化學品濾心創新管理-預洗與活體移植

1. 前言

隨機台一代又一代進化，化學品的品質監控需求自N20開啟了ppt世代，但濾心供應商提供的CoA(Certificate of Analysis)以及包裝水仍保持ppb級，導致濾心更換後，需要消耗大量的QC心力以及化學品，才可達到需求規格；以5nm製程為例，CR168供應系統之濾心(Entegris® 3nmUPE, P/N : 30160365)，其更換周期為月保養，依據運轉經驗，自更換後需要12天的QC時間才能達到連續2筆in 1-sigma的管制規格，導致系統長期單邊濾心供應，現評估經預洗(Pre-clean)和活體移植安裝於CR168供應系統，有效達到快速洗淨且消耗較少化學品清洗之成本。

廠務系統濾心更換後，驗證濾心需以洗淨後品質出發並由產線試產並監控化學品殘留顆粒量，過往針對濾心擾流式洗淨流程乃至化學品浸泡方式探討濾心適用性，皆透過化學品直接對濾心進行清洗程序，著實提升洗淨效果，一般濾心清洗供應壓力在20-50psig左右，本文將著重於濾心更換前以廠內WT系統供應的UPW(20-40psig)透過水洗機進行濾心的預洗(Pre-clean)作業後再活體移植的程序進行討論，提高濾心更換後的合格率，減低化學品浪費，達到降低濾心更換污染防治之目標。

2. 文獻探討

2.1 濾心材質及特性分析

半導體製程中，供應液相化學品影響微縮製程良率穩定性的兩項因素：顆粒攔截以及不純物移除(重金屬和長短碳鏈有機分子)，目前廣泛應用的化學品濾心市售廠牌主要有Pall®和Entegris®，其材料及製程不同，濾心產品可依耐化性、通透性、耐熱性、結構性(Membrane structure)、表面張力(Critical Surface Energy)、金屬離吸附性分類等。

以濾心進行顆粒攔截，主要過濾(Filtration)未溶解於液體內的有機、金屬、顆粒等汙染物，其薄膜平均孔徑大小(Port Size)為顆粒阻攔指標，而薄膜的結構(圖1 A)亦影響攔阻效果，對稱結構(Symmetric)對於直接補集(Direct Interception)效果較佳，以液相顆粒分布集中大於薄膜孔徑最為顯著，而非對稱結構(Asymmetric)倚賴慣性補集(Inertial Interception)，液相平均顆粒尺寸大於薄膜孔徑和顆粒尺寸分布廣泛者適用，且非對稱結構在相同奈米孔徑下，較高對稱結構更具通量的優勢。

圖1 A、濾心薄膜結構示意及電子顯微鏡剖面圖(上)，不同濾心材質表面張力級數比較(下)

另外，濾心表面若具有疏水(Hydrophobic)特性，可增加慣性阻攔效果於薄膜孔徑內，多個微泡凝聚，可減少微泡透孔，但疏水特性材料若使用於高表面張力的化學品，亦可能使化學液無法有效通過過濾器，所以濾心需要預濕(Prewet) ，或是將濾材進行表面改質提高表面張力(Critical Surface Energy)，可保留低孔徑等材料特性並增加微泡直接補集。

以濾心進行不純物的純化(Purification)濾心，目的在於攔截溶解於液體內的帶電或有機汙染物，濾材分子結構具備特殊官能基或陰陽離子，透過離子交換(Ion exchange)、螯合(chelation)或金屬配位反應(Metal ligand bonding)，捕捉液相金屬離子(Metal removal)和有機化合物(Organics)，此類純化濾心匹配於黃光顯影液2.38%TMAH(氫氧化四甲基銨tetramethylazanium hydroxide)有助於改善晶圓缺陷(Scum& Cone defect)，主要源於純化濾心對鐵[Fe]、鉻[Cr]、鎳[Ni]和錳[Mn]重金屬和長短碳鏈有機分子移除效果佳(圖1 B)。

