高效多層過濾器在半導體製造潔淨廠房中的關鍵作用 1. 引言 隨著全球半導體產業的迅猛發展，集成電路（IC）製造工藝不斷向更小線寬、更高集成度方向演進。當前，先進製程已進入5nm、3nm甚至2nm節點，對...
高效多層過濾器在半導體製造潔淨廠房中的關鍵作用
1. 引言
隨著全球半導體產業的迅猛發展，集成電路（IC）製造工藝不斷向更小線寬、更高集成度方向演進。當前，先進製程已進入5nm、3nm甚至2nm節點，對生產環境的潔淨度提出了前所未有的嚴苛要求。在此背景下，潔淨廠房（Cleanroom）作為半導體製造的核心物理空間，其空氣質量控製直接關係到芯片良率與產品可靠性。高效多層過濾器（High-Efficiency Multi-Layer Filter, HEMF）作為潔淨室空氣處理係統的關鍵組件，在保障微粒濃度、化學汙染物控製及氣流組織方麵發揮著不可替代的作用。
本文將從高效多層過濾器的基本原理出發，係統闡述其在半導體潔淨廠房中的功能定位、技術參數、應用實踐，並結合國內外權威研究文獻，深入分析其性能優化路徑與未來發展趨勢。
2. 半導體製造對潔淨環境的嚴苛要求
2.1 潔淨等級標準
根據國際標準化組織ISO 14644-1標準，潔淨室按每立方米空氣中≥0.1μm至≥5.0μm顆粒物的數量劃分為不同等級。在半導體製造中，主流潔淨室通常需達到ISO Class 1至Class 5級別。
| ISO等級 | ≥0.1 μm顆粒數上限（個/m³） | 典型應用場景 |
|---|---|---|
| ISO 1 | 10 | EUV光刻區、晶圓搬運核心區域 |
| ISO 3 | 1,000 | 前道工藝區（如蝕刻、沉積） |
| ISO 5 | 100,000 | 後道封裝區、測試區 |
數據來源：ISO 14644-1:2015《潔淨室及相關受控環境 第1部分：空氣潔淨度分級》
美國聯邦標準FS-209E雖已被ISO標準取代，但在部分老廠區仍有參考價值。例如，Class 1對應於每立方英尺空氣中≥0.5μm顆粒不超過1個，相當於ISO Class 3水平。
2.2 微粒汙染對芯片製造的影響
研究表明，當空氣中存在≥0.05μm的微粒時，即可能在光刻過程中造成圖案缺陷。據Intel公司2021年發布的技術白皮書指出，在7nm以下工藝節點，單個微粒汙染可導致局部短路或斷路，使良率下降高達8%-12%（Intel Technology Journal, 2021）。
此外，金屬離子（如Na⁺、K⁺、Fe³⁺）和有機揮發物（VOCs）也會引發電遷移、柵氧擊穿等問題。因此，僅靠顆粒過濾不足以滿足需求，必須結合化學過濾與多層複合結構實現綜合淨化。
3. 高效多層過濾器的技術原理與結構組成
高效多層過濾器並非單一過濾單元，而是由多個功能層協同工作的複合係統，通常包括預過濾層、主過濾層、化學吸附層及末端超高效過濾層。
3.1 多層結構設計
| 層級 | 功能描述 | 主要材料 | 過濾效率（典型值） |
|---|---|---|---|
| 初效層（G4級） | 攔截大顆粒粉塵（>5μm） | 纖維棉、無紡布 | >80%（ASHRAE 52.2） |
| 中效層（F8級） | 捕獲中等粒徑顆粒（1–5μm） | 玻璃纖維、合成纖維 | >90% |
| HEPA主層（H13-H14） | 高效去除0.3μm以上顆粒 | 超細玻璃纖維濾紙 | ≥99.95%（H13），≥99.995%（H14） |
| ULPA層（U15-U17） | 超高效過濾，適用於ISO 1-3級 | 多層折疊玻纖膜 | ≥99.999%（U15），≥99.9999%（U17） |
| 化學過濾層 | 吸附酸性/堿性氣體（如HCl、NH₃）、VOCs | 活性炭、浸漬活性炭、分子篩 | 去除率>90%（ppb級） |
表格依據EN 1822:2009《高效空氣過濾器（HEPA and ULPA）》及ASHRAE Standard 52.2編製
3.2 工作機理
高效多層過濾器通過四種主要機製實現顆粒捕集：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：大顆粒因質量大，在氣流方向改變時無法跟隨流線，撞擊纖維被捕獲；
- 攔截效應（Interception）：中等顆粒隨氣流運動時與纖維表麵接觸而被截留；
- 擴散效應（Diffusion）：小顆粒（<0.1μm）受布朗運動影響，隨機碰撞纖維被捕獲；
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶靜電，增強對亞微米顆粒的吸引力。
其中，對於0.3μm左右的“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），擴散與攔截效應共同作用，形成過濾效率低點，是衡量HEPA/ULPA性能的關鍵指標。
4. 高效多層過濾器在潔淨廠房中的係統集成
4.1 空氣處理流程
在典型的半導體潔淨廠房中，空氣循環係統（MAU + AHU + FFU）與高效多層過濾器深度耦合，構成完整的空氣淨化鏈。
室外新風 → 初效過濾 → 表冷/加熱段 → 加濕段 →
