製程廢氣處理設備 阻塞改善與保養頻率有效減量

前言

半導體製程在生產過程中會使用到許多化學物質，而這些化學物質在生產過後變成了製程廢氣，藉由真空泵浦(Dry Pump)輸送到製程廢氣處理設備(Local Scrubber, LSC)，進行90%以上有害物質的削減處理，接著進入排氣系統輸送到中央廢氣處理系統(Central Scrubber)進行最終處理，最後排放至環境，如 圖1。

根據物質不滅定律，製程廢氣中有害物質的削減，是轉而形成各種型態的副產物產生，如粉末(Powder)、廢水，其中Powder的形成經常造成Local Scrubber累積阻塞異常。為避免Local scurbber阻塞異常影響製程生產，因此需排定預防保養(Preventive Maintenance, PM)清潔以維持Local Scrubber正常運轉。然而在某些特定製程，Powder的阻塞情形特別嚴重，PM的頻率特別高，不但造成PM人員負荷(Loading)過大，更影響了Local Scrubber的穩定運轉，嚴重的話還有可能造成製程機台排氣不順而影響生產，因此各廠區自成廠以來，即不斷的針對各種不同製程與Local Scrubber形式的阻塞問題進行改善。而這些改善方法除了能夠維持穩定運轉降低PM locading，也能夠提供新建廠區參考，提前強化Local scurbber，預防各種已知的阻塞異常發生。

文獻探討

製程廢氣轉換成Powder有許多的原因，有些是因為彼此之間產生反應結合而成，如式1、式2、式3，有些是因為經由高能量破壞了原有的鍵結，再重新組合形成，如式4、式5，有些則是在水洗過程中發生中和反應產生，如式6。

TiCl₄+2H₂O→TiO₂+4HCl - 式1

TiCl₄+O₂→TiO₂+2Cl₂ - 式2

SiH₄+2O₂→SiO₂+2H₂O - 式3

SiH₂Cl₂+O₂→SiO₂+2HCl - 式4

2SF₆+4CH₄+6O₂→ 12HF+ 2H₂SO₄+2CO₂ - 式5

NH₃+HCl→NH₄Cl - 式6

大部分的Local scrubber即是透過將這些製程廢氣在內部進行轉換成powder，來達到削減處理的目的，但也有些廢氣在削減轉換前，因為冷凝結晶而形成powder出現。然而並不是所有的powder形成都會造成累積阻塞的問題發生，參考陳威儒^[1]於民國103年所著「區域洗滌設備異常事件失誤模式探討─以某半導體廠為例」的研究論文可知，電熱式與燃燒式的Lcoal scrubber經常使用於較易阻塞的製程中，而最常阻塞的位置有廢氣入口(Inlet)、爐膛(Chamber)、出口排氣(Oultlet exhaust)、未經處理的廢氣管路內，以及循環水噴頭等位置，這些阻塞情形也與TSMC各廠所遇到的問題大致相同。而造成powder累積阻塞的原因很多，參考TSMC F12郭勝欽^[2]研究pow-der沉積阻塞的文獻可以得知，廢氣在引氣管路內傳輸的過程中，遇到了管路的匯合或轉向時，造成了流場的紊流產生，廢氣在紊流場範圍內滯留與流竄，使得廢氣在此範圍削減轉換或冷凝結晶後沉降累積，並造成了阻塞問題發生。

在南科廠區中，CVD (薄膜)、PVD (薄膜)、EPI(薄膜)、DIF(擴散)、ETCH (蝕刻)這些使用電熱式與燃燒式的Local scrubber的製程，在製程廢氣入口(Inlet)、爐膛(Chamber)、出口排氣(Oultlet exhaust)，甚至是廢氣管路段(Piping line)均有發現嚴重的powder阻塞問題，而為了要維持正常運轉避免發生其它異常發生，因此必須要頻繁的進行各種異常阻塞PM。也因如此累積了許多固定週期PM以外的異常阻塞PM工時，如 表1、圖2，造成PM人員的loading過大，以及Local scrubber因過多時間停機PM，而無法長效運轉處理的浪費，如 圖3。甚至較嚴重的阻塞還會導致製程廢氣輸送不順，造成真空泵浦因背壓過高跳脫而影響產能，如 圖4，因此必須要設法改善各種powder阻塞的問題。

