎn)較多，有一些用氣點(diǎn)對(duì)壓力要求也較高，因此對(duì)工藝氮?dú)夤苈废到y(tǒng)特別采用了樹枝型與環(huán)型相結(jié)合的方式（圖4），環(huán)型主管主要保證用氣點(diǎn)的壓力穩(wěn)定，其管徑可小于樹枝型主管的管徑，從而降低成本。
3.2 配管系統(tǒng)的靈活性設(shè)計(jì)
  微電子行業(yè)的發(fā)展非常迅速，經(jīng)常會(huì)發(fā)生工藝設(shè)備更新、挪位和新增等狀況。即使在整個(gè)工廠的建設(shè)中，最終的工藝設(shè)備分布也會(huì)與設(shè)計(jì)時(shí)相去甚遠(yuǎn)。這種行業(yè)的特殊性要求設(shè)計(jì)必須充分考慮其靈活性（Flexibility），能滿足未來的擴(kuò)展需求。
  配管系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則是在主管（Main）上按一定間距設(shè)置支管端（Branch），再在每個(gè)支管上按一定間距設(shè)置分支管（Branch Take-off）供二次配管使用。另外，主管的管徑不必隨流量的遞減而采取漸縮設(shè)計(jì)。
  無庸諱言，這種配管系統(tǒng)的確具有充分的靈活性，但由于超高純氣體管路的管件和閥件價(jià)格昂貴，該系統(tǒng)的成本之高也是顯而易見的。通常，集成電路芯片廠的建設(shè)往往會(huì)分成若干個(gè)階段，一方面可以緩解一次性投資的巨大資金壓力，另一方面也可以根據(jù)市場狀況作出相應(yīng)的調(diào)整決策。在新廠建設(shè)的第一階段，設(shè)計(jì)產(chǎn)量往往不是很高，用氣點(diǎn)也不是很多，尤其是氫、氬、氧、氦的用氣點(diǎn)就更少。因此必須考慮如何來簡化該配管系統(tǒng)以降低成本。下面以圖5為例，對(duì)一些典型的工況作分析：
  工況一：支管I中，用氣點(diǎn)a與b均在該支管的最遠(yuǎn)端，因此無法作簡化。即使c與d處目前暫無用氣點(diǎn)，但還是應(yīng)該設(shè)置分支管和閥門，以備將來之用。
  工況二：支管II中，用氣點(diǎn)e和f的遠(yuǎn)端沒有其它的用氣點(diǎn)，則支管線可以分別在e點(diǎn)和f點(diǎn)后結(jié)束。注意，支管的終端閥必須帶排氣口，以供管線延伸使用。
  工況三：支管III的二端都沒有用氣點(diǎn)，則只在該二端安裝帶排氣口的隔膜閥，以備將來之用。
值得注意的是，工況三在設(shè)計(jì)中往往會(huì)被忽略。另外，主管和支管的終端閥宜采用帶排氣口的隔膜閥，利于今后可能的擴(kuò)展。
3.3 管徑的設(shè)計(jì)計(jì)算
  管徑的選擇是基于氣體流量的大小，同時(shí)也不能忽略氣體的壓力值對(duì)計(jì)算的巨大影響。另外，管道中氧氣的流速值要低一些，可選用8m/s。
  在芯片廠的設(shè)計(jì)中，工藝設(shè)備的用氣量往往會(huì)有二個(gè)數(shù)值，一個(gè)是峰值（Peak），一個(gè)是均值（Average），而且對(duì)不同的設(shè)備而言，峰值與均值之間的差異是完全不同的。那么在管徑計(jì)算中以何種流量作為基準(zhǔn)呢？筆者在此給出一些自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以供參考：
  首先，芯片廠中工藝設(shè)備的運(yùn)行方式是間歇式的。在某一設(shè)備的運(yùn)行過程中，會(huì)有短暫片刻的用氣量達(dá)到峰值，而后用氣量減小，甚至為零，由此類造成峰值和均值之間會(huì)存在很大差異，甚至是幾何級(jí)的差異。
  對(duì)主管而言，可以將所有工藝設(shè)備峰值流量的總和乘上系數(shù)（一般為0.7-0.8）,來作為流量值,這樣計(jì)算得到的管徑基本上可以滿足供氣需求。因?yàn)椴豢赡蹻AB中所有的工藝設(shè)備在同一時(shí)刻同時(shí)達(dá)到用氣峰值,因此沒有必要采用峰值總流量作為計(jì)算依據(jù),過大的管徑只能是浪費(fèi)金錢。
對(duì)于支管乃至分支管而言，則需要根據(jù)實(shí)際情況作具體分析。如果某分支管用氣點(diǎn)較多，則可以沿用主管的處理方法；如果用氣點(diǎn)不多，甚至只有一個(gè)，則還是以用氣點(diǎn)的總峰值流量來計(jì)算較為穩(wěn)妥。
3.4 配管系統(tǒng)的選材
  對(duì)于工藝氣體而言，由于在芯片生產(chǎn)中需要與芯片接觸并參與反應(yīng)，因此需選用經(jīng)電解拋光（Electro-Polish）處理的316L不銹鋼管，即SS316L EP管，其耐腐蝕性好，表面粗糙度低，Ramax（最大表面粗糙度）<0.7微米。光滑的表面使顆粒無從吸附滯留，從而保證氣體的純度。
對(duì)普通氮?dú)舛?，由于其并不作為制程中的反?yīng)氣體，可以選用經(jīng)光輝燒結(jié)（Bright Anneal）處理的316L不銹鋼管，即SS316L BA管，也可以采用經(jīng)化學(xué)清洗（Chemical Clean）處理的316L不銹鋼管，即SS316L CC管。其Ramax為3-6微米。
3.5 其它設(shè)計(jì)要點(diǎn)
  在設(shè)計(jì)中還應(yīng)遵循國內(nèi)其他相關(guān)規(guī)范，如《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》、《氫氧站設(shè)計(jì)規(guī)范》、《供氫站設(shè)計(jì)規(guī)范》等，其中主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：
（1）在主管末端要設(shè)計(jì)氣體取樣口，對(duì)于氫氣和氧氣，還需在主管末端設(shè)置放散管。放散管引至室外，應(yīng)高出屋脊1米，并應(yīng)有防雨、放雜物侵入的措施；
（2）氫氣、氧氣管道間距問題；
（3）氧氣管道及其閥門、附件應(yīng)經(jīng)嚴(yán)格脫脂處理，并應(yīng)設(shè)導(dǎo)除靜電的接地設(shè)施；
（4）氫氣管道接至用氣設(shè)備的支管和放散管，應(yīng)設(shè)阻火器；引至室外的放散管，應(yīng)設(shè)置防雷保護(hù)設(shè)施；應(yīng)設(shè)導(dǎo)除靜電的接地設(shè)施。
4 結(jié)論
  大宗氣體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)半導(dǎo)體工廠設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要部分，雖然整個(gè)系統(tǒng)的流程并不復(fù)雜，但是其中任一環(huán)節(jié)的疏忽都可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在設(shè)計(jì)中，必須在供氣穩(wěn)定、連續(xù)不中斷的前提下，嚴(yán)格保證氣體的品質(zhì)，從而保障整個(gè)工廠生產(chǎn)的順利進(jìn)行。另外在成本方面也應(yīng)有所考慮，力求達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。