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链接: 芯片制造详解03： 洁净室的秘密｜为何芯片厂缺人？

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洁净室

芯片作为人类文明目前最精密的工业产品，其生产过程对于杂志污染极其敏感，尤其是纳米级的先进制程，混入衬底的几颗离子就能影响掺杂，改变芯片的电学特性；空中起舞的几个分子便可干扰覆膜，降低芯片的生产良率；落在表面的几粒尘埃足以短路开路，破环芯片的物理结构；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。

1.洁净等级

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气体的分子密度要被控制在极低的范围，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——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行业都有广泛应用——芯片的生产净室的洁净等级、建造难度和施工成本都是最高的。

国际通用标准 IOS 14644-1

最多颗粒数/立方米
颗粒直径	≥0.1μm	≥0.2μm	≥0.3μm	≥0.5μm	≥1μm	≥5μm
ISO 1	10	2
ISO 2	100	24	10	4
ISO 3	1000	237	102	35	8
ISO 4	10000	2370	1020	352	83
ISO 5	100000	23700	10200	3520	832	29
ISO 6	1000000	237000	102000	35200	8320	293
ISO 7				352000	83200	2930
ISO 8				3520000	832000	29300
ISO 9				35200000	8320000	293000

其中ISO4-8级对应国内俗称的10级到10万级，如果你所在城市空气质量为优，那么勉强达到了ISO9级的及格线，医院手术室一般在5到7级——芯片的生产普遍不能低于ISO 3级，关键制程往往要在ISO 2甚至1级的环境中进行。在ISO 2级中，PM0.5的颗粒物——比如一粒细菌——每立方米不能超过4个，PM0.1的颗粒物——比如病毒——每立方米不能超过100个，到了ISO 1级，细菌完全不允许进入，0.1μm的细小颗粒，每立方米最多10粒，相当于往洞庭湖撒10粒盐。

2.气流循环

净室如何保持干净？

我们需要一个极其强大的暖通空调系统，即保暖（Heating）、通风（Ventilation）、空气调节（Air Conditioning），简称HVAC。

1.过滤器

在半导体洁净室中对杂质颗粒物的稀释或清除，是采用大量风机过滤单元通过不间断的过滤与气流循环的方式来实现的，风机过滤单元是一个净室的灵魂，本质上是空调加过滤器组成的空气净化器，半导体净室需要的过滤器分为两种，ISO 5以下的低级别净室用高效过滤器对其PM0.3颗粒物的过滤效率高达99.97%；而ISO 4以上的高级别净室必须要用超高效过滤器，他们对0.1微米颗粒物的过滤效率超过99.999%。

2. 吹风机

除了过滤器，还得加上吹风机，让净室里的空气流动起来，按照气流循环模式，又可以把洁净室分为单向流和非单向流。

非单向流又称紊流洁净室，顶层布置有少量风机过滤单元，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颗粒物浓度，但这种主要依靠扩散稀释的方式效率较低，仅适用于ISO 5级以下的净室，比如在芯片的组装、测试和封装区域。

要达到ISO1~4级，必须使用单向流，又称层流洁净室，头顶用大量风机过滤单元覆盖大部分甚至所有天花板，头顶都是通风口，地上都是坑，这些通风口让向下吹的风能垂直进入楼下的回风层，再经由侧面空间回到顶层，这种单项气流循环相当于将整个净室一直放在水龙头下冲洗，只是用的不是水流，而是平行均匀的气流，产生一丁点杂质会立马被气流吹走过滤清楚

一般芯片厂至少有四层楼，制程设备和人员在中间楼层，头上是安装风机过滤机组的加压层，楼下则是有各种管道的回风层，最底层则是各种电力设施和气体存放设备。

3.加压

除了空气循环系统，芯片净室还需要维持恒定的压强差来防范杂质的泄露扩散和交叉污染。

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，比如制程区是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，为了抑制颗粒物在不同浓度净室间迁移扩散趋势，芯片厂需要给洁净室加压，让其与相邻区域维持一个10Pa左右的压强差，另外一旦净室的密封室出现问题，空气也会只出不进以防止外面的杂质进来。

