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芯片作为人类文明目前最精密的工业产品，其生产过程对于杂质污染极其敏感，尤其是纳米级的先进制程，混入衬底的几颗离子，就能影响掺杂，改变芯片的电学特性；空中起舞的几个分子，便可干扰覆膜，降低芯片的生产良率；落在表面的几粒尘埃，足以短路开路，破坏芯片的物理结构，因此芯片的生产必须在一个绝对干净且稳定的环境中进行，这就是芯片的产房，净室（Clean Room ).
在各大芯片厂中，不同级别的净室占据了大部分位置，在这里，空中的浮尘微粒，甚至气体分子的密度要被控制在极低的范围。温度，湿度，压强，微震动等指标，也必须得到精密调控，否则芯片生产就会难产。当然不只是半导体行业，净室及洁净工程技术，在光电光伏，医疗航天，生物科技和食品加工等行业，都有着广泛应用。但这其中，芯片生产的净室，其洁净等级，建造难度和施工成本都是最高的。说的那么高端，不就是个干净点的车间吗？光刻机被卡脖子就算了，这闭门造个车间，能有啥难度？相信我，听完这一期，什么叫做干净，你会有一个全新的认识。
洁净等级：
首先给大家科普一下，干净的级别，国际上通用的洁净室标准是ISO 14644-1，按照颗粒物的直径和密度，把一个封闭空间内的清洁程度，分为1-9级，数字越小，级别越高，每高一级，干净10倍，其中ISO 4-8级，对应国内俗称的10级到10万级。我们在新闻里偶尔听到的，百级实验室，千级手术室，指的就是它们的洁净等级，如果你所在的城市的空气质量为优秀，那恭喜你，今天呼吸的每一口空气，都勉强达到了ISO垫底9级的及格线；
而相比城市里的乌烟瘴气，医院手术室里面就要干净多了。这里空气中的杂质密度，比外界要低数百到数千倍，对应ISO等级的5-7级;不过妇产科的要求，会更低一点，8级就能满足人类的生产了.但芯片的生产，普遍不能低于ISO3级，关键制程往往要在ISO2甚至1级的环境中进行，这是个什么概念呢？在ISO2级中，PM0.5（粒径≥0.5μm)的颗粒物，比如一粒细菌，每立方米不能超过4个;PM0.1（粒径≥0.1μm）的颗粒物，比如病毒，每立方米，不能超过100个，而到了最高的IOS1级，细菌这种庞然大物，根本就不允许进入，至于0.1微米的小颗粒，每立方米最多10粒，按体积算，相当于往洞庭湖里，撒10粒盐，所以和人类产房比起来，芯片产房要干净百万倍，我们碳基生物，最多担心一下PM2.5，而硅基芯片真是一点点PM0.1都要不起。
气流循环：
那么问题来了：晶圆厂的高质量净室是如何保持干净的呢？第一，我们需要一个极其强大的暖通空调系统，集保暖通风空气调节（简称HVAC），在半导体洁净室中，对杂质颗粒物的稀释或清除，是采用大量风机过滤单元，通过不间断的过滤与气流循环的方式来实现的；风机过滤单元是净室的灵魂，本质上就是一个空调加过滤器组成的空气净化器。
半导体净室需要的过滤器，分为两种，ISO5以下的低级别净室，用高效过滤器，其对PM0.3颗粒物的过滤效率高达99.97%，而ISO4以上的高级别净室，必须要用超高效过滤器，它们对0.1微米颗粒物的过滤效率，超过99.999%；除了过滤器，还得加上吹风机，让净室里的空气流动起来，这里按照气流循环模式，又可以把洁净室分为单向流和非单向流两种，非单向流又称紊流洁净室，顶层布置有少量分机过滤单元，墙体两侧设有回风口，经过过滤器补充进来的清洁空气，通过气流的不均匀扩散，来稀释室内的颗粒物浓度，这种方式就和我家的鱼缸一样，一个注水口，一个放水口.
