科普 | 揭秘微小芯片如何做到“一塵不染”？
2021年9月6日 10:17瀏覽：2112 收藏：1
今年以來，因芯片短缺問題加劇，國內外主要半導體制造企業紛紛上調資本開支計劃，大力擴張產能。潔凈室工程是半導體、顯示面板、醫療醫藥等高端制造領域上游不可或缺的重要基礎設施，將迎來發展紅利階段，行業市場規模有望由2020年的1313億元增至2025年的2056億元。
眾所周知，在把硅片放入芯片制造機器之前，需要一個特別干凈的無塵室。單個晶體管比病毒還要小許多倍，一粒小小的塵埃就能造成嚴重破壞，白白燒掉數百萬美元。為了降低這種風險，芯片制造商選擇把制造機器安置在基本上沒有任何灰塵的潔凈室里。今天的推文將帶大家一起探究無塵室的奧秘。
由于微粒對成品率造成極大影響，所以集成電路制造商投入相當多的努力改善無塵室的環境并減少微粒的數目。無塵室的衣柜、衣服和穿著無塵衣的程序都有助于提高無塵室的質量，嚴格的無塵室規則對于隔離污染物及防止成品率降低很有幫助。
最初的無塵室為醫院手術房而建，可以控制空氣中引發手術后感染的細菌污染。半導體工業發展后不久，工程師便認識到控制污染物的重要性，因而在制造晶體管和集成電路時都采用了無塵室技術。由費爾查德攝影機公司的羅伯特·諾伊斯制造的第一只硅集成電路芯片顯示有許多的粒子污染物。
無塵室分類的定義標準按照公制和英制組合。一座定義為第十級的無塵室是指在每立方英尺中，直徑大于0.5um的微粒數量少于10個。第一級的無塵室則必須達到每立方英尺中，直徑大于0.5um的微粒數量少于1個。
能制造最小圖形尺寸為0．25um的集成電路芯片生產工廠需要第一級的無塵室才能獲得高成品率。相比之下，在一個干凈的房屋里，每立方英尺中直徑大于0.5um的微粒數量就超過了500000個。下圖說明了在不同等級的無塵室里每立方英尺空氣中的微粒數量。
等級最高的無塵室是M-1，只適用公制單位。根據聯邦標準209E，M-1級無塵室中，每立方公尺內直徑大于0.5um的微粒數目必須少于10個，或者每立方英尺內直徑大于0.5um的微粒數目必須少于0.28個。下表為無塵室分級的定義。
無塵室的地板通常是很高的孔狀框型地板，以便空氣能夠從天花板垂直流動到制造和設備區的底部區域，當氣流回送到無塵室時，將通過微粒空氣過濾器除去氣流所帶的大部分微粒。
為了達到比100級（FED-STD-209E標準）還要高的潔凈度，維持線性直線氣流、避免空氣擾動非常重要。空氣擾流會將墻壁、天花板、桌子和工具表面上的微粒帶入空氣中，而且使得微粒不容易靜止。
但通過線性氣流后，空氣中的微粒就能很快被氣流帶走。等級100為線性氣流和擾動氣流的分界線，也是無塵室成本中的一個重點。使用擾動氣流可以達到低于100級的潔凈度，其成本比線性氣流低。
無塵室內的氣壓一直維持在比非無塵室區域高的狀態，以避免開門時空氣流入帶進微粒。同樣的原理也用于無塵室內的不同等級區域。較高等級區域的氣壓比較低等級區域的氣壓高。
由于溫度、氣流速度和濕度變化都會對表面微粒形成擾動，所以無塵室內的所有空氣狀態都必須嚴格控制。一般來說，不同等級的無塵室以及潔凈區與非潔凈區之間的靜壓差不小于4.9Pa。同時，潔凈區與室外的靜壓差會被控制在不小于9.8Pa。
不過，想要照顧好嬌貴的芯片可絕非易事。制造過程中溫度與濕度的變化，都有可能造成工藝偏差和電路失效。比如溫度的升高就會引起半導體材料的膨脹，而濕度的變化也會造成水汽凝結、器件生銹等問題。
所以，半導體無塵室首先需要通過干冷盤管和空調機組控制室內溫度，以及新風凈化系統來控制濕度。通常半導體制造無塵室的溫濕度的控制范圍通常為溫度22度左右，濕度為45%左右。這時可有效地消除靜電，并使人也感覺舒適。
保證自身清潔度——進入無塵室的工作人員首先要保證自身的清潔度，所以勤洗澡也是對無塵室工作人員的要求之一。本身患有嚴重皮膚病、有外傷的人員原則上是禁止進入無塵室的，因為掉落的皮屑很可能會造成器件污染。
粘塵墊處理有講究——在進入更衣室更換防塵服前，工作人員必須走過粘塵墊，將鞋底的灰塵粘掉。而撕掉粘塵墊也是有講究的：要先將粘塵墊四個角慢慢地與下面的墊子分離，然后向中間靠攏，將灰塵都包裹在里面，向內折疊薄膜，直到它小到可以丟棄為止。這樣做才能盡可能保證附在粘塵墊上的灰塵不會揚起，確保達到除塵效果。
無塵服“全副武裝”——要想做到“一塵不染”，工作人員還必須“全副武裝”穿戴無塵服、面罩、鞋套等裝備。其實，在制造芯片時，為防止衣物絨毛磨損芯片，英特爾從1973年起就要求研究員們統一服裝。據悉，Intel實驗室制造線的統一著裝名為“兔子服（Bunny Suit）”，如今的樣式已經很像是太空服，極具科幻感。90年代“兔子服”增加了更高級的面罩，還因在奔騰II MMX處理器廣告中而被世人熟知。
通訊設備禁止帶入——同時，除了手機、電腦等可能擾亂電磁場的通訊設備禁止帶入無塵室外，鉛筆、非無塵室專用紙張等容易產生灰塵的文具用品也禁止帶入，盡可能杜絕塵埃顆粒的產生。
1989年啟用的圣克拉拉D2 Fab中，空氣淋浴器開始亮相，它們被設計用于清潔比手術室還要干凈數千倍的芯片制造無塵室員工。穿好無塵服后，工作人員還必須通過最后一道“關卡”——空氣淋浴，這個“空氣淋浴”會利用多角度、特定風速的潔凈風將工作人員身上殘留的微粒吹散，然后再通過高效過濾系統除去這些微粒后重新循環。
其中，空氣淋浴室前后兩道門可起到氣閘的作用，阻止未凈化的空氣進入潔凈區域。當進入空氣淋浴室進行吹風除塵時，風口要正對人所站立位置，空氣淋浴時人在其內需要旋轉360°，最大化地將全身塵粒拂去，把灰塵“一網打盡”。
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