高效顆粒空氣過濾器在半導體潔淨室中的應用與性能分析 引言 隨著集成電路（IC）製造工藝不斷向納米級推進，半導體生產對環境潔淨度的要求日益嚴苛。微小的塵埃顆粒、金屬離子或有機汙染物均可能導致芯...
高效顆粒空氣過濾器在半導體潔淨室中的應用與性能分析
引言
隨著集成電路（IC）製造工藝不斷向納米級推進，半導體生產對環境潔淨度的要求日益嚴苛。微小的塵埃顆粒、金屬離子或有機汙染物均可能導致芯片缺陷，降低良品率，甚至造成整批產品報廢。為確保半導體製造過程中的高潔淨度環境，高效顆粒空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter, 簡稱HEPA）被廣泛應用於潔淨室空氣淨化係統中。尤其在Class 1至Class 100級別的潔淨室（ISO Class 3–5），HEPA過濾器作為核心淨化設備，發揮著不可替代的作用。
本文將係統探討高效顆粒空氣過濾器在半導體潔淨室中的應用背景、工作原理、關鍵性能參數、選型標準、實際運行案例以及國內外研究進展，並結合權威文獻與行業數據，全麵分析其在保障半導體製造環境中的技術優勢與挑戰。
一、HEPA過濾器的基本原理與分類
1.1 HEPA過濾機製
高效顆粒空氣過濾器通過物理攔截、慣性碰撞、擴散效應和靜電吸附等多種機製去除空氣中懸浮的微粒。其主要過濾機製包括：
- 攔截作用：當粒子隨氣流運動時，若其路徑接近纖維表麵，可能因接觸而被捕獲。
- 慣性碰撞：較大粒子因質量大，在氣流方向改變時無法及時跟隨，撞擊纖維被捕集。
- 擴散效應：對於亞微米級粒子（<0.1 μm），布朗運動顯著增強，使其更易與纖維接觸並被捕獲。
- 靜電吸附：部分HEPA濾材帶有靜電，可增強對微小帶電粒子的捕獲能力。
根據美國能源部標準DOE-STD-3020-97及國際標準ISO 29463，HEPA過濾器需對粒徑≥0.3 μm的顆粒實現至少99.97%的過濾效率。
1.2 HEPA與ULPA的區別
在半導體行業中，除HEPA外，超高效顆粒空氣過濾器（ULPA, Ultra-Low Penetration Air Filter）也被廣泛應用。兩者主要區別如下表所示：
| 參數 | HEPA過濾器 | ULPA過濾器 |
|---|---|---|
| 標準依據 | IEST-RP-CC001, ISO 29463 H13-H14 | ISO 29463 U15-U17 |
| 過濾效率（0.3 μm） | ≥99.97% | ≥99.999% |
| 對應穿透率 | ≤0.03% | ≤0.001% |
| 典型應用場景 | Class 100（ISO 5）潔淨室 | Class 10及以下（ISO 4–3）潔淨室 |
| 初始阻力（Pa） | 180–250 | 220–300 |
| 使用壽命（年） | 3–5 | 2–4 |
數據來源：IEST (Institute of Environmental Sciences and Technology), 2021; GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》
ULPA過濾器適用於光刻、蝕刻等對潔淨度要求極高的工藝環節，而HEPA則多用於一般潔淨區域或作預過濾使用。
二、半導體潔淨室的環境要求
2.1 潔淨室等級標準
國際通用的潔淨室分級標準由ISO 14644-1定義，其依據單位體積空氣中允許的大粒子濃度劃分等級。半導體製造通常要求達到ISO Class 3至Class 5級別。
| ISO等級 | 大允許粒子數（≥0.1 μm）/m³ | 典型應用 |
|---|---|---|
| ISO 3 | 1,000 | EUV光刻、晶圓搬運 |
| ISO 4 | 10,000 | 薄膜沉積、離子注入 |
| ISO 5 | 100,000 | 擴散、清洗、包裝 |
| ISO 6 | 1,000,000 | 設備維護區 |
參考：ISO 14644-1:2015《潔淨室及相關受控環境 第1部分：按粒子濃度分級》
以台積電5nm製程為例，其前段工藝潔淨室普遍維持在ISO Class 3水平，要求每立方米空氣中0.1 μm以上顆粒不超過1000個，這對HEPA/ULPA係統的穩定性提出了極高要求。
2.2 半導體製造中的汙染源
半導體潔淨室的主要汙染源包括：
- 人員活動產生的皮屑、纖維；
