無塵室是什麼？半導體工廠為什麼這麼怕灰塵

生活周遭

半導體建廠的新聞，常會用全身包著白衣的人的照片。他們從頭包到腳，戴著口罩和手套，只露出眼睛周圍。背後的房間，有時還照著黃色的光。這種房間就是無塵室。

照著黃光的房間，是用光轉印電路圖案的製程區。轉印圖案時塗上的藥劑，會對藍光和紫外線起反應。所以照明去除了藍光和紫外線，房間看起來就是黃色的。

這篇文章會依序來看：無塵室有多乾淨、怎麼保持乾淨，以及為什麼要做到這種程度。

為什麼一顆小微粒就會出問題

現在晶片上最細的導線，比頭髮粗細（約0.09 mm）的千分之一還細。一顆微粒落在上面，就可能讓相鄰的導線接在一起，或讓導線從中斷掉。這種讓晶片變成不良品的缺陷，稱為致命缺陷。

微粒不會挑選要落在哪顆晶片上。一片晶圓上排著數百到數千顆晶片，落下的微粒越多，不良的晶片也越多。而且晶片要反覆轉印圖案100次以上才做得出來。每轉印一次，都有微粒落下的機會，即使機率很小也會累積起來。

做出的晶片中良品所占的比例，稱為良率。加工一片晶圓的費用，不論取得幾顆良品，都不會有太大變化。例如良品從九成降到八成，每顆良品的成本就會變成約1.1倍（0.9÷0.8的計算）。晶片大小和微粒多寡如何改變良品數，可以用晶粒良率計算器試試看。

有多乾淨？無塵室的「等級」

潔淨的程度，是數空氣中的微粒來表示的。國際標準ISO 14644-1把空氣的潔淨度分成1～9的「等級」。依據一定體積的空氣中，一定大小以上的微粒最多可以有幾個來決定。數字越小，越乾淨。

微粒的大小，使用µm（微米）這個單位。1 µm是1 mm的千分之一，也就是1,000 nm。空氣的體積是1 m³，也就是邊長1 m的立方體。

決定的方式基本上很簡單。0.1 µm以上微粒的上限，Class 1是10個，Class 2是100個。等級數字每大1，允許的數量就變成10倍。越大的微粒，允許的數量越少。Class 5的0.1 µm以上微粒可到10萬個，0.5 µm以上則只到3,520個。

表中的數字，是每1 m³空氣允許的上限。「—」表示標準的表中沒有訂定上限。Class 2、4、8省略未列。

依照肯塔基大學的說明，都市的室外空氣多的時候，含有相當於Class 9的微粒數。以0.5 µm以上微粒的上限來比，Class 9和Class 5相差1萬倍。換算成每公升，Class 9約為35,000個，Class 5約為3.5個。

在現場和新聞中，「Class 100」這類舊的說法還留著。這是2001年廢止的美國標準（聯邦標準209E）的叫法。它表示1立方英尺（約28公升）空氣中，0.5 µm以上微粒的個數。Class 100大致相當於ISO的Class 5。

原理1：用過濾器濾掉微粒

把微粒從空氣中去除的，是排在天花板上的過濾器。它用玻璃等極細的纖維疊成像薄紙一樣，再折成褶狀。它不只是把比網目大的微粒篩掉。隨氣流飄來的微粒會撞上或碰到纖維，黏住後就不再脫離。

常用的是高效率空氣微粒過濾器（HEPA），能捕捉99.97%以上的0.3 µm微粒（依日本JIS與美國能源部的標準）。意思是每1萬個微粒中，穿過的不到3個。0.3 µm接近纖維最難捕捉的大小。比它大的微粒，或小很多的微粒，都捕捉得更好。

性能更高的是超高效率過濾器（ULPA）。依日本JIS的定義，它能捕捉99.9995%以上的0.15 µm微粒。美國等其他標準，測試用的微粒大小和比例略有不同。穿過的微粒，每100萬個不到5個。兩者的差異，可以在「HEPA濾網與ULPA濾網的差異」詳細比較。

不過，兩種過濾器能捕捉的都只有微粒。像造成氣味的那類氣體分子，會直接穿過去。對付氣體的方法，留到後面的「不只是微粒的汙染」再說明。

原理2：讓空氣持續由上往下流

通過過濾器的潔淨空氣，從天花板的過濾器筆直往下吹。這種送風方式稱為下降氣流。人和設備產生的微粒，在往旁邊擴散之前，就被往地板的方向推走。

地板是用有孔的板子鋪成的高架地板，下面留有空間。空氣從地板的孔流到地板下，經過牆邊的通道回到天花板上方。然後再通過過濾器進入房間。從外面引進的空氣只是一部分，大部分是把同樣的空氣反覆過濾使用。

風速大約是每秒0.3～0.5 m。比人慢慢走路還慢，是一陣微風。即便如此，如果天花板高3 m，空氣只要6～10秒就會從天花板流到地板（計算出的大約值）。

另一個做法，是讓房間的氣壓比周圍稍微高一點，也就是保持正壓。這樣一來，開門時或有縫隙的地方，空氣都會從裡面往外流。外面的髒空氣就不容易跑進來。

最大的汙染源是「人」

在無塵室裡不斷產生微粒的，是人。皮膚表面會一點一點剝落，衣服會掉出纖維屑。人每動一下，這些東西就會揚到空氣中。

英國Whyte等人的研究（2007年），測量了55個人產生的微粒。穿一般衣服時，0.5 µm以上的微粒平均每分鐘約產生210萬個。即使穿上這項研究用的無塵衣，也還有約100萬個。數字會因衣服和測量方式而有很大差異。但由此可知，即使穿上衣服，也無法讓人產生的微粒變成零。

