1.3 半导体生产污染控制

由于半导体工业所制作的集成电路元件尺寸越来越小，在一块小小的晶片上集成了许许多多的小元器件，因此，在制作过程中就必须防止外界杂质污染源的污染，因为这些污染源可以造成元器件性能的劣化以及电路产品不良率的上升和可靠性的下降。污染问题是芯片生产工业必须慎重对待并且要花大力气解决的首要问题。污染不仅来源于大规模集成电路的生产过程，还包括提供的超净间专用化学品和材料，甚至建造超净间的建筑材料和建造手段也会引入污染。

1.3.1 污染物的种类

一般的污染源包括颗粒污染物、金属离子和化学物质等。

1.颗粒污染物

颗粒包括空气中所含的颗粒、人员产生的颗粒、设备和工艺操作过程中使用的化学品产生的颗粒等。在任何晶片上，都存在大量的颗粒。有些位于器件不太敏感的区域，不会造成器件缺陷，而有些则属于致命性的。根据经验得出的法则是：颗粒的大小要小于器件上最小的特征图形尺寸的1/10，否则，就会形成缺陷。

2.金属离子

在半导体材料中，以离子形态存在的金属离子污染物，称为可移动离子污染物（MIC）。这些金属离子在半导体材料中具有很强的可移动性，即使在器件通过了电性能测试并且从生产厂运送出去，金属离子仍可在器件中移动从而造成器件失效。遗憾的是，绝大部分化学物质中都有能够引起器件失效的金属离子。最常见的可移动离子污染物是钠。钠离子同时也是在硅中移动性最强的物质，因此，对钠的控制成为硅片生产的首要目标。MIC的问题对MOS器件的影响更为严重。有必要采取措施研制开发MOS级或低钠级的化学品。这也是半导体业的化学品生产商努力的方向。

3.化学物质

化学物质指半导体工艺中不需要的物质。这些物质的存在将导致晶片表面受到不需要的刻蚀，在器件上生成无法除去的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。最常见的化学物质是氯。在工艺过程用到的化学品中，氯的含量受到严格的控制。

1.3.2 污染物引起的问题

1.器件工艺良品率降低

污染改变了器件的尺寸，使表面洁净度和平整度下降。在污染环境中制成的器件会导致成品率下降，成本上升，器件工艺良品率下降。

2.器件性能降低

在制造工艺过程中漏检或未能检测出的小污染可能会产生不需要的化学物质和可移动的离子污染物，从而改变器件的性能。

3.器件可靠性下降

污染物会停留在器件内部，引起失效，使器件可靠性降低，有可能在将来带来无法预料的损失。

1.3.3 超净间的建设

超净间（Clean Room）也叫洁净室，是指将一定空间范围内空气中的微粒、有害空气、细菌等污染物排除，并将室内的温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音、照明及静电控制在某一需求范围内而特别设计的房间。不论外在空气条件如何变化，其室内都能维持原先所设定要求的洁净度、温湿度及压力等。超净间最主要的作用在于控制半导体芯片所接触的大气的洁净度及温湿度，使产品能在一个良好的环境空间中生产和制造。

1.建筑材料

超净间所用的建筑材料都应是不易脱落的材料，所有的管道口都要密封，可以采用不锈钢材料制造工作台。

2.超净间控制外界污染的要素

（1）黏性地板垫。在每个超净间入口都应放置一块黏性地板垫，这样可以把鞋底的脏物黏住，防止带入超净间。一般地板垫有很多层，脏了一层便撕掉一层。

（2）更衣区。超净间的更衣区是超净间与厂区的过渡区域，更衣区通过天花板中的高效空气过滤器（High efficiency Particulate air Filter，HEPA）提供空气，工作人员必须在此换上洁净服。此区域利用长凳分为两个部分，工作人员在长凳一侧穿上洁净服，而在长凳上穿戴鞋套，这样可以使长凳和超净间保持干净。超净间和厂区的门不能同时打开，保护超净间不会暴露在厂区的污染环境中。有些厂还在走廊上提供更衣柜，超净间衣物和物品也要妥善管理。更衣区通常分为两个更衣区，即一次更衣区和二次更衣区。

（3）风淋室。超净间与更衣间要建造风淋室，高速流动的气流可以吹掉洁净服外面的灰尘颗粒。风淋室必须装有互锁系统，防止前后门同时打开。

（4）维修区。超净间周围是维修区，一般要求它的洁净级别低于超净间（通常要求1000级或10000级）。技术员在超净间外维护设备，而不必进入超净间。

（5）空气压力控制系统。严格防止空气污染的厂房在设计方案上要求平衡超净间、更衣间和厂区的空气压力。通常超净间的空气压力最高，更衣间次之，厂区和走廊最低。这样当超净间的门打开时，超净间相对高的空气压力可以防止空气中的灰尘进入。

