硅集成电路芯片工厂设计规范 GB50809-2012
3.3 工艺布局
3.3.1 工艺布置应满足产品类型、规划和产能目标的要求。
3.3.2 工艺布局应根据生产工序分为包含光刻、刻蚀、清洗、 氧化/扩散、溅射、化学气相淀积、离子注入等工序在内的核心生产区，以及包括更衣、物料净化、测试等工序在内的生产支持区。
3.3.3 核心生产区的布局应围绕光刻工序为中心进行布置（图3.3.3），工艺布局应缩短硅片传送距离，并应避免硅片发生工序间交叉污染。
3.3.5 8英寸～12英寸芯片核心生产区宜采用微环境和标准机械接口系统，并宜采用大空间式布局。
3.3.6 8英寸～12英寸芯片核心生产区宜将生产辅助设备布置在下技术夹层。
3.3.7 工艺设备的间隔应满足相邻设备的维修和操作需求。
3.3.8 操作人员走道的宽度应符合下列原则：
1 应满足设备正常操作的需要；
2 应满足人员通行和材料搬运的需要；
3 应满足材料暂存的需要。
3.3.9 生产厂房宜设置参观走道，并应避免影响生产的人流和物流路线以及应急疏散。
3.3.10 8英寸～12英寸芯片生产宜根据生产规模设置自动物料处理系统（AMHS）。
3.3.2 工艺布局应根据生产工序分为包含光刻、刻蚀、清洗、 氧化/扩散、溅射、化学气相淀积、离子注入等工序在内的核心生产区，以及包括更衣、物料净化、测试等工序在内的生产支持区。
3.3.3 核心生产区的布局应围绕光刻工序为中心进行布置（图3.3.3），工艺布局应缩短硅片传送距离，并应避免硅片发生工序间交叉污染。
图3.3.3 硅集成电路芯片生产工艺流程
3.3.4 4英寸～6英寸芯片核心生产区宜采用港湾式布局。3.3.5 8英寸～12英寸芯片核心生产区宜采用微环境和标准机械接口系统，并宜采用大空间式布局。
3.3.6 8英寸～12英寸芯片核心生产区宜将生产辅助设备布置在下技术夹层。
3.3.7 工艺设备的间隔应满足相邻设备的维修和操作需求。
3.3.8 操作人员走道的宽度应符合下列原则：
1 应满足设备正常操作的需要；
2 应满足人员通行和材料搬运的需要；
3 应满足材料暂存的需要。
3.3.9 生产厂房宜设置参观走道，并应避免影响生产的人流和物流路线以及应急疏散。
3.3.10 8英寸～12英寸芯片生产宜根据生产规模设置自动物料处理系统（AMHS）。
条文说明
3.3.1、3.3.2 集成电路芯片工艺十分复杂，复杂电路的工艺步骤可高达500多步，一般可概分为前段工艺及后段工艺。硅片下线后，在其清洗过后的表面上，通过氧化或化学气相淀积的方法形成各种薄膜，经由光刻成型与刻蚀工艺形成各类图形，采用离子注入或扩散方法掺杂形成所需的电学特性，再通过溅射形成多重导线，如此多次循环重复，最终形成电路图形。
1 清洗工艺。
清洗工艺主要用来去除金属杂质、有机物污染、微尘。一般情况下，使用高纯度的化学品来清洗，高纯度的去离子纯水来洗濯，最后在高纯度的气体环境下高速脱水甩干，或采用高挥发性的有机溶剂除湿干化。按照清洗方式的不同，一般可分为湿法化学法、物理洗净法和干法洗净法。
2 氧化工艺。
氧化工艺由硅的氧化形成氧化层，作为性能良好的绝缘材料。一般可分为湿法氧化法和干法氧化法；而常见的氧化设备有水平式与直立式炉管。
3 扩散工艺。
扩散工艺是指物质（气、固、液）中的原子或分子在高温状态下，因高温激化作用，由高浓度区域移至低浓度区域。
4 化学气相淀积工艺。
