半導體芯片制造Fab工廠布局和結構簡介-江蘇泊蘇系統集成有限公司

在半導體產業的核心地帶，芯片制造工廠以其高度自動化、超凈環境和復雜的工藝流程聞名。這些工廠不僅是技術密集型的象征，更是精密工程與空間設計的典范。

一、制造區域的精密分工
（一）薄膜區：構建芯片的“基石”薄膜區是芯片制造的起點，其核心任務是在晶圓表面沉積各類功能性薄膜材料。這些薄膜包括絕緣層、導電層和半導體層，是后續工藝的基礎。

1. 物理氣相沉積（PVD）
PVD區主要通過物理方法將金屬或金屬化合物沉積到晶圓表面。以磁控濺射為例，通過電磁場加速氬離子轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉積在晶圓上。這種技術廣泛用于形成金屬柵極、擴散阻擋層等關鍵結構，具有沉積速率高、成分控制精確的特點。例如，在先進制程中，TiN金屬硬掩膜的沉積就依賴于磁控PVD技術。

2. 化學氣相沉積（CVD）
CVD區通過化學反應在晶圓表面生成薄膜。等離子體增強型CVD（PECVD）可在較低溫度下沉積氮化硅等介質層，用于鈍化和絕緣；低壓CVD（LPCVD）則適合生長高質量的多晶硅薄膜，作為晶體管的有源區材料。例如，在3D NAND閃存制造中，LPCVD用于生長高深寬比的二氧化硅層。

（二）光刻區：納米級的“光影雕刻”
光刻區是芯片制造的核心環節，其作用是將設計好的電路圖案轉移到晶圓上。光刻膠在特定波長的光線照射下發生化學反應，從而形成精確的圖形。

1. 黃光燈的奧秘
光刻區采用波長為570-620nm的黃光燈照明，這是因為光刻膠的感光范圍集中在200-500nm的紫外和藍光波段。黃光燈既能提供操作所需的可見度，又能避免光刻膠意外曝光。此外，黃色光譜還能減少設備表面的眩光，提高操作人員的視覺舒適度。

2. 光刻工藝的挑戰
隨著制程節點進入納米級，光刻的難度顯著增加。例如，極紫外光刻（EUV）使用13.5nm的波長，需要精確控制光源穩定性和光學系統的精度。光刻區的潔凈度要求極高，通常達到ISO 1級，以避免顆粒污染影響圖案分辨率。（三）刻蝕區：精準去除的“納米手術刀”刻蝕區的任務是通過物理或化學方法去除晶圓表面不需要的材料，形成精確的三維結構。1. 干法刻蝕與濕法刻蝕干法刻蝕利用等離子體中的離子轟擊晶圓表面，具有高選擇性和可控性，廣泛用于高深寬比結構的加工。濕法刻蝕則通過化學溶液溶解材料，適合大面積均勻刻蝕。例如，在FinFET制造中，干法刻蝕用于形成鰭式結構，而濕法刻蝕用于去除光刻膠殘留物。

2. 刻蝕設備的關鍵技術
刻蝕機需要精確控制等離子體的密度、能量和均勻性。例如，反應離子刻蝕（RIE）通過調節射頻功率和氣體流量，實現對不同材料的選擇性刻蝕。先進的刻蝕設備還集成了原位監測技術，實時反饋刻蝕深度和均勻性。

（四）離子注入區：賦予半導體“靈魂”的摻雜工藝
離子注入區通過高能離子束將雜質原子引入晶圓表面，改變半導體的電學性質。1. 離子注入機的工作原理離子注入機由離子源、加速管和掃描系統組成。離子源產生所需離子（如硼、磷），加速管將離子加速到幾十keV至數百keV的能量，掃描系統確保離子均勻分布在晶圓上。例如，低能大束流離子注入機用于形成淺結，而高能離子注入機用于深埋層摻雜。2. 精準控制的挑戰離子注入的劑量、能量和角度直接影響器件性能。例如，在FinFET制造中，精確控制Halo摻雜的劑量和深度，可有效抑制短溝道效應。為了減少晶圓損傷，先進的離子注入機還采用了動態退火技術，在注入過程中實時加熱晶圓。

