探索研發廠空污防制對策之方法論

前言

目前研發廠空污排放問題

隨著半導體製程的快速演進，新化學品使用幾乎是以一天一劑的速度在成長，這些新製程及新化學品不斷的推陳出新，除造成研發廠空污排放處理越來越困難外，更讓研發廠區面臨空污排放量或濃度可能超標的風險。目前研發廠所看到的空污排放問題，主要包含酸、鹼、有機排氣等混排，揮發性有機物排放量偏高，管制污染物排放量偏高，重金屬排放偏高，白煙、異味等社會觀感，以及無法迅速掌握製程空污排放物種及排放量變化等量測分析問題等，將其彙整如 表1所示。

既有廠對於空污問題的防制，往往都是憑藉著工程師過往的經驗，但研發廠面臨的空污問題，多是以往未曾遇見的，因此，工程師只能在不斷的嘗試錯誤中找尋對策，此方法不但曠日廢時，更造成金額的浪費。雖然目前研發廠空污排放的各項指標均符合法令規範，但隨著法令要求越來越嚴格，新管制物種不斷的被制定，如何針對空污排放問題快速且有系統的擬定防制對策，將是本文後續探討的方向。

半導體空污排放管制項目及處理方法

目前半導體空污排放管制項目主要包含氫氟酸(HF)、鹽酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)、磷酸(H₃PO₄)、氨(NH₃)及揮發性有機物(VOC)等，另這幾年對有害空氣污染物(Hazardous Air Pollutants, HAPs)中之重金屬，亦陸續開始進行管控，如鈷(Co)、鉛(Pb)等，針對有害空氣污染物，目前環保署已參照先進國家，訂定「固定污染源有害空氣污染物排放標準」草案，未來將陸續加入管制項目。

台積電空氣污染防制處理設施係採用「源頭分類、多段式處理」之作法，利用空污處理設備，使排入大氣的污染物含量符合或優於政府規定。在機台端依據其排氣污染成分，將排氣系統分為酸性氣體排放(SEX)、含氨氣體排放(AEX)、有機性氣體排放(VEX)及一般氣體排放(GEX)，並依國家法規設置中央式污染防制設施，如濕式洗滌塔、洗滌塔加藥系統、VOC沸石濃縮轉輪處理設備等，另針對不同製程氣體特性增設高效率現址式空氣處理設備(Local Scrubber)，先讓機台端排放的廢氣，經過現址式空氣處理設備進行第一階段的源頭處理，之後再送到中央式處理設備(Central Scrubber)進行第二階段的終端處理，經由二階段串聯處理後，全面提升空氣排放處理效率 圖1。

研究目的

由於研發廠空污排放問題具有多變性及未知性之特性，且目前均未有良好的空污處理經驗以茲依循，另因研發製程需求迫切，可擬定有效防制對策的時程太短，因此，如何導入一套有系統、有效率、有創新力，且快速、準確地擬定研發廠空污防制對策的管理方法，將是本文研究的目的。

在眾多管理手法中，最常見的即是8D (8-Disciplines)，8D是台灣一般製造業常用於持續改善或分析問題的一種方法學，當產品發生品質問題時，依循8D一定的步驟，可快速而準確地找出問題的真因(root cause)。然而，在找尋問題真因時，卻常以腦力激盪或憑藉過去經驗的方式，推理出可能造成問題發生的原因，這種方式往往只能找到問題的表面。另TRIZ (萃思)創新問題解決理論，在歐美、日本和韓國，皆已引進做為專利研發與解決研發時遇到問題的工具，目前TRIZ除運用在專利設計與開發上外，有越來越多的不同產業將其應用在一般管理與品質問題處理上。另外一些常見的品質管理手法如「限制理論」(Theory of Constraints; TOC)，認為任何系統可以想像成由一連串的環所構成，將企業或機構視為一條鎖鏈，每一個部門是這個鎖鏈其中的一環，如果要達成預期的目標，必須要從最弱的一環；即從瓶頸的一環下手，才可得到顯著的改善。「六標準差」(6 Sigma)，是透過DMAIC，即定義(Define)、量測(Measure)、分析(Analyze)、改善(Improve)與控制(Control)等流程，並佐以專業統計工具的一種方法。「五個為什麼」(5 Whys)，是指一種透過自問自答的方式，問了問題後，自己回答；再針對前一個回答，再自問自答，連續五次後可找到發生問題的原因的一種方式。

