V型密褶式化學過濾器在半導體潔淨室中的酸性氣體去除應用 1. 引言 隨著半導體製造工藝的不斷進步，製程節點已進入納米級，對生產環境的潔淨度要求達到了前所未有的高度。在半導體潔淨室中，不僅需要控...
V型密褶式化學過濾器在半導體潔淨室中的酸性氣體去除應用
1. 引言
隨著半導體製造工藝的不斷進步，製程節點已進入納米級，對生產環境的潔淨度要求達到了前所未有的高度。在半導體潔淨室中，不僅需要控製顆粒物濃度，還需嚴格控製氣態汙染物（Airborne Molecular Contaminants, AMC），尤其是酸性氣體如氯化氫（HCl）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）、氟化氫（HF）等。這些酸性氣體即使在ppb（十億分之一）濃度下，也可能導致晶圓表麵腐蝕、金屬互連層氧化、光刻膠性能退化等嚴重問題，進而影響良率與器件可靠性。
為應對這一挑戰，V型密褶式化學過濾器（V-Bank Chemical Filter）因其高容塵量、低風阻、高去除效率等優勢，已成為高端半導體潔淨室AMC控製的核心設備之一。本文將係統闡述V型密褶式化學過濾器的結構原理、關鍵性能參數、在酸性氣體去除中的具體應用，並結合國內外研究進展，深入分析其在半導體製造環境中的技術優勢與實際效果。
2. V型密褶式化學過濾器的結構與工作原理
2.1 結構組成
V型密褶式化學過濾器采用“V”字形排列的濾芯結構，由多個密褶式濾料單元組成，形成較大的有效過濾麵積。其主要組成部分包括：
- 濾料基材：通常采用玻璃纖維或聚酯無紡布作為支撐材料；
- 活性吸附材料：負載堿性或中性化學吸附劑，如氫氧化鉀（KOH）、碳酸鈣（CaCO₃）、氧化鋅（ZnO）、活性炭改性材料等，用於中和或吸附酸性氣體；
- 框架結構：采用鍍鋅鋼板或不鏽鋼材質，確保結構強度與耐腐蝕性；
- 密封材料：使用聚氨酯或矽膠密封條，防止旁通泄漏。
2.2 工作原理
V型密褶式化學過濾器通過物理吸附與化學反應雙重機製去除酸性氣體：
- 物理吸附：利用高比表麵積的多孔材料（如活性炭）捕獲氣態分子；
- 化學中和：酸性氣體與濾料表麵的堿性物質發生不可逆化學反應，生成穩定的鹽類化合物。
例如：
- HCl + KOH → KCl + H₂O
- SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃ + H₂O
- HF + ZnO → ZnF₂ + H₂O
該過程具有高效、穩定、不可逆的特點，適用於長期運行的潔淨室環境。
3. 關鍵性能參數
為評估V型密褶式化學過濾器在酸性氣體去除中的表現，需關注以下關鍵參數。下表列出了典型產品的技術指標：
| 參數 | 指標 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾效率（對HCl, 1 ppm入口） | ≥99.9% | 在標準風速下測試，依據ASHRAE 145.2方法 |
| 初始壓降 | ≤80 Pa | 風速0.5 m/s時測得 |
| 額定風量 | 1000–3000 m³/h | 根據模塊尺寸可調 |
| 濾料材質 | 改性活性炭+KOH負載 | 高效中和酸性氣體 |
| 使用壽命 | 6–18個月 | 取決於汙染物濃度與運行工況 |
| 工作溫度範圍 | 5–40°C | 適用於潔淨室環境 |
| 相對濕度適應範圍 | 30%–70% RH | 高濕環境下性能略有下降 |
| 過濾麵積（單模塊） | 25–40 m² | V型結構顯著增加有效麵積 |
| 泄漏率 | ≤0.01% | 依據EN 1822標準測試 |
注：數據參考美國Camfil、德國Mann+Hummel及中國蘇州安泰空氣技術有限公司產品手冊（2023年版）。
4. 酸性氣體來源及其對半導體工藝的影響
4.1 主要酸性氣體來源
在半導體潔淨室中，酸性氣體主要來源於以下幾個方麵：
| 氣體種類 | 主要來源 | 典型濃度範圍（ppb） |
|---|---|---|
| HCl | 刻蝕工藝（如Cl₂等離子體）、清洗工序 | 1–50 |
| HF | 氫氟酸清洗、SiO₂刻蝕 | 0.1–10 |
| SO₂ | 外氣汙染、燃燒副產物 | 0.5–20 |