（五）爐管區：高溫環境下的材料改性
爐管區利用高溫環境進行氧化、擴散和退火等工藝，實現晶圓表面的材料改性。1. 氧化與擴散工藝在高溫爐管中，硅晶圓與氧氣反應生成二氧化硅層，用于柵極絕緣或器件隔離。擴散工藝則通過高溫使雜質原子向晶圓內部擴散，形成PN結。例如，在CMOS工藝中，爐管氧化用于形成柵氧化層，其厚度可精確控制在幾個納米。

2. 溫度控制的關鍵技術
爐管區的溫度控制精度要求極高，通常采用多區加熱和閉環反饋系統。例如，某PECVD設備的溫度控制精度可達±1℃，并具備快速降溫功能，以提高生產效率。此外，擋片晶圓的使用可穩定爐管內的氣流和溫度，減少產品晶圓的顆粒缺陷。（六）化學機械拋光（CMP）區：實現全局平坦化的“魔法”CMP區通過化學腐蝕和機械研磨的結合，去除晶圓表面的高點，實現全局平坦化。

1. CMP工藝的原理
晶圓被固定在旋轉的吸盤上，與涂有研磨漿料的拋光盤接觸。研磨漿料中的磨粒（如二氧化硅）通過機械作用去除材料，而化學試劑則促進表面的化學反應，形成易去除的軟質層。例如，在多層金屬互連工藝中，CMP用于平坦化金屬布線層，確保后續光刻的精度。2. 拋光墊與研磨液的創新3M等公司開發的CMP拋光墊采用微復制技術，優化了研磨效率和表面平整度。研磨液中的氧化劑和催化劑可根據不同材料進行定制，例如用于銅互連的酸性研磨液和用于鎢栓塞的堿性研磨液。二、工廠結構的智慧設計（一）高架地板：氣流與管線的“隱形通道”高架地板是半導體工廠的標志性結構，其開孔設計和下方空間承擔著多重功能。

1. 開孔的作用
高架地板的開孔率通常為10%-20%，主要用于回風系統。潔凈室頂部的FFU將潔凈空氣垂直向下輸送，穿過開孔進入地板下方的回風通道，形成垂直單向流，確保空氣潔凈度。此外，開孔還用于電纜和工藝管道的布線，避免地面管線影響生產操作。2. 地板下方的Sub-FabSub-Fab是高架地板下方的輔助區域，集成了各類支持系統。例如，干式真空泵用于維持工藝腔室的真空環境，冷卻水系統為設備提供恒溫冷卻，化學品輸送系統將工藝所需的氣體和液體精確分配到各個機臺。Sub-Fab的設計需考慮空間布局和維護便利性，例如采用模塊化設計，便于快速更換故障設備。（二）新風系統：潔凈空氣的“生命之源”新風系統負責為潔凈室提供經過過濾的新鮮空氣，同時維持溫濕度和氣壓平衡。

1. 多級過濾與氣流控制
新風首先經過初效過濾器去除大顆粒灰塵，然后通過中效和高效過濾器（HEPA/ULPA）過濾0.1μm以上的顆粒?；瘜W過濾器（Chemical Filter）則用于去除氣態污染物（AMC），如酸、堿和有機化合物。FFU（風機過濾單元）通過變頻控制調節風速，確保潔凈室的氣流速度穩定在0.45m/s±20%。2. 節能與環保設計先進的新風系統采用熱回收技術，利用排出空氣的熱量預熱新風，降低能耗。例如，某半導體廠房的新風系統通過板式熱交換器，可回收70%的排風熱，每年節省電費數百萬元。（三）無塵室與走廊：潔凈與效率的平衡無塵室是芯片制造的核心區域，其設計需兼顧潔凈度和生產效率。

