10.1 净化区

10.1.1 集成电路技术从最初在同一块衬底材料上只能集成屈指可数的几个半导体器件和无源元件的水平，已经发展到今天的在一个平方厘米的硅晶片上就可以集成几千万个元件水平。随着时代的发展，单个元器件的尺寸越来越小，单个集成电路芯片的面积越来越大，这就使得集成电路的集成度越来越高。集成电路芯片加工精度和生产环境的洁净度密不可分。
    洁净区空气中的尘埃会直接影响芯片的品质。表3为美国半导体工业联合会（SIA）制定的有关半导体技术发展路线图中的数据。     从表3中的临界缺陷尺寸一栏清楚地表明了晶圆片表面多大尺寸的随机缺陷或颗粒就会引起集成电路芯片功能的失败。由于临界缺陷尺寸应小于最小特征尺寸的一半，对于当今20nm的最小特征尺寸，临界缺陷尺寸只能小于10nm。例如，在光刻胶的曝光过程中，如果晶圆片表面存在一个尘埃颗粒，则这个小颗粒就会影响到其下方光刻胶的曝光，假如由此引起的缺陷尺寸已经接近了所要光刻图形的特征尺寸且该缺陷恰好又处在芯片上的某个关键区域，那么就极有可能导致该处的器件功能失效；当处在栅氧化工艺步骤时，一个位于MOSFET栅氧化层区域的颗粒就很可能会引起器件失效。对于一个现代的硅集成电路芯片制造厂来说，据统计，大约75%的成品率损失都是由于晶圆上的尘埃颗粒而直接引起。
    由于产品和工艺设备不同，对洁净室内空气洁净度等级和被控粒子粒径、温度、相对湿度控制要求也不相同。因此，生产区域的洁净度等级应根据工艺要求确定。为了有效地保证产品合格率，避免概念混淆，应采用现行国家标准《洁净厂房设计规范》GB 50073表3.0.1作为统一标准，如表4所示。该表等同于国际标准ISO 14644-1《洁净室及相关控制环境 第1部分：空气洁净度等级的分类》，也便于与国际接轨。确定空气洁净度等级所处状态的目的是便于设计、施工和项目验收，更主要的是满足产品生产要求。 10.1.3 为保证洁净室空气平衡和洁净室内的正压值，新鲜空气量应等于补偿室内排风量和保持室内正压值所需新鲜空气量之和，同时新鲜空气量应满足人员新鲜空气需求量。因此，取两者之中的最大值。现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019规定：“工业建筑应保证每人不小于30m³/h的新风量。”《洁净厂房设计规范》GB 50073规定：“保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40m³/h。”芯片厂房内使用化学品、特种气体等原料，这些物品具有有毒有害、易燃、易爆等特性，因此在本条第2款制定了“保证供给洁净区内人员所需的新鲜空气量”的规定。
10.1.4 洁净室与相邻的房间应保持一定压差，确保洁净室在正常状态或空气平衡暂时受到破坏时，气流只能从空气洁净度等级高的房间流向空气洁净度等级低的房间，使洁净室内的洁净度不会受到污染空气的影响。渗漏空气量与压差值有关，压差值选择应适当。若压差值过小，洁净室正压容易被破坏，洁净室的洁净度会受到影响。若压差值过大，渗漏风量会较大，补充新风量就相应增加，新风空调冷热负荷也会相应增加，新风空调器容量也会增大，过滤器负荷也会增加，过滤器使用寿命也会缩短。试验结果表明：洁净室内正压值小于5Pa时，洁净室外的污染空气就有可能渗入洁净室内。室外空气在洁净厂房的迎风面上产生正压，在背风面上产生负压，因此，洁净室相对于室外的压差参照点应位于迎风面，洁净室与室外的相对压力应大于或等于5Pa。
10.1.5 近年来，国内外集成电路芯片洁净室大多数采用大空间（Ballroom）与微环境相结合型式，主要工艺生产区域洁净度等级为ISO5、ISO6级，气流流型为非单向流，一般采用顶布FFU送风，架空地板下回风，满布率为17％～25％，主要生产设备操作区域布置在微环境内，微环境洁净度等级为ISO2、ISO3、ISO4级。辅助区域洁净度等级一般为ISO5、ISO6级，通常采用非单向流。光刻、电子束曝光等区域洁净度等级为ISO4级或者更高.通常采用顶部满布FFU送风，架空地板下回风。国际标准化组织ISO/TC209技术委员会发布的ISO 14644-4《洁净室及相关控制环境 第4部分：设计、建造和试运行》中的表B.2微电子洁净室的实例，列出了空气洁净度等级、气流流型、洁净送风量的数据，如表5所示。 10.1.7、10.1.8 洁净区的送风方式有集中送风、风机过滤器机组(FFU)形式。目前，大规模集成电路厂房，洁净区面积大、洁净度等级高、送风量很大，通常采用FFU送风方式。对于规模较小的实验室，由于面积小，洁净度等级较低，送风量较小，可采用集中送风方式或FFU送风方式。FFU送风方式，由于空气循环路径短，气流速度低，阻力损失小，风机送风压头低，单位送风量电耗较集中送风方式低。对于洁净度等级高的洁净室，推荐采用风机过滤器机组（FFU）送风。
10.1.9 硅集成电路芯片厂房洁净室规模较大，新风量很大，通常采用多台新风机组集中处理新风，集中处理新风具有以下优点：
    1 新风集中处理可以去除新风中绝大部分的灰尘，有效延长了末级高效空气过滤器(HEPA)、超高效空气过滤器(ULPA)的使用寿命；
    2 新风集中处理有利于去除新风中的水溶性化学污染物，降低了末级化学过滤器的负荷；
    3 新风集中处理有利于洁净室湿度控制，避免冷热抵消，节约能耗；
    4 通常芯片厂房新风机组有多台，并设置备用机组，宜并联运行。由于工艺设备分期安装，且生产技术发展升级速度迅速，设备更新升级快，工艺设备排风量会随运行设备数量和运行负荷率的变化而变化，新风量也是变化的，因此建议新风系统送风机采用变频措施，以适应新风需求量的变化。
10.1.11 干盘管是采用中温冷冻水作为冷媒的空气换热设备，安装洁净室回风通路上，消除洁净室内余热，因其表面温度高于洁净室内空气露点温度，不会产生冷凝水。干盘管应用于洁净室，一般迎风面速度控制在2m/s以下，以降低盘管空气阻力。干盘管正常运行时，不会产生冷凝水，不需要设置集水盘，但考虑到设备和管道检修，建议设置检修排水设施。