摘要
新世代製程之水系統創新管理對策
Keywords / Ultra Pure Water4,Process Cooling Water3,Discharge of Water Pollution,Stable Management Strategy,Chemical Flush,GCMS,iFaxt
本文累積過往新成廠經驗，水處理系統在這些過程中遇過許多挫折但也因這些經驗，逐步強化水處理系統防禦機制，發展出一套管理方法，面對快速成廠的過程中，面臨系統尚未完成建置，需逐步與設備協調其純水與化學品洗淨的總量管制，在不影響量產的時程上提出雙贏的管理對策，不僅維持系統穩定運轉亦要符合量產時程壓力的需求。本文亦探討在工程師與設備廠商新人均大於50%的情況下，善用新工具(GCMS與iFaxt)防堵人為疏失快速釐清問題，防堵損失擴大。
透過探討過往經驗，站在巨人的肩膀上，結合新成廠經驗提出給未來新建廠建議總結，期許未來新建廠區面對更複雜製程與水污的挑戰上能夠有所借鑒。
This passage summarizes the accumulated experiences in the past new plant construction, where the water treatment system has faced many challenges. Through these experiences, the system's defense and quality mechanisms have been strengthened, and a set of management strategies have been innovatively developed. In the process of rapid plant construction, when the system is not yet fully built, coordination with equipment is needed to control the total volume of purified water and chemical cleaning to propose win-win management strategies without affecting the production schedule. The discussion also touches on the situation where over 50% of engineers and new equipment vendors are new, and the use of new tools(GCMS and iFaxt) to quickly clarify issues and effectively prevent losses from escalating due to human error. Through the exploration of past experiences and the proposal of management strategies, the goal of rapid and stable production during the new plant phase in response to process changes and the need for large-scale chemical cleaning is achieved. Standing on the shoulders of giants, this article offers recommendations and conclusions for future new plant construction, hoping that future new plant areas can draw on experiences when facing challenges of more complex processes and water pollution.
1.前言
隨著製程持續推演，新成廠面臨的水、機、電、氣、化學品規模已不可同日而語，本篇針對水處理系統在新成廠對於穩定管理的對策提出分享，並在面對化學品大量使用與洗淨下，廢水回收系統所做的應變措施以因應在快速成廠下也能達到穩定量產的目標。在新成廠階段，水處理系統尚未建置完備，故在成廠階段會面臨許多挑戰，如純水大量洗淨需求、各類化學品洗淨需求，以及因快速新成廠下設備、廠商與自身廠務人員年資與經驗都相對年輕與不足，因此工程進度無法如期如實與人員疏失等狀況發生。故本篇探討在新成廠水系統穩定管理對策以因應不僅是對製程變更抑或是純水/化學品洗淨需求，並對在系統與人員經驗尚未完善下所改進的防禦機制與管理機制。
