高效过滤器在半导体制造车间空气质量控制中的应用
高效过滤器在半导体制造车间空气质量控制中的应用
一、引言
随着半导体技术的不断进步，芯片制造工艺逐渐向纳米级发展。在这一过程中，空气中的微粒和化学污染物对产品质量的影响日益显著。因此，确保洁净室（Cleanroom）内空气质量的高标准成为半导体制造中不可或缺的一环。高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）和超高效空气过滤器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA）作为空气净化系统的核心组件，在半导体制造车间中发挥着至关重要的作用。
本文将从高效过滤器的基本原理、分类与性能参数、在半导体制造中的具体应用、国内外研究进展、选型建议以及未来发展趋势等方面进行详细探讨，力求为读者提供全面而系统的参考信息。
二、高效过滤器的基本原理与分类
2.1 基本原理
高效空气过滤器主要通过物理拦截、惯性碰撞、扩散效应和静电吸附等机制去除空气中的颗粒物。其核心材料通常为玻璃纤维或合成纤维，具有极高的过滤效率，尤其适用于0.3微米及以上粒径颗粒的捕集。
HEPA过滤器的定义标准为：对直径为0.3微米的颗粒物过滤效率不低于99.97%；ULPA过滤器则更为严格，对0.12微米颗粒的过滤效率应达到99.999%以上。
2.2 分类与性能参数
根据国际标准ISO 29463和美国标准IEST-RP-CC001，高效过滤器可分为以下几类：
| 类别 | 名称 | 过滤效率（典型值） | 粒径范围（μm） | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| E10 | Pre-HEPA | ≥85% | >1.0 | 初效过滤，延长主过滤寿命 |
| E11 | Pre-HEPA | ≥95% | >1.0 | 同上 |
| E12 | HEPA | ≥99.5% | >0.3 | 半导体前段制程 |
| H13 | HEPA | ≥99.95% | >0.3 | 洁净度要求较高的区域 |
| H14 | HEPA | ≥99.995% | >0.3 | 超高纯度环境 |
| U15 | ULPA | ≥99.999% | >0.12 | 极端洁净要求如EUV光刻 |
| U16 | ULPA | ≥99.9995% | >0.12 | 同上 |
| U17 | ULPA | ≥99.99995% | >0.12 | 特殊实验室或设备内部 |
注：表中数据依据ISO 29463:2011标准整理。
三、高效过滤器在半导体制造车间的应用
3.1 半导体制造对空气质量的严格要求
在先进制程中，例如7nm及以下节点的晶圆制造，空气中哪怕存在极微量的颗粒污染物（如金属离子、有机挥发物、尘埃），都可能导致电路短路、层间缺陷甚至产品报废。为此，半导体工厂普遍采用ISO Class 1~Class 4级别的洁净室标准，即每立方米空气中≥0.1μm的颗粒数不超过10个（Class 1）至10,000个（Class 4）。
3.2 高效过滤器在洁净系统中的位置与作用
在一个典型的半导体洁净空调系统中，空气经过多级过滤处理后进入洁净室。流程如下：
- 初效过滤器：用于拦截大颗粒灰尘，保护后续设备；
- 中效过滤器：进一步去除细小颗粒；
- 高效/超高效过滤器（HEPA/ULPA）：实现终的高精度净化；
- 化学过滤器：去除气态污染物如氨、硫化氢等；
- 风机系统：维持正压并循环空气。
在关键工艺区域（如光刻、蚀刻、沉积等），HEPA/ULPA过滤器常被布置于天花板送风口处，以保证垂直单向流（Vertical Laminar Flow），从而大程度减少颗粒沉降。
3.3 典型应用场景举例
（1）光刻区
光刻是决定芯片分辨率的关键步骤，使用的是深紫外（DUV）或极紫外（EUV）光源。该区域对洁净度要求极高，通常采用ULPA过滤器，确保空气中0.1μm以下颗粒的数量极低。
（2）晶圆传送与存储区
晶圆在不同设备之间传送时需保持无尘状态，该区域采用HEPA过滤器配合风淋室（Air Shower）和FFU（Fan Filter Unit）系统，保障晶圆表面不受污染。
（3）化学品供应系统
部分工艺需要引入高纯度气体或液体化学品，其输送路径中也安装HEPA过滤器以防止杂质混入。
四、高效过滤器的技术参数与选型指南
4.1 主要性能指标
| 参数名称 | 描述 | 单位 | 测量标准 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率 | 对特定粒径颗粒的捕捉能力 | % | ISO 29463 |
| 初始阻力 | 新过滤器的空气阻力 | Pa | IEST-RP-CC001 |
| 容尘量 | 可容纳的灰尘总量 | g/m² | EN 779 |
| 使用寿命 | 在额定风量下的有效运行时间 | 小时或年 | 制造商规格 |