- 工藝設備運行時釋放的揮發性有機物（VOCs）與金屬蒸氣；
- 建築材料老化脫落的微粒；
- 外部新風攜帶的PM2.5、花粉等。
據清華大學潔淨技術研究中心（2022）研究顯示，在未配備高效過濾係統的潔淨室內，人員行走一次可產生超過10⁶個≥0.3 μm的顆粒。因此，高效的空氣過濾係統是控製這些汙染的關鍵手段。
三、HEPA過濾器的關鍵性能參數
3.1 主要技術指標
為評估HEPA過濾器在半導體潔淨室中的適用性，需關注以下核心參數：
| 參數 | 定義 | 測試標準 | 典型值範圍 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率 | 對特定粒徑顆粒的去除率 | DOP法（0.3 μm）或PSL法 | H13: ≥99.97% H14: ≥99.995% |
| 初始阻力 | 新濾芯在額定風量下的壓降 | EN 779 / ISO 5011 | 180–250 Pa |
| 終阻力 | 更換前大允許壓降 | 同上 | 450–600 Pa |
| 額定風量 | 設計通過風量（m³/h） | 用戶定製 | 500–2000 m³/h |
| 容塵量 | 可容納顆粒總量（g） | JIS Z 8122 | 300–800 g |
| 泄漏率 | 局部泄漏允許值 | 掃描法（MPPS點） | ≤0.01% per filter |
數據來源：中國建築科學研究院《潔淨廠房設計規範》GB 50073-2013；Camfil AB Technical Report, 2020
其中，易穿透粒徑（Most Penetrating Particle Size, MPPS）是衡量HEPA性能的核心指標。研究表明，HEPA濾材對0.1–0.3 μm顆粒的過濾效率低，因此測試常以此區間為基準。
3.2 材料與結構類型
HEPA過濾器通常采用超細玻璃纖維（Glass Fiber）作為濾料，具有耐高溫、化學穩定性好等特點。常見結構形式包括：
- 有隔板型：使用鋁箔或紙板分隔濾紙，褶距均勻，容塵量大，適合大風量係統。
- 無隔板型：采用熱熔膠固定波形濾紙，體積小、重量輕，適用於空間受限場合。
| 結構類型 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| 有隔板HEPA | 高容塵、長壽命 | 體積大、成本高 | 大型FFU係統 |
| 無隔板HEPA | 緊湊、低阻力 | 容塵略低 | Mini-environment、SMIF Pod |
引用：張偉等，《潔淨室用高效過濾器結構優化研究》，《暖通空調》，2021年第51卷第6期
四、HEPA在半導體潔淨室中的典型應用模式
4.1 FFU（Fan Filter Unit）係統集成
在現代半導體潔淨室中，HEPA過濾器多以風機過濾單元（FFU）形式安裝於天花板，形成垂直單向流（Vertical Laminar Flow）。FFU集成了風機、預過濾器、HEPA/ULPA模塊和控製係統，具備獨立調控風速的能力。
典型FFU配置參數如下：
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 尺寸（mm） | 1200×600 或 1200×1200 |
| 風量（m³/h） | 800–1200 |
| 靜壓（Pa） | 120–150 |
| 噪音（dB） | <55 |
| 控製方式 | RS485/Modbus聯網控製 |
| 過濾等級 | H14或U15 |
數據來源：AAF International Product Catalogue, 2023
三星電子平澤工廠在其7nm產線中部署了超過2萬台FFU，構成全覆蓋式層流係統，確保晶圓表麵顆粒汙染密度低於0.01 particles/cm²/h（Lee et al., Journal of Semiconductor Technology, 2020）。
4.2 局部淨化裝置
除整體潔淨室外，許多關鍵工藝設備（如光刻機、CVD反應腔）配備微環境係統（Mini-environment），內部集成ULPA過濾器，形成局部ISO Class 1環境。例如ASML的NXE:3400B EUV光刻機，其晶圓傳輸通道內空氣經三級過濾（G4+F8+U15），確保光學元件免受汙染。
此外，SMIF（Standard Mechanical Interface）Pod也內置HEPA循環係統，可在開蓋瞬間維持內部潔淨度，防止晶圓暴露於主潔淨室空氣中。
