無塵室空氣再淨化-外氣預水洗處理

1. 前言

半導體製程隨著世代演進，製程越複雜，線寬越來越精細，對無塵室環境要求也越來越高，AMC(Airborne Molecular Contamination)以成為影響製程良率的關鍵；因此，無塵室內的AMC控制成為廠務運轉的重大課題。AMC汙染源主要有二個源頭：一是外氣汙染，包含由工廠自身煙囪、週界其他廠房或戶外設備所排放的製程廢氣以及大氣中的環境背景微汙染物，經由外氣空調箱MAU吸入後，吹入無塵室內；二是內部汙染，如機台保養使用化學品、施工使用有機溶劑、裝機物料釋氣(outgassing)、化學品異常洩漏等，都會造成AMC濃度異常，進而影響製程良率。在AMC管控策略中，一般認為採用源頭管理為最佳最有效的管控方式，tsmc在內部汙染方面已有完善的監測/巡檢/稽核機制，可有效控制污染源，於汙染發生時進行防堵；對於外氣汙染方面，目前以MAU水洗及裝設化學濾網進行吸附濾除為主要手段。

各製程中以ECP/B.S.區對環境IPA要求最為嚴格，為維持無塵室AMC，需頻繁更換化學濾網，但化學濾網濾除效率會隨時間而逐漸衰退，無法持續維持濾除效率，所需費用高昂，且濾網所用活性碳濾材對分子量小，低沸點的有機揮發物(如IPA)去除效果不佳。IPA主要來源為外氣，依源頭管控的概念，本文將探討以水洗去除IPA技術，期望在MAU外氣處理時將IPA去除，使MAU供應潔淨空氣品質再淨化，進而減少更換濾網的頻率，朝無塵室AMC零污染方向前進。

2. 文獻探討

2.1 AMC汙染與控制技術

AMC(airborne molecular contamination)指的是環境中有能力沈降於表面上形成單分子層薄膜的氣態分子污染物，造成晶圓製程上的缺陷，影響良率；依其性質可分為：MA(酸性物質，acids)，腐蝕性物質，具有化學反應中的電子接受者之反應特性。如：氫氟酸、硫酸、氫氯酸、硝酸、磷酸等；MB(鹼性物質，bases)，腐蝕性物質，在化學反應中為電子提供者，容易與酸性物質作用產生鹽類(salt)。主要為氨氣；MC(凝結物，condensables)，一般指在常壓下沸點高於室溫且容易凝結在物體表面的有機物；MD(參雜物，dopants)，會改變半導體材料電性的化學物質，如：硼、磷、砷等^[1][2][3]。

隨著半導體製程製程的演進，在線徑越來越小的狀況下，AMC(Airborne Molecular Contamination)對於製程的良率越來越重要，如何提供更乾淨空氣為先進製程的一大挑戰，尤其以低分子量汙染物(IPA/Acetone)為主要關鍵物種(圖1)。

針對IPA、Acetone物化特性，目前於敏感區風管裝設Filter Box(圖2)，使用IPA濾網進行過濾，僅可小區域實施，仍須耗費濾網及人力。

MAU出口MA Submain串接Filter BOX(裝設IPA regen filter)，供應至敏感區域(B.S、ECP)，每隻風管N+1設置。

2.2 IPA/Acetone特性

異丙醇 (IPA) 於半導體製程中被廣泛使用為清潔溶劑，若經由製程廢氣排入大氣中，又再被外氣空調箱(MAU)吸入，會造成潔淨室內環境AMC汙染，IPA可與水混溶，揮發性極高，其特性表示IPA可利用air washer以洗滌方式去除，但極易再揮發到空氣中。

氣體在溶液中之溶解性質與氣體的分壓有關，此氣體性質可由亨利定律(Henry's law)來說明：

Henry's law : e^P = e^KC

(e近似於2.7182818，是自然對數的底數；P=溶液上的氣體分壓(partial pressure)；c=溶液的體積莫耳濃度(molar concentration)；K=亨利常數，kK會因溶劑和溫度的不同而變化)。

在常溫下，某氣體溶解於某溶劑中的體積莫耳濃度和該溶液達成平衡的氣體分壓成正比。亨利常數越大越不容易和水混溶，亨利常數小數點4位以下才有機會在常溫常壓下溶於水，從 表1可看出IPA與Acetone易溶於水^[4]。

2.3 水洗法應用於AMC處理

無塵室的外氣空調箱(MAU)水洗段(air washer)主要功能為加濕空氣至飽和相對濕度(圖3)，亦能將空氣中化學物質吸收，達到去除AMC的功效。其原理為藉由氣液兩相接觸之氣體吸收程序，將氣體中之溶質(AMC汙染分子)吸收輸送至液體(DI水)內部，進行吸收去除；設計/操作時需考量霧化粒徑(噴嘴選型)、液氣比(循環水量)及水中離子濃度(循環水源水質/換水設定)，在符合經濟效益上達到加濕空氣及去除AMC汙染分子之成效。

