研磨液之雙氧水即時量測技術進化

前言

即時性的雙氧水（H₂O₂）滴定儀 （ATRs）於原廠設計，是利用六向閥（6-way valve） 圖1將含有雙氧水的研磨液（slurry）定量後，利用步徑馬達 圖2推動裝有半氟橡膠（Viton）材質O型環（O-ring）的螺桿（piston） 圖3，將固定之微量硫酸鈰（Ce（SO₄）₂）滴定入反應槽 圖4，和研磨液中的雙氧水進行反應，並利用總共推進的硫酸鈰體積量，回推計算出雙氧水的重量百分比。

其中，ATRs部件內，尤以六向閥以及Viton O-ring最常出現問題，目前已經是各研磨系統課有使用此機型的頭痛宿疾，發生過的歷史事件諸如：六向閥的塑膠墊片因為經常性轉向作動而產生磨耗，造成定量失準以及漏液、六向閥汽缸推進異常，沒有完整轉向造成取樣異常、六向閥取樣溝槽結晶造成定量異常、O-ring 因為應力擠壓變形，使得硫酸鈰推進異常……等等，造成機台端每日出現許多品質警報，往往需要耗費大量人力、時間進行部件檢修(PM)，以及分析師進行手動滴定量測以進行問題真偽排除。若能想出一勞永逸的方法減少不必要的機台警報，將這些工作負擔減輕，便能增進廠務運轉效率及研磨液廠駐(TSM)人員工作效率。因此本文利用下述三項改善手法以解上述之宿疾：

• 消失的六向閥
• 新式piston & 外穿式O-ring
• ATRs減量滴定，軟體計算優化

十四B廠廠務端一年硫酸鈰的使用量及花費高達兩百五十萬，而硫酸鈰滴定的使用量正比研磨液取樣量或者雙氧水含量，其中雙氧水含量不可變動，而他廠已有進行取樣減量的做法，但伴隨而來的副作用是滴定結果會變得相當不穩定（誤差±0.005%），使得這塊餅看得到卻吃不到。以下便以上述之三項目標進行改良實驗設計。

實驗設計與分析

此章節將分成三個部份，針對六向閥和螺桿組進行新概念設計、硬體改造，以及ATRs 軟體計算進行驗證和優化。

消失的六向閥

以往針對問題的改善做法常常都是利用加法，比如說額外加閥件或者改管等作法，而ATRs宿疾問題大多數都環繞六向閥，因此，反向思考，若能夠直接拿掉六向閥，以其他方式進行定量，並能夠達到一樣的穩定偵測結果，則能達到一勞永逸之成效。

在設計概念上，將原本經過六向閥的取樣路徑 圖5，直接藉由閥件開關的滯吸力進行定量 圖6，並配合將定量管尾端拉出毛細管 圖7，使slurry在管內的附著力被強化，便可進一步避免因為閥件開關的瞬間壓力，可能使得定量管內部分的slurry被回拉，而影響定量準確度。

原本系統運作的軟體作業碼(recipe)也必須進行修改 圖8、圖9，將取樣(sampling)步驟提前至第一次洗空(empty cell)之後，並且最後滴定結束後，再加入兩道送水程序(transfer)進行定量管清洗，徹底將定量管以超純水(DI)洗淨，如此才能符合實際運作邏輯。

新式Piston及外穿式O-ring設計

一般來說，Viton材質的O-ring會依據其規格，摩擦係數介於0.25~ 0.60，蕭氏硬度(D-type)小於D30，由於硬度偏低、摩擦係數相對較高，其因為日常滴定（每日約20次左右，用量越大次數越多）進行螺桿推進、回拉動作而造成O-ring擠壓變形；針對其他高分子作調查，比較其物理特性後，選了兩項摩擦係數較低且不會使得成本過高的材質進行實驗–聚乙烯(PE)、鐵氟龍(PTFE)，如 表1。