除了保持恒定的压强差，在芯片厂中相邻但洁净程度不同的区域还会使用两扇门隔绝，中间是气锁室，让人员和物料在开门往来时进一步缓冲和抑制杂质的迁移。

3.芯片污染

1.悬浮颗粒物

污染物主要是微粒和浮尘这些常见的悬浮颗粒物，假如有一粒混入关键生产工序而且直径大于特征尺寸的50%，会直接导致芯片作废，如果大于20%，也是一枚定时炸弹，影响芯片日后使用的可靠性，对于芯片生产而言，污染物种类还有很多，最难缠的是空气中的分子级污染物，包括挥发性的酸碱类物质和可凝结性物质等等，分子级污染物直径远远小于悬浮颗粒物，过滤器都很难拦住，假如芯片厂选址空气低质量城市，那即便设备厂房一模一样，芯片生产良率也会因为环境不同而受影响。

在光刻中因为要通过光掩膜把图形投射到晶圆上，所以光掩模必须透光清晰，如果空气中氨气和二氧化硫分子浓度稍微高一些，就容易在光掩膜或晶圆表面凝结出大小不一的薄雾，业内称为雾状缺陷，光掩膜一旦被污染，再牛的光刻机也刻不出好芯片。如果不想额外分担昂贵的化学过滤器，厂房最好建在空气质量高的地方。

2.金属离子

除了空气，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，所以芯片制造过程中用到的一切气体和溶剂也必须是高纯度。

比如清洗晶圆的水是纯净的去离子水，业内叫18兆欧水，指的是它的电阻率高达18兆欧姆，基本是个绝缘体。

3.人类自己

在芯片眼里一切都可能是污染源，包括水、空气、建材、涂料、设备、化学溶剂、上道工序的微量残余物等等。其中最主要的污染源还是人类本身。

正常人平均每天掉落60根头发，每小时产生50毫克皮屑，每10分钟有20万个死皮细胞脱离本体，成为了细菌和尘螨的食物，此外我们分泌的汗液油脂、唾沫星子都让净室里的工作员成为了移动的污染源。

一粒汗珠只有4*10^-7mol的钠离子，但足够让1000张晶圆报废，一张晶圆能割出50张显卡。

所以，所有进入生产区域的人都必须从头到脚全副武装，头套、口罩、无尘服、静电鞋，除了少数面部区域，所有身体部位都包的严严实实，穿戴整齐后要在一个风淋间冲一个空气浴，才能进入。

但是有人的地方肯定或多或少会有污染，所以目前芯片厂的主流设计思路，都在想方设法减少人的数量和影响，比如提高自动化比例，使用微环境等等。

• 微环境就是在一个大净室里再用一个更迷你的迷你净室，把关键步骤的制程设备套在里面，让操作员只同通过预留的手套来操控。这种可以在满足工艺要求的基础上降低污染，同时节约建筑成本，在关键区域使用迷你的ISO 2微环境，外部只需要建一个便宜的ISO 5净室。

在自动化程度高的芯片厂，晶圆在不同工艺制成间的转移采用的是高架轨道运输，取代了用小推车运送晶圆的工作人员，用前开式晶圆运输盒运输晶圆，和微环境一样充满氮气，洁净级别也相同，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。

3.行业现状

国内市场还是集中在较低端的洁净室，能建造ISO 4级以上的高端洁净室的企业很少，这正是半导体关键制程所需要的硬件设施。

作为芯片净室中核心设备的风机过滤机组，基本来自德国、美国、日本厂商；而核心设备中的核心——超高效过滤器，其中的0.1微米超细玻璃纤维滤纸。过滤器每隔数年必须更换，这即是器材，更是耗材。目前超高效过滤器主要产自American Air Filter，以及日本无机等美日供应商，暂时没有国产替代。

除了设备，我们的净室工程技术，因为起步较晚，在技术经验和客户认可度上与其他国家还存在差距。