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. Control de partículas de aire: El núcleo del núcleo
En la fabricación de semiconductores, incluso una partícula con un diámetro inferior a 0,1μm (aproximadamente 1/500 del diámetro de un cabello humano) adherida a la superficie de una oblea puede provocar el desguace del chip. Por lo tanto, la concentración de partículas es la base fundamental para la clasificación de las salas limpias. Por lo general, la industria sigue la norma internacional ISO 14644-1 (Clasificación de la limpieza del aire), pero las normas reales aplicadas en la industria de semiconductores suelen ser muy superiores al nivel general.
1. La clasificación de limpieza se ajusta a las aplicaciones de semiconductores
La norma ISO 14644-1 utiliza como índice de clasificación "el número de partículas ≥ un tamaño de partícula específico por metro cúbico de aire". La industria de semiconductores utiliza principalmente las clases ISO 1 a 5 (mientras que las salas blancas industriales ordinarias son sobre todo de clase 8 a 9), y a los distintos procesos corresponden niveles diferentes:
I. Control de partículas de aire: El núcleo del núcleo
En la fabricación de semiconductores, incluso una partícula con un diámetro inferior a 0,1μm (aproximadamente 1/500 del diámetro de un cabello humano) adherida a la superficie de una oblea puede provocar el desguace del chip. Por lo tanto, la concentración de partículas es la base fundamental para la clasificación de las salas limpias. Por lo general, la industria sigue la norma internacional ISO 14644-1 (Clasificación de la limpieza del aire), pero las normas reales aplicadas en la industria de semiconductores suelen ser muy superiores al nivel general.
1. La clasificación de limpieza se ajusta a las aplicaciones de semiconductores
La norma ISO 14644-1 utiliza como índice de clasificación "el número de partículas ≥ un tamaño de partícula específico por metro cúbico de aire". La industria de semiconductores utiliza principalmente las clases ISO 1 a 5 (mientras que las salas blancas industriales ordinarias son sobre todo de clase 8 a 9), y a los distintos procesos corresponden niveles diferentes:
| Clase de limpieza (ISO 14644-1) | Partículas de control del núcleo (tamaño de las partículas) |
Número máximo de partículas por metro cúbico |
Escenarios típicos de aplicación de semiconductores |
| Clase 1 | 0,1μm、0,2μm | 0,1μm: ≤1 pieza; 0,2μm: ≤0 piezas. | Procesos avanzados de 5nm e inferiores (como litografía EUV, unión de obleas) |
| Clase 2 | 0,1μm、0,2μm | 0,1μm: ≤2 piezas; 0,2μm: ≤1 pieza. | Procesos de 7-14nm (como grabado, deposición de película fina) |
| Clase 5 | 0,1μm、0,5μm | 0,1μm: ≤1000 piezas; 0,5μm: ≤29 piezas. | Procesos maduros de 28 nm y superiores (como limpieza y difusión) |
2. Control de la fuente de partículas
El personal es la mayor fuente de partículas (cada persona genera entre 1 y 10 millones de partículas por minuto). Deben llevar trajes, máscaras, guantes y calzado sin polvo. Antes de entrar en la sala blanca, pasan por una ducha de aire (flujo de aire a alta presión para eliminar partículas) y una cámara de bloqueo de aire (para equilibrar la presión y bloquear el aire exterior).
Los equipos de producción (como las máquinas de fotolitografía y grabado) deben disponer de una unidad de limpieza local para contener las partículas durante el funcionamiento. Selle las conexiones de los equipos con el suelo y las paredes para detener la acumulación de polvo.
Control de materiales: Las obleas, fotorresistencias y otros materiales deben entrar en la sala blanca a través de la "ventana de transferencia libre de polvo" (con desinfección ultravioleta y purificación del flujo de aire), y el embalaje exterior debe retirarse y limpiarse fuera de la sala blanca. El carro de transporte de material debe estar equipado con un motor sin escobillas (para evitar que se caiga el polvo de carbón), y las ruedas deben estar fabricadas con materiales antiestáticos y libres de polvo.
