Расчет класса ЧПП (Ещё сборник лекций и материалов от Панфилова)

Методика расчета класса чистоты производственного помещения

К атмосфере чистого производственного помещения (ЧПП) предъявляются требования по давлению, температуре, влажности, статическому электричеству, электромагнитным наводкам, вибрации фундамента, однако важнейшим параметром является концентрация твердых микрочастиц (пыли).

Эффективность производства изделий электронной техники (ИЭТ) во многом зависит от правильного выбора класса чистоты ЧПП, причем необходимо учитывать, что недостаточная чистота воздуха приводит к уменьшению выхода годных ИЭТ, а слишком завышенный класс чистоты приводит к неоправданным расходам на строительство и содержание ЧПП. В мировой практике требования к классу чистоты ЧПП регламентируются Федеральным стандартом США FS-209C (Рис.1).

Согласно этому стандарту каждый класс чистоты характеризуется строго определенной концентрацией микрочастиц C определенного размера d. О приемлемости того или иного класса ЧПП для хранения, транспортировки и обработки ИЭТ, например, интегральных микросхем (ИС) можно судить по геометрическим параметрам ИС, приведенным в Табл.1.

Процесс формирования привносимой дефектности ИС в ЧПП определяется законом движения микрочастиц в воздухе, который зависит от размеров микрочастиц (Рис.2). Для регламентированных стандартом диаметром частиц – 0,1-5 мкм – их движение в воздухе подчиняется законам Стокса и Стокса-Ханингама, а скорость осаждения пропорциональна квадрату диаметра.

1. Динамика развития техники ИС

Показателем влияния атмосферы ЧПП на качество проведения технологического процесса является количество и размеры микрочастиц, осевших на поверхность подложки. Допустимая плотность привносимой дефектности (количество частиц на единице поверхности) определяется типом ИС и заданным или экономически целесообразным выходом годных микросхем. При этом необходимо учитывать два возможных варианта осаждения частиц на поверхность:

- под действием собственного веса со стационарной скоростью V_c, рассчитываемой по закону Стокса;

- из потока прошедшего через фильтры и движущегося со скоростью V_в ламинарного потока воздуха системы вентиляции ЧПП.

Согласно закону Стокса, скорость стационарного осаждения V_c зависит от материала частицы и ее размера, а также от вязкости воздуха:

где d – характерный размер (приведенный диаметр) частиц, м; ρ – плотность материала частиц, кг/м³, g – ускорение свободного падения, м/с², η – динамическая вязкость газа, равная 1,812^.10^-5 Па^.с для воздуха при температуре 293 К.

Так, для частиц из железа (ρ=7,8^.10³ кг/м³) скорость стационарного осаждения для d=0,1 мкм равна V_с=2,3^.10^-6 м/с, а для d=0,5 мкм – V_с=5,9^.10^-5 м/с. Скорость ламинарного потока воздуха системы вентиляции ЧПП лежит в пределах V_лам=0,3-0,5 м/с.

Указанные варианты, однако, определяют лишь границы, в которых находятся реальные значения скоростей движения микрочастиц в атмосфере ЧПП, т.к. существует множество других факторов – различный материал частиц, электрический заряд, магнитный момент, электрический заряд поверхности пластины и другие. Одновременное воздействие этих факторов и сложный характер обтекания полупроводниковой пластины ламинарным потоком воздуха приводит к тому, что не все частицы, движущиеся к пластине, осядут на нее.

Поток осаждающихся на подложку микрочастиц одного размера d_j равен

Здесь C_j – концентрация микрочастиц с размером d_j в атмосфере ЧПП, которую можно определить, используя следующую зависимость

Здесь m – показатель, определяющий класс ЧПП (m=0 – для класса 1, m=1 – для класса 10, m=2 – для класса 100 и т.д., где m – целое число); d_j, мкм; C_j, шт/фут³ (1 фут = 0,3048 м); V_j - скорость осаждения микрочастиц j-го размера для определенного класса ЧПП.

Количество микрочастиц определенного размера d_j, попавших на единицу поверхности подложки, расположенную перпендикулярно скорости движения микрочастиц V_j за время t ее нахождения в ЧПП, т.е. дозу привносимой дефектности, можно рассчитать по следующей формуле

Для определения скорости движения микрочастиц V_j используется эмпирический коэффициент γ_ос.j, зависящий от диаметра микрочастиц (Табл.2) и равный отношению

2. Коэффициент γ_ос

Таким образом, дозу привнесенной дефектности можно рассчитать по следующей формуле

где d_j, мкм; V_лам, м/с; D_j, шт/см².

Величина D влияет на коэффициент выхода микросхем по параметру «привносимая дефектность» с учетом критического размера микрочастиц d_кр и доли φ площади кристалла A, занятой микроструктурами:

Здесь P(d≥d_кр) – доля попавших на подложку микрочастиц с размерами большими, либо равными критическому размеру микрочастиц. При экспоненциальном законе распределения микрочастиц по размерам P(d≥d_кр)=exp(-d_кр/d_ср), где d_ср – средний диаметр микрочастиц.

Последние две формулы позволяют рассчитать класс чистоты производственного помещения, т.е. найти величину m:

Таким образом, для обеспечения заданных параметров микросхем, их выхода годных, необходимого времени нахождения полупроводниковых пластин в атмосфере ЧПП необходимо рассчитать величину m для нескольких размеров микрочастиц в диапазоне от 0,1 до 5 мкм (см. рис.1) и по минимальному значению m выбрать класс ЧПП.