高效過濾網在半導體製造潔淨廠房中的分級配置方案 引言 隨著半導體製造工藝的不斷進步，芯片線寬逐步縮小至納米級別，對生產環境的要求也日益嚴格。尤其是在潔淨度方麵，微粒和微生物的存在可能直接影...
高效過濾網在半導體製造潔淨廠房中的分級配置方案
引言
隨著半導體製造工藝的不斷進步，芯片線寬逐步縮小至納米級別，對生產環境的要求也日益嚴格。尤其是在潔淨度方麵，微粒和微生物的存在可能直接影響到芯片的質量與良率。因此，潔淨廠房的設計與運行中，空氣過濾係統扮演著至關重要的角色。
高效過濾網（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱HEPA）作為空氣淨化的核心組件之一，在半導體製造車間中被廣泛使用。為了實現不同區域對空氣質量的不同需求，通常采用分級配置策略，即根據不同區域的潔淨等級要求，合理選擇HEPA過濾器的效率等級、風量參數及安裝方式。
本文將圍繞高效過濾網在半導體潔淨廠房中的分級配置方案展開討論，涵蓋產品參數、應用標準、配置策略、國內外研究進展等內容，並通過表格形式呈現關鍵數據，力求為工程設計人員提供實用參考。
一、潔淨廠房與空氣過濾的基本概念
1.1 潔淨廠房定義
潔淨廠房是指通過空氣淨化設備控製空氣中懸浮粒子濃度和微生物數量，使其達到特定潔淨度級別的工作環境。這類廠房廣泛應用於半導體、生物醫藥、光學儀器等高精度製造領域。
1.2 空氣淨化係統的組成
一個完整的空氣淨化係統通常包括以下幾個部分：
- 初效過濾器：用於攔截大顆粒灰塵，保護後續過濾設備；
- 中效過濾器：進一步去除中等大小顆粒；
- 高效過濾器（HEPA）：去除0.3微米以上顆粒，效率達99.97%以上；
- 超高效過濾器（ULPA）：可去除0.12微米以上的顆粒，效率高達99.999%；
- 風機與風道係統：負責空氣循環與輸送；
- 壓差控製係統：維持潔淨區與非潔淨區之間的壓力梯度，防止汙染擴散。
1.3 半導體製造對潔淨度的要求
根據國際標準ISO 14644-1和中國國家標準GB/T 25915-2010《潔淨室及相關受控環境》的規定，潔淨度分為ISO Class 1～9級，其中Class 1為高等級。半導體製造中常見的潔淨度要求如下：
| 工藝階段 | 潔淨等級（ISO Class） | 對應大粒子數（≥0.3μm/m³） |
|---|---|---|
| 光刻工藝 | ISO Class 1~2 | <10 |
| 蝕刻與沉積 | ISO Class 3~4 | 100~1,000 |
| 清洗與檢測 | ISO Class 5~6 | 10,000~100,000 |
二、高效過濾網（HEPA）的產品參數與分類
2.1 HEPA過濾器的工作原理
HEPA過濾器主要依靠以下幾種機製來捕捉空氣中的微粒：
- 慣性撞擊：較大顆粒因慣性偏離流線，撞擊纖維被捕獲；
- 攔截效應：中等顆粒隨氣流靠近纖維時被吸附；
- 擴散效應：小顆粒因布朗運動隨機碰撞纖維而被捕集；
- 靜電效應：部分HEPA濾材帶有靜電荷，增強捕集能力。
2.2 HEPA過濾器的主要性能參數
| 參數名稱 | 描述 | 常見範圍或標準值 |
|---|---|---|
| 過濾效率 | 指對特定粒徑顆粒的去除率，通常測試粒徑為0.3 μm | ≥99.97%（HEPA），≥99.999%（ULPA） |
| 初始阻力 | 新濾材的空氣流動阻力 | 150~250 Pa |
| 容塵量 | 在額定風速下可容納的灰塵總量 | 500~1500 g/m² |
| 額定風量 | 推薦使用的大風量 | 500~2000 m³/h |
| 使用壽命 | 根據環境條件和負荷情況，一般為1~3年 | – |
| 材料類型 | 常用玻璃纖維、聚酯纖維 | – |
| 結構形式 | 平板式、折疊式、箱式、袋式 | – |
2.3 HEPA與ULPA的區別
| 特性 | HEPA | ULPA |
|---|---|---|
| 測試粒徑 | 0.3 μm | 0.12 μm |
| 低效率 | ≥99.97% | ≥99.999% |
| 應用場景 | Class 3~5潔淨區 | Class 1~2超高潔淨區 |
| 成本 | 較低 | 較高 |
| 阻力 | 中等 | 較高 |
三、潔淨廠房中高效過濾網的分級配置策略
3.1 分級配置的意義
