半導(dǎo)體晶圓廠房的微震控制技術(shù)

王晉元

摘要：半導(dǎo)體廠房中的主體核心——潔凈廠房對微震環(huán)境控制要求最高，相關(guān)廠房的工藝生產(chǎn)需要在溫度、濕度恒定及空氣潔凈度極高的環(huán)境下進(jìn)行。一旦出現(xiàn)微震動(dòng)，就很可能導(dǎo)致產(chǎn)線出現(xiàn)偏差，其產(chǎn)品良率也會(huì)因此受影響。為此，文章針對半導(dǎo)體晶圓廠房中對于潔凈廠房的特殊要求進(jìn)行闡述，并結(jié)合某半導(dǎo)體項(xiàng)目從其廠房的高標(biāo)準(zhǔn)要求及微震控制技術(shù)方面著手，分析如何在高標(biāo)準(zhǔn)下保證抗微震的措施到位，保證半導(dǎo)體晶圓廠房的各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)、生產(chǎn)環(huán)境能滿足工廠嚴(yán)格的生產(chǎn)需要，綜合論述微震測試設(shè)備、分析軟件在半導(dǎo)體潔凈廠房中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收集和整理計(jì)算的應(yīng)用分析以及廠房管道上減震具體措施的應(yīng)用，以具體數(shù)據(jù)及實(shí)施方法對微震控制在半導(dǎo)體廠房中的重要性進(jìn)行研討。

關(guān)鍵詞：晶圓半導(dǎo)體;潔凈廠房;微震控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU352.1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新以及發(fā)展，電子行業(yè)在精密儀器制造過程中會(huì)更多地利用晶圓半導(dǎo)體。在晶圓半導(dǎo)體主要用于制造半導(dǎo)體芯片，而半導(dǎo)體集成電路中重要的原料之一就是硅。因此，這里所講的晶圓主要是硅晶圓。在晶圓制造的過程中對環(huán)境的要求非常嚴(yán)格。為了保證晶圓半導(dǎo)體的良率，需要在潔凈廠房中進(jìn)行生產(chǎn)的同時(shí)，有效把控關(guān)鍵工藝機(jī)臺(tái)（如黃光光刻區(qū)等）的微震設(shè)計(jì)，還需要積極應(yīng)用微震控制技術(shù)，從各個(gè)方面做好微震控制，確保晶圓半導(dǎo)體的生產(chǎn)質(zhì)量和良率。

1? 制造晶圓半導(dǎo)體時(shí)對潔凈廠房的要求

晶圓半導(dǎo)體是一種非常精密的材料，通常以納米（1 mm= 1 000 μm，1 μm=1 000 nm）為單位計(jì)量空間。在生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)震動(dòng)，即使震動(dòng)非常微小，也很有可能造成機(jī)臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)偏差，從而給晶圓半導(dǎo)體生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響，微震動(dòng)也可能會(huì)造成光刻機(jī)曝光出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而影響該芯片的布局，造成短路或斷路。因此，晶圓半導(dǎo)體的生產(chǎn)必須在可抗微震的潔凈廠房內(nèi)進(jìn)行。

晶圓半導(dǎo)體制造生產(chǎn)的潔凈廠房需要保證粉塵得到有效控制及過濾，一般以潔凈等級及粉塵粒徑作為標(biāo)準(zhǔn)（如動(dòng)態(tài)百級潔凈度和0.1 μm的顆粒直徑），廠房內(nèi)需要保持一定的正壓，借助新風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及高效過濾器將凈化過的空氣送入潔凈廠房內(nèi)，確保經(jīng)過凈化的空氣流動(dòng)時(shí)的方向?yàn)樽陨隙卵h(huán)（即所謂的垂直層流），以保證車間的潔凈要求[1]，通過空調(diào)系統(tǒng)確保潔凈廠房的溫度和濕度恒定，如溫度一般控制在23±2 ℃，濕度控制在45%±10%等。對于在潔凈廠房中所使用的特氣（三氟化氮等）、化學(xué)品（酸堿有機(jī)等）、大眾氣體（氮?dú)?、氫氣等）、純水等?dòng)力及工藝配套原材料，純度甚至需要達(dá)到99.999 9%及更高，這些都是為了保證晶圓的生產(chǎn)（如刻蝕、清洗等）。另外，特別重要的一點(diǎn)是，在微震控制方面需要滿足晶圓生產(chǎn)的要求。因?yàn)檫@是廠房從建設(shè)初期就要考慮并且在后期很難通過其他技術(shù)手段改變的。因此，晶圓半導(dǎo)體潔凈廠房施工應(yīng)積極運(yùn)用微震控制技術(shù)，針對潔凈廠房的各個(gè)方面做好隔震和防震的措施。

