摘要
二氯矽烷供應系統之冷凝現象探討
Keywords / Dichlorosilane(DCS),Condensation2
二氯矽烷(dichlorosilane, DCS)是由矽、氫及氯所組成，化學式為SiH2Cl2，為半導體相關產業使用之重要化學品。廠務DCS供應系統可分為兩大模式：氣櫃直接供應與PCM(pressure control module)設計，原物料鋼瓶同步引進大包材設計降低人力更換成本。因其氣體特性於室溫下容易冷凝，上述兩種供應模式都需防止氣體冷凝導致供應異常，本文針對預防機制詳加說明並以F14P5 Toner供應系統為例額外闡述流體靜置下可能產生之冷凝現象，以達供應穩定之目的。
Dichlorosilane is composed of silicon, hydrogen and chlorine. It's chemical formula is SiH2Cl2. It is an important chemical used in semiconductor. The facility DCS supply system can be divided into two modes: direct supply of gas cabinets and PCM(pressure control module) design, and the toner container of raw material cylinders have been introduced to reduce the cost of manpower. Because of its gas characteristics, it is easy to condense at room temperature. Both of the above supply modes need to prevent gas condensation from causing abnormal supply pressure. This article explains the prevention mechanism in detail and takes the F14P5 Toner supply system as an example to illustrate the condensation that may occur when the fluid is idled. In order to achieve the purpose of supply stability.
1.前言
二氯矽烷(DCS)常用來當作半導體矽層的起始物料，其優點為較低溫度可以分解，並且有較高的矽晶體生長速率。因此各廠廠務均有DCS供應主系統，且EPI/DIF製程為Batch process，其生長矽晶體時通常一次使用多片晶圓，若供應系統發生異常將導致多片晶圓同時受影響，因此廠務主系統穩定供應的重要性不可忽視。DCS低壓室溫下易冷凝的特性，使得壓力與濃度供應產生不穩定性，廠務需額外增設供應系統軟硬體避免冷凝產生以維持穩定供應，例如鋼瓶磁波加熱帶、盤面加熱器、管路保溫棉等等。本文針對現行廠務DCS供應系統預防機制加以說明，同步以F14P5為例說明氣櫃直供或PCM供應系統須注意事項，也敘述大包材Toner原物料鋼瓶於廠內之應用與流體閒置於管路內可能導致冷凝現象之經驗，提供各廠區借鏡及參考，提升廠務供應系統穩定性。
2.文獻探討
2.1 DCS之物化特性
DCS(SiH2Cl2)中文名二氯矽烷，是一種無機化合物，室溫下外觀為無色氣體，熔點-122℃，沸點8℃，蒸氣壓 23.2psia(20℃)，製造方法可由矽烷和氯化氫按化學計量比反應(式1)，也可利用三氯矽烷來製備(式2)：
SiH4 + 2HCl → SiH2Cl2 + 2H2 式1
2SiHCl3 ↔ SiCl4 + SiH2Cl2 式2
二氯矽烷是一種化學性質活潑的氣體，在空氣中可以迅速水解並自燃，具有毒性，其安全風險還包括皮膚和眼睛的刺激與吸收，因此全球化學品統一分類和標籤制度屬於自燃性、腐蝕性、毒性氣體，相關實驗都需要有保護性措施。
2.2 DCS供應系統製程概述
廠區供應DCS模式以原物料鋼瓶換裝，原物料鋼瓶可選擇B鋼或大包材Toner兩種型式，供應系統設置於高風險作業場所(Hazardous Production Materials, HPM)一樓或二樓建置其供應房，一樓多使用PCM，二樓通常使用氣櫃直接供應以縮短管長供應距離。因其氣體本身易冷凝特性，氣櫃將增設磁波加熱帶、盤面加熱器、管路保溫棉等硬體穩定其供應壓力，整體供應系統概述圖示如圖1。
圖1：DCS供應系統概述
2.3 氣體冷凝現象之概述
當過熱的氣體分子接觸到溫度低於飽和溫度環境時，相變化隨之發生，使得氣體分子由過熱狀態轉移到飽和狀態或次冷狀態，轉變成液體，這種過程即稱為冷凝(Condensation)。一般物質三相圖與本文所探討之DCS氣液相圖變化可參閱圖2及圖3，物體由圖示下方氣相區域轉為中間液相區域即稱為冷凝，冷凝是會自然發生的現象，尤其若該氣體相變化點溫度越接近室溫，冷凝現象則越容易發生，如本文所探討的二氯矽烷氣體。
圖2：一般物質三相圖
