知名半导体-厂务工作指引

半導體廠務工作 吳世全 國家奈米元件實驗室 一 前言一 前言 近年來 半導體晶圓廠已進展到 8 晶圓的量產規模 同時 也著手規劃 12 晶 圓的建廠與生產 準備迎接另一世代的產業規模 於是各廠不斷地擴增其產能 與擴充其廠區規模 似乎稍一停頓即會從此競爭中敗下陣來 所以 推促著製 程技術不斷地往前邁進 從 0 25 m 設計規格的 64Mb 百萬位元 DRAM 動態 隨機記憶元件 記憶體密度的此際技術起 又加速地往 0 18 m 規格的 256M 發 展 甚至 0 13 m 的 1Gb 十億位元 集積度的 DRAM 元件設計也屢見不鮮 亦 即整個半導體產業正陷入尖端技術更迭的追逐戰 在競爭中 除了更新製程設 備外 最重要的是維持廠區正常運作的廠務工作之配合 而這兩方面的支出乃 佔資本財的最大宗 特別是多次的工安事故及環保意識抬頭之後 廠務工作更 是倍顯其重要及殷切 事實上 半導 體廠的廠務工作為多援屬性的任務 也是後勤配合與收攤 廢棄物 處理的工 作 平時很難察覺其重要性 但狀況一出 即會令整廠雞飛狗跳 人仰馬翻 以致關廠停機的地步 所以 藉此針對廠務工作的內容做一概略性的描述 說 明其重要性並供作參考與了解 文章分為三部份 首先為廠務工作的種類 其 次是廠務工作的未來方向 最後是本文的結語 二 廠務工作的種類二 廠務工作的種類 目前在本實驗室所代表的半 導體製程的廠務工作 約可 分為下列數項 1 一般氣體及特殊氣體的供 應及監控 2 超純水之供應 3 中央化學品的供應 4 潔淨室之溫度 濕 度的維持 5 廢水及廢氣的處理 系統 6 電力 照明及冷卻水的配合 7 潔淨隔間 及相關系統的營繕支援工作 8 監控 輔佐事故應變的機動工作等數項 下述將就各項工作內容予以概略性說明 1 一般氣體及特殊氣體的供應及監控 1 一座半導體廠所可能使用的氣體約為 30 種上下 其氣體的規格會隨製程要求而 有不同 但通常可分為用量較大的一般氣體 Bulk Gas 及用量較小的特殊氣 體 Special Gsa 二大類 在一般氣體方面 包括有 N2 O2 Ar H2等 另在特 殊氣體上 可略分為下述三大類 1 惰性氣體 Inert Gas 的 He SF6 CO2 CF4 C2F6 C4H8及 CH3F 等 2 燃燒性氣體 Flammable Gas 的 SiH4 Si2H6 B2H6 PH3 SiH2Cl2 CH3 C2H2 及 CO 等 3 腐蝕性氣體 Corrosive Gas 的 Cl2 HCl F2 HBr WF6 NH3 BF2 BCl3 SiF4 AsH3 ClF3 N2O SiCl4 AsCl3及 SbCl5等 實際上 有些氣體是兼具燃燒及腐蝕性的 其中除惰性氣體外 剩下的均歸類 為毒性氣體 SiH4 B2H6 PH3等均屬自燃性氣體 Pyrophoricity 即在很低的濃 度下 一接觸大氣後 立刻會產生燃燒的現象 而這些僅是一般晶圓廠的氣源 而已 若是實驗型的氣源種類 則將更為多樣性 其在供氣的流程上 N2 可採行的方式 有 1 由 遠方的 N2產生器配管輸 送 2 使用液氣槽填充供 應 3 利用 N2的近廠產 生器等三種 目前園區 都採 1 式為主 但新建 廠房的 N2用量增鉅 有 傾向以近廠 N2產生器來 更替 而本實驗室則以 液槽供應 O2氣體亦多 採用液槽方式 不過 H2 氣體在國內則以氣態高 壓鋼瓶為主 圖一乃氣 體供應之圖示 純化器 方面 N2及 O2一般均採 用觸煤吸附雙塔式 Ar 則以 Getter 吸附抓取 式為主 H2則可有 Getter Pd 薄膜擴散式 和觸媒加超低溫吸附式 等三項選擇 至於危險特殊氣體的供應氣源 大都置於具抽風裝置的氣瓶櫃內 且用 2 