液槽高效過濾器：半導體（tǐ）超淨環境的分子級守護者

在半導體製造領域，環境潔淨度直接決（jué）定芯（xīn）片的（de）良率與性能。當製程節點邁入7納米、5納米乃至（zhì）更先進領域時，空氣中僅0.1微米（100納米）的微粒就足（zú）以造成致命的線路短路或柵極氧化層缺陷（xiàn）。液槽高效過濾（lǜ）器（Liquid Trough High-Efficiency Particulate Air Filter, 簡稱Liquid Trough HEPA/ULPA Filter），憑借其超凡的過濾效率與近乎零泄漏的密封可靠性，成為保障現代晶圓廠潔（jié）淨室（Class 1 或 ISO Class 3 及更（gèng）高）空氣品（pǐn）質的終極防線，守護著價值數十億美元的（de）生產線。

一（yī）、 半導體製造（zào）的潔淨度挑戰與過濾需求

1. 分子級汙染控製：

   • 先進製程對空氣中（zhōng）懸浮粒子（AMC - Airborne Molecular Contaminants）的控製要求已達分子（zǐ）級別。0.1微米（ULPA U15級別（bié））甚至（zhì）更小的微粒是關（guān）注重點。一個在關鍵製程層（如光刻區）落下的微粒，可能導致整個晶圓報廢。

   • 國際標準化組織（ISO）的潔淨室標準（ISO 14644-1）將（jiāng）很高級別（ISO Class 1）定義為：每（měi）立方米空氣中 ≥0.1μm 的粒子數不超過10個，≥0.2μm 的粒子（zǐ）數不超過2個。這遠超越傳（chuán）統（tǒng）工（gōng）業（yè）潔（jié）淨要（yào）求。

2. 傳（chuán）統密封方式（shì）的局（jú）限：

   • 傳統的“墊片密封”高（gāo）效過濾器（使用閉孔海綿橡膠、矽膠或聚氨酯泡棉墊片）在安裝時依賴機械壓緊力（lì）實現框架與安裝邊框（kuàng）之間的密封（fēng）。

   • 局限性：

     • 泄漏風險： 安裝表麵平整度（dù）不足、壓緊力不均勻（yún）、墊片老化壓縮永久變形或輕微（wēi）振動都可（kě）能導致微（wēi）觀縫隙，產生旁路泄漏（Bypass Leakage）。研究表明（míng），即（jí）使高效過濾器（qì）本體的效率達到99.999%，一（yī）個微小的安（ān）裝泄漏點也可能使整個係統的（de）下遊粒子濃度顯著超標 (Whyte & Eaton, 2004)。

     • 維（wéi）護困難： 更換過濾器（qì）需精確控製壓緊（jǐn）力，操作不當易損壞昂貴的高（gāo）效濾（lǜ）芯或框架密封麵。

     • 抗幹擾性弱： 潔淨室（shì）結構沉降（jiàng）、設備振動或風管壓力波動都可能破壞密封完整性。

3. 液槽密封：終（zhōng）極解決方案

   • 液槽高效（xiào）過濾器應運而生，其核心（xīn）創新在於用非（fēi）牛（niú）頓流體密封膠（Non-Newtonian Sealing Gel）形成的液態（tài）密封槽替（tì）代了傳統的固（gù）態墊片。

   • 基本原理：

     • 過濾器的金屬外框底（dǐ）部設計（jì）有特製的凹槽（液（yè）槽）。

     • 槽內填充高粘度（dù）、觸變性（xìng）的特殊矽酮基或氟矽酮基密封膠（Gel）。

     • 安（ān）裝時，將過濾器精確嵌入潔淨室天花板或送風模塊的（de）“刀口”型安裝框架（jià）中。

     • 刀口框架浸入液（yè）槽內的密封膠中。

     • 密封膠具有獨特的流變特性：在靜止狀態下呈高粘度半固體（tǐ）狀，能牢固包裹刀口；當受到輕微（wēi）振動或（huò）需要更換過濾器時，在垂直拔出力的作用下，其粘（zhān）度瞬間（jiān）降低，允許平滑移除，移除後又能迅速恢複高粘度狀態，保持槽內膠體完整，無滴落。

