新建廠潔淨室氣態分子汙染監控技術之應用實務

前言

半導體製程中的潔淨室所能容忍的汙染物濃度極低，但在建廠期間因為各種施工（例如土建工程及內裝材料等）釋出大量汙染氣體，對於廠房的環境品質有嚴重的影響。為了在建廠完成後順利移交工廠運轉，必須有效應用即時儀器量測系統(Inline monitoring system)以及人工採樣分析法(Offline analysis)之監控儀器，完整地掌握汙染物種類與濃度分布，進而協助工程人員執行有效的改善對策，提早讓新廠潔淨室AMC降低到既有廠的基準規範值(Baseline and one sigma match)，如期讓設備進行裝機，達到製程生產的目的。

AMC種類

氣態分子污染物歸納為五類，如 圖一所示，其定義為酸(Acids，簡稱MA)：包括鹽酸、硝酸、硫酸、氫氟酸等；鹼(Bases，簡稱MB)：包括氨、HMDS、TMAH、NMP和胺(amines)等；可凝結物(Condensables，簡稱MC)：指常壓下沸點大於室溫且會在表面凝結的化學物質，但不包含水；摻雜物(Dopants，簡稱MD)：可改變半導體物質之電性的化學元素如硼、磷、砷等；以及其他未分類物(no classes)。

圖一、AMC 五大類^[1]

環境監控儀器

建廠時期，妥善應用偵測潔淨室環境汙染的監控儀器，無論在定性與定量皆能有效掌握發生的時間與頻率，透過分析結果可以全盤了解空氣品質的控制方向，進而快速建立優良的環境。有關各種儀器的介紹如 表一所示。

潔淨室欲形成循環氣流，必須透過外氣空調箱建立的外部循環以及風機過濾機組維持的內部循環，如 圖二所示。圖中明確標示各監控儀器與去除設備的應用位置，詳細說明如下。

圖二、潔淨室AMC 去除設備與量測儀器位置示意圖

• 外氣空調箱的風車(Fan)將外氣(Outside Air)帶入，經由化學濾網及空氣洗滌機(Air Washer)進行初步AMC的過濾。
• 應用TAPI TS/NH₃ Analyzer在進入端量測外氣的氨和總硫化物之原始汙染值並與出口端過濾後的量測濃度作比較，進而瞭解化學濾網的壽命並調整濾網更換週期以及空氣洗滌機的水洗效率。
• 內部循環透過裝有化學濾網之風機過濾機組將氣流引進潔淨室三樓，在室內有三種儀器作量測：一、空氣採樣幫浦(Impingers)收集環境MA、MB及MC濃度；二、離子移動率光譜(IMS)量測氨和鹽酸濃度；三、氣相層析－火焰離子偵測器(GC-FID)瞭解總有機碳(TOC)濃度。
• 游離偵測器(Portable-PID)能協助稽核人員即時找出揮發性有機化合物的發生源，並配合過濾鼓風機進行過濾，最後室內氣流經二樓到左右側混風區(Return Air Shaft)與外氣混合再次進行新的循環。其中化學濾網的過濾物質以氨(NH₃)、硫化氫(H₂S)、二甲基硫(DMS)、揮發性有機物(VOC)、二氧化硫(SO₂)以及二甲苯(Xylene)為主。

透過上述完整的監控流程，能有效地從外而內控管AMC，大幅降低異常的汙染風險，另外因潔淨室的製程種類眾多且分布不同面積，必須有充足的採樣點位數量，以便監控及確保環境品質。

AMC監控品質管理

我們引用美國品質管制專家戴明(W. Edwards Deming)提出來的PDCA循環概念來建立AMC監控的管理計畫，如 圖三。依工程需求，一、計畫(Plan)方針與目標，瞭解內容，二、執行(Do)計畫中的內容，三、檢察(Check)執行成果，找出問題點，四、行動(Action)，改善問題點，將成功方法標準化避免重蹈覆轍，最後若有新問題再以新的PDCA處理。同時，應用義大利經濟學者帕列托(Vilfredo Pareto)提出的80/20法則，可讓品管過程，花費最少的力氣，創造最大的價值。

