潔凈室工程是半導(dǎo)體集成電路制造環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，直接決定了產(chǎn)品的成敗。半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，精度不斷提高，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度提出了新的要求，潔凈技術(shù)開(kāi)始騰飛，也將迎來(lái)新一輪的成長(zhǎng)與爆發(fā)。
1 潔凈室空氣凈化系統(tǒng)
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(yīng)減少室內(nèi)誘入、產(chǎn)生及滯留粒子，并對(duì)室內(nèi)其他有關(guān)參數(shù)如溫度、濕度、壓力等按要求進(jìn)行控制。不論外界空氣條件如何變化，潔凈室內(nèi)均能維持原設(shè)定的潔凈度、溫度及壓力等性能，以滿(mǎn)足使用需求。潔凈室主要的作用在于控制在其內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品所接觸的空氣的潔凈度及濕度等各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品能在一個(gè)具有良好條件和高度穩(wěn)定性的環(huán)境空間中生產(chǎn)制造。按功能與用途分，潔凈室分為電子潔凈室（無(wú)塵）與生物潔凈室（無(wú)塵、無(wú)菌）。工業(yè)潔凈室適用于以半導(dǎo)體、集成電路行業(yè)為主的電子工業(yè)，生物潔凈室適用于以制藥、醫(yī)院（手術(shù)室、無(wú)菌病房）、生物實(shí)驗(yàn)室等為代表的生命科學(xué)領(lǐng)域。
當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的線(xiàn)寬尺寸越來(lái)越小，對(duì)潔凈室生產(chǎn)環(huán)境潔凈度的要求也日趨嚴(yán)苛。氣態(tài)分子級(jí)污染物（AMC）已經(jīng)逐漸取代顆粒污染物而成為影響半導(dǎo)體制程良率的關(guān)鍵因素之一。作為控制目標(biāo)的AMC的物質(zhì)種類(lèi)和數(shù)量不斷增加，控制濃度不斷降低，甚至低至十億分之一或萬(wàn)億分之一水平。要滿(mǎn)足這些不斷更新的技術(shù)對(duì)潔凈室環(huán)境提出的日益嚴(yán)苛的要求，空氣凈化的技術(shù)和產(chǎn)品也必須不斷進(jìn)步。
1.1 潔凈室系統(tǒng)要求典型的半導(dǎo)體工廠(chǎng)潔凈室如圖1所示。依據(jù)功能劃分，潔凈室可分為上技術(shù)夾層、潔凈工藝層、下技術(shù)夾層三個(gè)主要區(qū)域。其中：潔凈工藝層為核心層，半導(dǎo)體制程的關(guān)鍵工藝設(shè)備均位于該層，上下技術(shù)夾層為輔助層，是為保障潔凈室運(yùn)行所需的輔助設(shè)備安裝層及循環(huán)氣流分配層。為了保證半導(dǎo)體尖端工藝所需的潔凈度，在上技術(shù)夾層與潔凈工藝層之間、潔凈室關(guān)鍵機(jī)臺(tái)內(nèi)，均裝有由風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元（FFU/EFU）、高效/超高效過(guò)濾器(HEPA/ULPA)及化學(xué)過(guò)濾器所構(gòu)成的高過(guò)濾精度空氣凈化循環(huán)設(shè)備，以確保半導(dǎo)體制程工藝所需的超高潔凈度與超低氣態(tài)分子污染物濃度。
圖1 半導(dǎo)體工廠(chǎng)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(jí)》，將潔凈室的潔凈度根據(jù)特定粒徑顆粒物的計(jì)數(shù)濃度分為1～9級(jí)，如表1所示。
（1）表中的所有濃度都是累積的，例如ISO 5級(jí)，10 200個(gè)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(jí)?？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(jí)別
（3）表格這一區(qū)域因粒子濃度太高，濃度限值不適用。
（4）受采樣和統(tǒng)計(jì)方法的制約，在粒子濃度低時(shí)不適用于分級(jí)。
（5）因采樣系統(tǒng)可能對(duì)粒徑大于1μm的低濃度粒子有損耗，此粒徑不適合分級(jí)之用。
（6）為在ISO 5級(jí)中說(shuō)明這一粒徑，采用大粒子M描述符，但至少要結(jié)合另一個(gè)粒徑一起使用。
（7）該級(jí)別只適用于動(dòng)態(tài)。
