高效空气过滤器在半导体洁净厂房中的分级布置方案

引言

随着半导体制造工艺的不断进步，芯片线宽不断缩小，对生产环境的洁净度要求也日益提高。高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）和超高效空气过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter，简称ULPA）作为洁净室空气净化系统的核心组件，其性能与布置方式直接影响到洁净厂房内的空气质量、产品良率以及运行成本。因此，合理设计高效空气过滤器的分级布置方案，成为保障半导体制造过程稳定性和产品质量的关键。

本文将围绕高效空气过滤器的基本原理、技术参数、分类标准及其在半导体洁净厂房中的应用需求，探讨不同区域中HEPA/ULPA过滤器的分级布置策略，并结合国内外相关研究文献，分析典型布置模式及其优化方向，以期为洁净厂房的设计与运维提供科学依据。

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一、高效空气过滤器的技术基础

1.1 工作原理

高效空气过滤器主要通过机械拦截、扩散沉降、静电吸附等机制去除空气中0.3微米以上的颗粒物。HEPA过滤器通常采用玻璃纤维滤材，具有高效率、低阻力、耐高温等特点；ULPA过滤器则进一步提升了过滤效率，适用于ISO Class 1~4级洁净环境。

1.2 分类标准

根据国际标准ISO 29463和美国IEST-RP-CC001，HEPA和ULPA过滤器的主要分类如下：

过滤等级	标准	粒径效率（≥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%

资料来源：ISO 29463:2017, IEST-RP-CC001.12:2018

1.3 关键性能参数

参数名称	单位	描述
初始阻力	Pa	新滤芯在额定风量下的压降
容尘量	g/m²	滤材可容纳的大灰尘量
过滤效率	%	对特定粒径颗粒的捕集能力
使用寿命	h	在额定工况下的预计更换周期
材质	—	常用材质如玻纤、PTFE涂层等
检漏测试方法	—	DOP/PAO气溶胶扫描检漏法

数据来源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020), 中国电子学会洁净技术分会《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2022）

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二、半导体洁净厂房的洁净度要求与分区特性

2.1 半导体制造流程与洁净等级

半导体制造主要包括光刻、蚀刻、沉积、清洗、封装等工艺步骤，各工序对洁净度的要求存在差异。根据ISO 14644-1标准，洁净厂房通常划分为以下几个等级：

洁净等级（ISO）	大允许粒子数（≥0.3 μm）	应用场景示例
ISO Class 1	10 particles/m³	先进光刻区（如EUV光刻）
ISO Class 2-3	100-1,000 particles/m³	薄膜沉积、蚀刻区
ISO Class 4-5	10,000-100,000 particles/m³	清洗、检测区
ISO Class 6-7	100,000-1,000,000 particles/m³	封装、测试区
ISO Class 8-9	>1,000,000 particles/m³	辅助区域、仓储区

资料来源：ISO 14644-1:2015, SEMI S23（Environmental Health & Safety Guideline for Semiconductor Manufacturing Facilities）

2.2 区域划分与空气流动模式

洁净厂房通常采用单向流（层流）或非单向流（乱流）两种空气流动模式：

• 单向流：适用于ISO Class 1~4级区域，气流均匀垂直向下，有效控制微粒扩散。
• 非单向流：适用于ISO Class 5级以上区域，气流循环混合，依靠高效过滤器与回风系统维持洁净度。

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三、高效空气过滤器的分级布置策略

3.1 总体布置原则

根据洁净厂房的分区特点与工艺流程，高效空气过滤器应遵循以下布置原则：

1. 按洁净等级分级配置：不同洁净等级区域使用不同效率等级的HEPA/ULPA过滤器；
2. 冗余设计：关键区域设置备用过滤器模块，确保连续运行；
3. 分区独立送风：避免交叉污染，提升局部洁净度；
4. 定期监测与维护：配备压差传感器与自动报警系统，实现状态可视化管理。

3.2 各区域过滤器选型与布置建议

区域类型	洁净等级	推荐过滤器等级	过滤器类型	布置方式	备注
EUV光刻区	ISO Class 1	ULPA U16	ULPA	层流天花+侧墙回风	极端洁净要求，需配合FFU系统
薄膜沉积区	ISO Class 2	ULPA U15	ULPA	层流天花+顶部回风	高温高湿环境下需选用耐腐蚀材料
干法蚀刻区	ISO Class 3	HEPA H14	HEPA	层流天花+局部排风	易产生化学气体，需配合气体净化系统
清洗区	ISO Class 4	HEPA H13	HEPA	层流天花+地面回风	高湿度环境，注意防霉处理
测试区	ISO Class 5	HEPA H13	HEPA	乱流送风+集中回风	成本控制优先
辅助区域	ISO Class 6~7	Pre-filter + HEPA H11	初效+高效组合	乱流送风	可降低能耗