| NOₓ | 空調係統燃燒、外氣滲透 | 1–30 |
| H₂S | 材料脫氣、廢水處理區擴散 | <1 |
資料來源：SEMI F21-0202《半導體製造環境中氣態汙染物控製指南》
4.2 對半導體工藝的危害
酸性氣體對半導體製造的影響主要體現在以下幾個方麵：
- 晶圓表麵腐蝕：HF可與SiO₂反應，導致柵極氧化層變薄或穿孔；
- 金屬互連氧化：HCl可促進Al或Cu互連層的氧化，增加電阻；
- 光刻膠性能退化：酸性氣體可能引發光刻膠的非預期化學反應，導致圖形失真；
- 設備腐蝕：長期暴露於酸性環境中，將縮短光刻機、CVD設備等精密儀器的壽命。
據IBM研究團隊（2018）報告，在未有效控製AMC的潔淨室中，晶圓缺陷率可上升30%以上（Zhang et al., 2018）。
5. V型密褶式化學過濾器在半導體潔淨室中的應用配置
5.1 典型安裝位置
V型密褶式化學過濾器通常集成於潔淨室的MAU（Make-up Air Unit）或FFU（Fan Filter Unit）係統中，常見安裝位置包括：
- 新風處理段：去除外部空氣中攜帶的SO₂、NOₓ等汙染物；
- 回風循環係統：持續淨化室內循環空氣中的工藝副產物；
- 局部排風淨化：針對高汙染區域（如刻蝕區）設置獨立淨化模塊。
5.2 係統設計要點
為確保過濾效率與運行穩定性，係統設計需考慮以下因素：
| 設計要素 | 推薦方案 |
|---|---|
| 氣流速度 | 0.3–0.6 m/s（避免過高風速降低接觸時間） |
| 濾料厚度 | 45–90 mm（增加反應停留時間） |
| 模塊排列方式 | 垂直V型排列，傾斜角30°–45° |
| 預過濾配置 | 配置G4初效+H13 HEPA預過濾，保護化學濾層 |
| 實時監測 | 安裝AMC在線監測儀（如PTR-MS或DOAS） |
6. 國內外研究進展與實際應用案例
6.1 國外研究進展
美國ASHRAE（美國采暖、製冷與空調工程師學會）在其標準ASHRAE 145.2中明確提出了化學過濾器的測試方法，強調對HCl、HF、NH₃等典型AMC的去除效率評估（ASHRAE, 2020）。研究顯示，采用KOH改性活性炭的V型過濾器對HCl的去除效率可達99.95%，且在相對濕度60%條件下仍保持穩定性能（Liu & Li, 2021）。
日本東京電子（Tokyo Electron）在其7nm製程潔淨室中全麵采用V型密褶式化學過濾係統，配合AMC實時監控網絡，使潔淨室內HCl濃度長期控製在<0.1 ppb水平，顯著提升了光刻工藝的穩定性（Tanaka et al., 2019）。
6.2 國內應用案例
中芯國際（SMIC）在北京與上海的12英寸晶圓廠中，引入了國產V型密褶式化學過濾器（由蘇州安泰與廣東科霖達聯合開發），用於控製刻蝕區HF與HCl的擴散。根據其2022年環境監測報告，潔淨室AMC濃度較改造前下降85%，晶圓缺陷率降低12%（SMIC EHS Report, 2022）。
華虹宏力在無錫廠區采用“V型化學過濾+紫外光催化”複合淨化技術，針對NOₓ與SO₂進行深度處理。實驗數據顯示，在複合係統運行下，NO₂去除率可達98.7%，遠高於單一過濾方案的85%（Wang et al., 2023）。
7. 不同吸附材料的性能對比
為優化酸性氣體去除效果，不同吸附材料被廣泛研究與應用。下表對比了常見化學濾料的性能：
| 吸附材料 | 適用氣體 | 去除效率（ppb級） | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| KOH改性活性炭 | HCl, HF, SO₂ | 99.5%–99.9% | 高中和能力，反應迅速 | 高濕環境下易潮解 |
| Ca(OH)₂浸漬濾紙 | SO₂, CO₂ | 95%–98% | 成本低，安全性高 | 對HF去除效果差 |
| ZnO基複合材料 | HF, H₂S | 98%–99.8% | 耐濕性強，穩定性好 | 成本較高 |
| 活性氧化鋁 | HF, H₂O | 90%–95% | 吸濕與除酸雙重功能 | 易飽和，需頻繁更換 |
| 分子篩（13X） | NH₃, H₂O | 85%–90% | 高選擇性 | 對酸性氣體吸附能力有限 |
數據來源：Environmental Science & Technology, 2020; 中國環境科學, 2021年第41卷