此部分設計的理念，目的要盡可能地延長PM週期、降低人力成本，因為現實不存在不損壞之素材，而若要製作全高分子的O-ring，又會使得製作成本大幅上升，人力成本降低的效益便會大打折扣，因此運用市面包覆式O-ring的概念，此處材料不需要到精細包覆的程度，直接利用原本Viton O-ring的體積，再其外穿上一層硬度較高，摩擦係數較低之定模「高分子盔甲」 圖10。

而此新設計之外穿式O-ring，由於無法利用原本的Piston進行安裝，並且原廠的Piston取液口，其設計是面口向內的圓錐型，所以取液口實際是高於O-ring安裝處，若當O-ring密合度發生異常時，便會明顯造成步徑馬達計算的推進量和實際滴定量不符合的狀況，就會有數值異常問題；因此，針對此問題，將Piston的取液口修改成向外突出而內徑不變的圓柱頭(suction head)，並且在前端做出微縮，避免外穿式O-ring裝上後，會因為步徑馬達回拉而脫落，如 圖11，實際安裝結果，如 圖12。

ATRs減量滴定，軟體計算優化

廠內使用之硫酸铈為相當高價的化學品。此藥劑於ATRs之使用量正比於slurry的定量，目前使用的是原廠1毫升定量管搭配六向閥使用。其他廠區曾提出將定量管縮減便能達到減量之成效，但此減量實際應用時，對滴定結果會產生雙氧水量測穩定性不佳之問題，造成品質圖(trend chart)被監控單位挑出檢討，反而增加廠務人員工作負擔 圖13。

基於懷疑立場，直接檢驗ATRs的歷史資料，取21筆資料出來，將每一筆當量點，扣掉上一筆當量點作出折線圖可發現，平均每筆滴定，硫酸鈰的使用差異量是落在0.0003~0.0005毫升之間 圖14，小數點下四位，這意味著每次的滴定誤差是非常微量的，但為何卻造成同一鍋研磨液之雙氧水 trend chart有0.005，小數點下三位以上的誤差產生？表示軟體計算方式，必須深入檢視。

因此，檢視ATRs軟體計算結果，可以發現其H₂O₂數值公式為：

(參與反應硫酸鈰量+硫酸鈰預加量)×Factor= H₂O₂數值(%) ........... 式一

由上式我們可知，無論是何種雙氧水濃度的slurry，滴定結果都一樣需要乘上修正常數(Factor)才會變成測定的雙氧水濃度值。此因原廠自動滴定儀是設計給多種化學物品使用，但每種化學藥品的減量線並不相同，換言之，若取樣濃度不同，便會需要利用factor去修正滴定結果。從上述之公式，表示前一筆和後一筆滴定的變化值會等於：

(硫酸鈰滴定差異量)×Factor=每筆滴定雙氧水變化量 ........... 式二

而當取樣量減半，對同一種研磨液而言，雙氧水的含量是固定的，若軟體計算要得到一樣的濃度值，則必須將factor放大兩倍，然而，從 圖14便已知，硫酸鈰的滴定差異量是固定的區間，因此，就公式二可知，當factor被放大，變化值也就會跟著放大，此證明為原廠系統的計算方式造成此誤差結果。

因此若取樣量減半，並要維持原本的量測的雙氧水變化量，則factor數值必須要和減量前一樣。本文改變滴定儀「計算程式」中的硫酸鈰預加量(offset)，而不改變「作動程式」 螺桿步徑馬達的實際推進量 圖15，所以不會影響實際滴定的真實性，便可維持取樣減半後的factor數值和減半前一樣。

圖16人員實際改機流程說明，根據結果可知，變化值會因此放大。

在軟體設定中，放大ATRs硫酸鈰預加量的「計算值」，將假想數值設定，使得Factor等於執行定量減半前，但實際動作設定，螺桿預加硫酸鈰設定量不去做改變；依 圖16例子，將計算程式中，硫酸鈰添加量改成4.00，如 圖17說明，則取樣減半後，修正常數便會和減半前一致。

