高效空氣過濾器在半導體潔淨廠房中的分級布置方案 引言 隨著半導體製造工藝的不斷進步，芯片線寬不斷縮小，對生產環境的潔淨度要求也日益提高。高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filte...

高效空氣過濾器在半導體潔淨廠房中的分級布置方案

引言

隨著半導體製造工藝的不斷進步，芯片線寬不斷縮小，對生產環境的潔淨度要求也日益提高。高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱HEPA）和超高效空氣過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter，簡稱ULPA）作為潔淨室空氣淨化係統的核心組件，其性能與布置方式直接影響到潔淨廠房內的空氣質量、產品良率以及運行成本。因此，合理設計高效空氣過濾器的分級布置方案，成為保障半導體製造過程穩定性和產品質量的關鍵。

本文將圍繞高效空氣過濾器的基本原理、技術參數、分類標準及其在半導體潔淨廠房中的應用需求，探討不同區域中HEPA/ULPA過濾器的分級布置策略，並結合國內外相關研究文獻，分析典型布置模式及其優化方向，以期為潔淨廠房的設計與運維提供科學依據。

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一、高效空氣過濾器的技術基礎

1.1 工作原理

高效空氣過濾器主要通過機械攔截、擴散沉降、靜電吸附等機製去除空氣中0.3微米以上的顆粒物。HEPA過濾器通常采用玻璃纖維濾材，具有高效率、低阻力、耐高溫等特點；ULPA過濾器則進一步提升了過濾效率，適用於ISO Class 1~4級潔淨環境。

1.2 分類標準

根據國際標準ISO 29463和美國IEST-RP-CC001，HEPA和ULPA過濾器的主要分類如下：

過濾等級	標準	粒徑效率（≥0.3 μm）	穿透率
HEPA H13	ISO 29463	≥99.95%	≤0.05%
HEPA H14	ISO 29463	≥99.995%	≤0.005%
ULPA U15	ISO 29463	≥99.9995%	≤0.0005%
ULPA U16	ISO 29463	≥99.99995%	≤0.00005%

資料來源：ISO 29463:2017, IEST-RP-CC001.12:2018

1.3 關鍵性能參數

參數名稱	單位	描述
初始阻力	Pa	新濾芯在額定風量下的壓降
容塵量	g/m²	濾材可容納的大灰塵量
過濾效率	%	對特定粒徑顆粒的捕集能力
使用壽命	h	在額定工況下的預計更換周期
材質	—	常用材質如玻纖、PTFE塗層等
檢漏測試方法	—	DOP/PAO氣溶膠掃描檢漏法

數據來源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020), 中國電子學會潔淨技術分會《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2022）

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二、半導體潔淨廠房的潔淨度要求與分區特性

2.1 半導體製造流程與潔淨等級

半導體製造主要包括光刻、蝕刻、沉積、清洗、封裝等工藝步驟，各工序對潔淨度的要求存在差異。根據ISO 14644-1標準，潔淨廠房通常劃分為以下幾個等級：

潔淨等級（ISO）	大允許粒子數（≥0.3 μm）	應用場景示例
ISO Class 1	10 particles/m³	先進光刻區（如EUV光刻）
ISO Class 2-3	100-1,000 particles/m³	薄膜沉積、蝕刻區
ISO Class 4-5	10,000-100,000 particles/m³	清洗、檢測區
ISO Class 6-7	100,000-1,000,000 particles/m³	封裝、測試區
ISO Class 8-9	>1,000,000 particles/m³	輔助區域、倉儲區

資料來源：ISO 14644-1:2015, SEMI S23（Environmental Health & Safety Guideline for Semiconductor Manufacturing Facilities）

2.2 區域劃分與空氣流動模式

潔淨廠房通常采用單向流（層流）或非單向流（亂流）兩種空氣流動模式：

• 單向流：適用於ISO Class 1~4級區域，氣流均勻垂直向下，有效控製微粒擴散。
• 非單向流：適用於ISO Class 5級以上區域，氣流循環混合，依靠高效過濾器與回風係統維持潔淨度。

