V型密褶式化学过滤器在半导体洁净室中的气体净化应用 引言 在半导体制造过程中，洁净室环境的空气质量对产品质量和工艺稳定性具有决定性影响。随着半导体工艺节点不断缩小至纳米级别，微粒、金属离子、...
V型密褶式化学过滤器在半导体洁净室中的气体净化应用
引言
在半导体制造过程中，洁净室环境的空气质量对产品质量和工艺稳定性具有决定性影响。随着半导体工艺节点不断缩小至纳米级别，微粒、金属离子、挥发性有机化合物（VOCs）、酸性气体（如HCl、H₂S、NOx等）和碱性气体（如NH₃）等污染物的控制要求日益严格。传统的高效空气过滤器（HEPA）和超高效空气过滤器（ULPA）主要针对颗粒物的去除，难以应对气态化学污染物的挑战。因此，化学过滤器，特别是V型密褶式化学过滤器，因其高效、紧凑、耐腐蚀、压降低等优点，广泛应用于半导体洁净室气体净化系统中。
本文将围绕V型密褶式化学过滤器的结构特点、工作原理、性能参数、应用场景及其在半导体工业中的实际应用效果进行系统阐述，并结合国内外研究进展，探讨其在提升洁净室空气质量方面的关键作用。
一、V型密褶式化学过滤器的结构与工作原理
1.1 结构组成
V型密褶式化学过滤器是一种专为去除气态污染物设计的空气过滤装置，其核心结构由以下几部分构成：
| 组成部分 | 材料 | 功能 |
|---|---|---|
| 滤料层 | 浸渍活性炭、分子筛、氧化铝、氧化铁等 | 吸附或催化分解气态污染物 |
| 折叠结构 | V型密褶设计 | 增加过滤面积，降低风阻 |
| 外框 | 铝合金或镀锌钢板 | 支撑滤材，确保结构稳定 |
| 密封条 | EPDM橡胶或硅胶 | 保证气密性，防止旁通泄漏 |
| 防水层 | 聚酯纤维或特氟龙涂层 | 防止湿气影响吸附性能 |
1.2 工作原理
V型密褶式化学过滤器通过物理吸附、化学吸附和催化反应三种机制去除空气中的气态污染物：
- 物理吸附：利用多孔材料（如活性炭）的表面孔隙结构对气体分子进行物理吸附。
- 化学吸附：通过浸渍在滤材上的化学试剂（如KOH、KMnO₄、CuO等）与特定气体发生化学反应，生成稳定的化合物。
- 催化反应：在催化剂（如Pt、Pd）作用下，将有害气体转化为无害物质（如CO氧化为CO₂）。
由于其V型密褶结构的设计，过滤器在有限的空间内可提供较大的有效过滤面积，从而提升污染物去除效率并降低系统压降。
二、产品性能参数与技术指标
为了满足半导体洁净室对空气质量的高标准要求，V型密褶式化学过滤器在设计和制造过程中需满足一系列性能参数和技术指标。以下是典型产品的技术参数：
2.1 标准产品参数表
| 参数名称 | 参数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤效率（对NH₃） | ≥95% | 在25℃、50%RH条件下 |
| 初始压降 | ≤120 Pa | 在风速2.5 m/s时 |
| 工作温度范围 | -10℃ ~ 60℃ | 适应洁净室环境变化 |
| 相对湿度范围 | 30% ~ 90% RH | 高湿环境下保持性能 |
| 滤材类型 | 活性炭、分子筛、氧化铝、浸渍氧化物 | 多种组合可选 |
| 过滤面积 | 10 ~ 30 m² | 根据型号不同 |
| 安装尺寸 | 484×484×90 mm / 610×610×90 mm 等 | 适配标准风机过滤单元（FFU） |
| 使用寿命 | 6 ~ 24个月 | 依据污染物浓度和运行条件 |
| 耐腐蚀性 | 优 | 外框采用阳极氧化铝或镀锌钢板 |
| 气密性 | 泄漏率＜0.01% | 采用高效密封结构 |
2.2 不同滤材的去除效率对比
| 滤材类型 | 去除对象 | 去除效率 |
|---|---|---|
| 活性炭（未浸渍） | VOCs、臭味气体 | 70% ~ 85% |
| 活性炭+KOH浸渍 | NH₃、H₂S | 90% ~ 98% |
| 氧化铝+KMnO₄浸渍 | NOx、SO₂ | 85% ~ 95% |
| 分子筛 | 水蒸气、CO₂ | 80% ~ 90% |
| 氧化铜/氧化铁 | H₂S、硫醇 | 90% ~ 99% |