TRIZ 之所以在專利與研發上作為解決問題的重要工具，主要是其具有下列的特性：結構化的解決問題方法、系統化的流程能引導出最佳解決方案、提出解決方案時會考量成本、強調以現有設備進行改善，不建議一直加購新的設備；市面上已有專門的軟體可結合專利的搜尋，讓企業在研發時能更了解本身目前的技術；技術性創新的規則與趨勢[2]，從過去技術系統創新的歷程去進行分析，以找出未來發展的趨勢。因此，本文將引用TRIZ創新問題解決理論，嘗試應用TRIZ 之工程參數與發明法則，進行研發廠空污排放問題之個案分析，以期歸納出空污問題解決之對策，並藉由個案分析之結果檢視TRIZ理論方法之適用性，建立一套完整的空污防制對策方法，達到研發廠空污問題快速解決之目標。

文獻探討

TRIZ理論沿革

TRIZ創新問題解決理論，是由俄文字彙「Teoriya Resheniya Izobre-tatelskikh Zadatch」四個字縮寫而成，意指 Theory of the Inventive Problems Solving，又稱為TIPS。TRIZ是由俄國專利師，也是發明家GenrichAltshuller所創的一種系統性思考方法。Altshuller於1946進入前蘇聯海軍專利局從事專利歸檔工作，同時協助專利發明人撰寫說明書，透過對20萬份專利分析，再從其中選出了5萬份被認為是有真正突破的專利進行深入研究，歸納出專利發明的共同性、重複性與創新發明性的思考邏輯方法^[2]。

TRIZ自1946年開始發展至今，已有70年的歷史，1997年LG與Samsung先後邀請了蘇聯的TRIZ專家進行培訓。1998年Samsung率先採用TRIZ，但因受限於文化的差異，造成TRIZ 的推展並不成功；直到於2003年Samsung第二次的引進，除讓Samsung節省將近9千萬美金的研發費用，且申請了多項專利，此時才真正引起各國對TRIZ的高度關注^[3]，而台積電也曾於2005年將其應用於改善300mm plating efficiency中，並得到很好的成果。

TRIZ理論概述

TRIZ是一套系統完整，能有效找出問題解決方案的理論架構，也是一種解決問題的工具，對於找出非系統性問題的解決方案有極高的助益。TRIZ的兩個核心理念為「某人、某地，已經解決了你的問題，或是類似的問題了」，以及「所有創新或改善的障礙，來自於矛盾的存在」。當在面對矛盾或有衝突的問題下，使用TRIZ可有別於以往只針對單一問題，想出單一解法的思考方式。而矛盾或衝突的理論邏輯在於：當提出一個創新設計以改善某一特性時，將同時會產生另一個惡化特性，並將此現象稱之為矛盾(Contradictions)，矛盾是二個事件或事物之間存在差異或不協調；即一種原有的事件、動作或主張與另一個事件、動作或主張不一致或相反。同樣的解釋適用在TRIZ對發生於工程上矛盾的解釋；當企業試著改變某一個特性、參數或系統，卻造成了另一個特性、參數或系統惡化^[4]。

