光離子化偵測器在潔淨室內空氣分子污染物即時監控的應用

前言

半導體精密製程演進快速，潔淨室生產環境的潔淨度要求日趨嚴苛，AMC控制為關鍵技術之一。縱觀整座潔淨室，其污染源概括分作兩類：其一、經由外氣引進或內部作業所產生，污染物主要源自於本身或鄰近廠煙囪排放、汽機車或發電機啟動、廢水處理過程之氣體逸散等；其次為內部作業所產生，包含：機台及廠務系統之維修保養、濕式酸槽機台逸散、設備與內裝材料釋氣及製程排氣或製程氣體管路洩漏等；由於可能的洩漏源遍佈各區，AMC監控的重要性自然不言可諭。

圖一、AMC 主要分類

文獻回顧

參考ISO-14644-8:2013^[1]定義及參考臺灣高科技產業現況，最新報告明白指出，影響半導體產品良率有四大因素，其中以環境中AMC為造成良率降低(yield loss)的最大原因。由於AMC在潔淨室內存在濃度極低，往往都在數個ppb(v)甚至sub-ppb(v)濃度區間。濃度雖低，但其仍影響半導體先進製程良率^[2]，隨著半導體製程的後續發展，製程設備內部微環境濃度管制規範將逐步下修，不同的量測技術或應用亦隨之更新。

國際半導體設備暨材料協會(SEMI)對潔淨室環境品質建議納入SEMI-F21標準內，並將主要的污染分成四大類：

• 酸性分子污染物(Acids, Class MA)
• 鹼性分子污染物(Bases, Class MB)
• 凝結性有機分子污染物(Condensable, Class MC)
• 摻雜性分子污染物(Dopant, Class MD)

半導體製程各區污染物不盡相同，如 表一所示，而其對產品的危害亦有所差異，常見的危害包含化學研磨區(CMP)晶背腐蝕以及黃光區(Litho)光學鏡片霧化。

潔淨室內AMC污染來源有很多，不同類型污染物會對製程造成各種不同的損害^[3]，而這些損失每年可達新台幣數十億至數百億。在實務上的管制與分析，除了選擇合適的分析方法外，監控系統的架構、量測的頻率也具有重要的影響；必須針對污染物濃度及分類，針對不同製程生產可能產生的污染選擇合適的量測儀器，並根據製程需求提供即時或批次的監控系統。

其中，在MC (VOC)監控儀器部份，常見的商規產品PID、GC-FID及GC-MS，如 表三所示；明顯可看出PID具有較佳的量測周期，可在相當短的時間確認偵測區域是否遭受到MC的污染，配合濃度等高線圖，以逆運算法計算污染源所在位置^[4]，提升監控架構的價值。

計畫方法

原有監控儀器GC-FID分析時間較久，在污染的發生、污染源位置無法及時得知，因此，本案將分別針對儀器自身的規格與污染監控的有效性進行探討，以作為未來監控系統發展的基礎。

Baseline PID偵測器為本案研究標的，其詳細規格如 表四所示。

經過廠外初步測試，配置如 圖二所示，並輔以手持式量測儀(RAE-3000)進行比對，測試結果發現，當污染物被釋放時，數秒內，Baseline PID與RAE-3000均即產生反應，如 圖三所示。

圖二、潔淨室內PID 偵測器與污染物釋放源相對位置

圖三、廠外測試比對方式與監控軟體運作配置

結果與分析

根據初步測試結果可得知，PID偵測器的特點在於短時間內分析出高濃度VOCs的變化（可測得50ppb變化量），但在極低濃度（10ppb的變化量）的測值較不具代表性；根據其特點可得知，PID偵測器適用於高污染區域的捉漏(Trouble shooting)以及低污染區域的環境背景監測。由於初步測試的區域潔淨度較差，與既有廠有相當程度的差異，因此本章節將持續探討高潔淨度的環境測試，以評估該系統用於潔淨室內的可行性；由於乾式蝕刻在過去有不少VOCs案例，如 表五所示，因此選定該區為主要測試區域。

其次為系統架構，由於偵測器的設置方式相當重要，因此本案假設了兩種配置方式：

• 擴散式：PID偵測器直接配置於潔淨室高架地板下。
• 抽氣式：在潔淨室高架地板下設置採樣管，再將樣品輸送至放置於附屬製造區的PID偵測器。

比較這兩種配置方式對甲苯在100、150、200ppb濃度的反應速度，結果發現抽氣式的配置方式雖然多了採樣管(~50m)的管損，但仍比擴散式容易達到標準樣品濃度，測值也較為穩定，如 圖四所示。除此之外，未來偵測器保養校正的難易度亦為系統設計的重要因素，因擴散式偵測器配置在高架地板下且位置分散，保養校正與故障排除程序較為複雜，故即使抽氣式多出採樣管路與採樣泵浦的費用，仍建議採抽氣式作為後續系統測試架構。

圖四、不同偵測器配置下（擴散、抽氣式）VOCs 監控結果

根據某既有廠乾式蝕刻區進行PID系統規劃，以高污染源機台較密集的走道每隔一台機台設置一點取樣管路(GET-H/GET-I Bay)，而低污染源機台則每隔二台機台設置一點(GBB-A Bay)，共設置十六顆偵測器進行系統測試，實際配置如 圖五所示。

圖五、PID 偵測器配置圖面

測試後發現PID系統針對設備使用異丙醇、丙酮進行機台的擦拭保養的反應十分敏感，若設備在進行保養時防護未落實，該系統就會偵測到明顯的濃度變化。以 圖六結果顯示，GET-H31機台PM的人員，於14:52:47開始造成該點的VOC濃度上升至80ppb以上（廠內巡檢VOC合格值<40ppb），而在14:58:09 VOC測值回到背景值，顯示該機台保養時確實有使用有機溶劑且沒有進行有效防護，所以短暫影響到潔淨室的環境，但是影響範圍並沒有擴散到全區域，只影響到鄰近的機台，經Online GC-FID的歷史資料顯示，如 圖七所示，該次PM並未造成影響到該區背景值（亦即該問題無法藉由Online GC-FID得知）；因此，PID系統在監控上確實有不錯的效果。

圖六、乾式蝕刻區VOC 濃度等高線圖

圖七、乾式蝕刻區Online GC-FID 歷史濃度趨勢圖

結論

以到現在收集的資料結果來看，目前的PID即時偵測器系統在高污染源區域的捉漏效果良好，且能快速掃描出VOCs高濃度的熱點，確認VOCs污染影響的範圍與時間，較現行使用的Online GC-FID來得及時、準確，建議未來新建廠區可以採用該系統，以提升潔淨室VOCs微污染控制的掌握度。