（6）净鞋器和手套清洗器。用净鞋器去除鞋套和鞋侧的灰尘。用手套清洗器清洗手套并烘干。

（7）防静电设施。静电会吸附空气和工作服中的尘埃，容易影响晶圆上高密度的集成电路的制造和性能。静电控制包括防止静电堆积和防止放电两个方面，防止静电堆积使用防静电服、防静电周转箱和防静电存储盒。放电技术包括使用电离器和使用静电接地带，电离器一般放在HEPA过滤器的下面，中和过滤器上堆积的静电；静电放电包括人员的接地腕带和工作台接地垫等。

3.工作人员防护措施

超净间工作人员是最大的污染源之一。人的呼吸也包含大量的污染，每次呼气向空气中排出大量的水汽和微粒。人坐着时，每分钟仍会释放10万到100万个颗粒，此外还有脱落的头发和坏死的皮肤等。普通的衣服也会给超净间增加上百万个颗粒。

防止人产生的污染的解决办法就是把人完全包裹起来。洁净服选用无脱落而且编织紧密的材料，且含有导电纤维以释放静电，在满足过滤能力的情况下考虑穿着的舒适度。洁净服要制成高领长袖口，身体的每一个部分都要被罩住，头用内帽罩住头发，外面再套一层外罩，外罩带披肩，用工作服压住披肩，以压住头罩；面部用面罩罩住；眼睛用带侧翼的安全眼镜罩住。衣服以宇航服的头套为模型，可接过滤带、吹风机和真空系统。新鲜空气由真空泵提供，过滤器保证呼出的气体的污染物不被吹进超净间。皮肤涂上特制的润肤品，可进一步防止皮肤脱落物，润肤品中不含盐分和氯化物。穿衣的顺序应该从头向下穿，使上一部位扬起的灰尘用下一部位的服饰盖住，最后戴上手套。

健康的人是许多污染的污染源，病人就更加严重了，特别是皮肤病患者和呼吸道传染病患者还会产生额外的污染源，因此相关岗位要制定相应的人员体检标准。

4.空气控制系统

普通的空气中含有大量微粒或浮尘等污染物，只有经过处理后才能进入超净间。超净间的洁净度是由空气中微粒的大小和微粒的含量来决定的。通过天花板的HEPA过滤器实现空气过滤，并从地板上回收空气，保持持续的洁净空气流。

5.温湿度控制系统

半导体超净间的温湿度控制是个重点，其控制的效果直接影响着生产的优良率。温度控制对操作员的舒适性和工艺控制都是很重要的，特别是在利用化学溶剂作刻蚀和清洗的工艺时，化学反应会随温度的变化而不同。相对湿度也是一个非常重要的工艺参数，尤其在光刻工艺中，如果湿度过大，晶圆表面太潮湿，会影响聚合物的结合，如果湿度过低，晶圆表面会产生静电，这些静电会在空气中吸附微粒。

1.3.4 超净间标准

按照国际惯例，无尘净化级别主要根据每立方米空气中粒子直径大于划分标准的粒子数量来规定。也就是说，所谓无尘并非100%没有一点灰尘，而是控制在一个非常微量的单位上。当然，这个标准中符合灰尘标准的颗粒相对于常见的灰尘已经是小得微乎其微，但是对于半导体器件而言，哪怕是一点点的灰尘都会产生非常大的负面影响，所以在半导体产品的生产上，无尘是必然的要求。

根据单位体积尘埃数的不同，超净间分为不同的等级，如表1.2 所示。以直径为0.5 微米的尘埃作为比较标准，在一立方英寸空间中大于0.5 微米的尘埃粒子数少于10 粒，就称为10 级洁净空间；大于0.5 微米的粒子数少于1000个，就称为1000级洁净空间。目前许多半导体生产线都要求洁净度为1级。

1.3.5 超净间的维护

超净间的定期维护是非常必要的。清洁人员必须要穿着与生产人员一样的洁净服，超净间的清洁器具，包括拖把，也要仔细选择，一般家庭使用的清洁器具太脏，无法在超净间使用。使用真空吸尘器也要特别注意，真空吸尘器中的排风系统中，装有HEPA过滤器，现在已经可以在超净间中使用了。许多超净间采用内置式真空系统来减少清洁时产生的脏东西。

擦净工艺工作台需要使用特殊的低污染的抹布与海绵。擦拭的程序也是非常关键的，墙面的擦拭要从上到下，桌面要从后向前。用喷壶喷洒的清洁剂，应喷到洁净布表面，而不是被清洁物表面，这样可以减少在晶圆与设备上的不必要的过量喷洒。

超净间的清洁本身已经成为支持半导体工艺的辅助技术。半导体芯片制造厂可以聘请外部认证公司来确定洁净等级、工作过程、程序文件与控制程序，并加以文件化。