TRIZ有幾個主要分析及解決問題的工具，包含矛盾矩陣(Contradiction Matrix)、39項工程參數(Engi-neering Parameters)、40項創新發明法則(Inventive Principles)、物質－場分析(Substance-Field Analysis)、76標準解答(76 Stand-ard Solutions)、8種技術演化類型(8 Evolution of Technological Systems)、科學技術效應(Scientific Technological Effects)、最終理想結果(Ideal Final Result)、ARIZ發明問題解決演算法(Algorithm to Solve an Inventive Problem)等，其工具雖多，但最常被使用的就是矛盾矩陣、39項工程參數 表2及40項創新發明法則 表3，其基本概念如 圖2所示。TRIZ系統性的創新思考模式，是將特定問題(Specific Problem)轉換成一般性問題(General Problem)，接著再從一般性問題的模式中找到一般性的解決方式，再依此轉換為特定的解答。

另在使用矛盾矩陣中可發現，矛盾矩陣中有一些空的矩陣元素，其中沒有任何建議之法則，則常引用其延伸的「單一工程特性創新法則方法」(method for the correspon-ding inventive principles of single parameter)^[7]尋找創新解法，即是利用矛盾矩陣中的工程參數(即要改善或解決的工程特性)，對應的創新法則出現的次數多寡，等級在愈前面表示該創新法則曾經被運用的次數愈高，也就是說用該創新法則來解決目前的問題成功的機會愈大 表4。

TRIZ研究應用實例

TRIZ隨著專家學者不斷的探討及研究，已在各領域蓬勃的發展，彙整其研究文獻及應用實例如 表5所示。由文獻及實例可發現，TRIZ不僅運用在專利設計與開發上，越來越多不同產業將TRIZ應用在一般管理與品質問題上，特別是應用在服務業、食品業及科技業上。TRIZ主要用在解決專利與研發過程中遇到的問題，且強調發明或創新可依照一定的程序與步驟進行，是有系統的思考策略與創新流程。

計畫方法

TRIZ理論改善半導體研發廠區空污問題之流程

本研究於前兩章闡明半導體研發廠面臨的空污問題，並介紹TRIZ的理論及各領域之應用，本章將導入TRIZ在研發廠空污問題的實例探討，期使工程師能在空污問題確立後，藉由TRIZ理論的發明原則構思改善方案，減少試誤過程中所造成的時間及成本浪費。TRIZ針對研發廠制訂空污改善流程如 圖3所示，其改善步驟詳述於 表6。

TRIZ設計半導體研發廠區空氣污染管制方案

依據前述TRIZ改善流程，將其應用於半導體研發廠所面臨的各項空污問題，從待改善工程參數與須避免惡化工程參數之矛盾衝突表，獲得建議的創新法則，並根據創新法則發想解決方法進行改善，其應用實例詳述如下。

以研發廠目前面臨的五項空污問題中，問題一「製程機台內空氣污染物混合排放問題」為例，目前研發製程機台於腔體內混合使用酸、氨、有機化學物(異丙醇)後排入排氣系統，依氣液傳輸理論可知，混合酸氣、異丙醇及氨氣之排氣中，有機空氣污染物異丙醇，最難被酸性排氣(SEX)及鹼性排氣(AEX)中央洗滌塔處理，而排入有機排氣(VEX)經沸石濃縮轉輪及燃燒爐高溫，去除效率可達90%以上，但排氣內含酸氣會破壞沸石濃縮轉輪。此問題目標設定為有機排氣污染物異丙醇達最大減量效果，對應待改善工程參數選擇參數#26「物質數量」(Amount of substance)，但不希望當改善後異丙醇達到高去除效率的同時，卻造成酸氣破壞沸石濃縮轉輪，因此將參數#31「有害副作用」(Harmful factors developed by an object)當作須避免的工程參數。依矛盾分類判斷，「物質數量」與「有害副作用」兩項是不同工程參數，故應判讀為技術矛盾，借由代入待改善工程參數與須避免惡化工程參數於矛盾衝突矩陣中，查詢建議的TRIZ 40項創新法則。查詢結果如 表7所示，TRIZ列舉出第#3、#35、#39、#40項等四項建議之創新法則，再匯集團隊成員利用腦力激盪法，將創新法則之原理類比發想改善方案，最終發想出2項改善方案 表8。

