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AMC 控制技術-談化學濾網
                               黃蒨芸    康育豪
                               正研究員   研究員
                                 工研院能環所
                       新竹縣竹東鎮中興路四段 195 號 64 館

前言:
                                                  此為協助國內的半導體產業發展,維持技術領先,
   半導體製程線寬不斷下降,進入奈米製程後
                                                  實有必要發展國內自主的化學濾網技術。工研院
對於製程環境的需求焦點從微顆粒污染轉移至更
                                                  AMC 化學濾網實驗室的設立係基於此背景,目的
為小的氣相分子污染物(AMC,Airborne Molecular
Contamination),在 12”晶圓廠良率提昇上,AMC                  在提供國內半導體業者一個測試化學濾網性能的
                                                  實驗站,協助業者建立 AMC 防治技術,以期在未
的防治是關鍵技術之一。使用化學濾網是關鍵的手
                                                  來建立化學濾網產業。除了專門針對半導體製程的
段之ㄧ。隨著石化業的進步,環境的污染物逐漸多
                                                  AMC 化學濾網測試外,此研究建立的技術也可作
樣性;除了半導體製程外,在生活環境面、作業環
                                                  為一般氣體濾除濾網的應用。事實上隨著石化業的
境安全、環境保護等都面臨類似的氣態分子污染的
                                                  進步,環境的污染物逐漸多樣性;除了半導體製程
問題,也因此氣體濾除濾網的使用越來越普遍。預
                                                  外,在生活環境面、作業環境安全、環境保護等都
期未來相關的濾除與清淨裝置將會有大幅成長。氣
                                                  面臨類似的氣態分子污染的問題,也因此氣體濾除
態污染物的特性不同於微塵粒,所以處理的機制會
                                                  濾網的使用越來越普遍。其他在一般化學作業中逸
截然不同。空氣污染控制技術已發展多年,多偏向
                                                  散的氣態化學物質對員工的危害也逐漸受到重
高污染濃度或排氣端的技術研發,亦不同於本文將
                                                  視,因此預期未來相關的濾除與清淨裝置將會有大
要述及的微量氣態污染處理技術。本文中將針對潔
                                                  幅成長。此 AMC 實驗室建立的目的主要在協助化
淨室內製程環境及 IAQ(室內空氣品質)議題下微
污染 AMC 的控制方法,包含化學濾網的應用、原                          學濾網的技術開發,建置的設備同時可提供我國產
理及性能測試系統。國內廠商的 12”廠已陸續投                           品公正實驗室驗證,掌握國際技術發展脈動,協助
產,產能也逐漸提昇,若能保持 12”技術的優勢,                          廠商開發新產品技術,促進國內氣體濾除與清淨產
                                                  業發展。
預期未來全球半導體的製造重心仍然會在台灣。但
目前 AMC 化學濾網的技術多由國外廠商掌握,因


AMC 議題:
   AMC 為 Airborne Molecular Contamination 的       質。由於隨著奈米科技的發展,半導體元件的加工
                                                  線寬由 0.25μm 逐漸進入 0.18μm 甚至到 0.13μm 以
縮寫,由字面的意義來看其初始狀態為氣相且行為
                                                  下,製程環境中微塵粒子或空降分子狀污染物對產
似單一分子的氣態污染物,為環境中有能力沈降於
                                                  品良率影響也就更加顯著。污染控制的重點轉移到
材料表面上形成單分子層薄膜之氣態化學污染物

                                              1
分子的尺度,化學反應逐漸變成重要的污染效應之                                     B.P. >150° F (65.6° C)
                                                       *