五、國內外主流HEPA產品對比分析
下表列舉了全球及中國主要廠商的代表性HEPA產品性能參數：
| 品牌 | 型號 | 過濾等級 | 初始阻力（Pa） | 額定風量（m³/h） | 適用標準 | 國別 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | Hi-Flo ES | H14 | 190 | 900 | ISO 29463 | 瑞典 |
| Donaldson | Ultra-Web Z | H13 | 175 | 850 | ASME N509 | 美國 |
| AAF | FX-MAX | H14 | 210 | 1000 | GB/T 13554 | 美國（中國生產） |
| 蘇州亞夫 | YF-HEPA-1200 | H14 | 200 | 950 | GB/T 13554-2020 | 中國 |
| 深圳金田豪 | JTH-ULPA | U15 | 240 | 800 | ISO 29463 | 中國 |
數據整理自各公司官網技術手冊（2023年更新）
從性能上看，歐美品牌在濾材均勻性、密封性和長期穩定性方麵仍具優勢，但國產HEPA近年來進步顯著。據中國電子學會潔淨技術分會統計，2022年中國本土HEPA在新建半導體項目中的市場占有率已達42%，較2018年的18%大幅提升（《中國潔淨產業白皮書》，2023）。
六、HEPA係統運行維護與性能監測
6.1 性能衰減因素
HEPA過濾器在長期運行中會因以下原因導致性能下降：
- 積塵堵塞：顆粒堆積增加阻力，降低風量；
- 濕度影響：高濕環境可能導致玻璃纖維吸水變形；
- 機械損傷：安裝不當或振動引發濾紙破損；
- 微生物滋生：在溫濕條件下可能滋生真菌，影響空氣質量。
日本東京工業大學的一項研究表明，當HEPA阻力上升至初始值的1.8倍時，其過濾效率可能下降0.5%以上（Tanaka et al., Indoor Air, 2019）。
6.2 在線監測技術
為實時掌握HEPA狀態，現代潔淨室普遍采用以下監測手段：
- 壓差傳感器：監測初效、中效與HEPA之間的壓差變化，判斷堵塞程度；
- 粒子計數器：定期掃描下遊粒子濃度，驗證過濾效率；
- 氣溶膠光度計：使用DOP或PAO發生器進行泄漏測試，精度可達0.001%；
- 智能FFU係統：集成IoT模塊，遠程監控風速、能耗與故障報警。
根據SEMI F57標準，半導體潔淨室應每6個月進行一次完整的HEPA泄漏掃描，確保無局部穿孔或密封失效。
七、前沿技術發展與挑戰
7.1 新型濾材研發
傳統玻璃纖維存在脆性大、不可降解等問題。近年來，國內外學者致力於開發新型複合濾材：
- 納米纖維塗層：在基材表麵電紡聚丙烯腈（PAN）或聚乳酸（PLA）納米纖維，提升對<0.1 μm顆粒的捕獲能力（Zhang et al., ACS Nano, 2021）；
- 石墨烯增強濾紙：利用石墨烯的高比表麵積與抗菌特性，延長使用壽命（中科院蘇州納米所，2022）；
- 駐極體材料：通過電暈充電使濾材持久帶電，增強靜電吸附效應，已在部分ULPA產品中應用。
7.2 智能化與節能趨勢
隨著“雙碳”目標推進，HEPA係統的能耗問題受到關注。研究顯示，潔淨室空調係統占半導體工廠總能耗的40%以上，其中風機功耗占比達60%（IEA, 2022）。為此，行業正推動：
- 變頻FFU控製：根據潔淨度需求動態調節風速，節能可達30%；
- AI預測維護：基於曆史數據預測濾網更換周期，避免過早更換造成浪費；
- 熱回收係統：在新風處理段加裝熱交換器，降低冷熱負荷。
台積電南科廠區已試點AI驅動的潔淨室管理係統，通過機器學習優化FFU群控策略，年節電超過1200萬度（TSMC Sustainability Report, 2023）。
八、典型案例分析：中芯國際北京12英寸廠
中芯國際在北京建設的12英寸邏輯芯片生產線，采用全HEPA覆蓋的ISO Class 4潔淨室，總麵積達5萬平方米。該項目選用AAF提供的H14級無隔板HEPA模塊，共計安裝FFU約1.5萬台。
運行數據顯示：
| 指標 | 實測值 | 標準要求 |
|---|---|---|
| 0.1 μm粒子濃度 | 8,200 #/m³ | ≤10,000 |
| 平均風速（m/s） | 0.38 | 0.35–0.45 |
