Due to the fact that the environmental sensitivity of semiconductor processes (such as advanced 7nm and 5nm processes) increases exponentially as the process shrinks, the standards for cleanrooms are much higher than those for ordinary industrial or medical clean environments. The specific requirements can be broken down into the following six core dimensions:
I. التحكم في جسيمات الهواء: جوهر النواة
في تصنيع أشباه الموصلات، حتى الجسيمات التي يقل قطرها عن 0.1 ميكرومتر (حوالي 1/500 قطر شعرة الإنسان) الملتصقة بسطح الرقاقة قد تؤدي إلى تخريد الرقاقة. لذلك، فإن تركيز الجسيمات هو الأساس الأساسي لتصنيف غرف الأبحاث. وتتبع الصناعة عمومًا المعيار الدولي ISO 14644-1 (تصنيف نظافة الهواء) المعيار الدولي ISO 14644-1، ولكن المعايير الفعلية المطبقة في صناعة أشباه الموصلات عادةً ما تكون أعلى بكثير من المستوى العام.
1. يتطابق تصنيف النظافة مع تطبيقات أشباه الموصلات
تستخدم المواصفة القياسية ISO 14644-1 "عدد الجسيمات ≥ حجم جسيمات محدد لكل متر مكعب من الهواء" كمؤشر للتصنيف. تستخدم صناعة أشباه الموصلات بشكل أساسي الفئة 1 إلى الفئة 5 من المواصفة القياسية ISO (بينما غرف التنظيف الصناعية العادية هي في الغالب من الفئة 8 إلى الفئة 9)، وتتوافق العمليات المختلفة مع مستويات مختلفة:
I. التحكم في جسيمات الهواء: جوهر النواة
في تصنيع أشباه الموصلات، حتى الجسيمات التي يقل قطرها عن 0.1 ميكرومتر (حوالي 1/500 قطر شعرة الإنسان) الملتصقة بسطح الرقاقة قد تؤدي إلى تخريد الرقاقة. لذلك، فإن تركيز الجسيمات هو الأساس الأساسي لتصنيف غرف الأبحاث. وتتبع الصناعة عمومًا المعيار الدولي ISO 14644-1 (تصنيف نظافة الهواء) المعيار الدولي ISO 14644-1، ولكن المعايير الفعلية المطبقة في صناعة أشباه الموصلات عادةً ما تكون أعلى بكثير من المستوى العام.
1. يتطابق تصنيف النظافة مع تطبيقات أشباه الموصلات
تستخدم المواصفة القياسية ISO 14644-1 "عدد الجسيمات ≥ حجم جسيمات محدد لكل متر مكعب من الهواء" كمؤشر للتصنيف. تستخدم صناعة أشباه الموصلات بشكل أساسي الفئة 1 إلى الفئة 5 من المواصفة القياسية ISO (بينما غرف التنظيف الصناعية العادية هي في الغالب من الفئة 8 إلى الفئة 9)، وتتوافق العمليات المختلفة مع مستويات مختلفة:
| فئة النظافة (ISO 14644-1) | جسيمات التحكم الأساسية (حجم الجسيمات) |
الحد الأقصى لعدد الجسيمات لكل متر مكعب |
سيناريوهات التطبيقات النموذجية لأشباه الموصلات |
| الفئة 1 | 0.1 ميكرومتر 、 0.2 ميكرومتر | 0.1 ميكرومتر: ≤1 قطعة؛ 0.2 ميكرومتر: ≤0 قطعة | عمليات متقدمة من 5 نانومتر وما دون ذلك (مثل الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية الأورو-ضوئية، وربط الرقاقات) |
| الفئة 2 | 0.1 ميكرومتر 、 0.2 ميكرومتر | 0.1 ميكرومتر: ≤2 قطعة؛ 0.2 ميكرومتر: ≤1 قطعة | عمليات من 7-14 نانومتر (مثل الحفر والترسيب الرقيق) |
| الفئة 5 | 0.1 ميكرومتر 、 0.5 ميكرومتر | 0.1 ميكرومتر: ≤ 1000 قطعة؛ 0.5 ميكرومتر: ≤ 29 قطعة | عمليات ناضجة من 28 نانومتر وما فوق (مثل التنظيف والانتشار) |
2. التحكم في مصدر الجسيمات
الأفراد هم أكبر مصدر للجسيمات (كل شخص يولد 1-10 مليون جسيم في الدقيقة). يجب عليهم ارتداء بدلات وأقنعة وقفازات وأحذية خالية من الغبار. قبل دخول الغرفة النظيفة، يمرون من خلال دش هوائي (تدفق هواء عالي الضغط لإزالة الجسيمات) وغرفة قفل الهواء (لموازنة الضغط وحجب الهواء الخارجي).
