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集成电路无尘车间设计的要点

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2018年04月01日  点击数:1172

一、前言

当前集成电路生产,污染硅片的物质主要有悬浮粒子、细菌、金属物、有机物和气体杂质。其中, 粒子对硅片的污染仍是主要的。粒子主要来自洁净区(空间) 及工艺介质(超纯水、超纯气体及超纯化学药品等), 而洁净区的粒子的控制仍是主要矛盾; 细菌、金属物、有机物和气体杂质对硅片的污染主要来自工艺介质。因此,集成电路 生产中, 无尘车间技术主要是对洁净区内悬浮粒子进行控制。另外, 亦对静电、电磁及微振等有控制要求。随着集成电路 亚微米加工跨入深亚微米加工, 有的研究已提出硅片本身的自然氧化、硅片表面吸附的分子都需进行控制。无尘车间技术的内容应随加工或处理对象而异, 在集成电路生产中其内容最为广深。当前集成电路亚微米加工中, 无尘车间技术的内容主要包括:无尘车间空气处理系统, 无尘车间系统( 即吊顶墙板及地板等系统), 无尘车间管理系统(包活洁净服无尘车间用品、无尘车间清扫及有关规定等) 以及无尘车间的防静电防电磁和防微振等措施。随着ic微加工进人到亚微米并跨入深亚微米, 无尘车间技术的应用已需与生产技术(工艺及工艺设备) 的开发密切结合以便对硅片表面进行更有效的污染控制。

二、集成电路亚微米加工, 洁净区内硅片受污染情况的分析

  集成电路 微加工, 对粒子直径的控制, 从集成电路 平面图形而言, 一般认为取1/ 2 一1/ 3 线宽即可, 但在垂直方向, 薄膜层的厚度比线宽小得多, 因此, 按经验对粒子的控制直径取1/ 0线宽已有共识。硅片受粒子污染情况与洁净区的动态洁净度有关, 亦即与洁净区空态洁净度、采用的工艺和工艺设备、操作情况、硅片传送方式、无尘车间形式以及洁净管理等因素有关。

根据已有的研究, 生产集成电路 的洁净区内悬浮粒子的来源情况如下:

≥0.5μm 的粒子主要来自无尘车间内工作人员、洁净服、转动机械、无尘车间用品及物体表面的振动等;

0.1 一0.5μm的粒子主要是由室外空气中的粒子穿过过滤器而漏人无尘车间的;

< 0.1μm的粒子(超细粒子) 主要由燃烧或蒸发后的物质均相聚集或冷凝引起的, 因此, 无尘车间内工艺设备的加热元件、线路版上的元件、受热轴承、电机、火焰及热的光都是其来源。而超高效过滤器对这种粒子几乎可以全部过滤掉。

根据已有报导, 有关集成电路 亚微米加工在l级( F S 一2 09 D ) 无尘车间内( 即洁净度为≥0.5μm的粒子不多于7 个/ft3), 相应于≥0.1μm的粒子不多于35 个/ft3,测得硅片上的污染粒子来源及比例情况如下:

操作人员(穿洁净工作服) 引起的, 如片盒传送及操作、走动的交叉污染等占30 % ;

工艺介质带人的占23 % ;

工艺设备引起的, 如本身的及交叉的污染占20 % ;

工艺加工引起的, 如工艺加工本身的及交叉的污染占25 % ;

穿过超高效过滤器而漏人的占2%。

根据以上例子及分析可以得出基本的认识是: 在亚微米加工的洁净区内, 洁净区的空态洁净度已不是影响动态洁净度的主要因素, 因为当前超高效过滤器的过滤效率对

≥0.1μm 粒子达9 9.9 9 9 5 一9 9.9 9 9 9 9 9 9% 的情况下,集成电路亚徽米加工的合格的无尘车间其空态沽净度为1 ~ 10 个/ft3(≥0.1μm粒子), 且往往检侧不到。因此, 控制工艺本身、工艺设备、操作人员等散发的粒子污染当是主要矛盾。而在100级的无尘车间≥0.1μm的粒子有3500个/ft3, 之多, 这种情况下, 当然空态洁净度会是影响动态洁净度的主要因素。

三、集成电路 亚微米加工, 无尘车间技术的主要特点及趋向

集成电路 亚微米加工, 目前已进入到0.3~ 0.4 μm(16M DRAM) 或更小, 要求控制的粒子直径已为≥0.03μm一0.04μm。在实际应用中, 对洁净区洁净度级别的控制上, 还相应有以≥0.5μm> 0.1μm的粒子直径为基础. 有关国家对洁净区沽净度级别都各有自己的标准并规定有作为基础的粒径等, 但对应龄不同的粒径的沽净度有对应的关系式。以美国标准F S 一20 9 E 为例, 它以≥0.5μm的粒径为基础, 对应龄不同粒径时的洁净度, 其关系式为:

          (1)

式中: d一任选的粒径μm

       N d一≥d 粒径的洁净度, 即粒子数个/ft3(或个/m 3 )

N0.5一≥0.5μm粒径的洁净度个/ft3(或个/m 3 )

日本标准(JACA  N0.24 ), 它以≥0.1μm 粒径为基础, 其对应放不同粒径时洁净度的关系式为:

      (2)  


无论那一个标准, 已知规定粒径的洁净度换算成任选粒径的洁净度时, 其关系式基本上是一致的.当前国际上有关lC 亚微米加工用的无尘车间其最关键的洁净区洁净度( 空态) 的设计要求大致可归纳为:

1 一4M(DRAM) 生产有控制≥0.1μm粒子不多于 1个/ft3或 10个/ft3的 , 亦有控制≥0.5μm的不多于 1个/ft3的;

1 6M(DRAM)生产有控制)≥0.5μm粒子不多于 1个/ft3( 相当)≥0.1μm粒子3.5个/ft3),亦有控制≥0.1μm粒子不多于1个/ft3或10个/ft3的.