計畫方法

自過去以來Local scrubber避免powder阻塞影響運轉的改善即不斷的在創新，如陳威儒^[1]以避免阻塞造成其它危害風險產生的角度，整合各種廢氣動線阻塞的問題，以固定巡檢或有效的偵測器進行提前預警偵測，設定合理PM週期規劃，降低阻塞事故發生。而水路管件阻塞問題，則提前在循環水槽增設柵欄阻隔powder，避免阻塞後段管路。郭勝欽^[2]則研究過powder沉積阻塞的原因，是因為廢氣引氣管路匯合或轉向，造成流場紊流形成，因此其以改善流場減少流體損失係數，如 圖5，讓廢氣流動順暢避免與管路的碰撞，終得以減少powder阻塞延長PM週期。

然而並非所有的紊流流場皆能夠進行流場的改善，如受限於機台空間而必須配置彎管轉向，或是多管路匯集後進入同一單元處理以及大小管路空間的轉換等，這些都是無法將其隨意修改的因素。面對這些困難點，就必須要另外設置合適的改善措施使用。

不同的製程或不同的Local scru-bber使用，其powder阻塞情形也會有所不同，甚至生產產能的多寡也會影響powder累積的程度。因此各個廠區之間所遇到的阻塞異常，其實都不盡相同，例如南科廠區自2015年始所遇到的各種阻塞異常，相較於其他廠區之間，因為製程與產能各有差異，所以遇到的阻塞情形也就不一定相同，如表2。

而南科廠區自阻塞問題發生初期，為避免突發的異常而影響PM人員工作安排甚至是生產，因此各Local scubber系統負責人往往是將PM週期進行縮短調整，以極早提前PM來預防，雖然確實有效的減少了臨時性的異常阻塞狀況發生，但衍生的卻是PM人員負擔的增重，以及Local scrubber經常性停機PM的浪費，因此這種作法僅能做為短期的防範措施，並不能夠長期實施，畢竟僅依賴人員被動的提前PM，恐有錯失週期或PM不確實的風險，因此最好的方法還是要去針對問題進行改善，主動的將阻塞異常避免或排除，才是維持穩定運轉的長久之計。因此在面對這些阻塞問題時，我們首先執行了多次的作業觀察去發掘真正的阻塞點，以及分析每個阻塞點powder的特性，並查向源頭端詢問設備製程所使用到的氣體種類，以了解這些廢氣轉換成powder後的原因與成份，最後與Local scrubber廠商討論評估改善方案的可行性並付諸行動。因此每一項改善措施都會因為製程、Local scrubber機型或是阻塞位置的不同，而有其對應的改善設計，因此我們將南科廠區所使用的這些改善方法，分類歸納成氣體沖吹、過濾攔捕、刮刀破壞、加溫延緩這四種方式。這四種方式都是以南科廠區實際發生的案例，深入研究探討各組塞點powder的產生原因與特性，以開發出能夠避免、攔捕、破壞或減緩powder的改善措施。

氣體沖吹

有些powder的質地較為鬆軟，在還未累積一定厚度茁壯以前，可利用高壓氣體為動力朝著powder附著累積位置沖吹，除了可以將表面的powder吹落以外，還能夠形成一道氣膜在表面，減少被附著的機會。而高壓氣體所需提供的沖吹力，必須要能夠大於powder在累積面的黏滯力與摩擦力，才能有效吹落，如 圖6。