1.3 半導(dǎo)體制程環(huán)境對(duì)潔凈度的要求在2016年前，指導(dǎo)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的一直是國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖（International TechnologyRoadmap for Semiconductors, ITRS）。其中對(duì)于半導(dǎo)體制程環(huán)境的潔凈度要求如表2所示。
表2 ITRS對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)潔凈室整體潔凈度與微環(huán)境局部潔凈度要求（2007年）
1.4 半導(dǎo)體制程對(duì)氣態(tài)污染物濃度的要求隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)不斷微縮進(jìn)步所帶來(lái)成本和復(fù)雜性的增加，ITRS已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。2 0 1 6 年5 月1 2 日開(kāi)始， 國(guó)際器件和系統(tǒng)路線(xiàn)圖（International Roadmap for Devicesand Systems，IRDS）正式成為引導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的指導(dǎo)性文件。其中對(duì)于半導(dǎo)體制程環(huán)境的氣態(tài)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(guī)范針對(duì)半導(dǎo)體制造的AMC推薦體積分?jǐn)?shù)
2 潔凈室顆粒物凈化技術(shù)
2.1 風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元（Fan Filter Unit, FFU）是近年來(lái)高等級(jí)潔凈室末端凈化使用廣泛的產(chǎn)品之一，具有模塊化、可再利用性、靈活性及縮短建設(shè)成本等諸多優(yōu)勢(shì)。風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元由風(fēng)機(jī)、箱體、控制器等部件構(gòu)成。根據(jù)風(fēng)機(jī)中所使用的電機(jī)種類(lèi)，可分為交流風(fēng)機(jī)和直流風(fēng)機(jī)。早期的風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元多為交流風(fēng)機(jī)，但近年來(lái)隨著對(duì)節(jié)能越來(lái)越重視，以及小型直流風(fēng)機(jī)技術(shù)的日趨成熟，直流FFU已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)主流。直流FFU的生命周期成本可比交流FFU降低24.6%，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)于動(dòng)輒使用上萬(wàn)臺(tái)乃至幾萬(wàn)臺(tái)FFU的半導(dǎo)體潔凈室來(lái)說(shuō)，具有巨大的吸引力。FFU的箱體導(dǎo)流設(shè)計(jì)技術(shù)，也為FFU的節(jié)能做出了巨大貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)FFU的領(lǐng)導(dǎo)品牌“美?！边\(yùn)用CFD仿真技術(shù)所設(shè)計(jì)的FFU箱體，可在直流風(fēng)機(jī)自身總效率58%的基礎(chǔ)上，將FFU整機(jī)機(jī)械效率提升6%，達(dá)到64%。
2.2 高效/超高效過(guò)濾器高效/超高效過(guò)濾器是保證潔凈室潔凈度的“心臟”。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高效過(guò)濾器在結(jié)構(gòu)上經(jīng)歷了從有隔板過(guò)濾器向無(wú)隔板密褶式的轉(zhuǎn)變，隨著結(jié)構(gòu)的改變，也帶來(lái)了效率的大幅度提升，目前半導(dǎo)體潔凈室高等級(jí)的高效過(guò)濾器可以達(dá)到U17（99.999995%@0.1～0.2μm）的過(guò)濾效率。除了結(jié)構(gòu)形式上的轉(zhuǎn)變，高效/超高效過(guò)濾器的核心過(guò)濾材料也在不斷創(chuàng)新。超細(xì)玻璃纖維濾紙是傳統(tǒng)的高效/超高效過(guò)濾器濾材，具有效率范圍廣、容塵量高、使用壽命長(zhǎng)、阻燃性好的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也有阻力高、脆性大、不耐濕、釋氣（Outgassing）高、無(wú)法降解的缺點(diǎn)。PTFE濾料的誕生，一定程度上彌補(bǔ)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(yōu)點(diǎn)，但也有自身的不足。由于PTFE濾料屬于膜過(guò)濾，因此阻力上升較快，且不阻燃。超細(xì)玻璃纖維與PTFE濾材的性能對(duì)例如表4所示。
