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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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集成电路的超净化生产

2017-12-14 14:13:00

  集成电路是当今世界最精细的工业产品之一。制造集成电路需要极其精密的设备和加工,比如制造超大规模集成电路,就要在一块比手指头还小的硅片上,制作几十万个晶体管等元件,以及比头发丝还细几十倍的电子线路。这已是尽人皆知的常识。集成电路生产除了要求精密外,还要求干净——不是一般的干净,而是超乎寻常的干净,是“超净化”。在集成电路发展史上,对超净化重要性的认识,是用无数严重的挫折、教训、浪费为代价换来的。

  为了保证集成电路的超净化生产,需要仔细检点集成电路芯片在繁杂、冗长的生产流程中,也就是在尚未封入密闭管壳的“赤身裸体”状态下,是否直接接触了什么东西,一旦杂质、尘埃沾污了芯片,就将前功尽弃。

  考察集成电路的生产过程,与集成电路芯片(实际上就是尚未分割为芯片的大圆硅片)直接接触的东西遍及物质三态——气态、液态和固态。其中气态接触物包括空气和加工用的超纯气体,液态接触物包括水和加工用的化学药剂,固态接触物则包括加工装置、硅片、夹具和载具等。因此,集成电路的超净化生产就涉及气体净化、液体净化和固体净化。

  气体的净化

  集成电路芯片在生产过程中接触的气体有空气和加工用的气体,如氧气、氮气等,加工所用气体的纯度主要靠供气工厂保证。对集成电路工厂来说,主要问题在于保持生产环境中的空气清洁。

  如果在一间较暗的屋子里,从窗外射进一缕阳光,你便会看见空气中飞舞着大大小小的无数尘埃。显然,集成电路这样精细的产品,绝不能在这种空气环境里制造。

  虽然你很讲卫生,或许还穿着刚换洗过的衣服,但对于“超净车间”来说,你仍然是个“脏人”。因为你生活在普通的空气里,身上披满了尘埃,只要做起立、坐下这样简单的动作,或者只是动一下胳膊,就会扬起几万甚至几百万粒尘粒。

  而在“超净车间”里,每升空气里粒径大于0.5微米的灰尘数目不会超过3.5个。当然,这只是一般的标准。实际上,集成电路生产所要求滤除的尘埃直径大约为集成电路最小线宽的1/10。目前较流行的16K存储器的线宽约为4~5微米,需除去O.4~0.5微米的尘埃;目前已投入生产的64K存储器的线宽约为2~3微米,需除去0.2~0.3微米的尘埃;即将投入生产的256 K存储器的线宽约为1~2微米,需除去0.1~O.2微米的尘埃。随着集成电路集成度的提高,对超净车间的要求也会越来越高。

  站在超净车间门前时,尽管你会觉得超净车间内外的空气似乎一样“透明”,但实际上你正站在清洁度相差十分悬殊的两个空气区域的交界处。为此,你在进入车间之前必须换上特制的工作服。它质地柔滑,不易沾土,可以把你从头到脚包裹得严严实实。走进作为车间入口的宽度只有1米左右的小房间,当身后的自动门关闭后,立刻就会有猛烈的气流冲击你的全身,这阵持续20秒左右的“狂风”,其实就是一次彻底的“搜身”——搜尽你身上残存的尘粒。然后,面前的自动门打开,向你展现出一个清新、明亮的车间。

  如果你环顾上下,就会发现车间的天花板和地板上布满了小孔,原来,清洁的空气正从天花板不断流入,又通过地板排出。流入的空气是经过一种叫HEPA的过滤器严格过滤过的清洁空气,HEPA过滤器本是美国“曼哈顿计划”中为捕集放射性灰尘而试制的。整个车间的“超净”空气就是这样通过每小时换气几百遍的高效率“新陈代谢”才达到的。由于对较大的空间实施每小时几百次的换气,需要很大的动力和空调设备,因此国外不少集成电路工厂往往以整整一层楼作为超净车间的配套动力室。

  超净车间的清洁环境,不仅要靠耗费大量能源的设备来提供保障,还要靠在其中工作的人员自觉维护。

  事实上,工作人员是车间里最主要的污染来源,因此,超净车间往往限制多余人员进入,也禁止在车间里跑动,以防扬起灰尘。当然,吸烟更是明令禁止的行为,烟气中含有大量微粒,直径可达3微米。有些工厂甚至不允许员工将普通纸张带进车间,因为纸张也是一种灰尘的来源。因此在超净车间内,只能使用特制的塑料纸作生产记录。

  水体的净化

  在集成电路的生产过程中,需要反复使用各种药剂和水对硅片进行处理和清洗。为了严防液体中的杂质沾污硅片,一方面要求使用纯度极高的化学剂(这主要由提供化学剂的企业来保证),另一方面要求使用纯度极高的水。

  在“清澈透明”的普通用水中,实际上包含着各种杂质,如盐分、气体、微粒子和微生物等。使用这样的水清洗硅片,水中的杂物在干燥后就会附着在微细电路上,造成断路或短路。为此,我们必须除去水中的杂质,并对用水的净化提出严格要求——电阻率要达到十几兆欧姆·厘米以上、一立方厘米用水中所含的微粒子在一百个以下、微生物的含量趋于零……

