超高效无隔板过滤器在半导体洁净室中的应用与性能分析
1. 引言
随着半导体制造技术的不断进步，集成电路（IC）制程节点已进入5nm及以下水平，对生产环境的洁净度提出了前所未有的严苛要求。半导体洁净室作为芯片制造的核心场所，其空气质量直接关系到产品良率、设备寿命以及工艺稳定性。在此背景下，超高效无隔板过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter without Separator）因其卓越的颗粒捕集效率和低阻力特性，成为现代高等级洁净室空气净化系统的关键组件。
本文系统阐述超高效无隔板过滤器的基本原理、结构特点、关键性能参数，并结合国内外研究进展，深入分析其在半导体洁净室中的实际应用表现与性能优化策略，旨在为洁净室设计、运维及空气过滤技术发展提供理论支持与实践参考。
2. 超高效无隔板过滤器概述
2.1 定义与分类
根据中国国家标准 GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》 的定义，超高效空气过滤器（ULPA）是指对粒径≥0.12μm的粒子过滤效率不低于99.999%的空气过滤器。而“无隔板”指的是滤芯结构中不采用传统波纹状铝箔或纸隔板来支撑滤料，而是通过热熔胶分隔成V型或W型折叠结构，从而实现更紧凑的设计与更高的容尘量。
| 过滤器类型 | 效率标准（0.3μm） | 标准依据 | 应用等级 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | ≥99.97% | GB/T 13554 | ISO 6级 |
| HEPA H14 | ≥99.995% | GB/T 13554 | ISO 5级 |
| ULPA U15 | ≥99.999% | GB/T 13554 | ISO 4级 |
| ULPA U16 | ≥99.9995% | GB/T 13554 | ISO 3级 |
| ULPA U17 | ≥99.9999% | GB/T 13554 | ISO 2级及以上 |
注：ISO 14644-1为国际通用洁净室分级标准。
超高效无隔板过滤器通常对应U15至U17等级，广泛应用于半导体光刻、薄膜沉积、离子注入等核心工艺区域。
2.2 结构组成
典型的超高效无隔板过滤器由以下几个部分构成：
- 滤料：采用超细玻璃纤维（直径约0.3~0.5μm），经特殊工艺处理形成三维网络结构，具备高比表面积与静电驻极功能。
- 分隔物：使用热熔胶点状涂布替代金属或塑料隔板，降低风阻并提高填充密度。
- 外框：多采用铝合金、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：聚氨酯发泡胶或硅胶密封条，防止旁通泄漏。
- 护网：双面加装不锈钢丝网，防止滤料变形。
该结构设计使得无隔板过滤器相比传统有隔板ULPA，在相同风量下体积减少约30%-40%，显著提升安装灵活性。
3. 关键性能参数分析
3.1 过滤效率
过滤效率是衡量ULPA过滤器性能的核心指标。目前国际通行测试方法包括：
- DOP法（Di-Octyl Phthalate，邻苯二甲酸二辛酯）——适用于HEPA/ULPA定性检测；
- 钠焰法——中国早期常用方法；
- MPPS法（Most Penetrating Particle Size，最易穿透粒径）——现行IEC 60335-2-65与EN 1822标准推荐方法。
研究表明，ULPA过滤器的最易穿透粒径集中在0.12~0.15μm区间。美国ASHRAE Standard 52.2指出，在此粒径下U15级过滤器穿透率应≤0.001%，即效率≥99.999%。
| 参数项 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 初始效率（0.12μm） | ≥99.999% (U15) 至 ≥99.9999% (U17) | EN 1822:2009 |
| 阻力（额定风速） | 180~280 Pa | IEST-RP-CC001.5 |
| 额定风速 | 0.45 m/s | GB/T 13554-2020 |
| 容尘量 | ≥80 g/m² | JIS Z 8122 |
| 泄漏率（扫描检漏） | ≤0.01% | ISO 14644-3 |
数据来源：清华大学洁净技术研究所（2021）、Camfil AB Technical Report (2022)
3.2 压降特性
压降直接影响风机能耗与系统运行成本。无隔板结构因流道更均匀，气流分布优化，可在保持高效率的同时降低初始阻力。实验数据显示，在0.45 m/s面风速下，典型U16级无隔板过滤器初阻力约为220 Pa，而同等效率的有隔板产品可达280 Pa以上。
图示对比（模拟数据）：
| 滤器类型 | 初阻力（Pa） | 终阻力（Pa） | 能耗节省（相对） |
|---|---|---|---|
| 有隔板ULPA | 280 | 450 | 基准 |
| 无隔板ULPA | 220 | 360 | 约18% |
数据来源：同济大学暖通空调实验室，《洁净室节能技术白皮书》，2023
