2026-01-09_半導體晶圓廠設計
半導體晶圓廠設計
☘️ Article
- 看到台積又要擴，找了個 YT 搭配 notebooklm 複習，水、電、氣、無塵室，再來是設備
- 晶圓廠的垂直物理層級 (由上而下)
- 晶圓廠的結構設計通常採用「三明治」式的垂直佈局，以確保氣流與潔淨度：
- 風扇層 (Fan Deck)：位於最頂層，設有大型空氣處理機組 (Air Handlers) 與加熱冷卻設備，負責將過濾後的外部空氣推入建築物內。
- 夾層 (Interstitial/Plenum)：空氣由此處通過管道向下流動。
- 過濾層 (Filters)：天花板上裝有 HEPA 過濾網 (或 ULPA)，空氣由此向下推入潔淨室，過濾掉微粒。
- 潔淨室/製程層 (Clean Room/Process Level)：這是晶圓製造發生的地方 (即「魔術發生之地」)，放置所有的製程機台 (Tools) 和潔淨公用設施。
- 高架地板 (Raised Metal Floor, RMF)：潔淨室通常使用穿孔的金屬地板，允許空氣與管線通過。
- 下層廠務區 (Subfab)：位於潔淨室下方，包含主要的真空幫浦、冷卻水幫浦、各類管線 (Piping)、排氣系統和電氣系統。此層允許在不干擾上方潔淨室的情況下進行維護。
- 迴風系統 (Return Air Plenums)：空氣流經 Subfab 後，透過建築物的迴風管道回到頂部循環使用。
- 晶圓廠的結構設計通常採用「三明治」式的垂直佈局，以確保氣流與潔淨度：
- 關鍵公用設施與支持系統 (Utilities)
- 這些系統被比喻為工廠的血管，負責輸送生產所需的各種物質：
- 空氣分離廠 (Air Separation Plants)：
- 通常由第三方氣體公司 (如 Lindy, Air Liquide 等) 在廠區外或廠區內建造與營運。
- 功能：吸入空氣，透過大型壓縮機和冷箱 (Cold Box) 將空氣液化 (約 -300°F)，再蒸餾分離出純氧、純氮、氫氣與氬氣，透過管線輸送到晶圓廠。
- 大宗化學品儲存 (Bulk Chemical Storage)：
- 儲存如鹽酸、異丙醇 (IPA) 等化學品。
- 包含危險生產材料室 (HPM Rooms)，用於監測危險化學品 and 氣體 (如易燃的矽烷 Silane)。
- 水處理系統 (Water Systems)：
- 超純水 (Ultra Pure Water, UPW)：對晶圓清洗至關重要，必須去除所有微粒，標準比製藥用水更嚴格 (雖然製藥是為了生物無菌，半導體是為了無微粒)。
- 廢水回收 (Bulk Water Reclaim)：由於晶圓廠每日耗水量達數百萬加侖，需設有類似城市污水處理廠的設施來回收處理或預處理廢水。
- 製程管線 (Process Piping)：
- 負責輸送氣體、化學品與水。
- 氣體管線多使用不鏽鋼或特殊合金 (Hastalloy)，並需進行焊接。
- 酸鹼與水系統多使用高純度塑膠 (如 PVDF, Polypropylene)，透過熱熔接合 (Fusion)。
- 所有管材在安裝前必須在潔淨室內保持雙層包裝，避免污染。
- 空氣分離廠 (Air Separation Plants)：
- 這些系統被比喻為工廠的血管，負責輸送生產所需的各種物質：
- 無塵室設計類型
- 根據需求，無塵室的空間配置主要有兩種：
- 大廳式 (Ballroom)：開放式大空間，機台像流水線一樣排列。優點是模組化高，便於隨著產品改變而移動或更換機台。
- 間隔式 (Bay and Chase)：將機台操作面設在較高潔淨度的「Bay」區域，而機台主體與維修面設在牆後的「Chase」區域 (潔淨度較低，如 ISO 5 或 6)，方便維修時不影響製程區。
- 微環境 (Micro-environments)：機台內部自帶的真空或超潔淨空間 (ISO 3 或更低)，防止晶圓在傳輸過程中氧化或污染。
- 根據需求，無塵室的空間配置主要有兩種：
- 機台安裝流程 (Tool Install)