圖三、AMC 監控品管應用PDCA 示意圖

品質管理上另有一重要環節為稽核人員與廠務工程師的密切合作，必須在確定生產機台搬入前三個月，開始在其他成廠區培訓稽核人員，以便及時加入建廠階段控管AMC。稽核人員使用光游離偵測器隨時監控任何AMC事件，問題一出現立即作初步處理，例如使用過濾鼓風機，同時回報至工程人員，以便後續處理避免汙染擴大，造成過濾系統壽命降低，故稽核人員的靈敏度是非常重要的一環，廠務工程師必須定期透過稽核管理制度以及訓練管理制度強化稽核人員的敏感度及稽核能力，如 圖四、圖五。另外，為了防止任何物料及工具在進入潔淨室時釋出汙染分子，稽核人員在潔淨室入口處設立AMC管制站進行檢測，當檢測結果不符合規範時，必須移至物料過濾區(Purge area)進行過濾以降低濃度。

圖四、稽核管理制度

圖五、訓練管理制度圖

建廠初期，潔淨室的汙染源大都來自為了解決地面平整與接縫的環氧樹脂防塵塗裝(Epoxy)、風管與水管組裝時的接合溶劑、一次配裝機工程(Hook up)的影響、自動化物料運籌系統(AMHS)裝設工程、防火填塞、油漆等，除了運用過濾鼓風機，我們加強外氣空調箱的運轉頻率以及啟動一般排氣管(General Exhaust)與火災排煙管(Calamity)，甚至將潔淨室對外逃生門開啟，以增加潔淨室換氣次數達到稀釋的效果。後期欲快速降低AMC有三大重點手法：定期更換風機過濾機組上方的化學濾網、適當運用外氣空調箱內的空氣洗滌機以及適當時機安裝外氣空調箱內的化學濾網。上述提及的過濾鼓風機與空氣洗滌機之作用說明如下。

過濾鼓風機 (Purge fan or Fan cart)

如 圖六為短效性裝置，必須搭配三合一濾網使用，過濾物質為氨、總硫化物、總有機碳。可協助工程人員針對局部汙染加強過濾，機動性高且效果顯著，亦放置於物料過濾區(Purge area)來清除含汙染分子的管制物料。

圖六、（左）中型過濾鼓風機置於物料過濾區；（右）小型過濾鼓風機應用於潔淨室

 

 

空氣洗滌機 (Air washer)

位於外氣空調箱內，構造如 圖七，透過去離子水(Deionized water)，配合適當的導電度值能夠大量吸收氨和二氧化硫，達到降低水溶性AMC效果。

圖七、空氣洗滌機構造

綜合上述品管方法，本文根據實際總體建廠進度，規劃三個時程階段，說明施工過程AMC污染，同時搭配監控儀器以及採取適當的管理辦法，如 表二。

透過一系列的AMC品管手法，由監控儀器量測之氨與總有機碳濃度趨勢，成功地在生產機台搬入前直接達到one sigma matching的標準，如 圖八所示，同時驗證AMC品管方法的有效性。未來，潔淨室在外氣空調箱穩定的供給下，除了持續降低外部汙染，內部必須作更嚴謹的稽核管制，例如濾網更換週期、管控汙染發生源、精進的處理手法等，如何在成廠後維持高規格的生產環境以及one sigma的標準，是我們必須長期克服的一大挑戰。

圖八、建廠過程中氨與總有機碳濃度在AMC 品管下之變化

結論與建議

監控儀器

現階段Air Sentry II-IMS和GC-FID皆屬於固定式之監控儀器，採樣方式為同一時間內僅採樣一個區域，其他區域皆為空窗期，如過程發生異常汙染，再以Impinger採樣分析，早已擴散至整個潔淨室，往往緩不濟急。接下來的工作尚需建立移動式的AMC即時偵測分析儀，主動偵測汙染源，同時建立資料庫程式比對，篩選出生產或使用何種化學品或氣體的可疑機台，最後由診斷軟體進行定性與定量分析，以提供更具效力的監控，這將是未來的重點研究目標。

新建廠房

未來新建工程除了依循歷年建廠所累積的實務經驗外，仍需持續朝向以低成本（例如減少化學濾網使用量）及快速降低建廠期間的AMC污染濃度為目標。尤其是工期壓縮時，如何妥善安排工序以分區提早結束高污染作業、逐漸降低污染濃度，以及如何有效地管理AMC，仍是建廠團隊的一大挑戰。