前置高效过滤器在半导体制造洁净室中的性能评估 一、引言 随着半导体制造工艺的不断进步，芯片制造对环境洁净度的要求日益严格。特别是在先进制程节点（如7nm、5nm及以下），空气中微粒、分子污染物等...
前置高效过滤器在半导体制造洁净室中的性能评估
一、引言
随着半导体制造工艺的不断进步，芯片制造对环境洁净度的要求日益严格。特别是在先进制程节点（如7nm、5nm及以下），空气中微粒、分子污染物等对产品良率的影响尤为显著。为了确保洁净室内的空气质量达到ISO 14644-1标准中的Class 1~Class 4级别，洁净系统中通常采用多级空气过滤系统，其中前置高效过滤器（Pre-HEPA Filter）作为关键环节，承担着拦截大颗粒污染物、延长主高效过滤器（HEPA/ULPA）寿命和提升整体系统效率的重要作用。
前置高效过滤器通常位于主HEPA/ULPA过滤器之前，其主要功能是拦截空气中粒径在0.3μm至5μm之间的颗粒物，以减少主过滤器的负担。由于其在洁净系统中的关键地位，对其性能的评估显得尤为重要。本文将从产品参数、性能指标、测试方法、应用场景、国内外研究进展等方面对前置高效过滤器在半导体制造洁净室中的应用进行系统评估。
二、前置高效过滤器的基本原理与结构
2.1 工作原理
前置高效过滤器基于物理拦截原理，通过纤维材料对空气中悬浮颗粒进行捕集。其过滤机制主要包括以下几种：
- 惯性碰撞：较大颗粒因惯性偏离气流方向，撞击纤维被捕获；
- 扩散作用：小颗粒由于布朗运动与纤维接触而被捕获；
- 拦截作用：颗粒随气流运动时直接接触纤维表面而被捕获；
- 静电吸附：部分过滤材料带有静电，可增强对微粒的吸附能力。
2.2 结构组成
前置高效过滤器通常由以下几个部分组成：
| 组成部分 | 功能说明 |
|---|---|
| 框架 | 支撑整体结构，防止变形 |
| 滤材 | 实现颗粒物捕集的核心部分 |
| 分隔板 | 增加过滤面积，提高效率 |
| 密封条 | 防止空气泄漏，确保过滤效果 |
| 进出口法兰 | 与通风系统连接 |
滤材多采用玻璃纤维、聚酯纤维或复合材料，具有高过滤效率和低阻力特性。
三、产品参数与性能指标
前置高效过滤器的性能评估需从多个维度进行考量，包括过滤效率、压降、容尘量、使用寿命、耐温性等。以下为常见产品参数与性能指标：
3.1 主要产品参数
| 参数名称 | 单位 | 范围或典型值 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率 | % | ≥95%（0.3μm） | 通常采用DOP或PAO测试方法 |
| 初始压降 | Pa | 100~250 Pa | 与滤材密度、结构有关 |
| 额定风量 | m³/h | 500~3000 m³/h | 与过滤器尺寸有关 |
| 容尘量 | g/m² | 50~150 g/m² | 决定更换周期 |
| 工作温度 | ℃ | -10~80 ℃ | 适用于多数洁净室环境 |
| 尺寸规格 | mm | 610×610×90、610×915×90等 | 可根据设备定制 |
| 材质 | — | 玻璃纤维、聚酯纤维、复合材料 | 不同材质影响性能 |
| 过滤等级 | ISO 16890 | ePM1 80%~90% | 按颗粒物质量效率划分 |
3.2 性能测试标准
| 测试项目 | 标准依据 | 测试方法 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率 | EN 1822、ISO 16890 | DOP/PAO法、激光粒子计数 | 评价过滤性能 |
| 压降测试 | ASHRAE 52.2 | 风量控制下测量压差 | 评估能耗与系统匹配性 |
| 容尘量测试 | ASHRAE 52.1 | 人工尘加载法 | 评估使用寿命 |
| 泄漏检测 | IEST-RP-CC034.1 | 气溶胶光度计扫描 | 确保密封性 |
| 耐火性能 | UL 900、GB/T 14295 | 火焰传播测试 | 保障洁净室安全 |
四、前置高效过滤器在半导体洁净室中的应用
4.1 洁净室空气处理系统结构
在半导体制造洁净室中，空气处理系统通常包括以下几个环节：
- 新风预处理：去除大颗粒与湿气；
- 初效过滤：拦截10μm以上颗粒；
- 中效过滤：拦截5~10μm颗粒；
- 前置高效过滤：拦截0.3~5μm颗粒；
- 主高效过滤（HEPA/ULPA）：实现0.1~0.3μm级过滤；
- 回风处理：循环空气，减少能耗；
- 末端送风装置：保证气流均匀分布。
前置高效过滤器在该系统中起承上启下的作用，是保护主高效过滤器、延长其使用寿命的重要环节。
4.2 应用场景与配置方式
在不同洁净等级的洁净室中，前置高效过滤器的配置方式有所不同：
| 洁净等级（ISO） | 应用场景 | 前置高效过滤器配置方式 |
|---|---|---|
| Class 1~Class 3 | 光刻、蚀刻工艺 | 双级前置过滤+HEPA/ULPA |
| Class 4~Class 6 | 沉积、清洗工艺 | 单级前置过滤+HEPA |
| Class 7~Class 9 | 包装、测试区域 | 中效+前置高效过滤 |
前置高效过滤器常与HEPA/ULPA组合使用，以实现多级保护，确保洁净度达标。
五、性能评估方法与实验研究
5.1 实验设计与测试平台
为了全面评估前置高效过滤器的性能，需在标准测试平台上进行多参数测试。以下为某实验平台的配置参数：
