談異丙醇化學濾網使用效率提升之研究

前言

異丙醇(Isopropyl Alcohol, IPA)為常見之溶劑，普遍用於機台清潔與晶圓清洗製程，已有許多案例證實IPA對於電化學電鍍 (ECP)製程之晶邊良率具有極大的影響，製程更要求ECP區域環境IPA需低於10ug/m³。ECP區域IPA主要來源為外氣空調箱(Make-up Air Unit，MAU)引入，汙染源來自於本身或鄰近廠區煙囪排放(約佔70%)，其次為化學研磨製程(CMP)機台洩漏或蝕刻機台保養使用IPA擦拭，經由自動化搬運系統夾帶氣流或自動門開啟引入至ECP環境(約占30%)，如 圖1 ECP區域IPA來源示意圖^[1]。

圖2為F12P4/5 MAU進氣口的IPA濃度與鄰近煙囪排放及季節風向模擬結果，說明當夏季西南風及靜風時煙囪排放IPA將影響MAU進氣口，冬季東北風時MAU進氣口不受影響。

如 圖3為廠務無塵室空調系統常見的配置有MAU及FFU (Fan Filter Unit)循環系統，為了維持無塵室內AMC品質，會在MAU箱體內安裝化學濾網以過濾外氣AMC及無塵室天花板FFU上方安裝三合一化學濾網維持維持無塵室內AMC品質，如 圖3的A及B點位置。^[2]

圖4為2017年F12P4 MAU及ECP環境IPA趨勢圖，當MAU出口IPA高於8ug/m³時，將使ECP區域環境IPA濃度上升，需頻繁更換環境濾網以避免環境IPA>10ug/m³。

圖5為MAU出口IPA趨勢圖，在2017/7/6 MAU安裝Cylinder Type TOC化學濾網後，MAU出口IPA濃度10ug/m³ (>8ug/m³)，3天後更上升至16.7ug/m³，無法有效控制MAU出口IPA濃度小於8ug/m³。

所以IPA進入ECP環境，為避免ECP環境IPA大於10ug/m³，廠務於無塵室天花板FFU上方安裝三合一化學濾網過濾IPA，但三合一化學濾網過濾IPA的效能也很低，約2~3天更換一次濾網，1個月內更換了12次化學濾網，如 圖6所示。

因ECP區環境IPA主要來自於MAU引入外氣，且MAU TOC化學濾網過濾IPA效能不佳。所以將目標設定提升MAU TOC化學濾網效率及增加濾網壽命，將MAU出口IPA控制在8ug/m³以下，以降低ECP區環境IPA濃度，減少環境濾網的用量。

文獻回顧

本研究將以近年對ECP區異丙醇減量研究現況、國內對增加AMC濾網壽命及活性碳脫附再生的相關研究，作為本篇文獻回顧範圍，主要探討的重點為如何增加TOC化學濾網壽命來控制外氣IPA濃度，以及如何再生TOC化學濾網。

ECP區環境IPA減量研究現況

“微汙染防治─十二廠六期電化學電鍍製程環境異丙醇減量之應用與探討”^[1]一文提出，藉由揮發性有機物(VOCs)處理設備氣密改善及酸性氣體處理設備(SEX)提升換水率進而降低外氣IPA汙染源，並改善ECP環境隔間氣密及流場，搭配新型IPA濾網之應用，可有效降低ECP環境內IPA濃度。

降低汙染源可以降低外氣IPA濃度，但汙染源濃度可能隨著製程需求增加而增加，且相鄰廠區間的交叉汙染，都會影響著外氣IPA濃度，當外氣IPA的濃度升高超過8μg/m³，如 圖7所示，上文提出在ECP環境使用IPA濾網可以降低環境IPA濃度。在運轉實務上我們較常更換GC-MS環境及機台採樣點上方的環境FFU化學濾網，只有局部區域環境IPA濃度受到控制，如圖8示意圖。若能使用化學濾網將外氣IPA控制8μg/m³以下，ECP全區環境IPA則可受到控制。