2? 微震控制技術(shù)在晶圓半導(dǎo)體潔凈廠房中的應(yīng)用分析

本文以某一半導(dǎo)體生產(chǎn)公司的一個(gè)項(xiàng)目為例，進(jìn)行潔凈廠房微震控制技術(shù)的應(yīng)用分析。該項(xiàng)目生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力較強(qiáng)，每月生產(chǎn)12萬片300 mm產(chǎn)品，半導(dǎo)體制程的線寬控制技術(shù)也達(dá)到了較領(lǐng)先的28/14 nm工藝制程（國際主流）要求。因此，其潔凈廠房的微震控制要求是屬于較高的，需要達(dá)到VC-C區(qū)線（局部甚至達(dá)到VC-D）。文章主要從潔凈廠房的結(jié)構(gòu)、管道抗微震方面探究如何應(yīng)用微震控制技術(shù)。

2.1? 微震控制技術(shù)在潔凈廠房結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用分析

由于這個(gè)項(xiàng)目對于廠房結(jié)構(gòu)以及微震控制的要求比較高，在這里就整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何進(jìn)行微震控制做如下步驟描述。

首先，根據(jù)業(yè)主的工藝機(jī)臺(tái)需求，得到廠房中需要布置的生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的抗微震要求（行業(yè)內(nèi)稱為微震控制曲線，一般由工藝生產(chǎn)設(shè)備廠家提供）。之后在現(xiàn)場進(jìn)行微震測試，測試所需的設(shè)備及系統(tǒng)大致為：①該次量測使用低頻高解析度加速度傳感器（Lance LC0132T，加速度傳感器振動(dòng)頻率響應(yīng)為0.1～1 kHz，符合一般高科技廠精密設(shè)備振動(dòng)最大帶寬為1～250 Hz的需求，精度為1 μm/s2，遠(yuǎn)高于一般高科技廠房振動(dòng)規(guī)范0.01 gal的需求）;②該次測試使用微震分析公司自行研發(fā)的便攜式微振動(dòng)量測系統(tǒng)（其特性為攜帶方便、安裝快速且容易、可實(shí)時(shí)監(jiān)測振動(dòng)發(fā)出的數(shù)據(jù)資料和連接各種數(shù)據(jù)帶寬的加速度、速度、FFT、1/3頻程譜，并可在線計(jì)算分析各種常見頻譜，實(shí)時(shí)給出微振動(dòng)問題分析的結(jié)果[2]）和微震分析公司自主研發(fā)的基于大數(shù)據(jù)分析的動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)——BDSA系統(tǒng)（其安裝便捷、可擴(kuò)展性能強(qiáng)，將采集數(shù)據(jù)放入分析系統(tǒng)）。然后根據(jù)分析，得出數(shù)據(jù)，并給出對應(yīng)的廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算和建模依據(jù)，如圖1所示。

（1）場地自振特性。根據(jù)圖1的加速度數(shù)據(jù)，可以得到場地自振頻譜曲線，本場地的一階自振頻率在0.49 Hz左右，由于地表做過硬化處理，二階自振頻率上升到4.64 Hz。

（2）24小時(shí)測試如表1所示。

在周圍環(huán)境振動(dòng)條件下，通過場地微振動(dòng)測試可以得出以下結(jié)論：①場地一階自振動(dòng)頻率為0.49 Hz;②在環(huán)境振動(dòng)條件下，場地微振動(dòng)水平低于VC-C;③當(dāng)卡車從附近經(jīng)過時(shí)，場地微振動(dòng)低于VC-A+。