在持續數位轉型的時代下，公司亦開發出許多廠務系統與機台狀態更緊密的即時系統，如GCMS、iFaxt，除可較快速查找出異常機台，也能更加對症下藥針對問題解問題，減少大海撈針的調查時間。本篇亦探討在與線上設備配合化學品排放總量管制外，分享如何使用GCMS與iFaxt查找問題的實際案例，以及在快速成廠下與機台端的合作案例，一起達成穩定量產的目標。
2.文獻探討
2.1 新成廠廠區UPW/PCW/WWT運轉KPI比較
隨著製程世代持續精進，水處理主要三大系統UPW/PCW/WWT在設計上配合世代推演其運轉KPI均有差異(表1)，水系統面臨的不僅是用水量的持續上升，更多的是在環保水污空污上因應更多複雜製程所需的Drain種類，以及持續新增相對應的處理系統，對環境友善並持續精進ESG上的目標。
| 各系統運轉KPI | 既有(N28) | 新世代(N3) |
|---|---|---|
| UPW單位CR面積使用量(CMD/m2) | 0.2 | 0.32 |
| PCW單位CR面積使用量(CMD/m2) | 0.2 | 0.39 |
| EUV機台數量(台) | 0 | 16 |
| Drain種類(種) | 16 | 22 |
2.2 新成廠Defense機制與Quality精進探討
本章探討隨製程世代演進與結合過去經驗，水處理系統對防禦機制與品質上持續精進，大幅提升系統穩定度。由其知往鑒今，面對新世代N3所面臨問題在後續章節提出新的Defense與管理制度，延續傳承讓整個廠務更加完善。(表2、表3、表4)
| Category | Description | 效益 | N5已精進之防禦機制 |
|---|---|---|---|
| Defense |
DC Bank備援工程 (電池與Pump為1對1) |
提升重要Pump備援時間 | 鋰鐵電池2組對應1台Pump |
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樹脂再生洩漏防禦 (水質異常才知道洩漏) |
再生藥劑洩漏自動隔絕 | 產水閥後導電度計新增與注藥閥件新增Limit Switch及隔離手閥 | |
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N2洩漏防禦 (N2暴露環境風險) |
避免人員缺氧生命安全 | 氮封桶設Exhaust抽氣、新增自動遮斷閥、新增人孔開啟警報 | |
|
DCS圖控防呆工程 (控點無防呆，人員MO) |
重要控點管控避免人員MO | SPC及控點操作需輸入密碼 | |
| Quality |
UF型號升級 (舊型OLT-6036，過濾分子量6,000Da) |
提升UPW出口水質Particle | 新型OAT-6036，過濾分子量4,000Da |
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MD焊道改良 (N2入出口以鎖牙工法) |
提升UPW出口水質DO | MD氮氣入出口改以全焊道方式施作 | |
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ICW智能加藥工程 (無on-line餘氯計監控) |
提升UPW出口水質TOC | 餘氯計Online監控，即時調整加藥 |
| Category | Description | 效益 | N5已精進之防禦機制 |
|---|---|---|---|
| Defense |
圓盤紀錄器應用 (保壓使用壓力錶頭) |
大幅降低送水滲漏問題 | 使用圓盤記錄器作保壓監控，即時與連續紀錄保壓數據(24hr) |
|
彈性接頭鎖固規範 (無鎖固規範) |
堵絕送水彈性接頭爆管 | 防震接頭依標準方法安裝，鎖固規範(325±10mm)(扭力75~100N-m) | |
| Quality |
動力線干擾改善 (動力線與訊號線干擾) |
解決訊號干擾問題 | 將動力線改善合適長度後大幅解決訊號干擾問題 |
|
建廠初期換水作業 (無進行換水作業) |
穩定SF壓差爬升 | 建廠初期系統進行換水動作並清洗管路，穩定水質並減少Filter更換頻率 |
| Category | Description | 效益 | N5已精進之防禦機制 |
|---|---|---|---|
| Defense |
他廠備援機制 (無互相備援機制) |
建立備援機制，增加建廠初期調度能力 | 建立F18B廢水系統備援管路機制 |
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灌充口管理
|
杜絕灌充錯誤問題 |
|
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| Quality |
WSR稀釋法 (新廠H2O2濃度不足) |
加速達成新成廠硫酸零外購 |
|
3.研究方法
3.1 純水大量洗淨最佳化參數
依流體力學中的能量守恆方程式Bernoulli's principle(Daniel Bernoulli, 1738)，流體在一個穩定的水流，沿著直線流向的所有點上，各種形式的流體機械能總和必定相同，在考量能量損失的情況下其方程式表示如下 :