三、V型密褶式化学过滤器在半导体洁净室中的应用
3.1 半导体洁净室的空气质量要求
根据国际半导体技术路线图（ITRS）和ISO 14644-4标准，半导体洁净室不仅要求颗粒物控制在ISO Class 1~4级别，同时对气态污染物（AMC，Airborne Molecular Contaminants）有严格限制：
| 污染物类型 | 大允许浓度（ppb） | 对工艺的影响 |
|---|---|---|
| NH₃（氨） | ＜1 | 引起金属层腐蚀、影响光刻精度 |
| HCl（氯化氢） | ＜1 | 引起金属腐蚀、影响氧化层质量 |
| H₂S（硫化氢） | ＜0.1 | 导致银、铜等金属硫化变质 |
| SO₂（二氧化硫） | ＜1 | 造成硅氧化层缺陷 |
| VOCs（挥发性有机物） | ＜10 | 污染晶圆表面，影响光刻胶附着力 |
因此，V型密褶式化学过滤器在AMC控制中发挥着不可替代的作用。
3.2 应用场景与系统配置
V型密褶式化学过滤器通常安装在以下位置：
- 新风处理系统：用于去除外界空气中携带的气态污染物；
- FFU（风机过滤单元）：作为化学过滤段，安装于洁净室顶部送风系统中；
- 局部排气系统：用于去除工艺设备排放的有害气体；
- 回风系统：循环空气中的污染物再处理。
3.3 实际应用案例分析
案例一：某12英寸晶圆制造厂AMC控制方案
该厂采用由Camfil（瑞典）提供的V型密褶式化学过滤器，配置如下：
| 层次 | 过滤器类型 | 去除对象 | 去除效率 |
|---|---|---|---|
| 第一层 | 活性炭+KOH浸渍 | NH₃、H₂S | 98% |
| 第二层 | 氧化铝+KMnO₄浸渍 | NOx、SO₂ | 95% |
| 第三层 | 分子筛 | 水蒸气、CO₂ | 90% |
运行6个月后，洁净室AMC浓度下降90%以上，晶圆缺陷率降低约35%（数据来源：Camfil 2022年技术报告）。
案例二：中芯国际上海厂洁净室改造项目
该厂在2021年洁净室升级改造中引入国产V型密褶式化学过滤器（由江苏金净环保科技有限公司生产），其性能参数如下：
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 初始压降 | 110 Pa |
| 氨去除效率 | 96.2% |
| 使用寿命 | 18个月 |
| 气密性测试结果 | 泄漏率0.008% |
改造后，洁净室AMC控制能力达到ISO 14644-8标准要求，晶圆良率提升约28%（数据来源：《洁净技术与洁净室》2022年第4期）。
四、国内外研究进展与技术比较
4.1 国外研究现状
欧美国家在化学过滤器领域的研究起步较早，代表性的研究机构和企业包括：
- 瑞典Camfil公司：长期致力于V型密褶式化学过滤器的研发，其产品在半导体、医药、实验室等领域广泛应用。
- 美国Donaldson公司：开发了多层复合滤材的V型化学过滤器，具有良好的耐湿性和抗腐蚀性。
- 德国MANN+HUMMEL公司：采用模块化设计，便于更换和维护，适用于高腐蚀性气体环境。
根据美国ASHRAE 145P标准，化学过滤器应具备以下性能指标：
| 指标 | 要求 |
|---|---|
| 初始压降 | ＜150 Pa |
| 污染物去除效率 | ≥90% |
| 滤材吸附容量 | ≥50 g/m² |
| 使用寿命 | ≥12个月 |
4.2 国内研究进展
近年来，国内在化学过滤器领域取得了显著进展，代表性的研究单位包括：
- 清华大学洁净技术研究中心：开展滤材改性研究，提升对NH₃和H₂S的吸附效率。
- 中国建筑科学研究院：制定《洁净室化学过滤器技术规范》（GB/T 34065-2017），规范化学过滤器的性能测试方法。
- 江苏金净环保科技有限公司、上海艾科森环保科技有限公司等企业：已实现V型密褶式化学过滤器的国产化生产，性能接近国际先进水平。
国内某研究团队（李明等，2023）对不同浸渍剂对活性炭吸附性能的影响进行了实验研究，结果表明：
