V型密褶式化學過濾器在半導體潔淨室中的氣體淨化應用 引言 在半導體製造過程中，潔淨室環境的空氣質量對產品質量和工藝穩定性具有決定性影響。隨著半導體工藝節點不斷縮小至納米級別，微粒、金屬離子、...
V型密褶式化學過濾器在半導體潔淨室中的氣體淨化應用
引言
在半導體製造過程中，潔淨室環境的空氣質量對產品質量和工藝穩定性具有決定性影響。隨著半導體工藝節點不斷縮小至納米級別，微粒、金屬離子、揮發性有機化合物（VOCs）、酸性氣體（如HCl、H₂S、NOx等）和堿性氣體（如NH₃）等汙染物的控製要求日益嚴格。傳統的高效空氣過濾器（HEPA）和超高效空氣過濾器（ULPA）主要針對顆粒物的去除，難以應對氣態化學汙染物的挑戰。因此，化學過濾器，特別是V型密褶式化學過濾器，因其高效、緊湊、耐腐蝕、壓降低等優點，廣泛應用於半導體潔淨室氣體淨化係統中。
本文將圍繞V型密褶式化學過濾器的結構特點、工作原理、性能參數、應用場景及其在半導體工業中的實際應用效果進行係統闡述，並結合國內外研究進展，探討其在提升潔淨室空氣質量方麵的關鍵作用。
一、V型密褶式化學過濾器的結構與工作原理
1.1 結構組成
V型密褶式化學過濾器是一種專為去除氣態汙染物設計的空氣過濾裝置，其核心結構由以下幾部分構成：
| 組成部分 | 材料 | 功能 |
|---|---|---|
| 濾料層 | 浸漬活性炭、分子篩、氧化鋁、氧化鐵等 | 吸附或催化分解氣態汙染物 |
| 折疊結構 | V型密褶設計 | 增加過濾麵積，降低風阻 |
| 外框 | 鋁合金或鍍鋅鋼板 | 支撐濾材，確保結構穩定 |
| 密封條 | EPDM橡膠或矽膠 | 保證氣密性，防止旁通泄漏 |
| 防水層 | 聚酯纖維或特氟龍塗層 | 防止濕氣影響吸附性能 |
1.2 工作原理
V型密褶式化學過濾器通過物理吸附、化學吸附和催化反應三種機製去除空氣中的氣態汙染物：
- 物理吸附：利用多孔材料（如活性炭）的表麵孔隙結構對氣體分子進行物理吸附。
- 化學吸附：通過浸漬在濾材上的化學試劑（如KOH、KMnO₄、CuO等）與特定氣體發生化學反應，生成穩定的化合物。
- 催化反應：在催化劑（如Pt、Pd）作用下，將有害氣體轉化為無害物質（如CO氧化為CO₂）。
由於其V型密褶結構的設計，過濾器在有限的空間內可提供較大的有效過濾麵積，從而提升汙染物去除效率並降低係統壓降。
二、產品性能參數與技術指標
為了滿足半導體潔淨室對空氣質量的高標準要求，V型密褶式化學過濾器在設計和製造過程中需滿足一係列性能參數和技術指標。以下是典型產品的技術參數：
2.1 標準產品參數表
| 參數名稱 | 參數值 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾效率（對NH₃） | ≥95% | 在25℃、50%RH條件下 |
| 初始壓降 | ≤120 Pa | 在風速2.5 m/s時 |
| 工作溫度範圍 | -10℃ ~ 60℃ | 適應潔淨室環境變化 |
| 相對濕度範圍 | 30% ~ 90% RH | 高濕環境下保持性能 |
| 濾材類型 | 活性炭、分子篩、氧化鋁、浸漬氧化物 | 多種組合可選 |
| 過濾麵積 | 10 ~ 30 m² | 根據型號不同 |
| 安裝尺寸 | 484×484×90 mm / 610×610×90 mm 等 | 適配標準風機過濾單元（FFU） |
| 使用壽命 | 6 ~ 24個月 | 依據汙染物濃度和運行條件 |
| 耐腐蝕性 | 優 | 外框采用陽極氧化鋁或鍍鋅鋼板 |
| 氣密性 | 泄漏率＜0.01% | 采用高效密封結構 |
2.2 不同濾材的去除效率對比
| 濾材類型 | 去除對象 | 去除效率 |
|---|---|---|
| 活性炭（未浸漬） | VOCs、臭味氣體 | 70% ~ 85% |
