南京外氣AMC的危機與探究

前言

南京台積電要做到AMC減量化，需要先考察南京與臺灣的AMC區別，以及南京廠附近環境與臺灣廠的區別。作為長江三角洲地區工業繁榮的南京，受到典型的溫帶季風性氣候影響，污染源較多且易蓄積沉降；而臺灣是亞熱帶季風性氣候，且四周沿海，空氣品質指數明顯好于南京及周邊區域。調查發現，南京的外氣狀況(PM2.5及AMC)約為臺灣的200%~250%，如 圖1所示 。

南京台積電處在新工業園區，附近有大量的生產工廠，如橡膠廠、醫藥廠及食品等工業廠，且目前仍有十幾處地方新建工地自建廠後運轉至今，AMC比對臺灣廠來看，其AMC有兩種成分存在問題 : ①MeCl2 baseline偏高，且經常異常升高，如 圖2； ②TS長期處於低值，但偶爾會出現濾網被擊穿情況，如 圖3。

以上均為南京廠遇到的AMC危機，本次研究目的是為了降低其對半導體生產的危害；但同時，也是在尋求在AMC的污染防治上，通過其對這種差異性成分的重點研究，是否可以尋找到處理其他異常成分的思路，以及對於未來南京甚至大陸其他地區建廠提供案例，防止該問題成為未來大陸新建廠的通病。 

文獻探討

針對外氣MeCl2和TS的研究，我們首先要知道其物理和化學特性，瞭解它們的應用範圍，才有機會尋找對的角度和方法。

首先來看MeCl2，中文同義詞叫法最廣泛的為二氯甲烷，無色透明液體，特性為低沸點，易揮發(沸點 : 38℃)，水溶性差，是不可燃低沸點溶劑，常用來代替易燃的石油醚、乙醚等。

2017年10月，世界衛生組織國際癌症研究機構，將二氯甲烷列入2A類致癌物清單中^[1]。2019年1月，二氯甲烷被列入有毒有害大氣污染物名錄^[2]，2019年7月被列入有毒有害水污染物名錄^[3]。

從用途來看，二氯甲烷具有溶解能力強和毒性低的優點，大量用於製造安全電影膠片、聚碳酸酯，其餘用作塗料溶劑、金屬脫脂劑，氣煙霧噴射劑、聚氨酯發泡劑、脫模劑、脫漆劑。在製藥工業中做反應介質，用於製備氨苄青黴素、羥苄青黴素和先鋒黴素等；還用作膠片生產中的溶劑、石油脫蠟溶劑、氣溶膠推進劑、有機合成萃取劑、聚氨酯等泡沫塑料生產用發泡劑和金屬清洗劑等。

MeCl2在中國主要用於膠片生產和醫藥領域。其中御用膠片生產的消費量占總消費的50%，醫藥方面占總消費量的20%，清洗劑及化工行業消費量占總消費量的20%，其他方面占10%。二氯甲烷也用在工業製冷系統中用作載冷劑使用，但危害很大，與明火或灼燒的物體接觸時能產生劇毒的光氣。二氯甲烷還是用來製作咖啡因咖啡的物質 。咖啡先通過蒸煮，使咖啡因溶解出來並漂浮在表面，然後使用二氯甲烷來去掉咖啡因^[3][4]。

再來看TS，TS是總硫化物的簡稱，而總硫化物又可以分類為無機硫、有機硫。

有機硫是一種含硫化合物，它通過硫族與重金屬離子穩定結合併發生化學反應，形成穩定的有機金屬化合物，不易溶解。很多化石燃料，如煤、天然氣、石油中，都含有一定數量的有機硫化合物，燃燒時釋放出有毒的二氧化硫氣體。

無機硫在硫化物中，是指電正性較強的金屬或非金屬與硫形成的一類化合物^[5][7]。

硫在自然界的使用範圍很廣，如硫化鈣和硫化鋇被用來製造發光漆，三硫化四磷用於製造驗貨，二硫化碳在工業上被用作溶劑等等^[6]。

研究方法

在研究MeCl2和TS時，因為其與外氣影響密不可分，因此我們需要考慮到廠區外氣所有可能的影響來源。按照前言所提到的南京台積電所處的新工業園區，以及本身存在的污染排放，可以先設計為「廠內污染」和「廠外污染」兩大類別，如 圖4所示。