可见各有关厂家对关键的洁净区的洁净度(空态)要求是并不一致的, 分析其原因在于:如本文二所述, 对集成电路 亚微米加工的洁净区的洁净度(空态) 要求的情况下, 空态洁净度已不是影响动态洁净度的主要因素. 因此各生产厂的工艺、工艺设备、硅片传送方式以及无尘车间形式的不同对洁净区的空态洁净度要求会有所不同, 如在微环境系统无尘车间内, 关键洁净区的空态洁净度要求就较宽一些。

分析当前已运行的集成电路 亚微米加工的无尘车间,基本可归纳为以下几个特点:

l、把关键的洁净(加工) 区尽量减少并与洁净走道、(www.iwuchen.com)洁净维护及修理区等相隔, 避免或减少人员、工艺及工艺设备散发的粒子的污染及交叉污染, 以利于达到严格的控制洁净度要求并减少运行电耗及费用。

2、工艺与工艺设备的开发已需密切与洁净技术相结合, 如减少工艺本身及工艺设备散发的粒子, 采用机器人传送片盒或SM IF系统等传送片盒避免人与硅片的直接接触等。

3、基于以上二点,集成电路亚微米加工, 现有典型的无尘车间形式基本有二类:

( l) 隧道式无尘车间。无尘车间分隔成洁净加工隧道(区), 洁净走道及洁净维护修理隧道( 区). 加工区的洁净度要求最严, 其它区及走道洁净度要求可低一些。目前国内已有可作集成电路亚微米加工的无尘车间都是这种形式.

(2 )“ 微环境” 系统无尘车间, 这种无尘车间内片盒的传送采用S M I F 系统(或类似的系统), 它包括: 存放片盒的洁净容器(SMIF POD) ; 能自动接受洁净容器(SMIF POD) 并打开容器把片盒送人(送出) 设备的加工部位的机械手装置( SMIFARM )。把SMIF ARM及工艺设备的加工部位以适用的材料封闭起来与无尘车间环境隔离, 在这较小的空间送人严格要求的洁净空气, 而无尘车间的洁净度可为10 0 一1000 级( F S 一2 0 9 D ),即≥0.5μm的粒子不多于10 0 一10 0 0个/ft3. 由于硅片避免或减少了受操作人员、工艺设备及工艺加工散发的粒子的直接污染或交叉污染, 而“微环境” 加工区空间又很小, 从而能较有效的控制硅片受粒子的污染, 并降低无尘车间造价及运行费用, 操作人员亦可在不十分严格的洁净环境内工作。据台湾TSMCS新厂采月后报导, 集成电路成品率显著提高、10000m2的无尘车间与洁净隧道式相比, 节省投资1400S/m, 年节电2 x 10 7度。

4、采用的空气处理系统, 基本有三种方式:

(l) 循环风机采用离心式风机与表冷器、过滤器等组合在一起, 一般设置在第三层。如图1所示。

(2)循环风机采用垂直安装的轴流风机, 如图2 所示。

(3) 循环风机各在带风机的高效过滤器单元内。如图3 所示。

以上三种方式各有其优缺点. 一般而言, 垂直安装的轴流循环风机方式在投资及运行费用上较省, 振动较小;带风机的高效过滤器单元, 灵活性较好,更便于调正改造, 但投资较大, 适用于微环境系统;采用离心式循环风机的方式, 其优缺点各在以上二者之间.

5、无尘车间的建造,除考虑实用性及可靠性外, 强调灵活性以适应集成电路 更新换代快的要求, 使原有无尘车间能方便的迅速的按生产要求进行调正及改造. 因此无尘车间系统及其建筑物的特点为:

( l) 建筑物为永久性的, 一般采作二层或三层。底层供公用系统及辅助系统用并兼作回风室; 第二层作无尘车间用, 一般作成平台层, 楼板支持在不与建筑物柱相联系的独立柱上以减少建筑物振动对它的影响, 平台(楼) 板为格栅式的或等距开有Φ50 一Φ6 0 0 的圆孔, 作回风及穿管线用, 无尘车间活动地板支放在平台板的不毛孔部分( 约为1500px的梁) 上, 第三层作为设置空气处理设施等用.

( 2) 吊顶系统、墙板系统及地板系统都采用工业化生产的标准化组合件, 质量可靠、装卸方便、易于调正及改造(包括高效过滤器数量及布置位置的变更等)。

随着集成电路 业微米加工要进人深亚微米及纳微米加工, 已有研究提出对硅片的自然氧化及硅片表面吸附的分子需要进行控制, 硅片的加工需在高纯氮或高真空的洁净区内,硅片的传送亦需在高纯氮的洁净环境内, 即集成电路 微加工需在封闭系统内进行。

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