半导体制造业很早就与洁净室的使用紧密地结合在一起。现今，半导体洁净室一直在推动着这种趋势和技术的发展。
为什么半导体工厂与众不同？
很容易理解半导体硅片厂(fab)都拥有洁净室的原因，但是为什么半导体洁净室采取今天这种特别的布局，并且是什么趋势引导了它们？让我们先从研究硅片厂与其他制造厂的区别开始。假如你拿硅片厂与汽车制造厂来比较,你将会发现后者中有一条明显的线性流程（运送至装配线的路线），而在半导体洁净室内不存在这种输送线。那是因为芯片间的主要区别在于其特征尺寸，这直接关系到每块芯片的功能数，因此工艺控制始终是半导体硅片厂的主要推动力。单个工艺步骤由高度优化的独立设备来完成，由于这些设备只为各自的工艺步骤做出优化，而并没有对整个多工艺步骤进行优化来进行各工艺间的平衡。昂贵的设备费用意味着工艺设备必须要执行多项（不连续的）流程来保持其较高的使用率，因此半导体硅片厂有很多“回流”（re-entrant）流程。假定这种回流“加工点”（job-shop）的工艺路线发生在不同的工艺处理设备间，硅片厂的自动控制和设计必须协调好复杂的工艺路线和正在进行工艺加工中的硅片(WIP)，同时还要保持洁净的硅片环境。多年以来洁净室是如何进行设计来提供这种灵活性的？
历史
早期的硅片厂（直到大约150mm硅片的一代）在设计上都很相似。设备沿墙壁排列成一行形成“港湾和通道Bay and Chase式”结构，加工中的硅片和设备的前端（硅片装载）部分位于非常洁净的“港湾”中，而设备的维护和操作部分位于隔墙另一侧的“通道”中——该区域仍是洁净室，但其洁净度等级要低得多。
由于加工硅片一般都要进行很多的人工处理（人工用镊子和显微镜进行质量控制，例如用显微镜检测氧化覆盖层的“颜色”确保其厚度正确）。考虑到设备的前端需要大量的储存货架用于加工中硅片的存放，这意味着“港湾”区需要非常洁净和宽敞的空间（至少以目前的标准来说）。
一批硅片存放在开放式的硅片匣内，多个硅片匣一般再放置在一个盒内用于在工艺设备间进行（人工）传送。盒子外侧贴有多张洁净室纸标贴为“传送者”提供使用说明和用于手写记录，其自动化控制程度很低或完全没有。
一般来说，整体（港湾）环境要保持非常清洁（10级或1级），洁净空气层流一般由全天花板的送风和镂空地板的回风提供。
当硅片的尺寸增大到200nm时，硅片厂的规模也会相应增大，且伴随着硅片的特征尺寸的下降，硅片厂开始转向使用标准机械界面(SMIF)的硅片传送装置来代替置放在普通盒内的开放式硅片匣，现在设备必须有“前端”部分以实现硅片从匣到匣间的传递。
标准机械界面——硅片传送装置（SMIF-PodTM）开始时趋向采用“纸片传送单paper traveler”。然而一段时间后，出现了更多的被动识别自动化装置，操作员对条形码进行扫描，或者用红外标签直接在设备和硅片架间进行通信。一些设备使用小型人工可读监视器来替代某些贴纸标签。设备中的通信标准例如通用设备模型/半导体设备通讯标准(GEM/SECS)允许通过硅片厂中央控制室进行一些设备和硅片批量处理的监控，但目前这些标准还是初步的。
在工艺步骤间还经常要采用人工处理，特别的是将硅片盒送入“洁净区”（防护罩内）进行检测时，但越来越多的自动装置已开始出现在检测设备中。随着时间的推移，一些港湾内部的自动化物料搬运系统（AMHS）在各个港湾终端的存储货架(stocker)间搬运硅片盒（pod）。但港湾内在工艺设备上装载和卸载硅片仍然采用人工方式，并且硅片存储大部分还是采用被动货架。
