洁净室工程是半导体集成电路制造环节中重要的一环，直接决定了最终产品的成败。作为半导体等高科技制造业背后看不见的守护神，现代洁净室的诞生起源于战争时期的军事工业。

1950年代朝鲜战争时期，美国军队发现雷达等电子仪器故障率奇高，每年维护费甚至超出原价，原因就在于工厂生产环境不清洁导致零部件可靠性差，质量不稳定。后来在生产车间引入高效空气过滤器后方解决问题，这就是现代洁净室的诞生。到了1970年代，集成电路、大规模和超大规模集成电路等开始蓬勃发展，洁净技术也开始快速发展。从1990年代开始至今，半导体技术飞速发展，精度不断提高，对生产环境的洁净度提出了新的要求，洁净技术开始腾飞。50多年来，半导体产业一直在以摩尔定律的速度演进，芯片上晶体管的数量每隔18～24个月就会翻一番，这也意味着芯片上的电路越来越密集。 在过去的30年里， IC的线宽已经从1990年代的800～200nm减小到现在的7nm，甚至更小。目前国外最先进的半导体量产工艺线宽已经发展到5nm，未来将发展到3nm。

目前国内半导体行业相对于海外来说明显处于落后状态，当台积电和三星已经在为3nm工艺首发振臂高呼时，我们才刚刚迈过“先进制程”的第一道门槛。在行业内，14nm工艺是先进制程工艺的“分水岭”。作为国内最大的晶圆代工厂，中芯国际在近两年成功突破14nm工艺的技术开发，实现了国产芯片大发展。目前中芯国际的28nm、14nm、12nm等技术均已进入规模量产，7nm技术的开发也已经完成，2022Q4可以进行风险量产。

与此同时，中国在全球半导体产业链中的份额也正在逐步增加。过去的几十年，全球半导体产业发生了两次重大转移，一次是1980年代左右，从美国转移到日本，日本半导体快速崛起，甚至一度成为全球最大的芯片出口国，超过了美国。后来美国挥舞大棒干预，签订了《日 美半导体协议》，日本半导体产业开始衰退。在1990年代进行了第二次转移，从日本转移至韩国、中国台湾，带来了三星、台积电的崛起。据国际半导体设备与材料产业协会（SEMI） 的报告显示，2017～2020年间全球投产的半导体晶圆厂为62座， 其中26座设于中国， 合计占全球总数约42%。2018～2020年，中国大陆12英寸、8英寸晶圆厂建设投资达7087亿元（其中内资晶圆厂投资达5303亿元，占比75%），年均投资达2362亿元（其中内资晶圆厂投资达1768亿元）。预计从2020年到2024年，国内至少新增38个12英寸晶圆厂，国产半导体产业链将迎来新一轮真正的景气周期。作为半导体产业必需的洁净环境提供者，洁净室空气净化也将迎来新一轮的成长与爆发。

1 洁净室空气净化系统

洁净室是指空气悬浮粒子浓度受控的房间，其建造和使用应减少室内诱入、产生及滞留粒子， 并对室内其他有关参数如温度、湿度、压力等按要求进行控制。不论外界空气条件如何变化， 洁净室内均能维持原设定的洁净度、温度及压力等性能，以满足使用需求。洁净室最主要的作用在于控制在其内生产的产品所接触的空气的洁净度及湿度等各项指标符合标准，使产品能在一个具有良好条件和高度稳定性的环境空间中生产制造。

按功能与用途分，洁净室分为电子洁净室（无尘）与生物洁净室（无尘、无菌）。工业洁净室适用于以半导体、集成电路行业为主的电子工业，生物洁净室适用于以制药、医院（手术室、 无菌病房）、生物实验室等为代表的生命科学领域。

当前，随着半导体技术的线宽尺寸越来越小，对洁净室生产环境洁净度的要求也日趋严苛。 气态分子级污染物（AMC）已经逐渐取代颗粒污染物而成为影响半导体制程良率的关键因素之一。作为控制目标的AMC的物质种类和数量不断增加，控制浓度不断降低，甚至低至十亿分之一或万亿分之一水平。要满足这些不断更新的技术对洁净室环境提出的日益严苛的要求，空气净化的技术和产品也必须不断进步。

1.1 洁净室系统要求

典型的半导体工厂洁净室如图1所示。依据功能划分，洁净室可分为上技术夹层、洁净工艺层、下技术夹层三个主要区域。其中：洁净工艺层为核心层，半导体制程的关键工艺设备均位于该层，上下技术夹层为辅助层，是为保障洁净室运行所需的辅助设备安装层及循环气流分配层。为了保证半导体尖端工艺所需的洁净度，在上技术夹层与洁净工艺层之间、洁净室关键机台内，均装有由风机过滤单元（FFU/EFU）、高效/超高效过滤器(HEPA/ULPA) 及化学过滤器所构成的高过滤精度空气净化循环设备，以确保半导体制程工艺所需的超高洁净度与超低气态分子污染物浓度。

1.2 按粒子浓度划分空气洁净度

ISO14644-1《按粒子浓度划分空气洁净度等级》，将洁净室的洁净度根据特定粒径颗粒物的计数浓度分为1～9级，如表1所示。

（1）表中的所有浓度都是累积的， 例如ISO 5级，10200个0. 3μm粒子包括所有粒径大于等于该粒径的粒子。

（2）这些浓度需大量空气采样才能用于分级。可以使用序贯采样程序。

（3）表格这一区域因粒子浓度太高，浓度限值不适用。

（4）受采样和统计方法的制约，在粒子浓度低时不适用于分级。

（5）因采样系统可能对粒径大于1μm的低浓度粒子有损耗，此粒径不适合分级之用。

（6）为在ISO 5级中说明这一粒径，采用大粒子M描述符，但至少要结合另一个粒径一起使用。

（7）该级别只适用于动态。

1.3 半导体制程环境对洁净度的要求

在2016年前，指导半导体技术发展的一直是国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）。其中对于半导体制程环境的洁净度要求如表2所示。