圖3：DCS氣液相圖
冷凝現象大致可分為空間冷凝(Bulk condensation)及表面冷凝(Surface condensation)兩種型態[1]；空間冷凝係指蒸汽直接在低於飽和溫度的環境氣體內凝結形成霧氣，也可稱為均質冷凝(homogenous condensation)；表面冷凝則為蒸汽接觸到低於飽和溫度表面時所發生的冷凝現象，也稱作非均質冷凝(non-homogenous condensation)，二氯矽烷於廠務供應氣體房間溫度22.5℃環境下，飽和蒸汽壓為23.7psia，屬於低壓性易冷凝種類，因此需透過鋼瓶加熱將鋼瓶瓶壓提升以穩定供應壓力，且需於供應管路包覆保溫棉來避免管路內氣體因接觸到接近室溫的管壁而產生上述非均質冷凝現象。
Jakob認為當蒸汽接觸到較冷的表面時，會先在表面形成很薄的液膜，隨著冷凝持續發生液膜厚度將逐漸增加，當液膜厚度達臨界點後，液膜將破裂形成微小液珠[2]，上述現象重複發生時將使液體體積增加，逐漸佔據管路內體積而影響氣體通過截面積進而影響廠務端供應至機台之氣體壓力。R.Yun研究不同管壁厚度與表面粗糙度之不銹鋼管，並討論液膜厚度、熱傳係數與管路材料對熱傳性能之影響，結果認為表面粗糙度和管路材料對冷凝熱傳係數的影響會隨著冷凝液膜厚度變薄而更加重要[3]，廠務新工設計各廠DCS氣櫃使用之供應管路皆為SUS316L管壁厚約2mm之不銹鋼管，由此文獻可推估若以不同管壁材質厚度或管路供應設計，或許也是未來能減低冷凝現象提升壓力供應穩定可探討的議題之一。
在管路凝結的情況下，由於蒸汽與液膜以不同的速度前進，造成氣液介面呈現不穩定的波動，稱為赫爾霍茲不穩定性(Helmholtz instability)，B. Mederic 等人就曾以此論點觀察三種不同內徑管路之冷凝流變化[4]，依上述論點可以推測流體速率也是影響氣體冷凝的因素之一，尤其廠務供應系統之流量變化正相關於設備機台用量，若設備無用量將導致氣體閒置效應產生，據廠務運轉經驗顯示氣體閒置將更容易產生冷凝現象進而影響製程產品膜厚變異。
3.研究方法
3.1 DCS B-type鋼瓶氣櫃供應系統設計
DCS B-type鋼瓶氣櫃為一般初始典型設計，與其他大多數特氣供應模式相同，包含B-Cylinder/ GC盤面/ SP1/ SP2/ VMB，特別處為DCS氣櫃盤面管路具有加熱系統且盤面/ SP1/ SP2管路皆有增設保溫棉。盤察F14B特氣系統鋼瓶/ 氣櫃/ SP1/ SP2/ VMB加熱/保溫表格，由表1可知F14B供應DIF製程皆使用B-type氣櫃供應，盤面加熱至35℃，實際供應如圖4。
| Name | Type | Cylinder | GC | SP1 | SP2 | VMB/P | Remarks |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO2(5N) (Y-cyl) |
BSGS | NA |
氣櫃pigtail box & 氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) Pre-heater1(130℉)(54℃) Pre-heater2(110℉)(43℃) |
NA | NA | NA | |
|
HCl L:Toner R-Trailer |
BSGS | NA |
氣櫃pigtail box & 氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) Pre-heater1(130℉)(54℃) Pre-heater2(110℉)(43℃) |
氣櫃出口至管溝前(保溫棉) 出管溝/FAB:NA |
NA | NA | |
| L&R Trailer | BSGS | NA |
氣櫃pigtail box & 氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) Pre-heater1(130℉)(54℃) Pre-heater2(110℉)(43℃) |
NA | NA | NA | |
| NF3(Trailer) | BSGS | NA |
氣櫃pigtail box & 氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) Pre-heater1(130℉)(54℃) Pre-heater2(110℉)(43℃) |
NA | NA | NA | |
| NH3(Y-cyl) | BSGS | NA |
氣櫃pigtail box & 氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) Pre-heater1(80℉)(27℃) |
氣櫃出口至管溝前(保溫棉) 出管溝/FAB:NA |
NA | NA | |
| SiH4(Y-cyl) | BSGS | NA |
Pre-heater(200℉)(93℃) Regulator heater(85°F)(29℃) |
NA | NA | NA | |
| HBr | Corrosive | NA | Panel heater(35) | NA | NA | NA | |