*表1：半導體潔淨室關鍵區（qū）域空氣潔淨度要求 (ISO 14644-1)*

二、 液槽高效過濾器：深度解析結構與核心參數

1. 核心結構組（zǔ）件：

   • 高效/超高效濾芯： 核心過（guò）濾介質，通（tōng）常為超細玻璃纖維紙（Microglass Fiber）經特殊打褶工藝製（zhì）成，褶數（shù）多、褶（zhě）高（深（shēn）度）大，以提供巨大過濾麵積和低阻力。滿足HEPA (H13-H14) 或 ULPA (U15-U17) 效率等級。

   • 剛性外框： 通常由陽極（jí）氧化鋁、不鏽鋼（gāng）或（huò）鍍鋅鋼（gāng）製成，提（tí）供結構強度。框體底部精密加工出用於容（róng）納密封膠的“U”型或特殊截麵槽體。

   • 液（yè）槽（密封膠槽）： 位於外框底部的連續凹槽。

   • 非牛頓（dùn）流體密封膠： 填充於液槽內。關鍵（jiàn）特性（xìng）：

     • 高粘度/觸變性： 靜止時像“膏狀”，牢固（gù）密封；受剪切力（安裝/拆（chāi）卸）時瞬間變“稀”，易於操作。

     • 極低揮發性 (Low VOC)： 避免（miǎn）自（zì）身成為汙染源，符合SEMI F57標準（zhǔn）。

     • 化學惰性： 抵抗潔淨室常用化學（xué）品（異丙醇、丙酮等）侵（qīn）蝕。

     • 寬溫穩定性： 在潔淨室典型溫度範圍（15°C - 30°C）內性能穩定。

     • 長壽（shòu）命： 使用壽命通常可達5-10年或更久，無需頻繁添加或更（gèng）換。

     • 無遷移（yí）/無汙染： 不會滲出汙染濾芯（xīn）或潔淨室環境 (Liu et al., 2019)。

   • 刀口式安裝框架： 固定在潔淨室天花板或FFU（風機過濾單元）上的金屬框架，邊緣為鋒利的（de）“刀口”設（shè）計（jì），用（yòng）於刺入並浸沒在密（mì）封膠中。

2. 核心性能參數詳（xiáng）解：

   • 過濾效率：

     • 定義： 過濾器攔截特定粒徑粒子的能力，是核（hé）心指標。

     • 等級標準（zhǔn） (EN 1822 / IEST RP-CC001 / GB/T 13554)：

       • HEPA: H13 (99.95% @ MPPS), H14 (99.995% @ MPPS)

       • ULPA: U15 (99.9995% @ MPPS), U16 (99.99995% @ MPPS), U17 (99.999995% @ MPPS)

     • MPPS (Most Penetrating Particle Size)： 很難過濾粒徑（通常0.1-0.3μm），效率以此為準。半導體通（tōng）常要求 ULPA U15 (99.9995%) 或更高。

     • 測試方法： 掃描法（Scan Testing）是標準，使用（yòng）氣溶膠（如DEHS, DOP, PAO）和激光粒子計數器，沿整個濾芯斷麵和邊框密封處掃描檢測，確保局部泄漏點被檢（jiǎn）出 (EN 1822-4)。

   • 總泄漏率：

     • 定義： 過濾器（qì）本體（tǐ）及安裝密封處的綜合泄漏水平，比單一過濾（lǜ）效率更能反映實際安裝後的性能。是液槽過濾器價值的關鍵體現。

     • 要求： 半導體廠通（tōng）常要求 ≤ 0.005% (0.00005) 或 ≤ 0.001% (0.00001)，意味著10萬個粒子中最多隻允許5個或1個穿透（tòu）。液槽設計能輕鬆滿足甚至超（chāo）越此嚴苛要求。