P1/γ1 + V12/2g + Z1 = P2/γ2 + V22/2g + Z2 + hL(M) + hL(m)
其中，P/γ = 壓力水頭(M)；V2/2g = 速度水頭(M)；Z = 重力水頭(M)；hL(M) = 摩擦損失(公尺)；hL(m) = 摩擦損失(公尺)。
流體力學質量守恆連續方程式：Q = A*V
其中，Q = 流量(m3/s)；A = 流體截面積(m2)；V = 流體平均流速(m/s)。
依據公共污水下水道管線設計手冊(內政部營建署，101.11)，滿管壓力管線流速設計須大於0.6m/s並小於3.0m/s，以避免雜物沉積以及管壁沖刷縮短使用年限，建議理想流速為1.0~1.8m/s，考量新建廠的管路Flush需求，設定管路流速須達2m/s以上，才可達較佳的管路Flush效果並減少雜物沉積現象。機台端管路流經長度平均為20公尺，高架地板下管路至機台最高點之兩點高程差為2公尺，PVDF管路流體摩擦係數經驗值0.233，機台超純水管徑為2吋(0.051m)，管路出口為DIR管路壓力為大氣壓力(1atm=101,325 Pa=1.033kgf/cm2)，超純水密度ρ=997(kg/m3)，入出口管徑相同A1=A2，故依據連續方程式可得流速相同V1=V2，重力加速度g=9.81(m/s2)，將上述假設皆代入能量守恆方程式中可將入口壓P1表示 :
P1 = 997*9.81*2 + 0.233*(20/0.05)*(22/19.62)*997*9.81 + 101,325
由上式可解得入口壓至少需大於3.12kgf/cm2，考量路徑上尚有管件會造成流場之次要損失，且依據連續方程式在流速2m/s情況下2吋管徑可通過流量約為15CMH，故本研究定義入口壓至少需大於3.5kgf/cm2，且2吋管徑下流量至少需大於15CMH，可獲得較佳之清洗效果。
機台端大量用水大戶機型主要為FC-3X00、SU-3X00、CMP機型，其中FC-3X00、SU-3X00等機型於裝機階段Flush時單台最大瞬時用水量可達30CMH以上，如何在機台驗機Flush時同時確保廠務端的供應量、供應品質以及不延誤機台裝機、驗機、Release及生產時程，是建廠階段重要的課題。
以FC-3X00機型為例，此機型機台於F18P6主要裝設於Loop2-1與Loop4-1，該Loop廠務端純水系統設計用量皆為163CMH，以FC-3X00機型Flush瞬時用水量30CMH推估，同一Loop最多僅可供應5台同機型機台進行Flush，單一Bay位因受限於管徑(FWR-A、FFB-B等Bay位最大管徑6吋)，相同Bay最多僅可供應3台同機型機台進行Flush；另因設備端於DP盤後常裝設Regulator調壓閥以穩定UPWS供應壓力，此舉容易導致Flush時期因調壓閥設定壓力過低，流速過小而使Particle殘留於新配置之管壁及彎管處無法洗淨。
為避免建廠時發生上述問題而延誤機台開機及生產時程，廠務與機台端合作訂定大量洗淨需求管理機制與相關SOP與洗淨之SPEC如圖1與表5。
圖1：廠務UPW供應設備機台管路示意圖
| 步驟 | 機台端 | 廠務端(Spec.) |
|---|---|---|
| 1 | 機台Turn on後，開始洗淨前通知廠務端 | 確認廠務端系統負荷確認同一條Bay不可超過2台 |
| 2 | 會同廠務將UPWS供應Port全開，並將UPWR之Port限縮至1/8 | 單顆Port點洗淨流量15CMH |
| 3 | 會同Hookup，將DP盤後Regulator轉至全開不限壓 | 確認Regulator壓力大於3.5kg/cm2 |
3.2 使用新工具GCMS輔以機台化學品大量洗淨管理辦法
機台從無到有分為以下階段：放樣→基座→會勘→HK-T1→Move in→裝機→驗機→移交上線，其中驗機階段設備開始進行機台化學品清洗，俗稱 A1 port flush，該階段將會大量使用化學品洗淨機台內部單元，新成廠此階段廠務端系統建置常尚未達完備，處於廠務高風險期間，為保障機台上線順利，廠務第一步驟需依全廠用量進行用量管制，並有序開放洗淨量，並根據機台需求平均分配機台洗淨量管制且不得超過訂定之洗淨總量。(表6)
| NH4OH | 開放洗淨量 | 廠務系統配套功能 |
|---|---|---|
| 第一階段 | 150L/hr | 放流折點功能啟用 |
| 第二階段 | 250L/hr | MD 一段系統完成 |
| 第三階段 | 400L/hr | MD 二段系統完成 |
搭配GCMS系統進行防禦管理對策，GCMS系統可快速查詢機台即時用量，設定廠區、化學品種類、供應時段及確認是否要鎖定特定機台，可進行二次驗證化學品用量是否有異常使用狀況，並可快速找出異常用量機台，搭配廢水回收處理系統trend chart即可找出異常機台，有效避免異常情況擴大。