增加TOC化學濾網壽命研究

在“AMC控制技術─談化學濾網”^[3]一文中提出化學濾網設計的原則不外乎是在適當的結構強度下建構低阻抗及高處理表面積的化學濾網，減低污染氣流通過的面速度或增長與濾網吸附劑的滯留時間。

“添著活性碳對甲苯吸附處理與等溫吸附特性之研究”^[5]一文，其研究主要目標是針對甲苯所引起之環境空氣污染，利用添著活性碳吸附處理技術，來進行活性碳對甲苯之吸附與各處理機制的分析。其研究用活性碳作為吸附劑，以甲苯作為代表性吸附質，於各種入流濃度、溫度及流速進行甲苯處理及探討等溫吸附模式，以了解活性碳吸附甲苯之處理特性。針對流速的研究，提出當流速較低時污染物滯留時間越長，易促使活性碳之吸附能力提昇；反之，流速較大時，則會降低活性碳之吸附能力。

依上述兩篇文獻得知，調降濾網面風速(增加滯留時間)可增加活性碳吸附能力，一般MAU化學濾網的設計面風速為2.5m/s，MAU需提供無塵室足夠的風量以建立無塵室正壓，所以MAU只能有限的調降風車頻率來降低化學濾網面風速，而不能影響到無塵室正壓的需求。若要滿足濾網降低面風速的需求則需重新設計濾網箱。

增加滯留時間可增加活性碳吸附能力，以降低面風速及增加濾網道數來增加濾網的滯留時間，例如濾網面風速由2.5m/s下降至0.5m/s，滯留時間增加至5倍，一道濾網增加為兩道濾網，滯留時間由5倍增加至10倍。滯留時間與吸附能力成正比，所以濾網吸附能力會是原來的10倍。

活性碳脫附研究

TOC化學濾網的吸附劑主要為活性碳，劉鎮宗^[6]等人文獻回顧說明活性碳脫附機制：

活性碳吸附反應的逆反應即脫附反應，其質傳步驟如下：

• 吸附物從吸附劑表面脫附釋出。
• 脫附物藉孔隙擴散，從吸附劑微孔隙中傳送到吸附劑外表面。
• 脫附物經質量傳送，從吸附劑外表面後進入氣相狀態。

常用的活性碳脫附再生技術包含熱處理(Thermal treatment)、化學處理(chemical treatment)、溶劑萃取(solvent extraction)、生物再生(bio-regeneration)及超音波再生(ultrasound regeneration)等。熱處理是最常用的再生程序，此法係以高溫蒸氣導入活性碳吸附床，吸附質自活性碳表面脫附並隨蒸氣攜出。

活性碳熱脫附再生之反應過程，熱脫附溫度100~260℃，為揮發性化合物之脫附，如 表1所示。

TOC化學濾網為活性碳纖維不織布及氣密膠，無法使用承受太高溫度(<120℃)，而IPA的沸點為82.6℃，理論上使用90~100℃的熱風可對TOC化學濾網脫附再生。

計畫方法

在文獻回顧中可知滯留時間是影響濾網吸附能力的主要關鍵。活性碳的物理吸附為可逆的操作，通常可利用溫差的方式來進行再生。後續實驗來驗證其可行性。

提升濾網壽命理論推導

一般要評估化學濾網吸附能力，需給定固定風量及汙染物濃度的條件下，去測試濾網吸附到飽和的壽命及吸附容量，如 圖9所示。^[2]文獻中提到活性碳固定床的換碳公式，如公式(3)。將其引用來評估化學濾網壽命，由公式中IPA質量流率與濾網壽命可得出濾網對IPA吸附質量，IPA質量流率可由濾網風量及IPA濃度得出，如公式(4)。將公式(4)及(5)代入公式(3)可得公式(7)，再推導成濾網壽命的公式(8)。依公式(8)可知濾網壽命與IPA濃度及濾網風速成反比，與IPA吸附質量成正比。

M_IPA[g]=24[hr/day]×Q_IPA[g/hr]×T_Filter[day] - 公式(3)

Q_IPA[g/hr]=Q[m³/hr]×CIPA[ug/m³]×10-6 - 公式(4)

Q[m³/hr]=V[m/s]×A[m²] - 公式(5)

