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潔凈室工程是半導體集成電路制造環節中重要的一環，直接決定了產品的成敗。半導體技術飛速發展，精度不斷提高，對生產環境的潔凈度提出了新的要求，潔凈技術開始騰飛，也將迎來新一輪的成長與爆發。
1 潔凈室空氣凈化系統
潔凈室是指空氣懸浮粒子濃度受控的房間，其建造和使用應減少室內誘入、產生及滯留粒子，并對室內其他有關參數如溫度、濕度、壓力等按要求進行控制。不論外界空氣條件如何變化，潔凈室內均能維持原設定的潔凈度、溫度及壓力等性能，以滿足使用需求。潔凈室主要的作用在于控制在其內生產的產品所接觸的空氣的潔凈度及濕度等各項指標符合標準，使產品能在一個具有良好條件和高度穩定性的環境空間中生產制造。按功能與用途分，潔凈室分為電子潔凈室（無塵）與生物潔凈室（無塵、無菌）。工業潔凈室適用于以半導體、集成電路行業為主的電子工業，生物潔凈室適用于以制藥、醫院（手術室、無菌病房）、生物實驗室等為代表的生命科學領域。
當前，隨著半導體技術的線寬尺寸越來越小，對潔凈室生產環境潔凈度的要求也日趨嚴苛。氣態分子級污染物（AMC）已經逐漸取代顆粒污染物而成為影響半導體制程良率的關鍵因素之一。作為控制目標的AMC的物質種類和數量不斷增加，控制濃度不斷降低，甚至低至十億分之一或萬億分之一水平。要滿足這些不斷更新的技術對潔凈室環境提出的日益嚴苛的要求，空氣凈化的技術和產品也必須不斷進步。
1.1 潔凈室系統要求典型的半導體工廠潔凈室如圖1所示。依據功能劃分，潔凈室可分為上技術夾層、潔凈工藝層、下技術夾層三個主要區域。其中：潔凈工藝層為核心層，半導體制程的關鍵工藝設備均位于該層，上下技術夾層為輔助層，是為保障潔凈室運行所需的輔助設備安裝層及循環氣流分配層。為了保證半導體尖端工藝所需的潔凈度，在上技術夾層與潔凈工藝層之間、潔凈室關鍵機臺內，均裝有由風機過濾單元（FFU/EFU）、高效/超高效過濾器(HEPA/ULPA)及化學過濾器所構成的高過濾精度空氣凈化循環設備，以確保半導體制程工藝所需的超高潔凈度與超低氣態分子污染物濃度。
圖1 半導體工廠潔凈室示意圖
1.2 按粒子濃度劃分空氣潔凈度ISO14644-1《按粒子濃度劃分空氣潔凈度等級》，將潔凈室的潔凈度根據特定粒徑顆粒物的計數濃度分為1～9級，如表1所示。
（1）表中的所有濃度都是累積的，例如ISO 5級，10 200個0.3μm粒子包括所有粒徑大于等于該粒徑的粒子。
（2）這些濃度需大量空氣采樣才能用于分級?？梢允褂眯蜇灢蓸映绦?。
表1 按粒子濃度劃分的空氣潔凈度ISO級別
（3）表格這一區域因粒子濃度太高，濃度限值不適用。
（4）受采樣和統計方法的制約，在粒子濃度低時不適用于分級。
（5）因采樣系統可能對粒徑大于1μm的低濃度粒子有損耗，此粒徑不適合分級之用。
（6）為在ISO 5級中說明這一粒徑，采用大粒子M描述符，但至少要結合另一個粒徑一起使用。
（7）該級別只適用于動態。
1.3 半導體制程環境對潔凈度的要求在2016年前，指導半導體技術發展的一直是國際半導體技術路線圖（International TechnologyRoadmap for Semiconductors, ITRS）。其中對于半導體制程環境的潔凈度要求如表2所示。
表2 ITRS對半導體生產潔凈室整體潔凈度與微環境局部潔凈度要求（2007年）
1.4 半導體制程對氣態污染物濃度的要求隨著半導體工藝技術不斷微縮進步所帶來成本和復雜性的增加，ITRS已經不能滿足需求。2 0 1 6 年5 月1 2 日開始， 國際器件和系統路線圖（International Roadmap for Devicesand Systems，IRDS）正式成為引導半導體產業發展趨勢的指導性文件。其中對于半導體制程環境的氣態分子污染物（Airborne M o l e c u l a rContamination, AMC）濃度如表3所示。
表3 IRDS規范針對半導體制造的AMC推薦體積分數
2 潔凈室顆粒物凈化技術