يجب أن تحتوي معدات الإنتاج (مثل ماكينات الطباعة الليثوغرافية الضوئية والحفر) على وحدة تنظيف محلية لاحتواء الجسيمات أثناء التشغيل. إغلاق وصلات المعدات بالأرضية والجدران لمنع تراكم الغبار.
التحكم في المواد: يجب أن تدخل الرقاقات ومقاومات الضوء والمواد الأخرى إلى الغرفة النظيفة من خلال "نافذة نقل خالية من الغبار" (مع التطهير بالأشعة فوق البنفسجية وتنقية تدفق الهواء)، ويجب إزالة العبوة الخارجية وتنظيفها خارج الغرفة النظيفة. يجب أن تكون عربة نقل المواد مزودة بمحرك بدون فرش (لمنع سقوط مسحوق الكربون)، ويجب أن تكون العجلات مصنوعة من مواد مضادة للكهرباء الساكنة وخالية من الغبار.
II. التحكم في درجة الحرارة والرطوبة: متطلبات الدقة على مستوى الميكرون
إن عمليات أشباه الموصلات، مثل الطباعة الليثوغرافية الضوئية وترسيب الأغشية الرقيقة، حساسة للغاية لتغيرات درجة الحرارة والرطوبة. يمكن أن تتسبب التقلبات في درجات الحرارة في تمدد الرقاقة أو انكماشها، مما يؤثر على المحاذاة (على سبيل المثال، يؤدي التغير بمقدار 1 ℃ إلى انحراف بمقدار 0.1 ميكرومتر). يمكن أن تؤثر تغيرات الرطوبة على مقاوم الضوء أو التصاق الرقاقة المعدنية وتسبب تراكم الكهرباء الساكنة.
1. التحكم في درجة الحرارة
نطاق التحكم: بشكل عام، يجب أن يكون ± 23 ℃ ± 0.1 ℃ إلى ± 0.5 ℃ (± 0.1 ℃ للعمليات المتقدمة، و± 0.5 ℃ للعمليات الناضجة)، ويجب أن يكون الفرق في درجة الحرارة بين المناطق المختلفة في الغرفة النظيفة (مثل منطقة الطباعة الليثوغرافية الضوئية ومنطقة الحفر) ≤0.3 ℃.
وضع التحكم: تم اعتماد "نظام تكييف الهواء بدرجة حرارة ورطوبة ثابتة (MAU+AHU)". يتم مراقبة درجة الحرارة في الوقت الحقيقي من خلال أجهزة استشعار دقيقة، ويتم تنظيمها مع مراوح متغيرة التردد وملفات التدفئة الكهربائية/ملفات الماء البارد لضمان درجة حرارة تدفق هواء موحدة (تجنب النقاط الساخنة المحلية).
2. التحكم في الرطوبة
نطاق التحكم: بشكل عام، يلزم وجود رطوبة نسبية (RH) تبلغ 45% ± 5% (بالنسبة لبعض العمليات، مثل تمعدن الألومنيوم، يلزم وجود رطوبة نسبية (RH≤30%) لمنع أكسدة الألومنيوم؛ وبالنسبة لعمليات الطباعة الليثوغرافية الضوئية، يلزم استقرار الرطوبة النسبية لتجنب امتصاص الرطوبة لمقاوم الضوء).
طريقة التحكم: تقليل الرطوبة من خلال مزيل الرطوبة (إزالة الرطوبة الدوارة أو إزالة الرطوبة بالتبريد)، أو ضبط الرطوبة من خلال الترطيب بالبخار (باستخدام المياه النقية لتجنب دخول الشوائب في الماء من الهواء)، مع التأكد من أن تذبذب الرطوبة ≤2% في الساعة.
ثالثاً تنظيم تدفق الهواء: التدفق أحادي الاتجاه هو السائد لتجنب الزوايا الميتة
يجب أن يضمن تصميم تدفق الهواء في غرفة التنظيف "تفريغ الجسيمات باستمرار وعدم بقائها أو دورانها فوق الرقائق". والوضع الأساسي هو التدفق الرأسي أحادي الاتجاه (التدفق الصفحي)، بينما تعتمد بعض المناطق المساعدة "التدفق الأفقي أحادي الاتجاه" أو "التدفق غير أحادي الاتجاه (التدفق المضطرب)".
