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?

芯片制造详解.净洁室的秘密.学习笔记 三

  • 简介
  • 一、干净的级别
  • 二、芯片对净室的要求
  • 三、净室如何保持干净的呢?
    • (1).暖通空调系统
    • (2).维持恒定压强差
      • 芯片厂净室搭配使用
    • (3).隔绝门
  • 四、污染物的种类
  • 五、其它清除污染物的方法
  • 六、净室背后的学科

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
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前一个数字比后一个数字干净10倍
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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。
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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。
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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)。

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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。
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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。
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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。
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(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。
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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
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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)
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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
  • 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。
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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。
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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。
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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。

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