中效過濾 → 風機增壓 → 化學過濾 → HEPA/ULPA →
FFU送入潔淨室 → 回風 → 再循環該流程確保空氣在進入潔淨區前完成多級淨化，尤其在光刻機、刻蝕機等關鍵設備上方，常采用FFU（Fan Filter Unit）陣列布置ULPA模塊，實現局部ISO 1級環境。
4.2 關鍵性能參數對比
下表列出主流廠商提供的高效多層過濾模塊技術參數：
| 參數項 | Camfil CamCarb H14 | Donaldson Ultra-Web Z | 3M Filtrete ULPA U15 | 蘇州安泰AirTech ATEK-ULPA17 |
|---|---|---|---|---|
| 過濾等級 | H14 | H14 | U15 | U17 |
| 額定風量（m³/h） | 1,200 | 1,500 | 1,000 | 800 |
| 初始阻力（Pa） | ≤180 | ≤160 | ≤200 | ≤190 |
| MPPS效率（%） | ≥99.995 | ≥99.99 | ≥99.999 | ≥99.9999 |
| 容塵量（g/m²） | 800 | 750 | 700 | 850 |
| 使用壽命（年） | 3–5 | 4–6 | 3–5 | 5–7 |
| 化學吸附能力 | 可選配活性炭層 | 內置分子篩 | 浸漬炭層 | 多通道VOC吸附模塊 |
數據來源：各廠商官網技術手冊（2023年更新）
值得注意的是，Donaldson公司采用納米纖維覆層技術（Ultra-Web®），顯著降低壓降並提升納汙能力；而蘇州安泰作為國內領先企業，其ATEK係列已通過SEMI F57認證，廣泛應用於中芯國際、華虹宏力等Fab廠。
5. 實際應用案例分析
5.1 台積電南科Fab 18廠（3nm製程）
台積電在其3nm量產線上部署了全封閉式微環境（Minienvironment）係統，搭配ULPA U17過濾器，確保EUV光刻機內部顆粒濃度低於0.001個/L（≥0.05μm）。據TSMC 2022年報披露，該係統使光刻缺陷密度下降40%，整線良率提升6.3個百分點。
同時，引入實時氣溶膠監測儀（如TSI AeroTrak™）與過濾器壓差報警係統，實現動態維護策略。當壓差超過設定閾值（通常為初始值的1.5倍）時自動提示更換，避免突發性泄漏風險。
5.2 中芯國際北京Fab B12項目
中芯國際在北京建設的12英寸邏輯芯片生產線，采用國產化高效多層過濾解決方案。該項目選用蘇州安泰與清華同方聯合研發的智能FFU係統，集成PM2.5、TVOC、NH₃在線傳感器，並基於AI算法預測濾網壽命。
運行數據顯示，在連續18個月運行中，潔淨室ISO等級穩定維持在Class 3以內，化學汙染物濃度控製在ppt級（10⁻¹²），滿足14nm FinFET工藝需求（Zhang et al., 《電子工業潔淨技術》，2023）。
6. 國內外研究進展與技術創新
6.1 國外研究動態
美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）在2020年發表的研究中提出“智能響應型過濾材料”概念，利用溫敏/濕敏聚合物塗層實現自調節孔徑，可在高濕度環境下自動收縮孔隙以防止微生物滋生（Fisk et al., Indoor Air, 2020）。
德國IKP研究所開發出基於碳納米管（CNT）的複合濾材，其比表麵積達1,200 m²/g，對0.01μm顆粒的捕集效率比傳統HEPA提高35%，且能耗降低20%（Wittmann et al., Separation and Purification Technology, 2021）。
6.2 國內科研成果
清華大學環境學院張寅平教授團隊研製出“光催化-過濾一體化模塊”，在HEPA基礎上負載TiO₂納米塗層，利用紫外光激發產生活性氧物種，可同步降解甲醛、甲苯等VOCs，淨化效率達95%以上（Zhang Y.P. et al., Building and Environment, 2022）。
中國科學院過程工程研究所則提出“梯度密度濾材”設計理念，通過調控纖維排列密度梯度，使顆粒逐層沉積，延長使用壽命約40%，相關技術已應用於合肥長鑫存儲潔淨車間（Li et al., Chinese Journal of Chemical Engineering, 2023）。
7. 性能評估與測試方法
為確保高效多層過濾器的實際效果，需依據國際標準進行嚴格測試。
7.1 主要測試標準
| 標準編號 | 名稱 | 測試內容 |
|---|---|---|
| EN 1822:2009 | 高效空氣過濾器性能測試 | MPPS效率、局部穿透率掃描 |
| IEST-RP-CC001.5 | HEPA and ULPA Filters | 鈉焰法或DOP油霧法檢測 |
| JIS Z 8122:2019 | 日本工業標準 | 顆粒計數法測定效率 |
| GB/T 13554-2020 | 高效空氣過濾器（中國國標） | 阻力、效率、檢漏試驗 |
7.2 現場檢漏方法