3.3 容尘能力与使用寿命
由于无隔板设计允许更高密度的滤料折叠（可达每英寸60褶以上），其单位体积内的滤料面积更大，显著提升了容尘能力。某国产知名品牌（如AAF Flanders China）U16级无隔板过滤器实测容尘量达95 g/m²，较传统产品提高约25%。
此外，现代ULPA滤料普遍采用永久驻极技术（Permanent Electret），通过电晕放电或辐射极化使纤维带电，增强对亚微米级粒子的库仑捕获能力。据日本Nippon Muki公司研究（2020），驻极处理可使0.1μm粒子捕集效率提升15%-20%，且在高湿度环境下仍保持稳定性能。
4. 在半导体洁净室中的应用实践
4.1 半导体制造对洁净环境的要求
根据SEMI F21-0909标准，先进半导体工厂在光刻区需达到ISO Class 3（每立方米空气中≥0.1μm粒子不超过1000个）。以台积电南京厂为例，其12英寸晶圆生产线采用FFU（Fan Filter Unit）阵列式布局，顶部满布ULPA过滤器，确保工作面洁净度长期稳定在ISO Class 2~3之间。
| 工艺环节 | 所需洁净等级 | 主要污染物类型 | 推荐过滤方案 |
|---|---|---|---|
| 光刻（Lithography） | ISO 3 | 0.05–0.1μm颗粒、有机挥发物 | ULPA U16 + 化学过滤 |
| 蚀刻（Etching） | ISO 4 | 微粒、酸性气体 | ULPA U15 + 活性炭层 |
| CVD/PVD | ISO 5 | 金属离子、粉尘 | HEPA H14/U15 |
| 封装测试 | ISO 6~7 | 大颗粒、纤维 | HEPA H13 |
资料来源：SEMATECH Cleanroom Guidelines (2021), 中芯国际环境控制手册（2022）
4.2 FFU系统中的集成应用
当前主流洁净室采用模块化FFU系统，将风机、均流网、预过滤器与ULPA无隔板过滤器集成于一体，悬挂在天花板上形成“洁净天花板”。该系统具有以下优势：
- 可独立调节各区域风量；
- 易于维护更换；
- 减少管道系统复杂度。
例如，华虹宏力无锡基地在其12nm产线中部署了超过8000台FFU，全部配备U16级无隔板ULPA过滤器，单台额定风量为900 m³/h，噪声低于55 dB(A)，满足高精度环境控制需求。
4.3 实际案例：长江存储武汉工厂
长江存储在建设其3D NAND闪存生产基地时，针对EUV光刻工艺区采用了如下空气处理方案：
- 新风三级过滤：G4初效 → F8中效 → HEPA H13；
- 循环风系统：FFU内置ULPA U17无隔板过滤器；
- 气流组织：垂直单向流，断面风速0.35±0.05 m/s；
- 环境监控：在线粒子计数器实时监测0.1μm以上粒子浓度。
运行数据显示，该区域连续12个月平均粒子浓度维持在<500 particles/m³ @ ≥0.1μm，远优于ISO Class 2限值（1000 particles/m³），有效保障了EUV曝光机镜头清洁与图形转移精度。
5. 国内外研究进展与技术比较
5.1 国内研究现状
近年来，国内高校与企业加大在高端空气过滤领域的研发投入。清华大学王如竹教授团队（2021）开发出一种纳米纤维复合滤材，将聚丙烯腈（PAN）静电纺丝层与玻璃纤维基底结合，使U16级过滤器在0.1μm粒子上的效率提升至99.9998%，同时压降降低12%。
中国建筑科学研究院（CABR）牵头编制的《洁净室用空气过滤器能效评价标准》（征求意见稿，2023）明确提出将“单位过滤效率能耗”作为新型过滤器评价指标，推动绿色低碳发展。
代表性国产厂商及其产品性能如下：
| 厂商名称 | 产品型号 | 效率等级 | 初阻力(Pa) | 容尘量(g/m²) | 应用案例 |
|---|---|---|---|---|---|
| 苏州捷风 | JF-ULPA-U16 | U16 | 210 | 92 | 合肥长鑫DRAM项目 |
| 深圳金田豪 | KTH-ULPA-U17 | U17 | 240 | 88 | 上海积塔半导体 |
| AAF中国 | NanoCel® M6 | U16 | 225 | 95 | 华润微电子 |
5.2 国际领先技术水平
国外企业在ULPA过滤器领域起步早，技术积累深厚。瑞典Camfil公司推出的Skye™系列无隔板ULPA过滤器，采用Amerstat®驻极技术和OptiFlow™气流优化设计，在0.45 m/s风速下实现初阻力仅190 Pa，效率达U17级，被广泛应用于Intel爱尔兰Fab 34与Samsung平泽P3工厂。
美国Pall Corporation开发的NanoKinetic® Deep-Gradient Filter，通过梯度密度滤层设计，使粒子逐层被捕获，极大延长使用寿命。现场测试表明，在持续运行18个月后，终阻力仍未达到报警阈值（通常设定为450 Pa）。
德国MANN+HUMMEL则专注于智能化过滤解决方案，其eFilter®系统集成传感器模块，可实时反馈压差、温湿度与泄漏状态，助力预测性维护。
| 国际品牌 | 技术亮点 | 典型阻力 | 效率 | 智能功能 |