因此以F=ma為基礎理論，m為powder質量，a為powder吹落後的移動加速度，要讓多大的powder移動多遠的距離，就取決於高壓氣體的沖吹量與時間設定。沖吹的間隔時間決定了powder累積的質量，而powder累積的質量決定了高壓氣體的流量。所以最佳的沖吹量與時間，必須要先行進行多次的powder累積處的作業觀察後再設定，而最佳的沖吹角度，則與累積面平行為最佳。如ETCH製程的DAS ESCAPE DUO爐膛阻塞、N-EPI製程的DAS STYRAX DUO爐膛阻塞，以及DIF Poly製程的IPI SGA-310B+廢氣入口阻塞，這些製程與機型的改善措施，就是在powder附著的位置，設計一與累積面平行的高壓氣體管路，並調整合適的時間與流量去沖吹。因此DAS ESCAPE DUO的改善方式，即是在爐膛下方設置四個沖吹口，並以壓縮乾燥空氣(Clean Dry Air，CDA)為高壓氣源釋放30 slm的流量，在平行於爐膛的累積表面進行沖吹，如 圖7。

DAS STYRAX DUO的改善則是於爐膛上方設置四個沖吹口，以30 slm的氮氣平行沖吹爐膛累積面，如 圖8。

IPI SGA-310B+改善方式是在廢氣入口處，加裝一組氮氣自動沖吹裝置，以每14分鐘沖吹3 slm的氮氣7分鐘，如 圖9。

過濾攔捕

大部分powder出現的位置，會在高溫反應的高溫區域，或是因被水沖刷或掉落到水槽。但有些powder因隨著氣流或水流的帶動，而被送到其他不該存在的位置造成阻塞或設備異常，因此在這些氣流或水流的流動動線上，可設置一個過濾裝置進行powder的攔捕，如 圖10，使那些散落於各處的powder能夠先集中起來再進行處理。

過濾裝置的裝設會增加氣流或水流的壓損，過大的壓損影響原本系統的氣流或水流運轉，因此在設計過濾攔捕的密度時，須先了解想要攔捕的powder粒徑大小，讓該通過的過去，不該通過的留下。在CVD製程的WTC-300循環水噴頭阻塞，以及N-EPI製程的DAS STYRAX DUO排氣風門阻塞，就是因為powder分別受到水流與氣流的帶動，造成了這些阻塞異常，因此就在這些阻塞點之前的流動路徑上，放置一個壓損合理的過濾裝置，先將powder攔捕集中起來。因此WTC-300即在水槽中的循環水吸入口之前放置一組濾籃，濾籃的過濾密度剛好能將水槽中粒徑尺寸足以塞住灑水頭的powder攔捕下來，使得循環水流動順暢，如 圖11。

而DAS STYRAX DUO則是在排氣風門前加裝過濾裝置，且因經由測試與化驗證實powder成份為氯化銨(NH₄Cl)，即先利用其乾燥後會乾涸成powder的特性^[3]，先取消原該區域的補水設置，讓過濾裝置範圍形成乾燥區，使得powder在此區即刻成形而被攔捕，待攔捕達上限之前，再利用其另一項易溶於水的特性，將補水復原並沖洗滿是powder的過濾裝置至水槽，以達到重複使用的效果，如 圖12。

刮刀破壞

有些製程powder形成累積速度很快，一旦開始附著很快就會有一定的厚度與硬度，因此無法使用固定壓力設定高壓氣體進行沖吹改善，此時就必須要倚賴更堅固的固體進行外力破壞，一般稱此固體裝置為刮刀。刮刀裝置的設計，在有些Local scrubber原始設計上早已存在，如電熱式KT-1000FA^[4]、WTC-300^[5]、IPI-310B+^[6]，以及燃燒式DAS ESCAPE DUO^[7]、EDWARDS HELIOS^[8]等都可見類似設計，而刮刀裝置的形式可分為伸縮式跟旋轉式兩種，其主要是將刮刀固定於伸縮式氣壓缸或旋轉式氣壓缸的作動軸上，如 圖13，並使用高壓氣體去推動作動軸進行伸縮或旋轉運動，使得軸上的刮刀可以將powder刮除乾淨。