瓶或 3 瓶裝方式以利用罄時切換 切換時 須以 N2氣體來沖淨數十次以確定安全 櫃上亦有 ESO Emergence Shut Off Valve 閥 即緊急遮斷閥 做為洩漏時的 遮斷之用 目前對氣體的不純物要求已達 1ppb 即 109 分之 1 的程度 如表一所示 為達 此潔淨度 除要求氣源的純度外 尚需考量配管的設計和施工 而施工的原則有下述八點 1 Particle Free 無塵粒 2 External Leak Free 無外漏 3 Dead Space Free 無死角 4 Out Gas Free 無逸氣 5 Effective Area Minimum 最小有效面積 6 Error Operatio n Free 無 操作誤失 7 Corros ion Free 無腐蝕 8 Catalytic Behavior Free 無觸化現象 因此 管件的規格就必須愈來愈嚴謹 如表二所列 其 BA 為 Bright Anneal Treatment 即輝光燒鈍退火處理 EP 則為 Electro Polish 屬電極拋光之等級 另項的重要工作是在氣體監控系統 主要的目的是做為操作時的 管理 及安全上的管理 可由表三說明之 而氣體的毒性規範乃 以啟始下限值 TLV Threshold Limit Value 為界定 表四乃部份 毒性氣體的 TLV 值 關於毒氣偵測的感測器原理 一般有下列六種 1 電化學式 Electro chemical 2 半導體式 Semiconductor 3 化學試紙式 Chemical Paper Tape 4 火焰放射光譜式 Flame emission Spectrometry 5 傅力葉紅外線光 譜式 Fourier Transform Inferred Spectrometry FTIR 6 質譜儀式 Mass Spectrometry 而常使用的感測為前三種 完整的毒氣監控系統尚須具備 1 24 小時連續偵測 2 警報系統 3 自動廣播系統 4 分區的閃光燈警報系統 5 圖控系統顯示現場位置 6 各點讀值歷史記錄趨勢圖 而當偵測到毒氣洩漏時 立即警 報於電腦螢幕 同時啟動自動廣 播系統及分區的閃光燈警報系統 此時相關區域全體人員應立即撤 出 現場人員立即通知緊急應變 小組做適當的處理 2 超純水之供應 2 純水水質之要求隨積體電路之集 積度增加而提高 其標準如表五 所示 超純水之製程隨原水水質而有不同的方式 國內幾以重力 過濾方式 主要是去除水中的不純物 如微粒子 有機物 無機 鹽類 重金屬及生菌等等 去除的技術上 有分離 吸附及紫外 燈照射等 表五詳列的是新舊超純水製程的比較情形 其中新製 程的步驟有 1 多功能離子交換樹脂和裝置 所使用之強鹼性離子交換樹脂除了可以去除離子以外 還具有吸 著 去除微粒子的功能 而微粒子吸著的機制乃樹脂表面的正電 吸引微粒子的負電 吸著力的大小 決定於樹脂表面線狀高分子 之尾端狀態 2 臭氧 紫外線 UV 照射型分 解有機物設備 以往的技術中 採用的是過氧化氫 UV 照射型之有機分解方式 以氧化和分解有機物 原理乃利用 UV 照射過氧化氫此氧化劑 使 其產生氫氧基 OH 來氧化有機物 被氧化的有機物在形成有機 酸後 變成了二氧化碳和水 新技術中乃以臭氧代替過氧化氫 如此可提高有機物的氧化分解效率 連以往甚難去除的超微小粒 子 膠體物質 都可以去除 3 一塔二段式真空脫氣塔 此乃去除水中溶存之氧氣 以降 低氧分子在晶片表面自然氧化膜 的形成 目前去除水中溶氧的方法及所面臨的問題 1 真空脫氣法 無法使溶氧降至 50 g l 以下 2 膜脫氣法 和 1 一樣 且須使用大型機器 故不具經濟性 3 氮氣脫氣法 使用大量氮氣 所以運轉費用較高 