芯片制造详解.净洁室的秘密.学习笔记(三)

这是芯片制造系列的第三期跟学up主三圈，这里对其视频内容做了一下整理和归纳，喜欢的可以看原视频。

芯片制造详解03： 洁净室的秘密｜为何芯片厂缺人？

简介

芯片生产队杂质污染，极其敏感。尤其是纳米级别的先进制程，混入衬底的几颗离子，就会影响掺杂。改变芯片的电学特性，空中起舞的几个分子，便可干扰覆膜。降低芯片生产的良率。落在表面的几粒尘埃，足以短路开路，破坏芯片的物理结构，因此芯片的生产必须在一个绝对干净且稳定的环境中进行。这就是芯片的产房——净室(clean room)。

在各大芯片厂中，不同级别的净室占据了大部分位置，在这里，空中的浮尘微粒，甚至是气体分子的密度，都要被控制在极低的范围内。温度、湿度、压强、微震动等指标也必须得到精密调控。否则芯片生产就会难产。

当然不只是半导体行业，净室及洁净工程技术在光电光伏、医疗航天、生物科技和食品加工等领域都有着广泛的应用。
但这其中，芯片生产的净室，其洁净等级，建造难度和施工成本都是最高端的。

一、干净的级别

数字越小，越干净

前一个数字比后一个数字干净10倍

其中ISO 4级 ~ ISO 8级 对应国内 10级 ~10万级

例如：我们的城市，空气质量优秀，那么勉强达到了ISO9级。医院的手术室，对应ISO等级的5 ~ 7级。妇产科的话，相对低一些8级就能满足人类的生产了。

二、芯片对净室的要求

但是芯片普遍不能低于ISO3级，关键制程往往要在ISO2级甚至是ISO1级的环境下进行。
ISO2的环境等级要求PM0.5(粒子直径>=0.5um)的颗粒物，比如一粒细菌，每立方米不能超过4个。PM0.1(粒子直径>=0.1um)的颗粒物，比如病毒，每立方米不能超过100个。

而到了最高的ISO1级，细菌这种庞然大物，根本就不允许进入。至于0.1微米的小颗粒，每立方米最多10粒。按体积算，相当于往洞庭湖中撒10粒盐。所以，相比于人出生的产房，芯片的净室要干净的多。

三、净室如何保持干净的呢？

(1).暖通空调系统

需要包含以下功能：
1.暖热 Heating
2.通风 Ventilation
3.空气流通 Air
4.调节温度 Conditioning
以上4点也被简称为HVAC。

在净室中，是采用大量风机过滤单元(Fan Filter Unit)，通过不间断的过滤与气流循环的方式来实现的。

风机过滤单元是净室的灵魂，本质上是一个空调 + 过滤器 = 空气净化器。
而芯片净室中需要的空气净化器是分为两大类的：

• 第一类：ISO5以下的低级别净室，用高效过滤器(对PM0.3颗粒物的过滤效率高达99.97%)
• 第二类：ISO以上的超高效率过滤器，它们对0.12微米颗粒物的过滤效率超过99.999%

除了过滤器外，还需要吹风机，让净室里的空气流动起来，这里按照气流循环模式又可以把净室分为单向流、非单向流(紊流洁净室)。

紊流洁净室结构如下：
墙体两侧，设有回风口，经过过滤器补充进来的清洁空气，通过气流的不均匀扩散，来稀释室内的颗粒物浓度。但是这种依靠扩散稀释的方式，清洁效率低，所以只能适用于ISO5及数字更大的级别的净室。比如在芯片的组装、测试和封装区域。

而ISO 4级以上，都必须采用单向流，又称层流洁净室。
这种气流模式的特点就是大风吹，一直吹。头顶用大量风机过滤单元覆盖大部分，甚至全部天花板，人在里头，抬头仰望都是风，低头俯瞰都是坑(通风口)。这些通风口，让向下吹的风能垂直进入楼下回风层，再经过侧面空间回到顶层。这种单向风流，相当于将整个净室一直置于水龙头下清洗，只是用的不是水流而是平行均匀的气流。

因此芯片厂的楼层往往很高，制程设备和人员在中间的工具人层。头上是加压层(Pressurized Plenum),楼下则是有很多管道的回风层(Return Air Floor)，最底层的话则是各种电力设备和各种气体存放设备。