A[m²]=W[m]×[m] - 公式(6)

M_IPA[g]=V×A×CIPA×T_Filter×24×3600×10-6 - 公式(7)

T_Filter=M_IPA[g]/(V×A×CIPA×24×3600×10-6 )- 公式(8)

符號說明 :

M_IPA[g]：濾網吸附IPA質量

Q_IPA[g/hr]：IPA質量流率

T_Filter[day]：TOC化學濾網壽命

Q[m³/hr]：濾網風量

CIPA[ug/m³]：空氣中IPA濃度

V[m/s]：濾網風速

A[m²]：濾網截面積

將TOC濾網尺寸600mm×600 mm、風速2.5m/s、風量3240 CMH、CIPA=30ug/m³及濾網壽命 T_Filter=1 day，等條件代入公式(8)可推導以下關係。

• 當M_IPA、V及A不變，T_Filter與CIPA濃度成反比關係，若CIPA濃度降低，則T_Filter上升 圖10。

  圖10、IPA濃度降低則濾網壽命上升

  
• 當M_IPA、CIPA濃度及A不變，T_Filter與V成反比關係，若V降低，則T_Filter上升 圖11。

  圖11、濾網風速降低將提高濾網壽命

  
• 當V、A及CIPA濃度不變，T_Filter與M_IPA成正比關係，若M_IPA提高，則T_Filter上升 圖12。

  圖12、提高濾網吸附IPA質量將提高濾網壽命

  

要提高IPA吸附質量可使用較高活性碳容量的TOC化學濾網及串聯濾網，目前MAU使用的TOC化學濾網有Cylinder Type TOC Filter及V Type TOC Filter兩種，兩種TOC化學濾網壽命趨勢圖，如 圖13所示，測試條件如 表2所示，在相同測試氣體、濃度及風量條件下，當濾網效率降至80%時，V Type TOC Filter壽命小於1個月，Cylinder Type TOC Filter壽命為6個月。依公式(8)得知，T_Filter與M_IPA成正比關係，壽命較高者其活性炭容量亦較高，故Cylinder Type TOC Filter活性炭容量高於V Type TOC Filter。^[4]

所以要增加MAU TOC化學濾網壽命，需降低IPA濃度、降低濾網風速、使用高容量TOC化學濾網及串聯濾網。以下說明做法。

第一，降低IPA濃度，IPA為親水性，導電度低的DI水可以降低IPA，透過MAU Air Washer洗滌將IPA溶於水中，又因IPA揮發性高，故需提高Air Washer換水率，將水中IPA排放掉，避免IPA又揮發至空氣中，Air Washer去除IPA效率經量測約40~55%，如 圖14。MAU運轉參數 表3。

第二，降低濾網風速，若MA風量為12,960CMH，原設計濾網風速2.5m/s，風量3,240CMH，計算所需濾網為4片，將濾網風速調降至0.5m/s，濾網風量648CMH，則所需濾網增加至20片，濾網數量增加為原來的五倍，理論壽命由一倍上升至五倍。

第三，使用高容量Cylinder type TOC Filter並增加濾網道數，由一道增加至兩道濾網，20片增加至40片，濾網壽命再加倍，五倍上升至十倍，如 表4及 圖15所示。

提升濾網壽命實驗

實驗目標需將MAU出口IPA降至8ug/m³以下，以降低ECP區環境IPA濃度。按照增加濾網壽命理論來設計實驗模型 圖16，實驗模型條件如 表5。

• 原設計，單層Cylinder Type TOC化學濾網，濾網風速2.3m/s，濾網效率最高59%，濾網出口IPA 8.8ug/m³ (>8ug/m³)，濾網壽命不到1天，如 圖17。

  圖17、單層濾網，風速2.3m/s，出口IPA>8ug/m³，壽命< 1天

  
• 降低風速，單層Cylinder Type TOC化學濾網，濾網風速0.5m/s，濾網效率最高94%，濾網出口IPA最低1.4ug/m³，出口IPA<8ug/m³，濾網壽命6天，如 圖18。

