Гибридно-пленочные интегральные микросхемы. Чистые помещения

Максим Шмаков
Елена Теплякова
Валерий Паршин

Сейчас многие компании открывают отделы микроэлектроники, но проблема, на наш взгляд, заключается не столько в оборудовании и материалах для данной отрасли, сколько в технологиях создания микроэлектронной аппаратуры (МЭА), способной конкурировать с западными аналогами. Глобальной проблемой также является отсутствие кадров, того самого инженерного состава, который располагает запасом знаний, необходимым для создания конкурентной МЭА.

Эта статья открывает цикл, затрагивающий вопросы создания гибридно-пленочных интегральных схем (ГПИС) и микросборок (МСБ), а именно — тонко- и толстопленочных интегральных схем с дальнейшей их сборкой и герметизацией, а также с промежуточными контрольными операциями. Речь пойдет о том заделе, который был похоронен в начале 90-х годов и который сейчас пытаются возродить за столь короткий период времени.

Технология изготовления ГПИС и МСБ часто связана с повышением степени их интеграции, требующей в свою очередь чистоты не только газов, жидких сред и степени вакуума, но и воздушной среды производственных помещений. Поэтому хочется начать именно с требований электронной гигиены к чистым производственным помещениям (ЧПП), поскольку данная проблема, на наш взгляд, весьма актуальна. Поскольку размеры элементов соизмеримы с размерами микрочастиц, которые, попадая на кристаллы интегральных микросхем (ИМС), могут
стать причиной их выхода из строя, требования к воздушной среде производственных помещений приравниваются к требованиям, предъявляемым к другим технологическим средам. Это определяется характером выполняемых технологических операций и санитарными нормами для обслуживающего персонала. В производстве ИМС установлены жесткие требования электронной гигиены (ЭГ):

• • к микроклимату производственных помещений (запыленности воздушной среды, относительной влажности, температуре, скорости воздушных потоков, перепаду
  давления
  в смежных помещениях);
• к технологическому оборудованию и оснастке (отсутствие вибрации, шума, открытых движущихся частей, использование специальных материалов и др.);
• к производственному персоналу (одежда, правила поведения в рабочих помещениях).

Нельзя просто выбрать хорошее изделие из плохой партии. Нужно так построить технологию и организацию производства, чтобы невозможно было выпустить продукцию низкого качества и надежности — это принципиальная основа современного подхода к обеспечению качества. Важной частью его является технология чистоты.

В микроэлектроннои промышленности требуемый уровень контроля загрязнений и соответствующий класс чистоты помещений определяется минимальным размером топологического элемента или толщины пленки.

Класс чистоты с минимальной концентрацией частиц обычно выбирается исходя из критического размера частиц (-1/10 минимального размера топологического элемента).

На рис. 1 приведены схемы, показывающие влияние загрязняющих частиц на качество ИМС.

Основные термины и определения ЭГ, используемые в производстве ИМС, приведены в таблице 1.

На рис. 2 показана природа микрозагрязнений в воздухе и характерные для них размеры.

Требования к параметрам ТМК

Основными параметрами ТМК являются:

• чистота воздуха;
• температура;
• относительная влажность;
• подвижность воздуха.

Требования к чистоте воздуха Основным признаком, по которому устанавливается уровень чистоты ЧПП, ЧК, рабочих мест и объемов, является массовая концентрация аэрозольных частиц различного размера, содержащихся в 1 литре воздуха. В таблице 2 приведены классы чистоты ЧПП в соответствии с наиболее распространенным в мире до 2000 года Федеральным стандартом США FS 209Е, в котором граничные значения представляют собой концентрацию (число частиц в единице объема) аэрозольных
частиц
диаметром, равным или превышающим значения, указанные в таблице 2.

Чистота по взвешенным в воздухе частицам обозначается классификационным числом N. Максимально допустимая концентрация частиц Сп для каждого данного размера частиц D определяется из уравнения:

где N— классификационное число ИСО, N = 1; 1,1; 1,2…1,9; 2; 2,1…9.

В таблице 3 приведены классы чистоты ЧПП согласно ГОСТ Р ИСО-14644-1.

Максимальное содержание частиц других размеров в ЧПП классов чистоты 1-100 000 определяется по классификационной номограмме запыленности воздушной среды ЧПП для принятых классов ИСО, приведенной на рис. 3.

В таблице 4 приведено соответствие современной классификации ЧПП стандартам, использовавшимся до 2000 года.

В обозначении класса чистоты конкретного ЧПП указывается, при каких размерах частиц проведена аттестация помещения. Например, формулировка «Класс 4 ИСО (при 0,2 мкм и 1 мкм)» относится к воздуху, содержащему не более 2370 частиц/м³ размером 0,2 мкм и выше, не более 83 частиц/м³ размером 1 мкм и выше.