  早期集成电路生产中使用的是纯水,这是经过除浊处理和离子交换处理的水,以电阻率作为衡量纯度的主要指标。随着集成电路的日益微细化,对水的纯度要求越来越高,进而要求使用超纯水,即以特殊装量对纯水作进一步提炼,除去离子交换处理后留下的微粒子、胶质、细菌、有机物等,使水的纯度接近理论纯水的纯度。

  在医药工业中所用的纯水,只需将细菌杀灭即可。而用于集成电路工业的纯水中,被杀死的细菌残骸(约有几微米大小)还是会妨碍微细加工,因此光杀死它还不行,需要彻底去除。

  要让纯水变成超纯水,关键在于增加逆浸透技术处理这一环。逆浸透技术是一种分子尺度的超精密过滤技术,使用一种具有只透过水、而不透过溶于水中的离子、分子的特殊性质的半透膜,可将直径仅为几埃(1010米)的低分子、无机离子从水中分离出去。以逆浸透技术为代表的膜分离技术不仅在集成电路工业方面,而且在海水淡化、医药、化工、原子能发电等方面也被广为运用。据称美国在这项技术上花费的投资,已超过了“阿波罗计划”。

  要制成超纯水,只采用离子交换、逆浸透等关键设备还不行,在管道选材方面也有许多讲究。例如,但凡与水接触的部分都应避免使用金属材料,因为即便使用不锈钢制造,也不可能完全不生锈、不形成金属离子。因此,管道、水箱、阀门宜采用聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯之类的材料。此外,为了减少活菌,还应尽量避免水体积存,同时防止水面暴露于空气之中而受到污染。

  较大的集成电路工厂每天使用的纯水量达1000吨以上,这相当于一个火力发电厂的用水量。因此,工厂选址要事先考虑水源问题,既要注意水量,又要注意水质。例如,井水一年四季水温稳定,微粒子较少;河水、湖水水温不稳定,特别是湖水当中藻类、细菌、胶质物较多。显然,如果水源中杂质较多,那么后期加工的成本就会高得多。

  设备、载具的净化

  硅片在生产过程中还会与加工设备中的载片部分、夹具、载具接触。其中,加工设备包括高温加工设备(如氧化、扩散炉)与常温加工设备(如曝光机)。由于杂物在高温下活动性更强,更有“感染性”,因此高温加工设备内部的净化十分重要。

  硅片的夹、载具包括在加工设备中使用的载具(例如氧化、扩散炉中使用的石英舟)和在加工设备之间使用的夹、载具。载具是与硅片直接接触的东西,因此需十分注意净化,特别是对高温下使用的载具更要进行严格的清洁处理。

  集成电路生产包括上百道不同的工序,在不同工序之间用什么工具、以什么方式搬运硅片是很关键的问题。假如我们是用镊子来夹持片,而镊子本身不干净,那么空气、水体再清洁也是白费工夫。而且用镊子夹持硅片不仅可能引起沾污,还会引起硅片的损伤。为了解决这个问题,在镊子尖上焊上小平片,可减少损伤,也便于夹持尺寸较大的硅片。

  目前,还出现了所谓的“真空镊子”,利用真空吸力来吸附硅片,不过这种“真空镊子”需要通过软管与通向真空泵的管道相连,既要增添不少设施,又不便于操作。

  减少使用镊子的一个较好方法是采用一定规格的装片盒以及与之配套的传送带。这种装片盒是用具有良好耐腐蚀和耐热性能的聚四氟乙烯材料制成的,盒内带有许多槽口以便固定硅片,一个盒子即可装下同批加工的几十个硅片。对硅片进行清洗和化学处理时可不必将硅片一一夹持出来,而是连同盒子一起浸入水液中;要将一个盒子里的硅片转移至另一个盒子,也无需将硅片取出,只需将空盒子扣到装有硅片的盒子上即可;要将盒内的硅片送入加工设备时,只需将盒子竖插在通往加工设备的传送带端口,盒内的硅片即可自动地一片一片被载上传送带,送入相应的加工区去。加工以后,硅片又可通过另一侧的传送带自动进入另一个装片盒。其实,在传送带上载运硅片的并不是传送带本身,而是从传送带上的密密麻的小孔里源源流出的超纯氮气。换句话说,硅片是被流动的空气“浮送”到加工装置去的,这样就可避免硅片与传送带的大面积接触。

  从集成电路生产的净化情况来看,被人们认为十分“尖端”的集成电路生产,实际上包含着许多并非什么高超技艺的手工式劳动,以及许多非常接地气的“土办法”。一部集成电路技术的发展史,正是与各种杂质、尘埃进行斗争的历史。从事集成电路制造的人们,耗费了多少良苦用心,设置了多少严密对付污染的防线!他们在这方面所积累的经验,不仅对于集成电路工业,而且对于其他需要应用超净技术的工业以至于整个工业界,都是宝贵的物质和精神财富。

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