摘要
以乾淨水(IPA/Acetone<ppb)於MAU進氣端進行噴霧水洗可針對低濃度的IPA/Acetone進行有效去除，但後續需針對水質的來源進行監控以避免水質二次汙染。純化器可提供TOC<ppb level的潔淨空氣，但目前以高壓純化的作法，十分耗能且需設置大量高壓管路，在工廠管理端及安全方面仍有相當疑慮，未來建議以常壓純化器方式加裝於空調處理端進行設計。在無塵室內的Segregation對於已定義高低汙染區的AMC控制有顯著的成效，但仍需持續針對每一代製程確認無塵室的隔間是否有變更的需求。
在新的設計之下，廠務將提供更潔淨的空氣(IPA/Acetone<ppb level)給予以無塵室，以達成AMC零汙染的終極目標。
前言
在半導體製程當中，隨著製程的演進，在線徑越來越小的狀況下，製程環境空氣中所含的化學物質AMC(Airb -orne Molecular Contamination)對於製程的良率扮演越來越重要的重要關鍵，如 圖1。[1]
圖1、線徑示意圖
因此如何提供更乾淨空氣為先進製程的一大挑戰， TSMC現行的AMC Filtration系統主要可分為Pre-treatment & Post-treatment，Pre-treatment為初級處理以乾淨水水洗及初級濾網進行過濾，Post-treatment則安裝高級濾網進行過濾。而在無塵室內的Enclosure/Segregation端則以製程區定義不同的分隔等級及mini-enclosure方式隔離交叉汙染。
在以上的標準配置下，TSMC現行AMC Level可以控制於接近ppb level以下，但對於未來先進製程，此數值是否有效防止defect發生仍然是個未知數。
故於未來新廠需以AMC零汙染為目標，根據不同子分類提出新設計，以健全供應系統達到零汙染。
文獻探討
為了達到AMC零汙染的目標，我們必須先了解AMC是什麼，在進而確認各種汙染來源及防治方法，最後透過各種監測及時反映成效，最終導入管理以確保系統的長時間運作及後續保養維修。
2.1.AMC定義
根據SEMI F21-1102的定義AMC為無塵室空氣中所包含的化學物質，主要分為五大類 : [2] MA/MB/MC/MD/Oth-ers，詳細分列如 圖2所示。
圖2、AMC Classification
①MA : 酸性物質，Ex : H2S；②MB : 鹼性物質，Ex : HH3；③MC : 沉積物質，Ex : BHT；④MD : 載體物質， Ex : AsH3；⑤Others : 無法被定義物質，Ex : IPA。
2.2.AMC定義
在了解了AMC汙染的組成之後，我們可以藉由 圖3了解到各汙染物在無塵室內外的主要來源[3][4][5]，MA主要為外部來源，MB是人員在無塵室內活動及機台洩露所造成，MC來源為設備PM不當洩露及外氣影響，MD為機台PROCESS時腔體氣密不足導致溢散。
圖3、AMC汙染分布圖
2.3.AMC控制技術
得知上述的污染來源後，對於污染防治措施的部分，可參考 圖4所列舉在TSMC歷年所提供的潔淨空氣等級及技術，可發現MA/MB/MD在N10/7製程後無塵室內濃度皆已達到最佳潔淨空氣供應，但在MC的部分，仍有相當大的努力空間。
圖4、TSMC AMC Defense Roadmap
在MC的汙染防制技術可分為物理/化學/生物，細部可分為吸附/水洗/隔離/焚化/加藥/生物處理[6]，如 表1所示。 TSMC已應用水洗/吸附/隔離等汙染防制技術於現行無塵室內潔淨空氣供應。
| 處理方法 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 物理 | 化學 | 生物 | ||
| 反應相態 | 氣相 |
掩蔽 防止洩漏 抽氣收集 稀釋 |
化學瀰臭(Chemical Masking) 火焰焚化(flame incineration) |
- |
| 液相 |
水洗 物理吸附 (滴揮發性油類) |
洗滌並同化學藥劑氧化(HClO、O3) 洗滌並同化學藥劑中和(NaOH) |
洗滌並同生物氧化 (活性污泥或滴濾塔生物膜) |
|
| 固相 | 吸附劑(活性碳、矽膠、分子篩)之物理吸附 |
吸附劑(化學修飾活性碳反映樹脂) 觸媒焚化 |
生物濾床 土壤吸附 |
|
| 適用VOCs特性 |
極性高之異味成分。適水洗、矽膠或分子篩。 極性低之異味成分。適油類吸附或活性炭吸附。 |
中高濃度含硫、氮等。極易氧化之異味成分 ，適化學洗滌。 低濃度具反應性之異味成分，適化學洗滌或是化學吸附。 中高濃度之異味成分，適合焚化。 |
