浅析半导体集成电路芯片厂房设计

蒋文

中国电子系统工程第二建设有限公司 浙江杭州 310000

摘要：随着科技技术发展速度不断加快，各领域生产经营建设环节逐渐趋向于现代化、智能化，对半导体集成电路芯片生产也提出了更高要求。与其他厂房建筑物相比，半导体集成电路芯片对厂房环境要求更为严苛，需要加强设计环节管控力度，优化厂房设计方案。针对此，本文以某半导体集成电路芯片厂房为例，提出厂房设计要求，明确厂房设计要点，以期为相关工作人员提供理论性帮助。

关键词：半导体集成电路芯片；厂房；设计

前言：电子行业在国民经济中体系中占据的地位日渐提升，为切实保障半导体集成电路芯片的生产质量，需要做好生产厂房设计工作。针对半导体集成电路芯片生产工艺及对生产环境的各项要求，需确保平面及空间设计、工艺设备布置等更合理化，使半导体集成电路芯片厂房的建设及运行能够切实满足新产品生产需求。

1、工程案例

本文以某半导体集成电路芯片厂房设计工程为例，该厂房设计规定了建筑规模、生产产品类型、耐火等级等。因半导体集成电路芯片生产车间属于洁净车间，设计难度较高，需要设计人员深入研究电子类产品的生产工艺特征及各项技术要求。

2、半导体集成电路厂房技术特征

第一，半导体集成电路厂房的生产产品对空间环境洁净度度要求更高，因此在设计以及技术措施选择过程中需要以维持空间的洁净度为重要目标，合理布置厂房内更衣室、换鞋室、缓冲间等辅助用房，并设计优化吊顶地面布置及材料选择；

第二，半导体集成电路芯片生产具有反复交叉性特征，在芯片生产环节需要进行热氧化、光刻、刻蚀、测试等，工艺流程的往复交叉更为频繁，设计时空间的洁净度需满足不同工序生产要求。结合设计经验，半导体集成电路芯片厂房部分工段如光刻等洁净等级应为100级[1]；

第三，电子产品的更新换代较快，用于生产半导体集成电路的工艺及设备也不断变更，因此厂房空间设计需具备一定的灵活性及可变性，以满足工艺及生产的更新换代要求；

第四，半导体集成电路生产是流水线作业，运输量较大，各项工序紧密结合，厂房建筑空间布局需相对自由，所以，为满足生产流线顺畅，厂房的选址及及跨度设计同样重要。

3、半导体集成电路厂房设计要求

半导体集成电路设计工作主要包括光刻、清洗、离子注入、镀膜等工序，晶圆需要数道流程加工，许多层结构都为纳米级，因此对静电、灰尘等均较为敏感。

3.1半导体集成电路厂房建筑设计要点

在厂房平面设计环节，需着重考虑场地、建筑规模等要素，合理划分厂房结构空间部署。在案例过程中，1~2层厂房主要洁净车间及辅助用房；3~4层为包装，研发及管理用房。洁净区设置为矩形，四周设有洁净走道。洁净区洁净等级为100级，洁净走道为万级，增强了厂房对不同生产工艺的适应性及灵活性。

整个厂房设计着重考虑人流、物流、消防疏散流的协调问题。洁净区与非洁净区分别设置出入口。中间区设置为生产区，两端各设置一个门厅。东侧门厅为人流出入口、西侧门厅为货物出入口及紧急疏散口。

关于消防疏散问题，合理划分防火分区。分散布置疏散口，满足厂房内任意一点最近安全出口的距离符合规范要求，明确各设备用房开门方向及防火门级别等，并注意疏散走道两侧墙体需满足1小时耐火极限。

在剖面空间设计过程中，装配式清洁室的上部需要设置技术夹层，合理布置回风夹道，上送侧回，净化器流组织，清洁室的空气净化设计需要由专业人员负责。

厂房建筑立面设计过程中，主厂房为预制钢筋混凝土大型墙板，在窗顶设置水平，线条立面。厂房装配整体大型屋面板，使用框架填充砖墙，进一步增强厂房建筑整体的稳定性及抗震强度等级。

关于内部装修部分，所有洁净区墙面需根据洁净等级不同采用洁净板封包，或环氧薄涂等做法，吊顶采用FFU或彩钢板吊顶，地面采用PVC卷材地面，或防静电高架地板等，其中高层厂房洁净车间，所有材料均需采用A级材料。