在使用标准机械界面SMIF的硅片厂内，当使用者对洁净隔离技术更为满意时，他们就开始降低他们的洁净室清洁度等级，这使得全天花板送风层流的清洁度等级有所降低（有时候是降半级或更小）。
近期历史：300mm硅片的出现
在硅片开始向300mm转变以来，“停停/转转”的错误浪费了很多年的时间。目前最主要的革新在于广泛使用了硅片传送装置，现在的选择是采用了一边开启的硅片匣和硅片盒，因而叫做前开口式硅片传送盒（FOUP）。扩展标准不仅定义了前开式硅片传送盒的参数，还定义了设备装载端口的参数。为避免引起副作用而进行的一些标准行为包括：
对25片硅片的硅片匣而言，前开口式传送盒具有固定的单一尺寸。实际上有时也需要其他备选方案（13片硅片和1片硅片），但是这些备选方案很快就被取消了(尽管为这些设备和自动化基础设施投入了相当大的成本)。这种25片硅片大尺寸的硅片匣的使用意味着以后传送盒只能包含较少的硅片批次（以后这种情况将更多）。
大量的供应商和界面标准的复杂性在系统日趋复杂化时会带来精细的协同工作问题。
工艺设备必须增加设备前端模块(EFEM)来运用自动化界面。过去这个功能一部分是由人工或硅片装载机（pod loader）来完成的。即使是在由于劳动力成本低还采用硅片人工传送的地区，最终用户都一直要为这种额外功能而付出代价（对某些设备而言，高达工艺设备成本的百分之几）。
前开式硅片传送盒FOUP的识别已由被动型（条形码和红外识别）转向主动型（电子标签RFID）。这些小“标签”镶嵌在运送盒中（在装载端口和存储货架上装有读出装置），允许执行读和写的功能。结合了“槽位控制slot control”（硅片从工艺设备输出时总是能回到传送盒内相同的槽位位置），使工艺跟踪功能变得更为强大。
对工艺设备自身来说，更强大的自动化控制标准可更有效地跟踪和掌控工艺任务。现今这些设备通常多处在“大型洁净室”（ballroom）内，没有“港湾”和“通道”间的隔墙（实际上整个硅片厂形成一个整体通道）。然而，港湾内自动物料搬运系统（AMHS）的严格的直线性要求（通常是由空中提升运输车（OHT）完成）迫使设备的前端要联接在严格的的运输直线上，同时这些设备自身还要在多个（不连续）工艺和不同的工艺时间下保持工艺的高度优化。
自动物料搬运系统AMHS采用了大量的存储货架，最初是大型中央货架的形式，经过一段时间发展后为更为分散的小型货架。
300mm的新趋势
那么现今最新的300mm硅片厂的发展趋势将为如何？让我们对自动化、硅片环境控制、硅片厂布局和洁净室结构等这些主要的推动因素进行考虑。
自动化——我们看到人工传送逐渐被替代的趋势越来越普遍，因为软件系统可以很好的执行选定和批量处理的工作。这里有一种主要的趋势是运用数据采集（EDA）规格的设备信息标准的出现，它允许订单客户监控设备和工作室的状态来保持设备的高利用率。另一种趋势是依靠工艺步骤中追踪得到的大量工艺和测量数据来作为使用先进工艺控制（APC）的即时反馈（正向反馈）。
我们也看到自动硅片分类机获得了新的重要地位。硅片分类工作以前由人工硅片夹取器完成，例如加入测试硅片、执行分类、以及重排列同批次内的硅片，现在都由自动装置完成。现在的硅片分类机必须将复杂的软件和高产量结合起来以避免降低硅片厂的生产量。
工艺设备的前端自动装置现在同样也必须执行硅片的跟踪监控。我们发现采用标记在硅片上的多种单硅片ID标识的跟踪显得越来越重要。与此同时，对于设备和硅片厂大量的硅片装载表征数据已由批量级跟踪监控变为硅片级。这种单硅片跟踪将会随着小批量硅片处理所占比率的提高而越发重要，特别是在加工品种高度混合的硅片厂内（如硅片代工厂）。
