現址式燃燒洗滌塔NOx減量

1.前言

1.1 研究動機

因應於美國Arizona建設F21廠，美國環保法規較台灣更為嚴格，有將NOx的排放量列入控管，且SEMI及台灣法規^[1]也開始研擬針對NOx的排放標準，故從廠內數量最多的燃燒式LSC進行NOx減量研究。

1.2 研究之重要性

NOx中的NO₂為紅棕色氣體，為光化學煙霧(Photochemical smog)成分之一^[2]，會造成能見度下降，且高濃度氣態NOx會刺激人體呼吸道，引發哮喘及造成呼吸道危害，與大氣中的水作用生成硝酸及亞硝酸，造成酸雨污染河川、海洋及土壤^[3]。

1.3 研究目的

台積電ESG目標2050年達成：「空污零排放」，除了製程廢氣的零排放之外，其他對環境造成危害的物質，皆應以零排放為目標，包含處理製程廢氣所產生的副產物。

2.文獻探討

半導體製程中所使用的特殊氣體(Special Gas)，僅能使用現址式廢氣處理設備(Local Scrubber, LSC)處理，其中溫室氣體-全氟化合物(Perfluorinated Compound, PFC)，因其裂解溫度較高，需使用現址式燃燒洗滌塔(Burn Type Local Scrubber)或高溫電熱式洗滌塔(High Temperature Thermal Wet Local Scrubber)進行處理，其處理溫度可達1000°C以上，然而以高溫方式處理製程廢氣，容易產生副產物-氮氧化物(Nitrogen Oxide, NOx)。

G. Jarquin-López等人研究之「Analytical and experimental research for decreasing nitrogen oxides emissions」^[4]以鍋爐做為研究對象，探討燃燒過程中的各項參數對NOx生成的影響，其中最重要的參數為活躍燃燒區(active burning zone)的平均溫度，溫度達約1000℃以上，NOx開始生成，並隨著溫度升高，NOx濃度也隨之上升，故可以將燃燒溫度降低，進而減少NOx的生成量；另一參數為過量空氣係數(excess air coefficient)，為空燃比(Air-fuel ratio, AFR)與理論空燃比的比值，較小的過量空氣係數代表氧濃度較少，使與N元素反應的O₂量減少，藉此降低NOx反應生成。

Jiehan Zhang等人研究之「Research on the Influence of Combustion Methods on NOx Emissions from Co-combustion of Various Tannery Wastes」^[5]以燃燒皮革廢棄物作為研究對象，因皮革廢棄物的氮含量較高，燃燒後產生的NOx主要為燃料氮氧化物(Fuel NOx)，而非一般的熱力型氮氧化物(Thermal NOx)副產物，較無法藉由調降燃燒溫度減少NOx生成，故該研究導入解耦燃燒(decoupling combustion)的概念，除了一般的燃燒反應，加入探討熱裂解後的產物，並藉由涉及各個反應的相互作用，進而增進燃燒效能，常見的裂解產物為H₂、CO、C，利用與NOx的還原效應，減少NOx的生成。

3.研究方法

3.1 NOx減量原理

本次針對現址式燃燒洗滌塔進行NOx減量，其利用瓦斯燃燒後產生的高溫，裂解處理製程的有害廢氣，再利用水洗的方式將其水解或攔截至水中。由於燃燒所產生的高溫，會使氮氣與氧氣結合，形成副產物NOx，減少反應生成的方法，有降低溫度、降低氣體壓力、移除反應物、添加抑制劑。如圖1，在火焰溫度大於2800℉(約1500℃)後，NOx生成率開始大幅度增加，故本次針對降低溫度、移除反應物來進行研究。

3.2 廠內LSC改善Function設計

以廠內DAS的LSC進行測試，新增調適燃燒控制(ACC(Adaptive Combustion Control) function)，在原有的天然氣(Natural gas, NG)管路開T管，並新增銜接上由質量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)控制流量的N₂管路，藉由在NG中增加N₂，降低NG濃度並增加從噴嘴噴出的氣體體積，使燃燒時的火焰體積增大，進而減少火焰的單位熱值，降低爐體內的最高溫度，NOx的生成量亦隨之減量。(圖2、圖3)

3.3 LSC去除效率DRE規範

因較高的處理溫度較易產生副產物-NOx，故本文以燃燒式LSC作為討論對象，並根據台積電O.I.《M-C00-16-03-002》300/200MM/FAR BACKEND TOOL/LOCAL SCRUBBER ESH SPECIFICATION FOR PURCHASING AND USED TOOL ESH SPECIFICATION FOR PROCUREMENT中所規定之易燃性、發火性、腐蝕性、毒性氣體及溫室氣體-全氟化物、一氧化二氮(N₂O)等的破壞去除效率(destruction removal efficiency, DRE)如表1，在保持DRE符合規範的條件下，藉由調整LSC操作參數(平均溫度、過量空氣係數)，降低LSC產生的NOx濃度。

