摘要：半导体集成电路制造工艺是一个复杂且精细的过程，其中对制造环境的要求极高，特别是为了控制沾污，制造过程通常在净化间（也称为超净间）内进行。本文

半导体工程师 2025年03月17日 09:50 北京

半导体集成电路制造工艺是一个复杂且精细的过程，其中对制造环境的要求极高，特别是为了控制沾污，制造过程通常在净化间（也称为超净间）内进行。本文

对半导体集成电路制造的环境要求进行介绍，分述如下：

沾污对器件可靠性的影响

净化间的环境控制

半导体制造的环境控制

硅片传送与片架要求

沾污对器件可靠性的影响

在半导体集成电路制造过程中，沾污是一个极为严重的问题，它对器件的可靠性有着不可忽视的影响。净化间内的沾污主要来源于颗粒、金属杂质、有机物沾污、自然氧化层以及静电放电等五种形式。

颗粒沾污：颗粒沾污是半导体制造中常见的沾污类型之一。这些颗粒可能来源于空气中的尘埃、制造设备的磨损或操作过程中的不当处理。随着芯片特征尺寸的日益减小，颗粒造成的危害愈发显著。

金属杂质沾污：金属杂质沾污是另一个重要的问题。碱金属是常见的金属杂质，它们可能来源于化学溶液或半导体制造中的各个工序。金属离子可以与硅片表面的氢原子交换电荷而被束缚在硅片表面，或在硅片表面氧化时分布于氧化层内。这些金属杂质将导致氧化物·多晶硅栅结构中的结构性缺陷、PN结漏电增加及少数载流子寿命减少。

有机物沾污：在特定情况下微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性，从而影响器件的性能。有机物沾污还可能与其他沾污形式相互作用，加剧对器件的损害。

自然氧化层：即硅片暴露于空气或含溶解氧的去离子水中时，硅片表面生成的自然氧化层。除了影响其他工艺步骤产生影响外，自然氧化层中可能含有某些可动金属离子，这些离子将对器件的接触电阻和欧姆接触性能产生负面影响。

静电放电：静电放电是另一种形式的沾污。在静电荷转移过程中，可能产生足够的能量来损害芯片。此外，静电放电还可能导致电荷在硅片表面积累加剧对器件的损害。

净化间的环境控制

净化间是半导体集成电路制造过程中的关键区域，其环境控制对于确保产品质量至关重要。净化间的沾污源主要包括空气、人员、厂房、水、工艺用化学品、工艺气体以及生产设备。为了有效控制这些沾污源，净化间采取了一系列严格的环境控制措施。

空气净化与过滤

净化间使用的空气是经过严格净化过滤的。这种空气仅含有极少量的颗粒，以确保净化间的空气质量达到所需等级，并根据相关标准（如美国FED-STD-2090D）进行标定。例如，1级净化间表示每立方英尺中等于或大于0.5微米的颗粒数量最多只能有1个。半导体制造需要比其他工业生产更高的洁净等级，典型的医院手术室洁净等级仅为1000级，而现代半导体制造的超净间净化等级大都为10级或1级，其中光刻所需的净化等级最高。

人员净化与管理

人员是净化间中颗粒沾污的主要来源之一。为了减少人员活动对净化间的污染，半导体制造公司制定了一套严格的操作规程。现代净化服采用高技术膜纺织品或密织的聚酯织物制成，能够阻止99.999%的0.1微米及更大尺寸的颗粒通过。此外，人员进出净化间需要经过风淋等净化程序，且在净化间内不能随意活动，如不能使用铅笔、需要使用无尘纸和无尘布、禁止化妆品、头发不能露出净化服外、不能群聚或快速运动等。

厂房设计与分区

现代净化间的厂房设计通常分为生产区和灰区（设备维护区）。生产区的净化等级为1级，以确保产品制造过程中的高洁净度要求。而设备维护则主要在1000级的服务区内进行，以减少对生产区的污染。

净化间下方设有包括泵、管道系统、电缆等设施的区域，这些区域也经过特殊设计以确保不会对净化间造成污染。

温湿度控制

净化间需要维持恒定的温度和湿度，以确保产品制造过程中的稳定性和可靠性。例如，一个1级0.3微米净化间的典型温度控制在20℃，相对湿度控制在40%±10%。

光照控制

净化间的光源大都采用白光，但在对白光敏感的材料可能暴露的区域（如光刻区域）以及走廊等地方，需要安装黄光灯以减少光线对材料的影响。黄光源可以使用黄灯管或白灯管外加装滤光套，且优先采用黄灯管。黄光区周边的门和窗也应装有黄色滤光膜，以阻挡特定范围内的光线。

静电防护

为了抑制静电释放对净化间的影响，净化间所使用的手推车、工作台、设备等都必须导电，并且人员和物体必须接地。此外，先进的净化间还通过位于天花板内的专用离子发射器产生高电场使空气分子电离，以中和硅片表面绝缘层内的静电荷。另一种空气电离方式是采用软X射线辐射，通过软X射线使得带电硅片周围的空气产生大量的离子对，从而快速中和硅片表面的电荷。

半导体制造的环境控制

半导体制造中的水环境控制

半导体制造所使用的水是超纯去离子水，它在硅片的化学清洗、氧化、湿法腐蚀等工艺中发挥着关键作用。去离子水必须严格控制其质量，以确保不含有溶解离子、有机材料、颗粒、细菌、硅土、溶解氧等沾污。

为了获得超纯水，城市用水需要经过净化装置处理，包括去离子化、过滤等过程。去离子化采用特制的离子交换树脂去除电活性盐类的离子，提高水的电阻率。随后，通过反渗透技术去除更小的颗粒、金属离子、胶体和有机物质。脱气器用于去除水中的溶解气体，紫外灯则用于杀灭水中的细菌。

半导体制造中的液态化学品环境控制

半导体制造中所使用的液态化学品必须保持高纯度，以避免沾污。通过使用过滤器，可以确保化学品的纯度。不同的过滤器具有不同的过滤精度：

·颗粒过滤：用于过滤大约1.5微米以上的颗粒。

·微过滤：用于去除液体中0.1~1.5微米范围内的颗粒。

·超过滤：用于去除0.005~0.1微米尺寸的大分子。

·反渗透：也称为超级过滤，采用加压方式使液体通过半渗透膜，过滤掉接近0.005微米的颗粒和金属离子。

半导体制造中的气体环境控制

半导体制造使用的气体大多为超纯气体。气体过滤器通常由聚四氟乙烯或全金属（如镍）制成，能够经受腐蚀性气体，有效过滤小至0.003微米的颗粒，并且不会产生颗粒或释放有机沾污。