所以作業人員要穿上從頭包到腳的專用無塵衣。還要戴上頭套、口罩、手套，穿上專用的鞋子。無塵衣用不易掉屑的布料做成，目的是把人產生的微粒關在衣服裡面。英文中也俗稱為「bunny suit（兔子裝）」。

穿好之後，要先通過一個對全身吹強風的小房間才能進入。這稱為空氣浴塵室（風淋室）。目的是吹掉附著在衣服表面的微粒，減少帶進房間的微粒。在房間裡不做急促的動作，也是減少微粒的重要規定。

與其保護整個房間，不如只保護晶圓周圍

以前的工廠，是把整個房間維持得極為乾淨來保護晶圓。但要不停過濾大房間裡所有的空氣，需要很多費用和電力。而且只要晶圓和人處在同一個空氣中，就很難避開人產生的微粒。

所以現在的工廠，把晶圓放進密閉的容器裡搬運。這種容器最多可裝25片直徑300 mm的晶圓，稱為晶圓傳送盒（FOUP）。裝滿時很重，所以由在天花板軌道上行駛的搬運車，自動從一台設備送到另一台設備。

設備的前方，有一個打開FOUP蓋子、取出晶圓的小房間。這裡也有過濾器，裡面的空氣保持得非常乾淨。像這樣只讓晶圓周圍的小空間特別乾淨的想法，稱為微環境。

晶圓不會直接接觸人員工作房間的空氣。因此，整個房間的標準可以放寬。日立公司的技術期刊《日立評論》（2007年）的解說，也指出同樣的方向。潔淨度主要在微環境內部提高，整個房間只維持在設備保養所需的程度。這樣就能減少費用和電力。

不只是微粒的汙染

無塵室要防的汙染，不只是看不見的微粒。這裡舉出三種代表性的例子。

• 金屬：人的汗水和皮膚含有鈉。鈉一旦進入電晶體的絕緣膜，就會在膜中到處移動，讓電晶體開始導電的電壓跑掉。這類會移動的離子稱為可動離子，受到嚴格管理。
• 空氣中的氣體：有些轉印圖案用的藥劑，是靠光產生的微量酸來反應。空氣中的氨若把這些酸中和掉，圖案的形狀就會走樣。這種由氣體造成的汙染稱為氣態分子汙染物（AMC），要用活性碳等專用的濾網去除。
• 靜電：物體帶了靜電，就會吸引空氣中的微粒。靜電一口氣放出時，甚至會破壞晶片的電路本身（靜電放電）。所以地板和工作台要用能讓電荷導走的材料，也會設置中和電荷的裝置。

清洗晶圓的水，也不能用普通的水。要用把金屬、離子、微粒、有機物去除到極限的超純水。純度用水有多不容易導電（電阻率）來確認。水本身會微量解離成離子，所以不論多純，電阻率都有上限。在25 ℃時是18.2 MΩ·cm。超純水就是極接近這個上限的水。晶圓的清洗方法，可以在比較頁「SC-1、SC-2與稀釋氫氟酸的差異」中查看。

溫度、濕度和振動也要管理

物體受熱時，會稍微伸長。矽的溫度上升1 ℃，長度會伸長約百萬分之2.6。直徑300 mm的晶圓，計算起來會伸長約0.78 µm（780 nm）。在要把數十nm的圖案精準疊合的製程中，這是不能忽略的大小。因此，特別是轉印圖案的設備周圍，溫度要保持一定。

濕度也要保持一定。因為空氣太乾燥，就容易產生靜電。濕氣也會影響轉印圖案用藥劑的作用。

振動也是大敵。轉印圖案的設備，要以奈米等級的精度對準位置。附近的機器或人的動作造成的些微振動，都可能讓位置偏掉。工廠會把設備安裝在不易傳遞振動的堅固地板和基礎上。

保持潔淨，需要電力

在無塵室裡，大型風扇日夜不停地讓空氣循環。空氣的溫度和濕度，也一年到頭保持相同。美國勞倫斯柏克萊國家實驗室的研究人員，在2000年的報告中提出了估計。無塵室和實驗設施使用的能源，約為同樣面積一般商業建築的4～100倍。

用微環境放寬房間的標準，也是為了減少這些電力和費用。新建工廠的新聞常提到確保電力和用水，原因之一也是這些設備必須不停運轉。

常見的誤解

用數字來看

把數字排在一起，就能看出無塵室的目標。它一年到頭不停地製造比室外空氣乾淨1萬倍以上的空氣。即便如此，還是無法完全擋住最大的汙染源，也就是人。所以要把晶圓關在容器和設備裡面來保護。

深入學習

• 本系列前面的文章：「矽晶圓是什麼？」（做出沒有微粒的晶圓）、「EUV微影是什麼？」（光罩的防塵對策）、「半導體封裝是什麼？」
• 從設備的角度來看：「半導體設備是什麼？」介紹了清洗設備，以及尋找微粒的檢測設備。
• 用詞語深入了解：天花板上的過濾器箱風扇過濾機組（FFU）、設備前方的交接區EFEM、搬運FOUP的天車（OHT）等。