| DCS (EPI/PCM) | Flammable | 磁波加熱(35℃) |
氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) PCM 磁波加熱: 管路(45℃)& MFC(48℃) Buffer tube(保溫jacket) |
保溫棉 | 保溫棉 | NA | |
| DCS(DIF) | Flammable | NA |
氣櫃盤面管路 →保溫棉/Panel heater(35℃) |
保溫棉 | 保溫棉 | NA | |
| BCl3 | Local | Water jacket /17℃ PCW | NA | 保溫棉 | NA | NA | |
| HF | Local | NA |
保溫棉/加熱帶(35℃) |
保溫棉/加熱帶(35℃) | 保溫棉/加熱帶(35℃) | NA | |
| SiCl4 | Local | Water jacket /17℃ PCW |
保溫棉/加熱帶(35℃) |
保溫棉/加熱帶(35℃) | 保溫棉/加熱帶(35℃) | NA | |
| WF6 | Local | Water jacket /17℃ PCW | NA | 保溫棉 | NO | NO | without VMB/P |
圖4：DCS B-type鋼瓶氣櫃(含管路保溫棉)
3.2 DCS PCM氣櫃供應系統設計
供應EPI製程之DCS GC依然保有盤面加熱與保溫棉，但為達成其低壓氣體大流量之供應需求，引進PCM (pressure control module)於供應模式，其中PCM使用MFC取代調壓器並藉著Controller以閉迴路迴授控制方式不間斷比對實際壓力與設定壓力(圖5)，隨時以MFC調整氣體流量達成buffer tank壓力穩定，同步GC B-cylinder設有磁波加熱功能35℃、PCM管路45℃ & MFC 48℃，藉由升溫機制與壓力控制模組使DCS供應壓力更加穩定，PCM實際照片與卡通圖參閱圖6、圖7。
圖5：Regulator vs. PCM(pressure control module)
圖6：DCS PCM氣櫃供應系統實際照片
圖7：DCS PCM氣櫃供應系統卡通圖
3.3 DCS Toner大包材氣櫃供應系統設計
EPI製程使用DCS生長矽層時一次即為多片數同時生長，因此用量遠大於DIF製程，但原始DCS B-cylinder設計量較小(滿瓶81lb)，導致EPI使用鋼瓶更換頻率高造成額外人力負荷，為減少鋼瓶更換頻率，引進原物料大包材Toner設計(滿瓶880lb)，Toner設計量為B-cylinder 10.8倍，成功降低原物料鋼瓶更換頻率節省人力約 550小時/年，B鋼與Toner設計供應比較如圖8所示。
圖8：B鋼與Toner設計供應系統比較
3.4 氣體冷凝預防之選擇條件
廠務常見之氣體冷凝預防配套措施，除了上述提及DCS 使用之氣櫃盤面加熱系統與SP1/SP2管路皆有增設保溫棉以外，常見包含如BCl3、SiCl4、WF6鋼瓶水夾克通17℃ PCW搭配一次配管路使用保溫棉(圖9)，可使後段無塵室管路於室溫22.5℃建立溫度梯度上升效果，避免氣體遭遇溫度驟降而產生冷凝影響供應壓力。
圖9：鋼瓶水夾克與一次配管路實際照片
4.結果與分析
4.1 DCS供應系統溫度梯度結果與強化措施
DCS同步運用上述所提溫度梯度理念，以F14B Toner供應系統為例，將原物料鋼瓶加熱設定為35℃，PCM加熱為48℃，使Toner出口壓提升避免源頭壓力不足並建立溫度梯度上升效果(如圖10)防止冷凝，成功使DCS穩定供應。同步比較F14B與F18 Toner用量、盤面加熱溫度、出口壓設定等，結果如表2所示，比較後發現將toner 出口壓力尚有調低空間，如此可遠離冷凝曲線(低壓高溫，圖11)使系統供應更加穩定。
圖10：Toner → PCM階梯式加熱示意圖
| Phase | F14P5 | F14P6 | F18P3 |
|---|---|---|---|
| 用量(lb/天) | 90 | 130 | 35 |
|
Toner鋼瓶 加熱設定(℃) |
35 | 35 | 35 |
|
PCM盤面 加熱設定(℃) |
48 | 48 | 45 |
|
Toner出口壓 (psig) |
16~18 | 14~16 | 10~12 |
圖11：F14P5 DCS Toner出口壓調整後三相圖
另外針對DCS toner瓶身磁波加熱進行F14B P56 PID參數比較與實驗(如表3)，發現PID參數最適化後可穩定磁波加熱之溫度，調低P值可改善反應速度讓曲線更加平滑，調升I值可提升曲線穩定度使溫度振幅有效縮小，提升D值可防止設備大用量情況溫度加熱追溫效率不足，參數適性化後加熱溫度的改善程度表現如圖12所示。
| 參數 | 說明 |
DCS toner瓶身磁波加熱PID比較 |
P5 PID 參數修改601-R (20220905修改完成) |
|
|---|---|---|---|---|
| P5 | P6 | |||
| P(%) | 反應速度 | 6 | 3 | 6 → 3 |
