1、半导体厂房洁净室环境分析

1.1.设计需求

洁净室，又被称为无尘室或清净室，是指将一定空间范围内之空气中的微粒子、有害空气、细菌等污染物排除，并将室内之温度、洁净度、室内压力/压差、气流速度与气流分布、噪声振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而所给予特别设计的房间。洁净室中的“洁净”是一个系统性、多维度控制的技术概念，其核心是通过对空气、表面及生产过程的综合管理，将污染物(颗粒物、微生物、化学分子等)控制在特定阈值内，以满足精密制造或生物安全需求。

现代电子产品要求微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性。晶圆在生产过程中包括多道对环境的洁净度要求极高的工艺，如氧化、扩散、蚀刻、离子植入等。任何微小的尘埃粒子、化学污染物或静电都会影响产品的成品率，整个厂房的洁净室需以无生命颗粒为控制对象，其内部一般保持正压。某些精度要求高的洁净室的受控粒子尺寸要求小于 0.02 μm。

1.2 控制指标及相关设计措施半导体厂房洁净室设计施工需综合多套规范，核心指标覆盖洁净度、气态分子污染物(Airborme Molecular Contamination.AMC)、温湿度、振动、静电等维度。实际工程中需通过计算流体动力学:(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟、材料认证、动态验收，确保合规性，最终目标是将环境干扰降至芯片工艺的缺陷容忍阈值以下。

1.2.1 洁净度等级划分及设计措施

依据《洁净室及相关受控环境 第1部分:按粒子浓度划分空气洁净度等级》 (ISO 14644-1:2015)对洁净室和洁净区进行分级。标准主要依据空气中的悬浮粒子浓度来划分等级,从ISO Class 1到ISO Class 9 不等，数字越小代表洁净度越高。通常半导体厂房的核心区洁净等级要求需要达到ISO1~3级。针对不同的生产工艺和洁净等级应配合相应的平面布局、设计手法和材料选项，确保洁净室内的洁净等级达到要求。

人员进出洁净室必须按“黑区(非洁净区)-灰区(过渡区)-白区(洁净区)”单向进入，反向退出时需通过专用返回通道，避免交叉污染。灰区(过渡区)也是洁净室流线设计中的重要一环，步骤包括初次更衣、二次更衣、风淋室净化、进入核心区。在洁净室必须对外开设消防疏散口时需在满足消防安全的前提下，严格防止洁净区污染、非洁净区空气倒灌。主要措施是设置缓冲间，疏散口必须通过缓冲间连接洁净区与非洁净区双门互锁(一门开启时另一门强制关闭)。缓冲间内设压差传感器(精度+1Pa)，异常时触发声光报警。缓冲间内维持垂直层流(风速≥ 0.45 m/s)气流方向为洁净区-缓冲间-非洁净区。除必要的门窗洞口外，洁净室内部尽量避免直接对室外开设洞口。

1.2.2 AMC指标控制及设计措施

AMC 分为酸、碱、凝缩有机物和掺杂剂等类型口。洁净室中的 AMC控制是半导体、精密制造领域的关键要求，是半导体制造的“分子级防御线。其核心目标是避免分子级污染物对工艺、设备或产品造成不可逆损害，将污染物浓度压制在工艺缺陷生成阈值以下，从而保障芯片制造的原子级精度。不同行业或工艺对AMC的具体要求有一定的差异。半导体制造对 AMC 的控制尤其严格，浓度超标会干扰关键工艺的生产过程，如引起光刻胶变质、产生金属腐蚀等。尤其是在先进制程中(如3nm工艺要求硅氧烷< 0.001μgm)，光刻需要极低的 AMC 浓度。