3.4 DRE量測儀器介紹-FTIR

O.I.《M-C00-16-03-002》規定須使用傅立葉轉換紅外光譜(Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR)分析LSC出口排放氣體，以測量DRE確認符合O.I.定義。

所有的氣體分子在振動或轉動時，會因為其分子結構以及原子上的電荷分布差異，造成不同的電偶極矩(Electric dipole moment)變化，形成屬於該氣體分子的電場分布，此電場分布則會吸收對應能階的電磁波。

FTIR^[8]即是利用此一特性，首先以干涉儀將入射光通過分光鏡分為2道光束，藉由調整2道光束的光程差，製造出具有建設性的干涉光，利用不同的待測物會吸收不同頻率的光訊號，以偵檢器量測通過待測物的後得到干涉圖，如圖4，再以傅立葉轉換為光強度與頻率的IR光譜，和未被吸收的背景IR光譜比對，可以得到於特定頻率有較大光強度，被待測物的IR吸收光譜，如圖5，再對照光譜圖庫中每種化合物吸收光譜的頻率與強度，將待測物質定性及定量。

4.結果與分析

4.1 廠內N3 Thin Film Function DRE量測結果

廠內的N3 Thin Film製程，主要需要處理的製程特氣為SiH₄、NF₃、N₂O，其中N₂O因處理溫度較高，為此製程廢氣中的指標氣體，且N₂O分解後會產生NOx即fuel NOx，所以在NOx減量上較具有挑戰性，本次測試使用DAS Styrax機型LSC搭配ACC及燃氣比調整，在主機台正常run recipe的廢氣處理條件下，進行DRE量測。(圖6)

測試數據如表2，先以正常的燃氣比1/2搭配不同ACC N2量進行測試：

1. Test #1~3、10~12-可以得出隨著ACC N2量的增加，N₂O的去除效率隨之增加，且排放的NOx副產物濃度則下降。
2. Test#4~9-調降NG流量或降低燃氣比，N₂O的去除效率則隨之降低，但NOx的生成量隨之減少，但降低燃氣比可能導致燃燒不完全而產生另一副產物CO(Test#4)。

4.2 廠內N3 ETCH Function DRE量測結果

廠內的N3 Etching製程，主要需要處理的製程特氣為C₄F₈、CH₂F₂、CHF₃、CF₄等全氟化合物，本次測試使用DAS Escape機型LSC搭配ACC及燃氣比調整，在主機台正常run recipe的廢氣處理條件下，進行DRE量測。(圖7)

測試數據如表3，以不同燃氣比、NG流量及ACC N2量進行測試：

1. Test #1~4，不同的NG流量搭配較小的燃氣比(1/1.8)，CF4的去除效率隨著NG流量增加而增加，但因為燃氣比較小，燃燒不完全產生的CO也隨燃料量增加。
2. Test#5~6、11及Test#7~10-皆在相同NG流量及燃氣比，增加ACC N2量，DRE隨之減少，但NOx生成量則變少。
3. Test#1、12-比較在相同NG流量，同時改變燃氣比及ACC N2量，DRE幾乎沒有變化，但NOx的生成量有較大的差異。

5.結論

以廠內DRE量測結果來看，本研究探討加裝的ACC Function，對於NOx減量有所助益，但其效益會隨著處理的製程廢氣總類不同而有所改變；同時以調整燃氣比來減少反應物的方式，亦可以減少NOx的生成量，但因為某些製程特氣也能參與NOx的生成，導致此條件較難以操作，且在NOx減量的同時，可能產生另一副產物CO。通常增加ACC N₂量，會使燃燒室中的最高溫度下降，所以處理氣體的DRE會逐漸下降，所以需要在符合DRE規範的條件下，選擇產生NOx量最少的參數組合，但是在表2可以看到，對於N₂O而言，其去除效率反而會隨著ACC N₂量增加而上升。

本次以LSC做為測試對象，藉由在NG內增加N₂，以及調整燃氣比例，降低生成的NOx量，以加裝在DAS Styrax LSC的ACC模組來看，可減量71.5%的NOx生成(166.4→47ppm，Test#1 & #4)，搭配風量換算減量約29g/hr，每年NOx可減少排放約0.25ton。

未來希望能夠以相同概念，套用至其餘Local Scrubber機型以及如VOC等風量較大的燃燒設備，創造更大的減量效益。