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1、“纯净电能”-集成电路工厂对供电质量的要求及解决措施摘要：集成电路是各类家电产品、信息产品、自动化设备等的核心部件，是信息产业的基础。改革开放以来，我国的集成电路产业得到了蓬勃发展。相对于传统工业来说，集成电路工厂的各类动力要求（特气、化药、纯水、高质量电能、洁净空调系统）比较高。本文探讨一下半导体工厂供电系统的一些特点和存在问题的解决措施。关键词： 电能质量 sag（较大低电压） SSTS(快速开关) 不间断电源（UPS） 瞬时电压下降保护器（MLP） 一、 引言集成电路是各类家电产品、信息产品、自动化设备等的核心部件，是信息产业的基础。半导体技术的发展日新月异，生产用的原材料硅片从4寸发展
2、到6寸、8寸、12寸；生产工艺（以最细光刻线条为例）从1970年的10微米发展到1986年的1微米、1998年的0.2微米、2003年的90纳米；单位面积元件数由1983年的1万个元件/平方毫米发展到2000年的3300万个元件/平方毫米。半导体元件设计能力和大规模制造能力突飞猛进，其应用也涵盖了人类生活的方方面面。由于半导体制造技术及大规模生产关系到我国的国防工业、机电产业及信息产业的健康发展，改革开放以来，国家采取了鼓励扶持的政策，使我国的集成电路产业得到了蓬勃发展。但是相对于国外和其它地区的同类产业来讲，我国从核心技术到产业规模及辅助行业服务上都要差很多，相关的产业链还未形成，要走的路还
3、很长。希望这篇文章能对关心我国集成电路产业发展的同志们有所裨益。二、 半导体生产设备的用电特点相对于传统工业来说，集成电路工厂具有超微细加工及高洁净度生产环境要求的特点，有许多独特要求：1. 纯-各类动力供应要求纯净,纯水、纯电、纯气（特气、化药、纯水、高质量电能）；2. 恒-生产过程对于环境要求十分严格，集成电路工厂随着工艺技术水平的提高对净化间内的洁净度、温湿度控制要求越来越严格；3. 稳-各种条件缺一不可。这些要求都与高质量供电要求分不开。我们可以由半导体生产设备的动力特点来看看集成电路工厂的供电系统相应配置与措施。半导体生产设备可以大概分为这几类：CVD（化学气相淀积）设备、扩散设备、
4、离子注入设备、干刻设备、光刻设备、湿刻设备、外延生长设备等。下面以某一刻蚀设备为例，简单谈谈半导体生产设备的结构和用力特点（如图1）。图1上图为典型刻蚀设备结构。它有许多独立的小系统，动力特点为：1、供电：主要是感性负载，对于6吋以上工艺技术任何大于10ms、高于10%的电压波动就可能造成设备停止或产品废弃；2、工艺气体：CHF3、CF4、Ar、SF6等工艺气体许多具有毒；3、辅助设施：设备冷却水、排气、温湿度要求等。4、安全监控装置：排风净压、气体检漏等。工作原理：作业时，反应腔处于高真空下，硅片置于下电极上，上下电极之间加射频功率并通工艺气体，气体分子在射频功率作用下形成辉光放电并产生等离
5、子体，与硅片上欲被刻蚀的部分反应，生成可挥发性的物质，被真空系统抽走而实现刻蚀。由上例我们可以看出：半导体生产工艺过程所依赖的生产工具都是极其精密尖端的设备，每台设备的工作程序都是在计算机逻辑运算指令驱动下完成的。每一步工艺过程都包含着剧烈的物理反应和化学反应。集成电路的生产过程对环境的洁净度和动力供应的稳定性是极其依赖的。生产设备的各个子系统（传送系统、高频系统、高电压系统、真空系统、气冷风冷系统、特殊气体分配系统）都是在控制系统的控制下,恒定在所需要的定值之内来共同参与生产过程的，不能有任何微小的异变。而所有参与工作的子系统都是以电力系统为最终能源的。这些子系统对电源的要求是电源必须是纯净
6、的，要有良好的正弦波形，不能带有任何电网干扰和频率波动，特别是供电的连续性，不允许有任何大于10毫秒的间断。 10毫秒的供电间断是这样的一种概念。标准供电频率为50赫兹，每周波为20，而10毫秒不到1/2个周波。任何一次电压低于标准电压80% ，时间小于半个周波的电源变化在传统行业可能没有丝毫影响，而对于半导体行业影响就很大，我们把这种供电间断称为sag（较大低电压）。对半导体生产可以造成的影响有：1. 生产设备直接停机；2. 净化间环境被破坏；3. 动力供应（生产用水、气、真空）波动；4. 安全监控装置发现异常，报警并非正常停止生产设备；5. 废水、废气排放装置状态不稳定，造成生产设备停机；
7、停机的概念在传统产业中只是生产暂时的中断，而对半导体生产来说就是一次灾难。因为半导体生产设备的停机会造成显性损失和隐性损失：显性损失：有时价值数百万美圆的半成品，正处在高温（2000-3000摄氏度）、高气压（数百兆帕斯卡）或高电压（10万-30万伏特）的工艺条件下，这些硅片是无法再加工的，停机就意味着全部报损。或者由于环境的破坏，造成化药、产品、设备尘埃污染，化药要报废，产品要进行工艺处理，设备要重新清扫认定。隐性损失：生产设备的参数重新校正需要5到72小时。排毒、特气的安全检测系统需要数小时的时间来重新检漏，完成安全判定工作。每一次停机所造成的经济损失在半导体行业不是以千元万元计算而是以几
