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??從半導體原材料到轉(zhuǎn)化為各式各樣的集成電路或者分立器件，其轉(zhuǎn)化過程利用了幾百種復雜程度不同的化學反應。毫無疑問，在半導體的制造工業(yè)中，需要大量的特殊材料和化學品。芯片制造首要是一種化學工藝，或者更準確地說，是一系列的化學 物理工藝過程，高達20％工藝步驟是wafer清洗和表面的處理。
??近年來光電與光伏半導體工業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)的制程越來越復雜，線寬越來越窄（已將進入納米級)，工藝要求也越來越高，生產(chǎn)過程需要使用大量的化學藥品，而這些化學品都具有一定危險性和腐蝕性，稍有疏忽，就會造成人員傷亡和設備的損失，所以如何將這些化學品在保證品質(zhì)的前提下安全輸送到制程設備并安全使用是至關(guān)重要的，同時如何將這些使用過的化學品合理地回收處理，也將是半導體產(chǎn)業(yè)工廠生產(chǎn)安全的重要問題，這些都對工廠各系統(tǒng)的持續(xù)無故障運行能力以及所提供的制程相關(guān)原料品質(zhì)提出了更高的要求。在半導體產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)中，化學液供應系統(tǒng)主要以中央供應系統(tǒng)為主，用量較少之化學液則采取人工供應方式。
?? 中央化學液供應系統(tǒng)縮寫為CDS(Chemical Dispense Systerm）或者簡寫為BCD(Bulk Chemical Distribution)，它是為生產(chǎn)線24h不間斷供應化學液的系統(tǒng)。一般使用CDS系統(tǒng)的化學液都有需求量大、危險性高的特點。
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CDS系統(tǒng)上主要供應給以下的工藝步驟：
清洗配件載體需要的化學液用以清洗制程設備零配件，半導體各個制程中使用的工藝會對運輸?shù)皆O備的化學液提出各種要求，其中對化學液的溫度、濃度、成分比例、狀態(tài)、反應或者混合時間、使用量的人小、流速等都有具體的要求，所以在運輸前、運輸中以及運輸后這些狀態(tài)是否要達到標準，是否會隨著運輸或者儲存時間狀態(tài)發(fā)生變化。這些因素決定了化學液注入最終使用設備是否能直接參與工藝使用。
半導體工藝過程中主要使用的化學液大致可分四類，酸、堿、有機物化學研磨液、配比類化學液。
(l）酸。含有氫離子的液體叫做酸，包括HF、HNO3、H2SO4、王水和H3PO4等，以下是一些在半導體加工中常用的酸及其用途：
a）氫氟酸HF，是氟化氧的水溶液，無色透明液休，蒸汽有刺激臭味，劇毒。通過氫氟酸溶解二氧化硅這一特性來腐蝕玻璃、石英和硅片表面上的氧化層來達到刻蝕和請洗的目的。
b）鹽酸HCL，是氯化氫氣體溶解于水制得的無色透明有刺激性氣味的液體，腐蝕性強，易揮發(fā)鹽酸、雙氧水和去離子水組成SC2溶液。通過雙氧水氧化污染的金屬，而酸與金屬離子生成可溶性的復化物而溶解，最終達到去除金屬污染物的目的。
c）硫酸H2SO4，無色無嗅的油狀液體。濃度95％-98%，相對體積質(zhì)量為1.838的硫酸為濃硫酸，氧化性強、吸水脫水性、腐蝕性強和高沸點難揮發(fā)性等，Piranha Clean溶液由硫酸和雙氧水組成，通過硫酸及雙氧水的強氧化性和脫水性破壞有機物的碳氫鍵，去除有機不純物。
(2）堿，含有氫氧離子的液體叫做堿，包括NH3.H2O、NAOH、KOH和氫氧化四甲基銨，以下是一些在半導體加工中常用的堿及其用途：
a）氨水NH4OH。SC1溶液是由氨水、雙氧水和去離子水組成。通過利用氮水的弱堿性活化硅晶圓及微粒子表面，使Wafer表面與微粒子間產(chǎn)生了相互排斥作用，以達到去除微粒子的作用。并且氨水與部分過度金屬離子形成可溶性絡合物，去除金屬不溶物。具有氧化作用的雙氧水氧化wafer表面的作用，然后氮水對硅氧化物進行微刻蝕，去除顆粒。
