新型紫外線裝置對超純水總有機碳去除效率探討及效益分析

前言

半導體製造過程中，超純水（Ultrapure water，以下簡稱UPW）主要用於去除蝕刻製程殘留於晶圓上的化學藥品、化學機械研磨後的清洗以及去除微影製程的殘留光阻，以避免汙染晶圓^[1]。然而半導體製造技術不斷進步，元件線寬越來越精密，製造環境中微汙染物控制也日益嚴格，因此UPW的品質與製程良率有著密切關係，其中總有機碳（Total Organic Carbon, ，以下簡稱TOC）為重要水質指標之一，而UPW系統中的紫外線裝置（Ultraviolet，以下簡稱UV）單元是能有效降低TOC的關鍵角色。

因應製程對於UPW的要求，UPW製造技術亦不斷演進。本公司十四廠七期率先採用新型UV，本文針對新舊型UV TOC去除效率進行比較，參考對象為十四廠五/六期UPW系統，並針對使用新型UV所帶來的效益進行分析，以期作為後續使用廠區參考。

文獻回顧

超純水系統介紹

常見的超純水製造技術包含混凝沉降(Coagulation settlement)、物理吸附(Adsorption)、膜過濾(Filtra-tion)、離子交換(Ion exchange)、脫氣(Degas)、殺菌消毒(Disin-fection)，將上述製造技術依水質需求排列組合後即組成UPW系統^[2]。然而UPW系統可分成前處理系統(pre-treatment system)、一次純水系統(make-up system)及精煉系統(polishing system)三大部分來討論，前處理系統主要目的為過濾原水(Raw water)中的懸濁粒子或膠質粒子，確保後續處理單元能有效運轉；一次純水系統主要目的為去除水中大部分的離子、有機物、微粒子及溶氧；精煉系統主要目的為去除一次純水系統處理後殘留的微量不純物，製造出高品質的超純水供使用端(Point of use，以下簡稱POU)使用。為確保UPW在供水管路內能持續循環流動，因此進入POU前會配置UPW回水管路(UPWR)，將部分UPW回送至精煉系統。為確保POU各點供水量一致，因此採用reverse return管路設計，避免因短流導致不純物產生。POU使用後部分UPW經水質檢測合乎DIR允收標準，即可回收至前處理系統再利用，增加水回收率。UPW系統流程示意如 圖1。

本公司十二吋廠UPW系統單元流程如 圖2所示。原水經前處理系統多層砂濾塔(Multi Media Filter，以下簡稱MMF)過濾水中之懸濁粒子或膠質粒子後進入一次純水系統，再經活性碳塔(Activated Carbon Filter，以下簡稱ACF)、陽床/陰床樹脂過濾塔(Cation/Anion Exchanger，以下簡稱2B3T)、熱交換器(Heat exchanger，以下簡稱HEX)、逆滲透膜(Reverse Osmo-sis，以下簡稱RO)、UV、分層樹脂過濾塔(Strata Bed Polisher，以下簡稱SB-P)、脫氣膜(Membrane Degasify，以下簡稱MDG)等單元處裡後進入精煉系統，經HEX、UV、精鍊樹脂塔(Cartridge Polisher，以下簡稱CP)、MDG及超過濾膜(Ultra Filter，以下簡稱UF)等單元處理後供給POU使用^[3]。

總有機碳說明

水中的有機物都以碳、氫、氧為基本元素，依不同比例組合形成不同的有機物，從總有機碳之測定值可判斷水中有機物之污染程度。根據環保署全國水質偵測資訊網^[4]的定義，TOC為水體中可氧化的有機物全量，也就是指每公升水中有機污染物之碳毫克數，對有機物含量極低的水而言，測定TOC是檢驗水中含有機物量的極佳方法。在UPW系統中，能有效去除TOC的處理單元為ACF、RO及UV。

