摘要
濕式靜電集塵對粒狀污染物的處理評估與安全分析
靜電集塵器具備高處理效率、高可靠度、低壓力損失、低耗能、無壓力波動、可連續運轉的特點。因此，靜電集塵器廣泛地被一般工業界所應用在改善空氣污染排放。然而，傳統乾式靜電集塵器有以下問題：粉塵沉積於集塵板表面與極線上造成收集效率降低、逆電暈以及粉塵再揚起現象。濕式靜電集塵器應運而生，近來已相當成熟，可以有效解決傳統乾式靜電集塵器的缺點，最近更開發出結合Local Scrubber的現址式濕式靜電集塵器，可有效進行源頭汙染防治。本文除探討現址式濕式靜電集塵對於半導體業之粒狀污染物的處理效率外，更結合半導體製程風險評估進行全面性評估。
前言
半導體製程技術已到了奈米時代，隨著製程的精密度、穩定度及產能的要求，新的製程、機台陸續引進，廠務端也面臨新的挑戰。我們以濕蝕刻製程為例，新式製程特點為利用高溫硫酸蒸氣(>180℃)及液態氨進行相關的蝕刻。且是在同一反應腔(Chamber)內。在其基本製造程序中(霧化硫酸→氨水→DI)就會升成細微且大量的硫酸銨(NH4)2SO4結晶。造成煙囪冒出陣陣的白煙。
以十四廠五期為例，經由檢測機台的排氣出口及製程尾氣處理系統(Local Scrubber)的入口後得知，白煙主要組成在陰離子部分以硫酸根濃度最高，陽離子則以銨根離子濃度最高。由數據推測，管道中應有高濃度之硫酸銨鹽類 圖1。
圖1、離子濃度佔PM2.5之百分比，濕蝕刻製程排氣成分組成 ( 資料來源：工研院合作檢測數據，2015 年11 月)
在粒徑分布部分，由電子式低壓衝擊器(Electrical Low Pressure Impactor，以下簡稱ELPI)檢測的結果顯示，無論是在機台出口端，或是Local Scrubber入口端，主要均分布在0.4um以下，占總污染物的91~96% 圖2。
圖2、濕蝕刻製程排氣成分排氣中粒狀污染物粒徑分布
ELPI可即時量側微粒之粒徑分布及濃度，因為其結合了衝擊器的精準以及電子偵測的快速，所以當微粒衝擊在衝擊板上時，ELPI可以即時的高敏感的multichannel electrometers來顯示出量測的結果，如 圖3所示。ELPI亦是一部微粒的收集設備，因為具有多階的衝擊器，不同粒徑的微粒因其慣性力的不同，而被不同階的衝擊器檔板(有不同的截取粒徑)所收集下來，故必要時儀器內所收集到的微粒可以做後續的成份分析及定量分析。
圖3、電子式低壓衝擊器(ELPI)[15]
靜電集塵器基本原理
靜電集塵器通常簡稱EP又稱ESP (Electrostatic Precipitator)，其技術發展及應用的歷史相當悠久，自西元1885年第一台靜電集塵器完成，至今軟硬體不斷的改良，靜電集塵器之運轉、監視及效率也不斷提升。而近年來，在電源供給方面，因高頻變壓器之應用，體積小，重量輕，不佔空間又省電，更提高了集塵效率 圖4。
圖4、粒徑分布、處理設備與處理效率之關係
靜電除塵器的工作原理為應用電荷異性相吸之原理，讓微粒帶電來收集微粒；而要使粒子帶電可藉由不同之機制來進行。
在靜電集塵器之放電電極與收集電極間具有10~100KV之電位差(通常維持在40~60KV)使氣體離子化。在此離子化區域內，具有非常大量之正、負離子，觸發電暈現象 (corona)。高電壓使不導電之氣體分子經由分解或電子附著而成自由離子，然後離子移動開始導電。離子化時間約在0.01秒之下，一般在電暈區域內，每立方公分約可形成108個負離子。當氣流通過電極間之區域時，粒子即經由離子撞擊帶電而移向具相反電性之收集電極。換言之，收集機制第一步驟為氣體離子化，第二步驟為使氣流中之粒子帶電。
放電電極(負極)由金屬導線製成，集塵電極(正極)由金屬板或ITO導電玻璃製成。靜電除塵器的性能受粉塵性質、構造和流速等三個因素的影響。粉塵的比電阻是評價導電性的指標，對於處理效率有直接的影響，當比電阻過低，塵粒難以保持在集塵電極上，致使其重返氣流。比電阻過高，到達集塵電極的塵粒電荷不易放出，在塵層之間形成電壓梯度會產生局部擊穿和放電現象。這些情況都會造成除塵效率下降 圖5、圖6。
