半导体晶圆厂房的微震控制技术

王晋元

摘要：半导体厂房中的主体核心——洁净厂房对微震环境控制要求最高，相关厂房的工艺生产需要在温度、湿度恒定及空气洁净度极高的环境下进行。一旦出现微震动，就很可能导致产线出现偏差，其产品良率也会因此受影响。为此，文章针对半导体晶圆厂房中对于洁净厂房的特殊要求进行阐述，并结合某半导体项目从其厂房的高标准要求及微震控制技术方面着手，分析如何在高标准下保证抗微震的措施到位，保证半导体晶圆厂房的各项动力指标、生产环境能满足工厂严格的生产需要，综合论述微震测试设备、分析软件在半导体洁净厂房中结构数据收集和整理计算的应用分析以及厂房管道上减震具体措施的应用，以具体数据及实施方法对微震控制在半导体厂房中的重要性进行研讨。

关键词：晶圆半导体;洁净厂房;微震控制技术

中图分类号：TU352.1          文献标识码：A

随着科学技术的创新以及发展，电子行业在精密仪器制造过程中会更多地利用晶圆半导体。在晶圆半导体主要用于制造半导体芯片，而半导体集成电路中重要的原料之一就是硅。因此，这里所讲的晶圆主要是硅晶圆。在晶圆制造的过程中对环境的要求非常严格。为了保证晶圆半导体的良率，需要在洁净厂房中进行生产的同时，有效把控关键工艺机台（如黄光光刻区等）的微震设计，还需要积极应用微震控制技术，从各个方面做好微震控制，确保晶圆半导体的生产质量和良率。

1  制造晶圆半导体时对洁净厂房的要求

晶圆半导体是一种非常精密的材料，通常以纳米（1 mm= 1 000 μm，1 μm=1 000 nm）为单位计量空间。在生产过程中一旦出现震动，即使震动非常微小，也很有可能造成机台在运转时出现偏差，从而给晶圆半导体生产带来严重的影响，微震动也可能会造成光刻机曝光出现错误，从而影响该芯片的布局，造成短路或断路。因此，晶圆半导体的生产必须在可抗微震的洁净厂房内进行。

晶圆半导体制造生产的洁净厂房需要保证粉尘得到有效控制及过滤，一般以洁净等级及粉尘粒径作为标准（如动态百级洁净度和0.1 μm的颗粒直径），厂房内需要保持一定的正压，借助新风系统、空调系统及高效过滤器将净化过的空气送入洁净厂房内，确保经过净化的空气流动时的方向为自上而下循环（即所谓的垂直层流），以保证车间的洁净要求[1]，通过空调系统确保洁净厂房的温度和湿度恒定，如温度一般控制在23±2 ℃，湿度控制在45%±10%等。对于在洁净厂房中所使用的特气（三氟化氮等）、化学品（酸碱有机等）、大众气体（氮气、氢气等）、纯水等动力及工艺配套原材料，纯度甚至需要达到99.999 9%及更高，这些都是为了保证晶圆的生产（如刻蚀、清洗等）。另外，特别重要的一点是，在微震控制方面需要满足晶圆生产的要求。因为这是厂房从建设初期就要考虑并且在后期很难通过其他技术手段改变的。因此，晶圆半导体洁净厂房施工应积极运用微震控制技术，针对洁净厂房的各个方面做好隔震和防震的措施。

2  微震控制技術在晶圆半导体洁净厂房中的应用分析

本文以某一半导体生产公司的一个项目为例，进行洁净厂房微震控制技术的应用分析。该项目生产线的生产能力较强，每月生产12万片300 mm产品，半导体制程的线宽控制技术也达到了较领先的28/14 nm工艺制程（国际主流）要求。因此，其洁净厂房的微震控制要求是属于较高的，需要达到VC-C区线（局部甚至达到VC-D）。文章主要从洁净厂房的结构、管道抗微震方面探究如何应用微震控制技术。

