Исключительно важное значение для обеспечения высокого процента выхода годных ИМС и воспроизводимости их параметров имеют стабильность климатических условий производства, а также высокая чистота производственной атмосферы, технологических газов и жидкостей в сочетании с использованием сверхчистых основных материалов (полупроводниковых, легирующих, изолирующих и др.). Микроклимат и производственная гигиена
Технология изготовления микросхем связана с повышением степени их интеграции, требующей в свою очередь чистоты не только газов, жидких сред и степени вакуума, но и воздушной среды производственных помещений. Поскольку размеры элементов соизмеримы с размерами микрочастиц, которые, попадая на кристаллы интегральных микросхем (ИМС), могут стать причиной их выхода из строя, требования к воздушной среде производственных помещений приравниваются к требованиям, предъявляемым к другим технологическим средам. В производстве ИМС установлены жесткие требования электронной гигиены (ЭГ ): к микроклимату производственных помещений (запыленности воздушной среды, относительной влажности, температуре, скорости воздушных потоков, перепаду давления в смежных помещениях ); к технологическому оборудованию и оснастке (отсутствие вибрации, шума, открытых движущихся частей, использование специальных материалов и др.); к производственному персоналу (одежда, правила поведения в рабочих помещениях). Нельзя просто выбрать хорошее изделие из плохой партии. Нужно так построить технологию и организацию производства, чтобы невозможно было выпустить продукцию низкого качества и надежности — это принципиальная основа современного подхода к обеспечению качества. Важной частью его является технология чистоты.
Климатические параметры производственных помещений (микроклимат) Определенная и стабильная температура. Необходима прежде всего для стабильности линейных размеров пластины, фотошаблона и элементов технологической установки для совмещения и экспонирования и пр. (точность элементов топологического слоя ИМС - десятые и сотые доли микрометра). Для ряда технологических процессов требуется рабочая температура 800-1200°С, стабилизированная с точностью до десятых долей градуса. Создание определенных условий теплообмена технологического оборудования с окружающей средой облегчает задачу поддержания рабочей температуры процесса в этих пределах. Стабилизация температуры помещений обеспечивает высокую точность измерений при межоперационном контроле и окончательных электрических испытаниях ИМС.
Влажность. Из-за влажности воздуха производственных помещений происходит адсорбция паров воды поверхностью пластин, кристаллов, а также элементами рабочих объемов технологических установок, что при нагреве может приводить к образованию нежелательных окислов. Адсорбция паров воды поверхностью изделий происходит более активно, чем кислорода воздуха, вследствие малых размеров молекул воды, поэтому влажность в производственных помещениях должна быть минимальной (но не ниже 30 %, установленных санитарными нормами).
Характеристика воздушной среды Класс помещения 1 2 3 4 5 Температура, °С летом 22±0,5 20±1 20±2 По ГОСТ 12.1.005-76 зимой 22±0,5 23±1 23±2 Относительная влажность, % 45±5 50±5 50±10 Максимальное число частиц размером ≥ 0,5мкм на 1 л воздуха 4 35 350 1000 3500
Класс чистоты Предельно допустимое число частиц в 1 м3 воздуха размером, равным и превышающим, мкм ИСО 14644-1 ГОСТ Р 50766-95 0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 5,0 ИСО-1 Р 1 10 2 ИСО-2 Р 2 100 24 10 4 ИСО-3 Р 3 (1) 1000 237 102 35 8 ИСО-4 Р 4 (10) 10 000 2370 1020 352 83 ИСО-5 Р 5 (100) 100 000 23 700 10 200 3520 832 29 ИСО-6 Р 6 (1000) 1 000 000 237 000 102 000 35 200 8320 293 ИСО-7 Р 7 (10 000) 352 000 83200 2930 ИСО-8 Р 8 (100 000) 3 520 000 832 000 29 300 ИСО-9 Р 9 (1 000 000) 35 200 000 8 320 000 293 000 КЛАССЫ ЧИСТОТЫ ПО ВЗВЕШЕННЫМ В ВОЗДУХЕ ЧАСТИЦАМ ДЛЯ ЧИСТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ И ЧИСТЫХ ЗОН
Производственная гигиена — комплекс технологических и организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение чистоты воздушной среды производственных помещений и чистоты технологических сред и имеющих целью повышение качества выпускаемых изделий. С точки зрения производственной гигиены воздушная среда производственного помещения характеризуется запыленностью. Присутствие в воздухе механических частиц — аэрозолей является одной из причин появления проколов в защитном слое окисла и выхода из строя элементов и ИМС в целом. Частицы пыли, осевшие на поверхности готовых структур, могут привести к пробоям и коротким замыканиям при электрических испытаниях ИМС или ее эксплуатации.