UV去除TOC原理說明

UV燈管是密閉的氣體放電管，當燈管通電時，藉由兩端的白熱燈絲引起化學反應放出電子，燈管內的水銀因高溫蒸發成氣體，水銀原子藉由氣體放電的過程釋放出紫外光，主要波長為254nm及185nm。所消耗的電能約60%可轉換成紫外光，其它能量轉換成熱能。UV主要用於殺菌，以254nm的UV殺菌效果最佳，另配合短波長185nm的UV可以有效分解水中TOC，其一般反應式如 圖3。

UV去除TOC的原理為，185nm的UV會裂解氧(O₂)轉換成臭氧(O₃)，經254nm UV進一步催化後產生氫氧自由基(OH^-)，氫氧自由基具有強烈的氧化作用可將TOC斷鍵，若有足夠的時間及能量，會產生一系列化學氧化反應，最後將剩下H₂O及CO₂，所以UV可有效降低水中TOC濃度。

由廠內TOC去除效果探討純水系統中UV的貢獻

UPW系統各單元對於TOC的去除皆扮演不同角色，前段單元將水中大部分的TOC去除，而中後段單元則將水質更進一步的精煉。十四廠七期UPW系統TOC實際去除效果如 圖4，由此圖可得知在TOC小於1ppb時，UV結合離子交換樹脂可以發揮良好的效果，使POU端水質能維持小於 0.5ppb的TOC濃度。

新舊型UV TOC去除效率比較

實驗方法

為比較新舊型UV之TOC去除效率差異，因此設計以下實驗方法，實驗地點位於十四廠七期超純水系統主承商之日本實驗室。以20ppb的甲醇溶液作為進流水，仿照超純水系統單元流程，進流水經UV照射後再進入混床樹脂以便攔截被斷鍵之TOC分子，在UV入口及混床樹脂出口架設分析儀器量測TOC讀值，即可計算出TOC去除效率。此外，為看出不同流量條件下TOC去除效率之變化，因此在繪製圖表上X軸以「單位流量所消耗之電力」(kWh/m³)來表示，Y軸以「TOC去除效率」(%)表示。 圖5為實驗方法示意圖。

實驗結果

圖6為新舊型UV TOC去除效率實驗結果，由此圖可知無論在何種流量條件下，新型UV TOC去除效率皆優於舊型UV。此外，新型UV使用一年後與新品的TOC去除效率無明顯差異，舊型UV使用一年後與新品去除效率差異大，平均約減少30%的去除效率。以單位流量消耗電力0.12 kWh/m³為例，新型UV新品及使用一年後皆有約95%的去除效率，反觀舊型UV新品去除效率約89%，使用一年後僅剩下55%。

若以使用一年後TOC去除效率仍維持90%的觀點來看，新型UV單位流量消耗電力為0.08 kWh/m³，舊型UV為0.28 kWh/m³，由此可知新型UV效能為舊型UV的3.5倍。

新舊型UV技術差異探討

新型UV有兩項改良指標，分別為UV照度維持時間延長及UV透射能力增強。照度維持時間能夠延長的主要改良為，新型UV燈管內壁使用無機物的塗佈(Coating)。一般而言，UV燈隨著使用時間的拉長，燈管會逐漸顯現茶褐色物質。此茶褐色物質為燈管內部與紫外線反應的生成物，而這些附著在燈管的生成物會吸收掉一部分的紫外線。塗佈的目的即為抑制這些生成物附著，進而延長UV照度的維持時間。

在UV透射能力增強的部分，比較新舊UV的石英外管(Quartz)，可以發現原料純度有大幅度的提升。新型UV使用純度更高的石英原料製作外管，故UV透射率變高，TOC的分解能力也比較高。以舊型UV的石英外管作為基準來比較時，可以發現新型UV的透過率高出33%。 表1為兩種型態的石英外管不純物成分及紫外線透過率比較。

