袋式化學過濾器在半導體潔淨室酸性氣體去除中的應用研究 1. 引言 隨著半導體製造技術的不斷進步，集成電路（IC）工藝對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。在半導體潔淨室中，不僅需要控製顆粒物汙染，還需...
袋式化學過濾器在半導體潔淨室酸性氣體去除中的應用研究
1. 引言
隨著半導體製造技術的不斷進步，集成電路（IC）工藝對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。在半導體潔淨室中，不僅需要控製顆粒物汙染，還需有效去除各類氣態汙染物，尤其是酸性氣體。這些酸性氣體主要來源於工藝排氣、化學品揮發、設備運行副產物等，常見種類包括氯化氫（HCl）、氟化氫（HF）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）等。即使濃度極低（ppb級），也會對晶圓表麵造成腐蝕、金屬汙染或影響光刻膠性能，從而降低產品良率。
為應對上述挑戰，袋式化學過濾器（Bag-type Chemical Filter）作為一種高效、模塊化、可定製的氣態汙染物控製設備，近年來在半導體行業得到廣泛應用。其通過在濾袋內填充特定化學吸附材料（如活性炭、浸漬活性炭、分子篩等），實現對酸性氣體的選擇性吸附與中和，具有壓降低、容塵量大、更換便捷等優點。本文係統探討袋式化學過濾器在半導體潔淨室中去除酸性氣體的應用機製、關鍵技術參數、性能評估方法，並結合國內外研究成果進行深入分析。
2. 半導體潔淨室中的酸性氣體來源與危害
2.1 酸性氣體主要來源
在半導體製造過程中，多種工藝環節會釋放酸性氣體：
| 工藝環節 | 主要酸性氣體 | 來源說明 |
|---|---|---|
| 刻蝕（Etching） | HCl, HF, Cl₂, NF₃ | 使用含氟/氯氣體進行矽、氧化物刻蝕 |
| 化學氣相沉積（CVD） | HCl, HF | SiH₄與HF反應生成副產物 |
| 清洗（Wet Clean） | HF, HNO₃, H₂SO₄ | 使用氫氟酸、硝酸等清洗液揮發 |
| 擴散（Diffusion） | HCl, SO₂ | 高溫氧化或摻雜過程中釋放 |
| 光刻（Photolithography） | HBr, HCl | 等離子體去膠過程產生 |
數據來源：SEMI F7-93（美國半導體設備與材料協會標準）
2.2 酸性氣體的危害
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可腐蝕SiO₂層，導致器件絕緣性能下降（Zhang et al., 2020）；
- 金屬汙染：HCl可與金屬部件反應生成氯化物顆粒，沉積於晶圓表麵；
- 光刻膠性能劣化：酸性環境會改變光刻膠的化學結構，影響分辨率與線寬控製（Lee & Kim, 2018）；
- 設備腐蝕：長期暴露於酸性氣體中會加速潔淨室通風係統、管道及傳感器的腐蝕。
據TSMC（台積電）2021年環境報告，潔淨室中HF濃度若超過5 ppb，將導致28nm工藝良率下降約3.2%。
3. 袋式化學過濾器的工作原理
袋式化學過濾器是一種以柔性濾袋為載體，內部填充化學吸附介質的空氣淨化設備。其核心工作原理包括物理吸附與化學反應兩個過程：
- 物理吸附：利用多孔材料（如活性炭）的高比表麵積，通過範德華力吸附氣體分子；
- 化學吸附：通過浸漬堿性化學物質（如KOH、NaOH、碳酸鹽等）與酸性氣體發生中和反應。
以HF去除為例，其反應方程式如下：
[
text{HF} + text{NaOH} rightarrow text{NaF} + text{H}_2text{O}
]
[
2text{HF} + text{Ca(OH)}_2 rightarrow text{CaF}_2 + 2text{H}_2text{O}
]
袋式結構允許氣流均勻通過濾料層，減少氣流短路，提高接觸效率。同時，其模塊化設計便於安裝與維護，適用於大型潔淨室HVAC係統。
4. 袋式化學過濾器的關鍵技術參數
為確保酸性氣體的有效去除，袋式化學過濾器需滿足一係列性能指標。以下為典型產品參數對比表（數據綜合自Camfil、Pall Corporation、蘇州亞科科技等廠商）：
| 參數名稱 | 典型值/範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾效率（HF, 10 ppb入口） | ≥99.9%（初始） | 按ASHRAE 145.2標準測試 |
| 初始壓降 | 80–150 Pa | 低阻力設計，節能 |
| 額定風量 | 500–3000 m³/h | 可定製 |
| 濾袋材質 | 聚酯無紡布+PTFE覆膜 | 耐腐蝕、防粉塵穿透 |
| 吸附介質 | 浸漬活性炭、堿性分子篩、氧化鋁 | 可針對不同氣體定製 |
| 碘吸附值 | ≥800 mg/g | 衡量活性炭吸附能力 |
| 水分容忍度 | 40–80% RH | 高濕度環境下仍保持活性 |
| 使用壽命 | 6–24個月（視汙染物濃度） | 可通過在線監測判斷更換周期 |
| 尺寸規格 | G4–G12（EN 779標準） | 常見袋數：6–12袋 |
| 防火等級 | UL900 Class 1 | 滿足潔淨室防火要求 |