التدفق العمودي أحادي الاتجاه (منطقة الإنتاج الأساسية)
المبدأ تم تجهيز سقف غرفة التنظيف ب "مرشحات هواء عالية الكفاءة (HEPA)" أو "مرشحات هواء فائقة الكفاءة (ULPA)". بعد المرور عبر المرشحات، يتدفق الهواء عموديًا إلى أسفل بسرعة منتظمة تتراوح بين 0.2 و0.5 متر/ثانية (على غرار "شلال الهواء")، مما يدفع الجسيمات نحو الأرض ثم تفريغها من خلال فتحات الهواء المرتد على الأرض. تشكيل "قناة تدفق هواء أحادية الاتجاه من أعلى إلى أسفل".
يجب أن يكون انتظام تدفق الهواء ≥90% (أي يجب أن يكون الفرق في سرعة تدفق الهواء بين المناطق المختلفة ≤10%)، ويجب تجنب "دوامات تدفق الهواء" (التي قد تسبب احتباس الجسيمات). يجب أن يكون معدل تغطية المرشح ≥90% (100% تغطية كاملة للعمليات المتقدمة)، ويجب فحص المرشحات بانتظام (مثل اختبارات السلامة) لمنع التسرب.
2. المناطق الإضافية (مثل مناطق تغيير الملابس ومناطق تخزين المواد المؤقتة)
يتم اعتماد "التدفق غير أحادي الاتجاه"، ويتم تنقية الهواء من خلال مرشحات HEPA المثبتة على الحائط أو المرشحات المثبتة في السقف. يتم التحكم في تركيز الجسيمات في الفئة 6 إلى الفئة 7 من ISO، والتي يمكن أن تلبي متطلبات تشغيل الأفراد وانتقال المواد.
Iv. التحكم في الضغط: منع التلوث الخارجي من الدخول
يجب أن تحافظ غرفة التنظيف على ضغط إيجابي (بالنسبة للبيئة الخارجية) لمنع الهواء غير النظيف من الخارج من التسرب إلى الداخل من خلال الفجوات مثل فجوات الأبواب ووصلات الأنابيب. وفي الوقت نفسه، تحتاج المناطق ذات مستويات النظافة المختلفة إلى الحفاظ على "تدرج الضغط" لضمان تدفق الهواء من منطقة النظافة العالية (مثل الفئة 1) إلى منطقة النظافة المنخفضة (مثل الفئة 5)، مما يمنع الجسيمات من منطقة النظافة المنخفضة من الانتشار إلى منطقة النظافة العالية.
1. متطلبات فرق الضغط
الضغط الموجب بين غرفة التنظيف والغلاف الجوي الخارجي: ≥15 باسكال (حوالي 0.06 بوصة من عمود الماء);
الضغط الموجب بين منطقة النظافة العالية (مثل منطقة الطباعة الحجرية) ومنطقة النظافة المنخفضة المجاورة (مثل الممر): ≥5 إلى 10Pa;
يجب أن تحافظ المناطق الخاصة (مثل غرفة معالجة النفايات الكيميائية السائلة وغرفة تخزين مقاوم الضوء) على ضغط سالب (≤-5 باسكال) لمنع انتشار الغازات الضارة أو المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) في منطقة الإنتاج.
2. وضع التحكم
يتم التحكم في حجم هواء العادم عن طريق "تنظيم التردد المتغير لصمام الهواء المرتجع"، وبالاقتران مع الإخراج المستقر لحجم هواء السحب، يتم الحفاظ على ثبات الضغط. يجب تركيب حساسات ضغط في كل منطقة لمراقبة فرق الضغط في الوقت الحقيقي. عند حدوث أي خلل، سيتم تشغيل إنذار تلقائي وإجراء التعديلات.
V. مراقبة الملوثات الكيميائية: الرصد على مستوى التتبع
في عمليات أشباه الموصلات، يمكن أن تتسبب الملوثات الكيميائية على المستوى الجزيئي في الهواء (مثل أيونات المعادن والمركبات العضوية المتطايرة والغازات الحمضية/القلوية) في تلوث سطح الرقائق وتؤثر على الدوائر الكهربائية
الأفراد هم أكبر مصدر للجسيمات (كل شخص يولد 1-10 مليون جسيم في الدقيقة). يجب عليهم ارتداء بدلات وأقنعة وقفازات وأحذية خالية من الغبار. قبل دخول الغرفة النظيفة، يمرون من خلال دش هوائي (تدفق هواء عالي الضغط لإزالة الجسيمات) وغرفة قفل الهواء (لموازنة الضغط وحجب الهواء الخارجي).