結果與討論

將六向閥移除的理念，已成功安裝並實踐；而新式piston以及外穿式O-ring安裝了九台；ATRs軟體優化的方式則已驗證。

ATRs 消失的六向閥之成果

實際機台測試點數已超過八個月，此期間除了因為電極電壓值異常進行更換、以及槽車雙氧水濃度變化造成的trend chart起伏以外，平常雙氧水滴定之結果，是改造前、後不變。除了O-ring PM外，未曾有過任何相關H₂O₂警報，相較於2015年同一廠區因為六向閥而造成之警報共四百餘次，若此法能全面施行，相信可大幅減輕廠務運轉壓力。

另外，H₂O₂ trend chart曾被質疑是否有太過穩定而呆機之狀況，因此有故意進行機台的惡化實驗：混酸異常操作。實際利用非供應端的桶槽，故意做出水比例偏多的研磨液，結果系統確實能逮到雙氧水濃度偏低的異常狀況並發出警報 圖18，證明不會因為太過穩定而呆掉，由以上之成果已證明將六向閥移除之概念已具有實戰之可能性。

新式Piston及外穿式O-ring之成果討論

過往因為O-ring之磨耗使得密合度異常，影響了硫酸鈰的滴定，最終使機台觸發ATRs的假警報（手動檢測正常），並且會和線上用量相關，用量越大、檢測越頻繁，便越容易造成問題，幾乎是每台一個月都會異常一次。計算2015年O-ring造成之相關警報高達576次 圖19，狀況排除之人力負擔龐大，亟需解決此問題。

此計畫之成果，總共已實驗十台，至目前為止，最長超過一年並無造成任何相關警報發生。本章節將以此超過一年之機台其雙氧水量測結果作主要討論。

安裝上新設計之Piston及O-ring組，此處使用的是「鐵弗龍材質」(PTFE)聚乙烯(PE)材質的測試結果，由於其蕭氏硬度較大(D68)，內層的Viton O-ring無法有效將其撐開，於推進或者回拉過程中，外層盔甲容易向內縮而造成密合度異常問題。此組合由H₂O₂的即時量測結果，可發現實驗前後的結果不變，並且安裝後至今最長已經一年又三個月未執行ATRs O-ring PM（包含上油或者更換橡膠環），並且雙氧水的量測結果皆因為此料件測試造成之異常狀況，預計全面更新之後，TSM和廠務人員工作負擔絕對可大幅下降 圖20。

ATRs減量滴定，軟體計算優化

此處作法，故意利用雙氧水含量較低之研磨液作測試，來加強驗證此計算優化的方法（雙氧水含量越低，若取樣減半更容易造成滴定不穩），機台原始的滴定數據，當量點硫酸鈰消耗約4.52毫升，預滴定量為零，雙氧水含量為0.760%；利用式一求出factor為0.1681，因此當取樣量減半後，factor會放大成0.3364，此時候的H₂O₂ trend chart出現許多異常突波，因此被監控單位挑出進行檢討 圖21。

於是進行軟體數據優化，將假想預滴定量設定於計算程式內，取樣減半後的當量點消耗量為2.26毫升，設定預滴定量為2.26，兩者相加後，系統便會判定當量點消耗量為4.52毫升，則factor恢復為0.1681，此時H₂O₂偵測穩定度便會恢復正常；另外，為證明不會因此修改而H₂O₂量測變成呆掉，故意進行雙氧水/slurry混酸比例異常實驗（雙氧水多加一些），結果一樣可逮到異常量測值 圖22，如此便可使取樣減半達到實戰性之使用，預計一年該廠區硫酸鈰的使用，可節省約250萬。若各廠能使用此法進行雙氧水量測取樣減半，每年節省下來的物料成本便會相當可觀。

結論

以上各項已成功實踐之作法，利用2015年的狀況計算，預計十四B廠一年人力可節省三千多小時、一年機台警報減量九百餘次、物料一年可節省五百多萬。此外並提升廠務運轉效率，不必花費大量時間處理假警報。廠駐人員不必一直取樣送測實驗室，以及進行ATRs的各項異常狀況排除，甚至原本ATRs的月/季/年保養，都可以不必執行，廠駐人員將可實現只要保養機台外觀之理想願景，相信對本公司有使用到ATRs的各廠人員，其工作效率會有顯著之幫助。