一。                                                           潔淨程度的表示法為:MX-N,X:污染物種
     最常被引用的 AMC 分類方法為 SEMI 組織                          N:濃度(ppt)
                                                            ISO/DIS 14644-8 對 AMC 的分類不限於半導
(Semiconductor       Equipment   and   Materials
International)在 SEMI F21-95(或 F21-112)中對               體應用,涵蓋所有會影響製程或產品的 AMC。如
AMC 氣態污染物所做的分類,包括酸性(Acids)、                            製藥應用時潔淨室的精密的電控設備對 AMC 敏
                                                       感。SEMI-F21 對 AMC 的分類法只有物種的分類,
鹼性(Bases)、凝結物(Condensables)、及摻雜物質
(Dopants),所屬污染物質如下所述,整理表列如表                            是 ISO 分類法中的三種之一。ISO 的分類法可針對
1。                                                     單一物種(如 NH3)或一同族物種(如有機磷化物)或
     (1) MA(Acids)
                 :酸蒸氣,具腐蝕性並在化                          污染物種類如酸鹼物種等。
         學反應中扮演電子接受者的角色,其反                             潔淨程度的表示法為:
                                                           ISO-AMC Class N(x)
         應的強弱依其離子化造成的氫離子濃度
                                                           N=log10[concentration in g/m3],x : 污染物種
         而定。根據 SEMI 的分類,包含有氫氟
         酸、硫酸、氫氯酸、硝酸、磷酸、溴酸。                            例如,
                                                           氣態總有機濃度為10-4 g/m3時表示為:
     (2) MB(Bases)
                 :鹼蒸氣,具腐蝕性並在化
                                                           ISO-AMC Class -4(or)
         學反應中扮演電子供應者的角色,根據
                                                           氣態氨濃度為10-6 g/m3時表示為:
         SEMI 的分類,包含有氨類氣體。
     (3) MC(Condensables)                                  ISO-AMC Class -6(NH3)
                        :凝結物質,包含有
                                                               表2.ISO/DIS 14644-8對AMC的分類
         矽化物與碳氫化合物類(沸點大於或等
                 o
                                                             表示 物種
         於 150 F)。
     (4) MD(Dopants)
                   :摻雜物質,可以造成電                                 -     single specie
         性改變者,包含有硼(通常為硼酸)、磷(通                                  -     a group of species
         常為有機磷酸鹽)與砷(通常為砷酸鹽)。                                  ac     acid
                                                              ba     base
   表 1.SEMI 提出之 AMC 類別及化學污染物
                                                              bt     biotoxic
          分類                    化合物
                                                              cd     condensable
                          HF 、 H2SO4 、 HCl 、
 酸性物質(A,Acids)
                                                              cr     corrosive
                          HNO3,H3PO4、HBr
                          AMINE、NH3、NMP、                      dp     dopant
 鹼性物質(B,Bases)
                 HMDS
                                                              or     organic
                 silicone          、
 凝 縮 性 物 質 (C
                 hydrocarbons、DOP、                            ox     oxidant
 Condensables)*
                 DBP、DEP、BHT
                 B2H6 、 BF3 、 AsH3 、
 摻雜物質(D Dopants)
                 TEP 、TCEP、TPP


                                                   2
AMC 的來源及控制
                                                      (part per million, 10-6)
                                                                             、ppb(part per billion,
     潔淨室內之氣態分子污染物大致有兩個來
                                                      10-9),甚至於 ppt(part per trillion,10-12)的污染
源,一個是來自無塵室外,另一個來源則為潔淨室
內發生者。對潔淨室而言大致上污染的來源 5~                                程度就足以影響半導體製程良率。由於 AMC 的起
10%源自外氣,30~40%由人員產生,25~30%為                           源複雜,微污染防治措施主要步驟為:
                                                           1.產品性能的量測
製程中溢散,20~30%由製程設備產生。所以內部
                                                           2.環境的監測
污染的程度通常高於外氣。
                                                           3.追蹤確認影響製程的污染物(源)
     室外的污染來自周界的交通狀況、產業型
                                                           4.移除污染源(若可能)
態、自然環境及室內排氣的交叉污染。所以外氣的
                                                           5.使用移除技術(化學濾網)降低污染致製程
污染物大致包含:燃燒的產物如硫氧化物(SOx)、
氮氧化物(NOx),由汽車排氣特別是柴油引擎及噴                              可接受範圍
                                                           6.降低外氣污染
射引擎所排放的廢氣中多包含揮發性有機物
(VOCs),隨氣候變化最常見的大氣污染臭氧(O3),                                7.將對污染較敏感的製程於使用化學濾網在
甚至位於郊區鄰近農田或工廠的建築物所易引進                                 微環境下操作
                                                           8.避免化學濾網失效。
的氨(NH3)、硫化氫(H2S)及鹽酸(HCl) 。
                                                           基本上先以檢測技術掌握污染因素與狀況,
     室內的污染來自製程使用化學原料、溶劑、
                                                      才能進一步發展出後續之微污染控制技術,如化學
潔淨室內之釋氣、人員本身及人員疏失造成的意外
                                                      濾網吸附、替代性材質研發或污染源隔離技術等。
溢出。例如氫氟酸與含氧化硼的濾網反應釋出硼化
物於空氣中,蝕刻及清洗區的酸氣蒸發,建築結構
材質、地板、簾幕、機台材質、接縫密封劑、晶圓
儲存盒、PVC 手套等塑膠材質等都與氣態污染有
關。所以內部主要的污染物大致包含:氨 (NH3)
胺化物 amines、酸、醇類、Arsine (AsH3) 、Boron
trifluoride (BF3) 、 N-methyl pyrollidione (NMP)
及 VOCs。
     由圖 1 就尺寸大小的觀點而言,AMC 屬於分
子狀態為粒徑在埃(Å,10-10m)的範圍,遠小於目前
以高效率濾網 HEPA 或 ULPA 移除的微塵粒的
1/1,000~1/10,000,可以輕易穿透攔截微塵粒的濾
網。所以移除的原理及機制是與塵粒濾網截然不同
                                                            圖 1.各類污染物的尺度比較(μm)
的。在污染程度的表示上微粒以單位空間體積內所
含的粒子數來表示;AMC 則以濃度表示如 ppm


