高效過濾器在半導體潔淨廠房中的顆粒物去除效率研究 引言 隨著半導體製造技術的不斷進步，集成電路的特征尺寸已進入納米級，對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。在半導體潔淨廠房中，空氣中懸浮的微小顆...
高效過濾器在半導體潔淨廠房中的顆粒物去除效率研究
引言
隨著半導體製造技術的不斷進步，集成電路的特征尺寸已進入納米級，對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。在半導體潔淨廠房中，空氣中懸浮的微小顆粒物（如塵埃、金屬離子、有機物等）可能附著在晶圓表麵，導致電路短路、斷路或性能下降，從而嚴重影響良品率。因此，控製潔淨室內的顆粒物濃度成為保障半導體製造質量的關鍵環節。
高效過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱HEPA）作為潔淨室空氣處理係統的核心組件，承擔著去除空氣中0.1~0.5 μm級超細顆粒物的重要任務。其過濾效率直接影響潔淨室的ISO潔淨等級，進而決定半導體工藝的穩定性與可靠性。近年來，國內外學者圍繞高效過濾器的過濾機理、性能參數、老化特性及其在實際潔淨廠房中的應用展開了廣泛研究。
本文旨在係統分析高效過濾器在半導體潔淨廠房中的顆粒物去除效率，結合國內外新研究成果，探討其關鍵性能參數、影響因素及優化策略，並通過數據對比與案例分析，為潔淨室空氣質量管理提供理論支持與實踐參考。
一、高效過濾器的基本原理與分類
1.1 過濾機製
高效過濾器主要通過以下四種物理機製實現顆粒物的捕集：
- 擴散效應（Diffusion）：適用於粒徑小於0.1 μm的超細顆粒。由於布朗運動，微粒在氣流中隨機碰撞纖維表麵而被捕獲。
- 攔截效應（Interception）：當顆粒隨氣流流動時，其軌跡與過濾纖維接觸而被捕集，適用於0.1~0.4 μm顆粒。
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：較大顆粒因慣性無法隨氣流繞過纖維，直接撞擊並附著在纖維上，主要作用於大於0.4 μm的顆粒。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分HEPA濾材帶有靜電，可增強對中性或帶電微粒的吸附能力。
上述機製在不同粒徑範圍內協同作用，使得HEPA過濾器在0.3 μm左右的“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）處仍能保持高效率。
1.2 高效過濾器的分類
根據國際標準ISO 29463和中國國家標準GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》，高效過濾器按過濾效率分為以下等級：
| 過濾器等級 | 標準依據 | 過濾效率（MPPS，0.3 μm） | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|
| H11 | ISO 29463 | ≥85% | 普通潔淨室前級過濾 |
| H12 | ISO 29463 | ≥95% | 中等潔淨度要求區域 |
| H13 | ISO 29463 | ≥99.95% | 半導體潔淨室主過濾 |
| H14 | ISO 29463 | ≥99.995% | 高端半導體、光刻區 |
| U15~U17 | ISO 29463 | ≥99.9995% ~ ≥99.99999% | 超淨室、關鍵工藝區 |
注：MPPS指易穿透粒徑，通常為0.3 μm。
在半導體潔淨廠房中，普遍采用H13及以上等級的HEPA過濾器，部分關鍵區域（如光刻機周邊）甚至使用ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter，超高效過濾器）以達到ISO Class 1~3的潔淨標準。
二、高效過濾器的關鍵性能參數
高效過濾器的性能評估主要依賴於以下幾個核心參數，這些參數直接影響其在潔淨廠房中的實際應用效果。
2.1 過濾效率（Filter Efficiency）
過濾效率是指過濾器對特定粒徑顆粒的去除能力，通常以百分比表示。根據美國能源部（DOE）標準，HEPA過濾器必須在0.3 μm粒徑下達到至少99.97%的過濾效率。
| 粒徑（μm） | H13過濾器效率 | H14過濾器效率 | ULPA過濾器效率 |
|---|---|---|---|
| 0.1 | 99.90% | 99.99% | 99.999% |
| 0.3（MPPS） | 99.95% | 99.995% | 99.9995% |
| 0.5 | 99.99% | 99.999% | 99.9999% |
數據來源：ASHRAE Standard 52.2 (2017), ISO 29463:2011
2.2 初始阻力與終阻力
阻力是氣流通過過濾器時的壓力損失，直接影響風機能耗與係統運行成本。
| 過濾器類型 | 初阻力（Pa） | 終阻力（Pa） | 額定風速（m/s） |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | 180~220 | 450 | 0.03~0.05 |
| HEPA H14 | 200~250 | 450 | 0.03~0.05 |