研究表明，複合型吸附材料（如KOH+ZnO雙負載）在多組分酸性氣體共存環境下表現出更優的綜合性能（Chen et al., 2022）。
8. 性能測試與標準規範
為確保V型密褶式化學過濾器的可靠性，國際與國內均製定了相關測試標準：
| 標準編號 | 標準名稱 | 主要內容 |
|---|---|---|
| ASHRAE 145.2 | Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal of Gaseous Contaminants | 規定AMC去除效率測試方法，包括挑戰氣體濃度、氣流速度、檢測儀器等 |
| ISO 16890 | Air filters for general ventilation | 涵蓋化學過濾器分類與性能評估框架 |
| GB/T 36372-2018 | 潔淨室用空氣過濾器 | 中國國家標準，明確化學過濾器的技術要求與試驗方法 |
| SEMI F21-0202 | Guide for Control of Airborne Molecular Contamination in Semiconductor Manufacturing Environments | 提出潔淨室AMC控製目標值與監測建議 |
在實際測試中，常采用動態穿透實驗（Dynamic Breakthrough Test）評估濾料壽命。實驗中，向過濾器持續通入一定濃度的HCl氣體（如1 ppm），監測出口濃度變化，當出口濃度達到入口濃度的10%時，定義為“穿透點”，此時累計處理氣體量即為“吸附容量”。
9. 運行維護與壽命管理
9.1 壽命影響因素
V型密褶式化學過濾器的使用壽命受多種因素影響：
| 影響因素 | 說明 |
|---|---|
| 汙染物濃度 | 濃度越高，吸附飽和越快 |
| 相對濕度 | 高濕環境可能促進化學反應，但也可能導致濾料結塊 |
| 氣流速度 | 高風速減少氣體與濾料接觸時間，降低去除效率 |
| 溫度 | 高溫可能加速反應，但過熱會導致吸附劑失活 |
9.2 更換周期建議
根據實際運行數據，建議更換周期如下：
| 潔淨室等級 | 典型更換周期 | 依據 |
|---|---|---|
| ISO Class 3（納米級工藝） | 6–12個月 | 高AMC風險，需高頻更換 |
| ISO Class 5（成熟製程） | 12–18個月 | 汙染負荷較低 |
| 新風預處理段 | 18–24個月 | 外氣汙染物濃度相對穩定 |
建議結合AMC在線監測數據與壓差變化進行預測性維護，避免突發性失效。
10. 未來發展趨勢
隨著EUV光刻、3D NAND、GAA晶體管等先進工藝的普及，對AMC控製的要求將進一步提升。未來V型密褶式化學過濾器的發展趨勢包括：
- 智能化監測：集成物聯網傳感器，實現濾芯狀態實時監控與壽命預測；
- 多功能複合濾料：開發同時去除酸性、堿性與有機氣體的廣譜吸附材料；
- 綠色可再生技術：研究吸附劑再生工藝，減少廢棄物排放；
- 模塊化設計：支持快速更換與定製化配置，適應不同工藝需求。
韓國三星電子已在其平澤P3工廠試點使用AI驅動的AMC控製係統，結合V型過濾器與機器學習算法，實現淨化效率優化與能耗降低20%（Lee et al., 2023）。
參考文獻
- 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 evalsuation 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.
- 國家市場監督管理總局. (2018). GB/T 36372-2018 潔淨室用空氣過濾器. 北京: 中國標準出版社.
- 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.
- 蘇州安泰空氣技術有限公司. (2023). ATF-V係列V型化學過濾器產品手冊. 蘇州: 安泰科技.
- 百度百科. (2023). “化學過濾器”. http://baike.baidu.com/item/化學過濾器
（全文約3,800字）
==========================
