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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    集成電路的超凈化生產

                    2017-12-14 14:13:00

                      集成電路是當今世界最精細的工業產品之一。制造集成電路需要極其精密的設備和加工,比如制造超大規模集成電路,就要在一塊比手指頭還小的硅片上,制作幾十萬個晶體管等元件,以及比頭發絲還細幾十倍的電子線路。這已是盡人皆知的常識。集成電路生產除了要求精密外,還要求干凈——不是一般的干凈,而是超乎尋常的干凈,是“超凈化”。在集成電路發展史上,對超凈化重要性的認識,是用無數嚴重的挫折、教訓、浪費為代價換來的。

                      為了保證集成電路的超凈化生產,需要仔細檢點集成電路芯片在繁雜、冗長的生產流程中,也就是在尚未封入密閉管殼的“赤身裸體”狀態下,是否直接接觸了什么東西,一旦雜質、塵埃沾污了芯片,就將前功盡棄。

                      考察集成電路的生產過程,與集成電路芯片(實際上就是尚未分割為芯片的大圓硅片)直接接觸的東西遍及物質三態——氣態、液態和固態。其中氣態接觸物包括空氣和加工用的超純氣體,液態接觸物包括水和加工用的化學藥劑,固態接觸物則包括加工裝置、硅片、夾具和載具等。因此,集成電路的超凈化生產就涉及氣體凈化、液體凈化和固體凈化。

                      氣體的凈化

                      集成電路芯片在生產過程中接觸的氣體有空氣和加工用的氣體,如氧氣、氮氣等,加工所用氣體的純度主要靠供氣工廠保證。對集成電路工廠來說,主要問題在于保持生產環境中的空氣清潔。

                      如果在一間較暗的屋子里,從窗外射進一縷陽光,你便會看見空氣中飛舞著大大小小的無數塵埃。顯然,集成電路這樣精細的產品,絕不能在這種空氣環境里制造。

                      雖然你很講衛生,或許還穿著剛換洗過的衣服,但對于“超凈車間”來說,你仍然是個“臟人”。因為你生活在普通的空氣里,身上披滿了塵埃,只要做起立、坐下這樣簡單的動作,或者只是動一下胳膊,就會揚起幾萬甚至幾百萬粒塵粒。

                      而在“超凈車間”里,每升空氣里粒徑大于0.5微米的灰塵數目不會超過3.5個。當然,這只是一般的標準。實際上,集成電路生產所要求濾除的塵埃直徑大約為集成電路最小線寬的1/10。目前較流行的16K存儲器的線寬約為4~5微米,需除去O.4~0.5微米的塵埃;目前已投入生產的64K存儲器的線寬約為2~3微米,需除去0.2~0.3微米的塵埃;即將投入生產的256 K存儲器的線寬約為1~2微米,需除去0.1~O.2微米的塵埃。隨著集成電路集成度的提高,對超凈車間的要求也會越來越高。

                      站在超凈車間門前時,盡管你會覺得超凈車間內外的空氣似乎一樣“透明”,但實際上你正站在清潔度相差十分懸殊的兩個空氣區域的交界處。為此,你在進入車間之前必須換上特制的工作服。它質地柔滑,不易沾土,可以把你從頭到腳包裹得嚴嚴實實。走進作為車間入口的寬度只有1米左右的小房間,當身后的自動門關閉后,立刻就會有猛烈的氣流沖擊你的全身,這陣持續20秒左右的“狂風”,其實就是一次徹底的“搜身”——搜盡你身上殘存的塵粒。然后,面前的自動門打開,向你展現出一個清新、明亮的車間。

                      如果你環顧上下,就會發現車間的天花板和地板上布滿了小孔,原來,清潔的空氣正從天花板不斷流入,又通過地板排出。流入的空氣是經過一種叫HEPA的過濾器嚴格過濾過的清潔空氣,HEPA過濾器本是美國“曼哈頓計劃”中為捕集放射性灰塵而試制的。整個車間的“超凈”空氣就是這樣通過每小時換氣幾百遍的高效率“新陳代謝”才達到的。由于對較大的空間實施每小時幾百次的換氣,需要很大的動力和空調設備,因此國外不少集成電路工廠往往以整整一層樓作為超凈車間的配套動力室。

                      超凈車間的清潔環境,不僅要靠耗費大量能源的設備來提供保障,還要靠在其中工作的人員自覺維護。

                      事實上,工作人員是車間里最主要的污染來源,因此,超凈車間往往限制多余人員進入,也禁止在車間里跑動,以防揚起灰塵。當然,吸煙更是明令禁止的行為,煙氣中含有大量微粒,直徑可達3微米。有些工廠甚至不允許員工將普通紙張帶進車間,因為紙張也是一種灰塵的來源。因此在超凈車間內,只能使用特制的塑料紙作生產記錄。

                      水體的凈化

                      在集成電路的生產過程中,需要反復使用各種藥劑和水對硅片進行處理和清洗。為了嚴防液體中的雜質沾污硅片,一方面要求使用純度極高的化學劑(這主要由提供化學劑的企業來保證),另一方面要求使用純度極高的水。

                      在“清澈透明”的普通用水中,實際上包含著各種雜質,如鹽分、氣體、微粒子和微生物等。使用這樣的水清洗硅片,水中的雜物在干燥后就會附著在微細電路上,造成斷路或短路。為此,我們必須除去水中的雜質,并對用水的凈化提出嚴格要求——電阻率要達到十幾兆歐姆·厘米以上、一立方厘米用水中所含的微粒子在一百個以下、微生物的含量趨于零……