Ii. Control de temperatura y humedad: Requisitos de precisión a nivel de micras
Los procesos de semiconductores, como la fotolitografía y la deposición de películas finas, son muy sensibles a los cambios de temperatura y humedad. Las fluctuaciones de temperatura pueden provocar la expansión o contracción de la oblea, lo que afecta a la alineación (por ejemplo, un cambio de 1℃ provoca una desviación de 0,1μm). Los cambios de humedad pueden afectar a la adhesión de la película fotorresistente o metálica y provocar la acumulación de electricidad estática.
1. 1. Control de la temperatura
Rango de control: Generalmente, se requiere que sea de 23℃±0,1℃ a ±0,5℃ (±0,1℃ para procesos avanzados, y ±0,5℃ para procesos maduros), y la diferencia de temperatura entre diferentes áreas en el cuarto limpio (como el área de fotolitografía y el área de grabado) debe ser ≤0,3℃.
Modo de control: Se adopta el "Sistema de climatización de temperatura y humedad constantes (MAU+AHU)". La temperatura se controla en tiempo real mediante sensores de precisión, y se regula en combinación con ventiladores de frecuencia variable y serpentines eléctricos de calefacción/agua fría para garantizar una temperatura uniforme del flujo de aire (evitando puntos calientes locales).
2. Control de la humedad
Rango de control: Generalmente, se requiere una humedad relativa (RH) de 45%±5% (para algunos procesos, como la metalización del aluminio, se necesita RH≤30% para evitar la oxidación del aluminio; para los procesos de fotolitografía, se requiere estabilidad de la RH para evitar la absorción de humedad del fotorresistente).
Método de control: Reducir la humedad mediante un deshumidificador (deshumidificación rotativa o deshumidificación por refrigeración), o ajustar la humedad mediante humidificación por vapor (utilizando agua purificada para evitar que las impurezas del agua entren en el aire), garantizando que la fluctuación de humedad sea ≤2% por hora.
Iii. Organización del flujo de aire: El flujo unidireccional es dominante para evitar esquinas muertas
El diseño del flujo de aire de una sala blanca debe garantizar que "las partículas se descarguen continuamente y no permanezcan ni circulen por encima de las obleas". El modo central es el flujo unidireccional vertical (flujo laminar), mientras que algunas zonas auxiliares adoptan el "flujo unidireccional horizontal" o el "flujo no unidireccional (flujo turbulento)".
Flujo unidireccional vertical (zona central de producción)
Principio El techo de la sala blanca está equipado con "filtros de aire de alta eficacia (HEPA)" o "filtros de aire de eficacia ultra alta (ULPA)". Tras pasar por los filtros, el aire fluye verticalmente hacia abajo a una velocidad uniforme de 0,2 a 0,5 m/s (similar a una "cascada de aire"), empujando las partículas hacia el suelo y descargándolas después a través de los orificios de aire de retorno situados en el suelo. Forma un "canal de flujo de aire unidireccional de arriba abajo".
La uniformidad del flujo de aire debe ser ≥90% (es decir, la diferencia de velocidad del flujo de aire entre distintas zonas debe ser ≤10%), y deben evitarse los "vórtices de flujo de aire" (que pueden provocar la retención de partículas). La tasa de cobertura del filtro debe ser ≥90% (100% de cobertura total para procesos avanzados), y los filtros deben inspeccionarse periódicamente (por ejemplo, mediante pruebas de integridad) para evitar fugas.
2. Zonas auxiliares (como vestuarios, zonas de almacenamiento temporal de material)
Se adopta el "flujo no unidireccional", y el aire se purifica mediante filtros HEPA montados en la pared o en el techo. La concentración de partículas se controla en ISO Clase 6 a Clase 7, lo que puede cumplir los requisitos de funcionamiento del personal y transición de materiales.
Iv. Control de la presión: Evitar la entrada de contaminación externa
La sala limpia debe mantener una presión positiva (en relación con el entorno exterior) para evitar que el aire sucio del exterior se filtre a través de huecos como los de las puertas y las juntas de las tuberías. Al mismo tiempo, las zonas con distintos niveles de limpieza deben mantener un "gradiente de presión" para garantizar que el aire fluya de la zona de mayor limpieza (como la clase 1) a la zona de menor limpieza (como la clase 5), evitando que las partículas de la zona de menor limpieza se difundan en la zona de mayor limpieza.
