科普 | 揭秘微小芯片如何做到“一尘不染”？

旺材芯片英铂科学仪器昨天

今年以来，因芯片短缺问题加剧，国内外主要半导体制造企业纷纷上调资本开支计划，大力扩张产能。洁净室工程是半导体、显示面板、医疗医药等高端制造领域上游不可或缺的重要基础设施，将迎来发展红利阶段，行业市场规模有望由2020年的1313亿元增至2025年的2056亿元。

众所周知，在把硅片放入芯片制造机器之前，需要一个特别干净的无尘室。单个晶体管比病毒还要小许多倍，一粒小小的尘埃就能造成严重破坏，白白烧掉数百万美元。为了降低这种风险，芯片制造商选择把制造机器安置在基本上没有任何灰尘的洁净室里。今天的推文将带大家一起探究无尘室的奥秘。

由于微粒对成品率造成极大影响，所以集成电路制造商投入相当多的努力改善无尘室的环境并减少微粒的数目。无尘室的衣柜、衣服和穿着无尘衣的程序都有助于提高无尘室的质量，严格的无尘室规则对于隔离污染物及防止成品率降低很有帮助。

SensingeWorld

无尘室到底有多干净

最初的无尘室为医院手术房而建，可以控制空气中引发手术后感染的细菌污染。半导体工业发展后不久，工程师便认识到控制污染物的重要性，因而在制造晶体管和集成电路时都采用了无尘室技术。由费尔查德摄影机公司的罗伯特·诺伊斯制造的第一只硅集成电路芯片显示有许多的粒子污染物。

无尘室分类的定义标准按照公制和英制组合。一座定义为第十级的无尘室是指在每立方英尺中，直径大于0.5um的微粒数量少于10个。第一级的无尘室则必须达到每立方英尺中，直径大于0.5um的微粒数量少于1个。

能制造最小图形尺寸为0．25um的集成电路芯片生产工厂需要第一级的无尘室才能获得高成品率。相比之下，在一个干净的房屋里，每立方英尺中直径大于0.5um的微粒数量就超过了500000个。下图说明了在不同等级的无尘室里每立方英尺空气中的微粒数量。

等级最高的无尘室是M-1，只适用公制单位。根据联邦标准209E，M-1级无尘室中，每立方公尺内直径大于0.5um的微粒数目必须少于10个，或者每立方英尺内直径大于0.5um的微粒数目必须少于0.28个。下表为无尘室分级的定义。

SensingeWorld

严格控制无尘室温度、湿度、气压......

无尘室的地板通常是很高的孔状框型地板，以便空气能够从天花板垂直流动到制造和设备区的底部区域，当气流回送到无尘室时，将通过微粒空气过滤器除去气流所带的大部分微粒。

为了达到比100级（FED-STD-209E标准）还要高的洁净度，维持线性直线气流、避免空气扰动非常重要。空气扰流会将墙壁、天花板、桌子和工具表面上的微粒带入空气中，而且使得微粒不容易静止。

但通过线性气流后，空气中的微粒就能很快被气流带走。等级100为线性气流和扰动气流的分界线，也是无尘室成本中的一个重点。使用扰动气流可以达到低于100级的洁净度，其成本比线性气流低。

无尘室内的气压一直维持在比非无尘室区域高的状态，以避免开门时空气流入带进微粒。同样的原理也用于无尘室内的不同等级区域。较高等级区域的气压比较低等级区域的气压高。

由于温度、气流速度和湿度变化都会对表面微粒形成扰动，所以无尘室内的所有空气状态都必须严格控制。一般来说，不同等级的无尘室以及洁净区与非洁净区之间的静压差不小于4.9Pa。同时，洁净区与室外的静压差会被控制在不小于9.8Pa。

不过，想要照顾好娇贵的芯片可绝非易事。制造过程中温度与湿度的变化，都有可能造成工艺偏差和电路失效。比如温度的升高就会引起半导体材料的膨胀，而湿度的变化也会造成水汽凝结、器件生锈等问题。

所以，半导体无尘室首先需要通过干冷盘管和空调机组控制室内温度，以及新风净化系统来控制湿度。通常半导体制造无尘室的温湿度的控制范围通常为温度22度左右，湿度为45%左右。这时可有效地消除静电，并使人也感觉舒适。

SensingeWorld

进入无尘室前，这些步骤不能少

保证自身清洁度——进入无尘室的工作人员首先要保证自身的清洁度，所以勤洗澡也是对无尘室工作人员的要求之一。本身患有严重皮肤病、有外伤的人员原则上是禁止进入无尘室的，因为掉落的皮屑很可能会造成器件污染。

粘尘垫处理有讲究——在进入更衣室更换防尘服前，工作人员必须走过粘尘垫，将鞋底的灰尘粘掉。而撕掉粘尘垫也是有讲究的：要先将粘尘垫四个角慢慢地与下面的垫子分离，然后向中间靠拢，将灰尘都包裹在里面，向内折叠薄膜，直到它小到可以丢弃为止。这样做才能尽可能保证附在粘尘垫上的灰尘不会扬起，确保达到除尘效果。

无尘服“全副武装”——要想做到“一尘不染”，工作人员还必须“全副武装”穿戴无尘服、面罩、鞋套等装备。其实，在制造芯片时，为防止衣物绒毛磨损芯片，英特尔从1973年起就要求研究员们统一服装。据悉，Intel实验室制造线的统一着装名为“兔子服（Bunny Suit）”，如今的样式已经很像是太空服，极具科幻感。90年代“兔子服”增加了更高级的面罩，还因在奔腾II MMX处理器广告中而被世人熟知。

通讯设备禁止带入——同时，除了手机、电脑等可能扰乱电磁场的通讯设备禁止带入无尘室外，铅笔、非无尘室专用纸张等容易产生灰尘的文具用品也禁止带入，尽可能杜绝尘埃颗粒的产生。

SensingeWorld

空气淋浴把尘粒吹得“找不到北”

1989年启用的圣克拉拉D2 Fab中，空气淋浴器开始亮相，它们被设计用于清洁比手术室还要干净数千倍的芯片制造无尘室员工。穿好无尘服后，工作人员还必须通过最后一道“关卡”——空气淋浴，这个“空气淋浴”会利用多角度、特定风速的洁净风将工作人员身上残留的微粒吹散，然后再通过高效过滤系统除去这些微粒后重新循环。

其中，空气淋浴室前后两道门可起到气闸的作用，阻止未净化的空气进入洁净区域。当进入空气淋浴室进行吹风除尘时，风口要正对人所站立位置，空气淋浴时人在其内需要旋转360°，最大化地将全身尘粒拂去，把灰尘“一网打尽”。

附视频：感受一下比手术室还干净万倍的半导体无尘室