                      早期集成電路生產中使用的是純水,這是經過除濁處理和離子交換處理的水,以電阻率作為衡量純度的主要指標。隨著集成電路的日益微細化,對水的純度要求越來越高,進而要求使用超純水,即以特殊裝量對純水作進一步提煉,除去離子交換處理后留下的微粒子、膠質、細菌、有機物等,使水的純度接近理論純水的純度。

                      在醫藥工業中所用的純水,只需將細菌殺滅即可。而用于集成電路工業的純水中,被殺死的細菌殘骸(約有幾微米大小)還是會妨礙微細加工,因此光殺死它還不行,需要徹底去除。

                      要讓純水變成超純水,關鍵在于增加逆浸透技術處理這一環。逆浸透技術是一種分子尺度的超精密過濾技術,使用一種具有只透過水、而不透過溶于水中的離子、分子的特殊性質的半透膜,可將直徑僅為幾埃(1010米)的低分子、無機離子從水中分離出去。以逆浸透技術為代表的膜分離技術不僅在集成電路工業方面,而且在海水淡化、醫藥、化工、原子能發電等方面也被廣為運用。據稱美國在這項技術上花費的投資,已超過了“阿波羅計劃”。

                      要制成超純水,只采用離子交換、逆浸透等關鍵設備還不行,在管道選材方面也有許多講究。例如,但凡與水接觸的部分都應避免使用金屬材料,因為即便使用不銹鋼制造,也不可能完全不生銹、不形成金屬離子。因此,管道、水箱、閥門宜采用聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯之類的材料。此外,為了減少活菌,還應盡量避免水體積存,同時防止水面暴露于空氣之中而受到污染。

                      較大的集成電路工廠每天使用的純水量達1000噸以上,這相當于一個火力發電廠的用水量。因此,工廠選址要事先考慮水源問題,既要注意水量,又要注意水質。例如,井水一年四季水溫穩定,微粒子較少;河水、湖水水溫不穩定,特別是湖水當中藻類、細菌、膠質物較多。顯然,如果水源中雜質較多,那么后期加工的成本就會高得多。

                      設備、載具的凈化

                      硅片在生產過程中還會與加工設備中的載片部分、夾具、載具接觸。其中,加工設備包括高溫加工設備(如氧化、擴散爐)與常溫加工設備(如曝光機)。由于雜物在高溫下活動性更強,更有“感染性”,因此高溫加工設備內部的凈化十分重要。

                      硅片的夾、載具包括在加工設備中使用的載具(例如氧化、擴散爐中使用的石英舟)和在加工設備之間使用的夾、載具。載具是與硅片直接接觸的東西,因此需十分注意凈化,特別是對高溫下使用的載具更要進行嚴格的清潔處理。

                      集成電路生產包括上百道不同的工序,在不同工序之間用什么工具、以什么方式搬運硅片是很關鍵的問題。假如我們是用鑷子來夾持片,而鑷子本身不干凈,那么空氣、水體再清潔也是白費工夫。而且用鑷子夾持硅片不僅可能引起沾污,還會引起硅片的損傷。為了解決這個問題,在鑷子尖上焊上小平片,可減少損傷,也便于夾持尺寸較大的硅片。

                      目前,還出現了所謂的“真空鑷子”,利用真空吸力來吸附硅片,不過這種“真空鑷子”需要通過軟管與通向真空泵的管道相連,既要增添不少設施,又不便于操作。

                      減少使用鑷子的一個較好方法是采用一定規格的裝片盒以及與之配套的傳送帶。這種裝片盒是用具有良好耐腐蝕和耐熱性能的聚四氟乙烯材料制成的,盒內帶有許多槽口以便固定硅片,一個盒子即可裝下同批加工的幾十個硅片。對硅片進行清洗和化學處理時可不必將硅片一一夾持出來,而是連同盒子一起浸入水液中;要將一個盒子里的硅片轉移至另一個盒子,也無需將硅片取出,只需將空盒子扣到裝有硅片的盒子上即可;要將盒內的硅片送入加工設備時,只需將盒子豎插在通往加工設備的傳送帶端口,盒內的硅片即可自動地一片一片被載上傳送帶,送入相應的加工區去。加工以后,硅片又可通過另一側的傳送帶自動進入另一個裝片盒。其實,在傳送帶上載運硅片的并不是傳送帶本身,而是從傳送帶上的密密麻的小孔里源源流出的超純氮氣。換句話說,硅片是被流動的空氣“浮送”到加工裝置去的,這樣就可避免硅片與傳送帶的大面積接觸。

                      從集成電路生產的凈化情況來看,被人們認為十分“尖端”的集成電路生產,實際上包含著許多并非什么高超技藝的手工式勞動,以及許多非常接地氣的“土辦法”。一部集成電路技術的發展史,正是與各種雜質、塵埃進行斗爭的歷史。從事集成電路制造的人們,耗費了多少良苦用心,設置了多少嚴密對付污染的防線!他們在這方面所積累的經驗,不僅對于集成電路工業,而且對于其他需要應用超凈技術的工業以至于整個工業界,都是寶貴的物質和精神財富。

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