| FFU平均阻力 | 215 Pa | <250 Pa |
| 年更換率 | 3.2% | <5% |
| 晶圓缺陷密度 | 0.035 defects/cm² | <0.05 |
數據來源：中芯國際工程技術部內部報告（2022）
該係統連續運行三年未發生重大汙染事件，證明HEPA在大規模半導體生產中的可靠性。同時，通過引入智能監控平台，實現了對每一台FFU的實時狀態追蹤，大幅提升了運維效率。
九、國內外標準與認證體係
為確保HEPA產品質量，各國建立了嚴格的測試與認證體係：
| 國家/組織 | 標準名稱 | 主要內容 |
|---|---|---|
| 中國 | GB/T 13554-2020 | 高效空氣過濾器性能測試方法 |
| 美國 | DOE-STD-3020-97 | HEPA過濾器設計與驗收標準 |
| 歐盟 | EN 1822:2009 | 分級至E10–U17，強調MPPS測試 |
| 國際 | ISO 29463 | 統一全球HEPA/ULPA測試規範 |
| 日本 | JIS Z 8122 | 規定掃描檢漏程序 |
在中國，國家空調設備質量監督檢驗中心（NCLAC）負責HEPA產品的型式檢驗，所有進入半導體項目的過濾器必須提供第三方檢測報告。
十、經濟性與生命周期成本分析
盡管HEPA初期投資較高，但其在提升良率方麵的回報顯著。以一座月產5萬片12英寸晶圓的Fab為例：
| 成本項 | 年費用（萬元） |
|---|---|
| HEPA采購與安裝 | 6,800 |
| 運行電費（FFU） | 12,500 |
| 維護與更換 | 2,200 |
| 因汙染導致的良率損失（無HEPA） | ≈30,000 |
| 實際良率損失（配備HEPA） | ≈3,000 |
數據估算基於行業平均值，參考Semiconductor Engineering, 2021
可見，HEPA係統每年可減少約2.7億元的潛在損失，投資回收期不足一年。此外，隨著國產化進程加快，HEPA單價較五年前下降約35%，進一步增強了其經濟可行性。
參考文獻
- ISO 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration.
- GB/T 13554-2020, 《高效空氣過濾器》. 中國標準出版社.
- Camfil. (2020). Technical Guide for HEPA Filtration in Critical Environments. Stockholm: Camfil AB.
- Lee, J., Kim, S., & Park, H. (2020). "Airborne Particle Control in Advanced Lithography Tools". Journal of Semiconductor Technology, 37(4), 112–119.
- Zhang, Y., et al. (2021). "Electrospun Nanofiber-Based Composite Filters for Sub-100 nm Particle Removal". ACS Nano, 15(3), 4567–4578.
- 中國電子學會. (2023). 《中國潔淨產業年度發展報告》. 北京.
- IEA. (2022). Energy Efficiency in Semiconductor Manufacturing. International Energy Agency.
- TSMC. (2023). Sustainability Report 2022. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.
- Tanaka, M., et al. (2019). "Performance Degradation of HEPA Filters under High Humidity Conditions". Indoor Air, 29(2), 234–245.
- 張偉, 李強. (2021). "潔淨室用高效過濾器結構優化研究". 《暖通空調》, 51(6), 88–93.
（全文約3,650字）
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