最終在水處理系統均以建置完成後，針對運轉高風險之化學品，訂定化學品用量警報，於源頭進行風險卡控，有效避免異常情況發生。根據實際運轉與過往經驗訂定兩樣化學品用量警報，如表7所示。
| Chemical 用量 | F18B 根據經驗訂定 化學品用量警報 |
|
|---|---|---|
| NH4OH | 瞬時用量黃燈警報 | 400(L/hr) |
| 瞬時用量紅燈警報 | 450(L/hr) | |
| 最大日用量警報 | 10,200(L/D) | |
| H2O2 | 瞬時用量黃燈警報 | 930(L/hr) |
| 瞬時用量紅燈警報 | 1,020(L/hr) | |
| 最大日用量警報 | 22,000(L/D) | |
3.3 PCW高風險機台擬定turn on後管理辦法
PCW 製程冷卻水系統是封閉式的循環系統，若因設備誤操作閥件，將導致系統失水與氣體回灌造成回水壓異常，嚴重可能影響PCW供應壓力。本文彙整PCW高風險機型，並與設備訂定高風險機台管理措施。(表8、表9)
| Dept. | LIT | EPI | DIF | PVD | LIT |
|---|---|---|---|---|---|
| Owner | EUV附屬機台 | ASM的 chamber | Passivation Alloying | Baking機台 | Photo機台scanner |
| 步驟 | 高風險失水機台turn on SOP | ||||
| 1 | 於turn on前進行失水預防改善，提前通知設備 | ||||
| 2 | 在turn on後針對PCW Drain閥件以束線帶固定並掛上告示牌 | ||||
| 3 | 設備如需開PCW Drain閥使用，務必通知廠務水課值班紀錄控管 | ||||
| Dept. | PVD | CVD | DIF | ETC |
|---|---|---|---|---|
| Model | Hitachi HKE DG4150 | LAM Striker | HPSP辛耘GENI-SYS | Hitachi J-9012 |
| Action | N2內聯管 移除+Cap | CDA內聯管 移除+Cap | 閥件Lock/PM SOP | 閥件Lock/PM SOP |
3.4 使用新工具iFaxt管理廠務系統與線上機台供應品質穩定度
iFaxt為串接廠務InSQL Tag與下游供應FAB Tool關聯之平台，可讓使用者透過此系統快速查詢異常Tag影響之Tool清單，增進應變速度。其原理為透過原Bluebook2.0系統上的廠務端管路與設備端機台連結，並與廠務端SCADA tag name結合，包含FDC chart、Tool status等，透過跨平台資訊的整合，搜尋時間可由50分鐘降至5分鐘，流程的精簡化，同時擁有多元資訊，ex: Tool status、FDC chart、FAC chart等。
iFaxt常用於設備機台狀態改變時，查詢機台FDC chart，確認下游機台動作與狀況，同時瀏覽廠務端submain供應狀態，避免影響產線供貨，增加緊急應變反應時間。水系統課常用於應對PCW供應溫度變化，透過查詢得知如因EUV機台雷射測試，導致用量變化，影響整個系統控溫、控壓穩定度，快速與設備端確認是否動作，減少判斷失誤率，提升整體系統穩定度。如圖2與圖3。
圖2：廠務系統端與機台端狀態可快速對應相關性
圖3：廠務系統端與機台端FDC Chart可快速對應相關性
4.結果與分析
4.1 純水配合機台大量洗淨成果
4.1.1 新裝機UPW Particle快速洗淨SOP
F18P6之FWR Bay的FC-3100型機台，於UPW Turn on並經過10天以上的Flush後，純水管路之Particle無法通過第一階段Release標準(10分鐘內量測40nm以上之Particle小於100顆)。(圖4)
圖4：新機台透過UPW快速洗淨SOP其Particle下降情形
依據大量洗淨SOP重新設定該台機台的Flush參數(流量15CMH、壓力3.5kg/cm2)，經調整後該機台之Particle於5小時內即達標(小於100顆)。依據上述管理機制與SOP進行機台端驗機時程調配後再進行UPW管路Particle洗淨，有效縮短機台端Release期程，且洗淨期間純水系統負載獲得有效控制。
4.1.2 配合線上化學品大量洗淨需求
F18P6於成廠後九個月機台即turn on 75%，面對如此快速的裝機速度，共達成以下里程碑，完成35台WET機台NH4OH Flush(累積達 2,280噸原液)，期間放流水污水質狀況均正常，無超標。(圖5)
圖5：F18P6於成廠後九個月機台即turn on 75%
4.2 新工具GCMS管理LSR來源異常排放案例
案例一：機台HCl要酸量由50s/hr調整至100s/hr，影響LSR系統出口導電度baseline由350μS/cm 上升至500μS/cm，影響膜通量的因素有溫度、壓力、離子濃度等，如果離子濃度過高會導致RO通量下降、膜壓上升以致系統後段出口將無法穩定的供應。經由GCMS可即時鎖定相關機型，並與其對應設備訂定Chemical 洗淨量與通報管理機制，避免異常擴大。(圖6)