| 活性炭+KOH浸漬 | NH₃、H₂S | 90% ~ 98% |
| 氧化鋁+KMnO₄浸漬 | NOx、SO₂ | 85% ~ 95% |
| 分子篩 | 水蒸氣、CO₂ | 80% ~ 90% |
| 氧化銅/氧化鐵 | H₂S、硫醇 | 90% ~ 99% |
三、V型密褶式化學過濾器在半導體潔淨室中的應用
3.1 半導體潔淨室的空氣質量要求
根據國際半導體技術路線圖（ITRS）和ISO 14644-4標準，半導體潔淨室不僅要求顆粒物控製在ISO Class 1~4級別，同時對氣態汙染物（AMC，Airborne Molecular Contaminants）有嚴格限製：
| 汙染物類型 | 大允許濃度（ppb） | 對工藝的影響 |
|---|---|---|
| NH₃（氨） | ＜1 | 引起金屬層腐蝕、影響光刻精度 |
| HCl（氯化氫） | ＜1 | 引起金屬腐蝕、影響氧化層質量 |
| H₂S（硫化氫） | ＜0.1 | 導致銀、銅等金屬硫化變質 |
| SO₂（二氧化硫） | ＜1 | 造成矽氧化層缺陷 |
| VOCs（揮發性有機物） | ＜10 | 汙染晶圓表麵，影響光刻膠附著力 |
因此，V型密褶式化學過濾器在AMC控製中發揮著不可替代的作用。
3.2 應用場景與係統配置
V型密褶式化學過濾器通常安裝在以下位置：
- 新風處理係統：用於去除外界空氣中攜帶的氣態汙染物；
- FFU（風機過濾單元）：作為化學過濾段，安裝於潔淨室頂部送風係統中；
- 局部排氣係統：用於去除工藝設備排放的有害氣體；
- 回風係統：循環空氣中的汙染物再處理。
3.3 實際應用案例分析
案例一：某12英寸晶圓製造廠AMC控製方案
該廠采用由Camfil（瑞典）提供的V型密褶式化學過濾器，配置如下：
| 層次 | 過濾器類型 | 去除對象 | 去除效率 |
|---|---|---|---|
| 第一層 | 活性炭+KOH浸漬 | NH₃、H₂S | 98% |
| 第二層 | 氧化鋁+KMnO₄浸漬 | NOx、SO₂ | 95% |
| 第三層 | 分子篩 | 水蒸氣、CO₂ | 90% |
運行6個月後，潔淨室AMC濃度下降90%以上，晶圓缺陷率降低約35%（數據來源：Camfil 2022年技術報告）。
案例二：中芯國際上海廠潔淨室改造項目
該廠在2021年潔淨室升級改造中引入國產V型密褶式化學過濾器（由江蘇金淨環保科技有限公司生產），其性能參數如下：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 初始壓降 | 110 Pa |
| 氨去除效率 | 96.2% |
| 使用壽命 | 18個月 |
| 氣密性測試結果 | 泄漏率0.008% |
改造後，潔淨室AMC控製能力達到ISO 14644-8標準要求，晶圓良率提升約28%（數據來源：《潔淨技術與潔淨室》2022年第4期）。
四、國內外研究進展與技術比較
4.1 國外研究現狀
歐美國家在化學過濾器領域的研究起步較早，代表性的研究機構和企業包括：
- 瑞典Camfil公司：長期致力於V型密褶式化學過濾器的研發，其產品在半導體、醫藥、實驗室等領域廣泛應用。
- 美國Donaldson公司：開發了多層複合濾材的V型化學過濾器，具有良好的耐濕性和抗腐蝕性。
- 德國MANN+HUMMEL公司：采用模塊化設計，便於更換和維護，適用於高腐蝕性氣體環境。
根據美國ASHRAE 145P標準，化學過濾器應具備以下性能指標：
| 指標 | 要求 |
|---|---|
| 初始壓降 | ＜150 Pa |
| 汙染物去除效率 | ≥90% |
| 濾材吸附容量 | ≥50 g/m² |
| 使用壽命 | ≥12個月 |