化学气相淀积工艺利用气态的化学材料在硅片表面产生化学反应，并在硅片表面上淀积形成一层固体薄膜，如二氧化硅、各种硅玻璃、多晶硅、氮化硅、钨与硅化钨等。因反应压力的不同一般可分为：常压化学气相淀积法、低压化学气相淀积法（相关设备有批量加工形式的炉管，也有单一硅片加工形式的设备）、亚大气压化学气相淀积法、等离子体增强型化学气相淀积法、高密度等离子体增强型化学气相淀积法。
5 离子注入工艺。
离子注入工艺是通过将选定的离子加速，射入硅片的特定区域而改变其电学特性的一种工艺。一般可以分为大电流型、低能型、中低电流型、高能型。
6 溅射工艺。
溅射工艺通过靶材来提供镀膜的金属材料，利用其重力作用，使靶材产生的金属晶粒掉落至硅片表面，从而形成金属薄膜。
7 刻蚀工艺。
刻蚀工艺用于将形成在硅片表面的薄膜，被全部或依照特定图形部分地去除至必要的厚度。一般可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀利用液体酸液或溶剂，将不要的薄膜去除。干法刻蚀利用带电粒子以及具有高度活性化学的中性原子和自由基的等离子体，将不要的薄膜去除。
8 光刻工艺。
光刻工艺是掩膜板上的图形在感光材料光刻胶上成像的过程。流程一般分为气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙等。曝光设备一般又可依波长之不同分为365nm的I-line、248nm的KrF深紫外线曝光设备，以及193nm的ArF深紫外线曝光设备和浸润式曝光设备。工艺相关设备需放置在黄光的区域。该区域需要有独立的回风，对洁净度亦有较高的需求，并装置去离子器，对温度、湿度、抗微振性能有最高的要求。
9 化学机械研磨工艺。
化学机械研磨工艺是把芯片放在旋转的研磨垫上，施加一定的压力，用化学研磨液进行研磨的平坦化过程，以完成多层布线所需的平坦度要求。通常应用在8英寸及以上的芯片加工工艺中。
10 检测。
透过微分析技术对材料以及工艺品质做鉴定和改善，可概分为在线检测及离线检测。
11 硅片验收测试。
硅片验收测试是在工艺流程结束后对芯片做电性测量，用来检验各段工艺流程是否符合标准。
12 中测。
中测的目的是将硅片中不良的芯片挑选出来，通常包含电压、电流、时序和功能的验证，所用到的设备有测试机、探针卡、探针台以及测试机与探针卡之间的接口等。
3.3.3 在芯片制造过程中，为了降低生产工序中发生的成本，必须设计出最合理的设备布局来缩短搬运的距离和时间，提高设备的利用率。一般会根据由工艺技术确定工艺流程。
通过对工艺流程的步骤分析，计算芯片在生产过程中传送各功能区域的频次，如图1范例工艺流程与芯片传送频次参数。
通过分析频次的数量，为了减少硅片传送距离，传送频次较高的区域建议相邻放置，如光刻区要靠近刻蚀区，刻蚀区要靠近去胶清洗区等。
图1 工艺流程与芯片传送频次参数
图2 集成电路芯片产生的布局演进趋势
对于4英寸～6英寸芯片生产，由于通常采用片盒开敞式生产，操作区空气中的尘埃会直接影响硅片电路的电气性能，因此对于操作区的净化要求较高。为了节省运行费用，保证净化要求，通常采用壁板将操作区和低洁净度要求的设备区分开。
随着芯片加工尺寸向8英寸及12英寸发展，对于线宽的要求也越来越高，大面积高洁净度净化区的造价和运行成本越发昂贵，因此采用标准机械接口加微环境的生产方式成为8英寸及12英寸芯片生产方式的主流。在这种方式中，硅片放置在密闭的片盒中，在运输和加工过程中不会受到外界环境的污染，因此操作区可以采用较低的净化等级。同时8英寸及12英寸的生产辅助设备通常可以放置在生产区的下技术夹层中，以减少在生产区占用的面积，可以提高净化区的面积利用率，扩大单位面积的产能，因此在生产区中就没有采用隔墙将操作区和设备区隔开，同时可以提高设备布置的灵活性。