空氣污染防治上來說，氣體吸收是指選擇性的將一物質由氣相傳遞到和其接觸的液體中。吸收能達到分離的原理是因為氣相中的某些成分較易溶於液體中。在許多的污染防法工作上，所用吸收液是水，而處理方式可稱為淋洗(scrubbing)或水洗(washing)。而氣體吸收式的水洗器主要是依靠質傳的原理設計，質傳基本上有兩種主要的機制。其一即是分子的擴散(molecular diffusion)，而分子之所以會發生擴散通常是伴隨著某種來自外界的驅動力(driving force)，如濃度梯度(gradient of concentration)、壓力梯度、溫度梯度或者是如電力場、磁力場之作用所引致。但一般最常見的還是以濃度差所引致的質傳最為廣泛。另外一種機制便是因為流體動之紊流所引致之質傳，此即所謂的紊流擴散(turbulent diffusion)，同時氣體吸收是物質由氣相擴散至氣液界面，進而穿透此界面而擴散於液相的吸收液中。氣體進入液體後，也許伴隨有化學的反應發生。在吸收的過程，除了有分子的擴散物質傳輸之外，也有流體亂流所引起的物質傳輸，要比單純的分子擴散快很多。因此氣體吸收設備都盡量是在亂流的情況下操作^[5][6]。

3. 研究方法

3.1 IPA預水洗去除

IPA可與水混溶之特性從外廠水洗測試IPA去除效率結果(圖4)亦可得到驗證，水洗箱入口121ug/m³，出口為14ug/m³，處理效率約為90%。

初步可知，以水洗方式去除IPA在實用層面上具有可行性，本實驗在F18P4無塵室外氣空調箱MAU入口前新增預水洗箱(圖5)，使用DI水(去離子水)進行洗滌以去除IPA。先經由預水洗箱內的兩道DI水先洗滌外氣，預期去除50%污染物IPA後再送至外氣空調箱控溫控濕，可延長外氣空調箱及無塵室天花板上的化學濾網更換頻率。規劃挑選AMC高敏感區(B.S.&ECP)外氣空調箱前裝設預水洗箱。

3.2 Pre-washer設計

外氣由LR1進入預水洗箱，預水洗箱先經過35% bag filter，再經2道washer預洗，除霧層去除過飽和水氣後進入MAU，最後由MAU調整溫濕度供應進無塵室中(圖6)。

DI water由L40 MAU washer排水藉動力補入LR1預水洗水箱，預水洗水箱經由溢流(overflow)方式排水(圖7) ，因洗滌水源為原有外氣空調箱的排水，不須額外增加用水。

考量IPA易溶解易揮發之特性，預水洗箱前後預留盤管空間，未來可加裝冰水盤管，第一道盤管進行降溫凝結，以增加氣體溶解度，提升洗滌效果；第二道盤管再次冷凝，以抑制氣體揮發，進一步提升預水洗箱功效。

4. 結果分析

4.1 無塵室AMC品質提升效益

比較F18P3(無外氣預水洗)與F18P4(有外氣預水洗)濾網更換情形，外氣預水洗導入後，ECP區天花板上方FFU AMC濾網每年更換頻率12→2次(圖8)。

由實驗結果得知，於AMC VIP製程區(ECP/B.S.)MAU裝設預水洗，可有效降低MAU出口IPA濃度值，6.4→3.5ppb(圖9)，達到減少更換濾網次數的效果，大幅降低濾網更換費用，與預水洗初設及運轉成本加總計算，ROI 約為2.2年(表2)。

運轉成本(Utility) : Pump=(37*2+0.5)*24(hr)*365(day)*2.6(電費)

運轉成本(濾網) : 103(FFU)*4(Filter)*2,000(Filter單價)*12(次/年)

5. 結論

因應未來半導體製程發展，AMC勢必朝向零汙染的目標前進，為維持無塵室所需環境空氣品質，若繼續採現行模式不斷更換濾網，勢必將花費更龐大費用、人力及產生更多廢棄物。以水洗方式處理IPA，在本實驗中已得到相當成效，可有效降低更換濾網頻率及人力，一年僅ECP/B.S.區即可節省更換濾網費用NT$8.3M，未來方向將持續測試預水洗增加冰水盤管後成效，提升MAU系統外氣處理能力。本次預水洗箱為額外獨立裝設，全部MAU都設置頂樓空間並不足夠，因此僅能挑選AMC VIP區MAU裝設，最終目標期望能與MAU整合，解決空間亦可降低初設成本達到更好的ROI，並可推廣應用至全Fab MAU使用，提供無塵室更良好的潔淨空氣並節省更多更換濾網費用與降低運轉成本。