Для производства изделий, изготовляемых по пленочной технологии, рекомендуется устанавливать следующие классы чистоты:

• на рабочих местах для выполнения наиболее критичных операций (фотолитография) — 100;
• на участке в целом (кроме сборки и герметизации) — 1000;
• на участке сборки и герметизации — 10 000.

Примеры применения чистых помещений
для МЭ приведены в таблице 5.

Требования к температуре и относительной влажности

Колебания температуры изменяют линейные размеры оснастки и обрабатываемых объектов, скорости химических реакций, скорости испарения применяемых материалов, показания контрольно-измерительных приборов, параметры ГПИС и МСБ. Поэтому для каждой чувствительной к колебаниям температуры технологической операции устанавливаются нормы допусков на отклонения от оптимальной температуры воздушной среды.

Влажная среда нежелательна при проведении практически всех технологических операций. Абсорбируясь на различных поверхностях, влага и растворенные в ней вещества приводят к образованию нежелательных оксидов и труднорастворимых соединений. При термических обработках на таких поверхностях могут образоваться неровности (эрозия), приводящие к ухудшению параметров ИМС. Влажность воздуха ЧПП стремятся поддерживать минимальной, но не ниже санитарной нормы.

Стандартами установлены следующие допустимые значения точности поддержания температуры воздушной среды: ±0,1; ±0,2; ±0,3; ±0,5; ±1,0; ±5,0.

Выбор значения точности поддержания температуры осуществляется в зависимости от технологических операций, но значения температуры не должны выходить за пределы 20-24 °С.

Также установлены следующие допустимые значения точности поддержания относительной влажности воздушной среды: ±3%; ±5%; ±10%.

Выбор значения точности поддержания относительной влажности осуществляется в зависимости от вида выполняемых в ЧПП операций, но значения относительной влажности не должны превышать 60%.

Для примера в таблице 6 приведены нормативные значения параметров поддержания температуры и относительной влажности для воздуха ЧПП, ЧК и рабочих объемов оборудования для категории работ «легкая-1».

Требования к ЧПП

Обеспечение необходимых параметров ТМК, специфика используемого оборудования и технологических операций определяют планировочное решение, конструкцию ЧК и систему вентиляции воздуха.

Главная цель создания ЧПП — изоляция диэлектрических подложек от влияния окружающей среды — достигается за счет реализации комплекса процессов в системе жизнеобеспечения ЧПП. При этом необходима координация работы энерготехнологического оборудования, учет климатических факторов, психофизиологических аспектов, требований к культуре производства, а также контроль множества характеристик (табл. 7).

Как уже было сказано, к ЧПП относятся помещения классов 1,10,100,1000,10 000,100 000. Рассмотрим только те ЧПП, которые соответствуют классам чистоты 100-100 000, поскольку именно эти классы чистоты применяются в производстве ГПИС и МСБ (табл. 5).

В общем случае в ЧПП существуют ламинарные и турбулентные потоки воздуха, однако в помещениях с чистотой класса выше 1000 допустим только ламинарный поток. Это связано в первую очередь с необходимостью минимизировать вероятное осаждение аэрозольных частиц на диэлектрическую подложку.

Ламинарный воздушный поток может быть реализован во всем объеме ЧПП или на отдельных рабочих местах (чистый коридор, рис. 4), особенности этих конструктивных решений приведены в таблице 8.

При выполнении разных операций в одном помещении класс его чистоты устанавливается по наиболее критичному процессу. Не допускается выполнение технологических операций, требующих высшего класса чистоты, в помещении низшего класса.

Существует шесть основных типов ЧПП (четыре из которых представлены в табл. 9). Требования к ЧПП

Все ЧПП должны соответствовать следующим основным требованиям:

