芯片制造廠電壓暫降問題及治理

黃 磊

中芯國(guó)際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203

芯片制造廠電壓暫降問題及治理

黃 磊

中芯國(guó)際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203

分析目前配電系統(tǒng)電壓暫降治理方案存在的缺陷，深入研究動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的原理并進(jìn)行改造，達(dá)到電壓暫降治理的全覆蓋。

芯片制造廠；電壓暫降；不間斷電源；動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器

引言

隨著上世紀(jì)90年代電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電壓暫降才日益成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在影響電能質(zhì)量的諸多因素中，電壓暫降引起用戶的投訴最多，主要有以下幾方面原因：

1）電壓暫降發(fā)生的頻率遠(yuǎn)高于其它電力品質(zhì)問題，根據(jù)美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）調(diào)查工業(yè)界面臨的最大電力品質(zhì)問題就是電壓暫降。據(jù)統(tǒng)計(jì)60%以上的電壓暫降事件都和雷擊、臺(tái)風(fēng)、暴雨等惡劣的天氣有關(guān)。當(dāng)高壓輸電線路發(fā)生風(fēng)箏、熱氣球引起的短路故障時(shí)，該線路上甚至幾公里外的電力用戶依然會(huì)受到影響。

2）由于電壓暫降所引起的生產(chǎn)設(shè)備誤動(dòng)作、中斷等事件會(huì)給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)甚至造成意外傷亡事件。

3）現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備對(duì)電壓暫降的要求比傳統(tǒng)的設(shè)備要求更高。

所以電壓暫降對(duì)芯片制造的影響不可忽略，必須對(duì)它加以治理。

1 電壓暫降的定義及對(duì)芯片制程的影響

國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)IEEE Std1159-1992電壓暫降(voltage sag),定義為:供電系統(tǒng)中某點(diǎn)的工頻電壓均方根值突然下降至額定值的10%～90%,并在隨后的10ms～1min的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常。如果持續(xù)時(shí)間超過1min，則認(rèn)為是電壓偏低。

對(duì)于制造芯片這樣的高科技產(chǎn)業(yè)，由于生產(chǎn)的產(chǎn)品種類繁多、加工步驟繁多、屬于重復(fù)混合加工的制造形式，因此芯片制程中的每一道加工工藝都顯得非常重要。常規(guī)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)內(nèi)存的加工工藝約需要200道以上的工序，其中任何一步的出錯(cuò)都會(huì)直接影響產(chǎn)品的良率，讓昂貴的芯片一文不值。制造芯片機(jī)臺(tái)有生產(chǎn)光掩膜的曝光機(jī)、光刻機(jī)、離子注入機(jī)、爐管、等離子刻蝕機(jī)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積機(jī)等。這些芯片制造機(jī)臺(tái)在工作過程中的優(yōu)良特性，例如真空度、沉淀速率、溫度、離子注入計(jì)量等參數(shù)，在很大程度上依靠穩(wěn)定可靠的電力品質(zhì)。

電壓暫降導(dǎo)致芯片制造廠生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)有以下幾方面原因。第一在生產(chǎn)芯片過程中大量使用有毒有害的氣體及化學(xué)品，為避免意外泄露事件的發(fā)生都會(huì)使用緊急停機(jī)連鎖功能。在發(fā)生電壓暫降時(shí)，緊急停機(jī)連鎖功能的電氣控制回路中的繼電器會(huì)因電壓低而觸發(fā)，從而導(dǎo)致設(shè)備的停機(jī)。第二生產(chǎn)過程中所使用設(shè)備的控制單元如PLC及變頻器

等的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)中對(duì)電壓暫降的忽略或延時(shí)功能沒有激活導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。最后供給生產(chǎn)設(shè)備所必須的氣體、化學(xué)、純水、冷卻水、排氣、制程真空等廠務(wù)系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生電壓暫降停機(jī)時(shí)，制程設(shè)備由于對(duì)這些系統(tǒng)的壓力等參數(shù)有連鎖功能因此也會(huì)停機(jī)。圖1芯片制造廠房、設(shè)備及廠務(wù)系統(tǒng)示意圖。由圖可以看出無塵室的環(huán)境、廠務(wù)供應(yīng)系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)等都相互關(guān)聯(lián)，只要一個(gè)環(huán)節(jié)因電壓暫降導(dǎo)致停機(jī)都會(huì)影響芯片產(chǎn)能及良率。

