超高無隔板高效過濾器在半導體潔淨室中的應用與性能分析 1. 引言 隨著全球半導體產業的迅猛發展，尤其是5G通信、人工智能、高性能計算和物聯網等新興技術的推動，對集成電路製造工藝的精度要求日益提高...
超高無隔板高效過濾器在半導體潔淨室中的應用與性能分析
1. 引言
隨著全球半導體產業的迅猛發展，尤其是5G通信、人工智能、高性能計算和物聯網等新興技術的推動，對集成電路製造工藝的精度要求日益提高。在此背景下，半導體潔淨室作為芯片製造的核心環境，其空氣潔淨度直接關係到產品的良率與可靠性。根據國際標準ISO 14644-1，半導體前道工藝通常要求達到ISO Class 1至Class 5級別的潔淨度，即每立方米空氣中粒徑≥0.1 μm的粒子數量需控製在極低水平。
為實現這一嚴苛的潔淨目標，超高無隔板高效過濾器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA Filter） 成為了潔淨室空氣淨化係統的關鍵組件。相較於傳統的有隔板高效過濾器，無隔板結構具有體積小、風阻低、容塵量大、安裝靈活等優勢，特別適用於空間受限但淨化要求極高的半導體生產環境。
本文將係統闡述超高無隔板高效過濾器的技術原理、核心參數、在半導體潔淨室中的具體應用方式，並結合國內外權威研究文獻對其性能進行深入分析，旨在為相關工程設計與設備選型提供理論支持與實踐參考。
2. 超高無隔板高效過濾器概述
2.1 定義與分類
超高無隔板高效過濾器是一種采用超細玻璃纖維濾紙作為過濾介質，通過密褶結構設計，在無金屬或塑料隔板支撐的情況下實現高效粒子捕集的空氣過濾裝置。其過濾效率針對0.12 μm粒子可達99.999%以上，屬於ULPA級別（Ultra Low Penetration Air Filter），遠高於HEPA（High Efficiency Particulate Air）過濾器的標準。
根據國際電工委員會（IEC）標準IEC 60335-2-65及美國ASHRAE標準52.2，ULPA過濾器按效率分為U15、U16、U17三個等級：
| 過濾等級 | 粒徑（μm） | 易穿透粒徑效率（MPPS） | 標準依據 |
|---|---|---|---|
| U15 | 0.12 | ≥99.9995% | EN 1822:2009 / IEST-RP-CC001 |
| U16 | 0.12 | ≥99.99995% | EN 1822:2009 |
| U17 | 0.12 | ≥99.999995% | IEST-RP-CC001 |
注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）指易穿透粒徑，通常在0.1~0.3 μm之間，是評估高效過濾器性能的關鍵指標。
2.2 結構特點
超高無隔板高效過濾器主要由以下幾部分構成：
- 濾料：采用連續細纖維玻璃（Continuous Fine Fiber Glass, CFFG），直徑約0.2~0.5 μm，經靜電駐極處理增強吸附能力。
- 分隔物：使用熱熔膠點狀固定形成“V”型密褶結構，替代傳統鋁箔或紙隔板，降低阻力並提升單位麵積過濾效率。
- 邊框材料：常見為鋁合金、鍍鋅鋼板或不鏽鋼，滿足防火與抗腐蝕要求。
- 密封膠：聚氨酯或矽酮密封膠，確保整體氣密性。
相比有隔板過濾器，無隔板設計可使相同尺寸下過濾麵積增加30%~50%，同時壓降降低20%~40%，顯著提升能效比。
3. 關鍵性能參數與測試標準
3.1 主要技術參數
下表列出了典型超高無隔板ULPA過濾器的核心性能參數：
| 參數項 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 額定風量 | 800–2000 m³/h | ASHRAE 52.2 / EN 779 |
| 初始阻力 | 180–250 Pa | EN 1822 |
| 額定效率（MPPS） | ≥99.9995% (U15) | EN 1822:2009 |
| 濾速 | 0.02–0.04 m/s | IEST-RP-CC001.4 |
| 容塵量 | ≥100 g/m² | JIS Z 8122 |
| 使用壽命 | 3–7年（視環境而定） | 實際運行監測 |
| 泄漏率 | ≤0.005% | DOP/PAO掃描檢測法 |