伸縮式刮刀的作動模式是突進與收縮，而刮刀在收縮期間都是隱藏狀態，故適合裝設於小尺寸管路上，反之旋轉式刮刀的作動模式是在固定圓圈範圍內轉動，其作動前後刮刀都會存在空間內，而轉動範圍的大小則由刮刀力臂長短決定，所以適合應用於空間較大位置。伸縮式刮刀的突進長度與旋轉式刮刀的轉動力臂與刮刀長度，需設計足以涵蓋到powder累積範圍，才能確保有效刮除。如DIF Poly製程的IPI SGA-310B+爐膛阻塞，及ETCH Metal製程的DAS ESCAPE DUO廢氣入口阻塞，都是因為powder生成快速且質地堅硬，而必須設置一個能夠涵蓋整個阻塞範圍的刮刀，定時的進行powder刮除破壞以保持暢通。因此IPI SGA-310B+的改善部分，是將原廠設置於爐膛位置的旋轉式刮刀，因為刮刀長度不足，導致無法有效刮除所有powder阻塞範圍，故加長原刮刀長度30cm至60cm，如 圖14，刮除範圍擴大涵蓋整個爐膛高度皆能無死角。

另外DAS ESCAPE DUO的改善則是在小口徑的廢氣入口處，加裝一組伸縮式刮刀，設定約略每15分鐘powder逐漸累積影響入口壓力之前，即突進刮除powder保持入口暢通，如 圖15。

加溫延緩

製程廢氣會在Local scrubber內削減轉換成powder，但有些製程廢氣在進入Local scrubber之前的廢氣管路段，就因為冷凝逐漸形成powder結晶累積。為解決冷凝結晶問題，往往會在這些製程的廢氣管路段上包覆加熱帶(Heating Jacket)加溫，雖然不能避免powder結晶的形成，但卻能夠有效延緩其冷凝結晶的速度。加熱帶加溫功能，是利用電能轉換成熱能，將加熱帶內的加熱絲加溫，並透過貼附於管面上的溫度感測器回授管面溫度，進而控制電流加溫以維持設定溫度^[9]，如 圖16。

一般加熱帶的溫度設定範圍在100℃~180℃，整段廢氣管路上均會以相同的溫度作為設定加溫，以避免因不同的高低溫度設定，造成低溫段變成相對冷點而提前產生powder結晶阻塞異常，影響了整段管路的PM週期。因此相對冷點阻塞的異常，會發生在未包覆確實或損壞的加熱帶上，所幸這些問題可透過管面溫度偵測提前預警。但有些製程廢氣管路雖有配置加熱帶包覆，唯獨在P型夾與管夾處僅包覆不具加溫功能的保溫帶，導致P型夾與管夾處成為整段管路的相對冷點，提前阻塞影響PM週期。因此必須特別針對此兩處特製加熱帶包覆，以其它管路段相同的溫度設定進行加溫改善，如 圖17。在CVD及PVD製程中，即將P型夾及管夾處改以加熱帶包覆後，讓整段管路可以在相同的設定週期進行PM。

結果與分析

自2015年始，南科廠區即不斷受到突發的阻塞異常所苦，在不得已的情形之下只好縮短PM週期因應，而有些Local scrubber又因為存在多個不同組塞點，且每個阻塞點阻塞異常發生時間不同，導致需要設定各各組塞點專屬的PM週期，因此變成一台Local scrubber，必須要分別多次停機下來PM，形成一種Local scrubber總是在停機無法使用的現象與浪費，諸如此類的阻塞異常共計有八項在困擾著我們。所幸在經過多次的作業觀察與詢問討論以及深入探討問題所在後，了解了powder的產生原因與特性，發想出氣體沖吹、過濾攔捕、刮刀破壞與加溫延緩的四種改善方式，並經過了兩年的測試與實驗，成功的分別套用於這八項的阻塞異常上，讓這些阻塞問題獲得了改善，使得PM週期回歸到合理的固定模式。

