史 霄，楊 師，楊元元，費玖海

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京100176)

半導體清洗設備中會使用多種化學液，以CMP（化學機械拋光）后清洗設備為例，常用的化學試劑包括氨水、雙氧水、HF 等，均屬于易揮發(fā)、對人身體健康有危害的危險化學品。設備的排氣通風設施主要是由FFU（空氣過濾單元）、排氣管道、調節(jié)風閥等構成，主要實現兩方面的功能，一是引導設備中氣流的方向從設備中的潔凈區(qū)域流向非潔凈區(qū)域，使得非潔凈區(qū)域產生的顆粒物不會污染產品；另一方面是將揮發(fā)的危險氣體通過排風系統(tǒng)抽走，與廠務端的廢氣處理系統(tǒng)連接，統(tǒng)一對其處理，使危險氣體不會逸散到周圍環(huán)境中對設備操作人員產生身體健康危害。前者為設備需滿足的功能性要求，決定了清洗設備所能達到的清洗潔凈度，以14～28 nm 工藝制程為例，需要晶圓表面顆粒度在0.06 μm 尺寸以上的顆粒少于50 顆，要求極為嚴苛，所以排氣通風設計需要對設備內顆粒物的流向進行嚴格控制，不能使其流向晶圓傳輸區(qū)域。另一項要求為安全強制性要求，需滿足相關行業(yè)標準，從而為安全生產、環(huán)境保護、人身健康提供保障。

1 SEMI S6 標準介紹

SEMI 標準是國際半導體產業(yè)協(xié)會為半導體制程設備提供的一套實用的環(huán)保、安全和衛(wèi)生準則，適用于芯片制造、組裝和測試的所有設備。其中SEMI S2 標準是SEMI 標準中關于安全的標準體系。晶圓代工廠在采購設備時，都會要求設備必須通過SEMI S2 安全認證。SEMI S2 是一系列安全標準的綱要，主要包含S3-工藝液體加熱系統(tǒng)安全標準；S6-半導體制造設備排氣通風安全標準；S22-半導體制造設備電氣設計安全標準；F47-電壓瞬降測試等。S6 標準[1]提供了半導體制造設備的排氣通風安全性能標準，設計原理以及評估此標準的測試方法。本文從設計標準、性能標準、測試方法等方面進行介紹。

1.1 設計標準

排氣通風系統(tǒng)由封閉箱體和連接風管組成，其材質應與設備所使用的化學液或氣體無任何化學反應。以CMP 后清洗設備為例，清洗模組使用的化學品多為低濃度的酸堿溶液，排風管道采用PP 材質；干燥模組會使用IPA 氣體進行晶圓干燥，IPA 為易燃有機溶劑，相關排風管道采用不銹鋼管道。在風管連接點處應提供風量閥門，作為排風壓力及流量的調節(jié)裝置。設備維修保養(yǎng)時所需排氣通風設施也應該納入系統(tǒng)設計。設備端無需提供低于-375 Pa 靜壓的能力，如果需要，由使用設備的廠務端提供。

1.2 性能標準

首先應確定設備中有害氣體的釋放及產生率。須針對正常運行、保養(yǎng)、失效（例如化學液過熱或者主容納空間泄露）等情況，提供合理的有害氣體的足量氣流。對任何可能出現的單一故障狀況在設計時給予考慮，例如所有非焊接方式的管路連接處的脫離。設備設計時應包含可在排氣通風能力完全喪失時降低其風險的措施，例如切斷化學品供應，排放化學品等。例如可在排風管道連接處安裝壓力傳感器監(jiān)測排氣通風系統(tǒng)靜壓，當壓力不滿足設計標準時，利用安全聯鎖裝置切斷化學品供應。排氣通風設計應確保在設備正常運行時危險氣體在工作區(qū)域的濃度符合SEMI S2 呼吸空氣標準，可燃氣體在密閉箱體累計濃度低于LFL(可燃范圍下限)的25%。針對可燃氣體，設備中可設置濃度監(jiān)測傳感器，當可燃氣體濃度超出安全范圍時，利用安全聯鎖裝置切斷其供應。

