空污減量-現址式尾氣處理設備針對有機污染物去除效率探討

1. 前言

近年來環境議題備受重視，其中半導體製造業之空氣污染管制及排放標準法規亦日益嚴格，但因疫情影響晶圓製造需求大幅提升，因此要在產能滿載且擴充頻繁情況同時持續進行空污改善是台積公司的一大挑戰。

污染物源頭改善是近來運轉廠區較主流且效果顯著的方式，利用現址式尾氣處理設備(Local scrubber)，裝設在不同製程區域，針對其使用特氣選用相對應類型Local scrubber來處理機台所產生之較高濃度含毒性或爆炸性氣體，再利用酸性排氣管道(SEX Exhaust)將較低濃度尾氣排至中央式處理設備(Central Scrubber)進行第二階段的終端處理，經由二階段串聯設備後全面提升空氣排放處理效率。

因此提升現址式尾氣處理設備對於污染物的去除效率為現今重要的空污減量課題，而以某中科A廠自檢發現酸性排氣系統中含有的有機污物，非甲烷碳氫化合物(Non-Methane Hydrocarbon, NMHC)讀值偏高，主要原因為部分化學氣相沉積製程(Chemical Vapor Deposition, CVD)有使用有機物特氣，而其配置的電熱式現址式尾氣處理設備對於有機物去除效率不佳，導致酸性排氣中NMHC偏高。

由於現址式尾氣處理設備出口濃度對有機物僅規範在小於十分之一爆炸下限(LOWER EXPLOSIVE LIMIT, L.E.L)即可，但整體而言對於酸性排氣中之有機物NMHC為主要貢獻來源，因此本研究動機為改善現址式尾氣處理設備對於有機污染物去除效率，希望從源頭減量達到空污改善目的。

本研究盤點CVD製程使用有機氣體進行調查，希望利用化學熱裂解反應及物理流體力學學理，藉由提升加熱器溫度及增加氣體滯留時間等方法來改善電熱式現址式尾氣處理設備對於NMHC的去除效率，並以模擬數據探討其參數設定最佳化，以達到酸性排氣中有機物的減量排放之目的。

2. 文獻探討

2.1 半導體業有機污染物-非甲烷碳氫化合物(NMHC)

台積針對空氣污染排放管道類別，依主要處理污染物特性區分為 : 酸性排氣、鹼性排氣、有機排氣以及一般排氣，台積公司採用「排氣源頭有效減量、末端防制設備強化處理」利用源頭分類、多段有效處理的最佳可行技術，並與業界專家持續合作，提升末端防制設備處理效能，使排入大氣的污染物含量符合或優於政府規定。

其中除了移動污染源車輛的增加，工廠所排放所產生的污染亦成為一項大宗的污染．其中之氮氧化物(NO_X)與非甲烷碳氫化合物(NMHC)經由日光的照射便會形成臭氧(O₃)，而臭氧除了對植物及金屬物質有所損害之外，對人體亦會產生直接性的傷害。

因此台積在進行進行SEX NMHC減量計畫(技術通報內容)調查時發現，部分CVD製程的LSC出口NMHC讀值偏高，追查其Tool process僅使用C₃H₆；由於在45nm時期CVD各製程都是安裝電熱式KT1000FA，電熱式LSC對於有機物的處裡效率不佳，導致出口NMHC讀值過高議題。

2.2 電熱水洗式現址式尾氣處理設備

電熱式現址式尾氣處理設備(Themal-Wet Loacl Scrubber)主要是利用電熱器於爐體產生高熱與氧氣反應燃燒，透過高溫將製程的尾氣作熱裂解消減其污染特性。

KANKEN_KT-1000FA為電熱/水洗式LSC佔大宗機型，常用於處理CVD製程尾氣系統，它混合了熱氧化分解及水溶解之過程，將製程所產生之的廢氣，利用特殊設計的反應室，反應成粉末或是溶解於水中的物質，在經過後段之完全有效處理才排放致廠務中央處理系統。