• 廠內污染 : 台積電廠區內本身的污染源有煙囪排放、有機溶劑施工作業，對其進行調查，分析是否為來源之一。
• 廠外污染 : 調查園區工廠的排汙污染，以及極端天氣因素，分析來源。

3.1.MeCl2/TS 研究計畫

A、採樣佈點：

a、廠內採樣佈點 : 按照「東-西-南-北」坐標軸劃分為四個區域，屋頂penthouse附近的煙囪排區域劃分為一個採樣區域，如 圖5。

當MeCl2升高時，按照設計採樣方式對劃分區域進行canister採樣分析。

b、廠外園區劃分：以南京台積電為十字座標軸中心，確認其四周分佈主要工廠情況，如 圖6。

B、研究工具：風玫瑰圖

通過風玫瑰圖，如 圖7，對當時風向、風速的記錄，搭配TREND CHART，如 圖8，可以幫助我們判斷來源的方向/發生時間，縮小採樣範圍。

C、即時採樣分析：當MeCl2/TS peak時，分為廠內外的不同採樣情況。

a、廠內：根據廠內佈點劃分區域，用canister/impinger採樣送至實驗室分析；

b、廠外：查看風玫瑰圖，確認當下風向及風速，然後在屋頂上風口用canister/impinger採樣分析，並請實驗室協助分析結果，如 圖9。

D、來源追蹤：根據採樣和分析的情  況縮小範圍，確定污染來源。

結果與分析

我們通過長期觀察，根據某些具體案例的對比和研究 ，來分析其表現的根因。

案例一： 2019年5月10日，MeCl2讀值peak10ppb以上，如 圖10，根據廠內佈點對廠區進行採樣分析，發現來源為廠內，如 圖11。

顯示發現在煙囪區域最高值為45ppb，遠高於其他環境區域，可能為MeCl2升高來源。

接下來進一步對各類煙囪環境，如 圖12，進行採樣，採樣結果發現SEX-112的出口值為15ppb，採樣結果，如 圖13，明顯高於其他出口濃度，說明可能是某些地方的污染通過煙囪排放對外氣造成了污染。

根據工廠設計架構，在FAB整個建築內的空氣流動，迴圈方式通過「4F MAU補充新風→各環境exhaust排出氣體→匯入central scrubber→屋頂煙囪排放至大氣」的過程保持，過程示意圖如 圖14，SEX-112的使用端為FAB LB10 ，可能為MeCl2產生升高的來源，為此我們需要對地下室佈點進行採樣確認。

地下室由於存在有機溶劑施工及大量有機溶劑暫存區 ，如 圖15，我們對施工環境和暫存分別採樣分析，得到結果，如 圖16，可以確定MeCl2升高的來源是施工有機溶劑產生。

因為得到結果有機溶劑是廠內影響MeCl2升高，我們針對廠區內有機溶劑進行普查，在全廠區共70種有機溶劑的分析中，有50種溶劑不及格，MeCl2數值>5ppb，其中以稀釋劑、噴漆、清洗劑最為嚴重，如 圖17所示；

可以看到，與臺灣廠不同的是，南京台積電的有機溶劑施工材料多為大陸品牌，雜牌現象嚴重，多數材料AMC均不適用於半導體產業，因此我們有必要對有機溶劑的施工做進一步加強。在原施工管制的基礎上，我們增加對於有機溶劑進入廠區的標準，在施工開始前的進料便開始管制，如 圖18。

在進料過程中，我們會對各材料逐一分析，確保其各個成分符合半導體環境指標，並以此建立「有機溶劑白名單」，如 圖19，旨在實行上述提到的擴大管制後的材料進廠管制，使大陸廠商用的有機溶劑材料規範化、標準化，當廠商需要採用白名單以外的有機溶劑時，需申請化學分析進入白名單。

施工區域的管制我們也對其進行進一步加強，通過增加系統有機溶劑作業單，使有機溶劑通「sponsor申請→AMC簽核→長官確認」的流程，能隨時掌握其施工情況，方便管制和調查。

