第五章 污染控制
5.1 概述
在这一章中, 将解释污染对器件工艺, 器件
性能和器件可靠性的影响, 以及芯片生产区域存
在的污染类型和主要的污染源 。 同时也简要介绍
洁净室规划, 主要的污染控制方法和晶片表面的
清洗工艺等 。
5.2 污染类型
微粒 金属离子 化学物质 细菌
? 微粒 器件对污染物的敏感度取决于特征图形的
尺寸和晶体表面沉积层的厚度。由于特征图形尺
寸越来越小，膜层厚度越来越薄，所允许存在的
微粒 尺寸也必须控制在更小的尺度上。
经验告诉我们, 微粒的大小要小于器件上最小
特征图形尺寸的 1/10。 （ 就是说直径为 0.03微米的
微粒将会损坏 0.3微米线宽大小的特征图形 。 ） 否则
会造成器件功能的致命伤害 。 人类毛发的直径
1米微
1 c m = 1 0 0 0 0 米微
? 金属离子 无论是单晶制造还是工艺过程中人
为掺杂, 在引入有用杂质的同时也不可避免地引
入一些其他有害的杂质, 特别是金属杂质 。 并且
是以离子形式出现的而且是移动的 。 当这些移动
的离子超过一定数量时, 同样会引起器件的失效 。
因此, 这些可移动的离子必须控制在一定范围内 。
除此之外, 钠也是最常见的可移动离子污染
物, 而且移动性最强, 因此, 对钠的控制也成为
芯片生产的首要目标 。
可移动污染物问题特别是对 MOS器件影响更为
明显, 因为 MOS器件是表面电荷控制器件 。
1010
? 化学品 器件生产过程中化学品的应用是不可避
免的，有些化学品将导致晶片表面受到不必要的
刻蚀，或者生成无法除去的化合物等，氯就是其
中之一的污染物，所以，工艺过程中用到的化学
品氯的含量必须受到严格控制。
? 细菌 主要来源于水中，是一种生成物。细菌一
旦形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入
不希望的金属离子。
? 污染的影响
器件工艺的良品率 器件性能 器件的可靠性
5.3 污染源
下面将讨论对器件生产中产生影响的各类污
染的来源, 性质及其控制 。 从 LSI出现以来, 污染
控制就突现出来它的重要性 。 如今污染控制本身
已成为一门科学, 是制造半导体器件必须掌握的
关键技术之一 。
5.3.1 普通污染源
实际上芯片生产过程中任何与产品相接触的
物质都是潜在的污染源 。 主要有,
空气 厂房设备 工作人员 使用的水
化学溶剂 化学气体 静电
5.3.2 空气 普通空气中含有许多污染物, 主要是
可在空气中传播的颗粒 （ 一般是微粒或浮尘 ）,
颗粒的相对尺寸如下图所示 （ 单位是：微米 ） 。
浮质
金属尘埃
水泥
尘埃
烟尘
杀虫剂微粒
人类毛发
的直径
1
0
0
0
05
0
0
0
1
0
0
0
5
0
0
1
0
0
5010510
.
5
0
.
1
0
.
0
5
0
.
0
1
0
.
0
0
5
0
.
0
0
1
这些微小颗粒的主要问题是在空气中长时间
漂浮。而洁净工作室的洁净度就是由空气中的微
粒大小和微粒含量决定的。
美国联邦标准 209E规定空气质量由区域空气
级别数 来决定的。标准按两种方法设定，一是 颗
粒的大小,二是 颗粒的密度。
而 级别数 是指 在一立方英尺中含有直径为 0.5
微米或更大的颗粒总数 。
一般城市空气中通常包含烟、雾、气，每立方
英尺多达 500万个颗粒，所以是 500万级。
图 5.6显示了标准 209E规定的颗粒直径与颗粒
密度的关系。
? 不同环境下洁净级别数与对应的颗粒大小
环境 级别数 最大颗粒
尺寸限度
（微米）
2 5 6 M B 存加工车间内
微环境
超大规模集成电路加工车间
特大规模集成电路加工车间
空气层流立式
工作台装配区
库房
室外
0, 0 1
0, 1
1
10
1 0 0
1 0 0 0 ~ 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
> 5 0 0 0 0 0
< < 0, 1
< 0, 1
0, 1
0, 3
0, 5
0, 5
5.3.3 净化空气的方法
洁净室的设计是要使生产免污染芯片的能力
更完整化 。 设计时的主要思路是保持加工车间中
空气的洁净 。 另外提高生产自动化水平也是降低
污染的一种有效方法 。 共有 4种不同的洁净室设计
方法,
? 洁净工作台
? 隧道型设计
? 完全洁净室
? 微局部环境
具体就不作详细的介绍，下面通过几组图片
的浏览使大家有个初步的印象。
电离栅板 空气流
空气层
流立式工作台
接地
腕带
在线
电离件
接地站垫
5.4.3 人员产生的污染
工作区人员也是最大的污染源之一 。 即使一
个经过风淋的洁净室操作员, 当他坐着时, 每分
钟也可释放 10万到 100万个颗粒, 当人员移动时,