8、十万、几百万甚至上千万计算。如果不加以控制，所造成的损失是无可估量的。在此我们可以知道，集成电路工厂的生产设备不仅需要高纯度的气体，高纯度的化药，高纯度的水，还需要“纯净电能”，亦即频率和幅值稳定的电力供应。如图2所示：图2Pure airPure gasPure powerPure chemicalPure waterHVMVLVequipmentClean roomPower plant所以保证集成电路产业的供电质量确实需要电力部门加以关注和认真研究的。三、 供电系统故障对生产的影响供电作为其它动力供应的首要条件，集成电路工厂都花费大量人力、财力解决供电质量问题。但供电系统故障有很多种，有
9、来自设备本身，也有来自电网的，电网的故障影响是全局，其中最常发生的是电压波动（通常为电压瞬时降低）。电网电压波动对集成电路生产造成的影响是一种多发故障。下图是我公司2002年电网波动情况统计，我公司主变电站为35KV变电站，两路进线（31路和32路），图3：图3根据历年来的统计，象我厂这样规摸的企业，每年这种外部电网波动影响到生产的现象大约10-25次，而其中95%以上都是送电线路及同线路上其它用电户造成的事故引发。根据我们2002年统计，电网故障造成电压下降，下降幅度集中在5%45%之间，50%以上占的比例很少；电网电压波动持续时间一般不大于480ms，集中在90120ms，自我公司投产以来
10、两路同时停电大于1分钟的只有唯一的一次北京西部的大停电，哪次供电停止了大约30Min才恢复。四、 如何提高供电系统质量，适应半导体生产需要现阶段从公用电网接收“干净的电力”是不现实的，集成电路工厂考虑成本因素，目前更多的是改善工厂局部配电系统以增强对电网波动的抗干扰性。1. 工厂建设时争取独立的高等级供电线路由上一章我们可以知道影响外部供电质量的最大因素是同一线路上的其他用电户（尤其是低电压等级用电户），他们发生故障时引发的电压波动对传统产业来说，影响不大，但是对于半导体生产厂来说却是致命的。而目前用电户线路95%以上都是10KV/400V供电级别，而这一级别的事故引发的电网波动95%以上只波
11、及到110KV以下供电等级。如果有独立的110KV电压等级供电网络，就基本可以排除成千成万个低电压等级用电户所引发的故障影响。众所周知的原因，实现这点在成本、可行性上难度是相当大的。2. 引入多路电源，并在各路电源之间使用SSTS(快速切换开关)引入不同供电系统的多路电源，当其中一路出现问题时，快速切换开关（10毫秒）可以作到瞬间切换到其它路电源。以上两种方式,国内建厂较晚的的一些半导体工厂就已经采用，有些工厂共引入了3路进户电源，设置了快速开关(切换时间60秒,而电源突变时间一般都50毫秒,利用这一特征,可以在设备的控制回路中加装瞬停再启动功能,就可以解决动力设备因供电瞬断停机而使生产供应系
12、统受影响的问题。但在采取此种方式时需要注意以下问题，要考虑在同一低压系统中,同时再启动的设备总启动电流不能大于变压器总容量的1/3。 所以,设定再启动间隔时间时要考虑两个因素即：(1)各动力设备单机再启动时间合,不能大于动力设备的惯性保持时间；(2)各动力设备同时段再启动电流之合,不能大于所在系统总容量容许值。2 合理使用 UPS（不间断电源）UPS 电源在各行业中的使用已很普及,但其价格仍很昂贵，所以在配置UPS电源装置时必须在负荷对象、容量（0.1KW-1000KW）、性能（在线式、后备式、delta补偿式等）以及不同的使用方式（单机、并机）、维持时间（10分钟、30分钟及以上）等方面综合
13、考虑，才能作到以最小的经济代价，获得最大的电源改善效果。但要注意以下几点。(a)负荷对象的选择：一部分生产设备在瞬停后，只要控制系统不掉电，就可以迅速恢复正常生产，而且该设备内工事中止的硅片可以经过处理后再工事，继续流片，该类设备就可以只为其控制系统提供UPS电源；如果该类设备工事中止的硅片在设备瞬停后只能报废，那么就将其整体接入UPS配电系统；还有一类就是使用了大量危险的有毒或易爆气体的设备，应将其接入UPS配电系统。(b)装机容量的选择：在计算配备UPS的容量时，不能以设备的装机容量做计算依据，而要以实际长期监测电流为依据，据近十年半导体设备的运行记录计算，此种行业的用电效率极低，由于每一台设备都是由数十步程序构成，每一局部生产过程，又都由上百次工艺程序完成，所以从用电的瞬时功率计量来分析，利用率仅在40-
