高效过滤器在半导体洁净厂房中的颗粒物去除效率研究

引言

随着半导体制造技术的不断进步，集成电路的特征尺寸已进入纳米级，对生产环境的洁净度要求日益严苛。在半导体洁净厂房中，空气中悬浮的微小颗粒物（如尘埃、金属离子、有机物等）可能附着在晶圆表面，导致电路短路、断路或性能下降，从而严重影响良品率。因此，控制洁净室内的颗粒物浓度成为保障半导体制造质量的关键环节。

高效过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）作为洁净室空气处理系统的核心组件，承担着去除空气中0.1~0.5 μm级超细颗粒物的重要任务。其过滤效率直接影响洁净室的ISO洁净等级，进而决定半导体工艺的稳定性与可靠性。近年来，国内外学者围绕高效过滤器的过滤机理、性能参数、老化特性及其在实际洁净厂房中的应用展开了广泛研究。

本文旨在系统分析高效过滤器在半导体洁净厂房中的颗粒物去除效率，结合国内外最新研究成果，探讨其关键性能参数、影响因素及优化策略，并通过数据对比与案例分析，为洁净室空气质量管理提供理论支持与实践参考。

一、高效过滤器的基本原理与分类

1.1 过滤机制

高效过滤器主要通过以下四种物理机制实现颗粒物的捕集：

扩散效应（Diffusion）：适用于粒径小于0.1 μm的超细颗粒。由于布朗运动，微粒在气流中随机碰撞纤维表面而被捕获。
拦截效应（Interception）：当颗粒随气流流动时，其轨迹与过滤纤维接触而被捕集，适用于0.1~0.4 μm颗粒。
惯性撞击（Inertial Impaction）：较大颗粒因惯性无法随气流绕过纤维，直接撞击并附着在纤维上，主要作用于大于0.4 μm的颗粒。
静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分HEPA滤材带有静电，可增强对中性或带电微粒的吸附能力。

上述机制在不同粒径范围内协同作用，使得HEPA过滤器在0.3 μm左右的“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）处仍能保持高效率。

1.2 高效过滤器的分类

根据国际标准ISO 29463和中国国家标准GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》，高效过滤器按过滤效率分为以下等级：

过滤器等级	标准依据	过滤效率（MPPS，0.3 μm）	典型应用场景
H11	ISO 29463	≥85%	普通洁净室前级过滤
H12	ISO 29463	≥95%	中等洁净度要求区域
H13	ISO 29463	≥99.95%	半导体洁净室主过滤
H14	ISO 29463	≥99.995%	高端半导体、光刻区
U15~U17	ISO 29463	≥99.9995% ~ ≥99.99999%	超净室、关键工艺区

注：MPPS指最易穿透粒径，通常为0.3 μm。

在半导体洁净厂房中，普遍采用H13及以上等级的HEPA过滤器，部分关键区域（如光刻机周边）甚至使用ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter，超高效过滤器）以达到ISO Class 1~3的洁净标准。

二、高效过滤器的关键性能参数

高效过滤器的性能评估主要依赖于以下几个核心参数，这些参数直接影响其在洁净厂房中的实际应用效果。

2.1 过滤效率（Filter Efficiency）

过滤效率是指过滤器对特定粒径颗粒的去除能力，通常以百分比表示。根据美国能源部（DOE）标准，HEPA过滤器必须在0.3 μm粒径下达到至少99.97%的过滤效率。

粒径（μm）	H13过滤器效率	H14过滤器效率	ULPA过滤器效率
0.1	99.90%	99.99%	99.999%
0.3（MPPS）	99.95%	99.995%	99.9995%
0.5	99.99%	99.999%	99.9999%

数据来源：ASHRAE Standard 52.2 (2017), ISO 29463:2011

2.2 初始阻力与终阻力

阻力是气流通过过滤器时的压力损失，直接影响风机能耗与系统运行成本。

过滤器类型	初阻力（Pa）	终阻力（Pa）	额定风速（m/s）
HEPA H13	180~220	450	0.03~0.05
HEPA H14	200~250	450	0.03~0.05
ULPA U15	250~300	500	0.02~0.04

