RD廠區空污混排改善策略與執行成效

1.前言

1.1 研究動機

半導體產業是台灣重要的產業之一，台積在世界上的高科技產業鏈中更是扮演舉足輕重的腳色。在經濟發展的同時，民眾對空氣污染的問題也越來越關切，包括早期的白煙、異味問題，到近幾年PM2.5議題。除了達到法定的空污標準外，我們更要秉持著「綠色製造」的精神，往空污零排放的方向努力。

1.2 研究之重要性

隨著先進製程的演進，大量新型化學品原料投入在生產中，大量含有複雜成分的廢棄排放至煙囪，若沒有在設備端定義明確的排放方式，以廠務現有的設備，無法有效的同時對酸性、鹼性及有機氣體做處理。而混排的結果導致廢棄處理不完全，不僅會使工廠周遭產生異味，造成民眾投訴檢舉，損害企業形象，也可能會使外氣空調箱(MAU)吸入，影響無塵室內的空氣品質，造成產品的缺陷，因此空污分流的確實勢在必行。

1.3 研究目的

以12B廠區2017進行的煙囪檢測結果來看，排放量以有機性揮發物(VOC)及氨氣(NH₃)為最大宗，分別為59%和27%，來源主要為機台混排以及廢水混排，水污轉空污導致。本文主要探討如何管理混排問題，降低空氣污染量。

2.文獻探討

2.1 酸鹼氣體廢氣處理

要解決空污混排問題，就必須先對工廠空污排放組成做檢測並且分析。以12B廠區煙囪年度檢測為例，2021年非甲烷碳氫總化合物(NMHC)排放量為11.3 噸/年、氨氣排放量為3.3噸/年，約占總排放量之73%。目前台積排放廢氣的系統一共分為四種，分別為酸性氣體排放(SEX)、含氨氣體排放(AEX)、有機氣體排放(VEX)以及一般氣體排放(GEX)。其中，酸性氣體排放占比全廠總排放總量約57%，其次為有機氣體排放與一般氣體排放約各佔18%，而鹼性氣體排放僅占7%，因此排放至酸性排氣中的分流格外重要，比免讓小量污染大量。

因半導體廠房之空氣污染物有低濃度高風量之特性，^[1]在酸鹼性氣體處理上多選用濕式洗滌塔(Central Scrubber)。在酸性氣體上如鹽酸(HCL)、硝酸(HNO₃)、硫酸(H₂SO₄)等，透過加入液鹼的方式，如氫氧化鈉或氫氧化鈣來達到酸鹼中和的效果，鹼性氣體則使用硫酸(H₂SO₄)來去除削減。

而洗滌塔的設計原理是可以由^[2]W.G. Whitman在1920所提出的雙膜理論(Two-Film Theory)來解釋，該理論以數學公式對液氣兩項之間的質量傳遞行為作出了描述，氣體分子藉由擴散穿過氣相膜再進入液相膜，最終再到液體中，如圖1所示。

在逆流式洗滌塔中(圖2)，氣體由下方流入，而吸收液由上方流入，在洗滌塔內接觸後分別由上方和下方流出，對氣體中的污染物而言，過程中應滿足質量守恆，其方程式如下:

假設通過洗滌塔內流體之莫耳流率不變

由式⑵推導可以得到在洗滌塔內任一位置溶質於液氣兩相之間的莫爾分率。

其中Lm和Gm分別為液相莫耳流率以及氣相莫耳流率，而x和y分別為溶質在液相和在氣相的莫爾分率，xa和xb分別為溶質在液相的出口和入口的莫爾分率，ya和yb分別為溶質在氣相的入口和出口的莫爾分率。

基於雙膜理論的基礎，前人已經發展出許多關於洗滌塔相關的計算公式^[5]，以填充式洗滌塔為例，以下填充物高度以及去除效率之間關係可以由以下的公式得到 :