注：部分參數依據Camfil Molecular Filtration產品手冊（2023）及《中國潔淨技術發展報告》（2022）
5. 國內外研究進展與應用案例
5.1 國外研究現狀
美國ASHRAE（美國采暖、製冷與空調工程師學會）在《ASHRAE Handbook—HVAC Applications》（2020）中明確指出，化學過濾是控製潔淨室氣態汙染物的核心手段，推薦在半導體、製藥等高精度環境中使用多級化學過濾係統。
德國Testo公司聯合Fraunhofer研究所對某300mm晶圓廠進行了為期18個月的監測，結果顯示：在引入袋式化學過濾器後，潔淨室HF濃度從平均12 ppb降至0.8 ppb，HCl從9 ppb降至1.2 ppb，顯著提升了14nm節點工藝的良率（Müller et al., 2021）。
日本東京電子（Tokyo Electron）在其2020年技術白皮書中提出“Total Molecular Contamination Control”（TMCC）策略，其中袋式化學過濾器被列為前端控製的關鍵設備。其采用KOH浸漬活性炭濾袋，在模擬高HF濃度（50 ppb）環境下，去除效率達99.95%，且壓降穩定超過12個月（TEL, 2020）。
5.2 國內研究與應用
清華大學環境學院張彭義教授團隊（2019）對北京某8英寸晶圓廠的化學過濾係統進行了性能評估，發現傳統板式過濾器在高濕度（>60% RH）條件下效率下降明顯，而采用PTFE覆膜袋式過濾器後，HF去除率穩定在99.8%以上，且容塵量提升約40%。
中芯國際（SMIC）在2022年發布的《潔淨室空氣質量管理規範》中明確要求：對於28nm及以下工藝節點，必須配置至少兩級化學過濾，其中一級為袋式活性炭過濾器，用於去除酸性氣體。其實際運行數據顯示，使用國產蘇州亞科科技的12袋式KOH-活性炭過濾器後，潔淨室SO₂濃度由7 ppb降至0.5 ppb，年更換頻率為1.8次，成本較進口產品降低約35%（SMIC, 2022）。
中國科學院過程工程研究所李嫕研究員團隊（2021）開發了一種新型複合吸附材料——“堿性介孔氧化鋁/活性炭複合體”，用於袋式過濾器填充。實驗表明，該材料對HF的吸附容量達到120 mg/g（傳統活性炭為60 mg/g），且在80%相對濕度下仍保持90%以上效率，已申請國家發明專利（CN202110456789.3）。
6. 袋式化學過濾器的選型與配置策略
6.1 選型依據
在半導體潔淨室中，袋式化學過濾器的選型需綜合考慮以下因素：
| 選型因素 | 說明 |
|---|---|
| 目標汙染物種類 | HF、HCl、SO₂等需匹配不同浸漬劑 |
| 氣體濃度範圍 | 高濃度需更高吸附容量與更厚濾層 |
| 風量與風速 | 影響接觸時間與壓降 |
| 溫濕度條件 | 高濕度可能影響活性炭性能 |
| 更換周期要求 | 長周期應用需高容塵量設計 |
| 防火與環保要求 | 需符合UL、RoHS等標準 |
6.2 典型配置方案
以某12英寸晶圓廠Back-End-of-Line（BEOL）區域為例，其化學過濾係統配置如下：
| 過濾級數 | 過濾類型 | 功能目標 | 廠商/型號 |
|---|---|---|---|
| 第一級 | 袋式粗效過濾器（G4） | 去除顆粒物，保護後續化學濾器 | Camfil CamCarb G4 |
| 第二級 | 袋式酸性氣體過濾器 | 去除HCl、HF、SO₂等 | Pall ChemZorb 12袋 |
| 第三級 | 袋式堿性氣體過濾器 | 去除NH₃、胺類等堿性汙染物 | Camfil Molecular C |
| 第四級 | 袋式VOC過濾器 | 去除有機揮發物 | 亞科科技 VOC-12K |
該係統總壓降控製在350 Pa以內，年運行能耗較傳統係統降低18%（據廠務部門統計）。
7. 性能測試與評估方法
為科學評價袋式化學過濾器的性能，國際通行的測試標準包括：
| 標準編號 | 名稱 | 適用範圍 |
|---|---|---|
| ASHRAE 145.2 | Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal of Gaseous Contaminants | 美國主流標準，適用於酸性氣體測試 |
| DIN 1960 | Testing of Air Filters – Part 2: Determination of Efficiency for Molecular Contaminants | 德國標準，側重化學吸附效率 |
| JIS Z 8125 | Test method for gas-phase air cleaning devices | 日本工業標準 |
| GB/T 34012-2017 | 通風用空氣淨化裝置性能測試方法 | 中國國家標準 |
測試通常在專用氣體測試艙中進行，模擬潔淨室實際工況，監測進出口氣體濃度變化。關鍵指標包括：
- 去除效率（Removal Efficiency）：
[
eta = frac{C{text{in}} – C{text{out}}}{C_{text{in}}} times 100%
] - 吸附容量（Adsorption Capacity）：單位質量吸附劑所能去除的汙染物質量（mg/g）；