| 工作溫度 | -20℃ ~ +80℃ | GB/T 13554-2020 |
| 濕度適應範圍 | 10%~90% RH（非凝露） | ISO 14644-3 |
資料來源：中國建築科學研究院《潔淨室用高效過濾器技術規範》（GB/T 13554-2020）、德國TÜV認證報告TUV-SUD-2021-FIL-0887
3.2 國內外測試方法對比
不同國家和地區對ULPA過濾器的測試方法存在一定差異，主要體現在測試氣溶膠類型與掃描方式上：
| 地區/組織 | 測試標準 | 氣溶膠類型 | 檢測粒徑 | 掃描方式 |
|---|---|---|---|---|
| 中國 | GB/T 6165-2021 | DOP（鄰苯二甲酸二辛酯） | 0.3 μm | 掃描探頭法 |
| 歐洲 | EN 1822:2009 | DEHS（癸二酸二辛酯） | 0.12–0.18 μm | MPPS掃描法 |
| 美國 | IEST-RP-CC001.4 | PAO（聚α烯烴） | 0.1–0.3 μm | 光度計掃描 |
| 日本 | JIS Z 8122:2019 | Emery Oil 3004 | 0.1–0.3 μm | 計數掃描法 |
參考文獻：
- 吳元煒等. 《空氣潔淨技術基礎》[M]. 北京：中國建築工業出版社，2018.
- HECHT, E. et al. "Performance evalsuation of ULPA Filters in Semiconductor Cleanrooms." Journal of Aerosol Science, vol. 145, 2020, pp. 105567.
- DIN EN 1822-5:2009, “High efficiency air filters (HEPA and ULPA) – Part 5: Test methods.”
值得注意的是，EN 1822標準引入了“局部透過率”概念，允許對過濾器單個區域進行分級評定（如H13–U17），提高了檢測精度與實用性。
4. 在半導體潔淨室中的應用場景
4.1 潔淨室等級需求匹配
半導體製造過程對微粒汙染極為敏感。據Intel公司發布的潔淨室管理白皮書顯示，當空氣中0.1 μm粒子濃度超過10 particles/m³時，14nm以下工藝節點的晶圓缺陷率將上升30%以上。
| 工藝節點（nm） | 推薦潔淨等級 | 關鍵區域示例 | 所需過濾器類型 |
|---|---|---|---|
| ≥90 | ISO Class 5 | 封裝區、測試區 | HEPA (H13–H14) |
| 45–65 | ISO Class 4 | 光刻後處理、蝕刻間 | ULPA (U15) |
| 14–28 | ISO Class 3 | 光刻機周邊、EUV曝光室 | ULPA (U16) |
| <10 | ISO Class 2 | EUV源腔體、納米壓印區 | ULPA (U17) + 分子過濾 |
數據來源：Samsung Foundry Cleanroom Design Guidelines (2023), TSMC Environmental Control Manual v4.1
4.2 典型安裝位置與係統配置
在現代Fab廠中，超高無隔板ULPA過濾器通常部署於以下幾個關鍵位置：
（1）FFU（Fan Filter Unit）模塊
FFU是潔淨室頂部常用的送風單元，集成風機與ULPA過濾器，形成垂直單向流（Unidirectional Flow）。其優勢在於模塊化設計、易於維護且噪音低。
| FFU規格 | 尺寸（mm） | 風量（m³/h） | 功率（W） | 噪音（dB） |
|---|---|---|---|---|
| 標準型 | 1200×600 | 1000–1300 | 180–220 | ≤55 |
| 高靜壓型 | 1200×1200 | 2000–2500 | 350–400 | ≤60 |
應用案例：中芯國際北京FAB10采用約8000台ULPA-FFU組成的天花板陣列，實現EUV光刻區ISO Class 2環境。
（2）MAU+RAU組合係統
新風機組（Make-up Air Unit, MAU）預處理室外空氣後，進入循環空氣處理機組（Recirculation Air Unit, RAU），其中配備多級過濾段，末端設置ULPA過濾器。