Запыленность воздушной среды принято оценивать количеством частиц размером не менее 0,5 мкм, приходящихся на единицу объема (1 л или 1 м 3 ). По степени запыленности производственные помещения подразделяют на пять классов. Для обеспечения обеспыленности производственной воздушной среды предприятия микроэлектронного производства стараются размещать в зеленых зонах вдали от других промышленных предприятий. Для промышленных зданий и помещений используются материалы, легко поддающиеся очистке и не загрязняющие окружающий воздух. Перед подачей в помещения воздух проходит специальную систему фильтрации, а производственные помещения оборудуются системами кондиционирования. Давление воздуха внутри зданий должно несколько превышать атмосферное для уменьшения самопроизвольного проникновения наружного воздуха (минуя фильтр и вентилятор). Особо тщательно оборудуются помещения 1-3-го классов, которые принято называть чистыми комнатами или гермозонами.
Чистая комната имеет рабочее помещение, где размещается технологическое оборудование и выполняются операции; гардеробные помещения для подготовки обслуживающего персонала к работе; переходные и обдувочные шлюзы; помещения для обработки приточного воздуха. В чистых комнатах обеспечиваются не только определенные температура, влажность, запыленность, но и определенные скорость и направление перемещения воздуха, способствующие эффективному удалению пыли, образующейся при работе оборудования и движениях персонала. Достичь высокой степени обеспыленности проще в ограниченных, локальных рабочих объемах — боксах или скафандрах.
Общий вид, скафандра: 1 — шлюзовое окно; 2 — смотровое стекло; 3 — резиновые перчатки
К условиям инженерного обеспечения производства относят много факторов, в т.ч. : 1. Степень чистоты воздуха производственных помещений, оцениваемая концентрацией взвешенных частиц. 2. Время восстановления чистоты помещения до исходного уровня после кратковременного превышения допустимого значения. 3. Расход воздуха (кратность воздухообмена). 4. Скорость воздушного потока. 5. Однородность скорости воздушного потока. 6. Однонаправленность воздушного потока. 7. Избыточное давление воздуха. 8. Номинальная температура воздуха. 9. Точность поддержания заданного значения температуры. 10. Относительная влажность воздуха. 11. Уровень акустических шумов. 12. Освещенность. 13. Аэроионизация воздуха. 14. Уровень вибрации. 15. Напряженность электрических и магнитных полей.
Выделение чистых зон в чистых помещениях характерно для микроэлектроники Загрязнения среды персоналом
Очистка воздуха Воздухораспределительные устройства в чистых помещениях служат для подачи фильт-рованного воздуха и организации однородного воздушного потока. Скорость воздухообме -на с точки зрения обеспыливания зависит от конфигурации помещения, оборудования и его расположения, тепловыделений, типа воздушного потока (ламинарный или турбу-лентный, вертикальный или горизонтальный), режима работы, используемых в производ-стве материалов. Кратность обмена воздуха определяется балансом пылевыделения и эффективностью фильтрации. Источников пылевыделения в производстве печатных плат довольно много, чтобы их перечислять. Даже работающий персонал, изолирован- ный защитной одеждой, является источником обильного выделения пыли различного калибра.
Рециркуляция воздуха проектируется так, чтобы не только очищать воздух фильтрами, но и потоками воздуха не поднимать пыль. Для этого вертикальный однонаправленный поток направляется вниз, проходит чистое помещение и перфорированный пол, затем идет вверх по вертикальным воздухопроводам и через потолочные фильтры возвраща-ется в помещение. По пути он проходит через регулируемый воздухоохладитель или воздухонагреватель, паровые или ультразвуковые увлажнители.