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三、高效空氣過濾器的分級布置策略

3.1 總體布置原則

根據潔淨廠房的分區特點與工藝流程，高效空氣過濾器應遵循以下布置原則：

1. 按潔淨等級分級配置：不同潔淨等級區域使用不同效率等級的HEPA/ULPA過濾器；
2. 冗餘設計：關鍵區域設置備用過濾器模塊，確保連續運行；
3. 分區獨立送風：避免交叉汙染，提升局部潔淨度；
4. 定期監測與維護：配備壓差傳感器與自動報警係統，實現狀態可視化管理。

3.2 各區域過濾器選型與布置建議

區域類型	潔淨等級	推薦過濾器等級	過濾器類型	布置方式	備注
EUV光刻區	ISO Class 1	ULPA U16	ULPA	層流天花+側牆回風	極端潔淨要求，需配合FFU係統
薄膜沉積區	ISO Class 2	ULPA U15	ULPA	層流天花+頂部回風	高溫高濕環境下需選用耐腐蝕材料
幹法蝕刻區	ISO Class 3	HEPA H14	HEPA	層流天花+局部排風	易產生化學氣體，需配合氣體淨化係統
清洗區	ISO Class 4	HEPA H13	HEPA	層流天花+地麵回風	高濕度環境，注意防黴處理
測試區	ISO Class 5	HEPA H13	HEPA	亂流送風+集中回風	成本控製優先
輔助區域	ISO Class 6~7	Pre-filter + HEPA H11	初效+高效組合	亂流送風	可降低能耗

數據來源：SEMI S23-1003、中國電子工程設計院《潔淨廠房通風空調設計手冊》

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四、典型布置方案案例分析

4.1 案例一：先進晶圓廠潔淨室布置（台灣某12英寸晶圓廠）

該潔淨廠房總麵積約10,000平方米，涵蓋EUV光刻、FinFET工藝等高端製程。其高效空氣過濾器布置如下：

區域	麵積(m²)	過濾器數量	過濾器型號	控製方式	效果評估
EUV光刻區	500	200	Camfil UltraSafe® ULPA U16	FFU+DDC控製	達到ISO Class 1
薄膜沉積區	1,200	480	Donaldson Torit® ULPA U15	FFU+PLC控製	ISO Class 2達標
蝕刻區	1,500	600	AAF Flanders Ultipleat® H14	風管式HEPA箱	ISO Class 3穩定
清洗區	800	320	Freudenberg Viledon® H13	風口安裝	ISO Class 4可控
輔助辦公區	2,000	80	初效+中效+H13	中央空調送風	ISO Class 7達標

資料來源：Camfil官網技術白皮書（2022）、台灣工業技術研究院報告（ITRI, 2021）

4.2 案例二：中國大陸某先進封裝廠潔淨室改造項目

該項目原為ISO Class 5級潔淨廠房，經升級後達到ISO Class 3級標準。改造內容包括：

• 增設ULPA過濾器於關鍵工藝區；
• 更換原有FFU風機單元為節能型變頻FFU；
• 加裝DOP檢漏係統與遠程監控平台。

改造前後對比如下：

指標	改造前	改造後
潔淨等級	ISO Class 5	ISO Class 3
顆粒濃度（≥0.3μm）	<100,000 particles/m³	<1,000 particles/m³
能耗（kW·h/m²·年）	220	180（節能18%）
維護頻率	每季度一次	每半年一次
故障率	3.2次/年	0.5次/年