b）氫氧化鉀KOH，溶有硅土（Silica,SiO2）的氫氧化鉀溶液或者氨水溶液，使用在化學機械拋光制程中，是一種界電層平坦化研磨液，還是組成光刻后顯影液的一種成分
(3）有機溶劑，包含異丙醉、NMP、乙醉、顯影液、光刻膠稀釋劑等等。以下是一些在半導體加工中常用的有機溶劑及其用途：
a）異丙醇，行業(yè)中稱為IPA，無色透明液體，氣味和乙醇類似，易燃易爆易揮發(fā)，有中度毒性。常利用IPA和水氣溶的特性作為晶圓的干燥劑。
b）丙酮，無色刺激性氣味液體，易燃．中毒毒性，腐蝕性強．常用于黃光室里正光阻清洗去除。常用化學液的主要危害性見表1。
（4）配比類化學品
?如SC一l、SC一2、DHF、BOE、SPM等配比化學品。
SC一l（也稱RCA一l)：由H202、NHOH、DIW組成。早期一般質(zhì)量比為1：1：5，現(xiàn)在質(zhì)量比為1：1：30。
需要在使用前才混合。使用溫度在80℃左右。
SC一2（也稱RCA一2)：由H20：、HCI、DlW組成。
一般質(zhì)量比為1：l：5。
DHF:HF與DlW組成的稀溶液。
BOE（也稱BHF):HF緩沖溶液，由NH4F和HF組成的混合物。質(zhì)量比在5：1一30：1。
SPM：由H2SO4和H2O2組成，通常質(zhì)量比為4：l 使用溫度超過100℃
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在半導體生產(chǎn)工廠中使用的中央化學藥液供應系統(tǒng)可以根據(jù)機臺的不同有兩種分類，一種是單純的藥液供應系統(tǒng)（Supply Systerm)：將化學液自儲存設備，利用供酸機臺及管路供應給制程機臺使用。另一種是具有混合、加熱或者攪拌等功能的功能系統(tǒng)（Functional System)：將藥液從儲存設備，先經(jīng)過稀釋混合、加熱、冷卻或者攪拌沉淀的功能之后，再供應給制程機臺使用。具體使用哪種供液方式，取決于機臺的功能以及工藝上的要求。
2.1中央供藥液基本要求
不同系統(tǒng)會有不同的要求，但是大部分的供液系統(tǒng)有相同基本的要求：
(l）操作安全性，能耐腐蝕、耐壓力、防爆等：
(2）化學液零污染，要求系統(tǒng)中與化學液接觸部分完全與化學液兼容，不會產(chǎn)生反應或者溶解：
(3）微粒子控制，藥液因為溫度壓力可能會產(chǎn)生微粒，需要用過濾器循環(huán)過濾：
(4）流量要求，各個機臺需要的流量不同，整個供液系統(tǒng)需要滿足最高的流量要求：
(5）泄露報警，如果系統(tǒng)中有泄露的地方，需要立即發(fā)出警報，在界面中顯示出泄露大概區(qū)域，并且暫停這一部分的供液功能，關(guān)閉相關(guān)部分的閥門和動力系統(tǒng)，使得故障能迅速恢復，將損失降到最低。把信息結(jié)果匯入故障診斷系統(tǒng)；
(6）取樣分析，各段供應的化學液需要進行自動取樣分析，根據(jù)需要分析系統(tǒng)和管路中帶入的粒子以及金屬離子。把結(jié)果匯入故障診斷系統(tǒng)；
(7）自動控制運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)和各個機臺的交互運行能夠進行自動控制，提供運行監(jiān)控界面，顯示實時系統(tǒng)狀態(tài)，其中包括泵、過濾系統(tǒng)、壓力容器等的各種參數(shù)，如果一旦有參數(shù)超出正常范圍，進行自動調(diào)節(jié)之后將進行報警，將信息匯入故障診斷系統(tǒng)；
(8）自動的維護保養(yǎng)系統(tǒng)功能，能夠在系統(tǒng)閑時，根據(jù)具體情況，定期對系統(tǒng)管路進行保養(yǎng)維護以及清潔，延長各個系統(tǒng)的使用，提高系統(tǒng)的安全性：
(9）化學液用量的統(tǒng)計，能根據(jù)人為控制或者自動結(jié)算監(jiān)控，及時調(diào)整藥液供應時間和頻率，使得藥液供應能及時補充生產(chǎn)，不成為整個生產(chǎn)的瓶頸；