- 設備 (如 ASML 的光刻機) 極其昂貴且巨大 (有的像校車一樣大)，安裝過程包含：
- a. 基座安裝 (Pedestal Installation)：由於機台位於高架地板上，需要專門設計的基座來支撐機台重量。
- b. 機台搬入 (Tool Move-in)：將機台移入潔淨室。
- c. 管線連接 (Tool Hookup)：將來自 Subfab 的各種公用設施 (水、電、氣) 穿過地板連接到機台。
- 設備 (如 ASML 的光刻機) 極其昂貴且巨大 (有的像校車一樣大)，安裝過程包含：
- 建廠專案生命週期
- 從無到有的建設階段包括：
- a. 概念設計 (Conceptual Design)：評估產能、設施規模與財務可行性。
- b. 詳細設計 (Detailed Design)：繪製圖紙與規格。
- c. 施工 (Construction)：包含場外預製 (Fabrication) 與現場組裝。
- d. 調試 (Commissioning)：證明建造的系統符合功能需求。
- e. 營運與持續更新 (Operation)：由於技術快速更迭，工廠常處於一邊生產、一邊進行機台更換或升級的重疊狀態。
- 從無到有的建設階段包括：
✍️ Abstract
半導體晶圓廠設計
- 晶圓廠結構：採用垂直分層的三明治式佈局，由上至下分為：風扇層、製程層、下層廠務區、公用設施層，以確保氣流循環與極致的潔淨度。
- 風扇層：位於建築頂部，設置大型空氣處理機組與空氣循環系統，負責過濾外部空氣並調節溫濕度。
- 製程層：是晶圓製造的核心區域，包含無塵室、製程機台及高架地板，空氣經由天花板的過濾網向下吹送，維持極高潔淨等級。
- 下層廠務區：位於製程層下方，容納真空幫浦、支援工具、排氣系統與電力設備，維修時不會干擾上方製程運作。
- 公用設施系統：如同一工廠的血管，包含空氣分離廠供應純氮與純氧、大宗化學品儲存系統，以及標準比醫用更嚴苛的超純水系統。
- 無塵室：設計分為 大廳式、間隔式、微環境 三種，其中間隔式設計將操作區與維修區分離，可減少對製程環境的影響。
- 晶圓廠建設生命週期涵蓋概念設計、詳細設計、施工組裝、調試證明功能符合需求，最後進入營運與機台持續更新階段。
- 設備安裝流程包含支撐重型機台的基座安裝、設備搬入，以及最後與下層廠務區水電氣設施對接的管線連接過程。
專有名詞
- ULPA (Ultra-Low Particulate Air filter)：極低穿透率空氣過濾網，能過濾 0.12 微米以上達 99.999% 的微粒，效能高於常見的 HEPA 過濾網。
- Subfab (下層廠務區)：位於潔淨室地板下方的空間，主要配置製程支援設備，如幫浦、熱交換器、變壓器與廢氣處理設備。
- HPM Rooms (Hazardous Production Material Rooms)：危險生產材料室，專門用於存放與監測易燃、易爆或有毒的化學品及特殊氣體。
- UPW (Ultra Pure Water)：超純水，經過多重過濾與去離子處理，幾乎完全去除水中所有微粒、離子、有機物及微生物，專用於晶圓清洗。
- PVDF (Polyvinylidene fluoride)：聚偏二氟乙烯，一種高度惰性且純淨的熱塑性塑料，耐酸鹼且抗腐蝕，常用於半導體高純度管路系統。
- Silane (矽烷)：化學式為 SiH4，是一種在空氣中會自燃的危險氣體，常用於半導體製程中的氣相沉積，以在晶圓表面形成矽薄膜。
- Bay and Chase (間隔式佈局)：一種無塵室設計，Bay 為人員操作機台的作業區，Chase 則為後方的維護通道與公用管線空間。
- Tool Hookup (管線二次配)：將廠務端提供的各種動力來源，如特殊氣體、純水、電力、冷卻水與排氣等，透過管線精密連接到生產機台的工程。
- Raised Metal Floor (RMF)：高架金屬地板，由打孔的金屬板組成，方便潔淨空氣垂直向下流動並提供管線走線空間。
- Hastalloy (哈氏合金)：一種具有極高耐腐蝕性的鎳基合金，常用於輸送強腐蝕性化學品或氣體的特定管路與容器。