| ULPA U15 | 250~300 | 500 | 0.02~0.04 |
數據來源：GB/T 13554-2020, Camfil Technical Data Sheet
2.3 容塵量（Dust Holding Capacity）
容塵量指過濾器在達到終阻力前可容納的顆粒物總量，單位為克（g）。高容塵量可延長更換周期，降低維護成本。
| 過濾器等級 | 典型容塵量（g） | 測試標準 |
|---|---|---|
| H13 | 500~800 | EN 779:2012 |
| H14 | 600~900 | ISO 29463 |
| ULPA | 700~1000 | IEST-RP-CC001.4 |
2.4 泄漏率（Leakage Rate）
HEPA過濾器安裝後需進行掃描檢漏，確保無局部泄漏。根據IEST-RP-CC034.1標準，掃描速度不超過5 cm/s，采樣流量≥1 L/min，泄漏率不得超過0.01%。
三、高效過濾器在半導體潔淨廠房中的應用現狀
3.1 潔淨室等級要求
根據ISO 14644-1標準，半導體製造對潔淨度的要求極高。以12英寸晶圓廠為例，不同工藝區域的潔淨等級如下：
| 工藝區域 | ISO潔淨等級 | 大允許顆粒濃度（≥0.3 μm，顆粒/m³） | 所用過濾器等級 |
|---|---|---|---|
| 光刻區 | ISO Class 3 | 1,000 | ULPA U15~U17 |
| 薄膜沉積區 | ISO Class 4 | 10,000 | HEPA H14 |
| 刻蝕區 | ISO Class 5 | 100,000 | HEPA H13~H14 |
| 擴散區 | ISO Class 6 | 1,000,000 | HEPA H13 |
| 一般潔淨走廊 | ISO Class 7 | 10,000,000 | HEPA H12 |
數據來源：SEMI F50-0706 標準，TSMC潔淨室設計規範
3.2 典型配置與氣流組織
在半導體潔淨廠房中，高效過濾器通常以“滿布式”安裝於潔淨室天花板，配合單向流（層流）送風係統，形成垂直或水平層流。典型氣流組織如下：
- 垂直單向流：HEPA過濾器滿布於頂棚，氣流自上而下，速度控製在0.2~0.5 m/s，確保汙染物快速排出。
- 水平單向流：適用於狹長設備區，氣流水平吹送，減少渦流區。
研究表明，層流潔淨室中顆粒物濃度可比非單向流係統降低一個數量級以上（Xu et al., 2020）。
四、影響高效過濾器去除效率的關鍵因素
4.1 氣流速度與麵風速
麵風速直接影響過濾效率與阻力。過高的風速會降低擴散與攔截效應，導致效率下降；過低則影響換氣次數，增加顆粒滯留時間。
| 麵風速（m/s） | 過濾效率變化趨勢 | 建議範圍 |
|---|---|---|
| <0.02 | 效率略升，但能耗高 | 不推薦 |
| 0.03~0.05 | 效率穩定，阻力適中 | 推薦 |
| >0.06 | 效率下降，易穿透 | 避免 |
數據來源：Liu et al., "Performance of HEPA filters under varying airflow conditions", Building and Environment, 2019
4.2 顆粒物性質
顆粒物的粒徑、密度、形狀及荷電狀態均影響過濾效率。例如，纖維狀顆粒（如碳納米管）比球形顆粒更難捕集；帶電顆粒在靜電濾材中去除效率可提升10%~15%（Wang et al., 2021）。
4.3 濕度與溫度
高濕度環境可能導致濾材吸濕膨脹，堵塞微孔，增加阻力。實驗表明，相對濕度超過80%時，HEPA過濾器阻力上升約15%，效率下降2%~5%（Zhang et al., 2018）。
4.4 過濾器老化與維護
隨著運行時間增加，過濾器因積塵導致阻力上升，效率先升後降。通常在阻力達到初阻力的2~2.5倍時需更換。定期檢漏與壓差監控是保障係統穩定的關鍵。
五、國內外研究進展與技術對比
5.1 國內研究現狀
中國在高效過濾器研發方麵近年來取得顯著進展。清華大學張寅平團隊（2020）通過CFD模擬優化了HEPA濾芯結構，使0.3 μm顆粒去除效率提升至99.998%。中國電子工程設計院（CEED）在中芯國際（SMIC）北京廠項目中，采用國產H14級HEPA過濾器，經第三方檢測，泄漏率低於0.005%，達到國際先進水平。
5.2 國外先進技術
美國Camfil公司開發的“NanoFilter”係列采用納米纖維複合濾材，在0.1 μm粒徑下過濾效率達99.999%，且阻力降低30%。德國Mann+Hummel公司推出的“ePA”係列高效過濾器，集成智能傳感器，可實時監測壓差與顆粒濃度，實現預測性維護。
5.3 國內外產品性能對比
| 品牌/型號 | 過濾等級 | 初阻力（Pa） | 0.3 μm效率 | 容塵量（g） | 產地 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil NanoF5 | H14 | 190 | 99.995% | 850 | 瑞典 |
| Mann+Hummel ePA | H14 | 200 | 99.996% | 800 | 德國 |
| 蘇州亞都 YH-14 | H14 | 210 | 99.99% | 750 | 中國 |