2.1 風機過濾單元風機過濾單元（Fan Filter Unit, FFU）是近年來高等級潔凈室末端凈化使用廣泛的產品之一，具有模塊化、可再利用性、靈活性及縮短建設成本等諸多優勢。風機過濾單元由風機、箱體、控制器等部件構成。根據風機中所使用的電機種類，可分為交流風機和直流風機。早期的風機過濾單元多為交流風機，但近年來隨著對節能越來越重視，以及小型直流風機技術的日趨成熟，直流FFU已經成為業內主流。直流FFU的生命周期成本可比交流FFU降低24.6%，這個數據對于動輒使用上萬臺乃至幾萬臺FFU的半導體潔凈室來說，具有巨大的吸引力。FFU的箱體導流設計技術，也為FFU的節能做出了巨大貢獻。國內FFU的領導品牌“美?！边\用CFD仿真技術所設計的FFU箱體，可在直流風機自身總效率58%的基礎上，將FFU整機機械效率提升6%，達到64%。
2.2 高效/超高效過濾器高效/超高效過濾器是保證潔凈室潔凈度的“心臟”。隨著技術的不斷進步，高效過濾器在結構上經歷了從有隔板過濾器向無隔板密褶式的轉變，隨著結構的改變，也帶來了效率的大幅度提升，目前半導體潔凈室高等級的高效過濾器可以達到U17（99.999995%@0.1～0.2μm）的過濾效率。除了結構形式上的轉變，高效/超高效過濾器的核心過濾材料也在不斷創新。超細玻璃纖維濾紙是傳統的高效/超高效過濾器濾材，具有效率范圍廣、容塵量高、使用壽命長、阻燃性好的優點。但同時也有阻力高、脆性大、不耐濕、釋氣（Outgassing）高、無法降解的缺點。PTFE濾料的誕生，一定程度上彌補了玻纖濾料的不足，它具有阻力低、韌性好、釋氣（Outgassing）低等諸多優點，但也有自身的不足。由于PTFE濾料屬于膜過濾，因此阻力上升較快，且不阻燃。超細玻璃纖維與PTFE濾材的性能對例如表4所示。
表4 超細玻璃纖維濾料與PTFE濾料性能比較
近兩年，隨著納米纖維技術的不斷進步，采用靜電紡絲技術制造高效/超高效納米纖維濾料有望獲得成功，該材料可兼具玻纖濾料與PTFE濾料的優點，規避各自的缺點。如能盡早實現產業化，無疑將成為空氣凈化行業的革命性技術。
3 潔凈室氣態分子污染物凈化技術
潔凈室的氣態分子污染物凈化的主流技術為化學過濾器。根據所采用的核心材料技術不同，化學過濾器可分為活性炭、離子交換樹脂、離子交換纖維及其他材料等多種。
3.1 活性炭活性炭因其廉價易得、比表面積大等特點，而成為化學過濾器使用廣泛的材料。針對要吸附的氣態分子污染物的特性不同，可對活性炭進行浸漬或熏蒸改性，以使其具有選擇吸附或吸收的功能，滿足潔凈室中針對特定污染物的去除要求。早期的改性活性炭多以進口品牌為主導。近年來隨著國內的技術進步，國內廠商研發的改性活性炭，已可以在性能上超越進口品牌活性炭。
3.2 離子交換樹脂離子交換樹脂較多用于水處理。在空氣凈化中，離子交換樹脂適用于具有極性的氣態分子污染物去除，具有容污量大的特點，但成本也較活性炭略高。在實際應用中，將離子交換樹脂與活性炭混合使用，可實現優勢互補。
3.3 離子交換纖維離子交換纖維為相對小眾的材料，對堿性氣態分子污染物去除性能較好，阻力低、加工便捷、發塵量少、可再生重復使用，且不產生危廢。
3.4 其他材料除以上材料外，業內也有一些其他的創新型材料，如采用化纖材料進行浸漬改性后制作成化學過濾器，具有成本低、阻力低、可再生等多方面的突出優點，不失為替代傳統活性炭材料的選擇之一。
3.5 不同材料性能對比上述材料的性能比較如表5所示。
表5 化學過濾器濾料性能對比
4 結語
近年來，隨著國際形勢的日趨嚴峻，歐美等國家對中國的發展與強大日益忌憚。半導體產業成為西方勢力遏制中國發展的主要領域之一。作為大國重器，科技發展的重要支撐，中國半導體產業必須走自主發展之路。作為半導體尖端制程所必需的潔凈室環境，也承擔著與民族半導體產業共進退的光榮使命?？恐陨淼牟恍概?，中國潔凈室凈化領域已經從早期的外資品牌占據主導轉變為民族品牌成功超越。今后，將繼續在核心材料、產品創新等方面全面超越進口品牌，為民族半導體產業發展創造卓越的潔凈生產環境。
來源：美埃（中國）環境科技股份有限公司