洁净室关于 AMC 控制的设计,需通过材料选择、平面布局、气流管理、过滤系统集成等综合措施实现,从源头减少污染物的释放与渗透。在材料选择上，应采取低释气和耐腐蚀的材料，如不锈钢或阳极氧化铝等。在平面布局上，工艺区与辅助区应相互隔离，化学品储存区、废气处理站等 AMC 高发区域独立设置，与洁净区间距＞ 20 m。通风系统应完全独立，湿法清洗设备与干法设备（光刻、离子注入）分置不同空调系统，刻蚀机、扩散炉等废气直接外排（经洗涤塔 /蓄热式热氧化器处理），避免回流，防止交叉污染。

1.2.3 温湿度控制及设计措施

半导体厂房洁净室对温湿度进行严格控制，是保障芯片制造工艺稳定性、设备可靠性及产品良率的核心要求。温度方面，硅的线性膨胀系数为2.6×10^—6/℃，温度波动 ±0.1 ℃可导致硅片膨胀 / 收缩 ±0.2 nm，光刻过程中温度变化会导致硅片膨胀影响精度。

湿度方面，过高或过低都会影响光刻胶的性能，导致图形缺陷。高湿度可能导致设备内部结露，引发短路。湿度太低则容易产生静电，损坏敏感的电子元件。

半导体厂房在设计初期需通过功能分区隔离热湿源。例如，部分生产设备会产生大量热量和水蒸气，可能导致局部温湿度剧烈波动。因此，此类区域通常独立设置，配备专用排风系统，并通过物理隔离（如隔墙间距≥ 20 m）减少对核心工艺区的影响。

同时，洁净室顶部设计为双层结构，上层为技术夹层，用于布设空调风管、冷水管道和电气线路。这种设计不仅避免了管道直接暴露在洁净区内造成的热辐射干扰，还可通过夹层内的绝热材料减少冷量损失，确保送风温度稳定性控制在 ±0.1 ℃以内。

洁净室的墙体材料选择直接影响温湿度的维持效率。洁净室室外部分应使用低起尘材质的保温夹芯板隔热。地面采用防静电环氧自流平涂层，其热膨胀系数（3.2×10—6/℃）与硅片（2.6×10—6/℃）接近，可减少温差导致的应力开裂问题。此外，地面与墙体的弧形踢脚线（半径≥ 50 mm）设计消除了清洁死角，避免湿气在缝隙中积聚。半导体制造过程中，硅片对温湿度的变化极为敏感，微小的温度波动都可能导致硅片产生热膨胀或收缩，纳米级别的制程精度下这种形变甚至足以影响光刻、刻蚀等关键工艺的精度，进而导致芯片缺陷。一般来说，半导体洁净室的温度要控制在21.5 ～ 22.5 ℃，甚至更严格的范围内，相对湿度控制在 40% ～ 50%。

2、洁净室内装饰材料特征

洁净室的装修选材和施工工艺会直接影响其室内环境指标的控制，传统建筑中普遍使用的混凝土、木材等材料，在半导体厂房洁净室中因释气特性而被彻底禁用。内部的装修材质既需要将挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）释放量压制在 0.01 mg/m3 以下，又需保持表面消除静电吸附效应，同时还要控制材料的膨胀系数。也就是说，洁净室装修材料的设计和使用需满足原子级污染防控、工艺稳定性及长期可靠性的多重严苛要求。这些材料的特征不仅体现在物理化学性能上，更需与芯片制造工艺的敏感度深度契合，具体需要满足以下几个特性。

2.1 超低释气性

气态分子污染物的释放，本质上是材料内部低分子量有机物或金属离子的持续逸散过程。单个气态分子污染物的吸附即可引发导致器件性能的不可逆衰退。这种极限制造需求，迫使洁净室装修材料必须从源头阻断污染释放，而超低释气性材料的应用正是这一逻辑下的必然选择。传统建筑材料如普通环氧树脂或含塑化剂的聚合物，在常温下会释放硅氧烷、邻苯二甲酸酯等挥发性有机物，其浓度即使低至 μg/m3，也足以在晶圆表面形成单分子层吸附。不锈钢与铝合金是洁净室围护结构的核心材料，此类材料的应用，使 AMC 的本底浓度能够被稳定控制。

