半導體晶圓廠房的微震控制技術

王晉元

摘要：半導體廠房中的主體核心——潔凈廠房對微震環境控制要求最高，相關廠房的工藝生產需要在溫度、濕度恒定及空氣潔凈度極高的環境下進行。一旦出現微震動，就很可能導致產線出現偏差，其產品良率也會因此受影響。為此，文章針對半導體晶圓廠房中對于潔凈廠房的特殊要求進行闡述，并結合某半導體項目從其廠房的高標準要求及微震控制技術方面著手，分析如何在高標準下保證抗微震的措施到位，保證半導體晶圓廠房的各項動力指標、生產環境能滿足工廠嚴格的生產需要，綜合論述微震測試設備、分析軟件在半導體潔凈廠房中結構數據收集和整理計算的應用分析以及廠房管道上減震具體措施的應用，以具體數據及實施方法對微震控制在半導體廠房中的重要性進行研討。

關鍵詞：晶圓半導體;潔凈廠房;微震控制技術

中圖分類號：TU352.1? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

隨著科學技術的創新以及發展，電子行業在精密儀器制造過程中會更多地利用晶圓半導體。在晶圓半導體主要用于制造半導體芯片，而半導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境的要求非常嚴格。為了保證晶圓半導體的良率，需要在潔凈廠房中進行生產的同時，有效把控關鍵工藝機臺（如黃光光刻區等）的微震設計，還需要積極應用微震控制技術，從各個方面做好微震控制，確保晶圓半導體的生產質量和良率。

1? 制造晶圓半導體時對潔凈廠房的要求

晶圓半導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）為單位計量空間。在生產過程中一旦出現震動，即使震動非常微小，也很有可能造成機臺在運轉時出現偏差，從而給晶圓半導體生產帶來嚴重的影響，微震動也可能會造成光刻機曝光出現錯誤，從而影響該芯片的布局，造成短路或斷路。因此，晶圓半導體的生產必須在可抗微震的潔凈廠房內進行。

晶圓半導體制造生產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準（如動態百級潔凈度和0.1 μm的顆粒直徑），廠房內需要保持一定的正壓，借助新風系統、空調系統及高效過濾器將凈化過的空氣送入潔凈廠房內，確保經過凈化的空氣流動時的方向為自上而下循環（即所謂的垂直層流），以保證車間的潔凈要求[1]，通過空調系統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）、化學品（酸堿有機等）、大眾氣體（氮氣、氫氣等）、純水等動力及工藝配套原材料，純度甚至需要達到99.999 9%及更高，這些都是為了保證晶圓的生產（如刻蝕、清洗等）。另外，特別重要的一點是，在微震控制方面需要滿足晶圓生產的要求。因為這是廠房從建設初期就要考慮并且在后期很難通過其他技術手段改變的。因此，晶圓半導體潔凈廠房施工應積極運用微震控制技術，針對潔凈廠房的各個方面做好隔震和防震的措施。

2? 微震控制技術在晶圓半導體潔凈廠房中的應用分析

本文以某一半導體生產公司的一個項目為例，進行潔凈廠房微震控制技術的應用分析。該項目生產線的生產能力較強，每月生產12萬片300 mm產品，半導體制程的線寬控制技術也達到了較領先的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，需要達到VC-C區線（局部甚至達到VC-D）。文章主要從潔凈廠房的結構、管道抗微震方面探究如何應用微震控制技術。