3.2空调配置

半导体集成电路生产期间的加工分辨率多数为10微米以上，比日常中的灰尘颗粒较大，进入到半导体期间或者微加工环节将会粘附在器件的晶圆上，使器件中的精细导线布局受到不利影响[2]。通常情况下，集成电路芯片厂房的净化级别为100级，局部要求10级，封测车间的要求会稍微宽松，但也需要达到千级或万级。
   方案设计时，需根据不同工序要求及洁净等级的不同，采用不同形式的净化空调。如，在层流清洁室、乱流清洁室等对洁净等级要求不同的区域，净化空气调节系统需分开设置。在满足生产要求的情况下，气流组织可以采用局部工作区空气净化以及全室空气净化相结合的方式，以提升运行期间的节能性。对于特气使用较多的厂房，还需要结合生产规范安装新风系统和通风系统。
    空调配置过程中，除需考量净化级别，还需对生产环境中的温湿度进行合理控制。生产温度需满足各项工艺设备运行要求。湿度控制不宜过高或过低，过高造成设备受潮等故障问题；过低会产生静电过大的情况。结合现行设计标准，洁净室的温度值控制在20~30℃之间、湿度控制在40%~60%之间。

3.3防微振设计要求

生产过程中同样需做好防微振工作，举例而言，凸块（Bumping）、研磨切割（COG）压合封装（COF）等工艺段对操作精度要求较高，周围震源均会对其造成影响，因此在设计过程中需对防微振做一定要求：需在设备底部制作独立筏板基础，筏板底部土体须处理至密实状态，避免后期土体沉降与筏板底脱开。

3.4生产配套动力设计

在半导体集成电路芯片生产过程中的水质要求较高，除需防止粉粒污染晶圆问题出现，还应避免水内重金属离子污染晶体管结构，影响到半导体组件的运行特性。

工业镀膜设备生长炉温高，需要将热量及时排走，避免室内温度过高导致安全隐患问题出现[3]。需配备工艺冷却循环水系统，系统中的水质应符合当地水质要求。水体需经严格处理才可循环使用。

在照明设施配置过程中，由于光刻机的光刻作业对紫外线光较为敏感，因此光刻机所在区域的厂房照明设施需采用黄光，工艺设备需根据业主需求及设备的特征确定是否设置不间断电源。

电子特气在集成电路中占比最高，电子特气是主要刻蚀剂；掺杂环节电子特气是提供掺杂元素的主要掺杂剂。

干管敷设在厂房的技术夹层与技术夹道内。氢气及氧气管道在实际敷设过程中还需配备良好的通风设施。特殊气体运输管道应使用明敷方式，在管道周边配备气体泄漏报警装置，及时预警气体泄漏问题。

3.5厂房工艺总体平面布置

厂房平面布置上需要尽量增强各结构布局的紧凑性。采用灰区及白区相结合方式，白区主要为生产操作空间，晶圆会裸露在空气中，因此需要对操作空间进行严格管控；灰区的净化级别要求不高，为节省实际生产成本，可将灰区作为白区的回风区域，部分灰区在实际生产环节也可省去设置过滤装置。

厂房平面布置应当充分考虑人流、物流及机械流。在半导体集成电路芯片生产环节，人流及物流需要分流。工作人员需经换鞋、更衣、风淋、后进入洁净车间；原材料也需经货淋处理后进入车间或暂存间；生产设备应当着重考虑设备拆装、设备搬运问题，交叉较多的生产用房宜居中布置，避免生产过程中路径较长问题。

总结：总而言之，半导体集成电路芯片是我国电子信息行业的重要核心产业，厂房设计水平可直接影响到芯片生产质量及效率。在现阶段工业厂房设计工作开展过程中，设计人员应当做从建筑、暖通等方面做好厂房洁净度的保障工作，在厂房内设置温湿度调节装置，满足芯片生产期间的防震要求。积极引进先进设计理念与设计手段，做好工业厂房生产期间的配套服务工作，为半导体集成电路芯片的生产提供更加稳定可靠的环境。

参考文献：

[1]陈佳琳,袁程强.芯片厂房设计中电压暂降及治理方案[J].建筑电气,2021,40(07):25-28.

[2]洪明.12英寸集成电路芯片厂房的防微振设计案例分析[J].电子技术,2019,48(01):78-81.

[3]肖江平.解析工业建筑设计项目管理的全过程优化方法[J].房地产世界,2022(08):125-127.