温湿度控制在半导体制程中的作用研究.pdf

今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 1032 0 2 3 年第5 期2023 No.5半导体是一种材料，其常温下电学性质介于导体和绝缘体之间，在工业和科技领域中，应用广泛。其中最显著的包括：集成电路。在一个芯片上集成了上亿个微型电子设备和器件，如计算机、智能手机、平板电脑等。太阳能电池板。一种可再生能源装置，其利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能。光电子器件。包括激光器、LED 等，这些器件都基于半导体的发光效应来实现高效能源转换。传感器。广泛应用于计量、监测、测量各种指标，如温度、压力、光线等。总的来说，半导体作为一种优良的材料，将继续发挥其在电子设备和器件制造中的重要作用，随着科学技术的不断进步，半导体的应用领域也将不断扩大。1 温湿度环境控制措施温度是影响半导体器件电学性能的一个非常重要的因素。在半导体工艺中，晶圆需要经过多次高温处理，每个步骤对应着一个特定的温度和时间范围，要求非常严苛。如果温度不稳定或者温度过高、过低，将使得器件的电学性能出现不同程度的变化，甚至导致器件失效。湿度也会对半导体器件产生很大的影响。湿度过高时，半导体器件表面可能会出现水珠，导致器件短路或介质损坏。而湿度过低则可能引起静电放电，进而损坏电子元件。温湿度环境控制措施如下。（1）清洗流程中。清洗流程是半导体制造中最基础也是最关键的步骤之一。在清洗过程中，须保持恰当的温湿度条件，以确保清洗效果和半导体片的质量。温度太低会导致清洗液的粘度增大，降低清洗效果；温度太高则会导致清洗液挥发速度加快，清洗效果也会下降。湿度太高会导致清洗液的挥发速度减缓，影响清洗效果；湿度太低则会使清洗液的挥发速度加快，降低清洗效果。因此，在清洗流程中，须根据不同的清洗液类型和清洗条件，选择合适的温湿度条件，以确保清洗效果和半导体片的质量。（2）晶圆生长流程中。晶圆生长是半导体制造中最关键的步骤之一。在晶圆生长过程中，需要控制温度和湿度，以确保晶体的结构和质量。温度太高会使杂质和氧化物的扩散速度加快，影响晶体的纯度和晶格结构；温度太低则会导致结晶速率下降，晶体质量也会下降。湿度太高会导致晶体表面产生氢氧化物，影响晶体的表面质量；湿度太低则会导致晶体表面干燥，影响晶体的生长速率和表面平整度。因此，控制合适的温湿度条件，以确保晶体的质量和表面平整度。（3）光刻流程中。温度和湿度会影响光刻胶的性能和光刻过程中的稳定性。例如，温度和湿度的变化可能导致光刻胶的黏度和干燥时间发生变化，影响光刻胶的均匀性和分辨率。此外，温度和湿度的变化还可能导致光刻过程中的偏差和误差，从而影响芯片的制造质量和性能。因此，严格的温湿度控制可以提高光刻过程的稳定性，从而提高芯片的制造质量和性能。（4）氧化和沉积流程中。氧化和沉积是半导体制造中重要的工艺步骤。需要控制合适的温湿度条件，以确保氧化和沉积膜的厚度、质量和均匀性。温度太摘 要结合温湿度控制在半导体工艺各流程中的重要性，论述了不同工艺步骤专用设备，对温湿度的控制的必要性，对所处的洁净室环境提出了更高要求。随着半导体制程进入纳米级，温湿度控制要求更精细化、智能化。确保半导体的质量和器件的性能，可以提高生产效率和减少生产成本。因此，在半导体工艺的设计和运行中，必须充分考虑温湿度控制这一因素。关键词半导体设备；工艺制程；模块化；静电放电中图分类号TN305 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05010303The Function Of Temperature&Humidity Control In Semiconductor ProcessWANG Lihe，ZHANG Mingsong，GAO XiaoxuAbstractCombined with the importance of temperature and humidity control in each process of semiconductor technology,the paper discusses the special equipment of different process steps,the necessity of temperature and humidity control,put forward higher requirements for the clean room environment.With the semiconductor process into the nano level,temperature and humidity control requirements more refined,intelligent.Thus,the