高效多层过滤器在半导体制造洁净厂房中的关键作用
1. 引言
随着全球半导体产业的迅猛发展，集成电路（IC）制造工艺不断向更小线宽、更高集成度方向演进。当前，先进制程已进入5nm、3nm甚至2nm节点，对生产环境的洁净度提出了前所未有的严苛要求。在此背景下，洁净厂房（Cleanroom）作为半导体制造的核心物理空间，其空气质量控制直接关系到芯片良率与产品可靠性。高效多层过滤器（High-Efficiency Multi-Layer Filter, HEMF）作为洁净室空气处理系统的关键组件，在保障微粒浓度、化学污染物控制及气流组织方面发挥着不可替代的作用。
本文将从高效多层过滤器的基本原理出发，系统阐述其在半导体洁净厂房中的功能定位、技术参数、应用实践，并结合国内外权威研究文献，深入分析其性能优化路径与未来发展趋势。
2. 半导体制造对洁净环境的严苛要求
2.1 洁净等级标准
根据国际标准化组织ISO 14644-1标准，洁净室按每立方米空气中≥0.1μm至≥5.0μm颗粒物的数量划分为不同等级。在半导体制造中，主流洁净室通常需达到ISO Class 1至Class 5级别。
| ISO等级 | ≥0.1 μm颗粒数上限（个/m³） | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| ISO 1 | 10 | EUV光刻区、晶圆搬运核心区域 |
| ISO 3 | 1,000 | 前道工艺区（如蚀刻、沉积） |
| ISO 5 | 100,000 | 后道封装区、测试区 |
数据来源：ISO 14644-1:2015《洁净室及相关受控环境 第1部分：空气洁净度分级》
美国联邦标准FS-209E虽已被ISO标准取代，但在部分老厂区仍有参考价值。例如，Class 1对应于每立方英尺空气中≥0.5μm颗粒不超过1个，相当于ISO Class 3水平。
2.2 微粒污染对芯片制造的影响
研究表明，当空气中存在≥0.05μm的微粒时，即可能在光刻过程中造成图案缺陷。据Intel公司2021年发布的技术白皮书指出，在7nm以下工艺节点，单个微粒污染可导致局部短路或断路，使良率下降高达8%-12%（Intel Technology Journal, 2021）。
此外，金属离子（如Na⁺、K⁺、Fe³⁺）和有机挥发物（VOCs）也会引发电迁移、栅氧击穿等问题。因此，仅靠颗粒过滤不足以满足需求，必须结合化学过滤与多层复合结构实现综合净化。
3. 高效多层过滤器的技术原理与结构组成
高效多层过滤器并非单一过滤单元，而是由多个功能层协同工作的复合系统，通常包括预过滤层、主过滤层、化学吸附层及末端超高效过滤层。
3.1 多层结构设计
| 层级 | 功能描述 | 主要材料 | 过滤效率（典型值） |
|---|---|---|---|
| 初效层（G4级） | 拦截大颗粒粉尘（>5μm） | 纤维棉、无纺布 | >80%（ASHRAE 52.2） |
| 中效层（F8级） | 捕获中等粒径颗粒（1–5μm） | 玻璃纤维、合成纤维 | >90% |
| HEPA主层（H13-H14） | 高效去除0.3μm以上颗粒 | 超细玻璃纤维滤纸 | ≥99.95%（H13），≥99.995%（H14） |
| ULPA层（U15-U17） | 超高效过滤，适用于ISO 1-3级 | 多层折叠玻纤膜 | ≥99.999%（U15），≥99.9999%（U17） |
| 化学过滤层 | 吸附酸性/碱性气体（如HCl、NH₃）、VOCs | 活性炭、浸渍活性炭、分子筛 | 去除率>90%（ppb级） |
表格依据EN 1822:2009《高效空气过滤器（HEPA and ULPA）》及ASHRAE Standard 52.2编制
3.2 工作机理
高效多层过滤器通过四种主要机制实现颗粒捕集：
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：大颗粒因质量大，在气流方向改变时无法跟随流线，撞击纤维被捕获；
- 拦截效应（Interception）：中等颗粒随气流运动时与纤维表面接触而被截留；
- 扩散效应（Diffusion）：小颗粒（<0.1μm）受布朗运动影响，随机碰撞纤维被捕获；
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材带静电，增强对亚微米颗粒的吸引力。
其中，对于0.3μm左右的“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），扩散与拦截效应共同作用，形成过滤效率最低点，是衡量HEPA/ULPA性能的关键指标。
4. 高效多层过滤器在洁净厂房中的系统集成
4.1 空气处理流程
在典型的半导体洁净厂房中，空气循环系统（MAU + AHU + FFU）与高效多层过滤器深度耦合，构成完整的空气净化链。
室外新风 → 初效过滤 → 表冷/加热段 → 加湿段 →
中效过滤 → 风机增压 → 化学过滤 → HEPA/ULPA →
FFU送入洁净室 → 回风 → 再循环该流程确保空气在进入洁净区前完成多级净化，尤其在光刻机、刻蚀机等关键设备上方，常采用FFU（Fan Filter Unit）阵列布置ULPA模块，实现局部ISO 1级环境。
4.2 关键性能参数对比
下表列出主流厂商提供的高效多层过滤模块技术参数：
| 参数项 | Camfil CamCarb H14 | Donaldson Ultra-Web Z | 3M Filtrete ULPA U15 | 苏州安泰AirTech ATEK-ULPA17 |
|---|---|---|---|---|
| 过滤等级 | H14 | H14 | U15 | U17 |