1. 潔凈度分級與區域劃分
根據SEMI標準，無塵室通常分為1級至10級，其中1級潔凈度最高，每立方米空氣中0.1μm的顆粒不超過10個。光刻、離子注入等關鍵工藝在1級或2級潔凈室中進行，而輔助區域如更衣室和物料儲存間則為100級或更低。走廊作為人員和物料的通道，采用壓差控制防止污染擴散，例如潔凈室與走廊的壓差保持在5-10Pa。2. 物料傳遞與人員動線物料通過傳遞窗或自動化物流系統（如AGV）進入無塵室，避免頻繁開門導致的氣流擾動。人員需經過風淋室去除衣物表面的灰塵，并穿戴無塵服、手套和口罩，確保自身潔凈度。（四）吊頂系統：FFU與過濾的“空中堡壘”吊頂系統位于潔凈室上方，

集成了FFU、ULPA過濾器和化學過濾器，是維持潔凈環境的關鍵。
1. FFU的高效過濾FFU由風機和過濾器組成，通過自循環方式為潔凈室提供潔凈空氣。每個FFU的額定風量為900-1200m3/h，

可覆蓋約1.5-2平方米的區域。ULPA過濾器的過濾效率可達99.999%@0.12μm，確保空氣中的超微顆粒被有效攔截。
2. 化學過濾的補充作用對于AMC污染物，吊頂系統中的化學過濾器（如活性炭或沸石）可吸附酸、堿和有機氣體。例如，在光刻區，

化學過濾器可去除光刻膠揮發的有機蒸氣，防止其污染晶圓表面。
（五）Sub-Fab的Exhaust系統：廢氣處理的“環保衛士”Exhaust系統負責收集和處理制程中產生的廢氣，確保環境安全。1. 廢氣分類與處理技術? 酸堿性廢氣：通過洗滌塔水洗中和，例如使用氫氧化鈉溶液處理酸性廢氣。? 毒性廢氣：

先經機臺自帶的Local Scrubber初步處理，再送至Central Scrubber進行深度凈化。
? 有機溶劑廢氣：采用沸石濃縮轉輪+焚化爐，去除率可達90%以上。? 一般廢氣：直接排放，但需監測顆粒物和揮發性有機物（VOC）的濃度。2. 管道材質與安全設計腐蝕性廢氣采用鐵氟龍內襯不銹鋼風管，易燃性廢氣則使用防火材料。主管路加裝自動灑水系統，防止火災蔓延。

此外，Exhaust系統還集成了實時監測傳感器，一旦檢測到異常濃度，立即觸發緊急處理程序。
（六）燈光系統：黃光燈與無塵燈的“精密協作”燈光系統不僅提供照明，還需滿足潔凈度和工藝要求。1. 黃光燈的特殊使命光刻區的黃光燈采用570-620nm的光譜，避免光刻膠感光。其設計需確保無紫外線泄漏，例如采用特殊濾光膜或LED光源。黃光燈的照度通常為200-300lx，既保證操作可見度，又減少對人眼的刺激。2. 無塵燈的設計標準

無塵室的一般照明采用LED或熒光燈，照度為300-500lx。燈具需嵌入天花板并密封，防止積塵。例如，淚珠型燈具因其流線型設計，可減少氣流擾動和灰塵附著。應急照明和疏散指示采用防爆型LED燈，確保在緊急情況下仍能正常工作。
三、工廠設計的核心邏輯半導體芯片制造工廠的布局和結構設計，始終圍繞兩個核心目標：潔凈度保障和生產效率優化。從薄膜區的精密沉積到光刻區的納米雕刻，從高架地板的氣流控制到Sub-Fab的廢氣處理，每個環節都體現了對細節的極致追求。這種設計不僅是技術的結晶，更是工程智慧的體現，確保了在納米尺度上實現芯片的高質量制造。未來，隨著制程技術的不斷進步，半導體工廠的設計將繼續創新，以應對更復雜的工藝挑戰和更嚴格的環保要求。