圖5、ESP 放電集塵原理
圖6、ESP 放電集塵流程示意
濕式靜電集塵器
濕式靜電集塵器通常簡稱WESP又稱WEP (Wet Electrostatic Precipitator)，與乾式靜電集塵器的除塵基本原理相同，要經歷荷電、收集和清灰三個階段。
為了改善乾式靜電集塵器在使用上的缺點，目前已設計開發出濕式靜電集塵器。濕式靜電集塵器的特點在於利用連續流動的洗滌液沖洗收集板上的粉塵，避免絕緣層的產生，同時也解決了在敲打收集板過程中所產生的粉塵再揚起問題(Altman et al., 2001a)，因此對於次微米微粒的去除效率也較乾式靜電集塵器高。
此外，濕式靜電集塵器也有利於去除濕度高、酸性及黏著性的微粒。濕式靜電集塵器是一種用來處理含微量粉塵和微顆粒的新式集塵設備，主要用來除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、臭味、PM2.5等有害物質，是治理空氣污染的理想設備。
結構及分類
濕式靜電集塵器有數種結構形式，一種是使用耐腐蝕導電材料（可以為導電性能優良的的非金屬材料或具有耐腐蝕特性的金屬材料）做集塵電極，一種是用通過噴水或溢流水形成導電水膜不導電的非金屬材料做集塵電極。
濕式靜電集塵器還可分為橫流式（臥式）和豎流式（立式），橫流式多為板式結構，氣體流向為水平方向進出，結構類似乾式靜電集塵器；豎流式多為管式結構，氣體流向為垂直方向進出。一般來講，同等通氣截面積情況下豎流式濕式靜電集塵器效率為橫流式的2倍。
附著在極板上的粉塵可以利用水將其沖洗下來。濕式清灰可以避免已捕集粉塵的再逸散，達到很高的除塵效率。因無敲擊裝置，運轉可靠度高。採用噴水等方式使集塵極表面形成導電膜的裝置不存在著腐蝕、污泥附著處理問題。
集塵原理
濕式靜電集塵器和與乾式靜電集塵器的集塵原理相同，都是靠高壓電暈放電使得空氣中的粉塵帶電荷，帶有電荷的粉塵在電力場的作用下到達集塵板/管。乾式靜電集塵器主要處理含水很低的乾燥廢氣(燃煤、重油鍋爐)，濕式靜電集塵器主要處理含水率較高乃至飽和的濕氣體。
捕集到的粉塵清除方式上WESP與ESP有較大區別，乾式靜電集塵器一般採用機械振打或超音波震盪等方式清除電極上的積灰，而濕式靜電集塵器則採用定期沖洗的方式，使粉塵隨著清洗液的流動而清除。
特點
濕式靜電集塵器具有效率高、壓力損失小、操作簡單、耗能少、無運動部件故障、無二次揚塵、維護費用低、生產停工期短、可工作於廢氣露點溫度以下、由於結構緊湊而可與其它防治設備相互結合、設計形式多樣化等優點。
濕式靜電集塵器採用清潔液沖刷集塵極板表面來進行清理，可有效收集微細顆粒物(PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣懸膠)、重金屬(Hg、As、Se、Pb、Cr)、有機污染物等。濕式靜電集塵器之集塵性能與粉塵特性無關，適用於含濕廢氣的處理。
現址式濕式靜電集塵器 Point-of-Use Type WEP with Wet Scrubber
近年來濕式靜電集塵器(WEP)之發展方向已朝向小型化、進行源頭處理。並與Local Scrubber相結合。就如同I公司的WEP系列與W公司的Wet-EP系列 圖7。
圖7、I 公司-WEP 系列
結構與處理流程
主要分為四大部分 圖8。
圖8、WEP 處理流程
- 前噴淋區域(Wet Spray Zone)：其原理為藉由噴淋裝置(spray)使氣體與液體充分接觸，以提高吸收效率。
- 拉西環填充區域(Packing Zone)：其原理為藉由填充著比表面積甚大之填料物(packing)使氣體與液體間具有充分接觸之機會。吸收液體由噴淋分佈器噴淋而下，然後在其流經填料的途中，與流經填料物(packing)之氣體相接觸，並吸收氣相中之溶質。