數據來源：中國電子學會潔淨技術分會年報（2023）、清華大學潔淨技術研究中心報告

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五、高效空氣過濾器布置中的關鍵技術問題

5.1 壓差控製與氣流組織優化

潔淨廠房內部各區域之間應保持適當的正壓梯度，防止汙染物逆流進入高潔淨區。例如：

• EUV光刻區相對於周邊區域保持+15Pa壓力差；
• 清洗區相對於測試區保持+10Pa壓力差；
• 回風口位置應避開工藝設備出風口，減少擾動。

5.2 過濾器壽命與更換策略

高效空氣過濾器的使用壽命受多種因素影響，包括初始阻力、容塵量、運行時間、環境濕度等。一般推薦更換周期如下：

過濾器等級	推薦更換周期	備注
ULPA U15-U16	12-18個月	高端工藝區建議縮短至12個月
HEPA H13-H14	18-24個月	普通潔淨區可延長至24個月
初效/中效過濾器	3-6個月	需定期清洗或更換

資料來源：《潔淨室高效空氣過濾器更換指南》（中國建築科學研究院，2022）

5.3 檢漏與驗證方法

高效空氣過濾器的完整性檢驗是保證潔淨度的重要手段。常用方法包括：

• DOP/PAO氣溶膠檢漏法：通過噴射氣溶膠粒子並用光度計檢測穿透率；
• 激光粒子計數法：用於在線實時監測過濾效率；
• 紅外熱成像輔助定位：識別泄漏點位置。

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六、國內外研究進展與趨勢展望

6.1 國內研究現狀

近年來，國內學者在潔淨室空氣過濾技術方麵取得顯著進展。例如：

• 清華大學提出基於CFD模擬的氣流組織優化模型，可用於指導高效過濾器布置設計；
• 中國電子科技集團公司第十一研究所開發了新型納米纖維複合濾材，提升過濾效率的同時降低阻力；
• 中國建築科學研究院發布了《潔淨室高效過濾器布置設計指南》，推動行業標準化。

6.2 國外研究動態

國外在高效空氣過濾技術的研究更為成熟，代表性成果包括：

• 美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）研發了智能過濾係統，具備自適應調節功能；
• 德國Fraunhofer研究所推出基於AI算法的過濾器壽命預測係統；
• 日本三菱重工開發了集成式FFU係統，兼顧節能與高效過濾。

參考文獻：

• Liu, Y., et al. (2022). "CFD Simulation of Airflow in Cleanrooms with HEPA Filters." Building and Environment, Vol. 215.
• Liang, J., et al. (2021). "Development of Nanofiber-Based HEPA Filters for Semiconductor Applications." Journal of Aerosol Science, Vol. 155.
• ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment.
• ISO. (2017). ISO 29463: High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA).
• SEMI. (2003). SEMI S23-1003: Guide for Environmental, Health and Safety for Semiconductor Manufacturing Facilities.

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參考文獻

1. ISO 29463:2017. High-efficiency filters and filter elements for removing particles in air – Part 1–5.
2. ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020 Edition.
3. 中國國家標準《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2022）.
4. 中國電子學會潔淨技術分會. 《潔淨廠房通風空調設計手冊》.
5. Camfil Group. (2022). UltraSafe® ULPA Filter Technical Data Sheet.
6. Donaldson Company. (2021). Torit® ULPA Filter Product Catalog.
7. AAF International. (2020). Ultipleat® HEPA Filter Specifications.
8. SEMI S23-1003: Guide for Environmental, Health and Safety for Semiconductor Manufacturing Facilities.
9. Liu, Y., et al. (2022). "CFD Simulation of Airflow in Cleanrooms with HEPA Filters." Building and Environment, Vol. 215.
10. Liang, J., et al. (2021). "Development of Nanofiber-Based HEPA Filters for Semiconductor Applications." Journal of Aerosol Science, Vol. 155.
11. 中國建築科學研究院. (2022). 《潔淨室高效空氣過濾器更換指南》.
12. 清華大學潔淨技術研究中心. (2023). 《潔淨室氣流組織優化研究報告》.
13. Fraunhofer Institute. (2021). AI-Based Filter Life Prediction System.
14. Mitsubishi Heavy Industries. (2020). Integrated FFU System for Cleanroom Applications.

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