排氣風管結晶清潔新技術

前言

2012年5月南科十四廠五期開始大量安裝機台，第一台「濕式蝕刻」（以下簡稱Wet）機台於5月17日進機，開始了新的製程。生產從開始至今，Wet製程所產生的抽氣結晶問題始終困擾著各廠，無有效率的方法可解決此問題，其中又以「高溫硫酸」（High Temperature H₂SO₄）機型所發生的頻率最高，深入了解後，如 圖1流速模擬圖可看出風管於彎管處之流速最低，其沉積情形應較為嚴重。經由 圖2發現從機台端氣水分離盒→PP塑材管→廠務抽氣風管→風車入口風門皆可發現結晶的情況，其中廠務抽氣風管堆積情況甚為嚴重，需一週清理數次。因此我們先將高溫硫酸機台類型列為本篇研究對象，先就其機台特性及化學特性進行評估及探討。

文獻回顧

將風管結晶刮取碎屑進行定性分析，所分析物質為銨根及硫酸根離子，接著查詢Caro's High Temperature H₂SO₄此類型機台製程中所使用的化學藥品 表1為硫酸(H₂SO₄)及氨水(又名氫氧化銨，NH₄OH)，其化學式反應如下：

2NH₄OH+H₂SO₄→(NH₄)₂SO₄+2H₂O ......................式(1)

由氫氧化銨和硫酸中和後得硫酸銨成品，如 表2所示，可得知其化學特性為酸性、結構不緊密且易溶於水，嘗試以敲擊與沖洗等方式將其溶解排出以得到良好壓力控制。

如 圖3中所示，發現系統壓力因為機台製程中所含酸及鹼的成分，於風管處產生結晶物的沉積於風管端而導致壓力會有下降的趨勢。我們依照以往運轉經驗，先將風管區分成三大區塊並訂立清潔週期，如 圖4所示，使壓力維持基準達到系統穩定及良好的壓力供應品質；每週兩次至風管處進行管路清潔(風管振動及清洗)，若以每次清理主系統風管3小時、二次配風管2小時計算，試算表如下：

主系統風管清洗及調整工時估算：

工時 / week

　　= 3 hour / times× 2times
　　= 6 hours / week

工時 / month

　　= 6 hours× 4weeks
　　= 24 hours / month

二次配清洗及調整工時估算：

工時 / week

　　= 2 hour / times× 2 times
　　= 4 hours / week

工時 / month

　　= 4 hours× 4weeks
　　=16 hours / month

如 圖5所標示，統計平均每週進行壓力微調約有65%，是因為結晶沉積而必須進行調整，不但造成值班人員的負擔，更可能影響生產的良率及粉塵顆粒的風險。

結晶清潔手法介紹及演進

風管時常會因為製程關係造成結晶阻塞，因此風管的清潔就顯得相當重要。根據經驗法則及流體力學原理，結晶生成於風管擾流及低流速的地方，即為風管彎管處及風門被風處為結晶最常沉積的地方，以下就要介紹從以前到現場風管結晶清潔手法及演進流程，如 表3及 圖6、圖7所示。

震動法

此為最常見的結晶清潔手法，人員利用香檳槌敲擊風管彎管及風門的法蘭處，藉由震動傳導使結構不緊密的結晶震碎為小顆粒狀後隨著抽氣系統帶至中央處理系統進行處理。此方法缺點為結晶清除不完全及人員受限高度無法於所有結晶處進行敲擊。

人員揹負式灑水沖洗法

此構想源自於農藥噴灑機，清潔人員將水裝置儲存桶內，儲存桶下方有馬達可進行抽水，而後人員需爬至需清潔處將灑水噴頭放入清潔測孔後，開啟灑水馬達即可進行作業。此方法缺點為受限於空間位置及人員須爬至高處方可作業。

移動式灑水沖洗法

此方法由人員揹負式灑水法演進而來，經過改造儲存桶，灑水效率及作業風險大幅降低，人員無需跨坐於風管上進行作業亦無須時常往復加水進行清潔。缺點為需兩人作業並使用合梯方可進行作業。

固定式灑水器

圖6為本文主要講述方法，將移動式灑水進行再進化，安裝固定式灑水機，藉由管路將灑水頭安裝在風門處，人員不需高架作業，只需操作控制盤即可進行風管清潔。

拆管清潔法

針對灑水無法清潔的地方，長期累積產生堅硬結晶，敲擊、水氣也無法消除。此時即可利用拆除管路將其分段拆除後進行清理，再將其組裝。缺點為工程費用昂貴及人員作業風險。

計畫方法

依據 表2特性，我們分別對結晶的問題加以研究討論，依據3W1H法則先進行問題釐清。

由 表4所示，可以歸納分析出以下論點：

• 生成影響(what)：影響風管壓力，因風管結晶累積而長時間下降。
• 生成位置(where)：在流速慢、濃度高及有障礙物處堆積。
• 生成時間(when)：長時間生成且依據用量濃度決定。
• 生成情況(how)：累積且持續。

接著我們將問題鎖定在風門處，思考清洗作業人員每週爬至風管上進行清洗，不僅危險、耗時且清潔時效有限，在經過討論後孕育產生了灑水清洗器的概念。

在進行風管灑水前，必須對風管排水進行評估以確保灑水時能維持排水順暢而不影響風管壓力。研究原排水管之斜率無法應付常態性噴水所產生的水量，因此針對排水管進行改造：

• 管路過長無洩水坡度→製作良好排水斜率(1:100)
• 跨距過長造成管路凹曲→將風管每段長度由3公尺改成2公尺
• 水封高度設計不良→改善水封進出口高度差

接著針對風管灑水的相關參數進行討論：

• 灑水方向：順向、逆向、垂直噴

參考文獻^[1]針對灑水頭垂直及逆向進行實驗，如 圖8發現雖然逆向灑水有較佳的清理結晶效果，但是於業界使用卻有其困難性，其灑水頭表面容易附著結晶微粒降低清潔效果，因此決定設計噴頭為順向灑水。

• 灑水頭及牙口尺寸進行討論：

如 表5針對風管內量測風速約為10米，灑水口距離風門處約為50公分，考量灑水擴散角度及風門位置後，選用灑水角度120°及8”牙口，經計算其灑水距離可剛好噴至風管處。

結果與分析

從一開始風管結晶只能求助拆管進行清潔，演進到人員揹負灑水設備清洗，到推出第一代風管清洗器取代人工水洗或拆管清潔，不僅sub-main壓力震盪幅度大幅縮減近70%，壓降週期也有大幅縮短。

接著我們分析抽氣壓力資料發現抽氣壓力標準差由27.6下降至13.9，收斂約50%；壓力震盪範圍由130.0 pa下降至40.9 pa，收斂約70%。由 圖9可看出進行自動清洗時抽氣壓力表現相對穩定，且可長期有效控制風管壓力。

結論

在製程的演變上推陳出新，廠務的設備及解決問題的方法亦需要不斷的思考改變。在清理結晶的問題中，從敲擊、揹負式灑水，演進到移動式灑水以致本篇最新技術固定式灑水，顯示出在結晶問題的解法中吾人亦須不斷的改善及創新。固定式灑水主要是彌補先前方法的不足，包含安全性、效率，以及作業方便性皆有大幅的提升，在20奈米濕蝕刻的高溫硫酸新型態機台所衍伸出的結晶問題解決方式，推出創新方式灑水機進行問題解法，或可提供業界同仁們參考。