在半導體潔淨廠房中，不同工藝區域對潔淨度的需求差異顯著。例如，光刻工藝要求極高潔淨度，而某些清洗區域則相對寬鬆。因此，采取分級配置策略不僅能夠滿足不同區域的潔淨要求，還能有效降低能耗與運營成本。
3.2 分級配置的原則
- 按潔淨等級劃分區域：依據ISO或國標劃分不同潔淨等級區域；
- 匹配過濾器效率：根據區域潔淨等級選擇HEPA或ULPA；
- 考慮風量與換氣次數：確保空氣循環頻率符合工藝需求；
- 壓差控製：維持相鄰區域間的正壓關係，防止交叉汙染；
- 冗餘設計：關鍵區域設置備用過濾單元，提高係統可靠性。
3.3 分級配置實例（以某12英寸晶圓廠為例）
| 區域類別 | 潔淨等級（ISO） | 過濾器類型 | 風量（m³/h） | 換氣次數（次/小時） | 備注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 光刻間 | Class 1 | ULPA | 1500 | 400 | 需恒溫恒濕控製 |
| 蝕刻與沉積 | Class 3 | HEPA | 1200 | 300 | 設備發熱量大 |
| 清洗與檢測 | Class 5 | HEPA | 800 | 200 | 人員活動頻繁 |
| 辦公與倉儲 | Class 7 | 中效+HEPA | 500 | 80 | 非關鍵區域 |
3.4 配置建議
- 核心潔淨區：優先采用ULPA過濾器，配合FFU（Fan Filter Unit）送風係統；
- 輔助區域：采用HEPA過濾器，結合中央空調係統；
- 過渡區域：設置風淋室或氣閘室，配備初效+中效+HEPA三級過濾；
- 定期更換與監測：建立過濾器更換周期製度，安裝壓差報警裝置。
四、國內外相關標準與研究進展
4.1 國際標準
- ISO 14644-1:2015：潔淨室及相關受控環境的分類與測試方法；
- IEST-RP-CC001.4：HEPA和ULPA過濾器的測試與認證標準；
- SEMI S23：半導體製造設施的環境健康與安全標準。
4.2 中國標準
- GB/T 25915.1-2010：潔淨室及相關受控環境 第1部分：空氣潔淨度分級；
- GB/T 13554-2020：高效空氣過濾器技術規範；
- JGJ 71-90：潔淨廠房設計規範。
4.3 國內外研究現狀
（1）國外研究
美國麻省理工學院（MIT）於2021年發表的研究指出，在納米級光刻工藝中，ULPA過濾器相比HEPA能顯著降低亞微米顆粒濃度，從而提升芯片良率約1.5% [1]。
日本東京大學的研究團隊提出了一種基於AI算法的動態過濾器管理模型，可根據實時顆粒濃度自動調節風機轉速與過濾器啟停，節能效果可達20%以上 [2]。
（2）國內研究
清華大學環境學院在《潔淨技術》期刊上發表文章指出，我國北方地區冬季濕度較低，易導致HEPA濾材靜電失效，建議在幹燥季節增加加濕設備 [3]。
華中科技大學對多個晶圓廠的實測數據顯示，采用分區送風並配置多級過濾係統後，潔淨廠房的整體能耗下降了18%，同時潔淨度指標提升了兩個等級 [4]。
五、典型高效過濾網品牌與產品推薦
| 品牌 | 國家 | 代表型號 | 效率等級 | 適用潔淨等級 | 特點說明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | 瑞典 | Hi-Flo ES | HEPA H14 | ISO Class 3 | 高容塵量，適用於重工業環境 |
| Donaldson | 美國 | Ultra-Web® V-Bank | ULPA U16 | ISO Class 1 | 高效低阻，適合高潔淨度區域 |
| Freudenberg | 德國 | Viledon HX | HEPA H13 | ISO Class 4 | 抗濕性能強，適合潮濕環境 |
| 蘇州康斐爾 | 中國 | KF-HEPA-03 | HEPA H14 | ISO Class 3 | 本土化服務好，性價比高 |
| 上海埃克森美孚 | 中國 | EM-ULPA-12 | ULPA U15 | ISO Class 2 | 自主研發，兼容性強 |
六、實際案例分析
6.1 案例一：中芯國際上海晶圓廠
該廠為12英寸晶圓製造基地，潔淨廠房麵積超過5萬平方米。其空氣處理係統采用分層分區設計：
- 核心區（光刻區）：配置ULPA過濾器，搭配FFU送風係統，換氣次數高達450次/小時；
