外氣空調箱水洗加濕泵浦之流量診斷與改善方案

前言

半導體生產製程包含精密的微機電和積體電路，對於生產環境之潔淨度的要求特別嚴格，因此整個製造過程都在嚴格控制的環境條件下進行，也就是一般熟悉的潔淨室 ( cleanroom )。隨著半導體元件之線寬微影技術的進展由15 年前的0.5~0.35 μm 縮小至8 年前的0.25~0.1μm，而現在又由於浸潤式微影製程的發明，又將線寬縮小至20nm，使得製程環境污染的防治重點已由微粒轉移至氣態分子污染物（AMCs, Airborne Molecular Contaminations）上。

在AMC控制策略上，約略可分成三方向進行：

污染源控制 outgassing test、monitor

污染源控制即是在污染發生之前，先逐步對潔淨室內可能釋出污染源加以控制，由於不同之潔淨室，其污染成因可能不同，因此藉由製程上使用之化學品調查、廠內各材質之釋氣調查與場外周界之污染監測調查，將可在污染發生時迅速掌握污染來源及其成因。並透過即時監控，達到最短時間預警效果，使製程品之損失降到最低。

晶圓隔離技術 SMIF、FOUP、mini-environment

晶圓隔離技術是利用一潔淨度高之區域環境或是以內充氮氣之晶圓儲存盒，將晶圓與高污染環境進行隔離之動作。不過此技術仍存在某些問題須突破，因晶圓儲存盒的材質常有釋氣問題、盒內濕度與水氣控制亦是問題。待這些問題獲得解決後，區域環境隔離控制系統將成為下一個世代晶圓製造必備之系統。

污染物去除 chemical filter、air washer

汙染物去除控制通常在外氣空調系統，第一道採用MAU Air Washer水洗，將外氣中AMC物質局部去除。第二道採廠內FFU循環系統，將廠內循環空氣逐步降低AMC物質。第三道採製程機台內部加裝化學濾網來過濾去除各類AMC污染物。化學濾網的設置，必須同時考量處理之AMC類型與其濃度範圍，否則污染物去除效率或化學濾網之壽命將難以掌握。

在研究水洗室的熱傳效率和接觸係數之前，須先了解空氣與水接觸時的過程。當空氣通過的水面或飛濺的水滴時，便與水表面發生熱、質傳，這時，根據水溫的不同，可能僅發生顯熱交換；也可能既有顯熱交換，又有質傳(濕傳)，而與質傳同時將發生潛熱交換。顯熱交換是由於空氣與水之間存在溫差，因傳導、對流和輻射作用而進行換熱的結果；而潛熱交換是空氣中的水蒸汽凝結(或蒸發)而放出或吸收汽化潛熱的結果。總熱傳量(全熱交換量)是顯熱交換量與潛熱交換量的代數和。 根據質傳理論可知，空氣與水直接接觸時，貼近水表面之處或水滴周圍，由於水分子作不規則運動的結果，形成一個溫度等於水表面溫度的飽和空氣邊界層(如 圖一所示)，而邊界層中水蒸汽分子的濃度或水蒸汽分壓力取決於邊界層的飽和空氣溫度。在邊界層周圍，水蒸汽分子仍作不規則運動，結果經常有一部分水分子進入邊界層，同時也有一部分水蒸汽分子離開邊界層回到水中。

外氣水洗系統為新廠設計部研究開發的設備，具較高的空氣加濕能力與特優的AMC削減能力，各廠的MAU風量規劃都是100,000 CMH，而在12" Wafer FAB經過多年運轉經驗後，需要供應更多的潔淨空氣至無塵室，就於F12 P2率先導入更高風量的MAU (140,000CMH)。

但是高風量的MAU在運轉三個月後，Air Washer泵浦出口壓力由初始的4.0 kg/cm²逐漸下降，運轉經過六個月已降至2.8 kg/cm²（如 圖二所示），部分甚至發生故障而無法使用，在兩個月期間承攬商將泵浦逐一修復，並降低泵浦吸入口高度後，出口壓力雖回復到4.0 kg/cm²，但再經過四個月後壓力又已經降到3.0 kg/cm²。由於沒有細部設計與運轉資料可供參考，考量此故障風險可能會影響MAU的運轉狀況，我們經泵浦銘牌資料與化學實驗室的AMC去除效率資料，對Air Washer System的設計條件與泵浦故障原因的加以檢討，作為改善方式的依據。