其中y1和y2分別為溶質在氣相中於洗滌塔入口和出口的濃度，單位為ppmv ; ac為填充物比表面積，單位為m²/m³ ; hT為填充物之高度，其單位為m ; Gmol為單位面積氣流的莫耳流率，單位為 ; kG為氣相之質傳係數。

針對光電以及半導體產業適用之洗滌塔，白曛綾提出了根據式⑷提出經驗式⑺，透過洗滌塔的操作參數推算出洗滌塔的填充物高度計算方式如下:

其中m亨利係數，表示溶質之水溶性，若m越小，表示越不容易以洗滌的方式去除污染物，C、D、E則表示各種洗滌塔操作參數根據經驗公式推得的參數，由式⑺可得知，洗滌塔的去除效率和滯留時間、洗滌液pH值、溶質解離程度、液氣比、洗滌液水質等等參數成正比。(表1)

2.2 有機氣體廢氣處理

有機氣體的處理方式非常多種(圖3)，如轉輪吸附、生物濾床、活性炭吸附以及冷凝回收等等方法，以半導體廠房為例，有機廢氣有著低濃度(<300ppm)及高風量(50000-100000m³/h)的特性，所以選擇轉輪吸附是較為適合的處理方式。

而轉輪的材質為沸石，沸石最早可追溯到瑞典的礦冶家Cronstedt在1976年在天然矽酸鹽類的礦石中發現(Colella and Gualtieri, 2007)，沸石為多孔性的物質，因具有較高的比表面積，可以作為吸附有機物的材料。吸附是一種複雜的介面化學現象，其機制主要可以區分為物理吸附(physical adsorption)和化學吸附(chemisorption)兩類，而物理吸附作用是由分子間的凡德瓦爾力(van der Waals force)造成，吸附質(adsorbate)僅停留在吸附劑(adsorbent)的表面上，並未進入吸附劑之晶格內，受到壓力降低或是溫度升高時，吸附質分子因此獲得能量後，能夠破壞吸附劑和吸附質分子之間吸附的平衡狀態，所以物理吸附是一種可逆現象。

對半導體廠房而言，製成氣體主要成分包括丙酮、異丙醇等，而沸石對這類的有機氣體擁有著相當良好的去除效率，以台積電為例，使用沸石轉輪處理有機氣體，均可以達到95%以上的去除效率，可以滿足法規的需求。台積電廠內所使用的有機氣體處理設備主要由沸石濃縮轉輪、焚化爐、二次風車、脫附風車所組成，流程圖如圖4所示，有機廢氣經過吸附、脫附之後，再進行三次熱交換升溫後，最後加溫至約700℃後焚燒再排放至煙囪。

2.3 園區周界污染物

以12B廠區歷年煙囪全檢結果來看，煙囪排放量以NMHC為最大宗，其次為氨氣，最後酸類主要以硫酸、硝酸和鹽酸為主要排放酸類。

除了廠區內每年的煙囪檢測，在廠區外也已經有需多學者和機構針對園區周界的空氣進行量測，以張豐堂^[8]所使用GC/FID、GC/ECD和FTIR三種量測結果為例，顯示園區周界之VOCs污染物主要為IPA、Acetone、BETX、PGMEA和Cyclopentance，濃度約為10~102ppbv。

3.研究方法

本研究的目的主要是為了解決煙囪混排的問題，將機台使用的化學品產生的廢氣排放至正確的排放管道，若是有酸、鹼和有機氣體混排的排放管道，我們則需要建立一個如何解決混排問題和決定排放規則的管理方法，來使空污排放標準化。

3.1 建置污染物量測機制

在偌大的半導體工廠中，有無數的製程氣體排放管道，要釐清參考業界和環保署所使用的量測儀器，及以廠內現有的資源來做考慮，以NMHC為例，可以利用氣體層析火焰離子偵測器(GC-FID)對屋頂上的煙囪管道進行量測，找出NMHC濃度較高的立管之後，再接著往上游端使用揮發性有機物微型氣相分析儀(MiTAP)和氣體層析光離子偵測儀(GC-PID)來對無塵室內的風管來量測，並且找出NMHC的來源。氨氣的量測，在儀器上可以使用API氣體分析儀來量測，但考量到其體積龐大的缺點，以TLD-1來進行量測會是一個較有效率的方式，能使採樣人員快速確立目標。(表2)