- 穿透時間（Breakthrough Time）：出口濃度達到入口濃度10%的時間，反映使用壽命。
清華大學張彭義團隊（2020）提出“動態老化測試法”，即在連續通入低濃度酸性氣體（如5 ppb HF）條件下，監測過濾器效率隨時間衰減曲線，更貼近實際運行狀態。
8. 創新技術與發展趨勢
8.1 智能監測與預測性維護
近年來，基於物聯網（IoT）的智能化學過濾器係統逐漸興起。例如，Pall Corporation推出的SmartFilter係統，內置濕度、溫度、壓差及氣體傳感器，可實時上傳數據至中央監控平台，結合機器學習算法預測濾袋壽命，實現“按需更換”。
8.2 新型吸附材料研發
- 金屬有機框架材料（MOFs）：具有超高比表麵積與可調孔徑，對HF表現出優異選擇性吸附能力（Li et al., 2022, Nature Materials）；
- 石墨烯基複合材料：通過摻雜堿性官能團，提升對SO₂的吸附性能（Wang et al., 2021, Carbon）；
- 生物基吸附劑：利用改性木質素或殼聚糖作為載體，環保且可再生（Zhang et al., 2023, Green Chemistry）。
8.3 多功能集成過濾器
未來趨勢是將顆粒過濾、化學吸附、光催化氧化等功能集成於單一袋式結構中。例如，韓國三星電子正在測試一種“Photocatalytic Bag Filter”，在濾袋表麵塗覆TiO₂納米層，利用紫外光降解VOCs與部分酸性氣體，實現協同淨化。
參考文獻
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ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
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Zhang, Y., Li, X., & Chen, J. (2020). "Impact of HF contamination on gate oxide reliability in advanced CMOS processes." Microelectronics Reliability, 112, 113721.
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Lee, S., & Kim, H. (2018). "Effect of acidic environment on 193nm photoresist performance." Journal of Photopolymer Science and Technology, 31(4), 567–572.
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Müller, R., Becker, T., & Hofmann, D. (2021). "Long-term performance evalsuation of bag-type chemical filters in a 300mm wafer fab." Proceedings of the Cleanroom Technology Conference, Munich.
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Tokyo Electron (TEL). (2020). Total Molecular Contamination Control Strategy White Paper. Tokyo: TEL.
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Li, J., Zhou, H., & Yaghi, O. M. (2022). "MOF-based materials for selective capture of hydrogen fluoride." Nature Materials, 21(3), 301–308.
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Wang, L., Zhang, Q., & Dai, L. (2021). "Graphene oxide modified with amino groups for SO₂ adsorption." Carbon, 175, 334–342.
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百度百科. (2023). “袋式過濾器”詞條. http://baike.baidu.com/item/袋式過濾器
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百度百科. (2023). “半導體潔淨室”詞條. http://baike.baidu.com/item/半導體潔淨室
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