實驗測試調查

Air Washer System是MAU的關鍵性設備，操作的方式如下：

• 對室外空氣進行加濕處理，經過外氣水洗箱段後空氣的相對濕度均在95%以上。
• 利用水霧噴嘴對空氣進行水洗，使得空氣中的AMC成分溶於水，則空氣的AMC成分就可以減少。

MAU/Air Washer System現況調查：

需求建議書（Request for Proposal, RFP）對外氣水洗系統的規範

• Face velocity at re-Heating coil in MAU ≧ 2.5m/s
• Water Conductivity ≦ 20us/cm.
• NH4+ and SO– Removal efficiency: > 90% or outlet < 3ppbv.
• Follow tsmc SQM testing result of IC method for system accep-tance basic.

因此噴嘴的水量、泵浦水量與工作壓力，是由新廠設計部與工程公司依照原始開發條件進行設計規劃。

泵浦調查

泵浦為GRUNDFOS公司製造，型號為CRN-90-3-2，外觀如 圖三所示；依照銘牌 圖四標定的流量為108m³/hr，揚程為78.3m，Motor 37kW/ 460 VAC。

• Motor
  Standard motors for CR, CRI, CRN-60 Hz（如 圖五所示）。

噴嘴調查

依照提供的Spray Nozzles的水量規格資料，計算水量需求（如 圖六、表一所示）。

泵浦性能曲線與正吸入揚程NPSH評估（如 圖七、圖八、圖九所示）

NPSH_available = H_p±H_z–H_f–H_VP >NPSH_required + 0.5m for safety

NPHS= Net Positive Suction Head. in meter of fluid.

H_p= Absolute pressure on surface of the fluid where the pump takes suction. in meter. This could be atmospheric pressure or vessel pressure.

H_z= Static elevation of the liquid, or below the centerline of the impeller, in meter.
("+" : positive pressure, "–" : negative pressure)

H_f= Friction and velocity head Loss in the piping. in meter.

H_VP= Absolute vapor pressure of the liquid at the piping temperature, in meter.

r = specific gravity (lb/ft³)
r = 62.26 lb/ft³ @ 70℉
H_P =144×Pa/r=144×14.7 psia/62.26 lb/ft³
H_P =34ft H₂O

H_z = 0.2M = 0.7ft H₂O

H_f = f˙L/D˙v²/2g
= 1.1M = 3.6ft H₂O

H_VP = 0.84ft H₂O

NPSHA = H_P + H_Z–H_f–H_VP
= 34 + 0.7–3.6–0.84
= 30.26ft H₂O = 9.22 m

1. 當泵浦的運轉點為4kg/cm² 142.0m³/h時，NPSHR為10.5mH₂O，但NPSHA為9.22mH₂O，不符合NPSHA-NPSHR > 0.5m之設計規範。
2. 當泵浦的運轉點為5.0kg/cm² 134.2m³/h時，則NPSHR為8.5mH₂O，相校NPSHA為9.22 mH₂O，可符合NPSHA-NPSHR > 0.5m之設計規範。

結果與分析

故障原因分析

孔蝕現象(cavitation)：在泵浦的運轉中，由於吸水高度過大或轉速過高，而使泵浦的最低壓力小於同溫度所對應之飽和蒸汽壓力時，會產生氣泡，而當氣泡隨流體流至壓力高於同溫度所對應之飽和蒸汽壓力時，氣泡會破裂，此時流路壁面受到極大之壓力波衝擊而造成損害，同時伴隨著噪音、震動及效率降低，此種現象稱為旋渦真空或孔蝕現象。

經過F12P2的泵浦性能曲線的繪製與噴嘴需求的水量&壓力計算後，依照關聯性研判其故障原因，分如下述：

• 在泵浦出口管路沒有安裝壓力錶，所以無法了解泵浦的實際工作點，但可以由噴嘴端知道壓力後推測水量，但無法調整工作點，造成工作點與設計不同而沒有發現。（規劃與建造問題）
• 依管路上的壓力錶推估泵浦工作點落於4.0kg/cm² 142.0m³/H，NPSHR需求為10.5m-H₂O，但NPSHA<NPSHR，造成進水有氣泡，而氣泡撞擊葉片而產生龜裂現象。（建造問題）
• 水槽水面沒有高於泵浦的葉輪，造成運轉前泵浦內無法注水而存有大量空氣，這樣的氣塞現象導致泵浦無法建立壓力，並將造成軸封容易損壞。（以往沉水式泵浦不須考量，但直立式泵浦需先注水）（規劃與建造問題）