為滿足不同種類化學品系統及製程需求，目前F18A選用FILTER如下(表1)，例如 : PTFE因具高耐化性且高潔淨度，最廣泛使用於半導體供應系統；UPE具有超高分子量及交聯式結構，本質上便有易吸附有機溶劑及粒子過濾效率的特性，普遍被應用於Solvent(含光阻)及低腐蝕性化學品的過濾；HAPAS結構具有高度非對稱性，對於微顆粒阻攔性佳，濾心產品微孔可製作性高；Nylon有較佳的金屬離子吸附性，可列金屬憂選(Metal concern)，予化學供應系統串聯使用。

圖1 B、過濾(Filtration)和純化(Purification)

表1、不同薄膜材質特性比較表

Material	PTFE	UPE	Nylon	HAPAS
Structural formula
Membrane in SEM
Manufacturing process	Sintering Stretching	Melt casting	Immersion casting	Melt blown
Surface treatment	Modified	Native	Native	Native
CWST[dynes/cm]	35	36	72	50
Membrane structure	Symmetric	Symmetric	Asymmetric	Highly Asymmetric
Max temp.(℃)	185	60	60	70
Max dP[MPa]	0.59	0.34	0.27	0.1
Flow performance	Good	Fair	Fair	Excellent
Chemical Compatibility	Excellent	Limited for oxidatives	Limited for acid oxidatives	Limited for oxidatives solvents
Metal cleanliness(ppt)	<500(10" XP5)	<10000(10"-K13C)	NA	<3000(10" SPDR2-RS1)
F18A status	58%	28%	4％	10%

2.2  濾心供應商製造及洗淨處理探討

現行18A 化學供應系統中PTFE 和 UPE 材質濾心最被廣泛使用(占比86%)，續以該濾心製造流程介紹。

PTFE(Polytetrafluroethylene)粉末屬高溶點聚合物，混拌潤滑劑形成膏狀粉末，擠壓成形排除空氣後，經熱處理(Heat Treatment)和初步拉伸提高基膜強度，基膜進入非對稱燒結(Sintering)溫度和薄膜拉伸壓延(Extrusion)成膜，其設定適當的燒結溫度和時間，以及控制拉伸壓延速度和次數，可增加交聯(Fibril)密度和空隙度，並有效降低膜內孔徑。因PTFE膜材質疏水性(Surface Energy 18.5 dyne/cm)且結構具有交錯曲折及層狀立體堆疊，濾心製品加工洗淨後，需增加一道預溼處理(pre-wet)程序浸泡，避免濾孔殘留微泡(圖2)。

圖2、燒結拉伸法(Sintering Stretching)

UPE(Ultra High Molecular Polyethylene)薄膜採熔噴吹塑(Melt Blown)技術，如下 圖3所示，熔融高分子聚合物透過高速吹塑氣體噴嘴擠出，均勻噴吹於冷卻滾筒上，固化成形後經適度拉伸和熱處理即可得到欲製薄膜，操作過程可設計成封閉的連續作業達到原物料最小浪費，其過程不涉及媒介溶劑操作，可避免濾心未洗淨完全，有機物殘留膜內之風險。其製程需選擇具有較佳流變和表面特性的高分子聚合物，吹塑出直徑較小的熔噴纖維，以達到低孔徑和高孔隙度之薄膜。

濾膜完成後需經膜黏著(Resin)、濾膜打折(Pleating)、折膜安裝(Put membrane in the housing)、預潤(Pre-wetting)、超純水洗淨(DIW Flushing)、乾燥(Drying)、濾罐封裝(Capsule welding)、清洗(Cleaning)和外包裝(Packaging)，部分濾膜因受限製程條件及設備，成品濾膜殘留有機物和錯合微量金屬元素，無法單由酸劑洗淨，需經由有機溶劑互溶和酸洗析出，減少金屬元素殘留，而洗淨酸劑和有機溶劑劑量影響成品金屬殘留量，但隨著洗淨劑量次數增加，會導致成品有機殘留和供應商洗淨成本。

