化學品金屬汙染指紋資料庫與改善對策

前言

公司為了確保廠內所使用的化學品純度以維持晶圓品質，各廠皆有針對化學品金屬離子濃度做例行性量測，金屬離子量測作業消耗的工時人力與機台費用龐大，化學品從取樣、送樣、到量測過程每次皆費時約4~6小時，若在上述過程中化學品不慎遭受污染，需重新取樣後量測進行二次數據消耗額外的時間與人力，若二次取樣數據未回穩，還可能造成全廠停線、廠商退貨、廠務換酸等等行動而影響甚遠；以2016年終廠內發生之鹽酸物料檢測超出管制規格為例，當時要求每桶鹽酸都必須檢測，而每次取樣為使干擾降低須使用大量化學品清洗管路後才能取樣(約70升)，額外花費掉約一百四十萬新台幣，其代價如 表1所示。為求準確且於日後快速判別化學品金屬離子數據異常的根本原因，本文分析現行量測過程中可能出現的干擾因子加以實驗佐證並改善，期盼以此提高化學品金屬離子濃度量測的成功率。

廠內化學品金屬離子濃度檢驗前流程

任何化學品進廠前會先由公司原物料審核單位卡關化學品內金屬離子濃度，濃度需符合廠內規範才得入廠。化學品進廠後將經由廠務化學品供應系統穩定供應至線上，廠內化學品的例行性量測樣品在送至實驗室量測階段前，會經過下述四道程序：換酸作業→化學品供應系統→取樣作業→送樣作業如 圖1，本文將針對此四流程分析金屬離子可能出現的汙染因子並定義其汙染等級。

換酸作業金屬離子汙染風險評估

換酸作業可能遭遇汙染因子含手套、換酸工具、「高風險區域」(Hazardous Production Materials, HPM)環境因素，若人員換酸過程作業不慎有可能使化學品接觸到手套、換酸工具、HPM環境造成金屬離子汙染，上述其污染等級多為PPB等級，實驗結果如 表2。數據說明人員進行換酸作業後使用之手套、換酸工具開瓶器等易沾染環境不純物造成金屬汙染，需嚴防使用工具碰觸到化學品，廠內換酸作業已採主副手分責降低汙染風險如 圖2。

化學品供應系統金屬離子汙染風險評估

廠內化學品供應系統如 圖3，其可能遭遇汙染因子有閥件、泵浦，若閥件破損、泵浦隔膜破裂，可能使化學品接觸到閥件或泵浦內部金屬元素造成金屬離子汙染，其污染等級多為PPB等級，實驗結果如 表3。

第一點數據顯示泵浦隔膜破損導致化學液接觸到隔膜元素將使[Na], [Ca], [Fe], [Ni], [Pb], [Zn], [K]濃度偏高，廠現行泵浦隔膜材質多為「聚四氟乙烯」，若泵浦隔膜 圖4破損將化學液洩漏至外部螺絲等處造成金屬汙染。第二點數據顯示閥件破損將導致化學液接觸到金屬[Na], [Ca], [Fe], [Ni], [Pb], [Zn]濃度偏高。廠內現行供應系統閥件與化學品接觸部分多為PTFE材質，但彈簧含不鏽鋼元素，若閥件破損化學品接觸彈簧易有PPB等級金屬汙染。廠內為維持化學品品質，泵浦、閥件其內部化學品會接觸的材質皆已採用無金屬成分的材料。

取樣作業金屬離子汙染風險評估

取樣作業如 圖5，其可能遭遇汙染因子主要有手套、HPM環境，汙染多為PPT等級，實驗數據參考如表4，本段落將針對手套、HPM環境造成的金屬汙染提供兩大改善措施。

手套

由實驗可知若新手套不慎沾染瓶口將導致[Na], [Mg], [Al], [Ca], [Zn]偏高。第一線人員會和取樣瓶有直接接觸之介面，便是手套，而廠內使用之防酸手套，在製作過程中為方便脫戴，往往都會加入滑石粉，而各工廠之滑石粉規格不盡相同，以KING SIGMA此廠牌為例子，如表5所示，可得知各等級滑石粉所含有之金屬濃度是相當高的，因此若在過程中有不小心抹到取樣管或取樣瓶，便有可能造成取樣干擾，使得金屬量測出現假警報。