1.4 半导体制程对气态污染物浓度的要求

随着半导体工艺技术不断微缩进步所带来成本和复杂性的增加，I TRS已经不能满足需求。 2 01 6年5月1 2日开始，国际器件和系统路线图（International Roadmap for Devices and Systems， IRDS）正式成为引 导半导体产业发展趋势的指导性文件。其中对于半导体制程环境的气态分子污染物（Airborne Molecular Contamination, AMC）浓度如表3所示。

2 洁净室颗粒物净化技术

2.1 风机过滤单元

风机过滤单元（Fan Filter Unit, FFU）是近年来高等级洁净室末端净化使用最广泛的产品之一，具有模块化、可再利用性、灵活性及缩短建设成本等诸多优势。风机过滤单元由风机、 箱体、控制器等部件构成。

根据风机中所使用的电机种类，可分为交流风机和直流风机。早期的风机过滤单元多为交流风机，但近年来随着对节能越来越重视，以及小型直流风机技术的日趋成熟，直流FFU已经成为业内主流。直流FFU的生命周期成本可比交流FFU降低24. 6%，这个数据对于动辄使用上万台乃至几万台FFU的半导体洁净室来说，具有巨大的吸引力。

FFU的箱体导流设计技术，也为FFU的节能做出了巨大贡献。国内FFU的领导品牌“美埃” 运用CFD仿真技术所设计的FFU箱体，可在直流风机自身总效率58%的基础上，将FFU整机机械效率提升6%，达到64%。

2.2 高效/超高效过滤器

高效/超高效过滤器是保证洁净室洁净度的“心脏”。随着技术的不断进步，高效过滤器在结构上经历了从有隔板过滤器向无隔板密褶式的转变，随着结构的改变，也带来了效率的大幅度提升，目前半导体洁净室最高等级的超高效过滤器可以达到U17（99. 999995%@0. 1～0. 2μm）的过滤效率。除了结构形式上的转变，高效/超高效过滤器的核心过滤材料也在不断创新。超细玻璃纤维滤纸是最传统的高效/超高效过滤器滤材，具有效率范围广、容尘量高、使用寿命长、阻燃性好的优点。但同时也有阻力高、脆性大、不耐湿、释气（Out gassing） 高、无法降解的缺点。PTFE滤料的诞生，一定程度上弥补了玻纤滤料的不足，它具有阻力低、韧性好、释气（Outgassing）低等诸多优点，但也有自身的不足。由于PTFE滤料属于膜过滤，因此阻力上升较快，且不阻燃。超细玻璃纤维与PTFE滤材的性能对例如表4所示。

近两年，随着纳米纤维技术的不断进步，采用静电纺丝技术制造高效/超高效纳米纤维滤料有望获得成功，该材料可兼具玻纤滤料与PTFE滤料的优点，规避各自的缺点。如能尽早实现产业化，无疑将成为空气净化行业的革命性技术。

3 洁净室气态分子污染物净化技术

洁净室的气态分子污染物净化的主流技术为化学过滤器。 根据所采用的核心材料技术不同， 化学过滤器可分为活性炭、离子交换树脂、离子交换纤维及其他材料等多种。

3.1 活性炭

活性炭因其廉价易得、比表面积大等特点，而成为化学过滤器使用最广泛的材料。针对要吸附的气态分子污染物的特性不同，可对活性炭进行浸渍或熏蒸改性，以使其具有选择吸附或吸收的功能，满足洁净室中针对特定污染物的去除要求。

早期的改性活性炭多以进口品牌为主导。近年来随着国内的技术进步，国内厂商研发的改性活性炭，已可以在性能上超越进口品牌活性炭。

3.2 离子交换树脂

离子交换树脂较多用于水处理。在空气净化中，离子交换树脂适用于具有极性的气态分子污染物去除，具有容污量大的特点，但成本也较活性炭略高。在实际应用中，将离子交换树脂与活性炭混合使用，可实现优势互补。

3.3 离子交换纤维

离子交换纤维为相对小众的材料，对碱性气态分子污染物去除性能较好，阻力低、加工便捷、 发尘量少、可再生重复使用，且不产生危废。

3.4 其他材料

除以上材料外，业内也有一些其他的创新型材料，如采用化纤材料进行浸渍改性后制作成化学过滤器，具有成本低、阻力低、可再生等多方面的突出优点，不失为替代传统活性炭材料的选择之一。

3.5 不同材料性能对比

上述材料的性能比较如表5所示。

4 结语

近年来，随着国际形势的日趋严峻，欧美等国家对中国的发展与强大日益忌惮。半导体产业成为西方势力遏制中国发展的主要领域之一。作为大国重器，科技发展的重要支撑，中国半导体产业必须走自主发展之路。作为半导体尖端制程所必需的洁净室环境，也承担着与民族半导体产业共进退的光荣使命。靠着自身的不懈努力，中国洁净室净化领域已经从早期的外资品牌占据主导转变为民族品牌成功超越。今后，将继续在核心材料、产品创新等方面全面超越进口品牌，为民族半导体产业发展创造卓越的洁净生产环境。