禁止化妝、不用LED燈：晶圓廠的隱形良率殺手

這段時間看到了太多的 Intel 的負面新聞，沒想到曾經高不可攀的芯片巨頭竟然要裁員15000 人。我頓時不由自主地想起了很多年前遇到的一位 Intel 負責人，她是不是也被裁員了呢？

為什麼對她的記憶如此深刻，因為我以前遇到的廠商擔當都是男性，而她卻是唯一的女性，而且她和普通日本職業女性不一樣，她從不化妝。這也許有她自身的一部分原因，但在這個化妝「邪術」盛行的時代里，不化妝的女性確實引人注目。

後來入職不久的我參加了培訓，才知道在半導體晶圓製造廠，有一條不成文的規定，即在 Fab 里工作的女性是不允許化妝的。為什麼會有如此一條讓人匪夷所思的規矩？這就要從半導體廠里的晶圓的弱點說起。

晶圓是什麼？晶圓一般是指製作矽半導體電路所用的矽晶片，尺寸一般有 6 英吋、8 英吋和 12 英吋。在前段工序中，晶圓可謂是十分的脆弱。究竟有多脆弱？首先它怕灰塵，因為碎屑會導致晶圓上的電路短路、斷路或其他物理缺陷；它還怕過大的振動，因為會導致薄膜剝落、晶片破裂、晶片特性也會變化；它還怕溫度濕度的變化，因為這會抑制天然氧化膜的成膜和蝕刻，導致壓力波動或者靜電產生；此外，它還怕各種酸或者堿，因為這會導致異常成膜或成膜抑制、蝕刻抑制；

最後還有一種，也就是本文要敘述的各種有機物和無機物，因為一些有機物和無機物會造成晶圓的異常成膜、成膜抑制、蝕刻抑制或者晶圓電路的汙染。那麼，晶圓廠內女性員工使用化妝品會影響晶圓的品質嗎？答案是肯定的。

一個很偶然的機會，我參加過的一次半導體講座，在那次講座里講師舉了一個生動的例子。

日本東北有一家比較著名的半導體制造廠商。他們的 PE 發現他們的產品良率有一些問題。這個問題非常有趣，也有一定的特殊性，因為他們發現在某些日子裡才會出現良率不高的情況。後來經過 PE 孜孜不倦地調查，他們最終發現，只有在一位特定的女性參與生產的日子裡，晶圓的良品率會變得不高。後來 PE 們默默地對這名特定女性進行詳細地調查，發現她和其餘同事相比，沒有任何不當操作。這也讓他們百思不得其解。最終他們決定通過排除法來找問題。

首先，他們決定不讓這名女性參與生產，結果發現該 LOT 的良率得到了明顯的提升。其中有一位 PE 甚至片面地誤以為是性別因素導致，後來遭到了這名女性對這名 PE 的性別歧視控訴。

隨後，一位心思縝密的 PE 做了一次「魚骨分析」法，排除了種種可能，最後把重點放在了該女性的妝容上。他們決定讓這名女性在第二天以素顏狀態進行生產，良品率竟然得到了質的改善。於是乎，他們經過幾次測試，發現了造成良品率不高的罪魁禍首竟然是該女性員工使用的化妝品。

勤勞的 PE 們又對化妝品進行了嚴格細緻的調查，發現是化妝品中有一種物質，叫矽氧烷，它在半導體生產過程中，會改變半導體的特性。至此之後在半導體制造工廠工作就有了「禁止化妝」這條不成文的規定。這個原本在半導體行業「默默無名」的化合物就上了半導體廠的黑名單。

矽氧烷，英文叫「Siloxane」，日文叫シロキサン。在化妝品這個行業中，加入矽氧烷材料的化妝品易於塗抹，在皮膚表面能形成保護膜，防止水分流失，使皮膚更絲滑柔軟，看起來吹彈可破。所以它廣泛運用在保濕霜、粉底液、護髮產品等產品中。這與它半導體行業的聲名狼藉完完全全相反。