                                                  3
化學濾網的應用特性:
                                       氣量及外氣空調負載 c.與 FFU 結合控制潔淨室天
  利用化學濾網是移除 AMC 的有效手段之                          ;
一。潔淨室內化學濾網的應用配置如圖 2:a.置於               花板氣流出口的潔淨;d.微環境,接近製程設備機
                                       台端供給潔淨氣流。
外氣空調箱,移除由室外引進的污染;b.置於循環
回風空調箱,移除製程環境所產生的污染以節省外


    AHU for OA




                 AHU for Recirculation Air




                  圖 2.潔淨室中化學濾網的應用


移除 AMC 的機制及化學濾網的種類:
                                       求,所要面對的是低濃度、高效率且對室內環境影
  氣態的污染防治技術實際上已歷經多年的發
                                       響小的氣態污染處理技術。用來移除 AMC 的原理
展,昔日多偏重於高濃度污染的廢氣處理技術。近
                                       大致上包含熱處理法(Thermal treatment)
                                                                  、觸媒氧
日由於生活型態隨著科技進步的演變,室內氣態污
                                       化法(Catalytical oxdation)
                                                              、離子交換法、吸收法
染日趨多樣性,引發室內空氣品質議題被重視,以
                                       (Absorption)及吸附法(Adsorption)等。其中熱
及潔淨室因精密製程對潔淨氣流環境潔淨度的需