2.1? 微震控制技術在潔凈廠房結構上的應用分析

由于這個項目對于廠房結構以及微震控制的要求比較高，在這里就整個結構設計中如何進行微震控制做如下步驟描述。

首先，根據業主的工藝機臺需求，得到廠房中需要布置的生產機臺的抗微震要求（行業內稱為微震控制曲線，一般由工藝生產設備廠家提供）。之后在現場進行微震測試，測試所需的設備及系統大致為：①該次量測使用低頻高解析度加速度傳感器（Lance LC0132T，加速度傳感器振動頻率響應為0.1～1 kHz，符合一般高科技廠精密設備振動最大帶寬為1～250 Hz的需求，精度為1 μm/s2，遠高于一般高科技廠房振動規范0.01 gal的需求）;②該次測試使用微震分析公司自行研發的便攜式微振動量測系統（其特性為攜帶方便、安裝快速且容易、可實時監測振動發出的數據資料和連接各種數據帶寬的加速度、速度、FFT、1/3頻程譜，并可在線計算分析各種常見頻譜，實時給出微振動問題分析的結果[2]）和微震分析公司自主研發的基于大數據分析的動態分析系統——BDSA系統（其安裝便捷、可擴展性能強，將采集數據放入分析系統）。然后根據分析，得出數據，并給出對應的廠房結構計算和建模依據，如圖1所示。

（1）場地自振特性。根據圖1的加速度數據，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小時測試如表1所示。

在周圍環境振動條件下，通過場地微振動測試可以得出以下結論：①場地一階自振動頻率為0.49 Hz;②在環境振動條件下，場地微振動水平低于VC-C;③當卡車從附近經過時，場地微振動低于VC-A+。

根據上述測試結果給出如下建議：（1）廠址測點的背景振動最大平均值約為VC-D，符合廠房的微振動需求VC-C。基于現有地質條件，建議可以適當放寬基礎板厚度的設計標準。（2）由車輛振動試驗顯示，車輛距離實驗室30 m范圍以內，卡車振動影響較顯著（低于VC-A+）。因此，建議在區內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。

根據以上流程，結構工程師會在廠房設計初期根據流程得出數據，在我國自主研發的PKPM結構軟件上驗證核實測試數據，在后期的設計、施工中對設計的廠房微震進行實時檢測并做相應調整。

2.2? 微震控制技術在潔凈廠房管道上的應用分析

潔凈廠房中有不少管線、支吊架以及其他的一些系統，如果這些系統發生振動，會對核心區域的半導體生產造成影響。為了做好晶圓半導體的微震控制，潔凈廠房的管道設計需要積極應用微震控制技術，做好隔震措施。

生產晶圓半導體的潔凈廠房內需要安裝管道和風道，管道在運行的過程中產生震動在所難免，而晶圓半導體在進行生產時需要進行微震控制[3]。一些公用的管架系統如果不能得到良好的控制，就很容易產生震動，這些震動會順沿傳遞到井格梁上，進而對晶圓半導體潔凈廠房內的生產設備的生產狀態造成不好的影響。為了做好微震控制，可以依據以下情況，采用相應的措施來解決，對于D≥150 mm的管道系統、周長C≥4 800 mm的風管系統、D≥300 mm的氣體管道系統都需要進行管道的單獨減震處理。

另外，可以選擇減震器（圖2）進行管道的微震控制。在選擇減震器時，需要根據管道的情況，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布的方向是垂直的。由于減震器產生的震動通常是不規則，為了避免震動造成管道的運行出現問題，需要對管道支架做限位處理[4]。

3? 結語

在晶圓半導體潔凈廠房中應用微震控制技術是十分有必要的。文章主要對晶圓半導體廠房需要滿足的條件進行分析，同時，通過對半導體廠房的結構抗微震檢測、抗微震設計及管道抗微震措施進行探究，論證微震控制技術對晶圓半導體潔凈廠房的重要性。因此，企業在進行晶圓半導體潔凈廠房設計時，需要注重文章所論述的微震控制各環節，按照合理的順序及方案來進行廠房的抗微震設計。

（責任編輯：侯辛鋒）

參考文獻：

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

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

[3]張從麗.高大空間潔凈廠房空調設計與節能性分析[D].北京：北京建筑大學，2014.

[4]高鍵，吳基昌，殷成革.微震技術監測巖質邊坡穩定性的工程實踐[J].人民長江，2011（14）：72-76，94.