(10）系統(tǒng)白動故障診斷，根據(jù)前面提及的各個控制系統(tǒng)匯總的故障信息，自動診斷故障點或者可能發(fā)生故障點的相關(guān)度，最大化的縮短故障排除時間。
2.3 中央集中供藥液方式
一首先根據(jù)藥液使用量的人小選擇藥液的供應容器，如果使用量很大，比如在多個清洗步驟中都會使用到的強氧化劑11202以及強酸濃硫酸H2SO4，就使用槽車供應先到化學液充填站，再使用氮氣加壓輸送至大于10m3的存儲罐中。使用量中等或者少量的化學液例如HF以及顯影液等，則使用便攜式可移動的容器來輸送到主管路。經(jīng)過過濾系統(tǒng)的化學液則通過氮氣或者泵分別輸入各個三通閥箱。
化學液的驅(qū)動方式有兩種，一種是泵傳輸，另一種是使用N2產(chǎn)生壓力輸送。其中常用于半導體中央供藥液的泵也有很多種類，其中因為驅(qū)動方式的不同可以分為氣動泵、電動泵和磁力泵等，其中氣動泵成本經(jīng)濟，并且可使用耐腐蝕材料制造，輸送一些酸性藥液。磁力泵密封性很好，可以做到完全不泄露，動力輸入和輸出可以完全零摩擦，降低能耗。電機驅(qū)動的泵可以做到很精確的閉環(huán)控制，已達到最終的高精度輸出．而N2壓力輸送，常用在一些藥液黏度大，用量精度高、揮發(fā)性強以及燃點低的情況下。
2.4 化學液集中供應系統(tǒng)控制流程
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圖1：中央集中供液的總體流程示意圖
藥液會根據(jù)使用量的大小采取不同的供應容器，通過化學液過濾系統(tǒng)CDU過濾不符合要求的微粒子，再通過三通閥箱TeeBox閥箱以及分支閥VMB供應到各個機臺，其中在各段不同點需要有化學液采樣分析盒SampleBox，最終的分析信息需要匯總到總控制臺的故障診斷系統(tǒng)。圖2：單路多反饋控制流程圖。
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具體到單路的控制流程里，主管路將溶液供應到CDU過濾系統(tǒng)，當化學液中的微粒尺寸和數(shù)量滿足要求之后，會將電信號反饋給OCP即運算處理器。當機臺發(fā)出需求信號時，OCP判斷CDU信號，如果滿足要求OCP將控制信號通過HUB放大信號之后發(fā)送給VMB分支閥箱，這時過濾好的藥液就會通過三通閥箱以及分支閥箱供應給機臺。如果機臺、閥箱以及過濾系統(tǒng)有漏液、堵塞以及完成等態(tài)，信號會被反饋給OCP,OCP將處理當前狀態(tài)，關(guān)閉執(zhí)行單元，并且將信號通過HUB發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)SCADA System，相應發(fā)出警示或者警報。
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在一些清洗或者刻蝕工藝中，有些機臺使用的是不同化學液的混合物，需要根據(jù)一定的體積或者質(zhì)量比例進行配液。機臺可能會在工藝槽中直接配液，或者有配液槽進行提前配液以及其它的預備功能，比如加熱、攪拌反應或者冷卻降溫等。現(xiàn)在通常使用的都是將質(zhì)量比例換算成體積比例進行配比。精度要求不高的，并且混合后體積不會有很大變化的混液過程，可以通過混液槽里使用液位傳感器進行體積控制。精度要求高的使用流量傳感器來測量流過的液體體積。為了達到較高的精度要求，傳感器則需要安裝在距離配液容器進口處，圖4為帶混液槽的化學品部分系統(tǒng)示意圖。
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2.5 化學液集中供應安全防護系統(tǒng)
化學液輸送系統(tǒng)需要以下安全裝置：
(1）設置溢出流量閥或者開關(guān)（Excess Valve Switch）以及相應排放管道，用于在系統(tǒng)中由于某些故障造成的輸送無法停止、泄露以及腐蝕等等緊急情況下，化學液的排放溢出。