                                   4
要補集這類物種必須利用化學吸附,在吸附劑的表
處理及觸媒氧化法會伴隨著氧化的副產物產生以
                                           面進行改質,讓吸附劑表面的活性基(active site)
及需要較高的處理(反應)溫度、污染物濃度及反
應時間,所以不適合運用在建築物內微量 AMC 的                   與被吸附質藉靜電力或形成電子對形成穩定的化
                                           合物,這是不能再生及重複使用的類型。如對 HCl
移除。較常被使用在潔淨室及室內空氣品質 AMC
                                           而言與含浸 KI 的活性碳吸附劑表面反應形成鹽類
移除的機制為吸附(adsorption)
                   ,即將吸附劑設計
                                           為相當穩定的副產物。與物理吸附不同的是通常溼
於高接觸表面積的化學濾網形式。吸附乃利用吸附
                 (surface force)           氣可以增強化學吸附反應性而提升濾除效率。對酸
劑(adsorbent)本身表面力               之作用,
                                           性的污染物用鹼性改質的吸附劑,反之鹼性的污染
為氣體擴散至吸附劑的表面,並集中於固體表面上
                                           物用酸性改質的吸附劑。
之一種操作。吸附的發生分三個階段(i)被吸附
                                                 吸附法的關鍵技術為吸附劑的選擇,一個適
質(adsorbate)從大氣中擴散至吸附劑的外表面,
                                           合的吸附劑最重要的參數為在吸附條件下所具有
(ii)移動至吸附劑的孔洞內。因為吸附劑均屬多
                                           的吸附容量,而吸附容積與吸附劑的比表面積有
孔性物質主要的表面積均源自孔洞的表面積,其內
                                           關,比表面積愈高吸附量愈高。先前亦提及,應用
表面積的總和通常遠大於其外表面積;(iii)再擴
                                           於低濃度、高風量的污染處理,多只利用接近吸附
散至吸附劑更內部的孔洞內表面附著。
                                           劑外表的孔洞表面,所以吸附劑的粒徑也是重要的
   吸附的力量隨著物系之不同而異,一般可分
                                           設計參數。常用的吸附劑有活性碳、沸石、矽膠、
為可逆的物理吸附(physisorption)及不可逆的化
                                           活性氧化鋁及多孔性離子交換樹脂等。
學吸附(chemisorption)。物理吸附與氣體分子在
                                                 矽膠為一種部分脫水的聚合矽酸膠體,矽膠
固體表面的液化現象相似,二者藉凡得瓦爾力結
                                           表面上含有 5%以上的氫氧基,可以吸附大量的極
合,物種擴散至低濃度的吸附劑表面達動態平衡。
                                           性分子。吸附劑型的矽膠表面積大於 800m2/g,平
被吸附質的沸點、蒸氣壓及活性是影響吸附效率的
主要因素。一般沸點大於 100℃的物質室溫下的狀                   均孔徑約為 2nm,孔徑容積約為 0.4~0.5ml/g。
態為液態,其蒸氣較易於吸附凝結在吸附劑的表                            活性氧化鋁為一具多孔性與高表面積的氧化
                                           鋁,活性氧化鋁平均孔徑較大約 2~10nm,表面積
面。物理吸附為可逆的操作,通常可利用壓差及溫
                                           約 300m2/g,最特殊的性質為其表面具有較強的極
差的方式來進行再生,且不同分子量的污染物均可
競爭相同的吸附表面,由於溼氣會佔據吸附表面故                     性,並同時具有酸性與鹼性的雙性表面(在強酸條
通常潮濕的天氣下吸附效率會較差。溫度也會影響                     件下呈現鹼性特性,反之在強鹼條件下呈現酸性特
吸附效率,溫度愈高物理吸附能力愈差。在 HVAC                   性)。
的應用上,污染濃度低,所以擴散梯度(diffusion                      沸石為一種結晶形態的多孔矽酸鋁,來源有
gradient)小,通常吸附操作發生更深層的第三階                 天然與人工合成,目前以結晶結構區分超過 100
                                           種 常見的沸石有 A-type X-type Y-type mordenite
段機率低,所以多只利用接近外表的孔洞表面。                       ,            ,      ,      ,
                                           與 ZSM-5 等。平均孔徑在 0.3~1nm,表面積約
   針對分子量小、沸點低在常溫下為氣態的物
                                           300~1000m2/g,由於沸石的孔徑與分子的直徑相
種,因在吸附劑表面無法凝結液化,不易穩定附著
在吸附劑表面,容易脫離氣化或被其他分子取代。                     近,所以常用為選擇性分子吸附劑,如:氮氧分離


                                       5
的 13X 與 5A,二氧化碳分離的 13X 等。               材及淨水器等與環境/生活相關領域的用途開發更
                                        為 活 絡 。 平 均 孔 徑 在 1nm , 表 面 積 約
     活性碳是具有歷史性的古老工業,迄今大約
                                        500~2000m2/g,相對於其它吸附劑活性碳的價格最
已經過了 100 年。活性碳最早是用於糖的脫色,現
在多應用於淨化空氣、脫臭、水處理、工業藥品的                  低廉。
精製、砂糖的脫色等方面。近年來,在空氣清淨濾