完成組裝及清洗後的濾心有可以依據包裝狀態用途分為乾式(Dry)和濕式(Pre-wet)濾心，而濾心製造商於報裝時充填的包裝水又有純水(DI)以及純水添加異丙醇(70%DI+30%IPA)等區分(圖4)。

圖3、噴熔吹塑法(Melt blown)

圖4、供應商濾心洗淨流程

2.3 廠務系統濾心洗淨程序探討

化學供應系統濾心多為雙通道設計，而濾心的串並聯結構加上管路配置的不同，已知現行多數廠區濾心主要請洗方式以化學品預充排放、浸泡等方式，受化學品流體黏滯性，以及非對稱配管方式，易造成流體短流，無法有效達到清洗效果，延長濾心單供應風險。目前已有廠區研究擾流洗淨，利用化學品清洗達到最大清洗效果(圖5)。

然而依前文回顧，已知濾心經組裝後，會進行清洗，而洗淨酸劑和有機溶劑劑量影響成品金屬殘留量，同時濕式(Pre-wet)濾心於包裝過程中加入包裝水(DI or 70%DI+30%IPA)，若包裝水有殘留不純物更將造成濾心更換時清洗困難，此時以化學品清洗的過程變化造成化學品的額外消耗。

圖5、傳統洗淨程序(上)及擾流洗淨程序(下)

3. 研究方法

由前文回顧，不同化學品透過濾芯選擇及更換周期的不同，在廠務例行性濾心更換時往往會出現洗淨時間過長，加上需要經過製程試產驗證，容易出現窒礙難行的現象，因此，預計使用LIT製程中更換頻率最高且較難達到品質要求(多元素偵測為F18現行1-SIGMA標準)的CR 168 SYSTEM，以及WET製程中對顆粒不純物最敏感的HT-H₂SO₄作為研究對象，續以此兩套研究對象進行規格及測試標準進行報告。

3.1 供應系統原物料COA及濾心條件

① CR 168 SYSTEM

圖6、CR168 PFD(反紅處為預洗單元)

CR168為TSMC自行混酸供應之系統(圖6)，物料來源如下 : 3M(NOVEC4205) 3M TAIWAN LTD，COA總金屬(Total Metal)殘留約為29ppb NH₄OH廣明，COA總金屬(Total Metal)殘留54ppt，0.03um particle count 140 ea。

濾心來源 :

② BLUCK CEHM SYSTEM

圖7、HT-H₂SO₄ PFD(反紅處為預洗單元)

HT-H₂SO₄(圖7)，原物料來源如下 : HT-H₂SO₄廣明，COA總金屬(Total Metal)殘留54ppt Particle_0.04um_19F 40.7 EA。

濾心來源 :

3.2 濾心包裝水金屬殘留量

於上文文獻回顧提及供應商濾心洗淨不足或是包裝水汙染，新品濾心安裝於供應系統，恐需長時間洗淨，以去除金屬殘留，因此取樣於濾心包材內殘留的包裝水，以驗證此論點；將濾心不同批號進行包裝水取樣，委樣至台積實驗室檢測殘留狀態。

3.3 預洗(PRE-CLEAN)系統架構說明

現行濾心預洗(PRE-CLEAN)作業尚無大宗中央清洗系統，主要仰賴廠區所屬未供酸的機台改造成水洗機進行預洗，由廠務水系統提供的超純水UPW(如 圖8)，透過桶槽液位SENSOR控制以進行桶槽自動補水，再以幫浦(PUMP, 型號TREBOR 960D)為驅動源加壓通過濾心位置，濾心部分則使用20外蓋(Housing)以符合現行廠區使用之濾心大小，初始清洗以無安裝濾心，僅安裝外蓋狀態下執行機台水洗，完成機台前值收集，而水洗後的濾心，必須符合水洗前值以判定完成水洗。