CVD製程現行電熱式LSC主要type為KT-1000FA，其系統圖與P&ID圖如 圖1、圖2所示，因為溫度限制(~800°C)對有機氣體處理效率不佳，利用高溫式Heater(~1070°C)及螺旋刮刀技術，其差異如 圖3、圖4所示，能提升有機物裂解效率，提升有機物裂解效率，使處理效率>90%。

2.3 螺旋刮刀探討

流體於光滑管內流動時，隨著流動的發展，壁面會產生較厚的邊界層從而不利於熱傳，尤其是在流體速度較低的情況下，層流流動的壁面邊界層導致熱阻較高^[1]。螺旋刮刀因其會迫使流體旋轉，破壞壁面邊界層，增加熱傳與流動路徑，使中心流體與壁面流體混合，受熱溫度均勻且流動時間增加，也可減少污垢在壁面之生成，延長加熱器之壽命。因此使用在CVD製程上，其流體溫度提升且流體滯留時間增加，有助於有機物之熱烈解，進而提升NMHC之去除效率。

3. 研究方法

3.1 有機物污染源頭分析

盤點15A各種製程，SEX NMHC主要污染物為是CVD製程源頭端有使用到CxHx之化學品，而電熱式LSC雖符合規定(1/10L.E.L)，但對於有機物的去除效率不佳，因此先針對最大宗的CVD製程進行改善，以達到空污減量。

由 圖5可以看到CVD中含有機物(CVD-1)之製程為NMHC主要污染來源，佔66%其中主要有使用C₃H₆氣體，C₃H₆要完全反應需要額外的O₂使其轉化為CO₂、H₂O，反應方程式如下 : 2C₃H₆+9O₂→6CO₂+6H₂O，可以透過LSC腔體前增加CDA流量改善，但過多的CDA會導致反應溫度過低，需同步調升加熱器溫度，相對需耗費較大之能源與損耗Heater的壽命，本研究期許透過螺旋刮刀提升滯留時間，以達到去除效率之提升與節能之效益。

3.2 模擬設計

模擬以KT-1000FA作為研究標的，僅針對Heater內部改善進行流場分析，並根據現場量測之數據做為邊界條件。用有限體積法(Finite Volume Method)分析，並使用卡式座標、交錯網格以及SIMPLE演算法計算流場，邊界條件以速度入口、壓力出口進行求解，並以滯留時間進行各項比較，其各項參數如 表1所示。

3.3 實驗設計

本研究目的主要是針對NMHC是否能透過改善加熱器達提升去除效率。以中科廠區CVD製程作為研究標的，透過改善加熱器並加入螺旋刮刀，評估不同CDA、Heater溫度與轉速對NMHC去除效率之影響，通過量測改善前、後之濃度進行比較，以達到最佳解之設定，實驗流程圖如 圖6所示。

4. 結果與分析

4.1 模擬結果分析

從 圖7模擬結果之滯留時間來看，相較於KT 1000FA而言，當加熱器加大時，滯留時間增加1.62倍，加入螺旋刮刀後，增加2.05倍，當轉速逐漸上升，滯留時間也隨著轉速增加，當轉速為50RPM時，滯留時間增加2.92倍。從結果上來看加熱器加大與轉速的提升，能有效的使滯留時間增加，而實驗刮刀最大轉速設定為17RPM，其滯留時間增加2.35倍。

觀察 圖8可以發現，在固定流量下，由於加熱器加大，使得整體流速下降，在腔體內部之滯留時間因而增加。加入螺旋刮刀後，雖犧牲部分截面積導致流速略微提升，但從流線圖上可以判斷，刮刀帶動流體旋轉，使得流線大致上呈螺旋型，進而增加流動路徑，使得整體滯留時間增加。

為進一步分析轉速對滯留時間之影響，截取橫截面流體速度場分布進行對比，如 圖9所示。可以通過速度場發現，當刮刀固定時，流體受到刮刀形狀阻力的影響，速度場呈螺旋均勻的往管壁流動。觀察6~50RPM之速度場可以發現，當刮刀開始旋轉時，刮刀旋轉對中心流體施力，中心的速度向量明顯隨著轉速而增加，但由於刮刀與管壁間之間隙，使得轉速較低時，中心流體無法有效向外擴散，而當轉速逐漸增大時，流體能有效的產生橫向速度，進而增加流動距離，因此能獲得較多的滯留時間。