化學濾網與濾除微塵粒子的濾網的差異性
                                        漸下降。且化學濾網壓損不會隨污染物的吸附量變
     微塵粒子是隨著氣流而移動,濾網捕集移除
                                        化。對於利用物理吸附機制的化學濾網而言,低溫
的主要機制是藉由纖維徑度及交織密度,以粒子的
                                        有利於污染物的吸附;由於所有物質均對吸附表面
動能及慣性效應撞擊濾網介質而被攔截補集。氣態
                                        具相同競爭性所溼度高時水氣亦會佔據吸附劑表
分子污染物則藉由擴散由高濃度移動到低濃度區
                                        面,造成效率降低的現象。化學吸附則對特定污染
域,擴散的動力為濃度梯度(即濃度差)。化學濾網
                                        物具選擇性吸附,在水氣存在下對某些化學吸附的
藉由其中的吸附劑以物理吸附或化學吸附的機制
                                        反應性有增益的效果,且在溫度高時較為穩定。將
將氣態分子污染物攔截移除在濾網上。隨著吸付劑
                                        化學濾網與微塵濾網的差異性整理如下表:
本身的孔洞或具反應性的活性基被污染物佔據(覆
蓋率漸增時),可提供吸附的表面漸減,效率會逐


                         表 3、化學濾網與濾除微塵粒子的濾網的差異性

                     微塵濾網                             化學濾網

藉由纖維徑度及交織密度,以粒子的動能及慣性效應撞 藉由多孔性的吸附載體將氣體分子吸附(吸收反
擊濾網介質而被攔截補集              應)濾除

濾網壓損會隨著濾除附載粒子的數量而增加                     濾網壓損不會隨污染物的吸附量變化

塵粒的攔截會讓濾網變髒,可由濾網外觀判別                    氣態污染物吸附無法由濾網外觀判別

壓損越高效率越佳                                效率會逐時隨吸附物的增加而遞減

已有標準及測試方法來評價濾網性能                        對氣體濾除性能的標準及測試程序仍在發展中

濾除性能以粒子的穿透來定義
                                        濾除性能以氣體破出曲線(breakthrough)為主
P(penetration)=100×C up/Cdown [%]
                                        除去率=100×(C up- C down)/C down [%]
E(efficiency)=100-P [%]

濾除效率與環境溫、溼度無關                           濾除效率與環境溫、溼度及污染物濃度有關

要注意的性能包含:效率(穿透率)、壓損、壽命、價 要注意的性能包含:氣體破出曲線、氣體移除效
格                        率、壽命、壓損、價格



                                    6
化學濾網的型式:
  化學濾網的構成如圖 3 所示。將上述的吸附         表面積及利用當污染濃度低時主要發揮吸附效率
                                的是吸附劑較外層的孔洞表面積。
劑本身或用覆被、填入的方式與較強機械強度的支
                                  在選擇化學濾網上會考量的包含:(1)針對
撐材質組成濾網的結構。設計的原則不外是在適當
                                所要濾除的污染物選擇適當的吸附劑材料,(2)
的結構強度下建構低阻抗及高處理表面積的化學
                                去除效率要高,(2)針對要求的效率下去除容量
濾網,減低污染氣流通過的面速度或增長與濾網吸
                                要大即壽命長,以減少停車更換次數也確保製程環
附劑的滯留時間。
                                境的潔淨度(3)低阻抗以減輕風機的負載,(4)
  就濾材(media)的形式而言,(1)填充式:
                                尤其應用在半導體製程產業為了避免污染所以要
將較大顆粒狀的吸附劑填入濾網框架中,或壓鑄成
                                求(5)低發塵量以及(6)低釋氣,(7)再則考
緊緻塊狀,上下再以不織布包覆以避免吸附劑粉塵
                                慮便於安裝要求質輕以及(8)價格問題。
被吹出。此類濾網因吸附劑的含量高、粒徑大,需
                                  所以在化學濾網的結構型態上的設計有(1)
要較長的滯留時間以充分利用吸附劑,吸附容量
                                    直接將粒狀吸附劑填充於 1 至 3 吋厚的濾
                                填充式:
大;但缺點為壓損大,較適合應用在高濃度低風速
                                網框架中,讓氣流直接貫穿填充床。適合用在濃度
的場所(2)複合式:將粒徑較小的吸附劑或粉末
                                較高或要求容量要特別大及風速較低的場合。(2)
狀者與合成纖維及填料均勻混合,藉由填料的結合
                                為了要減低穿過化學濾網氣流的風速將濾網打
特性將吸附劑與纖維複合,或以特殊合成纖維熔點
                                摺,摺數愈多或愈深愈可減緩通過濾網的風速降低
特性在適當熔融狀態下將粒狀吸附劑結合,構成機
                                壓損,並增加濾材的表面積及容量。 蜂巢結構:
                                               (3)
械強度較強的平材結構,並且藉由纖維的交織製造
                                通常是將紙狀的濾材製作成六角蜂巢狀或瓦楞蜂
適當的孔隙以減低氣流通過時造成的壓損。
                  (3)植
                                巢。不同於前述二者的是氣流並未穿透濾網材料其
入式:將粒徑小的吸附劑植入多孔性的發泡材中,
                                中,而是通過由濾材建構蜂巢通道。高濃度下污染
以降低壓損且藉由不規則的孔道讓氣流通過時增
                                物容易貫穿,可設計增加蜂巢結構的厚度即通道長
加與吸附劑接觸的機會;另則以浸泡的方式將粉狀
                                度或孔洞大小來克服。優點為壓損低,適用於低污
吸附劑植入多孔性材質如無機纖維紙,再製作成蜂
                                染濃度的條件。
巢狀的結構,目的藉由蜂巢結構降低壓損增加接觸