(2).维持恒定压强差

芯片厂会维持恒定压强差以此来防范杂质的泄漏、扩散和交叉污染。

芯片厂净室搭配使用

考虑到建设成本，半导体厂房通常是由不同级别的净室搭配组成的。
比如制程区域是ISO 3、测试区是ISO 6、走廊过道是ISO 9，彼此之间杂质的浓度相差了1000倍，和溶液的渗透压类似，空间中的悬浮颗粒物会涌入浓度最低的区域。

但是你又不可能把每个区域完全隔绝，毕竟人员也是需要走动的，物料是需要流通的。芯片的很多工序，也需要晶圆频繁往返于各个制程与测试区。这就意味着，只要从走廊打开门，颗粒物就会从低级别区涌入高级别区，造成污染

那么为了抑制这种颗粒物的迁移和扩散趋势，芯片厂需要给洁净室加压，让其与周围区域维持一个10Pa左右的压强差。另外一旦净室的密封性出现问题，空气只出不进，可以防止外面的脏东西进入净室。

(3).隔绝门

除了使用压强差，芯片厂给相邻但是洁净程度不同的区域，会使用两扇门隔绝。中间是气锁室(Air lock)

让人员和物料在开门往来时进一步缓冲与抑制杂质的迁移。

四、污染物的种类

而污染物主要是微粒和浮尘这些常见的悬浮物。假如有一粒颗粒物混入了关键工序，而且直径大于特征尺寸的50%，那么芯片会直接作废，如果大于20%就会变成一枚定时炸弹，影响芯片日后使用的可靠性。
污染物还有：

• 空气中的分子级污染物(Airborne Molecular Contamination)包括挥发性的酸碱类物质、可凝结物质等等。直径上来说：分子污染物 << 悬浮颗粒物，这样就导致高效过滤器和超高效过滤器都没法拦住它们。假如芯片厂选址不慎，建在了空气低质量的城市，那即便设备厂房一模一样，芯片生产的良率也会因环境不同而千差万别。
• 溶剂中的金属离子也会影响半导体的掺杂浓度，改变器件的电特性，所以芯片制造中用到的一切气体和溶剂也必须是高纯度的。比如清洗晶圆用的水就不是蒸馏水，而是更清纯的去离子水。(18兆欧水，它的电阻率高达18兆欧姆，基本就是绝缘体)
• 建材
• 涂料
• 设备
• 水
• 上道工序的微量残余物等
• 人类自己(头发、皮屑、死皮细胞、汗液油脂、唾沫星子)，所以进入芯片厂的人都要包的严严实实，最大限度防止毛发、皮屑、飞沫的外传，女生也必须卸妆。
  

五、其它清除污染物的方法

本质上说，有人就有污染，芯片厂都在尽可能的减少人的数量和影响，比如提高自动化的比例使用微环境(mini-environment)等等。
微环境就是在一个关键区域(Critical Area)的大净室里，再用一个更洁净的迷你净室(通常是ISO 2级)，把关键步骤的制程设备套在里面，让操作员通过预留手套来操纵。

此外在自动化程度高的芯片厂，晶圆在不同工艺制程间转移，采用的是高架轨道运输(OHT),取代了用小推车运送晶圆的工作人员，这种盒子被称为前开式晶圆运输盒(FOUP),它们是芯片的公交车。和微环境一样充满了氮气，洁净级别也相通，确保晶圆在转移以及进出制程设备时，始终处于被保护的环境中。

六、净室背后的学科

化工、结构、流体力学、土木、给排水等等。作为工程大国，我国洁净室背后的发展还是很快的，头部企业比如电子工程设计院、(电子信息产业)十一院、中电四公司、亚翔集成等今年都积极参与国内各大芯片厂的建设。
但是国内市场还是集中在较为低端的ISO 4 级以下的洁净室，目前净室中核心的风机过滤单元，大部分进口自美国、德国和日本的厂商，而核心设备中的核心就是超高效过滤器(里面的0.1um超细玻璃纤维滤纸)，因为滤纸是由寿命的，每隔一段时间就必须更换，所以它是消耗品，目前这些主要产自American Air Filter以及Nippon Muki(日本无机)等美日供应商，暂时没有国产替代。