quality of the semiconductor and the performance of the device can be ensured,and the production efficiency can be improved and the production cost can be reduced.Therefore,in the design and operation of semiconductor process,temperature and humidity control must be fully considered.Keywordssemiconductor equipment;process;modular;electrostatic discharge温湿度控制在半导体制程中的作用研究王丽鹤，张明松，高晓旭（沈阳芯源微电子设备股份有限公司，辽宁沈阳110168）今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application104 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5高或太低会影响氧化和沉积反应的速率和均匀性，影响膜的质量和均匀性。湿度太高或太低则会影响氧化和沉积反应的速率和均匀性，影响膜的质量和均匀性。因此，控制合适的温湿度条件，以确保氧化和沉积膜的品质和均匀性。（5）控制静电释放，提高产品电学性能。静电放电问题是困扰半导体等众多微电子器件的顽疾，直接影响生产成品率、制造成本、产品质量等。随着集成电路特征尺寸的减小，静电放电对微电子器件的危害却越来越严重。静电放电需要在加工材料选择、工艺流程优化、生产环境温湿度控制等众多环节加以严格限制，其过程复杂，管控起来难度较大。静电对半导体制程的危害主要表现在设备损坏、制程缺陷、数据误差。静电放电会瞬间产生高电压、高电流，导致半导体设备受损，降低制造效率、增加制造成本。半导体设备因为其特殊的制造工艺和高要求的性能特征，如果被静电损坏，将会非常严重，甚至丧失成本效益。静电放电还会破坏半导体器件表面的氧化层。因为制造过程中，半导体材料表面需要通过清洗、刻蚀等工艺处理，形成高规格的氧化层，以防止其表面受到污染和损伤。然而，在静电放电的情况下，由于电子的高能量和电荷数量会使得局部电场突变，破坏氧化层的完整性，产生制程缺陷，导致生产不良品。静电放电还会干扰电路信号，造成数据误差。由于半导体需要进行精确的信号传输，静电放电会产生电磁干扰，引起电路信号的干扰、数字误码比例增加等问题，进而导致数据传输错误，影响产品质量。（6）控制颗粒产生，提高产品良率。随着集成电路由微米级向钠米级发展，非常小的粒子都可能造成缺陷的产生，严重影响整片晶片的最终良率，温湿度控制是半导体先进制程的重要参数，对颗粒控制的影响也是不可忽视的。温度。低温度可以减少颗粒的产生和增加颗粒的沉积速度。高温度则可能加速颗粒的形成，因此必须控制在适当的范围内。湿度。高湿度条件下，颗粒会吸收水分，增加颗粒的重量和体积。此外，湿度还会影响颗粒的电荷状态和静电吸引力，从而影响颗粒的沉降速度和分布。气流。空气流动是控制颗粒沉降速度和分布的另一个关键因素。适当的气流可以将颗粒带到适当位置进行沉降，有利于减少空气中的颗粒浓度。空气质量。温湿度的不良条件可能导致空气中的颗粒增多，影响空气质量。控制适当的温湿度环境，可以减少颗粒的产生和增加颗粒的沉降速度，从而实现颗粒的控制和减少空气中的颗粒浓度。综上所述，只有通过科学的温湿度环境控制措施才能够确保产品质量和可靠性，同时提高生产效率和降低生产成本。因此，发展合适的温湿度环境控制技术是未来半导体制成的重要方向之一。2 半导体环境的温湿度控制范围温湿度在一定范围内时，静电产生的可能性最小。一般来说，温度和湿度越高，静电产生的机会就越大。为了保证静电的最小化，需要控制温湿度指标。温度需要控制在1624 之间，其中22 是最理想的。如果温度超过30，则静电的产生会快速增加。相对湿度需要控制在30%50%的范围内，其中40%是最理想的。如果湿度低于30%，就会导致静电的产生和积累。在湿度高于60%的时候，容易出现设备和产品受潮、生锈、霉变等问题。2.1 温度指标（1）进口温度：通常指进入生产工厂的气温，一般要维持在2028 之间，可以根据当地的气候条件进行适当调整。（2）生产区温度：指半导体生产所使用的区域温度，一般要求维持在2224 之间。一般要求维持在23 1。（3）工艺环境温度：指半导体制造环境中的温度，一般要求维持在23 0.1，湿度43%3%之间。2.2 湿度指标（1）相对湿度：指空气中水蒸气的含量，一般要求维持在40%50%之间。（2）设备内湿度：指半导体装备内部的湿度，需要根据材料的不同和制造工艺的要求进行精确的湿度控制，正常规范要控制在：40%50%0.5%。