4.2 實驗結果

利用NMHC-9000 Service分析儀，量測LSC出口NMHC濃度，並比較原始刮刀之數據，利用調整三項關鍵參數：加熱器溫度/CDA流量/螺旋刮刀轉速，找尋最佳設定參數，其中實驗數據如 表2。

4.2.1 螺旋刮刀影響

比較原始KT-1000FA與加裝螺旋刮刀之KT進行比較，如 圖10所示，可以發現加裝螺旋刮刀後，在加熱器溫度的提升或是CDA之調節，在NMHC的減量均獲得較好之效果。

4.2.2 CDA影響

從Kun Wang^[2]等人之研究可以發現，在無特別加氧氣之情況下，丙烯熱烈解之實驗檢測到多種MWG物質(C2-C11)，因此從化學反應式2C₃H₆+9O₂=6CO₂+6H₂O可以知道，要有足夠的氧氣才能夠使丙烯熱裂解成二氧化碳與氧氣。而我們從實驗結果可以發現在相同加熱器溫度下，CDA的提升有助於減少NMHC之生成。藉由FTIR實際量測也可以發現，在相同加熱器溫度下CDA之提升，二氧化碳的產生也隨之增加，證實了丙烯有更好的氧化反應。

4.2.3 加熱器溫度影響

觀察實驗結果發現在相同條件下，加熱器溫度之提升有助於減少NMHC之生成。原本KT-1000FA之刮刀，受到加熱器溫度影響極大，隨著加熱器溫度之增加能有效地提升去除NMHC之效率，但在螺旋刮刀之作用下，加熱器溫度850度與900度高CDA狀態去除效率差異較小，主因是雖然有機物之裂解反應溫度不高，但在受熱不均之情況下，會大大的減少丙烯參與熱裂解反應之量，而加入螺旋刮刀，使得中心流體向壁面擴散，達到較好之熱均勻度。

4.2.4 滯留時間影響

從4.1模擬結果可以知道當加大加熱器與轉速提升時，滯留時間會逐步增加，而從 圖11之實驗結果來看，NMHC的確隨著刮刀轉速之提升而減少，主因為受熱之時間增加，進而使得流體溫度增加，提升丙烯熱裂解之反應時間，能夠有效地裂解成二氧化碳與水。

綜合實驗結果可以發現，雖然在CDA、加熱器溫度與滯留時間達到設計值之最大化時能夠達到最好之去除效果，但在加熱器溫度850℃下可以發現與900℃量測NMHC之值差異不大，主要是受到刮刀影響使得流體受熱相對均勻。而在考慮空污、節能與安全性下加熱器溫度850℃為最佳之設計值。

5. 結論

5.1 研究發現

本文研究針對去除NMHC之效率進行滯留時間之模擬並搭配實驗驗證，以基準組比較在不同轉速、CDA與加熱器溫度之NMHC出口濃度，其結論歸納如下：

• 根據模擬結果可以發現，當加熱器加大時，因流速上的改變，滯留時間得以增長。加入刮刀後流動路徑變長，滯留時間獲得進一步之提升。而在轉速逐漸提升至實驗最大設定值(17RPM)，其滯留時間較無改善之LSC增加2.35倍。
• 觀察實驗結果可以發現提高加熱氣溫度與CDA開大，CxHx能有更好之熱裂解反應成CO2與H2O，使得NMHC得以減少，再透過螺旋刮刀能較為均勻的混合溫度與提升滯留時間，更進一步的提升NMHC之去除效率。

5.2 未來展望與建議

透過本研究可以發現，在相同條件下，有效增加滯留時間可以提升去除效率，而在模擬上也可以看到，流體雖受刮刀旋轉影響呈螺旋流動，但仍有部分流體從管壁間隙流走，使得平均滯留時間下降，因此在加熱器內有效的利用流道空間顯得由為重要。

提升NMHC之去除效率相對的代表CxHx熱裂解獲得更多的二氧化碳與水，二氧化碳雖是溫室氣體，但我們可以藉由碳捕集的方式，將其捕捉下來做進一步的利用，因此碳捕集的研究與利用為我們後續努力之目標。