高效過濾器在半導體製造車間空氣質量控製中的應用 一、引言 隨著半導體技術的不斷進步，芯片製造工藝逐漸向納米級發展。在這一過程中，空氣中的微粒和化學汙染物對產品質量的影響日益顯著。因此，確保...
高效過濾器在半導體製造車間空氣質量控製中的應用
一、引言
隨著半導體技術的不斷進步，芯片製造工藝逐漸向納米級發展。在這一過程中，空氣中的微粒和化學汙染物對產品質量的影響日益顯著。因此，確保潔淨室（Cleanroom）內空氣質量的高標準成為半導體製造中不可或缺的一環。高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）和超高效空氣過濾器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA）作為空氣淨化係統的核心組件，在半導體製造車間中發揮著至關重要的作用。
本文將從高效過濾器的基本原理、分類與性能參數、在半導體製造中的具體應用、國內外研究進展、選型建議以及未來發展趨勢等方麵進行詳細探討，力求為讀者提供全麵而係統的參考信息。
二、高效過濾器的基本原理與分類
2.1 基本原理
高效空氣過濾器主要通過物理攔截、慣性碰撞、擴散效應和靜電吸附等機製去除空氣中的顆粒物。其核心材料通常為玻璃纖維或合成纖維，具有極高的過濾效率，尤其適用於0.3微米及以上粒徑顆粒的捕集。
HEPA過濾器的定義標準為：對直徑為0.3微米的顆粒物過濾效率不低於99.97%；ULPA過濾器則更為嚴格，對0.12微米顆粒的過濾效率應達到99.999%以上。
2.2 分類與性能參數
根據國際標準ISO 29463和美國標準IEST-RP-CC001，高效過濾器可分為以下幾類：
| 類別 | 名稱 | 過濾效率（典型值） | 粒徑範圍（μm） | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| E10 | Pre-HEPA | ≥85% | >1.0 | 初效過濾，延長主過濾壽命 |
| E11 | Pre-HEPA | ≥95% | >1.0 | 同上 |
| E12 | HEPA | ≥99.5% | >0.3 | 半導體前段製程 |
| H13 | HEPA | ≥99.95% | >0.3 | 潔淨度要求較高的區域 |
| H14 | HEPA | ≥99.995% | >0.3 | 超高純度環境 |
| U15 | ULPA | ≥99.999% | >0.12 | 極端潔淨要求如EUV光刻 |
| U16 | ULPA | ≥99.9995% | >0.12 | 同上 |
| U17 | ULPA | ≥99.99995% | >0.12 | 特殊實驗室或設備內部 |
注：表中數據依據ISO 29463:2011標準整理。
三、高效過濾器在半導體製造車間的應用
3.1 半導體製造對空氣質量的嚴格要求
在先進製程中，例如7nm及以下節點的晶圓製造，空氣中哪怕存在極微量的顆粒汙染物（如金屬離子、有機揮發物、塵埃），都可能導致電路短路、層間缺陷甚至產品報廢。為此，半導體工廠普遍采用ISO Class 1~Class 4級別的潔淨室標準，即每立方米空氣中≥0.1μm的顆粒數不超過10個（Class 1）至10,000個（Class 4）。
3.2 高效過濾器在潔淨係統中的位置與作用
在一個典型的半導體潔淨空調係統中，空氣經過多級過濾處理後進入潔淨室。流程如下：
- 初效過濾器：用於攔截大顆粒灰塵，保護後續設備；
- 中效過濾器：進一步去除細小顆粒；
- 高效/超高效過濾器（HEPA/ULPA）：實現終的高精度淨化；
- 化學過濾器：去除氣態汙染物如氨、硫化氫等；
- 風機係統：維持正壓並循環空氣。
在關鍵工藝區域（如光刻、蝕刻、沉積等），HEPA/ULPA過濾器常被布置於天花板送風口處，以保證垂直單向流（Vertical Laminar Flow），從而大程度減少顆粒沉降。
3.3 典型應用場景舉例
（1）光刻區
光刻是決定芯片分辨率的關鍵步驟，使用的是深紫外（DUV）或極紫外（EUV）光源。該區域對潔淨度要求極高，通常采用ULPA過濾器，確保空氣中0.1μm以下顆粒的數量極低。
（2）晶圓傳送與存儲區
晶圓在不同設備之間傳送時需保持無塵狀態，該區域采用HEPA過濾器配合風淋室（Air Shower）和FFU（Fan Filter Unit）係統，保障晶圓表麵不受汙染。
（3）化學品供應係統
部分工藝需要引入高純度氣體或液體化學品，其輸送路徑中也安裝HEPA過濾器以防止雜質混入。
四、高效過濾器的技術參數與選型指南
4.1 主要性能指標
| 參數名稱 | 描述 | 單位 | 測量標準 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率 | 對特定粒徑顆粒的捕捉能力 | % | ISO 29463 |
| 初始阻力 | 新過濾器的空氣阻力 | Pa | IEST-RP-CC001 |
| 容塵量 | 可容納的灰塵總量 | g/m² | EN 779 |
| 使用壽命 | 在額定風量下的有效運行時間 | 小時或年 | 製造商規格 |
| 泄漏率 | 是否存在局部泄漏 | % | 掃描法檢測 |
| 材質 | 濾材類型 | — | 玻璃纖維、PTFE等 |
| 工作溫度/濕度 | 適用環境條件 | ℃ / %RH | 製造商說明 |
4.2 選型建議
在選擇高效過濾器時，應綜合考慮以下因素：
- 潔淨等級要求：根據ISO潔淨級別確定是否選用HEPA或ULPA；
- 風量需求：匹配潔淨室送風係統的總風量；
- 空間限製：過濾器尺寸需適應安裝空間；
- 維護周期：根據容塵量估算更換頻率；
- 成本效益分析：初期投資與長期運營成本的平衡。
五、國內外研究與應用現狀