圖8、水洗機PFD

3.4 濾心預洗及活體移植方法說明

濾心預洗及活體移植作業流程如 圖9，收集包裝水後的濾心後，以水洗機內PUMP對濾心進行清洗，PUMP設定壓力趨近於供應壓力(靜態壓力35~45PSI)，透過UPW通過濾心清洗將不純物排除，單次濾心的清洗量則依照PM O.I.規範洗淨量 : 逆洗量 : 浸泡量=2 : 1 : 1程序(Flush Volume)60L/ea(size : 10吋)和120L/ea(size : 20吋)，參數設定洗淨以預先充填的排泡(Vent)、排放(Drain)和逆洗，由系統磅秤重量(Load Cell)或旁通管(Side tube)液位高度，紀錄執行上述狀態，於上述程序前需執行手動取樣，由台積電實驗室CHAD以Agilent ICP-MS 8900(Inductively Coupled Plasma, ion source-Mass Spectrometer, ion analysis)分析濾心13種金屬元素殘留量，每日執行一次上述動作一次，收集數據至符合水洗前值的狀態。

濾心預洗設定採用擾流洗淨建議，使預洗達到清洗達到最大清洗效果，活體移植前則以低壓(<10psi)純氮氣進行重吹避免濾心受損，完成排液後再以待更換部位的外蓋(Housing)作為轉移的載體，存放水洗後的濾心並轉移至欲更換之供應系統安裝，完成洗淨、浸泡、取樣分析。

運用上述流程，本案將進行CR168 & HT-H₂SO₄等供應系統特定位置的濾心，驗證是否提高濾心更換後的合格率，減低化學品浪費，達到降低濾心更換污染防治之目標。

圖9、濾心預洗及活體移植流程

4.結果分析

4.1 濾心包裝水

4.1.1 UPE(Entegris®)

取樣結果顯示，不同批號皆有不純物含量>10ppb(total metal)的殘留狀態，造成濾心更換後取樣驗證時間過長、化學品清洗量增加才可達到需求規格(連續2筆in 1-sigma) 。

將不同生產批號之3nm孔徑UPE(Entegris®)濾心包裝水送樣檢驗，發現大量金屬元素鈉和鋁約5~20ppb，且鉀、鈣和鋅約1~15ppb，依照生產批號比對，於1、2和3月生產批號相較5和7月生產批號的金屬殘留量少，此結果與供應商提供COA資料比對有正相關，顯示不同月份生產濾膜和濾心清洗流程中，均有殘餘未完全洗淨之金屬殘留(如 圖10)。

圖10、UPE不同生產批號包裝水之金屬殘留比較(ppb)

4.1.2 PTFE(Entegris®)

相較於UPE，PTFE使用的包裝水不論批號差異，明顯有高潔淨度的表現，如 圖11取樣結果顯示殘留量約0.5~1 ppb(total metal)，如前文回顧，濾膜使用的洗淨酸劑和有機溶劑劑量影響成品金屬殘留量，對於高單價的PTFE濾心，其高耐化性及高潔淨度，最廣泛使用於半導體供應系統，而18A使用經驗上對於H₂SO₄高黏滯性的化學品，濾心更換時仍需大量清洗時間達到ppt等級的潔淨度，故仍計畫透過預洗作業加速不純物的排除。

圖11、PTFE不同生產批號包裝水之金屬殘留比較(ppb)

4.2 濾心洗淨金屬殘留分析

清洗前，濾心的鉀、鈉、鋅、鋁等金屬元素皆大於供應使用規範100~200倍，經預洗作業後，通過濾心取樣金屬不純物總量(total metal)明顯改善，預洗清洗量比照OI規範的濾心清洗量60L/ea(size : 10吋)和120L/ea(size : 20吋)，經一次定量清洗後，其結果如 圖12，依據洗淨結果可以達到廠內CHAD ICP-MS 13種金屬元素驗證的偵測極限，相較於包裝水，透過廠區內的UPW清洗可確保在短時間內除去濾心內的金屬殘留，降低化學品使用量。