  圖18、單層濾網，風速0.5m/s，出口IPA<8ug/m³，壽命6天

  
• 增加道數，雙層Cylinder Type TOC化學濾網，濾網風速0.5m/s，濾網效率最高96%，出口IPA最低1.2ug/m³，出口IPA< 8ug/m³，濾網壽命14天，如 圖19所示。

  圖19、雙層濾網，風速0.5m/s，出口IPA<8ug/m³，壽命14天

  

在降低濾網風速及增加濾網道數後，可提高濾網效率及濾網壽命，如 表6及 圖20所示。

濾網再生實驗

活性碳濾網脫附再生採用熱風加熱進行再生，主要脫附對象為IPA。先使用全新Cylinder type TOC Filter進行一次吸附後，接著做不同脫附時間及溫度的再生測試，結果如 圖21，IPA的沸點82.6℃，脫附溫度需高於沸點，測試結果在脫附溫度90℃~105℃及脫附時間4hrs，再現性良好，脫附溫度80℃時及脫附時間4hrs，再現性次好。

因90~105℃的脫附溫度無法脫附高沸點VOCs，在上游的MAU安裝TOC Filter可過濾高沸點VOCs，避免區域型MAU濾網箱的濾網吸附高沸點VOCs而降低對IPA的吸附能力。

結果與分析

由於模型實驗結果成功，進一步將區域型MAU濾網箱組裝起來，安裝於ECP區的MA風管系統上，如 圖22，系統有bypass設計，更換濾網時只需將Bypass風門打開，濾網箱前後風門關閉即可更換濾網，更換濾網在L40層作業，可減少在L35高風險區域更換三合一濾網的作業風險。

區域型MAU濾網箱安裝位置如 圖23的C點所示，實際導入系統測試，可控制ECP區MA IPA < 8ug/m³，壽命達15天。降低ECP區域MA IPA濃度後，ECP區環境IPA上升速度趨緩，降低了環境濾網更換頻率，由15天更換6次變為15天更換1次，如 圖24所示。

ECP區更換環境濾網只針對環境採樣點上方安裝三合一濾網，只有局部區域IPA<10ug/m³，如 圖25的左圖。而ECP區使用區域型MAU濾網箱後，因將外氣IPA控制<8ug/m³，所以ECP區環境可全面做到IPA<10ug/m³，如 圖25的右圖。

依照導入結果計算半年的運轉費用，如 表7，原使用三合一化學濾網方式，F12P4 ECP區環境濾網費用半年約花費NTD14.8M，若導入區域型MAU濾網箱時可降低ECP環境濾網更換次數由60次降為12.9次，運轉費用降為NTD 9.8M，較原方式費用減少NTD 5.0M，費用減少33.8%，如 圖26所示。

結論

ECP區域IPA主要來源為外氣，由於MAU TOC濾網效率差，IPA進入ECP區造成環境濾網更換頻繁，需設法提升MAU TOC濾網效率，避免外氣IPA進入ECP區。文獻探討說明提升濾網吸附能力主要關鍵為滯留時間，在降低濾網風速及串聯濾網以增加IPA在濾網內的滯留時間，可提升濾網吸附能力。經過實驗設計並證實其可行性後，進一步將區域型MAU濾網箱組裝並導入ECP區，有以下好處 :

• 更換濾網時於L40層作業更安全，並大幅減低L35高風險區域作業風險。
• 其降低風速增加滯留時間，提升濾網吸附能力，增加MAU濾網壽命達15天。
• 大幅降低環境濾網的更換頻率，由15天更換6次變為15天更換1次。
• 其效果涵蓋ECP全區，可避免ECP區內機台濾網更換頻繁。

未來方向將朝向TOC濾網的再生及開發更高容量的TOC濾網，濾網再生部分在實驗階段以Cylinder Type TOC Filter做實驗證明可行，更高容量的TOC濾網在實驗階段亦有初步進展，如 圖27所示，其濾網壽命比Cylinder Type TOC Filter多10days，將其應用於實務上可望再減少更換人力及濾網費用，外氣IPA減量目前為廠區主要改善課題之一，區域型MAU濾網箱導入的成效顯著，不但能符合製程需求，並減少運轉費用及廢棄物處理，達到綠色製造及永續經營之目標。