表4 超細(xì)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(shù)的不斷進(jìn)步，采用靜電紡絲技術(shù)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(yōu)點(diǎn)，規(guī)避各自的缺點(diǎn)。如能盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，無(wú)疑將成為空氣凈化行業(yè)的革命性技術(shù)。
3 潔凈室氣態(tài)分子污染物凈化技術(shù)
潔凈室的氣態(tài)分子污染物凈化的主流技術(shù)為化學(xué)過(guò)濾器。根據(jù)所采用的核心材料技術(shù)不同，化學(xué)過(guò)濾器可分為活性炭、離子交換樹(shù)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(jià)易得、比表面積大等特點(diǎn)，而成為化學(xué)過(guò)濾器使用廣泛的材料。針對(duì)要吸附的氣態(tài)分子污染物的特性不同，可對(duì)活性炭進(jìn)行浸漬或熏蒸改性，以使其具有選擇吸附或吸收的功能，滿(mǎn)足潔凈室中針對(duì)特定污染物的去除要求。早期的改性活性炭多以進(jìn)口品牌為主導(dǎo)。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商研發(fā)的改性活性炭，已可以在性能上超越進(jìn)口品牌活性炭。
3.2 離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂較多用于水處理。在空氣凈化中，離子交換樹(shù)脂適用于具有極性的氣態(tài)分子污染物去除，具有容污量大的特點(diǎn)，但成本也較活性炭略高。在實(shí)際應(yīng)用中，將離子交換樹(shù)脂與活性炭混合使用，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
3.3 離子交換纖維離子交換纖維為相對(duì)小眾的材料，對(duì)堿性氣態(tài)分子污染物去除性能較好，阻力低、加工便捷、發(fā)塵量少、可再生重復(fù)使用，且不產(chǎn)生危廢。
3.4 其他材料除以上材料外，業(yè)內(nèi)也有一些其他的創(chuàng)新型材料，如采用化纖材料進(jìn)行浸漬改性后制作成化學(xué)過(guò)濾器，具有成本低、阻力低、可再生等多方面的突出優(yōu)點(diǎn)，不失為替代傳統(tǒng)活性炭材料的選擇之一。
3.5 不同材料性能對(duì)比上述材料的性能比較如表5所示。
表5 化學(xué)過(guò)濾器濾料性能對(duì)比
4 結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)，隨著國(guó)際形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，歐美等國(guó)家對(duì)中國(guó)的發(fā)展與強(qiáng)大日益忌憚。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為西方勢(shì)力遏制中國(guó)發(fā)展的主要領(lǐng)域之一。作為大國(guó)重器，科技發(fā)展的重要支撐，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須走自主發(fā)展之路。作為半導(dǎo)體尖端制程所必需的潔凈室環(huán)境，也承擔(dān)著與民族半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)共進(jìn)退的光榮使命?？恐陨淼牟恍概?，中國(guó)潔凈室凈化領(lǐng)域已經(jīng)從早期的外資品牌占據(jù)主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槊褡迤放瞥晒Τ健＝窈?，將繼續(xù)在核心材料、產(chǎn)品創(chuàng)新等方面全面超越進(jìn)口品牌，為民族半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造卓越的潔凈生產(chǎn)環(huán)境。
來(lái)源：美埃（中國(guó)）環(huán)境科技股份有限公司