那麼矽氧烷到底對晶圓有什麼危害呢？下面稍微分析一下：

首先，矽氧烷會影響晶圓表面質量。矽氧烷的分子結構中有機部分的揮發性較強，容易釋放出微小顆粒，這會形成顆粒汙染。這些令半導體生厭的微小顆粒會頑固地附著在晶圓光滑的表面，給晶圓製造帶來不小的麻煩。

晶圓製造中的光刻工藝對晶圓表面清潔度有著極高要求。矽氧烷會在晶圓表面形成有機膜，導致光刻膠的附著力下降，這些有機物會阻擋光線或刻蝕物質，進而引起光刻圖形失真，出現缺陷甚至失敗。此外，矽氧烷殘留物會在曝光或顯影過程中與其發生化學品反應，形成難以去除的缺陷。這些都嚴重影響晶圓的製造的良率。

而且這些微小顆粒並不是我們想像中的圓潤的藥丸形狀，大部分矽氧烷顆粒都是不規則體，不僅有尖銳的棱角甚至還具有一定的硬度，它們會毫不客氣地給平整的晶圓表面帶來預想不到的劃痕。這些劃痕會讓晶圓在後續的工藝製造過程中更容易出現缺陷，進一步影響到芯片的性能和可靠性。

其次是干擾化學和物理工藝。在 CVD 過程中，矽氧烷可能會與反應氣體發生相互作用，干擾正常的化學反應。譬如矽氧烷可能會吸附在反應氣體分子上，阻止反應氣體與晶圓表面充分接觸，從而影響薄膜的沉積速率和質量。這將導致沉積的薄膜不均勻、厚度不符合要求，極大地影響芯片的性能。

矽氧烷還可阻礙刻蝕工藝。矽氧烷可能會在晶圓表面形成一層保護膜，阻止刻蝕劑對晶圓的腐蝕。導致刻蝕不均勻，無法形成所需的電路圖案，甚至形成刻蝕缺陷。而且矽氧烷自身也有可能與刻蝕劑發生反應，生成一些不需要的副產物，這些副產物也許會殘留在晶圓表面，影響後續的工藝製造。最終這些缺陷會直接影響到器件的性能和良率。

也許有的人說仔仔細細地清洗晶圓不就行了！其實矽氧烷還能影響清洗效果。矽氧烷這令人生厭的東西竟然具有一定的疏水性，這種物理特性使它很難被超純水或其他清洗液徹底清洗掉。尤其是在高溫環境下，矽氧烷會分解並形成穩定的有機殘留物。這些殘留物會粘附著在晶圓表面，造成不可逆轉的永久性損傷。而殘留的矽氧烷會繼續對晶圓的性能產生不良影響，繼而在後續的工藝過程中引發更多不可預料的連鎖反應。

再次，矽氧烷會極大地影響晶圓的電學性能，這會產生漏電現象。若矽氧烷殘留在晶圓表面或直接滲透進晶圓內部，有很大的可能性會改變此晶圓的電學特性，使晶圓或者半導體芯片最大的優勢性能——絕緣性能下降。這會讓芯片在工作時出現漏電現象，導致設備故障，數據丟失。甚至還會讓設備產生安全隱患，引起設備過熱、起火甚至爆炸，對人員和環境造成危險。

矽氧烷還能直接影響到晶體管的性能。這其中涉及到晶體管的閾值電壓、載流子遷移率等參數，使晶體管的開/關（on/off）切換速度變慢、電流放大倍數降低等，從而影響到芯片的運算速度及處理能力。

那麼在晶圓製作中我們如何預防矽氧烷呢？

第一是控制空氣質量，避免有機矽物質通過空氣傳播。第二在製造過程中儘量減少或避免使用含矽氧烷的材料。第三採用專門設計的清洗流程，確保矽氧烷汙染物能被徹底清除。

現在我們回到本文中的主題：儘量減少或避免使用含矽氧烷的材料。這其中的一個最大的因素就是員工需要素顏狀態進入半導體制造工廠，這也是本文所論述的半導體制造工廠不允許女性化妝的原因。