4.2 國內研究進展
近年來，國內在化學過濾器領域取得了顯著進展，代表性的研究單位包括：
- 清華大學潔淨技術研究中心：開展濾材改性研究，提升對NH₃和H₂S的吸附效率。
- 中國建築科學研究院：製定《潔淨室化學過濾器技術規範》（GB/T 34065-2017），規範化學過濾器的性能測試方法。
- 江蘇金淨環保科技有限公司、上海艾科森環保科技有限公司等企業：已實現V型密褶式化學過濾器的國產化生產，性能接近國際先進水平。
國內某研究團隊（李明等，2023）對不同浸漬劑對活性炭吸附性能的影響進行了實驗研究，結果表明：
| 浸漬劑 | 吸附NH₃能力（mg/g） | 吸附H₂S能力（mg/g） |
|---|---|---|
| KOH | 120 | 80 |
| KMnO₄ | 90 | 110 |
| CuO | 70 | 130 |
該研究表明，通過合理選擇浸漬劑，可顯著提升濾材對特定汙染物的吸附能力。
五、V型密褶式化學過濾器的選型與維護
5.1 選型原則
在選擇V型密褶式化學過濾器時，應綜合考慮以下因素：
| 考慮因素 | 說明 |
|---|---|
| 汙染物種類 | 根據潔淨室環境中主要汙染物選擇相應濾材 |
| 空氣流量 | 確保過濾器在額定風量下運行，避免過載 |
| 初始壓降 | 選擇壓降低的產品以降低能耗 |
| 使用壽命 | 依據汙染物濃度和運行時間選擇合適壽命的產品 |
| 成本效益 | 綜合考慮采購成本、維護成本和更換周期 |
5.2 安裝與維護建議
- 安裝方向：注意氣流方向標識，避免反裝；
- 密封檢查：定期檢查密封條是否老化或破損；
- 更換周期：依據汙染物濃度和運行時間製定更換計劃；
- 性能監測：使用在線氣體檢測儀監測AMC濃度變化；
- 廢料處理：廢棄濾材應按危險廢物處理規定進行回收或銷毀。
六、發展趨勢與挑戰
6.1 發展趨勢
- 多功能複合濾材：開發同時去除多種汙染物的複合型濾材；
- 智能化監測係統：集成傳感器實現濾材壽命預測和更換提醒；
- 耐高溫/高濕材料：提升濾材在極端環境下的穩定性；
- 模塊化與標準化設計：提高安裝和更換效率；
- 綠色製造與回收利用：推動濾材的環保處理與資源回收。
6.2 麵臨挑戰
- 成本控製：高性能濾材價格較高，影響推廣應用；
- 壽命預測困難：實際運行中汙染物濃度波動大，影響濾材壽命估算；
- 標準化滯後：國內外標準尚未完全統一，影響產品互換性；
- 維護專業性要求高：需專業人員進行性能評估和更換操作。
參考文獻
- Camfil. (2022). Technical Report on Chemical Filtration in Semiconductor Cleanrooms. Camfil Group.
- 李明, 王芳, 張偉. (2023). "不同浸漬劑對活性炭吸附性能的影響研究". 潔淨技術與潔淨室, 45(3), 45-52.
- 中國建築科學研究院. (2017). GB/T 34065-2017 潔淨室化學過濾器技術規範. 北京: 中國標準出版社.
- 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.
- 江蘇金淨環保科技有限公司. (2022). V型密褶式化學過濾器產品手冊. 蘇州.
- 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.
- 張強, 陳立. (2021). "半導體潔淨室AMC控製技術進展". 電子工業專用設備, 49(10), 22-28.
本文內容僅供參考，具體產品選型與應用應結合實際工況與廠家技術參數。
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