前置高效過濾器在半導體製造潔淨室中的性能評估 一、引言 隨著半導體製造工藝的不斷進步，芯片製造對環境潔淨度的要求日益嚴格。特別是在先進製程節點（如7nm、5nm及以下），空氣中微粒、分子汙染物等...
前置高效過濾器在半導體製造潔淨室中的性能評估
一、引言
隨著半導體製造工藝的不斷進步，芯片製造對環境潔淨度的要求日益嚴格。特別是在先進製程節點（如7nm、5nm及以下），空氣中微粒、分子汙染物等對產品良率的影響尤為顯著。為了確保潔淨室內的空氣質量達到ISO 14644-1標準中的Class 1~Class 4級別，潔淨係統中通常采用多級空氣過濾係統，其中前置高效過濾器（Pre-HEPA Filter）作為關鍵環節，承擔著攔截大顆粒汙染物、延長主高效過濾器（HEPA/ULPA）壽命和提升整體係統效率的重要作用。
前置高效過濾器通常位於主HEPA/ULPA過濾器之前，其主要功能是攔截空氣中粒徑在0.3μm至5μm之間的顆粒物，以減少主過濾器的負擔。由於其在潔淨係統中的關鍵地位，對其性能的評估顯得尤為重要。本文將從產品參數、性能指標、測試方法、應用場景、國內外研究進展等方麵對前置高效過濾器在半導體製造潔淨室中的應用進行係統評估。
二、前置高效過濾器的基本原理與結構
2.1 工作原理
前置高效過濾器基於物理攔截原理，通過纖維材料對空氣中懸浮顆粒進行捕集。其過濾機製主要包括以下幾種：
- 慣性碰撞：較大顆粒因慣性偏離氣流方向，撞擊纖維被捕獲；
- 擴散作用：小顆粒由於布朗運動與纖維接觸而被捕獲；
- 攔截作用：顆粒隨氣流運動時直接接觸纖維表麵而被捕獲；
- 靜電吸附：部分過濾材料帶有靜電，可增強對微粒的吸附能力。
2.2 結構組成
前置高效過濾器通常由以下幾個部分組成：
| 組成部分 | 功能說明 |
|---|---|
| 框架 | 支撐整體結構，防止變形 |
| 濾材 | 實現顆粒物捕集的核心部分 |
| 分隔板 | 增加過濾麵積，提高效率 |
| 密封條 | 防止空氣泄漏，確保過濾效果 |
| 進出口法蘭 | 與通風係統連接 |
濾材多采用玻璃纖維、聚酯纖維或複合材料，具有高過濾效率和低阻力特性。
三、產品參數與性能指標
前置高效過濾器的性能評估需從多個維度進行考量，包括過濾效率、壓降、容塵量、使用壽命、耐溫性等。以下為常見產品參數與性能指標：
3.1 主要產品參數
| 參數名稱 | 單位 | 範圍或典型值 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率 | % | ≥95%（0.3μm） | 通常采用DOP或PAO測試方法 |
| 初始壓降 | Pa | 100~250 Pa | 與濾材密度、結構有關 |
| 額定風量 | m³/h | 500~3000 m³/h | 與過濾器尺寸有關 |
| 容塵量 | g/m² | 50~150 g/m² | 決定更換周期 |
| 工作溫度 | ℃ | -10~80 ℃ | 適用於多數潔淨室環境 |
| 尺寸規格 | mm | 610×610×90、610×915×90等 | 可根據設備定製 |
| 材質 | — | 玻璃纖維、聚酯纖維、複合材料 | 不同材質影響性能 |
| 過濾等級 | ISO 16890 | ePM1 80%~90% | 按顆粒物質量效率劃分 |
3.2 性能測試標準
| 測試項目 | 標準依據 | 測試方法 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率 | EN 1822、ISO 16890 | DOP/PAO法、激光粒子計數 | 評價過濾性能 |
| 壓降測試 | ASHRAE 52.2 | 風量控製下測量壓差 | 評估能耗與係統匹配性 |
| 容塵量測試 | ASHRAE 52.1 | 人工塵加載法 | 評估使用壽命 |
| 泄漏檢測 | IEST-RP-CC034.1 | 氣溶膠光度計掃描 | 確保密封性 |
| 耐火性能 | UL 900、GB/T 14295 | 火焰傳播測試 | 保障潔淨室安全 |
四、前置高效過濾器在半導體潔淨室中的應用
4.1 潔淨室空氣處理係統結構
在半導體製造潔淨室中，空氣處理係統通常包括以下幾個環節：
- 新風預處理：去除大顆粒與濕氣；
- 初效過濾：攔截10μm以上顆粒；
- 中效過濾：攔截5~10μm顆粒；
- 前置高效過濾：攔截0.3~5μm顆粒；
- 主高效過濾（HEPA/ULPA）：實現0.1~0.3μm級過濾；
- 回風處理：循環空氣，減少能耗；
- 末端送風裝置：保證氣流均勻分布。
前置高效過濾器在該係統中起承上啟下的作用，是保護主高效過濾器、延長其使用壽命的重要環節。
4.2 應用場景與配置方式
在不同潔淨等級的潔淨室中，前置高效過濾器的配置方式有所不同：
| 潔淨等級（ISO） | 應用場景 | 前置高效過濾器配置方式 |
|---|---|---|
| Class 1~Class 3 | 光刻、蝕刻工藝 | 雙級前置過濾+HEPA/ULPA |
| Class 4~Class 6 | 沉積、清洗工藝 | 單級前置過濾+HEPA |
| Class 7~Class 9 | 包裝、測試區域 | 中效+前置高效過濾 |
前置高效過濾器常與HEPA/ULPA組合使用，以實現多級保護，確保潔淨度達標。
五、性能評估方法與實驗研究
5.1 實驗設計與測試平台
為了全麵評估前置高效過濾器的性能，需在標準測試平台上進行多參數測試。以下為某實驗平台的配置參數：
| 設備名稱 | 型號 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 風量測試係統 | TSI 9565 | 測量空氣流量與速度 |
| 粒子計數器 | Met One 2100 | 測量0.3μm以上顆粒濃度 |
| 氣溶膠發生器 | TDA-2H | 產生PAO氣溶膠用於效率測試 |