- 細水霧加濕區域(Mist Spray Zone)：利用細水霧將空氣加濕，細小的水滴也會與廢氣中微粒相結合。
- 靜電放電集塵區域(E.P Zone)。
現址式濕式靜電集塵器處理效率
現址式濕式靜電集塵器處理效率，如 圖9。
|
Particle Diameter (µm) |
< 0.1 |
0.14 |
0.21 |
0.33 |
0.52 |
0.82 |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
in-average conc. (#/cm3) |
6.40E+06 |
4.67E+06 |
2.38E+06 |
6.01E+05 |
1.49E+05 |
4.12E+04 |
|
out-average conc. (#/cm3) |
2.20E+05 |
4.20E+03 |
1.68E+03 |
5.12E+02 |
3.84E+02 |
1.52E+02 |
|
efficiency (%) |
96.6% |
99.9% |
99.9% |
99.9% |
99.7% |
99.6% |
|
Particle Diameter (µm) |
1.30 |
2.04 |
3.21 |
5.18 |
8.10 |
total |
|
in-average conc. (#/cm3) |
1.74E+04 |
1.01E+04 |
5.86E+03 |
4.88E+03 |
4.88E+03 |
1.43E+07 |
|
out-average conc. (#/cm3) |
8.67E+01 |
2.88E+01 |
1.45E+01 |
1.25E+01 |
5.63E+00 |
2.27E+05 |
|
efficiency (%) |
99.5% |
99.7% |
99.8% |
99.7% |
99.9% |
98.4% |
安全規範及製程安全評估
半導體工業不但是尖端科技的產業，也是高風險性產業。由於半導體製程愈趨複雜化，所潛在的職業危害與財產損失也愈來愈複雜，舉凡半導體製程中的磊晶、擴散、離子植入、化學氣相沈積、蝕刻和微影等製程單元，其所常使用的化學品雖然儲存量與使用量皆遠小於化學或石化工業所處理與使用量，但是由於具有著火性、可燃性、毒性、腐蝕性等本質危害特性，故廠房充滿了火災、爆炸、中毒、缺氧等潛在危害。一般說來，半導體製程有下列5種的危害。
- 危險性化學品的外洩或空氣漏入製程單元，造成火災爆炸
- 毒性化學品的洩漏曝露
- 游離輻射
- 非游離輻射
- 機械危害
國際半導體設備與材料協會(Semiconductor Equipment and Materials International, SEMI)於2000年公布的「半導體製造設備安全指引標準 SEMI S2-0200」有關於危害分析(Hazard Analysis)一章中特別強調新設備在裝機使用前應先以S2-0200標準進行評估，除非能100 %的符合S2-0200的標準要求，否則應執行系統危害分析即已明確指出半導體製程風險評估的重要性。
SEMI S2：
半導體製造設備安全指引
SEMI S2之一般準則，包括：安全相關連鎖、電氣及機械設計、人因工程、危險警告、緊急關機、防火、危害之能源隔離、地震保護、雷射、噪音、環境考量 圖10。
圖10、SEMI S2 認證
EMI : Electromagnetic Interference
EMI : Electromagnetic Interference，一般比較常用「電磁干擾」這個名辭，其實比較正確的名稱應該是「電磁相容」。因為電磁干擾是指A產品干擾B產品，而產品本身抵抗外在電磁波能力的電磁耐受(EMS)則未提及，而電磁相容(EMC)一詞則包括了電磁干擾(EMI)及電磁耐受(EMS)兩部分 表1、圖11。