1.3 測試方法

SEMI S2 針對不同作業(yè)設備制定了不同的毒性材質暴露標準，因此有必要根據不同標準及不同的釋放率進行排氣通風性能測試。在環(huán)境允許的情況下，可用工藝制程中的相關氣體作為樣品進行測試，如果出現無法接受的風險，可用釋放率不低于相關物質的追蹤氣體進行測試。測量相關物質濃度的取樣時間應與OEL (職業(yè)暴露限值——指定時間內工作人員可暴露空氣中某種物質的最大濃度) 一致。取樣位置應能代表最槽狀況、實際呼吸區(qū)以及潛在點火源位置。

2 利用流體仿真軟件驗證排氣通風有效性

在設備設計階段，為了確認設計的排氣通風系統(tǒng)是否有效，以及評估設備內部氣流流向，可以使用流體仿真軟件對設備三維模型進行仿真模擬，通過仿真結果可以直觀地反應設備內部的壓力、氣體流向等，用來初步評判排氣通風系統(tǒng)的設計有效性。

圖1 所示是一個用于CMP 后清洗系統(tǒng)的刷洗箱體的結構，包含雙面刷洗機構、晶圓夾持機構、箱體等。清洗工藝在箱體中進行，其中上刷和下刷機構可以自轉，并且可以上下運動至晶圓表面，施加壓力從而進行擦洗；箱體中設置有噴嘴噴淋DIW 和化學液，對晶圓表面進行沖洗。

箱體結構是一個大致密閉的箱體，但在擋水門周圍存在一定的縫隙，存在危害氣體溢出的風險，如圖2 所示。箱體下方設置有排風口，用來抽走箱體中化學液噴淋產生的危害氣體?，F已知化學品的用量，需要通過仿真分析排風口的管徑設計能否使箱體保持負壓，從而保證無危害氣體溢出。

圖1 刷洗箱體結構

圖2 刷洗縫隙及排風口位置

圖3 箱體的簡化模型及邊界條件

為了便于仿真計算，減少計算量和計算時間，將箱體進行一定程度地簡化。箱體的簡化模型及邊界條件如圖3 所示。在擋水門附近的縫隙處與外界大氣聯通，可將其壓力設為環(huán)境壓力101 325 Pa。排風口與廠務排氣管路連接，相對壓力一般為-500 Pa，因此設置其壓力為100 825 Pa?；瘜W液使用流量為2 L/min，濃度1%，可計算其揮發(fā)速度為3e-5m3/s，因此將箱體底面設置為入口體積流量3e-5m3/s。

采用SolidWorks Flow Simulation 軟件進行仿真計算，Flow Simulation 是一款計算流體力學（CFD）軟件，該軟件與Solidworks 緊密集成，使得CAD 與CFD 達到無縫集成的效果。在軟件中設定邊界條件以及求解目標，最終求解得出收斂的結果[2]。圖4 為槽內的壓力分布切面圖以及縫隙處的表面參數，可以看出擋水門縫隙處的靜壓平均值為101 320 Pa，壓力小于標準大氣壓，且體積流量為正值0.0014 m3/s，說明排風口可以將槽內的壓力控制在標準大氣壓之下，且無氣體溢出。圖5 為槽內的流動跡線圖，從圖5 中可以看出在擋水門縫隙處的顆粒運動方向為從槽外到槽內，也說明無氣體溢出。

圖4 壓力分布切面圖及表面參數

圖5 槽內流動跡線圖

3 結束語

總之，設備排氣通風系統(tǒng)的設計可以依據設計師的經驗，在設計階段確定排氣通風管路的位置及管徑大小，通過流體仿真軟件可以模擬設備或模塊氣流的狀態(tài)，從而對設計進行優(yōu)化，并根據SEMI S6 中的測試方法和標準對設備進行實際測試，驗證了排氣通風設施的有效性。