| 壓差傳感器 | Honeywell PPT0010 | 實時監測過濾器前後壓差 |
| 溫濕度控製箱 | ESPEC SH-261 | 控製實驗環境溫濕度 |
5.2 過濾效率測試結果
以下為某品牌前置高效過濾器在實驗室測試中的過濾效率數據：
| 粒徑（μm） | 測試方法 | 初始效率（%） | 使用3個月後效率（%） | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | PAO法 | 97.8 | 95.2 | 略有下降 |
| 0.5 | 激光計數 | 98.5 | 96.3 | 穩定性較好 |
| 1.0 | 激光計數 | 99.1 | 98.0 | 表現優異 |
| 5.0 | 激光計數 | 99.6 | 99.4 | 幾乎無衰減 |
測試結果表明，前置高效過濾器在0.3μm顆粒過濾中仍保持較高效率，且在使用過程中效率衰減較小。
5.3 壓降與能耗分析
| 時間節點 | 初始壓降（Pa） | 使用3個月後壓降（Pa） | 壓升幅度（%） | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| 額定風量下 | 120 | 160 | +33.3% | 正常範圍內 |
| 超額定風量運行 | 180 | 240 | +33.3% | 不建議長期運行 |
從壓降變化趨勢來看，前置高效過濾器在額定風量下運行時，壓降上升可控，不會對係統能耗造成顯著影響。
六、國內外研究進展與技術對比
6.1 國內研究現狀
國內在前置高效過濾器領域的研究起步較晚，但近年來隨著半導體產業的快速發展，相關研究也逐漸深入。以下為國內部分研究機構與企業的發展情況：
| 研究機構/企業 | 研究重點 | 技術突破 |
|---|---|---|
| 清華大學 | 納米纖維濾材研究 | 提高過濾效率，降低壓降 |
| 中科院過程所 | 複合型高效過濾材料 | 兼顧高效率與低阻力 |
| 蘇州艾科瑪 | 模塊化前置高效過濾器 | 易於更換與維護 |
| 廣東深華 | 自清潔型前置過濾器 | 減少人工維護頻率 |
6.2 國外研究進展
國外在空氣過濾領域發展較早，技術相對成熟。以下為部分國際知名機構與企業的研究成果：
| 機構/企業 | 研究重點 | 技術亮點 |
|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | 綠色高效過濾器 | 節能環保，降低碳足跡 |
| Donaldson（美國） | 3D折疊濾材結構 | 增加過濾麵積，提高容塵量 |
| Freudenberg（德國） | 靜電增強型濾材 | 提高捕集效率 |
| 3M（美國） | 多層複合濾材 | 平衡效率與壓降 |
6.3 國內外技術對比
| 指標 | 國內水平 | 國外水平 | 差距分析 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率 | ≥95% | ≥98% | 國外產品效率更高 |
| 壓降控製 | 120~200 Pa | 100~180 Pa | 國內壓降略高 |
| 容塵量 | 80~120 g/m² | 100~150 g/m² | 國外產品更耐用 |
| 材料創新 | 玻璃纖維、聚酯纖維 | 納米纖維、複合材料 | 國外材料技術更先進 |
| 自動化程度 | 手動更換為主 | 自動監測+更換係統 | 國內智能化程度較低 |
七、影響前置高效過濾器性能的因素分析
7.1 環境因素
- 溫濕度：高濕度可能導致濾材吸濕，降低過濾效率；
- 空氣含塵量：塵源濃度高會加速濾材堵塞，縮短使用壽命；
- 氣流速度：過高風速會降低過濾效率並增加壓降。
7.2 材料與結構設計
- 纖維直徑：直徑越小，過濾效率越高，但壓降也越大；
- 濾材厚度：厚度過大會增加壓降，過薄則影響過濾效率；
- 分隔板設計：合理設計可提高氣流均勻性，提升整體性能。
7.3 運行與維護
- 定期更換：根據容塵量設定更換周期，避免壓降過高；
- 泄漏檢測：定期進行泄漏測試，防止未過濾空氣進入潔淨區；
- 清潔維護：及時清除表麵灰塵，延長使用壽命。
八、結語（略）
參考文獻
- ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and testing.
- EN 1822-1:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA) for removing particles in air.
- ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
- Camfil. (2021). High Efficiency Air Filters for Semiconductor Manufacturing.
- Donaldson Company. (2020). Advanced Filtration Solutions for Cleanroom Applications.
- 清華大學環境學院. (2022). 納米纖維空氣過濾材料研究進展. 環境科學與技術, 45(3), 12-18.
- 中國科學院過程工程研究所. (2021). 複合型高效空氣過濾材料的製備與性能研究. 材料導報, 35(10), 45-50.
- 蘇州艾科瑪過濾科技有限公司. (2023). 模塊化高效過濾器在潔淨室中的應用報告.
- 百度百科. 潔淨室. http://baike.baidu.com/item/潔淨室
- 百度百科. HEPA過濾器. http://baike.baidu.com/item/HEPA過濾器
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