新型UV效益分析

節能效益分析

由上述實驗結果可知，在相同TOC去除效率下，新型UV效能約為舊型UV的3.5倍，而由供應商所提供的資料得知，新舊型UV單一chamber的耗電量皆為6.7kW^[5]，因此可推論新型UV通過單一chamber的流量也會是舊型UV的3.5倍，如此一來使用新型UV後chamber數量將會大幅減少。以十四廠七期UPW系統為例，前段make up系統設計流量為770CMH，選用新型UV且假設使用一年後TOC去除率需達90%，由 圖6可看出對應的單位流量所消耗電力為0.07 kWh/m³（即單一chamber流量為95.71CMH），因此可計算出前段make up系統需要8個chamber的UV即可達到90% TOC去除效率。反之，若選用舊型UV，則需28個chamber才可達到相同效果。

表2整理出十四廠七期使用新舊型UV消耗電力及費用比較，舊型UV數量以新型UV的3.5倍推算，若有小數點則無條件進位，且考量系統N+1設計，因此以N為基準計算舊型UV數量。由此表格可看出，新型UV每小時總電力消耗為134 kWh，舊型UV每小時總電力消耗為382 kWh，使用新型UV每年約考節省電力210萬度，每年約可節省電費540萬元。

節省耗材更換成本分析

依照以往UPW系統運轉經驗，UV燈管(Lamp)需每年更換，石英外管(Quartz)及O型環(O-ring)每二年更換，而新舊型UV燈管單價差異較大，因此本節針對UV燈管進行耗材更換成本分析。

表3整理出使用新舊型UV耗材更換成本之差異，chamber數量依照 表2所推估之數量，新舊型UV單一chamber皆為40支燈管，單價部分以供應商報價為基準。由以下表格可得知，新型UV燈管單價明顯高於舊型UV，但因數量大幅減少，因此每年耗材更換成本仍可節省約100萬元。

廠內實際運轉表現探討

為探討新舊型UV實際運轉上之差異，因此本節將比較十四廠五/六/七期UPW系統UV的運轉表現，其中十四廠五/六期使用舊型UV，十四廠七期採用新型UV。

表4為廠內實際運轉電流量測比較，量測位置為UV動力電盤。由前段可知新舊型UV功率皆為6.7kW，然而兩者使用的安定器(ballast)種類不同，因此有不同功率因素(Power factor)。舊型UV使用的安定器功率因素約為0.8；新型UV安定器的功率因素則約接近1.0。因功率因素不同，使得運轉電流有些許差異，但換算回功率後新舊型UV單一chamber能耗無太大差異。

圖7為十四廠五/六/七期每一公噸UPW所花費的UV電力費用比較，電力費用以實際UV數量計算，水量以系統設計水量為基準。以十四廠五/六期來看，使用舊型UV處理每一公噸UPW的電費約落在0.4-0.5元之間，而十四廠七期使用新型UV處理每一公噸UPW的電費約為0.2元。

運轉操作手法探討

新型UV因效能提升，安裝數量較舊型UV大幅減少，本節將探討UV更換期間對供應水質的影響，以及如何藉由運轉操作手法來降低此影響。

十四廠七期於系統試俥階段時曾進行切離單套UV的實驗，就當時結果顯示，POU TOC濃度約上升0.05 ppb，而此水質變異可藉由運轉操作手法來降低。在日常運轉階段需控管UV燈管開啟數量，以兩套UV為例，當兩套UV皆關閉33%的燈管時，系統處理能力由200%下降134%，但因系統為N+1設計，因此仍在系統可處理範圍內。而在更換耗材時，則將另一套UV燈管全部開啟，此時系統處理能力為100%，藉由此操作方式可將水質變異幅度降低，其概念如 圖8所示。

結論

本文針對十四廠七期所使用的新型UV進行研究，分析新舊型UV TOC去除效率並探討使用效益，以期作為後續使用廠區參考。

在TOC去除效率部分，新型UV使用一年後與新品的去除效率無明顯差異，舊型UV使用一年後與新品效能差異大，平均約減少30%的去除效率。在相同TOC去除效率的基準下，新型UV效能約為舊型UV的3.5倍。在使用效益部分，新型UV所需chamber數量大幅減少，除了節省佔地空間，每年更能節省電力210萬度，每年可節省電費約540萬元。最後，新型UV單價雖高於舊型UV，但因數量大幅減少，因此每年耗材更換成本仍可節省約100萬元。