圖6：LSR來源導電度異常透過GCMS快速查得對應機台
案例二：LSR(I)原水pH有異常偏低，系統異常時工程師往往藉以人工採樣或電話確認的方式進行源頭查找，尤其在建廠初期各機況差異性較大，異常情況發生較為頻繁，利用GCMS可快速查詢出異常機台使用化學品，並比對。針對系統受影響範圍鎖定特定化學品，可快速篩選對應機台，並與其設備比對相關動作，快速排除異常狀況。(圖7)
圖7：LSR(I)來源pH異常透過GCMS快速查得對應機台
4.3 新工具iFaxt管理PCW回水壓異常案例
案例一：2022/11/17 F18P6 PCW回水壓力異常上升，導致膨脹水箱液位上升，但系統供水溫度、回水溫度皆正常，在此情況下，透過iFaxt系統確認當下異常狀態之機台，統計該Loop上現有158台於線上供應，其中兩台正於PM保養中，針對此結果依序詢問設備機況，發現此機型機台CDA管路會銜接PCW 供水端，如在PM時誤開啟，氣體會倒灌回系統，造成管路氣泡現象。結合系統查詢結果以及現場確認，兩者相互比對，成功找到異常機台，同時間通知可能影響機台，達到預警作用。(圖8)
圖8：案例一:PCW異常失水trend chart
案例二：2023/1/1 13:00 F18P6 PCW回水壓力異常上升，導致膨脹水箱液位上升，在系統供水溫度、回水溫度皆正常情況下，透過iFaxt系統和現場機台端確認後，鎖定當下正在異常處理之機台，機台當下狀態正掛於DACT(異常處理)中，現場發現其正使用CDA管路purge PCW管路，大量氣泡回灌至PCW供水端，導致整個系統連同Pump、板熱皆有氣泡的蹤跡。此次先由iFAXT系統上選出嫌疑機台，再結合現場確認，兩者相互配合，成功找到事發機台，同時間通知可能影響機台，達到預警作用。(圖9)
圖9：案例二:PCW回水壓異常上升，比對iFaxt可快速查找機台狀態與其FDC Chart
另外，此兩次氣體倒灌也會影響其他機台的溫度計e-sensor，因氣泡往高樓層機台方向走去，主機台高架地板下方管路sensor感應處佈滿氣泡導致溫度無法正確感應，造成溫度持續升高，觸發機台警報，導致停機。透過此系統也可快速列出，並同時線上監視，達到預警功能。
5.給未來新成廠建議總結
新成廠廠區務必根據前廠經驗傳承，站在巨人肩膀上，複製與學習過往經驗，減少犯錯機率，以F18P6為例共計與N5/N3/RD Fab蒐集84項lesson learnt，有22項無改善需求，其餘62項均改善完成，故F18P6在快速成廠過程，無發生PCW異常失水狀況、放流水污水質異常狀況，UPW Day1均將過往強化功能上線並在功能測試階段驗證有效性，大幅提升UPW防禦能力。
以下彙整給新成廠建議重點總結，期許幫助未來廠區有效因應成廠初期快速裝機並因應製程變更與配合線上化學品大量洗淨需求，並對水系統提前提出穩定管理對策，順利達成穩定量產目標。(表10)
| 系統 | Item | 新成廠建議重點總結 |
|---|---|---|
| UPW | 1 | 事先與WET設備擬訂機台洗淨量與壓力，快速達成機台需求並且有效控制UPW負載 |
| 2 | 事先與GC擬訂混酸過程水量需求，避免造成日後純水瞬間水量過大與Pump負載問題 | |
| 3 | 機台端不需加裝調壓閥定義為WET SU機型以及IMP&LIT所有機型，Day1就做對 | |
| 4 | 根據Risk assessment，純水新增強化功能需在功能測試階段確保驗證有效性 | |
| PCW | 1 | 針對高風險異常失水機台，Day1裝機階段要求設備做好相關防禦措施並造冊回傳留存 |
| 2 | 針對高風險異常氣體回灌機台，Day1即要求解離氣體管路或做好相關防禦措施並造冊回傳留存 | |
| 3 | 針對PCW Pump出口彈性接頭安裝，於送水前量測是否在規範內，避免造成送水異常漏水 | |
| 4 | PCW初期送水階段，進行一次完整換水作業，有效清除管路雜質，穩定Safety filter壓差 | |
| WWT | 1 | 事先與WET設備擬訂各項化學品洗淨總量管理機制，配合廢水回收建置狀況，逐步放寬洗淨總量 |
| 2 | 建廠初期，WSR來源酸雙氧水濃度低但硫酸濃度高，可使用稀釋法快速達成硫酸自給自足目標 | |
| 3 | 建廠初期務必完成Drain to tank全檢，做好管控表與現場標示，避免Drain閥沒開或是流向錯誤 |
參考文獻
- 設計部NFDD Water 60% Design Material.
- Y2023 N3 Workshop Material.
- F12P8 WSR稀釋法Material.
- GCMS應用Material.
- iFaxt 應用Material.
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