洁净室里的空气也是同理，但这种主要依靠扩散稀释的方式，清洁效率低，所以只适用于ISO5级以下的净室，比如在芯片的组装，测试和封装区域，而要达到ISO1-4级，必须使用单向流又称层流洁净室。这种气流模式的特点，就是大风吹，一直吹，头顶用大量风机过滤单元，覆盖大部分甚至全部天花板，人在里面抬头仰望，满眼都是风口，低头俯瞰，地上全都是坑，这些通风口，让向下吹的风，能垂直进入楼下回风层，再经由后面空间回到顶层，这种单向气流循环，相当于将整个净室，一直放在水龙头下冲洗，只是用的不是水流，而是平行均匀的气流，只要来芯片厂打工，你就能体验到真正的接风洗尘。产生一丁点杂质，会立马被气流吹走，过滤清除。
因此一般芯片厂，至少有4层楼，制程设备和人员，在中间的工具人层，头上是安装风机过滤机组的加压层（Pressurized Plenum)，楼下则是有各种管道的回风层（Return Air Floor),最底层则是何种电力设施和气体存放设备。而除了空气循环系统，芯片净室还需要维持恒定的压强差，来防范杂质的泄露扩散和交叉污染，考虑到建设成本，半导体厂房通常是由不同级别的净室搭配组成的：比如制程区是ISO3，测试区是ISO6，走廊过道是ISO9，彼此之前杂质的浓度，相差了1000倍，而和溶液的渗透压类似，空间中的悬浮颗粒物会自动向浓度最低的区域扩散，但你又不可能把每个区域完全隔绝，毕竟人员需要走动，物料需要流通，芯片的很多制造工序，也需要晶圆频繁往返于制程与测试区。这意味着只要一开门，低级别区域的杂质颗粒，就会涌入高级区域造成污染。
为了抑制这种颗粒物的迁移扩散趋势，芯片厂需要给洁净室加压，让其与相邻区域维持一个10Pa 左右的压强差，另外一旦净室的密封性出现问题，空气只出不进，可以防止外面的脏东西进来，反向操作的例子，则是病毒实验室和隔离病房。他们为了避免里面的脏东西出去，这里的洁净室，加的是负压，一旦发生泄漏，可以极大地抑制病原体流出。除了保持恒定的压强差，在芯片厂中相邻但洁净程度不同的区域，还会使用两扇门隔绝，中间是气锁室（Air Lock),让人员和物料在开门往来时，进一步缓冲与抑制杂质的迁移，前面提到的污染物，主要是微粒和浮尘这些常见的悬浮颗粒物，假如有一粒混入关键生产工序，而且直径大于特征尺寸的50%，会直接导致芯片作废，如果大于20%，那也是一枚定时炸弹，影响芯片日后使用的可靠性。
但对于芯片生产而言，污染物种类还有很多，最难缠的是空气中的分子级污染（Airborne Molecular Contamination),包括挥发性的酸碱类物质，可凝结性物质等等，这些分子级污染物的直径，要远远小于悬浮颗粒物，不管是高效过滤器，还是超高效过滤器，都很难拦住它们。假如芯片厂选址不慎，建在了空气低质量城市，那即便设备厂房一模一样，芯片生产的良率，也会因为环境不同而受影响。举个例子，在光刻中，因为要通过光掩膜，把图形投射在晶圆上，所以光掩膜必须透光清晰，但如果空气中，氨气和二氧化硫的分子浓度，多了那么一丢丢，就容易在光掩膜或晶圆表面，凝结出大小不一的薄雾，业内称为雾状缺陷（Haze),光掩膜一旦被玷污，那再牛的光刻机，也刻不出好芯片来。
如何控制空气里这些分子污染物，是让晶圆厂非常头疼的问题，如果不想额外负担昂贵的化学过滤器，那厂房最好建在空气质量高的地方。除了空气，溶剂中的金属离子，也会影响半导体的掺杂浓度，改变器件的电特性，所以芯片制造中，用到的一切气体和溶剂，也必须是高纯度，比如清洗晶圆用的水，就不是滴滴清纯的蒸馏水，而是更加清纯的去离子水。业内叫18兆欧水，指的是它的电阻率，高达18兆欧姆，平常我们说水是导电的，那是因为水还不够纯洁，里面溶解有各种杂质离子等导电物质，而芯片厂用的水，基本是个绝缘体，总而言之，在芯片眼里，一切都可能是污染源，包括水，空气，建材，涂料，设备，化学溶剂，上道工序的微量残余物等等，其中最主要的污染源，还是净室里的人类自己。
正常人平均每天掉落60根头发，每小时产生50毫克皮屑，而从你打开视频，到现在的10分钟里，就有超过20万个死皮细胞脱离了你的本体，成为了细菌和尘螨的食品，此外我们分泌的汗液油脂，唾沫星子，都让净室里的工作人员，成为了移动的污染源。举个例子，操作员小明，不慎在晶圆清洗槽滴了一粒汗珠，里面虽然只有4乘以10的-7次方mol的纳离子，但足够让1000张晶圆报废，一张晶圆能割出50张显卡。