1. Requisitos de diferencia de presión
Presión positiva entre la sala blanca y la atmósfera exterior: ≥15Pa (aproximadamente 0,06 pulgadas de columna de agua);
Presión positiva entre la zona de alta limpieza (como la zona de litografía) y la zona adyacente de baja limpieza (como el pasillo) : ≥5 a 10Pa;
Las zonas especiales (como la sala de tratamiento de líquidos residuales químicos y la sala de almacenamiento de fotorresinas) deben mantener una presión negativa (≤-5Pa) para evitar la propagación de gases nocivos o compuestos orgánicos volátiles (COV) a la zona de producción.
2. Modo de control
El volumen de aire de escape se controla mediante la "regulación de frecuencia variable de la válvula de aire de retorno", y en combinación con la salida estable del volumen de aire de admisión, la presión se mantiene estable. Deben instalarse sensores de presión en cada zona para controlar la diferencia de presión en tiempo real. Cuando se produzca una anomalía, se activará una alarma automática y se realizarán los ajustes necesarios.
V. Control de contaminantes químicos: Control de trazas
En los procesos de semiconductores, los contaminantes químicos a nivel molecular presentes en el aire (como iones metálicos, compuestos orgánicos volátiles (COV) y gases ácidos o alcalinos) pueden contaminar la superficie de las obleas y afectar a los circuitos.
El personal es la mayor fuente de partículas (cada persona genera entre 1 y 10 millones de partículas por minuto). Deben llevar trajes, máscaras, guantes y calzado sin polvo. Antes de entrar en la sala blanca, pasan por una ducha de aire (flujo de aire a alta presión para eliminar partículas) y una cámara de bloqueo de aire (para equilibrar la presión y bloquear el aire exterior).
Los equipos de producción (como las máquinas de fotolitografía y grabado) deben disponer de una unidad de limpieza local para contener las partículas durante el funcionamiento. Selle las conexiones de los equipos con el suelo y las paredes para detener la acumulación de polvo.
Control de materiales: Las obleas, fotorresistencias y otros materiales deben entrar en la sala blanca a través de la "ventana de transferencia libre de polvo" (con desinfección ultravioleta y purificación del flujo de aire), y el embalaje exterior debe retirarse y limpiarse fuera de la sala blanca. El carro de transporte de material debe estar equipado con un motor sin escobillas (para evitar que se caiga el polvo de carbón), y las ruedas deben estar fabricadas con materiales antiestáticos y libres de polvo.
Ii. Control de temperatura y humedad: Requisitos de precisión a nivel de micras
Los procesos de semiconductores, como la fotolitografía y la deposición de películas finas, son muy sensibles a los cambios de temperatura y humedad. Las fluctuaciones de temperatura pueden provocar la expansión o contracción de la oblea, lo que afecta a la alineación (por ejemplo, un cambio de 1℃ provoca una desviación de 0,1μm). Los cambios de humedad pueden afectar a la adhesión de la película fotorresistente o metálica y provocar la acumulación de electricidad estática.
1. 1. Control de la temperatura
Rango de control: Generalmente, se requiere que sea de 23℃±0,1℃ a ±0,5℃ (±0,1℃ para procesos avanzados, y ±0,5℃ para procesos maduros), y la diferencia de temperatura entre diferentes áreas en el cuarto limpio (como el área de fotolitografía y el área de grabado) debe ser ≤0,3℃.
Modo de control: Se adopta el "Sistema de climatización de temperatura y humedad constantes (MAU+AHU)". La temperatura se controla en tiempo real mediante sensores de precisión, y se regula en combinación con ventiladores de frecuencia variable y serpentines eléctricos de calefacción/agua fría para garantizar una temperatura uniforme del flujo de aire (evitando puntos calientes locales).
2. Control de la humedad
Rango de control: Generalmente, se requiere una humedad relativa (RH) de 45%±5% (para algunos procesos, como la metalización del aluminio, se necesita RH≤30% para evitar la oxidación del aluminio; para los procesos de fotolitografía, se requiere estabilidad de la RH para evitar la absorción de humedad del fotorresistente).
