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TSMC/ Facility Published

前言 文獻探討

晶圓廠所使用的超純水(Ultra Pure Water, UPW) 系 2.1 高效率真空脫氣系統
統中依賴不同的單元設計去目標性的處理水中各種不
純物，面對各世代製程之挑戰主要在於「如何達成系 傳統真空脫氣塔工作原理設計是利用當維持負壓環境使密
統穩定供應」，其中不僅限於基礎的使淨水系統供應 閉系統液面氣體壓力降低時，氣體溶出液體的速率增加達
[01]
不中斷或者產出水質的穩定，更需要考量到各式處理 成更低的氣體溶解度 ( 圖1) ，真空泵將脫氣塔抽氣至真
單元設計與系統改善，在摻雜入了日常保養維護、突 空後，利用水泵泵送水從塔槽槽頂噴淋而下，經過濾料分
發性元件故障及人員操作查修訓練等狀況與因素後， 散後水中之氣體將逸散並被真空泵抽離，脫氣後的水流至
依然能滿足工廠端對於廠務系統穩定供應的需求。為 塔底再由中繼水泵泵送至下一處理單元，然而此種方式需
追求更穩定的供應品質同時降低突發性元件故障導致 要耗費極大的能量維持較高的真空度。為提高脫氣效率，
的停供風險，200mm 晶圓廠在近幾年陸續執行了許 高效率真空脫氣塔利用在真空脫氣機中注入微量氮氣等惰
多翻新工程，FAB6 超純水系統在考量到未來維護的 性氣體從而可高效去除水中溶解氣體，其會從塔槽底部注
需求及系統穩定性，也有計畫地擴充薄膜脫氣系統以 入微量氮氣等惰性氣體並由脫氣塔上部經真空泵抽離，此
取代既有的高效率真空脫氣塔。但在成熟運轉廠區要 時塔內純水將因亨利定律 ( 圖2) : 常溫下氣體溶解的體積
進行如此大的汰換工程首要面對的挑戰是如何在舊系 莫耳濃度將和與該溶液上的氣體分壓成正比，從而溶解入
統不停供且不影響運轉下進行新系統擴充設計以及新 氮氣並更為高效的脫除所有其餘諸如氧氣、二氧化碳甚至
舊系統電控運轉邏輯差異如何無縫接軌，以及最重要 是高揮發性有機物等溶解氣體。
的是在設計及擴充工程完成後要如何在不影響供應水
高效率真空脫氣塔的結構較為複雜，包含了脫氣塔、真空
質的情況下無感導入擴充系統及停止運轉舊系統。在
泵、水泵等。為保證進水分布均勻，脫氣塔通常設計高達
200mm 晶圓廠廠務設備全面翻新的浪潮中，面臨產
十幾米以提供足夠的濾料高度使水氣良好分布，這也導致
線對供應穩定度的挑戰下舊廠區翻新要如何在持續供
了其設備佔用空間龐大且難以停機維護，另外脫氣塔需要
應純水並維持水質的穩定下進行新建系統的試俥、投
較為精準的液位控制，如果液位過高容易導致脫氣效率下
入以及達成舊系統的切換及下線便成了多數翻新計畫
降，但液位過低卻容易導致水泵空抽跳脫引發停機事故。
的首要難題。
這樣的複雜構造導致整套系統對控制元件需要有較高度的
FAB6 預計進行翻新的系統為純水製程中段的脫氣單 冗餘設計(redundancy)，並且在突發性運轉狀況出現時較
元，超純水系統中對於氧氣和二氧化碳等水中溶解性 仰賴有經驗的操作人員去進行查修及復機。
氣體的去除，TSMC 的水處理系統目前可見到兩種不
相較於先進廠區系統，FAB 6 在中處理去礦化單元序列採
同的處理單元 : 高效率真空脫氣塔(High efficiency
用 Christ 系統架構 ( 圖3)，是由 VDG、UV 滅菌燈、MGR
Vacuum degasifier, HE-VDG) 以 及 薄 膜 脫 氣 系 統
混床樹酯塔順序所組成，VDG 單元包含 PST 水泵、真空
(Membrane Degasifier, MDG)。在較早期建置之少
脫氣塔及其脫氣設備、定頻控制之出口增壓水泵，設計處
數 200mm 晶圓廠超純水製造工藝中常見採用高效率
理效能為在供應水量 366CMH 狀況下可提供平均 1ppb 以
真空脫氣塔作為除氣手段。但隨著晶圓製造產線對於
下溶氧值，並且在增壓水泵出口設計有比例式控制回流閥
廠務系統穩定度要求的提升，真空脫氣塔系統由於其
回水至 PST，除使其壓力穩定供應在 6.5bar 外亦可在後
脫氣塔維護困難以及單一元件失效便容易導致供應中
段需水量較低時持續循環提升 PST 供應水質 。在穩定供
斷的缺點，導致現今 300mm 晶圓廠超純水系統中多
應二十餘載的背後由於 VDG 單元脫氣塔為單一設計，運
改採薄膜脫氣系統作為替代。
轉至今都尚未進行內部桶槽完整檢測及拉西環更換，導
致在近年陸續發現 MGR 樹酯塔入口散水管遭破碎的拉希
環碎片堵塞而令壓差爬升。並由於 FAB6 共有兩組相同架
構的產水序列 : Line A 及 Line B，為了能互相備援所以在
MGR 樹酯塔產水出口設計有管路聯通，這使得樹酯塔在
壓差爬升時兩個 Line 的出口產水壓力不均等，過高的背
壓也使得供水難以克服往後高約 6 米的管橋段來回高程差
(0.8~1.2bar) 進而影響後段供水量的穩定度。

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