2.2 防静电特性

静电的威胁体现为物理污染与电性损伤的双重作用。当材料表面电阻超过一定值，颗粒的吸附能量使其永久性附着于晶圆表面。静电放电产生的瞬时电流会击穿栅氧化层，形成不可逆的介质损伤。更隐蔽的风险在于静电引发的化学污染。带电材料表面会加速气态分子污染物的吸附与反应，影响工艺稳定性并增加缺陷风险。静电防护的物理根基在于建立低阻抗接地网络，如环氧基导电自流平体系以铜箔网格覆盖地面，接点采用冷压焊工艺，通过可控电阻实现电荷的平稳耗散。

2.3 耐化学腐蚀性

先进半导体工艺中经常会使用化学试剂（如酸碱溶剂）、等离子体处理、臭氧等腐蚀性物质。材料必须抵抗这些腐蚀性物质，防止降解导致的微粒释放或结构失效。例如，对储存和运输这些化学品的房间的墙体和管道的耐化学腐蚀有较高的要求。电解抛光不锈钢通过电化学溶解去除表面微观凸起，使不锈钢的粗糙度降低，同时形成 3～5 nm 厚的富铬氧化层。此类不锈钢管道系统在含氯离子的冷却水中运行 10 年未出现局部腐蚀。

3、洁净室吊顶、地板、墙面系统设计

洁净室作为半导体制造的核心区域，其吊顶、地板、墙面系统的设计直接决定环境控制的效能与工艺稳定性。系统设计需融合材料科学、结构力学及环境工程等多学科原理，确保洁净度、抗静电性、耐腐蚀性等关键指标满足纳米级制造需求。

3.1 吊顶系统设计

洁净室吊顶系统是一个高度集成的工程体系，除了要满足建筑构造所需空间外，还需充分考虑送风、回风、排烟、电缆桥架、工艺直排、压缩空气管道、照明系统等各类设备设施的安装空间，以及检修人员的活动和操作空间。确保吊顶下方有足够的空间容纳所有必要的设备和管道，避免相互干扰或者影响气流分布。洁净室吊顶系统主要包括：采用阳极氧化铝或者电解抛光不锈钢型材组装的高强度龙骨框架，点阵式的风机过滤单元（Fan Filter Units，FFU），0.8～1.2 mm 厚阳极氧化铝板与蜂窝铝芯金属复合板以及吊顶下的自动物料搬送系统（Automatic Material Handling System，AMHS）。

吊顶系统采用全悬挂模块化结构，主体框架为高强度 T 型龙骨，经阳极氧化处理形成氧化铝防护层，具备抗腐蚀与防静电特性。底部凹槽经计算机数控加工（Computerized Numerical Control，CNC）形成 0.2 mm级公差面，嵌入铝合金盖板压条，通过自锁卡扣实现零泄漏密封，并集成M8 螺纹槽供设备快速安装。

FFU 的心脏是一组多层叶轮与无刷电机，以每秒数十次的转速将空气吸入，经过超高效过滤器的层层拦截⸺这些由玻璃纤维与静电驻极材料编织的滤网，如同微观世界的捕手，以纳米级的精度捕捉 0.1 微米级的微粒，甚至通过库仑力吸附比纤维间隙更小的粒子。龙骨单元模数匹配过滤器 1200 mm×1200 mm。为光刻机提供 0.45 m/s 层流速度的亚微米级稳定环境。

AMHS 是半导体制造中非常重要的自动化物流系统，主要用于运输晶圆盒。为确保晶圆在不同工艺设备间高效、安全地移动，轨道区域采用直径为 12 mm 的双吊杆与 Q235B 镀锌型钢复合补强，满足堆垛机瞬时冲击荷载需求。光刻区设置热浸镀锌钢制吊点，单点承载 3 kN。

