集成電路潔凈車間設(shè)計原則

在集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的今天，芯片制程正朝著更加高密度和小尺度的方向發(fā)展，對制造環(huán)境潔凈度的要求也越來越嚴格。在集成電路的制造中，微小顆粒物，溫濕度，靜電等環(huán)境因素對產(chǎn)品的質(zhì)量及良率有很大的影響。為確保生產(chǎn)的高效性與產(chǎn)品的一致性，潔凈車間（或稱潔凈室）的設(shè)計需要遵循一系列科學(xué)的原則。文章將重點從空間布局，潔凈度控制，氣流組織，溫濕度調(diào)控，靜電控制和節(jié)能幾個方面闡述集成電路潔凈車間設(shè)計的基本原理。

一、總體布局及車間功能的劃分

集成電路潔凈車間整體布局須充分考慮生產(chǎn)流程，設(shè)備放置，人員流動，材料進出等因素是否合理。生產(chǎn)工藝通常包括許多環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)對于環(huán)境潔凈度的要求都會不一樣。所以要根據(jù)工藝需求對不同潔凈度等級區(qū)域進行合理分區(qū)。常見的設(shè)計方式是在工藝主流程所在區(qū)域設(shè)置更嚴格的潔凈環(huán)境（如ISO 5級或Class 100級），而輔助區(qū)域和外圍功能區(qū)域（例如，設(shè)備維護，人員休息室）可降低潔凈度標準。

潔凈車間內(nèi)需要盡可能降低人員設(shè)備不必要流動及交叉污染的風險。比如潔凈區(qū)人流與物流要嚴格分開布置，人進入車間需要穿過更衣室，潔凈通道等，材料則要穿過專門的傳遞窗或者物流通道才能進入到規(guī)定的區(qū)域。整體設(shè)計要求與工藝流程相結(jié)合，在功能性與實際操作性兩方面都要考慮到要給生產(chǎn)提供一個有效的操作環(huán)境。

二、潔凈度的控制原則

潔凈度作為潔凈車間設(shè)計中的一項核心指標，對它的控制好壞直接影響著集成電路產(chǎn)品良率的高低。在ISO 14644-1的國際標準中，潔凈室的潔凈度等級主要是基于粒徑為0.1μm、0.3μm、0.5μm的顆粒物濃度來進行分類的。對于目前主流的芯片制造工藝（如7nm及以下制程），對空氣中粒徑大于0.1μm的顆粒物數(shù)量要求極為苛刻，這通常對應(yīng)ISO 5或更為嚴苛的等級。

為了達到控制潔凈度的目的，空氣凈化系統(tǒng)在潔凈車間設(shè)計中至關(guān)重要。主要舉措有:

1、高效過濾器（HEPA）與較高效過濾器（ULPA）的應(yīng)用：這類過濾器被安置在車間的風口位置，能夠高效地捕獲細小的顆粒物，確保空氣的純凈進入。

2、升級后的多級過濾系統(tǒng)：新風口至末端送風口一般設(shè)粗效，中效，亞高效及高效過濾器以增加過濾效率。

3、正壓設(shè)計：通過保持潔凈室比外界氣壓環(huán)境高，避免外界污染空氣流入車間內(nèi)。還需格外關(guān)注潔凈室內(nèi)設(shè)備及材料的選擇。設(shè)備表面一定要平整無顆粒釋放車間裝修材料需要使用抗靜電和防腐蝕等材料，同時要減少顆粒物的停留。

三、氣流組織及排風設(shè)計

氣流組織在潔凈車間設(shè)計中至關(guān)重要，需要保證空氣能均勻地分布，迅速地帶走顆粒物并避免對潔凈區(qū)域造成污染。潔凈車間按氣流形式可以分為層流式，亂流式及混合流式3種，在集成電路的制造過程中一般都是單向?qū)恿鳌?/p>

單向?qū)恿鳎嚎諝庥伤惋L口經(jīng)潔凈室上方勻速下行，然后由地板排氣口噴出。該設(shè)計保證了生成氣流方向單一，避免顆粒物停留在空中，適合潔凈度有較高要求的運行環(huán)境。

氣流速度的控制：一般建議潔凈車間內(nèi)的垂直氣流速度應(yīng)維持在0.25m/s到0.5m/s的范圍內(nèi)，以實現(xiàn)潔凈度與能量消耗之間的均衡。全面優(yōu)化排風設(shè)計也是不容忽視的。根據(jù)實際需求，我們對廢氣進行了分類和凈化處理，以確保像酸堿化學(xué)物質(zhì)和揮發(fā)性有機物（VOC）這樣的廢氣不會給人和環(huán)境帶來傷害。

四、溫濕度調(diào)控

方面提出了設(shè)計要求集成電路在生產(chǎn)過程中溫度、濕度等細微變化也會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。合理地控制溫濕度，利于保持工藝穩(wěn)定性與抑制靜電。

溫度控制：主生產(chǎn)區(qū)域一般要求氣溫保持在20-24°C之間，波動幅度不得大于±1°C。

濕度控制：通常，濕度應(yīng)維持在40%-60%的范圍內(nèi)。濕度過低易造成靜電的累積，濕度過大會誘發(fā)設(shè)備的腐蝕及化學(xué)反應(yīng)的危險。

恒溫恒濕系統(tǒng)：利用空調(diào)系統(tǒng)與精準傳感技術(shù)相結(jié)合，采用自動控制來處理外界各種因素的波動。

五、靜電的保護和控制

靜電是集成電路制造的隱性殺手，小尺寸制程技術(shù)下單次放電會給晶圓和芯片帶來難以修復(fù)的傷害。潔凈車間的設(shè)計必須綜合考慮靜電防護的問題:

1、采用防靜電地板；

2、裝設(shè)有效接地系統(tǒng)；

3、設(shè)離子風機，中和氣靜電積累；

4、選用抗靜電材質(zhì)的裝置及工具。

5、入廠人員要嚴格管理防靜電，主要是穿防靜電服，鞋和腕帶。

六、節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計

在滿足工藝和潔凈要求的前提下，實現(xiàn)節(jié)能也成為現(xiàn)代潔凈車間設(shè)計的重要目標?？照{(diào)系統(tǒng)運行中，照明和設(shè)備運行為主要耗能源，在設(shè)計中可以采取如下措施:

1、采用高效節(jié)能空調(diào)及通風設(shè)備；

2、對分區(qū)控制系統(tǒng)進行了合理布置，只需打開生產(chǎn)過程中關(guān)鍵區(qū)域操作即可；

3、強化余熱利用，采用熱回收技術(shù)減少能耗。

在設(shè)計上促進綠色環(huán)保理念如選擇低污染釋放裝修材料和提高水資源及能量利用效率等可以幫助達到較長期可持續(xù)發(fā)展目標。

集成電路潔凈車間設(shè)計既涉及產(chǎn)品生產(chǎn)基本條件，又在增強企業(yè)競爭力、實現(xiàn)高質(zhì)量制造中發(fā)揮了重要作用。通過科學(xué)總體布局，嚴格潔凈度控制，優(yōu)化氣流組織，準確溫濕度調(diào)控和有效靜電防護等措施，能夠保證車間滿足集成電路制造各種高標準需求。與節(jié)能設(shè)計相結(jié)合，給車間運行注入綠色動力也將是潔凈車間發(fā)展的新動向。未來技術(shù)發(fā)展，伴隨著芯片制程不斷取得突破性進展，潔凈車間設(shè)計勢必面臨更大挑戰(zhàn)，是促進行業(yè)創(chuàng)新和前進的重要一環(huán)。

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