通過增加管制範圍和加強施工管理，我們發現MeCl2的讀值有明顯下降，如 圖20，說明區內有機溶劑施工是MeCl2異常的來源。

通過chart我們可以看到管制廠內施工來源後，MeCl2的確有所變化，但其升高情況卻仍有發生，這不免引起我們的思考，難道MeCl2的來源並不只有一個?而這次疫情給了一個很好的對比發現：

案例二：2020年3月12日MeCl2數值跳起，我們通過2020年1月-3月的外氣MeCl2表現結果來看，如 圖21所示 : ①南京廠MeCl2，在場內外完全停工狀態，環境MeCl2=0；②場內土木修繕暫完全停工狀態情況下，MeCl2卻仍trend up，說明MeCl2的污染來源不止在廠內，廠外應該有其他污染源。

我們將MeCl2升高情況如 圖22與長期風向結合查看，發現當風向來自東南方向時，MeCl2反應變化較為頻繁，而當風向來自其他方向時，該影響顯示為偶爾發生或不發生，最近一筆異常升高事件為南京霧霾天氣影響，如 圖23，通過觀察天氣和風玫瑰圖觀察風速為0可得知，如 圖24。

針對東南部公司分佈進行大普查，如 圖25，我們發現東南方向的公司有16家醫藥/塑膠相關公司；同時也有8家施工工地，符合MeCl2工業性質^[4]。

廠外方向基本確定為東南方向後，我們通過扇形散點的方式進行進一步採樣，具體確認來源。

首先我們面對東南方向進行橫向分佈採樣，如 圖26，發現某一區域資料很高，調查該區域發現公司有：生物科技公司2家、藥物研發1家、新建工地1家，紫峰一期外牆改造1家。

再繼續對出現MeCl2高點值的位置和台積電之間，進行縱向採樣，如 圖27，發現某科技公司附近MeCl2讀值為46 ppb(正常環境4ppb以下)

通過這一系列的研究和追查，我們可以肯定，南京台積電在廠內存在污染源，在廠外也同時存在污染源。應對此問題 ，我們無法去通過進料或施工管制來有效控制，是否有其他方法可以用以預防?內在可以通過管理，但外在只能通過濾網來進行去除，台積電廠內目前無專門針對MeCl2的濾網，因此我們希望能找到能夠長期有效過濾的MeCl2濾網。

我們先來參考臺灣相關測試資料，以下是臺灣廠對三家濾網廠商提供濾網的測試結果，如 圖28，由結果來看，其中兩家MeCl2處理效率符合需求。但能否長期有效的處理MeCl2成分，我們仍需對其做進一步的耐久測試。

以下是溝通濾網廠商，對其MeCl2新型濾網的實驗，原廠提供參數及性能曲線，如 圖29；據資料說明，濾網過濾有效狀態下可維持800hr，符合廠內更換濾網的標準。

以下是在南京廠內MeCl2濾網實際環境濃度下測量情況，測試環境為2F Sub-fab，以實驗室Canister為分析工具，濾網入口端MeCl2濃度>5ug/m3以上，測試條件成立，但測試結果僅維持14hr後濾網宣告失效，如 圖30。

我們除了對該家濾網進行測試以外，也同時在尋找其他家廠商的濾網資料，雖然大部分的原廠測試資料在合格範圍，但要考慮到實際效用和成本，其耐久測試是必不可少的一環；該題目需繼續研究，但方向性也需要精准，確定能夠長期有效抵禦外氣MeCl2才是我們的最終目標。

TS的異常情況與MeCl2不同，因對於TS廠內有對應的濾網及水洗機制，因此其大部分時間TS均處在控制範圍內，但會在有段時間內突然升高，且濾網效率並未有任何變化，水洗導電度也無任何變化。我們通過以下案例，先來回顧一下問題最開始發生的情況。

案例一：2017年11月24日，TS突然peak，數值達36.8ppb，更換TS/DMS濾網，濾網效率68%；11月28日，TS再次peak，測試TS/DMS濾網效率66.8%，如 圖31，濾網效率幾乎不變。

當下人工的風向測量(風向系統未上線)為東南風，沿著上風方向追查，發現東南方人工湖施工，有大量柴油機燃燒，如 圖32，疑似是污染來源。在停工狀態下TS仍有升高情況發生，可能猜測 : ①可能柴油機燃燒不是其污染源；②柴油機燃燒是污染源，但週邊還有其他污染源。

