FAB廠無塵室設計規劃內容

FAB廠無塵室設計規劃內容

一、半導體晶圓製造廠（FAB,FabricationPlant）為高精密度生產環境，其製程對空氣潔淨度、溫濕度穩定性、振動控制、化學污染物濃度及氣流均勻性均有極高要求。隨著先進製程發展至5nm、3nm甚至更先進節點，微粒污染、溫度波動及氣流擾動均可能造成產品良率下降，因此無塵室（Cleanroom）已成為FAB廠最核心的基礎設施之一。

現代晶圓廠無塵室設計通常採用垂直單向流（VerticalLaminarFlow）系統，配合全覆蓋FFU（FanFilterUnit）、高架地板回風系統及高精度空調控制，以達到ISOClass1~3等級潔淨標準。

二、無塵室整體架構設計

FAB無塵室一般採用三層結構設計：

1.    上層：Plenum層（天花夾層）

(1).功能：FFU送風區、MAU新風供應、空調冷熱水管路、電力及控制線路、製程排氣管路

(2).高度：約2.5~4m

(3).配置重點：確保送風靜壓均勻、避免局部亂流、提供維修空間

2.    中層：Cleanroom製程區

(1).功能：曝光機、蝕刻機、薄膜設備、CMP設備、檢測設備

(2).設計潔淨度：

 

3.    下層：Sub-Fab

(1).功能：回風系統、真空設備、化學供應系統、廢氣處理設備、公用設施

(2).高度：約3~5m

 

三、氣流設計（AirflowDesign）

氣流設計是FAB無塵室最重要的設計項目，設計原則如下：

1.    單向流（UnidirectionalFlow）

(1).空氣流向：上送下回

FFU
↓↓↓↓↓

製程設備

↓↓↓↓↓

高架地板

↓↓↓↓↓

回風夾層

(2).目的：快速移除微粒、防止渦流形成、降低交叉污染

 

2.    風速設計典型設計值：通常採0.45m/s±10%

 

3.    FFU覆蓋率

先進FAB：90~100%，天花板幾乎全部配置FFU。

例如：

1000m²潔淨室

FFU覆蓋率：95%

可配置：約450~600台FFU

4.    CFD流場模擬

設計階段須進行CFD分析：

(1).模擬項目：流速分布、壓力分布、溫度分布、ParticleTracking、設備熱負荷影響

 

(2).目標：

·         流速均勻度±15%

·         溫度均勻度±0.2℃

·         無死角區域

四、回風道設計（ReturnAirSystem）

回風系統直接影響潔淨度及能耗。

1.    回風方式FAB多採：RaisedFloorReturn高架地板回風

(1).結構：

FFU送風
↓↓↓
潔淨室
↓↓↓
穿孔地板
↓↓↓
回風夾層
↓↓↓
AHU

優點：氣流路徑最短、粒子快速排除、潔淨效率高

 

(2).地板設計

高架地板高度：600~1200mm

大型FAB：1500mm以上

穿孔率：25~40%

(3).回風風速控制：1.5~3.0m/s

(4).避免過大噪音、地板震動

 

2.    回風道尺寸設計

依下式估算：

Q=A×V

其中Q=風量、A=風道面積、V=風速

例如：

風量：500,000CMH

風速：8m/s

需大型主回風幹管，回風均壓設計配置：均壓箱（Plenum）、導流板、流量平衡閥。

目的：避免局部負壓、氣流短路、回風不均

五、精密溫度控制設計

FAB設備熱敏感度極高，尤其EUV曝光機、Overlay製程、CD控制均要求極高穩定性。

1.    設計條件

一般FAB：22±0.5℃

先進製程：22±0.1℃

EUV區：22±0.05℃

2.    空調系統架構

通常採MAU+AHU+FFU

3.    系統配置：

外氣
↓
MAU
↓
冷卻除濕
↓
AHU
↓
FFU
↓
Cleanroom

4.    冷卻系統

使用：Chiller、冷卻水系統、冰水系統

供水溫度：6~7℃

回水：12~14℃

5.    控制方式採PID控制：

控制項目：

(1).冷水閥

(2).再熱盤管

(3).送風溫度

控制精度：±0.05℃

6.    熱負載分析

主要熱源：

設計時需建立完整HeatLoadModel。

六、精密濕度控制設計

濕度對晶圓製程影響：靜電放電（ESD）、光阻穩定性、製程一致性

1.    設計條件

一般FAB：45±5%RH

先進FAB：45±2%RH

EUV區：45±1%RH

2.    除濕系統

主要由MAU完成，流程：

外氣
↓
預冷
↓
深度冷卻
↓
除濕
↓
再熱
↓
送入AHU

3.    加濕系統，採純蒸汽加濕

(1).優點：無粒子、無細菌、響應快

(2).控制精度：±1%RH

4.    露點控制

通常控制：10~12℃露點，避免結露、微生物滋生

七、潔淨度控制設計

1.    過濾系統

三級過濾：

初效效率：G4

中效效率：F8~F9

ULPA效率：99.9995%，粒徑：0.12μm

2.    換氣次數

FAB典型：300~600ACH

先進EUV區：600ACH以上

3.    壓差控制

4.    保持正壓：避免外部污染進入。

八、節能設計

FAB為高耗能建築，HVAC耗電約佔35~50%，節能措施如下：

1.    FFU變頻控制，依粒子濃度調整風量，節能15~25%。

2.    冰水系統最佳化，採VariablePrimaryFlow、高效率磁浮冰機，節能20~30%。

3.    熱回收系統：排氣熱回收，節能10~15%。

4.    AI智慧控制即時監控：溫度、濕度、壓差、粒子數，透過機器學習優化運轉參數。

九、監控與BMS系統

建議建立完整EMS/BMS平台。

監控項目：

1.    環境監控：溫度、濕度、壓差、風速、CO₂

2.    潔淨度監控：0.1μm、0.3μm、0.5μm粒子

3.    設備監控：FFU、AHU、Chiller、Pump、MAU

4.    即時資料進入SCADA系統進行分析與預警。

先進半導體FAB無塵室設計核心在於潔淨度、氣流穩定性、溫濕度精準控制及能源效率四大目標。

典型設計採用全覆蓋FFU垂直單向流、高架地板回風系統、MAU+AHU多段式空調架構及ULPA過濾技術，使製程區達到ISOClass1~3潔淨標準。

溫度控制精度可達22±0.05℃，濕度控制可達45±1%RH，並透過CFD模擬、BMS監控及智慧節能控制確保製程穩定與高良率生產。

此類設計已成為現代12吋晶圓廠及先進封裝廠（CoWoS、SoIC、HBM）之標準工程架構。