8吋成廠區在LSC拆裝的空間位置突破 - 以8廠為例

1. 前言

F8運轉至今已超過20年，隨著半導體產業日新月異及製程的進步，產能需求日益增大，再加上近年來環境議題備受重視，與我們最相關的半導體製造業之空污排放標準法規也逐漸加嚴，要配合產能提升且廠內有限空間機台擴充頻繁，持續維持且強化空污改善已成為製造生產端、設備機台端與廠務運轉端現階段最大的挑戰。

本文內容將詳細分享並介紹F8近期在裝機評估過程，從廠務端自我空間安排、動線規劃及工序精進，至生產及設備機台端三方面的統整與調度，達成廠區產能需求最佳化外，也藉此將舊有運轉超過20年且效率差的LSC進行汰換，提升空氣污染物的去除效率，最終達到空污減量與綠色製造之目的。

2. 文獻探討

2.1 真空泵原理及分類

真空泵為真空系統的心臟，依其抽氣型態可分為排氣式及儲氣式兩大類(圖1)。第一類為排氣式真空泵，原理將低氣壓氣體排送至高氣壓區域。利用兩種不同泵串聯完成兩階段抽氣，將氣體從系統較低壓處由泵抽至高壓處，稱為高真空泵。再由另一個泵抽送到後段管路，稱為前段泵(Fore pump或Backing pump)。第二類為儲氣式泵，將氣體抽入泵中永久或暫時儲存於泵中不排出，被抽氣體在泵入口附近受到泵中特殊物質物理吸附，或化學吸附(受高電壓離子化合成化合物)。也有使用低溫將氣體冷凍儲存於泵內技術^[1][2]。

圖1、常用真空泵分類

2.2 氮氣對真空泵用途

半導體採第一類排氣式真空泵進行機台抽真空，使用時會伴隨氮氣填充^[3]，原因為：①氮氣是一種穩定無害氣體，真空泵填充氮氣後，會在真空泵內璧形成微弱保護氣膜，氣體壓力不宜過小，可能導致氣膜無法成型；氣體壓力亦不宜過大，會影響抽真空效果及增加耗能。一般設定在30~40slm；②稀釋製程氣體，降低腐蝕機率及製程附著；③氮氣吸附熱小，吸附於物體表面時間短，很容易被泵抽走。

2.3 後段Local scrubber處理允許氣量

LSC處理流程為製程氣體藉由真空泵將尾氣送至LSC內，透過腔體高溫反應，進入水洗降溫並將反應後生成物攔截於水槽內，最後排至exhaust(圖2)。LSC處理允許氣量，泛指透過腔體大小及水洗段壓損設計，在後段排放氣體符合製程尾氣處理效率下，所能處理的最大氣量。電熱式LSC處理允許氣量為200~250slm(含製程尾氣及真空泵但氣量)、電漿式LSC處理允許氣量為300~350slm。

圖2、製程後端管路配置圖(藏經閣)

3. 研究方法

3.1 Local scrubber選用

F8 CVD製程使用C₄F₈氣體，後段尾氣會反應生成CF₄尾氣由真空泵排放至LSC，選用電漿式LSC，CF₄處理效率大於90%，且允許氣量300slm。(圖3)

圖3、電漿式Local scrubber capacity

3.2 真空泵排氣量與Local scrubber匹配

F8 CVD製程尾氣最高為1500sccm(1.5slm)，真空泵氮氣使用量為30~40slm，每台主機台3個chamber，單一機台排氣量最大為125slm。LSC capacity為300slm，可處理兩台主機台最大排氣量250slm，仍有15%彈性裕度。目前設計為一台主機台對應兩台LSC或兩台主機台對應三台LSC，但F8礙於空間限制，只能採用兩台主機台對應兩台LSC方式配置。以爭取LSC安裝空間及覆蓋率。

3.3 Local scrubber空間規劃

F8無塵室4F機械區佈滿主機台附屬設備，無空間安裝LSC(圖4)，day-1將LSC安裝於隔間後的變電站(圖5)，不符合空間設計規範，管路過長切穿牆及保養切閥皆有機會造成操作錯誤風險。

圖4、F8無塵室4F機械區空間狀況

圖5、主機台LSC安裝於變電站

透過拆除主機台閒置氣櫃及修改主機台附屬設備門型架，並利用動線作為LSC定期保養空間，左右兩側utility規劃成可拆式門型架，日後需異常處理時可進行拆卸及復歸，爭取空間將變電站LSC移回機械區內。

3.4 Local scrubber管路配置

標準LSC入口配置為1個chamber對應1個port，兩台主機台對應三台LSC所需空間為8m²(含保養空間)，F8 LSC入口配置為2個chamber對應1個port(圖6)，安裝兩台LSC空間為5.5 m²。

圖6、標準LSC入口配置(1對1)及F8 LSC入口配置(2對1)

依流體力學管中黏性流動特性，假設管內尾氣為空氣狀態，雷諾數Re為104(式1)，管中流動為紊流。黏性效應會產生邊界層，當邊界層厚度發展完成，氣體完全充滿管中時(圖7)，較不會發生氣體夾帶粉塵滯留於管壁問題，依F8實際量測真空泵出口風速3m/s，2個chamber管路合併位置建議距離LSC入口1m處(式2)(圖8)，減少粉塵可能蓄積問題。

Re=ρvD/ μ　　(式1)

L=4.4(Re)^1/6D　　(式2)

Re : 雷諾數=104，黏性流體流動狀態。(>4000為紊流，單位無因次)

ρ : 空氣密度=1.225kg/m³。(1個標準大氣壓力atm，15℃狀態下)

v : 管內風速=3m/s。(F8實際量測數值)

D : 管徑=0.05m。(F8 pumping line管徑2吋)

μ : 空氣黏度=1.81x10-5Ns/m²。(15℃狀態下)

L : 管流中入口長度。(單位 : m)

圖7、管路中入口區、發展流與完全發展流關係

圖8、Chamber管路合併入LSC示意圖

4. 結果分析

4.1 LSC安裝空間靈活應用

F8 2台主機台對應2台LSC使用空間5.5m²，共節省30%空間。變電站LSC移回無塵室機械區後(圖9)，解決區域設置不當、管路過長且穿牆保養困難的問題。

圖9、F8無塵室4F機械區LSC安裝現況

4.2 真空泵建壓驗證

比較F8標準LSC入口配置(1個chamber對應1個port，BCOX57)及空間爭取方案LSC入口配置為(2個chamber對應1個port, BCOX51、BCOX52)對製程真空泵建壓影響。結果兩種配置方式建壓效果相同。(圖10)

圖10、標準配置及空間爭取配置主機台建壓效果

5. 結論

F8廠區因空間限制，導致LSC安裝覆蓋率低，為求空間最大化應用，LSC安裝最佳化方案，以2個chamber合併進入LSC單一inlet port，爭取30% LSC安裝空間，不僅將F8 CVD製程LSC安裝覆蓋率提升為100%，亦不會影響製程主機台建壓效果。同時將LSC錯誤安裝於變電站區域，矯正至無塵室機械區。