圖1 芯片制造廠房、設(shè)備及廠務(wù)系統(tǒng)示意圖

2 SM公司電壓暫降治理方案的分析及改善

SM公司目前在上海建有多座200MM及300MM晶圓廠，廠區(qū)采用三回路35KV高壓供電設(shè)計(jì)，經(jīng)各級(jí)變壓器轉(zhuǎn)換為10KV/380V/208V向下游負(fù)載供電。由于在建廠初期沒有考慮電壓暫降的問題，隨著這幾年產(chǎn)量的不斷屢創(chuàng)新高對(duì)電壓暫降的困擾也是進(jìn)一步增加。電壓暫降的治理分兩個(gè)方面，一方面需要提高設(shè)備本身抗電壓暫降的能力。在設(shè)備制造層面應(yīng)符合SEMI-F47標(biāo)準(zhǔn)，芯片制造廠在購(gòu)買設(shè)備驗(yàn)收時(shí)也應(yīng)進(jìn)行抗電壓暫降檢測(cè)。目前已使用設(shè)備也需要根據(jù)實(shí)際情況更換相關(guān)器件或?qū)ο鄳?yīng)的控制單元如單片機(jī)、PLC及變頻器等的參數(shù)進(jìn)行修改，激活對(duì)電壓暫降的忽略或延時(shí)功能。由于公司目前已在生產(chǎn)，大規(guī)模修改設(shè)備內(nèi)部器件及參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致一定的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面按照投資回報(bào)率高低來提高設(shè)備局部或全部供電的電力品質(zhì)。芯片生產(chǎn)機(jī)臺(tái)電力是否需要電壓暫降治理可依據(jù)設(shè)備同時(shí)制造芯片的數(shù)量作評(píng)估，例如爐管機(jī)臺(tái)一次有上百片的芯片同時(shí)氧化處理，一旦發(fā)生電壓暫降的異常停機(jī)所造成的損失非常巨大，因此需要考慮上應(yīng)該把爐管的機(jī)臺(tái)電源進(jìn)行抗電壓暫降治理。但由于爐管的機(jī)臺(tái)功率有200KVA左右功率比較大不適合全部接入，因此經(jīng)過多方面衡量最后把爐管的控制系統(tǒng)及真空泵納入電壓暫降治理范圍而主機(jī)臺(tái)仍然用市電。對(duì)真空泵電源進(jìn)行電壓暫降治理的目的是：第一電壓暫降時(shí)可繼續(xù)維持爐管腔內(nèi)的真空度避免腔體玷污后芯片報(bào)廢，第二避免真空泵跳脫后因互鎖導(dǎo)致主機(jī)臺(tái)停機(jī)。提高控制系統(tǒng)電力品質(zhì)的目的是為了在發(fā)生電壓暫降時(shí)，即使發(fā)生主機(jī)臺(tái)停機(jī)但由于控制系統(tǒng)仍在工作可以記錄整個(gè)芯片當(dāng)前正在工作的工序，當(dāng)主機(jī)臺(tái)復(fù)機(jī)后可繼續(xù)工作避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致的芯片報(bào)廢及產(chǎn)能損失。

廠務(wù)供應(yīng)系統(tǒng)方面，將與生產(chǎn)直接相關(guān)的廠務(wù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備納入電壓暫降治理范圍。例如芯片制造廠中的制程抽真空系統(tǒng)，當(dāng)真空系統(tǒng)中的真空泵突然停止時(shí)會(huì)發(fā)生自動(dòng)化機(jī)器手臂吸取的芯片掉落破片的事故。排氣系統(tǒng)主要用于抽除設(shè)備所排出的有毒、有害廢氣。由于有安全隱患排氣的壓力往往與機(jī)臺(tái)設(shè)備有互鎖關(guān)系，當(dāng)發(fā)生由電壓暫降引起的排氣停機(jī)導(dǎo)致排氣壓力降低時(shí)會(huì)導(dǎo)致所有相關(guān)聯(lián)的機(jī)臺(tái)停機(jī)。制程冷卻水是供給機(jī)臺(tái)工作過程中降溫所使用的，機(jī)臺(tái)與冷卻水的流量有互鎖關(guān)系。超純水為芯片制程提供最為清潔的清洗介質(zhì)，芯片每一步的加工工序都需要利用超純水來清洗祛除雜質(zhì)。氣體及化學(xué)供應(yīng)系統(tǒng)由于直接和生產(chǎn)相關(guān)，系統(tǒng)的穩(wěn)定直接與芯片的制造良率相關(guān)聯(lián)。因此這些系統(tǒng)在電力系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)需要考慮抗電壓暫降問題。