                            7
圖 3.化學濾網的構成




        (1)填充式                               (2)打摺式               (3)蜂巢狀
                                   圖 4.不同結構型態的化學濾網


化學濾網的性能測試
   化學濾網的性能包含了對污染物的濾除效率、吸附容量以及操作條件下的壓損。若針對半導體廠
特別是 12 吋廠還會要求提供濾網的釋氣(Outgas)及發塵狀況。隨著操作時間的增加化學濾網中未吸
附污染物的乾淨帶逐漸被以完成吸附的飽和帶佔據時出口濃度逐漸增加,直至乾淨帶完全被飽和帶取
代時下游出口濃度逐漸與上游入口濃度ㄧ致,如圖 5 所示。
   濾除效率(η)的定義為:化學濾網上、下游濃度的差與上游濃度比值的百分率,計算如式(1):
      C in − C out
 η=                × 100 %                  (1)
          C in
   其中 Cin 濾網前氣體濃度(ppm)、Cout 為濾網後氣體濃度(ppm)。轉換成濾除效率對應時間的曲線圖
為圖 6。
   濾網之氣體吸附容量計算,由方程式(2)求得:
 Q=C1V{aηa × 10-2+∫baη(t)dt × 10-2}×10-3              (2)
   其中 Q 為濾網總吸附容量(g)。




 圖 5.化學濾網下游端濃度隨操作時間變化曲線
                                                            圖 6.化學濾網效率曲線