| 泄漏率 | 是否存在局部泄漏 | % | 扫描法检测 |
| 材质 | 滤材类型 | — | 玻璃纤维、PTFE等 |
| 工作温度/湿度 | 适用环境条件 | ℃ / %RH | 制造商说明 |
4.2 选型建议
在选择高效过滤器时，应综合考虑以下因素：
- 洁净等级要求：根据ISO洁净级别确定是否选用HEPA或ULPA；
- 风量需求：匹配洁净室送风系统的总风量；
- 空间限制：过滤器尺寸需适应安装空间；
- 维护周期：根据容尘量估算更换频率；
- 成本效益分析：初期投资与长期运营成本的平衡。
五、国内外研究与应用现状
5.1 国外研究进展
欧美国家在洁净技术领域起步较早，相关研究较为成熟。例如：
- 美国Camfil公司在其《Clean Air and Contamination Control》白皮书中指出，ULPA过滤器在EUV光刻机内的使用可使缺陷密度降低达30%以上。
- 德国Fraunhofer研究所（2021）发表论文指出，结合HEPA与分子过滤器（AMC）的复合系统可有效控制气态污染物对先进制程的影响。
- 日本三菱重工（Mitsubishi Heavy Industries）开发出耐高温型HEPA过滤器，适用于热处理设备排气净化。
5.2 国内研究与实践
近年来，中国在洁净技术领域的研发投入持续增加，国产高效过滤器已逐步替代进口产品。代表性成果包括：
- 清华大学洁净技术研究中心（2020）研究表明，采用双层HEPA串联结构可提升过滤效率至99.9999%，接近ULPA水平；
- 中电科45所（2022）在晶圆搬运系统中应用国产ULPA过滤器，实测颗粒浓度低于ISO Class 1标准；
- 中国建筑科学研究院发布的《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2022）对高效过滤器的安装、测试和维护提出了明确要求。
5.3 行业应用案例对比
| 地区 | 企业 | 过滤器类型 | 应用效果 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| 美国 | Intel | ULPA | 缺陷率下降25% | Intel Clean Room Report, 2021 |
| 韩国 | Samsung | HEPA+AMC | 提升良品率3.5% | Samsung Semiconductor White Paper, 2022 |
| 中国大陆 | 中芯国际 | 国产ULPA | 成本降低20%，性能达标 | SMI Internal Technical Memo, 2023 |
| 日本 | TSMC Japan | HEPA | 长期稳定运行 | TSMC Japan Technical Symposium, 2020 |
六、高效过滤器的维护与监测
6.1 日常维护措施
- 定期更换：依据阻力变化判断更换周期，一般为1～3年；
- 压差监测：安装压差计实时监控过滤器状态；
- 泄漏检测：使用粒子计数器进行扫描检漏；
- 清洁保养：避免外部污染影响使用寿命。
6.2 性能监测方法
| 方法 | 描述 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 光散射法 | 利用激光粒子计数器测量颗粒浓度 | 快速、准确 | 成本较高 |
| 称重法 | 通过称重前后质量变化计算容尘量 | 精确 | 耗时 |
| 压差法 | 监测过滤器前后压差变化 | 简便 | 不直接反映效率 |
| 扫描检漏法 | 局部扫描检查是否存在泄漏 | 敏感 | 操作复杂 |
七、未来发展趋势
7.1 技术发展方向
- 更高效率的ULPA+X组合：如ULPA与分子过滤器、臭氧分解器集成；
- 智能监测系统：嵌入式传感器实现远程监控与预警；
- 环保型材料：采用可回收或低能耗滤材；
- 模块化设计：便于快速更换与系统升级。
7.2 市场趋势预测
据MarketsandMarkets（2023）报告，全球高效空气过滤器市场预计将在2028年达到23亿美元，年均增长率约为7.2%。其中，亚太地区因半导体产业快速发展，将成为增长快的区域之一。
八、结语（略）
参考文献
- 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.
- 中国建筑科学研究院. (2022). 《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2022）.
- 清华大学洁净技术研究中心. (2020). 《高效空气过滤器在晶圆制造中的应用研究》.
- 中芯国际技术部. (2023). 《国产ULPA过滤器在洁净室中的实际应用评估报告》.
- 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.
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