圖2 電壓暫降記錄及動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的保護(hù)范圍

公司以往的電壓暫降治理策略是按照發(fā)生暫降后的嚴(yán)重程度分步驟安裝不間斷電源（UPS）。但由于芯片制造廠的電力消耗非常巨大，因此全部安裝UPS所需費(fèi)用太大而不現(xiàn)實(shí)，并且UPS也有其致命的弱點(diǎn)：1）由于目前大陸市場(chǎng)沒有與機(jī)臺(tái)電壓相匹配的208V/50HZ UPS，需要安裝降壓變壓器這將導(dǎo)致整體效率下降。2）UPS儲(chǔ)能器件是電池，但電池需要25℃的環(huán)境溫度來維持壽命，這會(huì)增加空調(diào)費(fèi)用。每季度進(jìn)行電池檢測(cè)、每4～5年需要更換電池此費(fèi)用也非常高。電池中所含的鉛對(duì)環(huán)境是高污染。

目前公司進(jìn)行電壓暫降治理的趨勢(shì)正在從以往使用不間斷電源向動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器（DVR，Dynamic Voltage Regulator）過渡。DVR是一種電壓源補(bǔ)償裝置，串接于電源與負(fù)荷之間。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，DVR能在幾毫秒內(nèi)將下游負(fù)載的電壓恢復(fù)到正常。DVR是一項(xiàng)新技術(shù)，動(dòng)態(tài)負(fù)載性能佳、日常運(yùn)行損耗小、維護(hù)工作量小、它沒有蓄電池，正在被越來越多的制造企業(yè)所接受。

圖3 暫態(tài)狀態(tài)（正半周）

圖4 交叉耦合系統(tǒng)圖

圖5 DVR上游電源電力系統(tǒng)示意

圖6 2011-2-17電壓暫降及經(jīng)過治理的電壓波形

結(jié)合公司近10年電壓暫降記錄與動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的補(bǔ)償曲線，并分析各品牌動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇美國(guó)SQ公司的DVR。所選擇的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的保護(hù)范圍及SM公司電壓暫降記錄的比對(duì)如圖2所示。發(fā)生單相電壓暫降時(shí)，DVR的保護(hù)范圍為AA、BB、CC三個(gè)區(qū)域即可以單相停電保護(hù)5S。發(fā)生兩相電壓暫降時(shí)，DVR的保護(hù)范圍為AA、BB區(qū)域。發(fā)生三相電壓暫降時(shí)，DVR的保護(hù)范圍為AA區(qū)域即可以停電保護(hù)0.2S。從圖中可以看出此款DVR完全滿足電壓暫降的治理要求，可以保護(hù)SM公司近十年來的全部的電壓暫降事件。開關(guān)提供電力。2）市電電壓暫降至額定電壓50%～88%時(shí)，由逆變器提供補(bǔ)償需要的電壓差。當(dāng)電壓暫降至額定電壓55%且交流電處于正半周波時(shí)，整流器D2向電容器C2充電至輸入電源的峰值電壓。逆變器S1開始通電, C1電容器上的45%額定電壓與電源處于串聯(lián)回路，負(fù)載電壓為55%+45%額定電壓,如圖3所示。當(dāng)交流電處于負(fù)半周波時(shí)，DVR的另一半器件工作也達(dá)到電壓補(bǔ)償?shù)淖饔谩?）當(dāng)市電電壓暫降至額定電壓0%～50%時(shí)，利用交叉耦合及電容放電來進(jìn)行電容補(bǔ)償。DVR在單相或兩相發(fā)生電壓暫降時(shí)，能充分利用未發(fā)生電壓暫降相位的電能量以交叉耦合方式，在電壓暫降過程中起到更好的保護(hù)效果，如圖4所示。

但DVR有個(gè)致命的缺陷就是無法補(bǔ)償對(duì)超過0.2S的停電事件，為了更好的治理電壓暫降甚至短時(shí)停電事件需要對(duì)原有的DVR進(jìn)行相應(yīng)的改造。

由于公司采用三路高壓進(jìn)線，根據(jù)10年來電壓暫降事件的統(tǒng)計(jì)，兩路同時(shí)都發(fā)生低于50%的電壓暫降的概率非常低，可以把DVR中交叉補(bǔ)償?shù)碾娫椿芈犯脑斐闪肆硗庖宦愤M(jìn)線電源如圖5所示。這樣改造后當(dāng)主回路發(fā)生電壓暫降而補(bǔ)償電源正常時(shí)，可以使原系統(tǒng)保護(hù)單相停電5S的基礎(chǔ)上拓展到兩相乃至三相停電5秒的補(bǔ)償效果。