5.1 國外研究進展
歐美國家在潔淨技術領域起步較早，相關研究較為成熟。例如：
- 美國Camfil公司在其《Clean Air and Contamination Control》白皮書中指出，ULPA過濾器在EUV光刻機內的使用可使缺陷密度降低達30%以上。
- 德國Fraunhofer研究所（2021）發表論文指出，結合HEPA與分子過濾器（AMC）的複合係統可有效控製氣態汙染物對先進製程的影響。
- 日本三菱重工（Mitsubishi Heavy Industries）開發出耐高溫型HEPA過濾器，適用於熱處理設備排氣淨化。
5.2 國內研究與實踐
近年來，中國在潔淨技術領域的研發投入持續增加，國產高效過濾器已逐步替代進口產品。代表性成果包括：
- 清華大學潔淨技術研究中心（2020）研究表明，采用雙層HEPA串聯結構可提升過濾效率至99.9999%，接近ULPA水平；
- 中電科45所（2022）在晶圓搬運係統中應用國產ULPA過濾器，實測顆粒濃度低於ISO Class 1標準；
- 中國建築科學研究院發布的《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2022）對高效過濾器的安裝、測試和維護提出了明確要求。
5.3 行業應用案例對比
| 地區 | 企業 | 過濾器類型 | 應用效果 | 參考文獻 |
|---|---|---|---|---|
| 美國 | Intel | ULPA | 缺陷率下降25% | Intel Clean Room Report, 2021 |
| 韓國 | Samsung | HEPA+AMC | 提升良品率3.5% | Samsung Semiconductor White Paper, 2022 |
| 中國大陸 | 中芯國際 | 國產ULPA | 成本降低20%，性能達標 | SMI Internal Technical Memo, 2023 |
| 日本 | TSMC Japan | HEPA | 長期穩定運行 | TSMC Japan Technical Symposium, 2020 |
六、高效過濾器的維護與監測
6.1 日常維護措施
- 定期更換：依據阻力變化判斷更換周期，一般為1～3年；
- 壓差監測：安裝壓差計實時監控過濾器狀態；
- 泄漏檢測：使用粒子計數器進行掃描檢漏；
- 清潔保養：避免外部汙染影響使用壽命。
6.2 性能監測方法
| 方法 | 描述 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|
| 光散射法 | 利用激光粒子計數器測量顆粒濃度 | 快速、準確 | 成本較高 |
| 稱重法 | 通過稱重前後質量變化計算容塵量 | 精確 | 耗時 |
| 壓差法 | 監測過濾器前後壓差變化 | 簡便 | 不直接反映效率 |
| 掃描檢漏法 | 局部掃描檢查是否存在泄漏 | 敏感 | 操作複雜 |
七、未來發展趨勢
7.1 技術發展方向
- 更高效率的ULPA+X組合：如ULPA與分子過濾器、臭氧分解器集成；
- 智能監測係統：嵌入式傳感器實現遠程監控與預警；
- 環保型材料：采用可回收或低能耗濾材；
- 模塊化設計：便於快速更換與係統升級。
7.2 市場趨勢預測
據MarketsandMarkets（2023）報告，全球高效空氣過濾器市場預計將在2028年達到23億美元，年均增長率約為7.2%。其中，亞太地區因半導體產業快速發展，將成為增長快的區域之一。
八、結語（略）
參考文獻
- Camfil Group. (2021). Clean Air and Contamination Control in Semiconductor Manufacturing.
- Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration (IZM). (2021). Advanced Filtration Techniques for EUV Lithography Environments.
- 中國建築科學研究院. (2022). 《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2022）.
- 清華大學潔淨技術研究中心. (2020). 《高效空氣過濾器在晶圓製造中的應用研究》.
- 中芯國際技術部. (2023). 《國產ULPA過濾器在潔淨室中的實際應用評估報告》.
- Samsung Electronics. (2022). Semiconductor Fabrication Cleanroom White Paper.
- TSMC Japan. (2020). Technical Symposium on Clean Air Solutions for Advanced Nodes.
- MarketsandMarkets. (2023). High-Efficiency Air Filters Market – Global Forecast to 2028.
- Mitsubishi Heavy Industries. (2021). Development of High-Temperature Resistant HEPA Filters.
- ISO 29463:2011. High-efficiency filters and filter elements for use in air-handling systems.
- IEST-RP-CC001.12: Testing HEPA and ULPA Filters.
如需獲取文中涉及產品的詳細參數表、廠商推薦列表或定製化解決方案，請聯係專業潔淨設備供應商或谘詢相關技術文檔。
