V型密褶式化学过滤器在半导体洁净室中的酸性气体去除应用

1. 引言

随着半导体制造工艺的不断进步，制程节点已进入纳米级，对生产环境的洁净度要求达到了前所未有的高度。在半导体洁净室中，不仅需要控制颗粒物浓度，还需严格控制气态污染物（Airborne Molecular Contaminants, AMC），尤其是酸性气体如氯化氢（HCl）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）、氟化氢（HF）等。这些酸性气体即使在ppb（十亿分之一）浓度下，也可能导致晶圆表面腐蚀、金属互连层氧化、光刻胶性能退化等严重问题，进而影响良率与器件可靠性。

为应对这一挑战，V型密褶式化学过滤器（V-Bank Chemical Filter）因其高容尘量、低风阻、高去除效率等优势，已成为高端半导体洁净室AMC控制的核心设备之一。本文将系统阐述V型密褶式化学过滤器的结构原理、关键性能参数、在酸性气体去除中的具体应用，并结合国内外研究进展，深入分析其在半导体制造环境中的技术优势与实际效果。

2. V型密褶式化学过滤器的结构与工作原理

2.1 结构组成

V型密褶式化学过滤器采用“V”字形排列的滤芯结构，由多个密褶式滤料单元组成，形成较大的有效过滤面积。其主要组成部分包括：

滤料基材：通常采用玻璃纤维或聚酯无纺布作为支撑材料；
活性吸附材料：负载碱性或中性化学吸附剂，如氢氧化钾（KOH）、碳酸钙（CaCO₃）、氧化锌（ZnO）、活性炭改性材料等，用于中和或吸附酸性气体；
框架结构：采用镀锌钢板或不锈钢材质，确保结构强度与耐腐蚀性；
密封材料：使用聚氨酯或硅胶密封条，防止旁通泄漏。

2.2 工作原理

V型密褶式化学过滤器通过物理吸附与化学反应双重机制去除酸性气体：

物理吸附：利用高比表面积的多孔材料（如活性炭）捕获气态分子；
化学中和：酸性气体与滤料表面的碱性物质发生不可逆化学反应，生成稳定的盐类化合物。

例如：

HCl + KOH → KCl + H₂O
SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃ + H₂O
HF + ZnO → ZnF₂ + H₂O

该过程具有高效、稳定、不可逆的特点，适用于长期运行的洁净室环境。

3. 关键性能参数

为评估V型密褶式化学过滤器在酸性气体去除中的表现，需关注以下关键参数。下表列出了典型产品的技术指标：

参数	指标	说明
过滤效率（对HCl, 1 ppm入口）	≥99.9%	在标准风速下测试，依据ASHRAE 145.2方法
初始压降	≤80 Pa	风速0.5 m/s时测得
额定风量	1000–3000 m³/h	根据模块尺寸可调
滤料材质	改性活性炭+KOH负载	高效中和酸性气体
使用寿命	6–18个月	取决于污染物浓度与运行工况
工作温度范围	5–40°C	适用于洁净室环境
相对湿度适应范围	30%–70% RH	高湿环境下性能略有下降
过滤面积（单模块）	25–40 m²	V型结构显著增加有效面积
泄漏率	≤0.01%	依据EN 1822标准测试

注：数据参考美国Camfil、德国Mann+Hummel及中国苏州安泰空气技术有限公司产品手册（2023年版）。

4. 酸性气体来源及其对半导体工艺的影响

4.1 主要酸性气体来源

在半导体洁净室中，酸性气体主要来源于以下几个方面：

气体种类	主要来源	典型浓度范围（ppb）
HCl	刻蚀工艺（如Cl₂等离子体）、清洗工序	1–50
HF	氢氟酸清洗、SiO₂刻蚀	0.1–10
SO₂	外气污染、燃烧副产物	0.5–20
NOₓ	空调系统燃烧、外气渗透	1–30
H₂S	材料脱气、废水处理区扩散	<1

资料来源：SEMI F21-0202《半导体制造环境中气态污染物控制指南》

4.2 对半导体工艺的危害

酸性气体对半导体制造的影响主要体现在以下几个方面：

晶圆表面腐蚀：HF可与SiO₂反应，导致栅极氧化层变薄或穿孔；
金属互连氧化：HCl可促进Al或Cu互连层的氧化，增加电阻；
光刻胶性能退化：酸性气体可能引发光刻胶的非预期化学反应，导致图形失真；
设备腐蚀：长期暴露于酸性环境中，将缩短光刻机、CVD设备等精密仪器的寿命。