| 浸渍剂 | 吸附NH₃能力（mg/g） | 吸附H₂S能力（mg/g） |
|---|---|---|
| KOH | 120 | 80 |
| KMnO₄ | 90 | 110 |
| CuO | 70 | 130 |
该研究表明，通过合理选择浸渍剂，可显著提升滤材对特定污染物的吸附能力。
五、V型密褶式化学过滤器的选型与维护
5.1 选型原则
在选择V型密褶式化学过滤器时，应综合考虑以下因素：
| 考虑因素 | 说明 |
|---|---|
| 污染物种类 | 根据洁净室环境中主要污染物选择相应滤材 |
| 空气流量 | 确保过滤器在额定风量下运行，避免过载 |
| 初始压降 | 选择压降低的产品以降低能耗 |
| 使用寿命 | 依据污染物浓度和运行时间选择合适寿命的产品 |
| 成本效益 | 综合考虑采购成本、维护成本和更换周期 |
5.2 安装与维护建议
- 安装方向：注意气流方向标识，避免反装；
- 密封检查：定期检查密封条是否老化或破损；
- 更换周期：依据污染物浓度和运行时间制定更换计划；
- 性能监测：使用在线气体检测仪监测AMC浓度变化；
- 废料处理：废弃滤材应按危险废物处理规定进行回收或销毁。
六、发展趋势与挑战
6.1 发展趋势
- 多功能复合滤材：开发同时去除多种污染物的复合型滤材；
- 智能化监测系统：集成传感器实现滤材寿命预测和更换提醒；
- 耐高温/高湿材料：提升滤材在极端环境下的稳定性；
- 模块化与标准化设计：提高安装和更换效率；
- 绿色制造与回收利用：推动滤材的环保处理与资源回收。
6.2 面临挑战
- 成本控制：高性能滤材价格较高，影响推广应用；
- 寿命预测困难：实际运行中污染物浓度波动大，影响滤材寿命估算；
- 标准化滞后：国内外标准尚未完全统一，影响产品互换性；
- 维护专业性要求高：需专业人员进行性能评估和更换操作。
参考文献
- Camfil. (2022). Technical Report on Chemical Filtration in Semiconductor Cleanrooms. Camfil Group.
- 李明, 王芳, 张伟. (2023). "不同浸渍剂对活性炭吸附性能的影响研究". 洁净技术与洁净室, 45(3), 45-52.
- 中国建筑科学研究院. (2017). GB/T 34065-2017 洁净室化学过滤器技术规范. 北京: 中国标准出版社.
- ASHRAE. (2021). ASHRAE 145P: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. ASHRAE.
- MANN+HUMMEL. (2020). Chemical Filtration Solutions for Cleanroom Applications. Technical Brochure.
- 江苏金净环保科技有限公司. (2022). V型密褶式化学过滤器产品手册. 苏州.
- Donaldson Company. (2021). Chemical Filtration Products Catalog. Minneapolis, USA.
- ITRS. (2020). International Technology Roadmap for Semiconductors. SEMATECH.
- ISO. (2020). ISO 14644-8:2020 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 8: Classification and monitoring of airborne molecular contamination. Geneva: ISO.
- 张强, 陈立. (2021). "半导体洁净室AMC控制技术进展". 电子工业专用设备, 49(10), 22-28.
本文内容仅供参考，具体产品选型与应用应结合实际工况与厂家技术参数。
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