一為生物氧化之中低濃度(10,000mg C/m3)異味成分(含氧氮硫之有無機物) | |
| 主要考慮因素 | 吸附劑再生及異味處理費用 | 化學藥劑或燃燒成本 |
微生物活性之維持及氧化 去除效果 |
|
以水洗式進行汙染物的去除機制主要以氣體吸收理論為基礎，藉由提升比表面積及滯留時間以達到氣液交換的過程。此吸收作用通常以雙模理論進行推估[7][8]，如 圖5所示。
k_G (y-y_i ) = k_L (x_i-x)
式中k_G是氣相直傳係數，y為氣相汙染物的莫耳分率，k_L是液相直傳係數，x為液相汙染物的莫耳分率。故可得知在單一汙染物其去除效率為氣液相間的濃度差。
現行水洗式設備Airwaher可等同於無填充物之洗滌塔，其比表面積及滯留時間無法在進行強化，故如要進行去除能力的提效，可改變液相中的潔淨度。
圖5、洗滌塔與水洗式設備雙膜理論示意圖
在吸附劑的選材，從 表2[9]可得知最佳選用策略，由於目前TSMC無塵室設計所能接受的壓損為<300pa，故應選用活性碳吸附材進行VOC處理，但活性碳濾材對於低沸點及極性高的VOC在低濃度的狀態下(<10ug/m3)去除效果不佳，約為高濃度(10ppm)的20%，後續可朝活性碳改質或是引進中空纖維進行去除能力的強化。
| 吸附材料 | 活性碳 | 分子篩 | 中空纖維 | 樹脂 |
|---|---|---|---|---|
| 特性 | 物理吸附 | 物理吸附 | 物理吸附 | 化學吸附 |
| 壓損 | <100pa | <1000pa | <300pa | <500pa |
| 效率 | >90% | >99% | >99% | 60~70% |
| 優點 | 壓損小 | 可再生 | 可再生/壓力適中 | 可再生 |
| 缺點 | 對於揮發性高VOC效果不佳 | 壓損大，需加壓及乾燥系統 | 需加壓及乾燥系統 | 對於VOC處理效果不佳 |
2.4.AMC Monitor System
為了能夠及時確認FAB與供應端的AMC汙染程度及確效污染防治設備能力及運轉狀態，根據ITSR的Monitor準則[2]， TSMC現行AMC Monitor機制，如 圖6所示，除了Tool Process端沒有即時監測外，現行的監測機制在最關鍵的無塵室有非常良好的量測水位，各汙染物偵測極限皆可達到ppb level，能及時反應各製程區及時的汙染程度。
圖6、Different measure point for AMC
研究方法
現行台積無塵室內的MA/MB/MD皆已提供至ppb以下等級潔淨空氣，故本計畫將以MC中尚未達到ppb的IPA/Acetone作為主要去除目標。
TSMC AMC汙染防制措施主要可分為Filtration， Enclosure/Segregation，本計畫分成以下三種實驗驗證 : ①兩段式水洗 ②中空纖維(Hollow Cored Fibre) ③汙染隔離，如 表3所示。
| AMC Defense | As Is | To Be | Target | |
|---|---|---|---|---|
| Filteration | Pre-treatment | Pre-filter/Airwasher | Dual Airwasher with DI | IPA/Acetone |
| Post-treatment | AMC(ACF)Filter | Hollow Cored Fibre | MC | |
| Enclosure/Segregation | Main Process | including Clean Porcess | MA/MC/MC/MD | |
IPA/Acetone本身水溶性極強，強化Airwasher水洗效率對其效果顯著，實驗一於既有MAU Airwaher進行，採樣時間不換水，並於Airwasher前後兩端架設TOC off-line監測儀Mitap(ppb level)，進而了解DI水經由Airwasher花灑後對於IPA/ Acetone的捕集效率及其飽和後IPA/Acetone逸散濃度的影響，如 圖7所示。
圖7、MAU IPA/Acetone飽和測試實驗計畫圖
現行氣化課所提供的XCDA是經由壓縮機將空氣壓縮10倍至純化器後供應給機台，主要作為機台端除塵氣體。實驗二將目前的XCDA導入CHAD AMC Monitor儀器GC/MS後所得的IPA/Acetone數據與廠區現行使用活性碳濾網防護的無塵室數據作比較，可得知純化器(分子篩)可提供的IPA/Acetone等級，如 圖8所示。