据IBM研究团队（2018）报告，在未有效控制AMC的洁净室中，晶圆缺陷率可上升30%以上（Zhang et al., 2018）。

5. V型密褶式化学过滤器在半导体洁净室中的应用配置

5.1 典型安装位置

V型密褶式化学过滤器通常集成于洁净室的MAU（Make-up Air Unit）或FFU（Fan Filter Unit）系统中，常见安装位置包括：

新风处理段：去除外部空气中携带的SO₂、NOₓ等污染物；
回风循环系统：持续净化室内循环空气中的工艺副产物；
局部排风净化：针对高污染区域（如刻蚀区）设置独立净化模块。

5.2 系统设计要点

为确保过滤效率与运行稳定性，系统设计需考虑以下因素：

设计要素	推荐方案
气流速度	0.3–0.6 m/s（避免过高风速降低接触时间）
滤料厚度	45–90 mm（增加反应停留时间）
模块排列方式	垂直V型排列，倾斜角30°–45°
预过滤配置	配置G4初效+H13 HEPA预过滤，保护化学滤层
实时监测	安装AMC在线监测仪（如PTR-MS或DOAS）

6. 国内外研究进展与实际应用案例

6.1 国外研究进展

美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）在其标准ASHRAE 145.2中明确提出了化学过滤器的测试方法，强调对HCl、HF、NH₃等典型AMC的去除效率评估（ASHRAE, 2020）。研究显示，采用KOH改性活性炭的V型过滤器对HCl的去除效率可达99.95%，且在相对湿度60%条件下仍保持稳定性能（Liu & Li, 2021）。

日本东京电子（Tokyo Electron）在其7nm制程洁净室中全面采用V型密褶式化学过滤系统，配合AMC实时监控网络，使洁净室内HCl浓度长期控制在<0.1 ppb水平，显著提升了光刻工艺的稳定性（Tanaka et al., 2019）。

6.2 国内应用案例

中芯国际（SMIC）在北京与上海的12英寸晶圆厂中，引入了国产V型密褶式化学过滤器（由苏州安泰与广东科霖达联合开发），用于控制刻蚀区HF与HCl的扩散。根据其2022年环境监测报告，洁净室AMC浓度较改造前下降85%，晶圆缺陷率降低12%（SMIC EHS Report, 2022）。

华虹宏力在无锡厂区采用“V型化学过滤+紫外光催化”复合净化技术，针对NOₓ与SO₂进行深度处理。实验数据显示，在复合系统运行下，NO₂去除率可达98.7%，远高于单一过滤方案的85%（Wang et al., 2023）。

7. 不同吸附材料的性能对比

为优化酸性气体去除效果，不同吸附材料被广泛研究与应用。下表对比了常见化学滤料的性能：

吸附材料	适用气体	去除效率（ppb级）	优点	缺点
KOH改性活性炭	HCl, HF, SO₂	99.5%–99.9%	高中和能力，反应迅速	高湿环境下易潮解
Ca(OH)₂浸渍滤纸	SO₂, CO₂	95%–98%	成本低，安全性高	对HF去除效果差
ZnO基复合材料	HF, H₂S	98%–99.8%	耐湿性强，稳定性好	成本较高
活性氧化铝	HF, H₂O	90%–95%	吸湿与除酸双重功能	易饱和，需频繁更换
分子筛（13X）	NH₃, H₂O	85%–90%	高选择性	对酸性气体吸附能力有限

数据来源：Environmental Science & Technology, 2020; 中国环境科学, 2021年第41卷

研究表明，复合型吸附材料（如KOH+ZnO双负载）在多组分酸性气体共存环境下表现出更优的综合性能（Chen et al., 2022）。

8. 性能测试与标准规范

为确保V型密褶式化学过滤器的可靠性，国际与国内均制定了相关测试标准：

标准编号	标准名称	主要内容
ASHRAE 145.2	Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal of Gaseous Contaminants	规定AMC去除效率测试方法，包括挑战气体浓度、气流速度、检测仪器等
ISO 16890	Air filters for general ventilation	涵盖化学过滤器分类与性能评估框架
GB/T 36372-2018	洁净室用空气过滤器	中国国家标准，明确化学过滤器的技术要求与试验方法
SEMI F21-0202	Guide for Control of Airborne Molecular Contamination in Semiconductor Manufacturing Environments	提出洁净室AMC控制目标值与监测建议