4 觸媒法 必須添加氫和聯氨 運轉費亦高 而此改良式設備乃就一塔一段式真空脫氣法改變為多段式的 抽氣 並加裝冷凝器 俾以縮小塔徑和真空幫浦的尺寸 如此 建設費減少 1 3 運轉費減少 2 3 並使溶氧降至 10mg l 以下 若再配備加熱循環 則更能降低至 10 g l 以下 4 高速通水式非再生純水器 就總有機體碳 TOC 含量在 10 g l 以下的超純水而言 有機物的 溶出是一項不可忽略的問題 而一般的離子交換樹脂會溶出微量 的有機物 所以在副系統的非再生型樹脂塔中用超低溶出型的離 子交換樹脂後 再大幅提增其通水流速 如此便能大幅降低 TOC 值 且降低成本 若以微粒子的動向來描繪各相關組件的去除效率 可如圖二看出 其組件有凝集水過濾塔 混床塔 RO 逆滲透膜 CP 套筒式 純水器 非再生型離子交換樹脂塔 而從圖二得知 混床塔之 後的微粒子是由其後端的組件中溶出 至於去除 TOC 的有效組件有 離子樹脂塔 紫外線氧化槽 活性 碳塔和 TOC UV 燈等 其效率如圖三所示 3 中央化學品的供應 3 目前的化學品供應已由早期的人工倒入方式改為自動供酸系統 其系統可分為四大單元 化學品來源 Chemical Source 充填單 元 Charge Unit 稀釋 混合單元 Dilution Mixing Unit 儲 存槽 Buffer Tank 及供應單元 Supply unit 1 來源方式有桶裝 Drum 糟車 Lorry 及混合方式 Mixing Source 2 充填單元 供應單元二者為供應系統的動力部份 而將化學品 經管路輸送到指定點 方法有幫浦 Pump 抽取 真空吸取 Vacuum Suction 及高壓輸送 Pressure Delivery 等三種 且為降低化學 品被污染的機率須配備佐助組件 如純水 氮氣噴槍 清洗接頭 濾網風扇 HEPA Fan 保持正壓避免外界灰塵粒子進入 排氣 Exhaust 排除溢漏化學品及本身的氣味於室外 3 稀釋 混合單方面 乃指一般化學品或研磨液加純水的稀釋 及研磨液與化學品 或此二者與純水的混合而言 4 管路設計方面需注意事項有 1 非水平管路 即從源頭到使用點由高而低 當管路漏酸時便會 流到未端的閥箱 Valve Box 可輕易清除 2 不同高層的管路排列 上下排列之管材最好能同一屬性 如同 為不銹鋼或鐵弗龍 或透明塑膠管 CPVC 否則安排的順序為鐵 弗龍在上 往下為 CPVC 最後不銹鋼管 3 研磨液管路設計 因其與空氣接觸時易乾涸結晶而阻塞管路 故須注意管路尺寸及避免死角 4 接點測漏裝置 以便隨時偵測管路洩漏與否 5 避免過多的管路接點 4 4 潔淨室之濕度 溫度的維持潔淨室之濕度 溫度的維持 4 4 事實上 一座半導體晶圓廠之潔淨室的組成須含括多項子系統方 能滿足表六所列的標準 1 與潔淨室特別搭配的建築結構 以利潔淨空氣的流暢 防震及 足夠的支撐結構 和寬敞的搬運動線 2 不斷地新鮮 乾淨空氣之補充 彌補機台之排氣及保持室內正 壓以杜絕外氣的污染 3 保持潔淨室的清潔度 配備空氣循環的驅動風扇 透氣的地板 及天花板 且地板高架化以利回風及配管 天花板則安裝過濾網 與銜吊架 4 恆溫恆濕之控制 除配置外氣空調箱外 Make up Air unit 室內仍需有不滴水的二次空調盤管來做溫度微控 另加裝精確的 自動感溫控制系統 即可達成此恆溫 恆濕之控制 5 考量靜電 噪音及磁場等防護的工程電力系統裝配 6 不發塵及不堆塵的室內設計 即以專用 epoxy 塗覆之 7 另含蓋了內部隔間 人員洗塵室 Air Shower 物料傳遞窗 Pass Window 等設施 在這些子系統中 對恆溫 恆濕之控制最為重要的 及直接的是 空調箱和二次空調盤 