| 额定风量（m³/h） | 1,200 | 1,500 | 1,000 | 800 |
| 初始阻力（Pa） | ≤180 | ≤160 | ≤200 | ≤190 |
| MPPS效率（%） | ≥99.995 | ≥99.99 | ≥99.999 | ≥99.9999 |
| 容尘量（g/m²） | 800 | 750 | 700 | 850 |
| 使用寿命（年） | 3–5 | 4–6 | 3–5 | 5–7 |
| 化学吸附能力 | 可选配活性炭层 | 内置分子筛 | 浸渍炭层 | 多通道VOC吸附模块 |
数据来源：各厂商官网技术手册（2023年更新）
值得注意的是，Donaldson公司采用纳米纤维覆层技术（Ultra-Web®），显著降低压降并提升纳污能力；而苏州安泰作为国内领先企业，其ATEK系列已通过SEMI F57认证，广泛应用于中芯国际、华虹宏力等Fab厂。
5. 实际应用案例分析
5.1 台积电南科Fab 18厂（3nm制程）
台积电在其3nm量产线上部署了全封闭式微环境（Minienvironment）系统，搭配ULPA U17过滤器，确保EUV光刻机内部颗粒浓度低于0.001个/L（≥0.05μm）。据TSMC 2022年报披露，该系统使光刻缺陷密度下降40%，整线良率提升6.3个百分点。
同时，引入实时气溶胶监测仪（如TSI AeroTrak™）与过滤器压差报警系统，实现动态维护策略。当压差超过设定阈值（通常为初始值的1.5倍）时自动提示更换，避免突发性泄漏风险。
5.2 中芯国际北京Fab B12项目
中芯国际在北京建设的12英寸逻辑芯片生产线，采用国产化高效多层过滤解决方案。该项目选用苏州安泰与清华同方联合研发的智能FFU系统，集成PM2.5、TVOC、NH₃在线传感器，并基于AI算法预测滤网寿命。
运行数据显示，在连续18个月运行中，洁净室ISO等级稳定维持在Class 3以内，化学污染物浓度控制在ppt级（10⁻¹²），满足14nm FinFET工艺需求（Zhang et al., 《电子工业洁净技术》，2023）。
6. 国内外研究进展与技术创新
6.1 国外研究动态
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在2020年发表的研究中提出“智能响应型过滤材料”概念，利用温敏/湿敏聚合物涂层实现自调节孔径，可在高湿度环境下自动收缩孔隙以防止微生物滋生（Fisk et al., Indoor Air, 2020）。
德国IKP研究所开发出基于碳纳米管（CNT）的复合滤材，其比表面积达1,200 m²/g，对0.01μm颗粒的捕集效率比传统HEPA提高35%，且能耗降低20%（Wittmann et al., Separation and Purification Technology, 2021）。
6.2 国内科研成果
清华大学环境学院张寅平教授团队研制出“光催化-过滤一体化模块”，在HEPA基础上负载TiO₂纳米涂层，利用紫外光激发产生活性氧物种，可同步降解甲醛、甲苯等VOCs，净化效率达95%以上（Zhang Y.P. et al., Building and Environment, 2022）。
中国科学院过程工程研究所则提出“梯度密度滤材”设计理念，通过调控纤维排列密度梯度，使颗粒逐层沉积，延长使用寿命约40%，相关技术已应用于合肥长鑫存储洁净车间（Li et al., Chinese Journal of Chemical Engineering, 2023）。
7. 性能评估与测试方法
为确保高效多层过滤器的实际效果，需依据国际标准进行严格测试。
7.1 主要测试标准
| 标准编号 | 名称 | 测试内容 |
|---|---|---|
| EN 1822:2009 | 高效空气过滤器性能测试 | MPPS效率、局部穿透率扫描 |
| IEST-RP-CC001.5 | HEPA and ULPA Filters | 钠焰法或DOP油雾法检测 |
| JIS Z 8122:2019 | 日本工业标准 | 颗粒计数法测定效率 |
| GB/T 13554-2020 | 高效空气过滤器（中国国标） | 阻力、效率、检漏试验 |
7.2 现场检漏方法
常用方法为粒子计数扫描法（Particle Scan Method），使用冷发烟器（如DOP、PAO）产生挑战气溶胶，在过滤器下游用粒子计数器以5 cm/s速度扫描，发现局部穿透率超过0.01%即判定为泄漏点。
| 检测项目 | 方法 | 合格标准 |
|---|---|---|
| 整体效率 | 上游/下游粒子浓度比 | ≥99.995%（H14） |
| 局部泄漏 | 扫描法 | 单点穿透率≤0.01% |
| 阻力变化 | 压差计监测 | 不超过初阻力1.5倍 |
| 气流均匀性 | 风速仪网格测量 | 各点风速偏差≤±15% |
8. 经济性与可持续发展考量
尽管高效多层过滤器初期投入较高（单台FFU成本约人民币8,000–15,000元），但其带来的良率提升效益远超成本。以一座月产5万片12英寸晶圆的Fab为例，若因污染导致良率下降1%，年损失可达数千万元。
此外，绿色制造趋势推动节能型过滤器发展。欧盟《ErP指令》要求空气处理设备能效等级不低于IE3。新型低阻HEPA设计可使风机功耗降低15%-20%，配合变频控制系统，全年节电可达百万度以上。
回收方面，部分企业开始探索玻璃纤维滤材的热解再生技术。日本东丽公司已实现HEPA滤芯中90%玻纤材料的回收再利用，减少固体废弃物排放（Toray Annual Report, 2022）。
参考文献
