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Abstract
摘 要
PECVD 在芯片成膜与扩散工艺过程中，极易产生缺陷，主要表现在膜厚不均匀或其致密性不足，产生的原因之一是在成膜过程中，环境因素造成腔体内反应体密度分布不均匀，反应速率无法有效控制，解决方法之一是在厂房设计的过程中，考虑PECVD环境要求，包括气流组织形式，洁净等级、温湿度控制、微震控制、和设备动力需求SPEC。本文从PECVD生产工艺出发，讨论PECVD设备对厂房设施（FACILITY）设计，所需要考虑的因素，并针对PECVD设备展示设计依据，方法和步骤，供同行批评借鉴。
During the production process when wafer is produced inside PECVD, the membrane is not homogeneous or the sealant is out of spec. One of the reasons that cause the defect is related to the environment of the cleanroom, utilities and micro-vibration. How to design a facility to address the possible issues required by the process tool? The paper starts with the process of PECVD, requirements over the facility, analysis the solutions during the facility design to avoid the out-of-spec of the process tool to increase the yielding rate of the production.
一.
PECVD工艺特色，产品缺陷的原因分析
PECVD（等离子体化学气相沉积）为半导体关键工艺设备，主要用于薄膜沉积、扩散、或外延等。其原理，是将气态前驱物电离后，形成激发态的活性基团，并利用电场使等离子体扩散到衬底表面，完成薄膜生长。
PECVD能实现低温成膜，有较高的淀积速率，透过离子轰击能够去除芯片表面杂质，增加薄膜的粘附性。
化学气相沉积的方法很多，芯片生产过程中，常见的有等离子体化学气相沉积（PECVD）与高密度等离子体化学气相沉积（HDP-CVD）。
【图1】
等离子体化学气相沉与高密度等离子体化学气相沉积
1）外观
【图2】 PECVD 设备外观
2）设备结构
【图3】PECVD 设备构造
3）PECVD系统架构
主系统架构（平台）
操作界面（Operator Monitor）
传输腔（Load Lock Chamber）
辅助腔（Auxiliary Chamber）
反应腔（Process Chamber）
气压盘（Pneumatics Panels）
气体盘（Gas Panels）
主系统动力盘（Mainframe Facility Panel）
系统控制（System Controller）
电力柜（AC Power Box）
配电箱（Power Distribution Box）
射频柜（RF Generator Rack）
射频发生器（RF Generator）
微波电源 RPS
真空泵 DP（Dry Pump）
分子泵 TMP（Turbo Molecular Pump）
低温泵 CP（Cryogenics Pump）
【图4】膜厚度测试
影响氧化层膜厚的主要变因，大致可分为下列五种：
反应腔的真空度：不同于PVD，CVD工艺一般无高真空度要求。
反应腔的温度：低温，通常在400 °C ~600°C。
反应气压：取决于等离子体浓度与流速.
反应时间：取决于反应速率与所需膜厚。
射频电源功率：取决于所需等离子体浓度。
设备稳定运行的前提下，外部因素为主要考虑。包括：
微震造成气态等离子体浓度或流速不均
(In-consistence of the concentration and flow of the ions-vibration）
芯片定位不准确 (Mis-alignment of the wafer）
电场瞬时脉冲 (Electro-Magnetic Interference）
其他变因：
前驱物气体纯度不足杂质超标
(Bulk Gas or Specialty Gas）
空气分子污染物 AMC
(Airborne Molecular Contamination）
不明颗粒物 (Particle)
建筑设计必需满足洁净室要求，温湿度和压力的要求
结构设计必须满足抗微震要求
设备Utilities必需满足机台的SPEC，并对Utilities回收，处理排放
二.
设计对策
根据确认的产品和工艺要求，以及设计任务书，进行芯片厂区总图规划和建筑单体设计，以及机电系统概念设置。在方案设计过程中，充分考虑技术的可靠性、机电系统及管路走向的高效性和便捷性、运维的方便性和安全性、初期及运维费用的综合考量、以及今后可施工性和可操作性。
A
空间性
芯片的生产不是单向流程而是存在多次反复交叉的过程，生产过程中的氧化、光、蚀刻、表面纯化等对于空间都有不同的洁净度要求。在设计过程中应充分考虑到工艺全流程从而达到生产的要求。
B
功能性
电子产品独有的更新换代快的特点要求相应的生产工艺与设备也要升级换代，因此芯片厂生产空间应具有一定的灵活性和可变性。
C
技术可实施性
芯片厂空间环境的洁净度要求是设计过程中的重要原则，应采取相应技术措施以达到设计需求，对于进入生产空间的人物流及相关设备都应遵循相应原则进行无尘化处理。
D
经济性
经验丰富的工艺工程师对于芯片厂设计的作用举足轻重，通过优化工艺流程，可以合理控制建筑面积，合理化使用流线；高效的空间管道布局则可以降低层高，从而控制建造成本。除此以外，还可与业主沟通是否有产能升级计划，能否进行分期建设，以控制项目初期投资成本。
1）设备布局：
辅助设备层空间利用率：干泵、尾气处理、电柜、气体柜等。
空气分子污染物（AMC）防治：CMP与铜制程尽可能远离黄光与扩散区。
洁净分区与温湿度控制：采自动化物流、物流人流分离、与设备维护SOP。
2）动力系统：
气体种类与规格定义：包括气体纯度、用量、供应方式定义。
化学品种类与规格定义：包括化学品纯度、用量、供应方式定义。
超纯水规格定义：包括特定金属离子含量等。
设备动力接口位置、与数量确定。
3）环境要求:
洁净等级：通常依照ISO洁净等级，或指定控制粒径尺寸与数量。
微震等级：依照设备提供微震曲线，震动测试报告，进行结构设计。
环境温湿度：目前先进制程（<10nm）曝光区温度精度提升至±0.5°C。
电磁干扰：设备布局阶段，针对等离子相关制程，周围8米内无电磁发射源。
【图5】气息组织
设备微震曲线要求
半导体制造过程十分精密，一旦出现震动，即使震动非常微小，也有可能造成设备运转时出现偏差，从而给晶圆半导体生产带来严重的损失。
PECVD以及其他芯片工艺设备，都需要较高等级的微震要求。
设备供应商在厂房设计与建设阶段，应提供最大微震曲线规格，针对不同频率提出加速度值，以便于结构设计。
抗微震方式—结构设计
【图6】 结构设计
定义单台设备的动力总量，包括：动力种类、峰值、均值等信息。
依照设备布局，将动力用量信息标示于图纸，形成可视化的动力分布图。
按照各使用点位置与流量等信息，决定并优化各系统主管与支管位置。
【图7】 动力分布图
【图8】 设计步骤
三.
结 语
为了提高产品的良品率，在设施设计方面必须做好以下三点：
1
通过建筑结构形成和空调设计技术
满足生产机台对环境的要求
2
通过Utilities Matrix满足
机台对动力的SPEC要求
3
通过抗微震满足
机台结构抗微震的需求
Yi Fang
Eric Ting
【征稿启事】
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