TS本身是總硫化物，包含無機硫和有機硫。台積電廠區的TS濾網有DMS和H2S，以及有對應的MAU的水系系統來處理可溶解性AMC物質。但TS的化學物種類繁多，南京台積電遇到的問題可能是某種無機硫化物，且不能溶于水，才能在短時間內直接進入無塵室使濾網失效，但具體成分是何種物質，當時未有條件進行進一步分析確定。

因為TS平時在baseline以內，升高情況較少，因此我們還需要通過其他特殊案例來具體分析。而近期復工後頻繁出現的異常案例，對於我們接下來分析和討論帶來了很大的便利。

案例二：我們來看2020年3月開始的外氣TS trend chart情況，大陸疫情期前，TS有偶爾升高情況發生，在疫情期後全面復工開始，TS開始頻繁升高，如 圖33。

這次我們在TS升高時對上風口採樣，並送至實驗室分析成分：penthouse MAU inlet TVOC1 46ppb，如 圖34，實驗室分析其成分為CS2，為無機硫化合物。這樣也證實了對2017年事件的猜想，DMS濾網無法過濾無機硫化物，因此濾網及水洗系統會失效，造成被穿透的現象。

CS2是無機硫中最為常見的一種物質，易產生在硫化物的燃燒中。於是我們對TS升高時候查取其風玫瑰圖，如 圖35 ，對比發現其偏西南風時，TS容易升高；再仿照MeCl2的橫縱向分佈採樣的方法，最終確認為某建築工地施工，污染來源為柴油機燃燒導致，如 圖36，也同時確認2017年的TS污染來源確實為人工湖施工導致。

TS升高的成分CS2，是一種無機硫化合物，小分子形態，不溶于水，溶於乙醇；TS/DMS過濾大分子顆粒物，因此易被擊穿；我們改用TVOC的抽取式濾網進行更換，如 圖37是MAU inlet鐵甲戰場的濾網佈置。

持續查看TS數值，數值不再跳起，濾網過濾成功，如 圖38。

因為南京台積電目前所在園區處於建設階段，因此新建工地、道路施工會導致很多大型柴油機燃燒；確認了TS來源和關鍵成分，我們就可以在外氣TS波動時有對策性的佈置濾網，防止TS穿透濾網。

結論

通過對MeCl2、TS展開的計畫研究，以及最終的結果分析，我們可以得到以下結論：

MeCl2 : ①廠內 : 大陸雜牌有機溶劑的MeCl2超標，需要通過對有機溶劑施工進廠→現場管理→暫存區管制，來防治MeCl2；②廠外 : 來源於製藥廠的污染排放，對應策略為開發新型MeCl2濾網防治，目前第一家濾網測試失效，正在與另外幾家濾網廠商繼續測試。

TS : 污染源為廠區週邊新建工地+道路施工的大型柴油機燃燒，主要成分為CS2無機硫化物，策略為MAU inlet鐵甲戰車鋪設TOC抽取式濾網進行防禦。

研究的結論向我們展示，特殊的升高成分來源的確與南京廠獨特的地理位置聯繫緊密，存在廠區內大陸有機溶劑的使用，同時也有工業區的其他工廠污染；之後通過控制和其他應變措施，我們找到了處理AMC危機的有效方法。這些說明，AMC處理危機的首要任務是尋找其來源，研究來源的時候我們需要根據實際情況，對AMC可能的所有來源有效分類，才能提出有效率的研究方式方法，達到最終AMC成分減量化的目的。並且也能夠對今後其他包含新建廠區提供案例和資料，成為一個常規操作的標準。

本次的研究是對於AMC防治通解通法的一個嘗試，未來本廠或者是新建廠是否存在其他問題，出現新的危害，均能夠從此次研究中借鑒經驗。同時，我們也可以討論，是否能夠將其在未來作為一個新的預防系統上線，通過風向及地區污染源雷達圖來提前預警，然後按照廠內AMC管理規定做出有效防治，真正做到免疫廠內廠外所有AMC的干擾，做到廣泛的、長期持續性的AMC防治。