微环境就是在一个大净室里，再用一个更洁净的迷你净室，把关键步骤的制程设备套在里面，让操作员只通过预留的手套来操控，这种净室套娃，可以在满足工艺要求的基础上降低污染，同时节约建筑成本，毕竟建一个高级净室的成本太高，而在关键区域（Critical Area) 使用迷你的2级微环境，外部就只需要建一个便宜的5级净室，此外，在自动化程度高的芯片厂，晶圆在不同工艺制程间的转移，采用的是高架轨道运输（OHT），取代了用小推车运送晶圆的工作人员，这些就是你们在Fab宣传片里，经常看到的 ，在头顶轨道上跑来跑去的盒子，这种盒子叫做前开式晶圆运输盒（FOUP），它们是芯片的公交车，和微环境一样充满氮气，洁净级别也相同，确保晶圆在转移以及进出制程设备时，始终处于被保护的环境中。
当然即使自动化程度再高的芯片厂，还是需要有人操作和维护，加入你是工艺，设备，或测量方面的工程师，去厂里干活是常有的事情，但说实话，确实很辛苦，光是带着口罩，手套，穿着密不透风的无尘衣，就已经很难受了，里面为了防静电，湿度还调得很高，空间又密闭，人就更容易闷，加上室内用气流保持洁净，头顶全是风机，噪音相当大，降噪耳机都顶不住的那种，总结起来就是，芯片厂里妹子少，维持生产三班倒，工作环境不友好，又湿又闷还很吵，换做是你跑不跑？
另外像其他大厂的打工人，老板不在的时候，还能偶尔摸摸鱼划划水，芯片厂别说划水了，喝水都不允许，吃零食看手机，都一定要去特定的区域，想来根华子提提神，就必须更衣出厂，而且吸烟后半小时内，都不准回来，否则口气中的二手烟颗粒，很容易把芯片熏死，当然对于工程师而言，环境差妹子少，其实都不是问题，目前芯片制造业缺人的一个主要原因，还是因为钱少。在我之前的讲解视频下面，经常能看到做工艺做设备的兄弟们在抱团取暖，大家学历相同，但在国内大部分企业，制造
工艺岗的工资，就是要比设计和验证岗低很多。
相信在看我视频的人中，有很多都想投身祖国的芯片事业，假如你是芯片工程师，你是愿意进厂做工艺，还是上机做设计？我想大部分人虽然心中有情怀，但身体还是很诚实，毕竟工程师也是人，也得养家糊口，挣钱买房，不过我想说风水轮流转，一个行业的兴衰起伏，真的很难预料，以电气和电子工程为例，我刚进本科的时候，微电子还是国内没人选的冷门方向，大部分人都想去强电，毕业了好进电网或者事业单位，等到读研的时候，强电已经进入了冷宫，人工智能机器视觉方向的课程，在电子系同学中，备受宠爱，因为去互联网大厂搞钱飞快，而到我工作之后，因为众所周知的原因，芯片产业越来越被重视，第一个直观的感受就是IC设计验证之类岗位的应届生工资火速攀升，甚至出现新老员工薪酬倒挂的情形，也许再过两年，风就会吹到工艺和设备等底层制造方向，再往后，生化环材基础学科的春天，可能就不远了。
Ok我说的已经有点远了，以后有机会再和你们聊聊半导体产业链上的各岗位职能，待遇和鄙视链。回到我们今天讲的洁净室工程技术，虽然它主要服务于半导体产业，但其实背后涉及到很多其他专业，比如化工，结构，流体力学，土木，给排水等等。作为工程大国，我国洁净室的技术进步还是很快的，头部企业（单位）比如电子工程设计院，（电子信息产业）十一院，中电四公司，亚翔集成等，近年都有积极参与国内各大芯片厂的建设，但国内市场主要还是集中在较低端的洁净室，能建造ISO4级以上高端洁净室的企业极少，而这正是半导体关键制程所需要的硬件设施，目前作为芯片净室中，核心设备的风机过滤机组，基本来自美国，德国和日本的厂商，而核心设备中的核心，就是超高效过滤器（ULPA Filter)，更确切一点，是里面的0.1微米超细玻璃纤维滤纸，过滤器是有使用寿命的，每隔数年就必须更换，所以它既是建厂必须的器材，也是维持生产的耗材。
目前超高效过滤器，主要产自American Air Fliter 以及日本无机（Nippon Muki)等美日供应商，暂时还没有国产替代，当然除了设备，我们的净室工程技术，因为起步较晚，在技术经验和客户认可度上，与其他国家还存在差距，不过相比较而言，洁净室的技术壁垒并不算太高，只要脚踏实地，努力积累，这些短板就一定能补齐。好了到此，我们就讲完了芯片的前世和净室，现在芯片生产的前置条件已经解锁，下一期，我会正式讲解，晶圆的前端制造步骤，对半导体和芯片感兴趣的同学，记得点关注，让我们从光刻开始，不见不散！