在實際應用TRIZ解決問題時，不一定每一項問題都可清楚對應到一項避免的工程參數，此時則利用「單一工程特性創新法則方法」(method for the corresponding inventive principles of single para-meter)求取TRIZ創新法則，以問題2「無法迅速掌握研發廠區製程空污排放物種及排放量變化」而言，其遇到的困境為研發廠製程機台經常變更化學品使用方式及用量，現行定期檢驗及連續量測儀器，無法快速掌握研發廠區空污排放物種及排放量變化，屬於無法即時取得足夠排放資訊，對應待改善之工程參數為參數#24「資訊的喪失」(Loss of information)，由於空污檢測並不影響排氣系統運轉或產生有害副產物，缺乏矛盾訊息，本處使用單一工程特性創新法則作為查詢。

首先將TRIZ矛盾衝突表中待改善之工程參數，參數#24「資訊的喪失」對應的每一個創新法則，與相同的工程參數「資訊的喪失」於避免惡化的工程參數欄位中，對應的每一個創新法則彙整出來，將兩者彙整並統計每一個創新法則的出現頻率，出現的頻率越高代表使用該方法解決問題的機率越高，彙整結果如 圖4及 表9所示。

根據 圖4及 表7結果，由等級最高的A級開始逐一嘗試建議的創新法則導引工程師做改善方案之聯想，等級A為創新法則第10項「事先動作」 (Preliminary Action/Prior Action/Do It Advance)，以此創新法則進行類比發想，制訂針對現行空污定檢項目建置監測計畫，並以Online即時檢測為主，Offline檢測為輔，事先量測並改善，避免空污定檢結果變差為改善方針 表10。

依據上述方法，已分別將研發廠面臨的五項空污問題中之問題一及問題二，找到TRIZ創新法則及其對應之改善方案，對於其餘三項空污問題比照相同分析方式，找出其創新法則及其對應之改善方案，茲彙整於 表11。

結果與分析

創新法則及改善對策

依據前章所述TRIZ流程及分析，針對5項半導體研發廠面臨的空污問題，找出12種創新法則解法，並依據其創新法則解法分析其改善對策，總計提出8項改善對策內容，彙整如 表12所示，各項改善對策詳述如下。

問題及對策分析

問題一、研發廠製程機台內空氣污染物混合排放問題

問題：半導體酸槽機台其製程使用酸、鹼及有機氣體(異丙醇)於同一腔體，造成機台端排氣產生混合排放問題，無法依傳統分流方式解決空污排放問題。

對策：根據氣體在氣液介面的傳輸速率理論，從酸解離常數(Acid dissociation constant; pKa)及亨利常數(Henry constant; HA)可看出，濕式洗滌塔其去除的容易度(容易→困難)為HCl (酸)>NH3(鹼)>IPA (有機) 表13，因此，在製程混和酸、鹼、有機物的排氣中，相較以往排入SEX並經洗滌塔處理，將含IPA之有機排氣排入VEX，經VOC濃縮廢石轉輪處理後排放是較佳的空污處理方式，而利用TRIZ#3「局部品質」創新法則於製程機台出口處，優先設置現址式處理系統Salix Local Scrubber處理混氣中的酸及NH3，避免VEX處理系統沸石濃縮轉輪受酸氣腐蝕破壞。

問題二、無法迅速掌握研發廠區製程空污排放物種及排放量變化

問題：以往廠務工程師獲得污染物排放資訊的方式，係依主管機關指定公告之污染物項目及頻率，委託環境檢驗測定機構一年執行一次定期檢測，空污改善工作從分析當次煙道檢測數據開始，向上游搜查污染源頭或找出效率不佳之處理設備進行改善，定檢之外的時間嚴格監控各項空污處理設備運轉參數，作為判斷設備是否正常運轉，卻無法立即發現來自製程變化，造成空污排放的問題。