典型流程如下：
室外空氣 → 初效過濾（G4）→ 中效過濾（F8）→ 表冷/加熱 → 加濕 → 風機 →
→ 高效前置HEPA（H13）→ 冷卻盤管 → ULPA過濾段 → 靜壓箱 → 潔淨室該係統可有效控製溫濕度波動（±0.5℃, ±3%RH），並防止微生物滋生。
（3）Mini-Environment（微環境）
在光刻機、刻蝕機等關鍵設備內部，構建獨立的mini-environment，使用小型ULPA過濾器維持局部ISO Class 1環境。例如ASML NXT:2000i光刻機內置雙ULPA循環係統，每小時換氣達600次以上。
5. 性能影響因素分析
5.1 氣流均勻性與泄漏風險
ULPA過濾器的安裝質量直接影響其實際性能。清華大學建築技術科學係張寅平教授團隊研究發現，若邊框密封不嚴，局部泄漏可導致整體效率下降達兩個數量級（Zhang et al., 2021, Building and Environment）。
常見泄漏點包括：
- 邊框與框架之間的縫隙
- 濾料拚接處熱熔膠斷裂
- 長期運行後膠條老化
建議采用PAO（Polyalphaolefin）氣溶膠現場掃描檢漏，檢測靈敏度可達1×10⁻⁶。
5.2 溫濕度與化學汙染物影響
盡管ULPA主要針對顆粒物，但在高濕環境下（>80%RH），濾材可能發生纖維膨脹或黴變，降低機械強度。此外，空氣中酸性氣體（如HCl、SO₂）可能腐蝕玻璃纖維表麵，影響長期穩定性。
解決方案包括：
- 選用耐濕塗層濾紙（如Dow Corning HydroShield™）
- 前置化學過濾層（活性炭或分子篩）
- 控製相對濕度在45±5%範圍內
5.3 容塵特性與壽命預測模型
ULPA過濾器的壓差隨運行時間呈非線性增長。複旦大學環境科學與工程係李潔團隊基於現場數據建立了一種壽命預測模型：
$$
Delta P(t) = Delta P_0 + k cdot C cdot Q cdot t
$$
其中：
- $Delta P(t)$：t時刻壓差（Pa）
- $Delta P_0$：初始壓差
- $k$：比阻力係數（m⁻¹）
- $C$：進氣含塵濃度（mg/m³）
- $Q$：風量（m³/s）
- $t$：運行時間（s）
實驗表明，在ISO Class 5環境中，ULPA過濾器平均壽命可達5年以上；而在較差環境下可能不足2年。
6. 國內外典型產品對比分析
下表選取全球主流廠商的代表性超高無隔板ULPA過濾器進行橫向比較：
| 品牌 | 型號 | 效率等級 | 初始阻力（Pa） | 容塵量（g/m²） | 框架材質 | 是否符合SEMI F21標準 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | Hi-Flo ULPA | U16 | 210 | 110 | 鋁合金 | 是 |
| Donaldson（美） | Ultra-Web XLT | U15 | 230 | 95 | 不鏽鋼 | 是 |
| AAF International（英） | Aerostar ULPA | U17 | 245 | 120 | 鍍鋅鋼 | 是 |
| KLC Filter（中國） | KLC-ULPA-1200 | U16 | 220 | 105 | 鋁合金 | 是 |
| SUNGLIM（韓國） | SL-U17 | U17 | 250 | 115 | 不鏽鋼 | 是 |
數據來源：各廠商官網技術手冊（2023年更新），SEMI F21-0202標準《Specification for High-Efficiency Particulate Air Filters Used in Semiconductor Manufacturing》
值得注意的是，國產KLC、Pharmaron等品牌近年來在材料工藝與自動化生產方麵取得突破，產品性能已接近國際一線水平，且具備成本優勢（價格約為進口產品的60%~70%）。
7. 實際運行案例研究
7.1 上海華力微電子FAB2潔淨室改造項目
該項目於2022年完成對原有HEPA係統的升級，將光刻區全部替換為Camfil Hi-Flo ULPA U16過濾器，並配合智能FFU控製係統。
改造前後關鍵指標對比：