工艺 新材料出现使得原来稳定的、已充分了解的材料的应用转向更加奇异的混合材料的应用。硅片厂中不再仅仅使用硅、氧化硅和铝材料；我们还看到了铜、低介电常数材料、栅极电介质中的重金属氧化物和其它很多新材料。生产线上所使用材料种类的爆炸性增长增加了发生相互作用和可靠性等问题的可能性。而今天我们已经看到了硅片厂内“铜”和“预铜”区的隔离，我们还将会看到更多的隔离区用以防止材料间的相互影响（具有讽刺意义的是，大型洁净室内这些隔离墙又重新出现了）。
在硅片级别上，硅片现在需要的环境不但是无尘的，而且要有很好的气氛特性。当光刻工程师已经能够用一些更稳定的光刻胶来取代很多憎水性深紫外光刻胶时，也引入了其他一些具有相应的要求的新材料。在前端工艺流程中，某些薄膜工艺（氮化、氧化）需要很短的工艺间隔时间，或者必须用气体清洗以防止在硅片表面形成单水分子层。在后端（互联形成）流程中，运用铜和低介电常数材料、以及作为化学机械抛光（CMP）的碱性抛光混合液会在铜引线上留下少量腐蚀性残渣。这样在某些情况下就不仅需要避免水，而且要避免与氧气的接触。洁净室设计必须安排好惰性气体的清洗功能而不危及到人员（人毕竟需要氧气）。对于特别的前开口式硅片传送盒、选定的装载端口和存储货架均被设计为在进行上述重要工艺时具有气体清洗功能。
经济因素对硅片厂布局的推动
对大型硅片厂的数十亿美元的惊人投资推动了对原厂房再利用的要求，或者至少能进行布局改变，例如使用多层面和多楼房。重复使用的200mm厂房顶高较低，这对自动化物料搬运系统进行硅片批量传送和存放的空间提出了特别的挑战。现在洁净室自身都具有了附加界面，不仅存在于房间与房间之间，还存在于层与层之间以及楼房和楼房之间。目前正在发展用前端开启式自动输送盒(a-FOSB)的标准来取代以前的人工开启硅片输送容器，这些新标准使得硅片的进入更具有预见性，因为它们可以防止硅片受到人员的沾污。
另一方面，摩尔定律仍在向最终性能极限推进，随着越来越多消费客户（通信、汽车、传感器、医学）的涌现，我们清楚的看到对更快循环周期和更低成本需求的增长。其中一部分客户总想要得到功能最强大的芯片，而更多的客户只不过需要性能合适的低成本芯片，而且交付时间要短。
这意味着硅片厂和洁净室设计的近期目的是在于推动更有效的生产，使得硅片储存量更小（加工中的硅片WIP更少），这就需要更巧妙的到达缓冲区的路径，以及更可靠的流程安排和配送途径。自动控制（硬件和软件）变得更重要，因为在维持硅片厂的运行过程中对批量传送和处理的预测开始显得比维持工厂运行的灵活性更为重要。
更为长期的目标是，进行硅片小批量处理（小批量定制的芯片）需求可能要对设备的前端及其功能（工作室硅片的装载和卸载）进行重新设计，以平衡各工艺的处理时间，目的在于减少硅片厂的小批量硅片的循环时间，而又不降低硅片厂的生产能力（单位时间的总产量）。
结论
洁净室的设计在几代半导体硅片厂中都已成为半导体制造的组成部分之一，期间洁净室设计已经从高清洁度的港湾/通道和多人工处理向中等清洁度的大型洁净室转变，并且不再对硅片进行直接人工处理。现在大型硅片厂转变的趋势是，以更复杂的形式（多层面和多楼房）而且用更复杂的自动装置在高洁净度的工艺设备内部的“岛”之间传送硅片，以及在洁净输送盒（有可能经气体净化过）间实现自动化。消费应用所需要的“足够好”性能以及极短交付时间产品的不断增长，这意味着硅片厂流程将变得更重要，通过灵活的工艺设备的监控，运用缓冲区和储存货架以及更有效的自动化，来集中关注如何降低加工中的硅片WIP的数目和加快循环时间。