يجب أن تحتوي معدات الإنتاج (مثل ماكينات الطباعة الليثوغرافية الضوئية والحفر) على وحدة تنظيف محلية لاحتواء الجسيمات أثناء التشغيل. إغلاق وصلات المعدات بالأرضية والجدران لمنع تراكم الغبار.
التحكم في المواد: يجب أن تدخل الرقاقات ومقاومات الضوء والمواد الأخرى إلى الغرفة النظيفة من خلال "نافذة نقل خالية من الغبار" (مع التطهير بالأشعة فوق البنفسجية وتنقية تدفق الهواء)، ويجب إزالة العبوة الخارجية وتنظيفها خارج الغرفة النظيفة. يجب أن تكون عربة نقل المواد مزودة بمحرك بدون فرش (لمنع سقوط مسحوق الكربون)، ويجب أن تكون العجلات مصنوعة من مواد مضادة للكهرباء الساكنة وخالية من الغبار.
II. التحكم في درجة الحرارة والرطوبة: متطلبات الدقة على مستوى الميكرون
إن عمليات أشباه الموصلات، مثل الطباعة الليثوغرافية الضوئية وترسيب الأغشية الرقيقة، حساسة للغاية لتغيرات درجة الحرارة والرطوبة. يمكن أن تتسبب التقلبات في درجات الحرارة في تمدد الرقاقة أو انكماشها، مما يؤثر على المحاذاة (على سبيل المثال، يؤدي التغير بمقدار 1 ℃ إلى انحراف بمقدار 0.1 ميكرومتر). يمكن أن تؤثر تغيرات الرطوبة على مقاوم الضوء أو التصاق الرقاقة المعدنية وتسبب تراكم الكهرباء الساكنة.
1. التحكم في درجة الحرارة
نطاق التحكم: بشكل عام، يجب أن يكون ± 23 ℃ ± 0.1 ℃ إلى ± 0.5 ℃ (± 0.1 ℃ للعمليات المتقدمة، و± 0.5 ℃ للعمليات الناضجة)، ويجب أن يكون الفرق في درجة الحرارة بين المناطق المختلفة في الغرفة النظيفة (مثل منطقة الطباعة الليثوغرافية الضوئية ومنطقة الحفر) ≤0.3 ℃.
وضع التحكم: تم اعتماد "نظام تكييف الهواء بدرجة حرارة ورطوبة ثابتة (MAU+AHU)". يتم مراقبة درجة الحرارة في الوقت الحقيقي من خلال أجهزة استشعار دقيقة، ويتم تنظيمها مع مراوح متغيرة التردد وملفات التدفئة الكهربائية/ملفات الماء البارد لضمان درجة حرارة تدفق هواء موحدة (تجنب النقاط الساخنة المحلية).
2. التحكم في الرطوبة
نطاق التحكم: بشكل عام، يلزم وجود رطوبة نسبية (RH) تبلغ 45% ± 5% (بالنسبة لبعض العمليات، مثل تمعدن الألومنيوم، يلزم وجود رطوبة نسبية (RH≤30%) لمنع أكسدة الألومنيوم؛ وبالنسبة لعمليات الطباعة الليثوغرافية الضوئية، يلزم استقرار الرطوبة النسبية لتجنب امتصاص الرطوبة لمقاوم الضوء).
طريقة التحكم: تقليل الرطوبة من خلال مزيل الرطوبة (إزالة الرطوبة الدوارة أو إزالة الرطوبة بالتبريد)، أو ضبط الرطوبة من خلال الترطيب بالبخار (باستخدام المياه النقية لتجنب دخول الشوائب في الماء من الهواء)، مع التأكد من أن تذبذب الرطوبة ≤2% في الساعة.
ثالثاً تنظيم تدفق الهواء: التدفق أحادي الاتجاه هو السائد لتجنب الزوايا الميتة
يجب أن يضمن تصميم تدفق الهواء في غرفة التنظيف "تفريغ الجسيمات باستمرار وعدم بقائها أو دورانها فوق الرقائق". والوضع الأساسي هو التدفق الرأسي أحادي الاتجاه (التدفق الصفحي)، بينما تعتمد بعض المناطق المساعدة "التدفق الأفقي أحادي الاتجاه" أو "التدفق غير أحادي الاتجاه (التدفق المضطرب)".