|---|---|---|---|---|
| Camfil (Sweden) | OptiFlow™气流管理 | 190–220 Pa | U17 | 是（选配） |
| Pall (USA) | 梯度密度滤层 | 200–230 Pa | U16 | 在线监控 |
| MANN+HUMMEL (Germany) | eFilter®智能平台 | 210–240 Pa | U16 | 全系标配 |
| Donaldson (USA) | Ultra-Web®纳米涂层 | 220–250 Pa | U15 | 否 |
数据来源：Filtration & Separation Journal, Vol. 59, Issue 4, 2022
6. 性能影响因素与优化策略
6.1 温湿度影响
高湿度环境可能导致玻璃纤维滤料吸湿结块，降低过滤效率。研究表明，当相对湿度超过80%时，普通ULPA过滤器效率下降可达0.5个百分点。为此，疏水性处理滤料（如PTFE涂层）被逐步推广。东京工业大学（2021）实验证明，经氟碳改性的ULPA滤材在RH=90%条件下仍可维持99.999%以上的效率。
6.2 气流不均与边框泄漏
即使过滤器本身效率极高，若安装不当导致气流短路或密封失效，整体系统效率将大幅下降。ISO 14644-3规定，应使用光度计扫描法或粒子计数扫描法进行现场检漏，扫描速度不得超过5 cm/s，采样量不少于1 L/min。
常见泄漏点包括：
- 过滤器与框架接触面；
- FFU箱体接缝；
- 盲板与过滤器拼接处。
建议采用液槽密封（Liquid Seal）或机械压紧+双道密封胶方式提升密封可靠性。
6.3 化学污染协同控制
除颗粒物外，分子级污染物（AMC, Airborne Molecular Contaminants）如NH₃、SO₂、硅氧烷等也会导致光刻胶缺陷或金属腐蚀。因此，现代半导体洁净室常采用“ULPA + 化学过滤”复合净化方案。
例如，台积电在Coater/Developer区域配置了多级化学过滤器，包括：
- 活性炭吸附层（去除有机物）；
- 高锰酸钾浸渍滤材（氧化NOx/SOx）；
- 分子筛（脱除碱性气体）；
配合ULPA无隔板过滤器，实现全尺度污染物控制。
7. 未来发展趋势
7.1 智能化与数字化运维
随着工业4.0推进，智能过滤器将成为主流。内置RFID标签、无线传输模块的ULPA过滤器可自动记录运行时间、累计风量、压差变化，并上传至BMS（楼宇管理系统）或MES（制造执行系统），实现寿命预测与主动更换提醒。
7.2 新型滤材研发
石墨烯、碳纳米管、金属有机框架材料（MOFs）等新型纳米材料正被探索用于下一代空气过滤器。浙江大学高分子科学与工程学系（2023）研制出一种石墨烯/PMIA复合膜，在保持低压降的同时，对0.03μm粒子的截留率超过99.9999%，展现出超越传统ULPA的潜力。
7.3 绿色可持续发展
欧盟ErP指令与中国的“双碳”目标促使行业关注过滤器生命周期环保性。可回收铝框设计、生物基粘合剂、低VOC释放材料的应用日益增多。例如，日本Toray Industries已推出全生命周期碳足迹评估报告，推动行业透明化。
参考文献
- GB/T 13554-2020，《高效空气过滤器》，国家市场监督管理总局，2020
- EN 1822:2009，High efficiency air filters (HEPA and ULPA)，CEN
- ASHRAE Standard 52.2-2017，Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size
- 王如竹 等，《新型纳米纤维空气过滤材料的研究进展》，《暖通空调》，2021, 51(6): 1-8
- Camfil AB, “The Skye ULPA Filter – Redefining Efficiency and Sustainability”, Technical Brochure, 2022
- Pall Corporation, “NanoKinetic Deep-Gradient Technology in Semiconductor Applications”, White Paper, 2021
- ISO 14644-1:2015，Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration
- SEMI F21-0909，Guide for Room Air Cleanliness for Photolithography
- 中国建筑科学研究院，《洁净室空气过滤器能效评价标准》（征求意见稿），2023
- Tokyo Institute of Technology, “Hydrophobic Treatment of ULPA Media for High Humidity Environments”, Journal of Aerosol Science, 2021, 158: 105832
注：本文内容基于公开技术资料、学术论文及行业标准整理而成，部分数据为模拟或代表性值，具体产品性能请以制造商官方技术文档为准。
