改进离子注入机尾气管理  降低能耗和资本成本
TI公司在实现更环保、更安全的同时节省资金

作者：

Steven Balance、P.E., Texas Instruments 设备工程师

Karl Olander, Joe Sweeney;  Entegris 电子材料

过去十年来，制造商和供应商付出了巨大努力来帮助降低成本和减少自然资源的消耗，并在经济上可行或指令要求的前提下让晶圆厂的运营更加绿色环保。21 世纪初，Texas Instruments (TI) 围绕晶圆厂中能源和洁净室空气消耗最大的其中一个领域重新思考，提出了离子注入法。

与晶圆厂中的其他制造机台相比，离子注入机所需的排气量最大，通常整体通风使用 2500 CFM，分别为气柜[400+ CFM] 与安全防护腔体 [2000+ CFM]。替换该空气量的能量成本相当于每个机台约 8,000 美元，通常晶圆厂装有多达 30 个注入机，运营成本可达每年 240,000 美元。此外，替换此高度调节的洁净空气量所需的投资非常巨大，并且需要大量基础设施的投入（图1）。

  图1

21 世纪末，TI 在它的注入中心让行业瞥见了实现空气处理和节能减排有哪些可能。初始理念、实施和预测结果经过多年的酝酿后，于2009 年 8 月由 Solid State Technology 的 Steve Russo 首次发表，其随后成为 TI 的高级技术人员。在文章中，Russo 解释了针对处理离子注入工艺中使用的高毒性材料的操作协议，这些协议一通常存储于机台本身。如今，经过多年的发展和修改，更大的蓝景随着有趣的数据浮现在眼前。

回收防护腔体尾气

2009 年的文章描述了 TI 如何回收晶圆厂内的注入机防护腔体尾气，将补充空气需求减少了 80% [每个机台 2000 CFM]。晶圆厂空气被注入机防护腔体吸入，用以驱散制程中产生的热量，并在泄漏的情况下起到稀释作用。这些空气量视为一般尾气，通常使用屋顶上的鼓风机从晶圆厂排出。

第一阶段成功实施，三个晶圆厂中 60 多个离子注入机台的防护腔体尾气都毫无意外地实现了循环利用。然而，由于初期安装的管道将防护腔体尾气传送到了楼顶（以防紧急情况），为了将防护腔体尾气输送回晶圆厂又建造了后续设施。实际上，重新配置的排气系统每个制程机台免除了 57,000 美元的资本成本。图2 显示了这些预测成本节省量。

 图2

回收防护腔体尾气免除了 170 万美元的排气资本和补充空气基础设施，并且每年减少 470,000 美元的能源成本。减少能源使用相当于减少 6,500 公吨的二氧化碳排放量。图3 显示防护腔体尾气循环利用的全新设计配置。

   图3

低于大气压气源的作用

重新设计注入机的排气配置时，Russo 及其团队仅使用最安全的气体存储技术——低于大气压的气源或 SAGS。这些存储技术提供低于大气压的气体，大大减少气体泄漏的可能性，从而使防护腔体尾气重新回到晶圆厂。

我们注意到，在 Russo 发表第一篇有关新设计的文章的同时，美国消防协会 (NFPA) 将气体存储的 SAGS 分类纳入标准。NFPA 将低于大气压存储和输送气体的气体存储类型归类为 SAGS I 型，将在压力下存储并在低于大气压环境下输送气体的存储类型归类为 SAGS II 型。两个 SAGS 系统具有相同的特性，都需要工艺真空来输送有毒气体，实质上消除了偶然的气体泄漏。（参见图4）

  图4

在新设计中重新配置防护腔体尾气系统的初步规划已经完成，充分利用了 SAGS 封装的安全特性优势。因为存在较高的气体泄漏风险且安全性较低，在新设计中使用传统高压输送系统必须慎之又慎。只采用 SAGS 技术可实现减少排气计划。不断的努力和成功取决于用尽一切办法确保气体运输时低于大气压，TI 已采取预防措施，确保气体输送系统始终以这种方式执行。