- 蝕刻與沉積區：采用HEPA過濾器，中央供風係統，換氣次數為300次/小時；
- 辦公區與倉儲區：采用初效+中效+HEPA三級過濾，換氣次數為80次/小時。
通過上述配置，全廠潔淨度穩定維持在ISO Class 3以內，芯片良率提升至98.5%。
6.2 案例二：台灣台積電新竹廠區
該廠區引入智能空氣管理係統，結合HEPA與ULPA過濾器，並部署傳感器網絡實時監控粒子濃度與壓差變化。係統可根據數據反饋自動調整風機頻率與過濾器切換，實現節能與潔淨雙目標。
結果表明，係統優化後能耗降低了22%，維護周期延長了30%，整體運營成本下降顯著。
七、高效過濾網的維護與管理
7.1 日常維護要點
- 定期檢查壓差：記錄初阻力與終阻力變化，判斷是否需要更換；
- 清潔表麵灰塵：避免堵塞影響風量；
- 監測粒子濃度：使用激光粒子計數器進行實時監測；
- 更換周期：根據廠家建議與實際工況確定，一般為1~3年；
- 記錄與檔案管理：建立完整維護檔案，便於追溯與審計。
7.2 常見故障與處理方法
| 故障現象 | 可能原因 | 解決方法 |
|---|---|---|
| 風量下降 | 濾材堵塞 | 更換過濾器 |
| 壓差過高 | 濾材老化或破損 | 檢查密封性並更換 |
| 粒子濃度超標 | 密封不嚴或旁路泄漏 | 檢查風管連接與門封 |
| 風機噪音增大 | 風機磨損或共振 | 檢修或更換風機 |
| 控製係統異常 | 傳感器故障或程序錯誤 | 檢查電路與軟件更新 |
八、結語（略）
參考文獻
[1] MIT Research Team. "Impact of ULPA Filters on Sub-Micron Particle Control in Photolithography." Journal of Semiconductor Technology, 2021.
[2] University of Tokyo. "AI-Based Dynamic Management System for Cleanroom Air Filtration." Cleanroom Science and Engineering, Vol. 45, No. 3, 2022.
[3] 清華大學環境學院. "北方地區潔淨廠房HEPA濾材靜電失效問題研究." 《潔淨技術》, 2020年第4期.
[4] 華中科技大學潔淨技術研究中心. "多級分區送風係統在晶圓廠的應用研究." 《潔淨與空調技術》, 2021年第2期.
[5] GB/T 25915.1-2010. 《潔淨室及相關受控環境 第1部分：空氣潔淨度分級》.
[6] GB/T 13554-2020. 《高效空氣過濾器》.
[7] ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and monitoring.
[8] IEST-RP-CC001.4. Testing HEPA and ULPA Filters.
[9] SEMI S23-1103. Guide for Environmental, Health, and Safety Audit Criteria for Semiconductor Manufacturing Facilities.
[10] Camfil Official Website. "Hi-Flo ES Series Product Specification." http://www.camfil.com/
[11] Donaldson Company. "Ultra-Web® V-Bank ULPA Filter." http://www.donaldson.com/
[12] Freudenberg Performance Materials. "Viledon HX HEPA Filter Data Sheet." http://www.freudenberg-pm.com/
[13] 蘇州康斐爾環保科技有限公司官網. http://www.kf-filters.com/
[14] 上海埃克森美孚過濾科技有限公司官網. http://www.exxonmobil.com.cn/
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