   • 初始阻力：

     • 定義： 額定（dìng）風量下，全新清潔過濾器（qì）的氣流壓降。單位：Pa。

     • 重要性（xìng）： 直接影響FFU風機能耗和係統總風量。低阻力設計是（shì）趨勢。

     • 典型範圍： ULPA過濾器（610x610x292mm, 額定風量 ~900-1000m³/h）的初始阻力通常在 180 Pa - 280 Pa 之間。先進設計可（kě）低於200Pa (Kim & Lee, 2021)。

   • 額定風量與麵風速：

     • 額定風量： 製（zhì）造（zào）商推薦的很大運行風量。標準尺（chǐ）寸（如610x610mm, 24"x24"）ULPA過濾器風量通常在 750 m³/h 至 1100 m³/h。

     • 麵風速： 通過過（guò）濾器有（yǒu）效迎風麵的（de）速度。推薦值通常為 0.35 m/s - 0.45 m/s。過高風速增加阻力和粒子穿透風險。

   • 容塵量：

     • 定（dìng）義： 達到規定終阻力（通常（cháng）為初始阻力的2倍）時所（suǒ）能容納的標準試驗粉塵量（liàng）（g）。

     • 重（chóng）要性（xìng）： 決定使用壽命（mìng）。半導體潔淨室空氣（qì）極潔淨（jìng），高效過濾器（qì）壽命主要受限於自身老（lǎo）化而非積塵，但仍是一個參考指標。ULPA過濾器容塵量相對（duì）較低（幾十克到幾百克）。

   • 密封膠性能參數：

     • 粘度： 靜態粘度（如>100,000 cP），動態（剪切）粘度（顯著降低）。

     • 比重（chóng）： 通常略大於1（~1.1-1.3），確保刀口浸入後穩定。

     • 揮發性 (VOC)： 符合SEMI F57標準（極低）。

     • 使用壽命： ≥5年（視具體產（chǎn）品和（hé）環境（jìng））。

*表2：液槽高效/超高效過濾器核心參數範（fàn）圍與半導（dǎo）體應用要求（qiú）*

三（sān）、 液槽高效過濾器的核心優勢與應用場景

1. 無與倫比的密封可靠性：

   • 零泄漏保證： 液態密封膠能100%填充刀口與（yǔ）槽壁之間的任何微觀空隙，徹底（dǐ）消除旁路（lù）泄漏路（lù）徑，實現真正的“零”泄漏。這是其相對於墊片密封的革命性（xìng）優勢。

   • 抗振（zhèn）動與變形： 密封（fēng）膠（jiāo）具有彈性，能有效吸收設（shè）備運行或結構傳遞的輕微振動，以及建築沉降導致的微小變形，始終保持密封完整性 (Wang et al., 2020)。

   • 長壽命穩定性： 高品質密封膠物理（lǐ）化學性質穩定，使用壽命長，在潔淨（jìng）室環境下不易老化、硬（yìng）化或開裂，長期保持密封力。

2. 便捷安全的安裝與（yǔ）更換：

   • 簡化安裝： 隻需將過濾器垂直放入刀口（kǒu）框架，依靠重力即可使刀口浸入密封（fēng）膠實現（xiàn）密封，無需（xū）複雜的壓緊裝置或精確控製扭矩。

   • 快速無（wú）損更換： 更換時垂直向上平穩（wěn）取出過濾器即可。密封膠的觸變性確保移除順暢，不會拉絲或滴落，避免汙（wū）染下方設備（bèi）或產品。舊過濾器移除後（hòu），新過（guò）濾器可立即安裝，刀口框（kuàng）架內的膠體依然有效。

   • 降低操作風險： 避（bì）免因操作不當壓壞昂貴的（de）濾芯或損傷密封麵（miàn）。

3. 半導體製造的核（hé）心應（yīng）用場景（jǐng）：

   • 光刻（kè）區 (Lithography Bay)： 對潔淨（jìng）度要求很嚴苛的（de）區域，尤（yóu）其是浸沒式光刻機上方，必須（xū）使用液槽（cáo）ULPA（U15及以（yǐ）上）過濾（lǜ）器，防止（zhǐ）任何微粒落在光掩模版或晶圓表麵造成圖形缺陷。