Поддержание избыточного давления в чистых помещениях необходимо для защиты помещения от загрязнения со стороны прилегающих зон, защиты движущегося потока от нежелательных загрязнений, предотвращения перекрестного загрязнения между зонами, поддержания требуемых значений температуры и влажности. Чистое помещение для микроэлектроники обычно работает в диапазоне избыточных давлений 40-60 Па относительно прилегающего коридора и других помещений здания и оборудовано полугерметичным воздушным шлюзом на входе в чистую зону. Гардеробные помещения для переодевания часто играют роль подобных воздушных фильтров.
Управление влажностью Относительная влажность воздуха в ответственных зонах помещения контролируется специальными датчиками. При повышенной влажности понижают выходную температуру на охладителе воздуха для уменьшения влагосодержания (избыток влаги конденсируется на испарителях). Для компенсации понижения температуры потока воздуха теплообменник второго подогрева поддерживает требуемый температурный режим. Для повышения влажности воздушного потока включают ультразвуковые увлаж-нители, снабженные деионизованной водой с удельным сопротивлением порядка 1 МОм. Вытяжная вентиляция Обычно вытяжные системы подразделяются по типам удаляемых веществ на кислотные, органические, токсичные, тепловые и общеобменные. Для улавливания кислотных паров используют горизонтальный или вертикальный скруббер. Выбросы растворителей и летучих требуют обработки путем абсорбции, последующего выпаривания, концентрации и утилизации (сжигания) на месте. Токсичные выбросы обычно нейтрализуются путем высокотемпературной обработки непосредственно на месте их происхождения. Надлежащим образом организованная обработка воздуха может свести к минимуму количество выбросов в атмосферу.
Уровень шума и вибрации Работающее оборудование является источником шума и вибрации. И то, и другое создает помехи в обеспечении точности позиционирования и совмещения. Работающие сверлильные станки, у которых шпиндели перемещаются вверх-вниз со скоростью до трех ударов в секунду, могут мешать друг другу и другому прецизионному оборудованию, если отсутствует виброизоляция. Слоистые («вафельные») бетонные полы хорошо предотвращают передачу вибраций. Но и на таких полах необходимо виброизолировать шумящее оборудование с помощью пружин и рессор, гибких соединений или изолированных фундаментов. Городские постройки часто грешат наличием низкочастотной вибрации от огибающих здание ветровых потоков, движения транспорта (хуже всего метро), движения воздушных потоков по коробам внутренней вентиляционной системы. Избавиться от низкочастотной вибрации очень трудно, низкочастотные шумы проникают через большинство типов звукоизоляции.
Магнитные и электромагнитные поля Величина магнитного поля Земли у поверхности составляет 0,5 Гс. Безопасный уровень магнитного поля для жизни и здоровья человека составляет 5 Гс. Особенно чувствительны к магнитным полям электронные системы управления оборудованием, измерительные приборы. Для участков тестирования и лабораторного анализа, метрологических лабораторий магнитное излучение должно быть на уровне 0,05 Гс и ниже. Источником магнитного излучения могут служить силовые кабели, индукторы, трансформаторы и т. п. При проектировании производственных помещений приходится это учитывать. Электростатический заряд в воздухе и на поверхности Статическое электричество возникает при разделении поверхностей, или как трибоэлектричес-тво, или сродство частиц пыли к тому или другому электрическому заряду, который они приобре -тают самопроизвольно. Если образовавшийся на поверхности заряд не имеет возможности быстро стекать, он накапливается на поверхности материала и называется электростатическим. Аккумулированный электростатический заряд является источником проблем на большинстве операций технологических процессов производства электроники. Он может стать причиной воспламенения паров растворителей, вызывать слипание тонких слоев материалов и пленок, накапливать на поверхности пыль и мелкие частицы из воздуха (особенно чувствительны к этому литографические процессы), вызывать повреждение или даже разрушение тонких полупроводни-ковых структур электронных компонентов, вносить сбои в работу оборудования. Обычно минимальная энергия возгорания для смеси воздуха и углеводородов (в частности, паров растворителей) составляет 0,2 мДж при электростатическом разряде в несколько киловольт.
Требования к чистоте технологических газов и воды Используемые при производстве ИМС газы дополнительно очищают и осушают. Воду очищают органических примесей и кремниевой кислоты, а в особых случаях от микрочастиц и микроорганизмов, дистиллируют и деионизируют для увеличения объемного удельного сопротивления.