التدفق العمودي أحادي الاتجاه (منطقة الإنتاج الأساسية)
المبدأ تم تجهيز سقف غرفة التنظيف ب "مرشحات هواء عالية الكفاءة (HEPA)" أو "مرشحات هواء فائقة الكفاءة (ULPA)". بعد المرور عبر المرشحات، يتدفق الهواء عموديًا إلى أسفل بسرعة منتظمة تتراوح بين 0.2 و0.5 متر/ثانية (على غرار "شلال الهواء")، مما يدفع الجسيمات نحو الأرض ثم تفريغها من خلال فتحات الهواء المرتد على الأرض. تشكيل "قناة تدفق هواء أحادية الاتجاه من أعلى إلى أسفل".
يجب أن يكون انتظام تدفق الهواء ≥90% (أي يجب أن يكون الفرق في سرعة تدفق الهواء بين المناطق المختلفة ≤10%)، ويجب تجنب "دوامات تدفق الهواء" (التي قد تسبب احتباس الجسيمات). يجب أن يكون معدل تغطية المرشح ≥90% (100% تغطية كاملة للعمليات المتقدمة)، ويجب فحص المرشحات بانتظام (مثل اختبارات السلامة) لمنع التسرب.
2. المناطق الإضافية (مثل مناطق تغيير الملابس ومناطق تخزين المواد المؤقتة)
يتم اعتماد "التدفق غير أحادي الاتجاه"، ويتم تنقية الهواء من خلال مرشحات HEPA المثبتة على الحائط أو المرشحات المثبتة في السقف. يتم التحكم في تركيز الجسيمات في الفئة 6 إلى الفئة 7 من ISO، والتي يمكن أن تلبي متطلبات تشغيل الأفراد وانتقال المواد.
Iv. التحكم في الضغط: منع التلوث الخارجي من الدخول
يجب أن تحافظ غرفة التنظيف على ضغط إيجابي (بالنسبة للبيئة الخارجية) لمنع الهواء غير النظيف من الخارج من التسرب إلى الداخل من خلال الفجوات مثل فجوات الأبواب ووصلات الأنابيب. وفي الوقت نفسه، تحتاج المناطق ذات مستويات النظافة المختلفة إلى الحفاظ على "تدرج الضغط" لضمان تدفق الهواء من منطقة النظافة العالية (مثل الفئة 1) إلى منطقة النظافة المنخفضة (مثل الفئة 5)، مما يمنع الجسيمات من منطقة النظافة المنخفضة من الانتشار إلى منطقة النظافة العالية.
1. متطلبات فرق الضغط
الضغط الموجب بين غرفة التنظيف والغلاف الجوي الخارجي: ≥15 باسكال (حوالي 0.06 بوصة من عمود الماء);
الضغط الموجب بين منطقة النظافة العالية (مثل منطقة الطباعة الحجرية) ومنطقة النظافة المنخفضة المجاورة (مثل الممر): ≥5 إلى 10Pa;
يجب أن تحافظ المناطق الخاصة (مثل غرفة معالجة النفايات الكيميائية السائلة وغرفة تخزين مقاوم الضوء) على ضغط سالب (≤-5 باسكال) لمنع انتشار الغازات الضارة أو المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) في منطقة الإنتاج.
2. وضع التحكم
يتم التحكم في حجم هواء العادم عن طريق "تنظيم التردد المتغير لصمام الهواء المرتجع"، وبالاقتران مع الإخراج المستقر لحجم هواء السحب، يتم الحفاظ على ثبات الضغط. يجب تركيب حساسات ضغط في كل منطقة لمراقبة فرق الضغط في الوقت الحقيقي. عند حدوث أي خلل، سيتم تشغيل إنذار تلقائي وإجراء التعديلات.
V. مراقبة الملوثات الكيميائية: الرصد على مستوى التتبع
في عمليات أشباه الموصلات، يمكن أن تتسبب الملوثات الكيميائية على المستوى الجزيئي في الهواء (مثل أيونات المعادن والمركبات العضوية المتطايرة والغازات الحمضية/القلوية) في تلوث سطح الرقائق وتؤثر على الدوائر الكهربائية