(2）泄露相關(guān)安全保護，其中包括檢測化學液泄露的傳感器。這類傳感器有耐腐蝕性，能夠保證長時間的檢測壽命?？筛鶕?jù)具體化學液的性質(zhì)進行類型選擇，如果有導電性，可選擇導線式傳感器，可根據(jù)不同點之間電阻值得變化檢測到泄露以及泄露位置。如果無導電性，可選擇光電式傳感器，可避免化學液接觸導致的腐蝕。除了選擇檢測傳感器，還需要有泄露二次圍堵和排放功能，以免泄露造成污染腐蝕等引起的二次危險和損失。
(3）各段化學液供應源處安裝手動開關(guān)，在遇有緊急情況時可切斷化學液供應或者分流，以保證需要保護的裝備切斷或者減少化學液進入。
(4）化學液捅、槽和柜進行填充時，需要有液位傳感器或者壓力傳感器，實時監(jiān)測化學液液位及壓力，如果超過設定值時供應必須自動停止。
(5）易燃易爆化學液輸送系統(tǒng)應該配有滅火裝置，使用火焰、溫度或者煙霧傳感器監(jiān)測，一旦發(fā)生險情，必須能進行有效的滅火且有聲光報警，以及遠程報警信號傳輸。
2.6 超高純化學品系統(tǒng)材料選擇:
? ?化學品供應系統(tǒng)中設備容器及管路使用的材料表：
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半導體工藝化學過程中，需要用到200多種超純的化學品。人們通常把這些化學品都統(tǒng)稱為“電子化學品，廣義的電子化學品涵括太陽能級、液晶顯示級、以及半導體級的各種超純化學品。這些化學品的一個共同點是，對其中微量的雜質(zhì)含量控制非常嚴格。毫無疑問，超純的PFA材料（非普通PFA）因其特殊的化學性能（耐溫、耐腐蝕、雜質(zhì)析出量少等特性）是此類化學品的首選,下圖一、圖二是某公司PFA材料的雜質(zhì)含量數(shù)據(jù):
注：1.檢測按?SEMI Standard F57?規(guī)定的方法進行；
? ? ? ?2.“ρA”為?PFA?本體中金屬離子的含量，單位?μg/m2；“ρB”為析出水中的金屬離子的質(zhì)量濃度，單位?μg/L；
? ? ? ?3.“…”代表低于檢出限?；
? ? ?這些雜質(zhì)的含量需要用專門的儀器如ICP-MS來進行檢測。即使如此，這些雜質(zhì)尤其金屬離子如果超標，極易導致半導體的電性能異常，輕則導致產(chǎn)品出現(xiàn)瑕疵，重則完全報廢。以超純氫氟酸（HF）為例，其雜質(zhì)含舉要求見下表。
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此外，電子化學品生產(chǎn)出來后，需要運輸?shù)绞褂脝挝唬ㄈ缣柲茈姵仄?、液晶而板廠、芯片廠等）供其使用。運輸一般需要專用的ISO TANK（國際標準液體罐式集裝箱），材質(zhì)一般為不銹鋼內(nèi)襯超純PFA。在使用單位，上而述及的酸、堿等電子化學品其儲罐需要超純PFA來襯里，其輸送的管線也需要用PFA雙套管。
附注:PFA材料主要性質(zhì):熔點302~310℃，相對密度2.12一2.17;23℃和200℃時，拉伸強度分別為27一31MPa和一11MPa，屈服強度為15MPa和4一5MPa; 23℃時延伸率280％一400%，邵氏硬度D60，線脹系數(shù)（20一100℃）0.12×10-3K-1，最高連續(xù)使用溫度260℃。PFA樹脂對幾乎對所有的化學試劑和溶劑是惰性的，與通常的酸、強堿、氧化還原劑、鹵素或溶劑接觸都基本無變化，但和其他全氟碳聚合物一樣會與熔融堿金屬和元素氟反應。
關(guān)于化學品系統(tǒng)施工方面可參考《GB 50781-2012 電子工廠化學品系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
更多的半導體行業(yè)CDS系統(tǒng)相關(guān)資訊可以關(guān)注華林科納CSE網(wǎng)站：regal-bio.cn；現(xiàn)在熱線咨詢400-8768-096，可立即獲得免費的半導體清洗解決方案。
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