这个数字还会大幅增加 。 这些颗粒都是来自脱落
的头发和坏死的皮肤 。 其他的颗粒源还有象化妆
品, 染发剂和暴露的衣服等 。 图 5.18列出了从不
同操作人员的动
作中产生的污染物的
水平 。
正常呼吸 无微粒
吸烟后吸烟者的呼吸
喷嚏
安坐
手摩擦脸
步行
用脚跺地板
5 0 0 %
2 0 0 0 %
2 0 %
2 0 0 %
2 0 0 %
5 0 0 0 %
5.4.4 工艺用水
在晶园生产的整个过程中, 要经过多次的化学
刻蚀与清洗, 每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲
洗 。 由于半导体器件非常容易受到污染, 所以所
有工艺用水必须经过处理, 达到非常严格洁净度
的要求 。
普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的
污染物, 主要有,
溶解的矿物 颗粒 菌
溶解氧 二氧化碳 有机物
普通水中的矿物来自盐分, 盐分在水中分解为
离子 。 例如食盐会分解为钠离子和氯离子 。 每个
离子都是污染物 。
? 通常采用 反渗透 和 离子交换 系统去除水中的离
子 。 去除离子后的水通常称为 去离子水 。 去离子
水在 25℃ 时的电阻是 18 000 000Ω ·cm, 也就
是一般称为 18MΩ 。 图 5.19显示了当水中含有大
量不同的溶解物质时的电阻值 。
在 VLSI制造中,
工艺水的目标是
18MΩ 。
水中的细菌是通
过紫外线去除 。
电阻
( O h m s c m·
溶解固体
的容量 p p m ) (
1 8 0 0 0 0 0 0
1 5 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0
0, 0 2 7 7
0, 0 3 3 3
0, 0 5 0 0
0, 5 0 0
5, 0 0
5 0, 0 0
2 5 C )?
5.1 概述
在这一章中, 将解释污染对器件工艺, 器件
性能和器件可靠性的影响, 以及芯片生产区域存
在的污染类型和主要的污染源 。 同时也简要介绍
洁净室规划, 主要的污染控制方法和晶片表面的
清洗工艺等 。
5.2 污染类型
微粒 金属离子 化学物质 细菌
? 微粒 器件对污染物的敏感度取决于特征图形的
尺寸和晶体表面沉积层的厚度。由于特征图形尺
寸越来越小，膜层厚度越来越薄，所允许存在的
微粒 尺寸也必须控制在更小的尺度上。
经验告诉我们, 微粒的大小要小于器件上最小
特征图形尺寸的 1/10。 （ 就是说直径为 0.03微米的
微粒将会损坏 0.3微米线宽大小的特征图形 。 ） 否则
会造成器件功能的致命伤害 。 人类毛发的直径
1米微
1 c m = 1 0 0 0 0 米微
? 金属离子 无论是单晶制造还是工艺过程中人
为掺杂, 在引入有用杂质的同时也不可避免地引
入一些其他有害的杂质, 特别是金属杂质 。 并且
是以离子形式出现的而且是移动的 。 当这些移动
的离子超过一定数量时, 同样会引起器件的失效 。
因此, 这些可移动的离子必须控制在一定范围内 。
除此之外, 钠也是最常见的可移动离子污染
物, 而且移动性最强, 因此, 对钠的控制也成为
芯片生产的首要目标 。
可移动污染物问题特别是对 MOS器件影响更为
明显, 因为 MOS器件是表面电荷控制器件 。
1010
? 化学品 器件生产过程中化学品的应用是不可避
免的，有些化学品将导致晶片表面受到不必要的
刻蚀，或者生成无法除去的化合物等，氯就是其
中之一的污染物，所以，工艺过程中用到的化学
品氯的含量必须受到严格控制。
? 细菌 主要来源于水中，是一种生成物。细菌一
旦形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入
不希望的金属离子。
? 污染的影响
器件工艺的良品率 器件性能 器件的可靠性
5.3 污染源
下面将讨论对器件生产中产生影响的各类污
染的来源, 性质及其控制 。 从 LSI出现以来, 污染
控制就突现出来它的重要性 。 如今污染控制本身
已成为一门科学, 是制造半导体器件必须掌握的
关键技术之一 。
5.3.1 普通污染源
实际上芯片生产过程中任何与产品相接触的
物质都是潜在的污染源 。 主要有,
空气 厂房设备 工作人员 使用的水
化学溶剂 化学气体 静电
5.3.2 空气 普通空气中含有许多污染物, 主要是
可在空气中传播的颗粒 （ 一般是微粒或浮尘 ）,
颗粒的相对尺寸如下图所示 （ 单位是：微米 ） 。
浮质
金属尘埃
水泥
尘埃
烟尘
杀虫剂微粒
人类毛发
的直径
1
0
0
0
05
0
0
0
1
0
0
0
5
0
0
1
0
0
5010510
.