3.3.9 由于硅集成电路生产对环境要求很高，参观人员进入生产区参观会对环境及生产产生不利的影响，同时进入洁净区换鞋、更衣等步骤耗时较多，因此通常会在洁净生产区外设置参观走道，参观走道通常布置在厂房的一侧或环形布置。
3.3.10 对于早期的8英寸芯片工厂来说，大部分硅片传送、存储和分发是通过人工操作完成的。目前多数8英寸和12英寸芯片工厂设有自动物料处理系统(AMHS)，其优点在于有效利用洁净室空间、有效地管理生产中的芯片、有效地降低操作人员的负担，近而减少在传送硅片时的失误。在一些12英寸生产工厂，运输系统可延伸到不同的生产区域，借助吊挂传输系统（OHT），将芯片直接传递到设备端。今后自动物料处理系统中还要在提高生产速度、缩短生产周期和快速适应芯片制造环境变化等方面进行持续改善，在首次投片到成熟生产期间快速发展起来。同时适应和满足芯片工厂的各种需求。
在计算自动物料处理系统时，应考虑生产周期、生产线成品率、研发和生产工艺验证投片需求、机械手臂的处理能力等因素来决定储位数量和载送距离。
1 清洗工艺。
清洗工艺主要用来去除金属杂质、有机物污染、微尘。一般情况下，使用高纯度的化学品来清洗，高纯度的去离子纯水来洗濯，最后在高纯度的气体环境下高速脱水甩干，或采用高挥发性的有机溶剂除湿干化。按照清洗方式的不同，一般可分为湿法化学法、物理洗净法和干法洗净法。
2 氧化工艺。
氧化工艺由硅的氧化形成氧化层，作为性能良好的绝缘材料。一般可分为湿法氧化法和干法氧化法；而常见的氧化设备有水平式与直立式炉管。
3 扩散工艺。
扩散工艺是指物质（气、固、液）中的原子或分子在高温状态下，因高温激化作用，由高浓度区域移至低浓度区域。
4 化学气相淀积工艺。
化学气相淀积工艺利用气态的化学材料在硅片表面产生化学反应，并在硅片表面上淀积形成一层固体薄膜，如二氧化硅、各种硅玻璃、多晶硅、氮化硅、钨与硅化钨等。因反应压力的不同一般可分为：常压化学气相淀积法、低压化学气相淀积法（相关设备有批量加工形式的炉管，也有单一硅片加工形式的设备）、亚大气压化学气相淀积法、等离子体增强型化学气相淀积法、高密度等离子体增强型化学气相淀积法。
5 离子注入工艺。
离子注入工艺是通过将选定的离子加速，射入硅片的特定区域而改变其电学特性的一种工艺。一般可以分为大电流型、低能型、中低电流型、高能型。
6 溅射工艺。
溅射工艺通过靶材来提供镀膜的金属材料，利用其重力作用，使靶材产生的金属晶粒掉落至硅片表面，从而形成金属薄膜。
7 刻蚀工艺。
刻蚀工艺用于将形成在硅片表面的薄膜，被全部或依照特定图形部分地去除至必要的厚度。一般可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀利用液体酸液或溶剂，将不要的薄膜去除。干法刻蚀利用带电粒子以及具有高度活性化学的中性原子和自由基的等离子体，将不要的薄膜去除。
8 光刻工艺。
光刻工艺是掩膜板上的图形在感光材料光刻胶上成像的过程。流程一般分为气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙等。曝光设备一般又可依波长之不同分为365nm的I-line、248nm的KrF深紫外线曝光设备，以及193nm的ArF深紫外线曝光设备和浸润式曝光设备。工艺相关设备需放置在黄光的区域。该区域需要有独立的回风，对洁净度亦有较高的需求，并装置去离子器，对温度、湿度、抗微振性能有最高的要求。