减少气柜尾气

减少注入机防护腔体尾气的工艺始于 12 年前，从那时起大多数 TI机台都采用这种设计。基于对降低能耗和成本的持续要求，TI 确定气柜是下一个最佳机会。

气柜尾气可能含有有害物质，它会在排放前通过洗涤器。因此，洗涤后（或酸性）的废气相比防护腔体尾气消耗更多资源，并且增加了工厂的运营成本。

过去几年来，TI 和 ATMI（现在的 Entegris）作为 SAGS 技术先驱和供应商，一直携手合作，继续寻求更为高效和安全的方式来管理离子注入工艺中的尾气排放和能源使用。在评估机台气柜尾气的节能减排潜力后，TI 进行了修改，将气柜排气量从原先的超过 400 cfm 减少了约 200 cfm。每年每个机台可额外节省 800 美元。减少气柜排气量并提高整体安全性的其他建议如下。

建设综合性[智能]排气系统

如今，离子注入机使用的装载参杂气体的气瓶配备了手动阀， 在 30 年前 “气阀瓶”初次登场时手动阀便已开始使用——那时气柜中的空间非常宝贵。小气瓶和手动阀是标准配置。即使后来固体源被取代，大气瓶中的使用变得普遍后，手动阀仍被继续使用。

有趣的是，全球范围内用来提供注入使用掺杂气体的 1 类和 2 类低于大气压气体输送气瓶都使用手动阀。手动阀的存在引发了持续风险，因为安装和清洗期间的人为错误可能会导致气体泄露，尽管这种可能性非常小。然而，通过应用“智能”解决方案降低风险并持续提高安全性的空间依然存在。

最终，最大程度减少气体泄漏的发生和影响完全取决于能否始终让系统保持在低于大气压的环境下。在低于大气压力下操作需要持续监控各输送支管内的气压，并且能够在超出预设压力阈值时做出快速响应。

如果输送支管中的气压偏离了低于大气压的协议，使用常闭气动阀就能够隔离掺杂气体气瓶内的有毒气体。考虑到万一阀门封闭性差或过度扭转，常闭状态会移除。这时气瓶循环清洗会自动进行，更有效杜绝洗涤气体回到气瓶中。

改变气柜流速

尽量减少最小泄漏可以让气柜根据实际风险函数进行排放，而不是持续以用于缓解先前设计的最坏情况所需的速率来运行。使用两位阻尼器控制气柜排气率是一种可行的解决方案。

两位阻尼器可以控制气柜以低流量或高流量模式排气。所有掺杂气体输送气瓶都显示为低于大气压环境或所有气瓶阀都关闭时，允许正常或降低的排气模式。任何时候气柜门打开时，联动装置会启动高流速模式，例如在气瓶更换或维护期间，或者由事件触发时（如检测到有毒气体、烟雾探测器报警或检测到掺杂气体输送支管管中存在超大气压力情况）。据估计，该排气系统 >95% 的时间将在低流量模式下工作。

凭借 SAGS，40 cfm 的标称速率足以满足减少气柜排气 90% 的要求。

采取后续步骤

基于使用 SAGS 技术构建的全面风险分析，TI 调整了晶圆厂内离子注入机防护腔体尾气的再循环。过去十年来，他们经过实施完善并在整个新晶圆厂内推广，显著减少了对补充空气的资本需求。

开发综合排气系统最终可以将注入所需的补充空气减少 98%，而且不会影响安全性。随着尾气减少，相关的运营成本和二氧化碳排放量也相应降低。

机台制造商、掺杂气体供应商和晶圆厂设计师共同协作，打造离子注入机和其他有可能的机台的集成排气系统，排气/节能减排方面有望取得更大进步。一切都源于始终在低于大气压的环境下安全输送气体。

未来的变化可能包括：

1.      增加掺杂气体气瓶的气动阀操作员

2.      气箱排放流速与实际风险状况成正比变化

经济和环境方面将持续取得显著的成果以及制定全新标准——如果制造商、设备制造商和供应商共同努力去创造这种可能性。作为一个行业，并且作为负责任的企业公民，共同致力于追求这类机会可以减少能源消耗和尾气排放，同时提高整个制程的安全性。

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