對策：根據TRIZ#10「預先作用」創新法則，擬定事先量測計畫，針對空污定檢各項污染物、異味、白煙等建置On-line連續監測(IC-MS、F2、Opacity)，另以環保署標準方法進行定期Off-line檢測，以及時發現問題並對症下藥。

問題三、影響社會觀感的「白煙」

問題：目前空污處理設備各項參數皆優於法規及操作許可，且空污定檢結果均符合排放標準及許可量，但若周遭民眾肉眼可見煙道排出「白煙」，將破壞本公司長期經營之社會觀感及環境保護領先企業之形象，因此解決煙道排放「白煙」問題為當務之急。

對策：由於白煙來自於製程產生矽微粒或桶槽酸氣與氨形成銨鹽等，根據TRIZ#35「參數改變」創新原則發想改善方案，針對現址式空污處理設備(IPI-310B+ Local Scrubber)及廢水桶槽區處理設備(Wet Local Scrubber)進行關鍵參數最佳化，以提升其去除效率。

問題四、新製程造成現有空氣污染管制污染物排放的增加

問題：研發廠新製程排放含特殊氣體PH3(磷化氫)，原以電熱式Local Scrubber進行加熱破壞後水洗去除，但定檢發現煙囪排放H3PO4濃度卻有上升趨勢。

對策：此問題經Local Scrubber出口串聯Salix Scrubber，在經一次洗滌後解決此空污問題，依TRIZ#10「預先作用」創新法則，建置IC On-line監測系統連續監測H3PO4與其他空氣污染物及時發現問題並增加空污處理設備，除此之外，未來新製程評估Local Scrubber DRE時加入副產物量測，提早預測並改善。

問題五、新法規規範有害空氣污染物HAPs-重金屬鈷非零檢出問題

問題：先進製程使用含鈷化學品，目前雖於機台後端裝設電熱式Local Scrubber，鈷去除效率亦達95%以上，但煙道尚未達到零檢出目標。

對策：利用TRIZ#3「局部品質」進行改善方案發想，在既設的電熱式Local Scrubber後端，再串聯吸附式Local Scrubber處理鈷排放，進一步讓煙道達成鈷零檢出。

結論與建議

本文應用TRIZ創新問題解決理論，進行研發廠空污排放問題的個案分析，針對五項空污排放問題，找出十二種創新法則解法，並依據其創新法則解法擬定出八項空污防制對策，有效將TRIZ創新問題解決理論應用於空污防制對策上。透過TRIZ，可幫助工程師快速地找出有效的解決方案，大幅縮短解決問題的時間，並為後續處理各項空污問題提供一個有效且快速的創新方法。

TRIZ是一套可提升創造能量、拓展革新思維之方法，其通盤、有效且具系統化之特性可推廣於各種產業，能為企業及個人創造出極大的產值。目前TRIZ雖廣為被學術界及產業界使用，但對大部分人而言實過於艱澀，故現今仍未能於各企業全面推廣，本文中亦僅應用TRIZ最常使用的矛盾矩陣、39項工程參數、40項創新發明原則，以及單一工程特性創新法則等，至於其它如物質－場分析、76標準解答、8種技術演化類型、科學技術效應、最終理想結果、ARIZ發明問題解決演算法等，均未有實例驗證。目前業界除定期舉辦TRIZ學術與實務研討會外，並有開辦一系列為培養TRIZ種子師資而設計之課程，期待日後TRIZ方法可廣泛應用在解決半導體產業各項問題上。

過去一年，是台積空污減量很關鍵的一年，除了空污處理技術不斷提升外，在機台的源頭分流、新化學品的管理流程都不斷地被修正改進，朝著更好的方向前進著，台積對於空污排放的目標，也早早不再是符合法規而已，現行的短期目標是空污排放濃度小於環境背景值，目前也有多項指標陸續達成了，未來更將以達成零排放的態度，努力朝向空污零排放的目標邁進。