那麼除了化妝品以外，那麼矽氧烷還存在什麼產品中？

首先讓我們看一看矽樹脂的構造：

現在是不是有點明白了，只要你使用有機矽樹脂，就會散發出 outgas，產生意想不到的副產品矽氧烷。

那麼有機矽樹脂有什麼特點，應用在什麼方面呢？

有機矽樹脂的主鏈由無機骨架中的矽氧烷鍵（-Si-O-Si-）構成，側鏈則帶有甲基和苯基等有機基團，因此被稱為兼具無機材料和有機材料特性的混合材料。矽樹脂具有耐熱性、耐寒性、耐候性、電性能、防水性和脫模性等多種優良性能。

所以矽樹脂具有其他塑料材料所不具備的獨特特性，如消泡性、脫模性、憎水性、高壓縮性、高氣體滲透性、良好的耐寒性以及各種性能對溫度的依賴性小。

矽樹脂主要用途在耐熱密封材料、室外不易燃塗料、LED、脫模劑等應用。

有沒有看到一個熟悉的名詞。對！就是 LED。半導體工廠有白光區和黃光區（有的甚至還有紅光區）。無論是哪一種區域，都需要照明。而有機矽樹脂具有出色的耐熱性和耐光性，因此被大量應用在 LED 的封裝、矽樹脂透鏡、散熱材料或反射板上。所以可以這麼說，有 LED 照明的地方就有矽氧烷的存在。

是不是大家有疑問，那麼半導體工廠不是到處都有矽氧烷的存在嗎？

讓我們看看日本 LED 著名廠家 Pansonic ，裡面有照明器具的介紹。[1]最下面有一行很不起眼的小字：

直管 LED ランプにはシリコンが使用されています。シロキサン化合物の影響を受けるような場所（例えば、半導體や液晶などの製品を扱うクリーンルーム）で使用する場合には、事前に確認してください。

我們直接翻譯過來就是：「矽樹脂用於直管型 LED 燈。如果在可能受到矽氧烷化合物影響的場所（例如處理半導體、液晶等產品的無塵室）使用本產品，請事先確認。」

懂了沒，這算是有良心的廠家，給你很親切地用不起眼的小字旁敲側擊寫出來，LED 照明燈具對半導體潔淨生產車間有一些不良的影響。當然市面上大部分照明廠家，只要你不質問，他是死也不說他的產品會散發出人神共憤的矽氧烷。這也是迄今為止很多半導體廠家的照明還採用老式的螢光燈照明的原因。其實並不是這些廠家不想換不想節電，而是有矽氧烷這個討厭的東西存在。

那麼半導體工廠不能用 LED 照明了嗎？當然不是，很多照明廠家做出了不少的努力，比如提高照明器具的氣密性。在照明周邊和內部的填料確保了設備腔體的氣密性。雖然腔體內有少量的矽氧烷，但是通過密封填料保證這些討厭的副產物不會散發出來。

除了 LED，半導體廠還能有什麼設備可能散發出矽氧烷呢？當然有，而且很多。

比如說建築材料用的密封膠，大部分產品都含有矽氧烷。正因如此，用於潔淨室建築物或者潔淨室各項設備中的密封膠也有相當嚴格的規定。

比如日本信越的一款密封膠，叫做 Shin-Etsu Pure Sealant，產品里明確有介紹道此產品能最大限度地減少低分子量矽氧烷的揮發，還能顯著減少有機化合物的揮發。此公司強烈推薦用戶使用他們的產品。

還有一個廠家，叫做日本東麗（TORAY）。他們有一款 CORNINGSE9185 的密封膠，主要成分是單組分室溫固化矽酮粘合劑，是一款還原型低分子量矽氧烷產品。還有一款CORNINGSE5088，主要成分是單組分醇基潔淨室矽酮密封膠。產品 sds 有說明此產品含有的低分子矽氧烷在 24ppm 以下。因此該公司也強烈推薦此密封膠用於潔淨室。