（3）清洁室湿度：指半导体制造过程中清洁室的湿度控制，通常要求维持在50%左右。总之，在半导体制造过程中，温湿度控制对于保证元件的质量、可靠性和寿命非常重要。因此，需要严格遵守相应的温湿度指标，并采用合适的控制方法和设备进行监测和调节。3 温湿度的控制方法在半导体行业中，洁净室的作用在于控制半导体产品所接触的大气洁净度及温湿度，使产品能够在一个良好的环境空间中生产、制造。为了消除影响，满足先进半导体制程节点的需要，保证洁净恒温恒湿间的温度、湿度及洁净度要求，具体采用MAU+FFU+DCC（两级）空调系统的方法。半导体洁净室厂房通常采用新风空调箱（Makeup Air Unit，MAU）+风机过滤单元（Fan Filter Unit，FFU）+干冷盘管（Dry Cooling Coil，DCC）的设计，即新风空调箱 MAU 将具有一定洁净等级和温湿度的新风送到洁净室的回风通道中，与循环回风进行混合后进入洁今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 1052 0 2 3 年第5 期2023 No.5净室吊顶上方，通过风机过滤单元 FFU 后进入洁净室生产区域，从而基本达到无尘室的温湿度要求。合格的洁净室参数指标皆通过控制洁净室空调系统来实现，因此，一套技术先进、运行稳定可靠且维护方便的空调控制系统，便成为建造半导体晶圆厂洁净室时需要考虑的关键问题。半导体晶圆制造厂的FMCS（厂务中央监控系统），基于 PLC（可编程逻辑控制器）的分布式控制系统，通过设置合理的控制算法，准确、实时的对温湿度及正压差等洁净室参数进行控制，减少其波动对生产工艺的影响。结合洁净室生产设备的工艺布局，采用 PID 串级控制实现正压差控制并提出新风空调机组的群控策略，保证洁净室新风量的持续稳定供应。通过短信报警系统能够将控制系统硬件故障、大型设备故障和洁净室参数超标等报警信息以短信的方式及时发送给操作维护人员进行紧急处理，增强了对现场设备的监控并缩短了故障响应时间。不同工艺过程使用的设备，通过模块化设计，都有独立的温湿度控制模块，再进一步控制和稳定设备内的温湿度环境，控制方式为：设计和制造传感器。采用半导体技术，制造适用于中温环境下的湿度传感器和温度传感器。信号放大和转换。将传感器测量到的湿度和温度信号经过放大和转换成为数字信号。控制算法。使用控制算法进行测量数据处理，确定需要调节的温度和湿度参数，并生成相应的控制信号。控制器。将控制信号转化为控制器所需要的信号，并通过控制器控制加热器、制冷器和加湿器、除湿器等设备调整室内温度和湿度。反馈控制。实时监测腔室内温湿度变化，并根据反馈信息不断优化控制算法，保持腔室内温湿度稳定。温湿度控制原理如图1所示。送风温度分程控制器PID控制器温度反馈温度设定值+-洁净室空气一次冷盘管再热盘管图1 温湿度控制原理由于光刻胶层非常薄，所以对温湿度的控制要求非常严格，以保证精度和产品质量的稳定性。如果对温湿度环境要求特别严苛，则需要配备独立的温湿度控制设备。常用配备独立的温湿度控制单元，THC（温度和湿度控制）可以将温度控制在2224，最大波动范围为 0.1，相对湿度控制在40%60%，最大波动范围为 0.5%。总之，半导体制造是一项非常复杂的过程，需要在严格的环境条件下进行。其中，环境的温度、湿度是非常重要的指标参数。纳米级别的半导体材料具有非常高的表面积，因此更容易受到温度和湿度的影响。此外，纳米级别的半导体材料具有非常特殊的电学性质，需要更加精细化、智能化控制温度和湿度，以满足纳米级别制造的苛刻要求。4 结束语综上所述，半导体工艺的发展面临着前所未有的技术挑战。随着特征尺寸的减小，新材料以及新结构的导入都给半导体工艺提出了新的要求。特征尺寸的减小，不但要求能实现超精细的图形加工，能精确控制图形的形状，还要能够控制形状表面能量状态等诸多要素；新结构（如 FinFET，3DNAND 等）的引入，需要能够在精确控制三维，高深宽比的结构的同时避免不必要的形状损伤；新材料的引入，需要在享受带来提高性能的同时，避免其对工艺整合的影响。而这些新的工艺上的要求，都给设备技术提出了挑战。如何有效的控制缺陷就成为了未来半导体生产设备的重要课题。参考文献1 姜德亮.基于 PLC 的半导体洁净室空调控制系统的设计与应用 D.大连：大连理工大学，2015.2 王延盛.洁净室空调自动化控制 PLC 控制系统的应用 J.科技风，2016（20）：61.3 徐涛.静电放电机理、影响及离子发生器在电子设备静电防护上的应用研究 J.电子工业专用设备，2009（8）：46-50.4 陈行忠.半导体洁净室温湿度控制J.淮南师范学院学报，2009（3）：16-19.5 孙可平，赵俊萍.集成电路绝缘氧化层 ESD 击穿机理探讨 J.中原工学院学报，2003（S1）：24-25.6 杨荣，陈丽红，冯黎.半导体制造设备的进步支撑半导体产业的持续发展 J.集成电路应用，2015（4）：30-33.