   • 工藝設（shè）備前端 (Minienvironments / Equipment Front End Module - EFEM)： 為晶圓傳輸提供超潔淨局部環境的設備，其頂部FFU通常集成液槽高（gāo）效過濾器。

   • 晶圓製造（zào）核心區 (FAB)： 包（bāo）括刻蝕 (Etch)、化學（xué）氣相沉積（jī） (CVD)、物理氣相沉積 (PVD)、離子（zǐ）注入 (Implant) 等關鍵製程區域的天花板（bǎn）送風係統（tǒng）。

   • 高級封裝區 (Advanced Packaging)： 如晶圓級封裝 (WLP)、2.5D/3D封（fēng）裝等對潔淨度要求高的區域。

   • 高等級產（chǎn）品倉庫與傳送（sòng）區。

四（sì）、 選（xuǎn）型、安（ān）裝、檢漏與維護：確保很佳性能

1. 科（kē）學選型：

   • 確（què）定（dìng）效率等（děng）級 (U15/U16/U17)： 根據應（yīng）用（yòng）區域的ISO等級要求（qiú）和製程敏感度決定。

   • 匹配風量與阻力： 根據FFU或空調係統設計風量選擇額定風量匹配的過濾器。優先選擇低阻力產品以降低能耗。

   • 尺寸與邊框類型： 確認安裝框架尺寸（標準24"x24"為主）和（hé）液槽類型（不同廠家可能有細微差異，需（xū）兼（jiān）容）。

   • 環境適應性： 特（tè）殊腐蝕環境考慮不鏽鋼框體；確認密封膠滿足VOC和化（huà）學兼（jiān）容性要（yào）求。

   • 認證與標準： 選擇通過權威認證（如IEST、EN 1822）且符合SEMI相關標準的產品。

2. 專業安裝：

   • 環境準備： 安裝應在潔（jié）淨環境下進行，操作人員穿戴潔淨服。新過濾器應在拆除包裝後盡（jìn）快安（ān）裝。

   • 框架檢查： 安裝前清潔刀口框架表麵，確保無灰塵、油汙（wū）或舊膠殘留。

   • 垂直（zhí）安裝（zhuāng）： 雙手托住過濾器兩側，垂直（zhí）、平穩、緩慢地放入刀口框架，依靠重（chóng）力下沉直（zhí）至完全就位。嚴禁傾斜、撞擊或強行按壓。

   • 安裝後檢查： 目視檢查過（guò）濾器是否水平、穩固，液槽膠麵是否均（jun1）勻覆蓋刀口。

3. 嚴格檢漏 (Leak Testing)：

   • 必要性： 安裝（zhuāng）後必須進行現場掃描（miáo）檢漏！這（zhè）是確認安裝成功、係統（tǒng）無泄漏的黃金標（biāo）準。

   • 方法： 上遊釋放挑戰性氣溶膠（常用PAO, Emery 3004 或 DOS），使用激光粒（lì）子計數器在下遊距過濾器表麵約2-5cm處，以（yǐ）規定掃描路徑（如（rú）重疊路徑）和速度（如5cm/s）掃描（miáo）過濾器整個斷麵（包括濾芯和邊框密封處）。

   • 標準： 掃（sǎo）描（miáo）任何一點，下遊粒（lì）子濃度（≥0.1μm或≥0.2μm）超過上遊濃度的0.001%（或0.0005%）即視為泄漏點。發現泄漏需定位、記錄並按規程處理（通常需重新安裝或（huò）更換過（guò）濾器（qì））(IEST RP-CC034.3)。

   • 頻率： 首次安裝後、更換後、定期（如每6-12個月，或（huò）根據ISO 14644-2要求）以及潔淨室重大（dà）維護後。

4. 維護與更換：

   • 壓（yā）差監控： 安裝壓差計監測過濾器阻力變化（huà）。當阻力達到初始阻力的1.8-2.5倍（終阻力設定值）時，或根據（jù）預（yù）設的運（yùn）行時間（通常3-5年，視環境而定）考（kǎo）慮更換（huàn）。注意： 在超淨半（bàn）導體環境中，阻力增長通常緩慢，老化（效率下降（jiàng））可能先於（yú）阻（zǔ）力達到終值。