同時(shí)為了系統(tǒng)更有效的工作在電力系統(tǒng)10.5KV側(cè)增加備自投功能（BZT）。即在電源回路1發(fā)生停電時(shí)，延時(shí)1.5S后回路1-1斷路器斷開、Tie斷路器閉合，此時(shí)電源1回路下的負(fù)載全部有電源回路2供應(yīng)。

在改造完成后當(dāng)電源1發(fā)生停電事件時(shí)，由3路電源與電容可以補(bǔ)償5秒，但在1.5秒時(shí)10.5KV側(cè)備自投會(huì)動(dòng)作使得1路電源下的負(fù)載全部轉(zhuǎn)移到2路電源，因此1.5秒后DVR主電源又恢復(fù)正常，所以DVR下游的負(fù)載可以不受電壓暫降的影響。

3 改進(jìn)型動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器在廠務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用

由于電壓暫降治理項(xiàng)目涉及公司的設(shè)備、系統(tǒng)非常繁多，若短時(shí)間全面展開可能會(huì)導(dǎo)致公司產(chǎn)能的損失及項(xiàng)目運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。因此決定從廠務(wù)純水系統(tǒng)（Ultrapure Water，UPW）開始治理，發(fā)生電壓暫降并導(dǎo)致生產(chǎn)影響的都是由于UPW系統(tǒng)中供應(yīng)用戶側(cè)的循環(huán)泵、壓力提升泵的停機(jī)而導(dǎo)致UPW壓力過低從而影響生產(chǎn)線設(shè)備。因此只要把UPW系統(tǒng)相關(guān)的泵治理好就能大大提高整套系統(tǒng)抗電壓暫降的能力，這縮小了UPW系統(tǒng)電壓暫降治理的范圍。

為了更好的對(duì)比治理后的效果，首先以沒有進(jìn)行治理前發(fā)生在2009年6月27日18:43分的電壓暫降為例。電壓降到額定電壓的75.1%，持續(xù)時(shí)間為68毫秒，暫降導(dǎo)致UPW系統(tǒng)出口壓力由0.56Mpa降到0.28Mpa,純水的流量由399CMH降到318CMH。由于UPW壓力波動(dòng)所導(dǎo)致5臺(tái)刻蝕設(shè)備停機(jī)、 8臺(tái)化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備停機(jī)，并導(dǎo)致54片芯片報(bào)廢。

2011年1月到2月間，SM廠區(qū)分別發(fā)生3次電壓暫降事件。經(jīng)過公司的電力品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀記錄為：1月26日，發(fā)生兩相電壓暫降到額定電壓的83%，持續(xù)時(shí)間為72毫秒。2月17日，發(fā)生兩相電壓暫降到額定電壓的68.8%，持續(xù)時(shí)間為84毫秒。2月23日，發(fā)生三相電壓暫降其中C相降到額定電壓的74.7%，持續(xù)時(shí)間101毫秒。按照以往情況，以上電壓暫降會(huì)導(dǎo)致UPW水壓波動(dòng)以及制程設(shè)備的異常停機(jī)。但經(jīng)過治理后由于DVR的電壓輸出波形完全符合UPW循環(huán)泵及壓力提成泵的電力品質(zhì)要求，UPW系統(tǒng)未受到電壓暫降的影響如圖6。

4 結(jié)語

電壓暫降已上升為芯片制造廠最為重要的電力品質(zhì)問題，在影響芯片制造良率的諸多電力品質(zhì)問題中占90%以上。本文對(duì)電力系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器進(jìn)行改造使之達(dá)到電壓暫降治理的全覆蓋，通過真實(shí)暫降事件的考驗(yàn)，驗(yàn)證治理方案完全滿足要求。

[1]SEMI F47-0200 Specification for semiconductor process equipment voltage sag immunity. Current edition approved by North American Regional Standards Committee on December 15，1999. Initially available on www.semi.org January 2000

[2]董其國(guó).電能質(zhì)量技術(shù)問答.北京：中國(guó)電力出版，2003. ISBN 7-5083-1654-1

[3]Michael Quirk, Julian Serda.韓鄭生譯.半導(dǎo)體制造技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2009.7 ISBN 978-7-121-08944-2

[4]周雙喜，朱凌志，郭錫玖，王小海.電壓穩(wěn)定性及其控制

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.06.036

黃磊（1975-）.男，上海市，2009級(jí)復(fù)旦大學(xué)，工程碩士，工作中芯國(guó)際廠務(wù)處，電科經(jīng)理，從事研究電力系統(tǒng)維護(hù)及電能質(zhì)量改善。