5
0
.
1
0
.
0
5
0
.
0
1
0
.
0
0
5
0
.
0
0
1
这些微小颗粒的主要问题是在空气中长时间
漂浮。而洁净工作室的洁净度就是由空气中的微
粒大小和微粒含量决定的。
美国联邦标准 209E规定空气质量由区域空气
级别数 来决定的。标准按两种方法设定，一是 颗
粒的大小,二是 颗粒的密度。
而 级别数 是指 在一立方英尺中含有直径为 0.5
微米或更大的颗粒总数 。
一般城市空气中通常包含烟、雾、气，每立方
英尺多达 500万个颗粒，所以是 500万级。
图 5.6显示了标准 209E规定的颗粒直径与颗粒
密度的关系。
? 不同环境下洁净级别数与对应的颗粒大小
环境 级别数 最大颗粒
尺寸限度
（微米）
2 5 6 M B 存加工车间内
微环境
超大规模集成电路加工车间
特大规模集成电路加工车间
空气层流立式
工作台装配区
库房
室外
0, 0 1
0, 1
1
10
1 0 0
1 0 0 0 ~ 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
> 5 0 0 0 0 0
< < 0, 1
< 0, 1
0, 1
0, 3
0, 5
0, 5
5.3.3 净化空气的方法
洁净室的设计是要使生产免污染芯片的能力
更完整化 。 设计时的主要思路是保持加工车间中
空气的洁净 。 另外提高生产自动化水平也是降低
污染的一种有效方法 。 共有 4种不同的洁净室设计
方法,
? 洁净工作台
? 隧道型设计
? 完全洁净室
? 微局部环境
具体就不作详细的介绍，下面通过几组图片
的浏览使大家有个初步的印象。
电离栅板 空气流
空气层
流立式工作台
接地
腕带
在线
电离件
接地站垫
5.4.3 人员产生的污染
工作区人员也是最大的污染源之一 。 即使一
个经过风淋的洁净室操作员, 当他坐着时, 每分
钟也可释放 10万到 100万个颗粒, 当人员移动时,
这个数字还会大幅增加 。 这些颗粒都是来自脱落
的头发和坏死的皮肤 。 其他的颗粒源还有象化妆
品, 染发剂和暴露的衣服等 。 图 5.18列出了从不
同操作人员的动
作中产生的污染物的
水平 。
正常呼吸 无微粒
吸烟后吸烟者的呼吸
喷嚏
安坐
手摩擦脸
步行
用脚跺地板
5 0 0 %
2 0 0 0 %
2 0 %
2 0 0 %
2 0 0 %
5 0 0 0 %
5.4.4 工艺用水
在晶园生产的整个过程中, 要经过多次的化学
刻蚀与清洗, 每步刻蚀与清洗后都要经过清水冲
洗 。 由于半导体器件非常容易受到污染, 所以所
有工艺用水必须经过处理, 达到非常严格洁净度
的要求 。
普通城市用的水中包含大量洁净室不能接受的
污染物, 主要有,
溶解的矿物 颗粒 菌
溶解氧 二氧化碳 有机物
普通水中的矿物来自盐分, 盐分在水中分解为
离子 。 例如食盐会分解为钠离子和氯离子 。 每个
离子都是污染物 。
? 通常采用 反渗透 和 离子交换 系统去除水中的离
子 。 去除离子后的水通常称为 去离子水 。 去离子
水在 25℃ 时的电阻是 18 000 000Ω ·cm, 也就
是一般称为 18MΩ 。 图 5.19显示了当水中含有大
量不同的溶解物质时的电阻值 。
在 VLSI制造中,
工艺水的目标是
18MΩ 。
水中的细菌是通
过紫外线去除 。
电阻
( O h m s c m·
溶解固体
的容量 p p m ) (
1 8 0 0 0 0 0 0
1 5 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0
0, 0 2 7 7
0, 0 3 3 3
0, 0 5 0 0
0, 5 0 0
5, 0 0
5 0, 0 0
2 5 C )?