|
項目 |
內容 |
|---|---|
|
EMI部分 |
各種電子資訊通信電氣產生的傳導及輻射干擾 |
|
EMS部分 |
輻射耐受測試 靜電放電測試 電壓下降瞬斷及緩變耐受測試 電源頻率磁場耐受測試 傳導耐受測試 諧波電流干擾測試 雷擊突波測試 電性快速暫態測試 |
圖11、EMC 測試報告
半導體製程風險評估(Process Hazard Analysis, PHA)
半導體製程安全評估具有以下的多重目的：
- 符合危險性工作場所審查暨檢查法規之要求
- 客觀指引出重大潛在危害之製程單元
- 風險管理的一環
- 提供工程人員檢核設備機台構造與設計原理的機會
- 辨識硬體設計的盲點
- 辨識安全管理措施的需求
- 作為風險控制決策的重要參考指標。
半導體製程安全評估為兩階段模式。首先使用「半導體機台相對危害等級分析」執行初步危害分析(Preliminary Hazard Analysis)，再利用以危害與可操作性分析(Hazard and Operability Study, HazOp)或失誤模式與影響分析(Failure Modes and Effects Analysis, FMEA)進行進一步的評估，以提昇評估的效率，評估流程如 圖12~圖14所示。
圖12、半導體製程安全評估模式
圖13、半導體機台相對危害等級分析流程圖
圖14、半導體製程安全評估模式
十四廠五期於105年5月即開始評估WEP的導入及進行廠外測試，並委由財團法人安全衛生技術中心進行現址式濕式靜電集塵器(Local Type WEP with Wet Scrubber) PHA半導體製程風險評估。目前已完成WEP初步危害分析及危害與可操作性分析(HazOp)。
評估結果與分析
整個評估面向分為以下三大主軸。
效率
高處理效率是濕式靜電集塵器主要的訴求。在工研院針對WEP的測試結果顯示，對於< 0.1μm移除效率為96.6%，> 100μm之微粒處理效率> 99%，總微粒之去除效率為98.4%。
安全
在財團法人安全衛生技術中心所進行的HazOp分析中，他們認為「在台積電具備良好的製程變更管理前提下，無錯誤物質(可燃性、易燃性)可進入之機會」。
能耗
由WEP所載明的規格來看，每小時花費2.2度電，每天約花費132元，每年約48,180元。
結論與建議
靜電集塵器(乾式、濕式及現址式)具備高效率、低耗能之特性。在空污被高度關注及綠色製造的前提之下，WEP是可以有助我們解決白煙的問題，同時也可解決目前管路因粉塵阻塞所引起的壓降、清管…等財力、人力及物力的消耗。
誠如初步危害分析及危害與可操作性分析中的建議改善事項中，錯誤物質進入的防範，是切實需要的。在目前已有的審核機制下，如FCCB、SMOC等，本公司對於製程變更管理的把關是相當嚴謹的。若能導入現址式WEP，在汙染發生的源頭就處理完成，可視為空污處理之首選。
參考文獻
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- 行政院環保署，空氣污染防制專責人員訓練教材，民國98年3 月
- 李王永泉等、空氣污染防治工程，2002
- 台灣積體電路製造股份有限公司 IPI WEP 800 Local Scrubber 製程安全評估報告
- 奈米製程的防護儀器及設備，國立交通大學環境工程研究所，陳聖傑等
- 粉塵物性對濕式靜電集塵器集塵效率的影響，李富源
- 濕式靜電旋風集塵器實場測試研究，Studies wet electrostatic cyclone in the actual operation of the test plant，王秉才，民國 103年6 月
- Local scrubber使用靜電式氣膠處理降低粉塵效益分析，王舒鴻等
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