實際故障情形判讀

會同工程公司拆開泵浦後，發現葉輪故障現象與我們推測相同。由於泵浦實際的工作點已超過NPSHA與NPSHR曲線的交叉點，NPSHA小於NPSHR，使得水中氣泡撞擊泵浦葉片，葉片因金屬疲勞而龜裂損壞，此外葉輪因變形導致動平衡產生異常，形成嚴重的震動造成軸心卡榫鬆動葉輪鬆脫，這樣就會使得壓力與流量下降，其因不平衡產生的震動更造成水槽周圍樓地板產生共震現象。（如 圖十所示）

對策擬定

水在固定溫度下具有一定之飽和壓力時，會使水蒸發成為水蒸氣，而在泵浦吸入端至葉輪間會存在一壓力損失，而克服泵浦內部的壓力損失所需的吸入壓力稱之為NPSH；泵浦所需NPSH值如不足，即會使水在泵浦吸入口蒸發，而形成氣泡，這些氣泡送到泵浦出口時，因壓力昇高，使氣泡崩潰，造成泵浦內部震動，發出低隆隆的噪音，更使葉輪表面形成麻點或侵蝕的機械損害或是葉輪的應力損壞。依照泵浦NPSH的檢討、故障情形此應為主要因素，雖然泵浦可以改安裝在水槽的外側來改善NPSHA，但考量滲水的風險和走道空間的要求而不能採行。（如 圖十一所示）

我們訂定的可行對策如下：

• 泵浦出口增設壓力錶與球閥，並調整泵浦出口壓力為5.0kg/cm²以上，最終的噴嘴系統壓力目標值為3.0kg/cm²以上。（降低NPSHR需求）
• 泵浦底座高度由340mm下降至140mm，使得葉輪在設定液位高度下可充滿水。
• 對泵浦部分，損壞的葉輪及軸心重新更換新品。

對策的執行與驗證（如 圖十二、圖十三、圖十四所示）

結論

在PIP考量下無法得到原型機的相關設計資料，但卻因為泵浦故障造成運轉的風險，使我們積極的設法研究外氣水洗系統，並且找到有效的改善對策，在工程公司瞭解後願意進行修改，經由第一台MAU06開始執行改善與化學實驗室的驗證，泵浦轉動的震動值也由3.8~4.3mm/sec下降至1.2~2.1mm/sec，尤其化學實驗室驗證AMC去除效率亦在95%以上，並且遠低於3ppbv。

由於噴嘴端的壓力需維持在3.0~3.2kg/cm²，依此調整泵浦出口壓力，實際的運轉值為5.8~6.1kg/cm²，顯示出泵浦與噴嘴的型錄資料在兩者搭配運轉後是需調整修正，而這樣的調整泵浦NPSHR已由8.5m H₂O下降至6.5m H₂O，已甚小於NPSHA 9.22m H₂O的需求。

我們持續觀察第一台改善的MAU-06 外氣水洗泵浦，經3/17運轉至7/06為止達三個月餘，泵浦出口壓力仍然是穩定的維持6.0kg/cm²，噴嘴系統壓力則為3.0kg/cm²，並沒有下降的現象或趨勢，顯示這樣的改善是有相當良好的成效。

藉由這次經驗的延伸，工程公司於 F14P2 MAU改採立式線上型的泵浦，避免NPHSA與空間上的問題，對我們公司亦是重大收穫。此外針對泵浦系統的規劃設計與現場安裝試俥驗證程序，應該注意下列事項使泵浦穩定的運轉：

• 泵浦選用應注意用途、水量、壓力、NPSHA、運轉及維修成本。
• 泵浦出口管路上應安裝壓力錶，做為確認與調整泵浦工作點的依據。
• 泵浦出口應安裝閥件做工作點調整的裝置，以平衡閥為優先選擇，而球閥亦是變通的做法；但不應安裝“蝶閥”，因為蝶閥的流量是非線性，一般約3~5格即可達全流量的90%，且僅有9~10格的選擇位置，所以非常不容易調整成所需要的流量。
• 泵浦處可放置性能曲線資料，並標定設計與實際工作點位置供相關操作人員檢查與調整的參考。
• 特別是泵浦的葉輪一定要被水所注滿，尤其在排水或維修後更應詳細檢查以避免泵浦因為空轉而損壞。