Método de control: Reducir la humedad mediante un deshumidificador (deshumidificación rotativa o deshumidificación por refrigeración), o ajustar la humedad mediante humidificación por vapor (utilizando agua purificada para evitar que las impurezas del agua entren en el aire), garantizando que la fluctuación de humedad sea ≤2% por hora.
Iii. Organización del flujo de aire: El flujo unidireccional es dominante para evitar esquinas muertas
El diseño del flujo de aire de una sala blanca debe garantizar que "las partículas se descarguen continuamente y no permanezcan ni circulen por encima de las obleas". El modo central es el flujo unidireccional vertical (flujo laminar), mientras que algunas zonas auxiliares adoptan el "flujo unidireccional horizontal" o el "flujo no unidireccional (flujo turbulento)".
Flujo unidireccional vertical (zona central de producción)
Principio El techo de la sala blanca está equipado con "filtros de aire de alta eficacia (HEPA)" o "filtros de aire de eficacia ultra alta (ULPA)". Tras pasar por los filtros, el aire fluye verticalmente hacia abajo a una velocidad uniforme de 0,2 a 0,5 m/s (similar a una "cascada de aire"), empujando las partículas hacia el suelo y descargándolas después a través de los orificios de aire de retorno situados en el suelo. Forma un "canal de flujo de aire unidireccional de arriba abajo".
La uniformidad del flujo de aire debe ser ≥90% (es decir, la diferencia de velocidad del flujo de aire entre distintas zonas debe ser ≤10%), y deben evitarse los "vórtices de flujo de aire" (que pueden provocar la retención de partículas). La tasa de cobertura del filtro debe ser ≥90% (100% de cobertura total para procesos avanzados), y los filtros deben inspeccionarse periódicamente (por ejemplo, mediante pruebas de integridad) para evitar fugas.
2. Zonas auxiliares (como vestuarios, zonas de almacenamiento temporal de material)
Se adopta el "flujo no unidireccional", y el aire se purifica mediante filtros HEPA montados en la pared o en el techo. La concentración de partículas se controla en ISO Clase 6 a Clase 7, lo que puede cumplir los requisitos de funcionamiento del personal y transición de materiales.
Iv. Control de la presión: Evitar la entrada de contaminación externa
La sala limpia debe mantener una presión positiva (en relación con el entorno exterior) para evitar que el aire sucio del exterior se filtre a través de huecos como los de las puertas y las juntas de las tuberías. Al mismo tiempo, las zonas con distintos niveles de limpieza deben mantener un "gradiente de presión" para garantizar que el aire fluya de la zona de mayor limpieza (como la clase 1) a la zona de menor limpieza (como la clase 5), evitando que las partículas de la zona de menor limpieza se difundan en la zona de mayor limpieza.
1. Requisitos de diferencia de presión
Presión positiva entre la sala blanca y la atmósfera exterior: ≥15Pa (aproximadamente 0,06 pulgadas de columna de agua);
Presión positiva entre la zona de alta limpieza (como la zona de litografía) y la zona adyacente de baja limpieza (como el pasillo) : ≥5 a 10Pa;
Las zonas especiales (como la sala de tratamiento de líquidos residuales químicos y la sala de almacenamiento de fotorresinas) deben mantener una presión negativa (≤-5Pa) para evitar la propagación de gases nocivos o compuestos orgánicos volátiles (COV) a la zona de producción.
2. Modo de control
El volumen de aire de escape se controla mediante la "regulación de frecuencia variable de la válvula de aire de retorno", y en combinación con la salida estable del volumen de aire de admisión, la presión se mantiene estable. Deben instalarse sensores de presión en cada zona para controlar la diferencia de presión en tiempo real. Cuando se produzca una anomalía, se activará una alarma automática y se realizarán los ajustes necesarios.
V. Control de contaminantes químicos: Control de trazas
En los procesos de semiconductores, los contaminantes químicos a nivel molecular presentes en el aire (como iones metálicos, compuestos orgánicos volátiles (COV) y gases ácidos o alcalinos) pueden contaminar la superficie de las obleas y afectar a los circuitos.