9 化学机械研磨工艺。
化学机械研磨工艺是把芯片放在旋转的研磨垫上，施加一定的压力，用化学研磨液进行研磨的平坦化过程，以完成多层布线所需的平坦度要求。通常应用在8英寸及以上的芯片加工工艺中。
10 检测。
透过微分析技术对材料以及工艺品质做鉴定和改善，可概分为在线检测及离线检测。
11 硅片验收测试。
硅片验收测试是在工艺流程结束后对芯片做电性测量，用来检验各段工艺流程是否符合标准。
12 中测。
中测的目的是将硅片中不良的芯片挑选出来，通常包含电压、电流、时序和功能的验证，所用到的设备有测试机、探针卡、探针台以及测试机与探针卡之间的接口等。
3.3.3 在芯片制造过程中，为了降低生产工序中发生的成本，必须设计出最合理的设备布局来缩短搬运的距离和时间，提高设备的利用率。一般会根据由工艺技术确定工艺流程。
通过对工艺流程的步骤分析，计算芯片在生产过程中传送各功能区域的频次，如图1范例工艺流程与芯片传送频次参数。
通过分析频次的数量，为了减少硅片传送距离，传送频次较高的区域建议相邻放置，如光刻区要靠近刻蚀区，刻蚀区要靠近去胶清洗区等。
图1 工艺流程与芯片传送频次参数
前段工艺(FEOL)包括硅片下线，浅沟道隔离与有源区的形成，阱区离子注入，栅极形成，源漏极形成，硅化物形成。后段工艺(BEOL)包括器件与金属层间介电层形成，接触孔形成，多层金属层连接，金属层间介电层形成，铝压点保护层形成，硅片验收测试等。进入后段工艺的硅片应避免与前段工艺混用设备，以免金属离子等污染前段工艺中的硅片，造成电气性能异常。
3.3.4、3.3.5 集成电路芯片生产的布局如图2所示的演进趋势。
图2 集成电路芯片产生的布局演进趋势
随着芯片加工尺寸向8英寸及12英寸发展，对于线宽的要求也越来越高，大面积高洁净度净化区的造价和运行成本越发昂贵，因此采用标准机械接口加微环境的生产方式成为8英寸及12英寸芯片生产方式的主流。在这种方式中，硅片放置在密闭的片盒中，在运输和加工过程中不会受到外界环境的污染，因此操作区可以采用较低的净化等级。同时8英寸及12英寸的生产辅助设备通常可以放置在生产区的下技术夹层中，以减少在生产区占用的面积，可以提高净化区的面积利用率，扩大单位面积的产能，因此在生产区中就没有采用隔墙将操作区和设备区隔开，同时可以提高设备布置的灵活性。
3.3.9 由于硅集成电路生产对环境要求很高，参观人员进入生产区参观会对环境及生产产生不利的影响，同时进入洁净区换鞋、更衣等步骤耗时较多，因此通常会在洁净生产区外设置参观走道，参观走道通常布置在厂房的一侧或环形布置。
3.3.10 对于早期的8英寸芯片工厂来说，大部分硅片传送、存储和分发是通过人工操作完成的。目前多数8英寸和12英寸芯片工厂设有自动物料处理系统(AMHS)，其优点在于有效利用洁净室空间、有效地管理生产中的芯片、有效地降低操作人员的负担，近而减少在传送硅片时的失误。在一些12英寸生产工厂，运输系统可延伸到不同的生产区域，借助吊挂传输系统（OHT），将芯片直接传递到设备端。今后自动物料处理系统中还要在提高生产速度、缩短生产周期和快速适应芯片制造环境变化等方面进行持续改善，在首次投片到成熟生产期间快速发展起来。同时适应和满足芯片工厂的各种需求。
在计算自动物料处理系统时，应考虑生产周期、生产线成品率、研发和生产工艺验证投片需求、机械手臂的处理能力等因素来决定储位数量和载送距离。
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