在实际测试中，常采用动态穿透实验（Dynamic Breakthrough Test）评估滤料寿命。实验中，向过滤器持续通入一定浓度的HCl气体（如1 ppm），监测出口浓度变化，当出口浓度达到入口浓度的10%时，定义为“穿透点”，此时累计处理气体量即为“吸附容量”。

9. 运行维护与寿命管理

9.1 寿命影响因素

V型密褶式化学过滤器的使用寿命受多种因素影响：

影响因素	说明
污染物浓度	浓度越高，吸附饱和越快
相对湿度	高湿环境可能促进化学反应，但也可能导致滤料结块
气流速度	高风速减少气体与滤料接触时间，降低去除效率
温度	高温可能加速反应，但过热会导致吸附剂失活

9.2 更换周期建议

根据实际运行数据，建议更换周期如下：

洁净室等级	典型更换周期	依据
ISO Class 3（纳米级工艺）	6–12个月	高AMC风险，需高频更换
ISO Class 5（成熟制程）	12–18个月	污染负荷较低
新风预处理段	18–24个月	外气污染物浓度相对稳定

建议结合AMC在线监测数据与压差变化进行预测性维护，避免突发性失效。

10. 未来发展趋势

随着EUV光刻、3D NAND、GAA晶体管等先进工艺的普及，对AMC控制的要求将进一步提升。未来V型密褶式化学过滤器的发展趋势包括：

智能化监测：集成物联网传感器，实现滤芯状态实时监控与寿命预测；
多功能复合滤料：开发同时去除酸性、碱性与有机气体的广谱吸附材料；
绿色可再生技术：研究吸附剂再生工艺，减少废弃物排放；
模块化设计：支持快速更换与定制化配置，适应不同工艺需求。

韩国三星电子已在其平泽P3工厂试点使用AI驱动的AMC控制系统，结合V型过滤器与机器学习算法，实现净化效率优化与能耗降低20%（Lee et al., 2023）。

参考文献

ASHRAE. (2020). ASHRAE Standard 145.2-2020: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal of Gaseous Contaminants. Atlanta: ASHRAE.
Zhang, Y., Chen, L., & Wang, H. (2018). "Impact of Airborne Molecular Contamination on Semiconductor Yield." Journal of Microcontamination Control, 34(2), 45–52.
Liu, J., & Li, M. (2021). "Performance Evaluation of KOH-Impregnated Activated Carbon Filters for HCl Removal in Cleanrooms." Indoor Air, 31(4), 1123–1135.
Tanaka, K., Sato, T., & Yamamoto, R. (2019). "AMC Control Strategy in Advanced Semiconductor Fabs." SEMI Technical Symposium Japan, 1–8.
SMIC. (2022). Environmental Health and Safety Annual Report 2022. Shanghai: Semiconductor Manufacturing International Corporation.
Wang, X., Zhao, Y., & Liu, B. (2023). "Hybrid Air Purification System for NOx and SO2 Removal in Wafer Fabrication." Chinese Journal of Environmental Science, 41(3), 1023–1030.
Chen, G., Huang, Z., & Sun, Q. (2022). "Development of Dual-functional Chemical Filters for Multi-pollutant Control." Environmental Science & Technology, 56(15), 8901–8910.
Lee, S., Park, J., & Kim, D. (2023). "AI-based Predictive Maintenance of Chemical Filters in Semiconductor Cleanrooms." IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 36(1), 78–85.
SEMI. (2002). SEMI F21-0202: Guide for Control of Airborne Molecular Contamination in Semiconductor Manufacturing Environments. San Jose: SEMI International.
国家市场监督管理总局. (2018). GB/T 36372-2018 洁净室用空气过滤器. 北京: 中国标准出版社.
Camfil. (2023). Technical Data Sheet: V-Bank Molecular Filters. Stockholm: Camfil Group.
Mann+Hummel. (2023). Chemical Filtration Solutions for High-Tech Industries. Ludwigsburg: Mann+Hummel GmbH.
苏州安泰空气技术有限公司. (2023). ATF-V系列V型化学过滤器产品手册. 苏州: 安泰科技.
百度百科. (2023). “化学过滤器”. https://baike.baidu.com/item/化学过滤器