| 重慶銀海 H13-200 | H13 | 195 | 99.95% | 600 | 中國 |
數據來源：各廠商技術手冊，2023年實測數據匯總
結果顯示，國產HEPA過濾器在基礎性能上已接近國際水平，但在新材料應用與智能化集成方麵仍有提升空間。
六、實際案例分析：某12英寸晶圓廠HEPA係統優化
6.1 項目背景
某國內大型晶圓代工廠（Fab）在28nm工藝節點量產過程中，發現光刻區顆粒物濃度波動較大，影響良率。經排查，發現部分HEPA過濾器存在局部泄漏與壓差異常。
6.2 改造措施
- 更換為ULPA U15級過濾器（0.3 μm效率≥99.9995%）
- 安裝智能壓差傳感器，實現遠程監控
- 每季度進行激光粒子掃描檢漏
- 優化送風風速至0.35 m/s，減少渦流
6.3 效果評估
改造前後顆粒物濃度對比（≥0.3 μm，單位：顆粒/m³）：
| 區域 | 改造前 | 改造後 | 下降比例 |
|---|---|---|---|
| 光刻機台 | 1,200 | 300 | 75% |
| 主潔淨室 | 800 | 200 | 75% |
| 設備排風口 | 5,000 | 1,500 | 70% |
數據來源：廠務環境監測係統，2022年Q3報告
同時，風機能耗因阻力優化降低約12%，年節省電費約80萬元。
七、未來發展趨勢
7.1 新型濾材研發
- 納米纖維濾材：直徑50~200 nm的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚丙烯（PP）纖維，可顯著提升對亞微米顆粒的捕集效率。
- 靜電駐極濾材：通過電暈放電使濾材長期帶電，增強靜電吸附能力，適用於低風阻場景。
7.2 智能化與數字化管理
集成IoT傳感器的“智慧HEPA”係統可實時監測過濾器狀態，預測更換周期，減少非計劃停機。日本東京電子（TEL）已在部分設備中試點應用AI驅動的空氣質量管理平台。
7.3 綠色可持續發展
可清洗再生型HEPA過濾器、生物基濾材（如纖維素納米纖維）的研究正逐步推進，以降低電子廢棄物與碳排放。
參考文獻
- 國家市場監督管理總局. GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
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- ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- Xu, Y., Li, B., & Chen, Q. (2020). "CFD simulation of particle behavior in semiconductor cleanrooms with different airflow patterns." Building and Environment, 175, 106802.
- Liu, H., Wang, J., & Zhang, L. (2019). "Performance of HEPA filters under varying airflow conditions." Indoor Air, 29(3), 456-467.
- Wang, F., et al. (2021). "Enhancement of HEPA filter efficiency by electrostatic charging of aerosols." Journal of Aerosol Science, 153, 105712.
- Zhang, R., et al. (2018). "Effect of humidity on the performance of HEPA filters." HVAC&R Research, 24(6), 678-685.
- Camfil. Technical Data Sheet: NanoF5 HEPA Filter [EB/OL]. http://www.camfil.com, 2023.
- Mann+Hummel. ePA High Efficiency Air Filter Product Guide [EB/OL]. http://www.mann-hummel.com, 2023.
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- 中國電子工程設計院. (2021). 中芯國際北京12英寸晶圓廠潔淨係統設計報告 [R]. 北京.
- SEMI. SEMI F50-0706, Guide for Cleanroom Classification and Monitoring [S]. SEMI International, 2006.
- IEST. IEST-RP-CC001.4, HEPA and ULPA Filters [S]. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2005.
- 百度百科. 高效過濾器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/高效過濾器, 2023年10月更新.
（全文約3,800字）
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