而空調箱之效率乃取決於設備容量與其數 量 這項的決定又與製程機台排氣量息息相關 因此必須一併考 慮 通常 Make up Air 容量是下述各項容量的總和 1 生產機台排氣量 2 維持室內正壓的空間量 此約為整個潔淨空間換氣量的 1 至 5 倍之間 3 容量裕度 另外尚需考慮循環過濾的風量 包括換氣的次數 過濾網的效率 等級與總循環的壓降等因素 至於二次盤 dry coil 的型式考量 有 1 熱交換式或混合式兩種供選擇 2 費用上 以熱交換式較高 且佔空間 但有較準及穩的溫控效 果 3 黃光區的溫濕特別嚴格 需選用不同型態之二次盤 最後上述之系統均全年無休運轉 故需要有備用機台的安排 5 5 廢水及廢氣的處理系統廢水及廢氣的處理系統 5 5 由於製程技術不斷演進 使得相關供應系統等級及品質日趨精密 且複雜 如毒性氣體 化學藥品或純水系統等 而此物質的排放 卻造成環境惡化的來源之一 因此 如何處理此類高純度且大量 的毒性物質之排放 將是廠務廢水 廢氣處理的重要工作與任務 1 首先是廢水處理系統 半導體廠廢水之來源 可略分為製程廢水 純水系統之廢水 廢 氣洗滌中和液廢水等三種 如表七所列 各排放水可分為直接排 放及回收處理方式 1 製程廢水 直接排放 HF 濃廢液 HF 洗滌廢水 酸 鹼性廢水 晶圓研磨廢 水等五種 經各分類管線排至廢水廠 回收處理 有機系列 Solvent IPA H2SO4 DIR70 及 DIR90 等 經排放收集委外處理或直接再利用 2 純水系統之廢水 直接排放 純水系統再生時之洗滌藥劑混合水 含鹽酸再生 洗 滌液及鹼洗滌液 回收處理 系統濃縮液 逆滲透膜組 超限外濾膜組 或是鹼性 再生廢液 3 廢氣洗滌廢水 直接排放 洗滌製程所排放的廢氣之水 均直接排放至處理廠 至於其處理的程序及步驟 可由圖四說明之 下文為其各項之說 明 1 HF 濃廢液 此廢液至處理系統後 添加 NaOH 提升 pH 值至 8 10 之間 注入 CaCl2 Ca OH 2與 HF 反應向生成 CaF2污泥 即 HF CaCl2 Ca OH 2 CaF2 HCl H2O 的反應式 藉此去除氟 離子之濃度量 而 CaF2污泥產物與晶圓研磨廢液混合 且添加 Polymer 高分子 增進其沈降性 以利 CaF2污泥經脫水機擠壓 過濾 污泥餅則委託代處理業者處理 另一產物 HCl 酸氣由處理 廠廢氣洗滌後排放 污泥濾液則注入調節池 2 一般廢水 包括 HF 洗滌廢水 酸 鹼性廢水 經水系統樹脂塔再生廢液 廢 氣洗滌廢水等進入調節池混合均勻 稀釋後泵入調整池中 添加 NaOH H2SO4等酸鹼中和劑 將之調整為 6 0 9 0 的 pH 值範圍 後放流入園區下水道 3 回收處理單元 a 有機廢液回收 將 IPA 溶劑 顯影液及濃硫酸廢液等獨立收集 並委外處理 b 濃縮液回收再利用 純水系統設備產生之濃縮液 除供應原系 統反洗 再生用外 更可補充大量飛散之冷卻用水 如此不但降 低排水量 亦可節省用水量 c 純水供應系統回收水 目前純水供應系統可直接回收 70 至純 水製造系統 另將製程之洗滌水回收以供冷卻系統及衛生用水 此部份佔 20 因此 純水供應系統回收水已可達 90 d 鹼性再生廢液 純水系統鹼性再生廢液收集應用於廢水處理系 統之 pH 值調節用 如此可減少化學藥劑之使用量 2 廢氣處理系統 廢氣產生的設備約有離子佈值機 化學清洗站 蝕刻機 爐管 濺鍍機 有機溶劑與氣瓶櫃等 其中有較高濃度污染的廢氣均先 由該機台所屬的 Local Scrubber 局部洗滌機 先行處理後 在 經由全廠之中央廢氣處理系統做三次處理後 再排入大氣中 以 達到淨化氣體之功能 其架構示意如圖五說明 晶圓廠的廢氣常含有酸 鹼性或腐蝕性 