数据来源：GB/T 13554-2020, Camfil Technical Data Sheet

2.3 容尘量（Dust Holding Capacity）

容尘量指过滤器在达到终阻力前可容纳的颗粒物总量，单位为克（g）。高容尘量可延长更换周期，降低维护成本。

过滤器等级	典型容尘量（g）	测试标准
H13	500~800	EN 779:2012
H14	600~900	ISO 29463
ULPA	700~1000	IEST-RP-CC001.4

2.4 泄漏率（Leakage Rate）

HEPA过滤器安装后需进行扫描检漏，确保无局部泄漏。根据IEST-RP-CC034.1标准，扫描速度不超过5 cm/s，采样流量≥1 L/min，泄漏率不得超过0.01%。

三、高效过滤器在半导体洁净厂房中的应用现状

3.1 洁净室等级要求

根据ISO 14644-1标准，半导体制造对洁净度的要求极高。以12英寸晶圆厂为例，不同工艺区域的洁净等级如下：

工艺区域	ISO洁净等级	最大允许颗粒浓度（≥0.3 μm，颗粒/m³）	所用过滤器等级
光刻区	ISO Class 3	1,000	ULPA U15~U17
薄膜沉积区	ISO Class 4	10,000	HEPA H14
刻蚀区	ISO Class 5	100,000	HEPA H13~H14
扩散区	ISO Class 6	1,000,000	HEPA H13
一般洁净走廊	ISO Class 7	10,000,000	HEPA H12

数据来源：SEMI F50-0706 标准，TSMC洁净室设计规范

3.2 典型配置与气流组织

在半导体洁净厂房中，高效过滤器通常以“满布式”安装于洁净室天花板，配合单向流（层流）送风系统，形成垂直或水平层流。典型气流组织如下：

垂直单向流：HEPA过滤器满布于顶棚，气流自上而下，速度控制在0.2~0.5 m/s，确保污染物快速排出。
水平单向流：适用于狭长设备区，气流水平吹送，减少涡流区。

研究表明，层流洁净室中颗粒物浓度可比非单向流系统降低一个数量级以上（Xu et al., 2020）。

四、影响高效过滤器去除效率的关键因素

4.1 气流速度与面风速

面风速直接影响过滤效率与阻力。过高的风速会降低扩散与拦截效应，导致效率下降；过低则影响换气次数，增加颗粒滞留时间。

面风速（m/s）	过滤效率变化趋势	建议范围
<0.02	效率略升，但能耗高	不推荐
0.03~0.05	效率稳定，阻力适中	推荐
>0.06	效率下降，易穿透	避免

数据来源：Liu et al., "Performance of HEPA filters under varying airflow conditions", Building and Environment, 2019

4.2 颗粒物性质

颗粒物的粒径、密度、形状及荷电状态均影响过滤效率。例如，纤维状颗粒（如碳纳米管）比球形颗粒更难捕集；带电颗粒在静电滤材中去除效率可提升10%~15%（Wang et al., 2021）。

4.3 湿度与温度

高湿度环境可能导致滤材吸湿膨胀，堵塞微孔，增加阻力。实验表明，相对湿度超过80%时，HEPA过滤器阻力上升约15%，效率下降2%~5%（Zhang et al., 2018）。

4.4 过滤器老化与维护

随着运行时间增加，过滤器因积尘导致阻力上升，效率先升后降。通常在阻力达到初阻力的2~2.5倍时需更换。定期检漏与压差监控是保障系统稳定的关键。

五、国内外研究进展与技术对比

5.1 国内研究现状

中国在高效过滤器研发方面近年来取得显著进展。清华大学张寅平团队（2020）通过CFD模拟优化了HEPA滤芯结构，使0.3 μm颗粒去除效率提升至99.998%。中国电子工程设计院（CEED）在中芯国际（SMIC）北京厂项目中，采用国产H14级HEPA过滤器，经第三方检测，泄漏率低于0.005%，达到国际先进水平。