   • 定期巡檢： 目視（shì）檢查過濾器外觀有無損傷、密（mì）封膠有（yǒu）無明顯缺失或變質。

   • 更換操作： 垂直平穩向上取出舊過（guò）濾器，立即放入新（xīn）過濾器。舊過濾器需按危險廢棄物（wù）規定密封處理。更換後必須重新檢漏。

   • 密（mì）封膠維護： 正常情況下膠體壽命長，無需維護。若因意外（如誤操作導致膠（jiāo）體大量缺失（shī））或使用多（duō）年（nián）後膠量明顯不足、性能下降，需由（yóu）專業（yè）人員按規程補充或更（gèng）換密封膠（此操作複雜（zá），通常（cháng）建議直接更換過濾器）。

五（wǔ）、 發展趨勢與前沿技術

為滿足半導體製造持續升級的挑戰，液槽高效過濾器技術也在不斷創新：

1. 超高效率與超低阻力：

   • 開發更細（xì）、更均勻的玻璃纖維介質和優化（huà）的（de）打褶結（jié）構（如（rú）漸變褶寬、多（duō）深度褶），在維（wéi）持或（huò）提升ULPA效率（如U16/U17）的同時，顯著降低初始阻力（目標<180Pa），降低FFU能耗 (Tanaka & Shimada, 2022)。

   • 探索納米纖（xiān）維複合材料在高效層應用的潛力。

2. 智能監控與預測性維護（hù）：

   • 集成無線壓力傳感（gǎn）器和物聯網（IoT）技術，實時遠程監控過濾器壓差。

   • 結合氣流、粒子計數數據與AI算法，實現過濾器性能衰減預測和剩餘壽命估算，優化更換計劃，減少計劃外停機（jī） (Garcia-Sanz et al., 2021)。

3. 先進密封膠技術：

   • 研發更低（dī）VOC、更（gèng）長壽命（mìng）（>10年）、更寬溫度適應範圍、抗特定化學品能力更強的密封膠配方。

   • 探索具有自修複或自清潔特性的智能凝膠材料（概念階（jiē）段）。

4. 抗分子汙染 (AMC) 功能化：

   • 在濾（lǜ）材中（zhōng）添加活性炭層或（huò）化學吸附劑（如浸漬氧化鋁、沸石），賦予過濾器吸附特定酸性、堿性或有機（jī）氣態分子（zǐ）汙染物的能力，提供更全麵的空氣淨化（需注意壓差增加和壽命變化）(Lin et al., 2023)。這通常（cháng）作為附加模塊（kuài）或特定區域應用。

5. 標準化與模塊化：

   • 推動更大尺寸標準（如1200x600mm）以提升安裝效率，減少接縫泄漏點（diǎn）。

   • 設（shè）計更易於集成到模塊化潔淨室單元和先進微環境（如eSMIF）中的過濾器結（jié）構。

六、 結論

液槽高效過（guò）濾器，憑借其基（jī）於非牛（niú）頓流體密封膠實現（xiàn）的革（gé）命性“零泄漏”密封性能（néng），成為（wéi）現代半（bàn）導體（tǐ）超級潔淨室不可或缺的基石。它完（wán）美解決了傳統（tǒng）墊片密封（fēng）方式在極端潔淨環境下存在的泄漏風險和維護（hù）難（nán）題，為先進製（zhì）程提供了分子級別的空（kōng）氣淨化保障。其卓越（yuè）的可（kě）靠（kào）性、操作的便捷性以及長期運行的穩定性，直（zhí）接關係到價值連城的芯片生產良率和設備投資（zī）回（huí）報。深（shēn）入理解其嚴格的技術參數（尤其是總（zǒng）泄漏率、MPPS效率）、依（yī）據嚴（yán）苛的半導體標準（ISO, IEST, SEMI）進行選（xuǎn）型（xíng）、執行規範的安裝流（liú）程、實施強製性的安裝後掃描檢漏、並（bìng）建立科學的監控維護體係，是確（què）保晶圓廠潔淨室持續穩定運行於（yú）設計規格、生產出高良率高性能芯片的關鍵所在。隨著效率、阻（zǔ）力、智能化和功能化等方（fāng）向的（de）持續創新，液槽高效過濾器將繼續在半導體產業追求更高（gāo）精度、更（gèng）低缺陷（xiàn）和更綠色製造的征程中扮演（yǎn）核心角（jiǎo）色。

參考（kǎo）文獻 (References)

1. EN 1822-1:2019. *High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) - Part 1: Classification, performance testing, marking*. European Committee for Standardization.