• производственные помещения разделены на чистую рабочую зону и зону технического обслуживания оборудования, при этом рабочие столы и оборудование устанавливаются так, чтобы линия разделения воздушного потока находилась на расстоянии, примерно равном 2/3 ширины технологической зоны (рис. 5). В противном случае основная масса загрязнений от рук оператора распределяется по всей поверхности стола;
• конструкция ЧПП должна быть прочной, герметичной, удобной при монтаже, эксплуатации и уборке, по возможности недорогой, обеспечивать необходимый воздухообмен, обладать теплоизолирующими свойствами и гибкостью к перепланировке;
• материалы, применяемые для интерьера ЧПП, должны быть долговечными, влагостойкими и влагонепроницаемыми, тепло-и звукоизоляционными, коррозионно-стойкими, химически инертными, исключать возможность загрязнений и возгорания, выделения токсичных веществ и накопления статического электричества, не иметь запаха и не сорбировать сильно пахнущие вещества, с гладкими, легко очищаемыми поверхностями. В качестве облицовочных материалов с такими свойствами используются алюминиевые и стальные листы, окрашенные
  термореактивными смолами или покрытые слоем фторопласта;
• двери с гладкими поверхностями, без выступов в сторону производственных помещений;
• окна плотно соединяются с конструкциями;
• полы сплошные с антистатическим покрытием (кроме ЧК класса чистоты 100, где необходимы полы с антистатическим покрытием, двойные, сплошные или с перфорированной поверхностью фальшпола), что способствует быстрому удалению пыли из рабочего пространства вытяжной вентиляцией;
• общий вход в ЧПП оборудован тамбуром для прохода персонала и отдельно для ввоза оборудования и материалов;
• для передачи изделий в ЧК оборудованы передаточные шлюзовые окна;
• оборудованы системами автоматического контроля и регулирования температуры и относительной влажности;
• вход и выход в ЧПП осуществляется только через гардеробы технологической одежды. Вспомогательные санитарно-бытовые помещения для персонала производственных помещений всех классов чистоты должны соответствовать следующим требованиям:
• облицовка стен душевых, умывальных, уборных и других санитарно-гигиенических помещений на всю высоту выполняется из гладких плиточных несгораемых материалов, легко поддающихся влажной уборке;
• уборные и помещения личной гигиены женщин отделяются от производственных помещений, гардеробов технологической одежды и комнат отдыха тамбуром или коридором;
• класс чистоты гардероба технологической одежды не больше, чем на один класс ниже класса соответствующего ЧПП;
• гардеробы технологической одежды оборудованы шкафами с раздельными секциями для хранения домашней и технологической одежды и обуви для персонала, работающего в ЧПП классов чистоты 1000-100 000, скамейками для переобувания. Также должно быть предусмотрено оборудование для раздельного хранения и транспортировки чистой и грязной одежды. Вспомогательные санитарно-бытовые помещения для персонала, работающего в ЧК классов чистоты 100, должны соответствовать требованиям, изложенным выше, и иметь:
• раздельные гардеробы для домашней и технологической одежды второго переодевания;
• умывальные при гардеробах технологической одежды второго переодевания, оборудованные умывальниками с педальным пуском вод, воздушными электрополотенцами;
• уборные, оборудованные унитазами консольного типа со смывными кранами и педальным спуском;
• обдувочные тамбуры-шлюзы с контролируемым подпором относительно ЧК;
• фицированные гардеробы, комнаты отдыха и приема пищи.

Для справки в таблице 10 приведены источники основных возможных загрязнений ЧПП.

В таблице 11 приведен перечень материалов, запрещенных к применению в ЧПП.

Авторам приходилось сталкиваться с одной интересной проблемой, которая заключалась в следующем. Спустя некоторое время после создания на предприятии ЧПП класса чистоты 10 000 с чистой комнатой класса 1000, возникла проблема снижения класса чистоты, что явилось следствием нарушения регламента и правил уборки ЧПП.

Несмотря на то, что соблюдение регламента уборки в ЧПП является обязательной частью ЭГ, к этому пункту относятся, скажем так, пренебрежительно. В конечном счете это отрицательно сказывается на системе кондиционирования и фильтрации воздуха (ЦСКФВ), поскольку она делает за уборщиков дополнительную работу по очистке помещений.

В таблице 12 приведен регламент уборки ЧПП и относящихся к ним вспомогательных помещений.

В заключение хочется привести одну диаграмму (рис. 6).

Из диаграммы видно, что проблема чистых помещений носит комплексный характер. Недостаточно создать собственно чистое производственное помещение, которое обеспечивает нужный класс чистоты при отсутствии технологического оборудования и персонала. Нужно одновременно применять оборудование, выделяющее минимум загрязнений или не выделяющее их вообще, одеть людей в «не-пьглящую» одежду, научить их правильно вести себя и т. д. (но
это уже другая тема, которая требует отдельного рассмотрения). Иначе значительные затраты на создание чистых помещений попросту
бессмысленны…

Литература

1. Энциклопедия машиностроения. Том Ш-8. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. Под ред. Ю. В. Панфилова. Машиностроение. М.: 2000.
2. ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000. чистые производственные помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч. 1. Классификация чистоты воздуха.
3. РД 107.460093.002-90. Требования электронной гигиены к условиям производства изделий специальной микроэлектроники.
4. ОСТ 11 14.3302-87. Изделия электронной техники. Общие технические требования электронной гигиены к чистым помещениям.
5. Материалы семинара «Микротехнологии в сборочном производстве изделий электроники». ЗАО Предприятие ОСТЕК, М.: 2006.