| 指標 | 改造前（HEPA H14） | 改造後（ULPA U16） | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 0.1 μm粒子濃度 | 18 particles/m³ | 3.2 particles/m³ | ↓82.2% |
| 平均壓降 | 280 Pa | 215 Pa | ↓23.2% |
| 年電耗（kWh） | 1.2×10⁷ | 9.5×10⁶ | ↓20.8% |
| 晶圓缺陷密度（defects/cm²） | 0.15 | 0.09 | ↓40% |
數據來源：華力微電子《2023年度環境控製年報》
7.2 台積電南京廠EUV車間ULPA布局優化
為應對EUV光源產生的錫微粒汙染，台積電在南京廠EUV曝光區采用“雙層ULPA+靜電沉降”複合淨化方案：
- 第一層：前置ULPA（U16），去除大部分顆粒；
- 第二層：帶靜電增強功能的ULPA（U17），捕獲帶電錫簇；
- 配合負離子發生器中和氣溶膠電荷。
經台灣工研院（ITRI）第三方檢測，該係統對0.07 μm錫顆粒的去除效率達99.9999%，滿足ASML對EUV環境的嚴格要求。
8. 發展趨勢與技術創新方向
8.1 智能化監測與數字孿生
新一代ULPA過濾器正逐步集成傳感器模塊，實現壓差、溫濕度、泄漏狀態的實時監控。例如Honeywell推出的SmartFilter™係統可通過LoRa無線傳輸數據至BMS平台，提前預警更換周期。
8.2 新型濾材研發
- 納米纖維複合膜：東麗（Toray）開發出PVDF/PAN靜電紡絲納米纖維層，厚度僅1 μm，對0.03 μm粒子截留率超99.99%。
- 自清潔塗層：MIT研究人員在《Nature Materials》發表論文指出，TiO₂光催化塗層可在紫外照射下分解附著有機物，延長使用壽命30%以上（Liu et al., 2022）。
8.3 綠色低碳設計
歐盟“Horizon Europe”計劃資助的CleanAir4Chip項目提出“零廢棄過濾器”概念，推動ULPA濾芯可回收再利用。目前已有企業實現玻璃纖維與鋁框分離回收率達85%以上。
參考文獻
- GB/T 13554-2020，《高效空氣過濾器》，中華人民共和國國家市場監督管理總局發布
- EN 1822:2009, High efficiency air filters (HEPA and ULPA), CEN European Committee for Standardization
- IEST-RP-CC001.4, Testing HEPA and ULPA Filter Systems, Institute of Environmental Sciences and Technology
- SEMI F21-0202, Specification for HEPA/ULPA Filters in Semiconductor Facilities
- 張寅平等. 潔淨室高效過濾係統泄漏檢測與控製[J]. 暖通空調, 2021, 51(3): 1–8.
- 李潔, 陳建民. 超高效過濾器容塵特性實驗研究[J]. 環境科學學報, 2020, 40(6): 2105–2112.
- HECHT, E., et al. "Long-term Performance of ULPA Filters under Real Cleanroom Conditions." Aerosol Science and Technology, 55(4), 2021, 432–445.
- Liu, Y. et al. "Photocatalytic Self-cleaning Air Filters for Next-generation Cleanrooms." Nature Materials, 21, 2022, 135–142.
- Camfil Technical Data Sheet: Hi-Flo ULPA Series, 2023 Edition
- AAF International. Aerostar ULPA Product Guide, Rev. 2023.07
（全文約3800字）
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