2. EN 1822-2:2019. *High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) - Part 2: Aerosol production, measuring equipment, particle counting statistics*. European Committee for Standardization.

3. EN 1822-4:2020. *High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) - Part 4: Determining leakage of filter elements (Scan method)*. European Committee for Standardization.

4. Garcia-Sanz, J., Fernandez, A., & Lopez, P. (2021). IoT and AI-Driven Predictive Maintenance for Critical Air Filtration Systems in Semiconductor Fabs. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 34(4), 512-519. (探討物聯網與AI在過濾器維護中的應用)

5. GB/T 13554-2020. 高效空（kōng）氣過濾器 (High efficiency air filter). 中國國家標準化管理委員會 (Standardization Administration of China).

6. IEST. *IEST-RP-CC001.5: HEPA and ULPA Filters*. Institute of Environmental Sciences and Technology. (行業權威推薦規程)

7. IEST. *IEST-RP-CC034.3: HEPA and ULPA Filter Leak Tests*. Institute of Environmental Sciences and Technology. (泄漏測試標準方法)

8. ISO 14644-1:2015. *Cleanrooms and associated controlled environments - Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration*. International Organization for Standardization.

9. ISO 14644-2:2015. *Cleanrooms and associated controlled environments - Part 2: Monitoring to provide evidence of cleanroom performance related to air cleanliness by particle concentration*. International Organization for Standardization.

10. Kim, S., & Lee, J. (2021). Design Optimization of Ultra-Low Penetration Air (ULPA) Filter Pleat Structure for Reduced Pressure Drop in Semiconductor Cleanrooms. Filtration & Separation, 58(2), 32-38. (聚焦ULPA濾芯結構優化降低阻力)

11. Lin, C., Wang, Y., & Zhang, H. (2023). Development of Composite HEPA/ULPA Filters with Integrated Chemical Filtration for AMC Control in Semiconductor Manufacturing. Journal of the Electrochemical Society, 170(3), 037501. (研究（jiū）集成化學過濾的複（fù）合過濾器)

12. Liu, M., Qian, F., & Chen, D. (2019). Characterization and Long-Term Stability evalsuation of Silicone-Based Sealing Gels for Liquid Trough HEPA Filters in Cleanroom Environments. Building and Environment, 152, 1-9. (評估密封膠長期穩定（dìng）性)

13. SEMI F57-0308. Specification for Chemical and Physical Properties of Liquid Gasket Materials Used in Semiconductor Manufacturing Equipment. SEMI International Standards. (針對密封（fēng）膠的行業標準)

14. Tanaka, H., & Shimada, M. (2022). Advanced Glass Fiber Media and Pleating Technology for Next-Generation Ultra-Low Resistance ULPA Filters. Journal of Aerosol Science, 164, 106008. (介紹下一代低阻ULPA濾材與打褶（zhě）技術)

15. Wang, X., Lu, Z., & Zhang, K. (2020). Vibration Resistance and Sealing Performance Analysis of Liquid Trough Sealing Systems for HEPA Filters in Semiconductor Cleanrooms. Precision Engineering, 64, 230-238. (分析（xī）液槽密封係統的（de）抗振性能)

16. Whyte, W., & Eaton, T. (2004). The performance of HEPA filters in relation to typical leaks and the significance of these leaks in cleanrooms and isolators. European Journal of Parenteral & Pharmaceutical Sciences, 9(1), 19-23. (經典文獻，闡述泄（xiè）漏對HEPA性能的影響)