根據(jù)上述測試結(jié)果給出如下建議：（1）廠址測點(diǎn)的背景振動(dòng)最大平均值約為VC-D，符合廠房的微振動(dòng)需求VC-C?；诂F(xiàn)有地質(zhì)條件，建議可以適當(dāng)放寬基礎(chǔ)板厚度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。（2）由車輛振動(dòng)試驗(yàn)顯示，車輛距離實(shí)驗(yàn)室30 m范圍以內(nèi)，卡車振動(dòng)影響較顯著（低于VC-A+）。因此，建議在區(qū)內(nèi)道路行駛的卡車車速限制在20 km/h以下，距離FAB廠房30 m以上。

根據(jù)以上流程，結(jié)構(gòu)工程師會(huì)在廠房設(shè)計(jì)初期根據(jù)流程得出數(shù)據(jù)，在我國自主研發(fā)的PKPM結(jié)構(gòu)軟件上驗(yàn)證核實(shí)測試數(shù)據(jù)，在后期的設(shè)計(jì)、施工中對設(shè)計(jì)的廠房微震進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并做相應(yīng)調(diào)整。

2.2? 微震控制技術(shù)在潔凈廠房管道上的應(yīng)用分析

潔凈廠房中有不少管線、支吊架以及其他的一些系統(tǒng)，如果這些系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，會(huì)對核心區(qū)域的半導(dǎo)體生產(chǎn)造成影響。為了做好晶圓半導(dǎo)體的微震控制，潔凈廠房的管道設(shè)計(jì)需要積極應(yīng)用微震控制技術(shù)，做好隔震措施。

生產(chǎn)晶圓半導(dǎo)體的潔凈廠房內(nèi)需要安裝管道和風(fēng)道，管道在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生震動(dòng)在所難免，而晶圓半導(dǎo)體在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行微震控制[3]。一些公用的管架系統(tǒng)如果不能得到良好的控制，就很容易產(chǎn)生震動(dòng)，這些震動(dòng)會(huì)順沿傳遞到井格梁上，進(jìn)而對晶圓半導(dǎo)體潔凈廠房內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)造成不好的影響。為了做好微震控制，可以依據(jù)以下情況，采用相應(yīng)的措施來解決，對于D≥150 mm的管道系統(tǒng)、周長C≥4 800 mm的風(fēng)管系統(tǒng)、D≥300 mm的氣體管道系統(tǒng)都需要進(jìn)行管道的單獨(dú)減震處理。

另外，可以選擇減震器（圖2）進(jìn)行管道的微震控制。在選擇減震器時(shí)，需要根據(jù)管道的情況，算出單根支架的荷載，再選擇減震器的形式和支架上的器具數(shù)量。減震器的安裝也非常重要，需要保證安裝的減震器載荷發(fā)布的方向是垂直的。由于減震器產(chǎn)生的震動(dòng)通常是不規(guī)則，為了避免震動(dòng)造成管道的運(yùn)行出現(xiàn)問題，需要對管道支架做限位處理[4]。

3? 結(jié)語

在晶圓半導(dǎo)體潔凈廠房中應(yīng)用微震控制技術(shù)是十分有必要的。文章主要對晶圓半導(dǎo)體廠房需要滿足的條件進(jìn)行分析，同時(shí)，通過對半導(dǎo)體廠房的結(jié)構(gòu)抗微震檢測、抗微震設(shè)計(jì)及管道抗微震措施進(jìn)行探究，論證微震控制技術(shù)對晶圓半導(dǎo)體潔凈廠房的重要性。因此，企業(yè)在進(jìn)行晶圓半導(dǎo)體潔凈廠房設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重文章所論述的微震控制各環(huán)節(jié)，按照合理的順序及方案來進(jìn)行廠房的抗微震設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：侯辛鋒）

參考文獻(xiàn)：

[1]胡堯，母恩喜.新形勢下電子潔凈廠房建筑設(shè)計(jì)的探討分析[J].重慶建筑，2016（2）：15-17.

[2]焦斌.潔凈廠房工程質(zhì)量管理與控制研究——以A藥廠技改工程為例[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2016.

[3]張從麗.高大空間潔凈廠房空調(diào)設(shè)計(jì)與節(jié)能性分析[D].北京：北京建筑大學(xué)，2014.

[4]高鍵，吳基昌，殷成革.微震技術(shù)監(jiān)測巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的工程實(shí)踐[J].人民長江，2011（14）：72-76，94.