以異常PM工時loading的改善方面來看，DAS STYRAX DUO排氣風門阻塞在使用了過濾攔捕改善後，異常PM工時完全減免，改善成善達100%，而在爐膛的阻塞使用氣體沖吹後，其異常PM工時減量10,950小時/年，改善成效為71%。DAS ESCAPE DUO爐膛阻塞使用氣體沖吹改善，異常PM工時減量1,995小時/年，改善成效67%，廢氣入口使用刮刀破壞，改善異常PM功時減少1,304小時/年，改善成效71%。IPI SGA-310B+爐膛阻塞使用刮刀破壞後，異常PM工時減少2,781小時/年，改善成效67%，廢氣入口阻塞加入氣體沖吹後，異常PM工時減免，改善成效100%。WTC-300循環水噴頭阻塞使用過濾攔捕後，異常PM工時減少31,523小時/年，改善成效86%。廢氣管路P型夾及管夾處冷點阻塞使用加溫延緩後，異常PM工時減少2,506小時/年，改善成效73%。總結八項異常阻塞PM，在使用四種改善措施後，整體異常PM工時減量68,214小時/年，改善成效84%，成功為PM人員減少loading，如 表3、圖18。

而在Local scrubber機台長效運轉的貢獻上來看，如 圖19，DAS STYRAX DUO解決的排氣風門與爐膛阻塞問題，經過改善後減少停機PM而無法運轉的時間，每年可多運轉26,280小時/年，改善成效85.7%。DAS ESCAPE DUO改善了爐膛與廢氣入口阻塞，每年可多運轉3,299小時/年，改善成效68.5%。IPI SGA-310B+解決爐膛與廢氣入口阻塞問題，每年可多運轉4,606小時/年，改善成效76.8%。WTC-300解決了循環水噴頭阻塞問題，每年可多運轉26,545小時/年，改善成效72.7 %。廢氣管路解決了P型管夾與管夾冷點阻塞問題，每年可少跟製程借機停機2,506小時/年，改善成效72.9%。

四種改善措施的使用，成功的為南科廠的異常PM工時與Local scrubber停機時間減量68,214小時/年，其中氣體沖吹改善了14,770小時/年，成效佔整體22%，刮刀破壞改善了4,085小時/年，成效佔整體6%，過濾攔捕改善了46,853小時/年，成效佔整體69%，加溫延緩改善了2,506小時/年，成效佔整體4%。如 圖20。

將這八項阻塞異常，以四種改善措施原理，量身訂做合適的改善元件後裝設，共計需花費新台幣18,924,000元，如 表4，但其所改善的異常PM工時68,214小時/年，若以每位PM人員每日8小時工作時間計算，一年下來可減少33位PM人員的loading，如 圖21，且更有效益的是提升了每一台local scrubber長效運轉的使用率，以及降低了阻塞可能導致製程廢氣排放不順而影響生產的風險。

雖然這四種改善方式是以南科廠區的八項阻塞異常所開發出來的，但其所要達到的目的就是要將powder的阻塞，以沖吹、攔捕、破壞或延緩的方式改善。而改善元件的外觀與規格並不受限於任何形式與機型上，主要是將這四種方法的原理，運用在合適的powder與阻塞點上。因此先前的powder產生原因與特性分析研究，就顯得相當重要。

結論

在沒有任何改善措施實施以前，剛開始異常阻塞發生時只能緊急加派人力進行PM，後來為了避免阻塞影響擴大以及人力緊急調派困難，因此在固定PM週期內設定了異常阻塞PM週期去預防，但卻衍生了每年需要投入81,411小時的人力資源。且同一製程與機型也因為有著不同的阻塞位置，而分別被定義了不同的異常阻塞PM週期，使得PM管控困難以及Local scrubber一直都在停機PM的窘境。所幸這些阻塞問題，在透過觀察分析powder特性與阻塞現象後，經過各種測試與實驗，找出最適合的方法，讓不必要的PM可以移除，既有的PM可以延長，使得PM頻率有效的減量84%，也減輕了PM人員的loading，恢復了Local scrubber長效運轉的功能。