因此，於手法上，在取樣前加入人員清洗手套之動作，但往常之作法是利用洗滌瓶於取樣箱內進行清潔，此作法因為執行空間狹小，清洗不易，依然會出現殘留現象，並且需開啟取樣箱門一段時間，反而容易造成外氣進入而干擾取樣，因此現階段改良之作法，人員會於實驗室抽氣櫃內，一次大量利用超純水(UPW)仔細清洗手套，一次洗備當天所需之手套量，並利用空氣槍進行乾燥，完成後以夾鏈袋封藏於取樣前使用，如 圖6所示。清洗手套後金屬量測改善率達61%，如表6所示，目前此套作法已全數於南科14B施行。

HPM環境

實驗數據顯示廠務系統取樣箱因接觸HPM環境，若人員取樣作業不慎容易將環境中金屬離子帶進取樣箱內造成金屬離子汙染，成大環保所曾分析過一般外氣環境金屬組成，可作為佐證，如 圖7所示，而目前現行系統金屬元素時常取樣失敗的金屬組成比例與一般外氣環境金屬不謀而合，如 圖8所示

為解決外氣造成的取樣干擾影響，考慮到廠務既有之資源，氣體課所擁有的氮氣(N₂)，很常應用於CDU，因此此氣體對於設計上來說具有高度之信任度。設計靈感來源，參考商店的玻璃門上的氣門，用於隔絕冷氣外流，只是換成廠內之N₂應用成隔絕外氣之氣幕，並以此為立基點，在原本取樣的箱口再裝置一層外箱，變成內外箱設計，而外箱便維持微正壓，隨著N₂循環流，將開門時進入之外氣一併帶入抽氣系統內，如 圖9所示。取樣箱改善現場實際照片如 圖10所示。

為了證明正壓取樣箱之做法是具有正相關性，利用氫氟酸1% (HF1%)，進行取樣實驗，將N₂流量，由零開至流量計之最大設計流量，45升/分鐘 (LPM)，並於不同流量下各做三次開瓶靜置實驗，每次靜置30分鐘，用意讓化學品吸取箱內之氣體含有之金屬，並將三次數值取平均，以得到統計三重度之結果，實驗數據如 表7所示，反紅表示超過該化學品的管制(SPEC)規格。

由以上數據可得知當N₂流量加大之約40LPM左右，多數之金屬量測結果已在實驗室之機台的量測誤差範圍內，但如[Na]、[Mg]、[Al]、[Ca]、[K]等環境金屬，仍有少許讀值，因此仍有要素尚未達到最佳化。環顧系統內，抽氣管路口徑為六分管，懷疑是抽氣效率大於N₂流量，而使得系統偶爾會抽到外氣進入，以此為出發點再將正壓箱的抽氣管路大小封到僅剩原本的四分之一，綜合上述N₂流量參數，在加此抽氣管路之環境參數去做30分鐘靜置實驗，如 圖11之示意圖，實驗結果如 表8所示。

由上述實驗數據可知，最佳化後之正壓取樣箱的30分鐘之靜置實驗結果，可將[Na]、[Mg]、[Al]、[Ca]、[Fe]、[Zn]、[K]之金屬檢測之干擾，「改善90%以上」，並且這是在惡化實驗下的改善成果，若是在一般的CDU routine sampling之狀況下，人員是不可能將取樣瓶開瓶超過30秒以上的，此實際應用面可期待優於惡化實驗之結果；目前14B已全數施作此對策。

送樣作業金屬離子汙染風險評估

送樣作業可能遭遇汙染因子為HPM環境及非HPM環境，其實驗結果如 表9，若人員送樣時密封未完全可能使取樣瓶接觸外氣造成金屬離子汙染，其污染等級多為PPB等級，現行取樣作業已規定取樣瓶須裝至密封袋後才放至送樣箱內 圖12，多一層防護避免送樣箱蓋滑動導致接觸大氣。

化學品金屬汙染指紋資料庫

歸納前四項實驗數據及方法可整理得出金屬汙染指紋資料庫如 表10。

實際案例應用舉例如 表11：W637 NH₄OH 29% Routine CDU [Ca] [Na] [Mg] [Zn] OOW比對指紋資料庫判斷為取樣手套汙染，更換新手套重取數據正常。

結論

為了監測廠內使用的化學品純度，金屬離子的例行性量測作業已不可或缺，但一筆失真的數據將使得人力消耗以及指令判斷錯誤，其付出的代價可能耽誤廠內運轉時間，然而一筆成功且真實的數據需要廠務同仁及實驗室共同努力。廠務給予自己的目標是OOW發生率需小於1%，如此才可明顯降低人員負擔，目前南科已於今年達成此目標，如 圖13所計算之結果。期盼未來化學品金屬離子的例行性量測作業在問題逐漸被解決的情況下邁向穩定的道路，使廠內運轉安全而順利。