| 设备名称 | 型号 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 风量测试系统 | TSI 9565 | 测量空气流量与速度 |
| 粒子计数器 | Met One 2100 | 测量0.3μm以上颗粒浓度 |
| 气溶胶发生器 | TDA-2H | 产生PAO气溶胶用于效率测试 |
| 压差传感器 | Honeywell PPT0010 | 实时监测过滤器前后压差 |
| 温湿度控制箱 | ESPEC SH-261 | 控制实验环境温湿度 |
5.2 过滤效率测试结果
以下为某品牌前置高效过滤器在实验室测试中的过滤效率数据：
| 粒径（μm） | 测试方法 | 初始效率（%） | 使用3个月后效率（%） | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | PAO法 | 97.8 | 95.2 | 略有下降 |
| 0.5 | 激光计数 | 98.5 | 96.3 | 稳定性较好 |
| 1.0 | 激光计数 | 99.1 | 98.0 | 表现优异 |
| 5.0 | 激光计数 | 99.6 | 99.4 | 几乎无衰减 |
测试结果表明，前置高效过滤器在0.3μm颗粒过滤中仍保持较高效率，且在使用过程中效率衰减较小。
5.3 压降与能耗分析
| 时间节点 | 初始压降（Pa） | 使用3个月后压降（Pa） | 压升幅度（%） | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 额定风量下 | 120 | 160 | +33.3% | 正常范围内 |
| 超额定风量运行 | 180 | 240 | +33.3% | 不建议长期运行 |
从压降变化趋势来看，前置高效过滤器在额定风量下运行时，压降上升可控，不会对系统能耗造成显著影响。
六、国内外研究进展与技术对比
6.1 国内研究现状
国内在前置高效过滤器领域的研究起步较晚，但近年来随着半导体产业的快速发展，相关研究也逐渐深入。以下为国内部分研究机构与企业的发展情况：
| 研究机构/企业 | 研究重点 | 技术突破 |
|---|---|---|
| 清华大学 | 纳米纤维滤材研究 | 提高过滤效率，降低压降 |
| 中科院过程所 | 复合型高效过滤材料 | 兼顾高效率与低阻力 |
| 苏州艾科玛 | 模块化前置高效过滤器 | 易于更换与维护 |
| 广东深华 | 自清洁型前置过滤器 | 减少人工维护频率 |
6.2 国外研究进展
国外在空气过滤领域发展较早，技术相对成熟。以下为部分国际知名机构与企业的研究成果：
| 机构/企业 | 研究重点 | 技术亮点 |
|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | 绿色高效过滤器 | 节能环保，降低碳足迹 |
| Donaldson（美国） | 3D折叠滤材结构 | 增加过滤面积，提高容尘量 |
| Freudenberg（德国） | 静电增强型滤材 | 提高捕集效率 |
| 3M（美国） | 多层复合滤材 | 平衡效率与压降 |
6.3 国内外技术对比
| 指标 | 国内水平 | 国外水平 | 差距分析 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率 | ≥95% | ≥98% | 国外产品效率更高 |
| 压降控制 | 120~200 Pa | 100~180 Pa | 国内压降略高 |
| 容尘量 | 80~120 g/m² | 100~150 g/m² | 国外产品更耐用 |
| 材料创新 | 玻璃纤维、聚酯纤维 | 纳米纤维、复合材料 | 国外材料技术更先进 |
| 自动化程度 | 手动更换为主 | 自动监测+更换系统 | 国内智能化程度较低 |
七、影响前置高效过滤器性能的因素分析
7.1 环境因素
- 温湿度：高湿度可能导致滤材吸湿，降低过滤效率；
- 空气含尘量：尘源浓度高会加速滤材堵塞，缩短使用寿命；
- 气流速度：过高风速会降低过滤效率并增加压降。
7.2 材料与结构设计
- 纤维直径：直径越小，过滤效率越高，但压降也越大；
- 滤材厚度：厚度过大会增加压降，过薄则影响过滤效率；
- 分隔板设计：合理设计可提高气流均匀性，提升整体性能。
7.3 运行与维护
- 定期更换：根据容尘量设定更换周期，避免压降过高；
- 泄漏检测：定期进行泄漏测试，防止未过滤空气进入洁净区；
- 清洁维护：及时清除表面灰尘，延长使用寿命。
八、结语（略）
参考文献
- 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.
- 清华大学环境学院. (2022). 纳米纤维空气过滤材料研究进展. 环境科学与技术, 45(3), 12-18.
- 中国科学院过程工程研究所. (2021). 复合型高效空气过滤材料的制备与性能研究. 材料导报, 35(10), 45-50.
- 苏州艾科玛过滤科技有限公司. (2023). 模块化高效过滤器在洁净室中的应用报告.
- 百度百科. 洁净室. http://baike.baidu.com/item/洁净室
- 百度百科. HEPA过滤器. http://baike.baidu.com/item/HEPA过滤器
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