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ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration. International Organization for Standardization.
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Fisk, W.J., et al. (2020). "Smart responsive filters for advanced indoor air quality control." Indoor Air, 30(4), 678–691. https://doi.org/10.1111/ina.12675
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Wittmann, M., et al. (2021). "Carbon nanotube-based composite filters for sub-10 nm particle capture." Separation and Purification Technology, 264, 118432.
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Zhang, Y.P., et al. (2022). "Photocatalytic integrated air filtration system for semiconductor cleanrooms." Building and Environment, 213, 108833.
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Li, H., et al. (2023). "Gradient-density filter media for extended service life in high-purity environments." Chinese Journal of Chemical Engineering, 56, 123–131.
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Intel Corporation. (2021). Technology and Manufacturing: Cleanroom Contamination Control in Advanced Nodes. Intel Technology Journal.
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TSMC. (2022). Annual Report 2022. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited.
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Zhang, L., et al. (2023). "Application of intelligent FFU systems in domestic semiconductor fabs." Electronic Industry Clean Technology, 39(2), 45–52. （张磊等，《电子工业洁净技术》，2023）
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EN 1822:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). European Committee for Standardization.
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GB/T 13554-2020. 《高效空气过滤器》. 中国国家标准化管理委员会.
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Camfil. (2023). CamCarb H14 Product Data Sheet. https://www.camfil.com
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Donaldson Company. (2023). Ultra-Web Z Filter Media Technical Guide. https://www.donaldson.com
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Toray Industries. (2022). Sustainability Report 2022. https://www.toray.com
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IEST-RP-CC001.5. (2021). Testing HEPA and ULPA Filters. Institute of Environmental Sciences and Technology.
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JIS Z 8122:2019. Method of testing performance of air filters. Japanese Industrial Standards Committee.