2.1  微震控制技术在洁净厂房结构上的应用分析

由于这个项目对于厂房结构以及微震控制的要求比较高，在这里就整个结构设计中如何进行微震控制做如下步骤描述。

首先，根据业主的工艺机台需求，得到厂房中需要布置的生产机台的抗微震要求（行业内称为微震控制曲线，一般由工艺生产设备厂家提供）。之后在现场进行微震测试，测试所需的设备及系统大致为：①该次量测使用低频高解析度加速度传感器（Lance LC0132T，加速度传感器振动频率响应为0.1～1 kHz，符合一般高科技厂精密设备振动最大带宽为1～250 Hz的需求，精度为1 μm/s2，远高于一般高科技厂房振动规范0.01 gal的需求）;②该次测试使用微震分析公司自行研发的便携式微振动量测系统（其特性为携带方便、安装快速且容易、可实时监测振动发出的数据资料和连接各种数据带宽的加速度、速度、FFT、1/3频程谱，并可在线计算分析各种常见频谱，实时给出微振动问题分析的结果[2]）和微震分析公司自主研发的基于大数据分析的动态分析系统——BDSA系统（其安装便捷、可扩展性能强，将采集数据放入分析系统）。然后根据分析，得出数据，并给出对应的厂房结构计算和建模依据，如图1所示。

（1）场地自振特性。根据图1的加速度数据，可以得到场地自振频谱曲线，本场地的一阶自振频率在0.49 Hz左右，由于地表做过硬化处理，二阶自振频率上升到4.64 Hz。

（2）24小时测试如表1所示。

在周围环境振动条件下，通过场地微振动测试可以得出以下结论：①场地一阶自振动频率为0.49 Hz;②在环境振动条件下，场地微振动水平低于VC-C;③当卡车从附近经过时，场地微振动低于VC-A+。

根据上述测试结果给出如下建议：（1）厂址测点的背景振动最大平均值约为VC-D，符合厂房的微振动需求VC-C。基于现有地质条件，建议可以适当放宽基础板厚度的设计标准。（2）由车辆振动试验显示，车辆距离实验室30 m范围以内，卡车振动影响较显著（低于VC-A+）。因此，建议在区内道路行驶的卡车车速限制在20 km/h以下，距离FAB厂房30 m以上。

根据以上流程，结构工程师会在厂房设计初期根据流程得出数据，在我国自主研发的PKPM结构软件上验证核实测试数据，在后期的设计、施工中对设计的厂房微震进行实时检测并做相应调整。

2.2  微震控制技术在洁净厂房管道上的应用分析

洁净厂房中有不少管线、支吊架以及其他的一些系统，如果这些系统发生振动，会对核心区域的半导体生产造成影响。为了做好晶圆半导体的微震控制，洁净厂房的管道设计需要积极应用微震控制技术，做好隔震措施。

生产晶圆半导体的洁净厂房内需要安装管道和风道，管道在运行的过程中产生震动在所难免，而晶圆半导体在进行生产时需要进行微震控制[3]。一些公用的管架系统如果不能得到良好的控制，就很容易产生震动，这些震动会顺沿传递到井格梁上，进而对晶圆半导体洁净厂房内的生产设备的生产状态造成不好的影响。为了做好微震控制，可以依据以下情况，采用相应的措施来解决，对于D≥150 mm的管道系统、周长C≥4 800 mm的风管系统、D≥300 mm的气体管道系统都需要进行管道的单独减震处理。

另外，可以选择减震器（图2）进行管道的微震控制。在选择减震器时，需要根据管道的情况，算出单根支架的荷载，再选择减震器的形式和支架上的器具数量。减震器的安装也非常重要，需要保证安装的减震器载荷发布的方向是垂直的。由于减震器产生的震动通常是不规则，为了避免震动造成管道的运行出现问题，需要对管道支架做限位处理[4]。

3  结语

在晶圆半导体洁净厂房中应用微震控制技术是十分有必要的。文章主要对晶圆半导体厂房需要满足的条件进行分析，同时，通过对半导体厂房的结构抗微震检测、抗微震设计及管道抗微震措施进行探究，论证微震控制技术对晶圆半导体洁净厂房的重要性。因此，企业在进行晶圆半导体洁净厂房设计时，需要注重文章所论述的微震控制各环节，按照合理的顺序及方案来进行厂房的抗微震设计。

（责任编辑：侯辛锋）

参考文献：

[1]胡尧，母恩喜.新形势下电子洁净厂房建筑设计的探讨分析[J].重庆建筑，2016（2）：15-17.

[2]焦斌.洁净厂房工程质量管理与控制研究——以A药厂技改工程为例[D].沈阳：沈陽建筑大学，2016.

[3]张从丽.高大空间洁净厂房空调设计与节能性分析[D].北京：北京建筑大学，2014.

[4]高键，吴基昌，殷成革.微震技术监测岩质边坡稳定性的工程实践[J].人民长江，2011（14）：72-76，94.