| I(sec) | 穩定度 | 60 | 397 | 60 → 397 |
| D(sec) | 遇突然大用量掉壓回穩 | 188 | 90 | 188 → 90 90 → 188 (follow原廠建議9/20修改觀察) |
| tc1(sec) | 工作週期 | 15 | 30 | 15 → 30 |
| PHC1(%) |
功率參數 新加熱控制器(5000KW) 舊型(3500KW) |
35 | 65 | 原廠建議30~35% 先微調至50%觀察 35% → 50% |
圖12：DCS Toner磁波加熱PID參數適性化後加熱溫度的表現
4.2 流體靜置對於冷凝現象之影響
氣體冷凝現象的產生除了壓力溫度因素以外，另一重要因素為靜置。以4.1上述說明克服DCS因溫度而產生的冷凝現象後，F14P5額外發現Toner供應系統存在閒置管路(Dead zone)，其閒置效應將趨使氣體產生冷凝之現象，導致EPI生長晶圓矽層厚度異常(如圖13)，以此次廠內膜厚經驗大於一個月未流動之管路流體皆有此風險，各廠區可盤查未供應之氣櫃系統檢視閒置管路是否存在。
圖13：EPI生長晶圓矽層厚度異常
盤查F14P56 Toner供應管路圖(圖14)與各組PCM對應之原物料供應方式(表4)，比較後發現F14P5 PCM由於線上機台並未全部開啟使用，因此其Toner至PCM段管路存在dead zone，再依F14P5實際現場管路配置圖(圖15)發現其閒置管路長度約21m之六分管，體積約4L，進而導致冷凝現象的產生。
圖14：F14P56 Toner供應管路圖
| Phase | 氣櫃來源 | PCM | 總長(m) | 源頭供應方式 | |
|---|---|---|---|---|---|
| B鋼 | Toner | ||||
| P5 | EGCF203 | EPCM204 | 44.5 | V | X |
| EGCF403 | EPCM303 | 31.8 | V | X | |
| EGCF405 | EPCM406 | 32.6 | V | X | |
| EGCF402 | EPCM301 | 29.5 | V | X | |
| EGCF601 | EPCM302 | 30.6 | NA | V | |
| EPCM304 | 32.9 | NA | V | ||
| P6 | EGF401 | EPCM302 | 27.1 | NA | V |
| EPCM301 | 29.1 | NA | V | ||
| EGCF402 | EPCM101 | 32.4 | NA | V | |
| EPCM102 | 30.2 | NA | V | ||
| EPCM201 | 27.7 | NA | V | ||
| EPCM202 | 25.4 | NA | V | ||
圖15：F14P5 DCS Toner實際管路配置Layout
5.結論
影響氣體冷凝重要因素為壓力、溫度與閒置效應，其中二氯矽烷氣體若冷凝將導致濃度異常影響晶圓膜厚產生報廢，因此其穩定供應的重要性不可忽視，統整三點有效預防冷凝之措施：➀調低氣體供應壓力遠離冷凝曲線；➁磁波加熱/ 加熱盤/ 保溫棉硬體設置且優化PID參數穩定溫度控制產生溫度加熱梯度結果；➂dead zone的檢視可借鏡F14P5經驗並透過移除現場實際未使用之管路來成功避免冷凝，以上條件皆留意將可大幅提升廠務易冷凝之氣體系統供應穩定性。
參考文獻
- 梁嘉堯(Chia-You Liang)、潘欽博士(Dr.Chin Pan),微流道冷凝熱傳研究_A Study of Condensation Heat Transfer in Microchannels, 2008。
- J.W.Rose,“On interphase matter transfer, the condensation coefficient and dropwise condensation”, Proc.R.Soc.Lond., A.411, pp.305-311, 1987.
- R.Yun, J.Heo, Y.Kim,“Effects of surface roughness and tube materials on the filmwise condensation heat transfer coefficient at low heat transfer rates”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol.33, pp.445-450, 2006.
- B.Mederic, M.Miscevic, V.Platel, P.Lavieille, J.L.Joly,“Experimental study of flow characteristics during condensation in narrow channels:the influence of the diameter channel on structure patterns”, Superlattice and Microstructures, Vol.35, pp.573-586, 2003.
留言(0)