3.2 高架地板系统设计

高架地板又被称为耗散型静电地板。洁净室、无尘车间都会用到高架防静电地板。半导体厂房高架地板系统基于模块化矩阵与抗微振控制原理设计，采用 600 mm×600 mm 标准化单元构建可调节支撑体系。系统支撑高度按工艺需求在 600 ～ 1100 mm 间灵活配置，荷载性能实施分级设计：设备搬运通道基板采用双密度压铸铝合金，经 T6 热处理后集中荷载承载能力达 2000 kgf/cm2，黄光区集中荷载承载力需达 1700 kgf/cm²，常规区域集中荷载承载力达 1500 kgf/cm² 即可。荷载测试点至少为边缘 1/2 点、中心点、对角线 1/4 点。且极限强度满足中心点不低于设计荷载的 3 倍，边缘 1/2 点以及对角线 1/4 点不低于设计荷载的 2.5 倍。

盲板和孔板均附有乙烯基贴面层，穿孔板采用激光微孔加工，孔径公差 ±0.02 mm，铝合金压铸后的铸件与机械加工前必须先进行表面喷丸处理，强化表面洁净度的同时去除铸件表面的氧化膜、铁锈及其他脏污物或编码瑕疵，机加工过程避免油污沾染。

3.3 金属壁板墙面系统设计

洁净室金属壁板隔墙系统会安装在指定位置以形成房间布局，所有洁净室上下技术夹层范围内的建筑砌块墙体、混凝土墙体、石膏板墙体及结构柱都会覆盖以环氧涂料和洁净金属壁板，内隔墙的墙体系统由铝合金骨架（为墙体立柱）、金属墙板、铝合金门窗等构成。墙板体系为模块可拆卸，其构成方式一般以长度 1.2 m 为单元进行组装拆卸，方便后期的维修及更换。板墙由高强度铝合金或不锈钢基材构成，表面覆盖特殊涂层，形成连续密闭的围护界面。其核心功能体现在环境隔离能力方面：壁板通过模块化拼接工艺与密封胶条的结合，实现密闭屏障，有效阻隔外部颗粒物、温湿度波动及化学污染物渗透。

洁净室临近外侧墙体处一般采用 100 mm 单面抗静电岩棉芯金属壁板，抗静电一面朝向室内。主要提供一定能力的墙体保温功能，减少室内温度的波动。其他区域的金属壁板一般采用 44 mm 和 50 mm 铝蜂窝复合结构，外层为 0.6 mm 厚抗静电环氧涂层钢板。内芯采用铝合金蜂窝，单胞直径 21 mm，且压制成板后四周应有加强扣件，抗弯刚度达 18 kN·m，满足ISO 14644-1 Class 3 级洁净室抗变形要求，接缝处采用闭孔发泡条密封。

金属壁板墙上的视窗一般以壁板墙的模数来控制，窗体材质选用亚克力板，亚克力窗透光率≥ 92%（厚度5 mm时），显著高于普通玻璃（88%），且无色差特性确保对工艺设备运行状态的精准目视监控。表面经纳米级抛光处理（粗糙度≤0.1μm），减少光散射导致的视觉畸变，满足半导体制造中晶圆对准与设备调试的高精度观察需求。其本身也有较低的微粒吸附率，成本也更低。

4、结语

半导体洁净室厂房的设计与建造是跨学科技术整合的典范，是构建一个多维度协同的超精密环境控制系统，其核心在于通过材料创新、结构优化与智能调控的深度融合，对抗自然环境中固有的无序性。从分子级材料工程到建筑尺度的空间规划，每个组件均需实现物理性能与化学稳定性的双重突破，这种多维度的技术协同，使得洁净室能够在动态运行中持续抵抗微粒渗透、温湿波动与能量耗散，为芯片制造创造超越自然条件的超稳定环境，最终将理论上的物理极限转化为产业端的良率突破。