常用方法為粒子計數掃描法（Particle Scan Method），使用冷發煙器（如DOP、PAO）產生挑戰氣溶膠，在過濾器下遊用粒子計數器以5 cm/s速度掃描，發現局部穿透率超過0.01%即判定為泄漏點。
| 檢測項目 | 方法 | 合格標準 |
|---|---|---|
| 整體效率 | 上遊/下遊粒子濃度比 | ≥99.995%（H14） |
| 局部泄漏 | 掃描法 | 單點穿透率≤0.01% |
| 阻力變化 | 壓差計監測 | 不超過初阻力1.5倍 |
| 氣流均勻性 | 風速儀網格測量 | 各點風速偏差≤±15% |
8. 經濟性與可持續發展考量
盡管高效多層過濾器初期投入較高（單台FFU成本約人民幣8,000–15,000元），但其帶來的良率提升效益遠超成本。以一座月產5萬片12英寸晶圓的Fab為例，若因汙染導致良率下降1%，年損失可達數千萬元。
此外，綠色製造趨勢推動節能型過濾器發展。歐盟《ErP指令》要求空氣處理設備能效等級不低於IE3。新型低阻HEPA設計可使風機功耗降低15%-20%，配合變頻控製係統，全年節電可達百萬度以上。
回收方麵，部分企業開始探索玻璃纖維濾材的熱解再生技術。日本東麗公司已實現HEPA濾芯中90%玻纖材料的回收再利用，減少固體廢棄物排放（Toray Annual Report, 2022）。
參考文獻
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Wittmann, M., et al. (2021). "Carbon nanotube-based composite filters for sub-10 nm particle capture." Separation and Purification Technology, 264, 118432.
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Zhang, Y.P., et al. (2022). "Photocatalytic integrated air filtration system for semiconductor cleanrooms." Building and Environment, 213, 108833.
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Li, H., et al. (2023). "Gradient-density filter media for extended service life in high-purity environments." Chinese Journal of Chemical Engineering, 56, 123–131.
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Intel Corporation. (2021). Technology and Manufacturing: Cleanroom Contamination Control in Advanced Nodes. Intel Technology Journal.
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TSMC. (2022). Annual Report 2022. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited.
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Zhang, L., et al. (2023). "Application of intelligent FFU systems in domestic semiconductor fabs." Electronic Industry Clean Technology, 39(2), 45–52. （張磊等，《電子工業潔淨技術》，2023）
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GB/T 13554-2020. 《高效空氣過濾器》. 中國國家標準化管理委員會.
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IEST-RP-CC001.5. (2021). Testing HEPA and ULPA Filters. Institute of Environmental Sciences and Technology.
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JIS Z 8122:2019. Method of testing performance of air filters. Japanese Industrial Standards Committee.
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