3.2 污染源目標確認

混排現象主要發生在濕式蝕刻製程(Bench)，該製程會在同一腔體內使用酸、鹼和有機化學品來對晶圓進行加工，其排放流程如圖5所示，氣體經由雖有設置分流設備(Switch box)來對製程氣體分別排放，但因分流效果不佳問題，以及洗滌塔無法有效去除IPA等問題，使該製程污染物無法有效去除。

而廢水區桶槽也有相似的問題，因原廢水桶槽抽氣僅簡單的區分為酸性排氣或是鹼性排氣兩種而已，但因為廢水的蒐集相當複雜，各種機台腔體內所排出的廢水，其中含有相當複雜的化學品，例如硫酸、氨氣、異丙醇和丙酮等等，而這些污染物在匯集到廢水桶槽後，若無法有效的進行處理，除了造成混排問題，亦可能產生酸鹼鹽類，導致煙囪排放白煙，使民眾觀感不佳，所以廢水區所產生的空氣污染物處理方式顯得格外重要。

3.3 定義排放分類準則

最理想的狀況是從源頭機台進行分流管理，而由對機台出口風管檢測結果來看分流效果實際上是有限的。較為可行的做法是如何在混排已經發生的事實，進行分批處理。

以下(圖6)簡單將空污的排放分為下列三種，最為複雜的是酸、鹼和有機氣體混和排放，酸鹼混排次之，最單純的為酸氣排放。由表1可知，洗滌塔對於VOC的處理效率較差，所以我們將有含有機氣體的混排廢氣排放至有機氣體排放，雖然沸石轉輪可以吸附空氣污染物，但是酸性氣體卻會對轉輪侵蝕，造成轉輪吸附效果變差，而氨氣不會，所以我們在進入沸石轉輪吸附之前，進行現址式洗滌塔加液鹼水洗，將酸性氣體去除。而後文我們將針對轉輪對氨氣的去除效率作探討，以驗證此方法之可行性。

而酸鹼氣體的排放，我們也能利用類似的方法，在進入中央式洗滌塔之前，對製程尾氣進行加藥水洗去酸，再排放至鹼性中央式洗滌塔中。而純酸性排氣，我們也將製程氣體先導入現址式洗滌塔加液鹼水洗，再排放至酸性中央式洗滌塔，一共經過兩道加藥水洗，能夠有效的去除高濃度酸性氣體。

下一章節中，我們將依照此準則進行混排問體改善，並且比較改善前後結果，驗證其改善效率。

4.結果與分析

4.1 沸石轉輪對混排氣體去除效率驗證

對於氨氣經過沸石轉輪效率非常重要，若轉輪無法有效去除氨氣，高濃度的氨氣將由有機排放管道排放至大氣中，恐造成違法問題。

因工廠內有許多製程的廢氣皆有排放至有機排氣管道內，我們選擇源頭較為靠近酸槽機台的VOC處理設備，使用衝擊瓶(Impinger)測量轉輪入口和出口之陰陽離子濃度，量測結果如表3。酸根離子，如氟離子、氯離子、亞硝酸根、硝酸根、磷酸根和硫酸根等等，入口濃度皆低於10ppbv，可以得知混排尾氣在經過現址式洗滌塔加液鹼水洗後，酸性氣體大部分已被去除，不會對轉輪產生侵蝕現象。

至於銨根離子在進入轉輪之前濃度約為6000ppbv，但進入轉輪進行吸附作用後，在出口量測的濃度僅剩下67ppbv，去除率可以達到95%以上，由檢測結果可知，我們的混排管理方式是能有效處理不同種類的空氣污染物。

4.2 鹼排中「異丙醇」排放問題

❶案例描述:

某廠區於2017年7月進行空污自檢時，量測結果發現鹼性排氣煙囪檢測到高達34ppm的非甲烷碳氫化合物，後續利用MiTAP儀器檢測，發現有機污染物組成以異丙醇為主要成分，故找出異丙醇來源及去除為解決此問題的關鍵。

❷污染物來源:

排查上游管道來源，發現是LAM EOS PS(polymer stripping)機台，製程過程中，會在同一腔體內使用鹼性及有機性化學品，在機台端量測結果，異丙醇濃度可高達800ppm，並且排放至鹼性排氣管道內，推測是末端煙囪測到高濃度異丙醇的原因之一。

❸處理方案:

雖然異丙醇易溶於水，但半導體有機排氣有著低濃度高風量的特性，洗滌塔設計的滯留時間約只有0.8秒，導致異丙醇去除效率不佳。

後續與設備工程師合作確認機台端排放廢氣組合，結果發現無無機酸污染物被排放至管道中，沒有對於轉輪造成損害的疑慮。套用上文所敘述的混排管理方式，將管道改至有機性廢氣排放管道進入沸石轉輪和燃燒爐處理設備，此方法不但能去除鹼性污染物，同時也能改善排放至鹼性排氣管道中無法處理異丙醇之問題，使氨氣和有機氣體去除率達到95%以上。

4.3 酸排中「異丙醇」及「氨」排放問題

❶案例描述:

2009年F12P4工程師發現風管之風門處有結晶狀況，懷疑是酸鹼混和產生的鹽類，清查管道污染物發現氨氣濃度高達150ppm；2015年12P5亦發現因酸鹼混排產生的酸鹼鹽類造成煙囪有白煙現象；2016年F12P7酸性排氣煙囪中，被檢測出異丙醇高達5ppm。

❷污染物來源:

以上案例經排查上游來源機台後，源頭均指向同一製程。酸槽機台DNS SU-3X00系列機台因在腔體內使用多種化學品，如氫氟酸、硫酸、氨氣和異丙醇等等，機台本身原本也有因應多種類污染物分流的機制，在切換不同污染物時，會利用Switch box進行切換分別抽氣，但檢測結果可以得知此方法的分流效果有限。

❸處理方案:

參照圖7的排放準則，在酸槽機台後方安裝了水洗現址式洗滌塔DAS Salix，在水洗加藥的選擇上我們的選擇是加液鹼除酸，免除掉加硫酸除鹼，造成煙囪硫酸檢測量上升的風險。之後在進入沸石轉輪去處理剩餘的污染物。

4.4 F12B改善成果

執行上述改善方式，並且套用此模式至其他有著類似問題的情況，例如廢水廠等繼續改善。除此之外，2022年透過設備擴充和變更操作許可等方式，使單一空污處理設備單位時間內處理空氣變少，處理效率提高，F12B廠區空污排放量已由2017年開始逐年減量，到2022年底為止，由132噸/年→19.2噸/年(如圖8)，已減量85%。

5.結論

空污的問題若是未得到適當的處置，不僅會對環境造成破壞，不良的空氣品質，也會讓民眾的健康受到危害，且會對企業的形象有非常不好的影響，除此之外，不良的空氣品質被導入回無塵室，也會降低產品的良率。

經過廠務同仁數年的努力將混排問題一一改善，能夠證明空氣污染若是能妥善處置，大部分是能去除的，且亦能證明要做好空污減量，混排問題的解決是不可避免的。空污的減量並不是一蹴可及，需要在發現問題後，追溯原因，並且提出改善方法，需要扎扎實實、一步一步的邁進，才會有豐碩的成果。現在廠內持續針對煙囪有許多監控及檢驗，更有助於我們發現問題，未來改善的重心除了將既有的目標酸性、鹼性和有機氣體減量，PM2.5和氮氧化物(NOx)的減量才正要開始，且有相當大努力的空間，期許在公司發展的同時，廠務不僅要維持設備的穩定運轉，也要持續向零排放的目標前進，真真正正的做到綠色製造的目標。