圖8、XCDA導入MAU實驗計劃圖
實驗三則是於既有無隔間廠區IPA/Acetone敏感製程區增加隔間及緩衝區後觀察其前後IPA/Acetone濃度變化，如 圖9所示，可進而確認隔間牆是有效阻絕及穩定濃度之可能。
圖9、F14P6 ECP/BE-B.S隔間牆實驗計畫圖
結果與分析
本次三個實驗主要結論於下 :
- DI水(IPA/Acetone<ppb)經過MAU Airwasher後對空氣中低濃度IPA/Acetone有明顯的去除能力，從 圖10得知IPA 去除效率約為70%，可持續5hrs，Acetone去除效率約為40%，可持續4hrs，符合Acetone亨利常數>IPA的物理性質，如 表4所示。除此之外，從實驗數據可發現Acetone在過飽和的狀態下也較容易揮發至汽態，故針對水洗裝置的應用，建議為了達到AMC零污染的目標，應嚴格控制洗滌水水中的IPA/Acetone至ppb level，以達到最佳的汙染控制。
圖10、Fab MAU DI水洗對IPA/Acetone去除效果
表4、常見揮發性有機物亨利常數列表Compound K(atm/mol/m3) Compound K(atm/mol/m3) Methanol 0.0000052 DMF 0.0000002 Ethanol 0.0000303 MEA 0.0000256 Iso-Propanol 0.000015 Ethyl Acetate 0.000128 Acetone 0.000025 Butyl Acetate 0.000164 MEK 0.00013 Toluene 0.0064201 Ethyl Acrylate 0.000254 m-Xylene 0.0074341 - 分析2019年竹中南科各廠最乾淨區域ECP中的IPA/Acetone數據，如 圖11所示，可發現其IPA/Acetone平均值皆落在<5 ug/m3以下，再對比xCDA的數據可發現，xCDA可提供IPA/Acetone<1ug/m3的空氣，已超出儀器可偵測範圍，故可推論未來可朝此方向進行AMC潔淨空氣的提供。
圖11、2019年ECP&XCDA IPA/Acetone濃度圖
- 實驗三於BE-B.S增加隔間牆前後進行比較，由於AMC有季節影響可能性，故對比安裝後兩季(Q4&Q1)與去年同期兩季數據較有代表性，從 圖12可發現Q4 IPA最大值及平均值約降低50%，證實安裝隔間牆後IPA有效被隔離於Cu CMP來源區。
圖12、BE-B.S隔間安裝前後IPA濃度圖
結論
因應未來製程發展，AMC零汙染的目標未來將朝水洗/濾材變化/隔離阻絕進行。以乾淨水源帶走低汙染物已證實可有效處理IPA/Acetone，但後續需再與水課合作安裝監測儀器以確保供應水質無二次汙染疑慮。純化器可提供<ppb的潔淨空氣，但目前以高壓純化的作法，十分耗能且需設置大量高壓管路，在工廠管理端及安全方面仍有相當疑慮，未來建議以常壓純化器方式加裝於空調處理端進行設計。在無塵室內的Segregation對於已定義高低汙染區的AMC控制有顯著的成效，但仍需持續針對每一代製程確認無塵室的隔間是否有變更的需求。
參考文獻
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- Organic Airborne Molecular Contamination in Semiconduc tor Fabrication Clean Rooms, Walter Den,a,z Hsunling Bai,b and Yuhao Kangb，2006.
- Airborne Molecular Contamination : Formation, Impact, Measurement and Removal of Nitrous Acid (HNO2) Jürgen M.Lobert, Reena Srivastava, and Frank Belanger – AMC Business Unit, Entegris, Inc.
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- 張百成，以填充式濕式洗滌塔之觸媒液吸收揮發性有機物效率研究，國立聯合大學環境工程研究所論文，2011。
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