圖12、水洗前後不純物總量(total metal)

4.3 濾心預洗成效分析

現行18A更換濾心後需要達到連續兩筆metal QC in 1-sigma才可以協調線上製程配合進行濾心的試產供應，完成活體移植安裝後的濾心，續以酸洗進行品質驗證，觀察經水洗淨後的濾心是否改善合格率，紀錄酸洗後取樣結果第一筆以及連續兩筆達到1-Sigma的比例，由本案結果如 表2顯示H2_SO₄水洗後仍存在需長時間清洗的需求，而針對CR168 CDU Final Filter達到連續兩筆品質驗證的有接近60%改善效益，同時在CTU transfer Filter有更明顯的趨勢，可達到水洗後，完成第一次酸洗即可達到1-Sigma標準，CTU Filter組成有3nm UPE+10nm Nylon，過去經驗需要至少6次清洗，對此推算化學品消耗減量部分如 表3，大約節省60%化學品使用以及取樣、分析等人員作業。

然而濾心驗證除了符合金屬不純物的管制規格外，配合設備試產印證晶圓電子束檢測缺陷和晶圓表面殘留顆粒量，亦可做為水洗濾心印證成效的另一指標，F18A長期與黃光製程合作對LIT PO2 Bridge改善，由混酸膠羽改善開始、原物料卡關到濾心預洗如 圖13，在導入預洗後持續改善而達到Defect穩定，後續目標則可對延長濾心更換週期(Filter life time)立下基石。

圖13、N5 PO2 Bridge particle改善狀態

5. 結論與未來展望

本案評估濾心利用超純水預洗提高濾心更換後的合格率，減低化學品浪費，達到化學品濾心創新管理之目標，依照結果於UPE濾心預洗有顯著改善，UPE普遍被應用於Solvent及低腐蝕性化學品的過濾，而18A自行混酸供應的CR168則為廠內目前濾心更換需求最頻繁的化學品，經預洗與活體移植實驗，達到化學品節省提高合格率以及延長濾心更換周期的成效，18A已全面展開對於CDU Final filter以及CTU transfer Filter進行預洗，以此實驗結果，同步評估針對 : ①C168混酸單元(CMU)；②同樣使用Nylon作為金屬離子吸附的Thinner-1 LORRY循環單元(RU)安排濾心預洗測試。

現行18A化學供應系統中PTFE和UPE材質濾心最被廣泛使用(占比86%)，目前計畫利用過往濾心更換後送樣紀錄作濾心管理資料庫(Database)，對此兩種濾心進行實驗規劃。

PTFE部分 : PTFE濾心包裝水潔淨度明顯優於UPE，於超純水預洗實驗結果顯示無法有效加速達到品質目標(連續兩筆1-Sigma)未來針對PTFE濾心，預計採用1-shot in Control計畫作為濾心創新管理之方向，將過往濾心更換後送樣紀錄作濾心管理資料庫(Database)，分析取樣flush量，訂定化學品專屬固定flush量，經固定清洗量再進行取樣驗證，降低單次更換濾心的fail rate以實現濾心創新管理。

UPE部分 : 除了同步展開1-shot in Control計畫外，對於資料庫內需要長時間清洗的化學品(例如CX-100)持續安排預洗的驗證，而預洗需求的增加，則顯示水洗機預洗產出的動能需增加，18A針對水洗機目前仍仰賴各phase的未上線機台執行，無大宗中央清洗系統，可以評估如 圖14，濾心活體養雞場概念以提升濾心供應之品質穩定度與可靠度，能夠有更完整統一的清洗單元，透過冷、熱超純水的使用，除了金屬不純物驗證同時可利用粒徑分析儀輔助檢驗，達到濾心物料調配及品質專一的效果，降低濾心更換污染，實現濾心創新管理。

圖14、養機場2.0(F18 Filter pre-clean station)