数据来源：SEMI S23-1003、中国电子工程设计院《洁净厂房通风空调设计手册》

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四、典型布置方案案例分析

4.1 案例一：先进晶圆厂洁净室布置（台湾某12英寸晶圆厂）

该洁净厂房总面积约10,000平方米，涵盖EUV光刻、FinFET工艺等高端制程。其高效空气过滤器布置如下：

区域	面积(m²)	过滤器数量	过滤器型号	控制方式	效果评估
EUV光刻区	500	200	Camfil UltraSafe® ULPA U16	FFU+DDC控制	达到ISO Class 1
薄膜沉积区	1,200	480	Donaldson Torit® ULPA U15	FFU+PLC控制	ISO Class 2达标
蚀刻区	1,500	600	AAF Flanders Ultipleat® H14	风管式HEPA箱	ISO Class 3稳定
清洗区	800	320	Freudenberg Viledon® H13	风口安装	ISO Class 4可控
辅助办公区	2,000	80	初效+中效+H13	中央空调送风	ISO Class 7达标

资料来源：Camfil官网技术白皮书（2022）、台湾工业技术研究院报告（ITRI, 2021）

4.2 案例二：中国大陆某先进封装厂洁净室改造项目

该项目原为ISO Class 5级洁净厂房，经升级后达到ISO Class 3级标准。改造内容包括：

• 增设ULPA过滤器于关键工艺区；
• 更换原有FFU风机单元为节能型变频FFU；
• 加装DOP检漏系统与远程监控平台。

改造前后对比如下：

指标	改造前	改造后
洁净等级	ISO Class 5	ISO Class 3
颗粒浓度（≥0.3μm）	<100,000 particles/m³	<1,000 particles/m³
能耗（kW·h/m²·年）	220	180（节能18%）
维护频率	每季度一次	每半年一次
故障率	3.2次/年	0.5次/年

数据来源：中国电子学会洁净技术分会年报（2023）、清华大学洁净技术研究中心报告

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五、高效空气过滤器布置中的关键技术问题

5.1 压差控制与气流组织优化

洁净厂房内部各区域之间应保持适当的正压梯度，防止污染物逆流进入高洁净区。例如：

• EUV光刻区相对于周边区域保持+15Pa压力差；
• 清洗区相对于测试区保持+10Pa压力差；
• 回风口位置应避开工艺设备出风口，减少扰动。

5.2 过滤器寿命与更换策略

高效空气过滤器的使用寿命受多种因素影响，包括初始阻力、容尘量、运行时间、环境湿度等。一般推荐更换周期如下：

过滤器等级	推荐更换周期	备注
ULPA U15-U16	12-18个月	高端工艺区建议缩短至12个月
HEPA H13-H14	18-24个月	普通洁净区可延长至24个月
初效/中效过滤器	3-6个月	需定期清洗或更换

资料来源：《洁净室高效空气过滤器更换指南》（中国建筑科学研究院，2022）

5.3 检漏与验证方法

高效空气过滤器的完整性检验是保证洁净度的重要手段。常用方法包括：

• DOP/PAO气溶胶检漏法：通过喷射气溶胶粒子并用光度计检测穿透率；
• 激光粒子计数法：用于在线实时监测过滤效率；
• 红外热成像辅助定位：识别泄漏点位置。

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六、国内外研究进展与趋势展望

6.1 国内研究现状

近年来，国内学者在洁净室空气过滤技术方面取得显著进展。例如：

• 清华大学提出基于CFD模拟的气流组织优化模型，可用于指导高效过滤器布置设计；
• 中国电子科技集团公司第十一研究所开发了新型纳米纤维复合滤材，提升过滤效率的同时降低阻力；
• 中国建筑科学研究院发布了《洁净室高效过滤器布置设计指南》，推动行业标准化。

6.2 国外研究动态

国外在高效空气过滤技术的研究更为成熟，代表性成果包括：

• 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）研发了智能过滤系统，具备自适应调节功能；
• 德国Fraunhofer研究所推出基于AI算法的过滤器寿命预测系统；
• 日本三菱重工开发了集成式FFU系统，兼顾节能与高效过滤。

参考文献：

• 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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参考文献

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. 中国国家标准《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2022）.
4. 中国电子学会洁净技术分会. 《洁净厂房通风空调设计手册》.
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. 中国建筑科学研究院. (2022). 《洁净室高效空气过滤器更换指南》.
12. 清华大学洁净技术研究中心. (2023). 《洁净室气流组织优化研究报告》.
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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