5.2 国外先进技术

美国Camfil公司开发的“NanoFilter”系列采用纳米纤维复合滤材，在0.1 μm粒径下过滤效率达99.999%，且阻力降低30%。德国Mann+Hummel公司推出的“ePA”系列高效过滤器，集成智能传感器，可实时监测压差与颗粒浓度，实现预测性维护。

5.3 国内外产品性能对比

品牌/型号	过滤等级	初阻力（Pa）	0.3 μm效率	容尘量（g）	产地
Camfil NanoF5	H14	190	99.995%	850	瑞典
Mann+Hummel ePA	H14	200	99.996%	800	德国
苏州亚都 YH-14	H14	210	99.99%	750	中国
重庆银海 H13-200	H13	195	99.95%	600	中国

数据来源：各厂商技术手册，2023年实测数据汇总

结果显示，国产HEPA过滤器在基础性能上已接近国际水平，但在新材料应用与智能化集成方面仍有提升空间。

六、实际案例分析：某12英寸晶圆厂HEPA系统优化

6.1 项目背景

某国内大型晶圆代工厂（Fab）在28nm工艺节点量产过程中，发现光刻区颗粒物浓度波动较大，影响良率。经排查，发现部分HEPA过滤器存在局部泄漏与压差异常。

6.2 改造措施

更换为ULPA U15级过滤器（0.3 μm效率≥99.9995%）
安装智能压差传感器，实现远程监控
每季度进行激光粒子扫描检漏
优化送风风速至0.35 m/s，减少涡流

6.3 效果评估

改造前后颗粒物浓度对比（≥0.3 μm，单位：颗粒/m³）：

区域	改造前	改造后	下降比例
光刻机台	1,200	300	75%
主洁净室	800	200	75%
设备排风口	5,000	1,500	70%

数据来源：厂务环境监测系统，2022年Q3报告

同时，风机能耗因阻力优化降低约12%，年节省电费约80万元。

七、未来发展趋势

7.1 新型滤材研发

纳米纤维滤材：直径50~200 nm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚丙烯（PP）纤维，可显著提升对亚微米颗粒的捕集效率。
静电驻极滤材：通过电晕放电使滤材长期带电，增强静电吸附能力，适用于低风阻场景。

7.2 智能化与数字化管理

集成IoT传感器的“智慧HEPA”系统可实时监测过滤器状态，预测更换周期，减少非计划停机。日本东京电子（TEL）已在部分设备中试点应用AI驱动的空气质量管理平台。

7.3 绿色可持续发展

可清洗再生型HEPA过滤器、生物基滤材（如纤维素纳米纤维）的研究正逐步推进，以降低电子废弃物与碳排放。

参考文献

国家市场监督管理总局. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
ISO 29463:2011, High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) [S]. International Organization for Standardization, 2011.
ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
Xu, Y., Li, B., & Chen, Q. (2020). "CFD simulation of particle behavior in semiconductor cleanrooms with different airflow patterns." Building and Environment, 175, 106802.
Liu, H., Wang, J., & Zhang, L. (2019). "Performance of HEPA filters under varying airflow conditions." Indoor Air, 29(3), 456-467.
Wang, F., et al. (2021). "Enhancement of HEPA filter efficiency by electrostatic charging of aerosols." Journal of Aerosol Science, 153, 105712.
Zhang, R., et al. (2018). "Effect of humidity on the performance of HEPA filters." HVAC&R Research, 24(6), 678-685.
Camfil. Technical Data Sheet: NanoF5 HEPA Filter [EB/OL]. https://www.camfil.com, 2023.
Mann+Hummel. ePA High Efficiency Air Filter Product Guide [EB/OL]. https://www.mann-hummel.com, 2023.
张寅平, 等. (2020). "高效空气过滤器在半导体洁净室中的应用研究." 暖通空调, 50(8), 1-7.
中国电子工程设计院. (2021). 中芯国际北京12英寸晶圆厂洁净系统设计报告 [R]. 北京.
SEMI. SEMI F50-0706, Guide for Cleanroom Classification and Monitoring [S]. SEMI International, 2006.
IEST. IEST-RP-CC001.4, HEPA and ULPA Filters [S]. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2005.
百度百科. 高效过滤器 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/高效过滤器, 2023年10月更新.