故處理系統的管材就必 須能耐酸 鹼性或腐蝕性 故處理系統的管材就必須能耐酸 鹼 性 抗蝕性 甚至耐高溫及防水性等 故表八乃將常用材質及使 用種類整理歸納 而其廢氣處理種類及方式如下 1 一般性廢氣 其來源為氧化擴散爐的熱氣 烤箱及乾式幫浦的 排氣 此廢氣可直接排放至大氣 2 酸 鹼性之廢氣 來源為化學清洗站 具刺激性及有害人體 故一般以溼式洗滌塔做水洗處理後再排入大氣 洗滌塔利用床體 或溼潤的表面可去除 0 1 微米以上的粒子 其氣體與液體的接觸 方式有交叉 垂直交叉 流式 同向流式及逆向流式三種 而水 流的設計上 有噴嘴式 噴霧式 頸式及拉西環式等四種 3 有機溶劑廢氣通常使用吸附式處理 其常用之吸附劑為活性碳 飽和後可以更換或以再生方式處理 4 含毒氣性廢氣 其來源為化學氣相沈積 乾蝕刻機 擴散 離 子佈值機及磊晶等製程時所產生 在經機台本身的局部洗滌機的 處理後 其後段的處理方法有吸附法 直接燃燒法及化學反應法 等數種 尤其是薄膜成長和磊晶製程時 SiH4氣體 須特別注意 因其為一俱爆炸及可燃性的氣體 所以單獨配管且先經一密閉堅 固的燃燒室 Burning Box 內通空氣稀釋 SiH4至可燃之濃度 令它先行燃燒後再經溼式洗滌塔處理後排出室外 其反應方式為 SiH4 2O2 SiO2 粉末 2H2O 其中 SiO2粉末須定期清洗 以免污染及堵塞管路系統 另可採用 KOH 水溶液做為循環液系統 利用二者反應去除 SiH 4 反應式如 下 SiH4 2KOH H2O K2SiO3 4H2 再經溼式洗滌塔處理後排出 其他一些常用的毒性氣體 如 AsH3 PH3 B2H6亦可以此類化學反應處理 6 6 電力 照明及冷卻水的配合電力 照明及冷卻水的配合 此三項系統在生產流程上的配合 一般都不容易察覺 但一有狀 況 往往都有立即且嚴重的影響 因他們似乎很少發生問題 就 如同空氣一般的普遍 不過由於資源的不足 常會有臨時限電 限水的事件發生 所以在電力供應系統方面 都會設置不斷電系 統及緊急電源以備不時之需 同時為了消除漏電的狀況 通常會 設計安置一共同的接地電網 用來保障機器設備及人員的安全 照明系統亦甚為重要 無論平時或緊急照明裝置 都需保持明亮 及舒適 否則容易影響工作的情緒及效率 另在冷卻水的供應上 亦必須慎重 諸如出水的壓力 溫度及流量都必須適當 不然即 會對設備造成影響 甚至當機 同時其水質的純度 導電度以及 防鏽的預防亦須留意 尤其在配備高週波電磁場的機台冷卻上 更為重要 這些設備如射頻濺鍍機 電子迴旋共振蒸鍍或蝕刻設 備 和電漿強化化學蒸鍍或蝕刻機等 當冷卻水的導電鍍增加時 即會造成漏電的效應而影響機合的操 作參數 若防鏽不良會造成管路生鏽 堵塞等現象 以致影響冷 卻的效果 造成設備的損傷 7 7 潔淨室隔間 及相關機房 系統的營繕支援工作潔淨室隔間 及相關機房 系統的營繕支援工作 潔淨室的空間規劃 一般在建廠之初統一設計完善 但由於技術 層次不斷地提升 因此機台設備 生產流程必須隨時跟上半導體 技術世代的演進 於是新設備進出潔淨室的事件亦常有之 此時 就必須安排隔間工程 電力 氣體供應 甚或排氣 排水等架設 於是需要一組系統營繕的支援人員資以配合 而負責此項工作的 人員須對整個潔淨室的結構 特性 有相當程度的熟悉方可勝任 8 8 監控 輔佐事故應變的機動工作監控 輔佐事故應變的機動工作 一座潔淨室的運作通常都是每天 24 小時不停歇的 所以必須要有 人員隨時地監控整個系統 包括空調的溫溼度 氣體或化學品的 供應 廢水及廢氣的處理 等等 如此方能確保廠區的安全與 正常的運作 事實上 實驗室可能出現一些緊急或危險的事故 例如 毒氣外 洩 火警 停電 等等 此時必須要有緊急應變的處理人員予以 處理 且通