                                                  8
由於目前並無ㄧ套專門針對潔淨室用化學濾                            調整控制溫度、溼度、氣流流速及標準氣體濃度,
網性能測試的標準方法,存在的標準多為針對污染                              並可持續維持其均勻與穩定,作為化學濾網在不同
濃度較高的氣體濾除裝置或車用濾網等而訂。圖 7                             面風速下之壓損量測、發塵量量測、初始吸附效率
為工研院能環所建置的一套全尺寸化學濾網性能                               量測與吸附壽命評估等性能評估的重要設備。目前
測試系統(Full-Scale Gas Filter Testing Facility)示       已完成建置的測試氣體包含了三種(見表 6):室
意圖。此系統包含前端-供風空調系統、標準氣體                              溫下為液態揮發性大的甲苯、室溫下為液態不易揮
之配製系統、中段-濾網測試段、含風量、壓降、                              發的苯二甲酸二乙酯(為常見塑膠材料中的塑化
濃度採樣孔、末端-nozzle 風量控制段等。由於化                          劑,在潔淨室中逸散出,一旦沈積在晶圓表面即造
學濾網的吸附性能會隨環境之溫、溼度所影響,所                              成不可逆的缺陷)
                                                           、室溫下為氣態的氨氣 半導體
                                                                     (
以測試系統必須提供一穩定溫、溼測試條件,本測                              潔淨室內常見極易造成元件缺陷的腐蝕性汙染物
試系統內之溫、溼度控制則利用空調箱內之冷卻盤                              之ㄧ)。此系統的均勻度極佳,於化學濾網測試段
                                                    前端截面上,畫分成 9 等分面積區塊(如圖 9)
管、加溼器、電熱器等設備,配合不同風量下進行                                                      ,
                                                    利用風速量測計(TSI 8386),分別將 9 點平均風速
溫溼度回饋控制,並設置循環回風管,以考慮當測
                                                    值(Va.)與各點風速(Vn)差值除以 9 點平均風速值(Va)
試風量較小時,仍可為維持冷卻盤管、加濕器、加
熱器最小所需風量,使系統之溫溼度更為穩定。此                              取絕對值以獲得各點之風速偏差值,均勻度(u)之
外,於空調箱內分別裝設初級、袋式與高效率                                定義即為各點風速偏差值之平均,計算公式如方程
HEPA 濾網來過濾氣流中之懸浮微粒,並以三道化                            式(3)所示。同理睬樣分析氣流待測物濃度可得濃
學過濾網,去除氣流中酸性、鹼性、有機性不純物                              度分佈的均勻度。經實驗測得風速及濃度均勻度分
                                                    別為 2.1%及 1.5%。在配製施放 740ppb 濃度的甲
質,以提供一乾淨且恆溫、恆溼之氣流,避免低儂
                                                    苯下,觀察長時間的穩定性濃度的偏差在 3.8%以
度性能測試時受進氣的微量污染干擾。而本系統之
測試規格如表 4,由於考量化學濾網尺寸                                 內 。至於其他的測試氣體物種會再視業界的需求
(600×600mm)(測試件規格見表 5)與正常運作下                        予以評估增置。

                                                                    V a − Vn
面風速大小(0.3~2.5 m/sec),故本測試系統風量將                                  n

                                                                ∑
設計在 4 ~ 64 CMM (m3/min)範圍內運作。而能調                                       Va
                                                                1
                                                         u=                    × 100% ,
控的能力範圍:溫度範圍將可調整操作於 10 ~                                              n
35℃,相對濕度 50 ~ 95﹪RH,粉塵 0.15 mg/m3 以                 其中
                                                                V1 + V2 + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅Vn
下,並使用校正之熱電偶溫度計、露點計來確認溫
                                                                                      , n=1~9 ….(3)
                                                         Va =
                                                                        n
溼度之穩定度與正確性。提供整一套完整的系統可




                                                9
圖 7、全尺寸化學濾網性能測試系統示意圖




圖 8、工研院建立之全尺寸化學濾網測試系統空調系統




            10
表 4、全尺寸化學濾網測試系統規格說明表
可測試條件範圍         規格                                     對照表
                           23±3℃                      20~26℃
 溫度範圍
 溼度範圍                      50±5%                      45~55%
                                                  面風速 0.3~2.5 m/s
 風量範圍                   4 ~64 CMM
 測試物種                甲苯、DEP、NH3
                   含 HEPA/Chemical filter
  潔淨度
                       0.1mg/m3 以下
供風粉塵濃度
                     3φ、220V、60HZ
  電源

               表 5、化學濾網測試件規格尺寸
                  長(mm)            570~610
                  寬(mm)            570~610

                  深(mm)             50~300



               表 6、測試氣體種類及濃度範圍

       測試物種                沸點℃                濃度範圍

         甲苯
                           110              50ppb ~50ppm
        Toluene
                                            100~2500μg m-3
   苯二甲酸二乙酯
                           298
         DEP                                (    ~300ppb)

    氨 Ammonia              -33.5            10ppb~10ppm




                      V1     V2      V3

                      V4      V5     V6

                      V7      V8     V9

            圖 9.風速均勻度量測點示意圖




                              11
參考文獻
1.Kinhead, D.A, “Forecast of Airborne Molecular Contamination Limits for 0.25 Micron High Performance
   Logic Process,” Technology Transfer Report 95052812A-TR, SEMATECH, May 31, (1995).
2. Tamaoki, M., K. Nishiki, A. Shimazaki, Y. Sasaki and S. Yanagi, “The Effect of Airborne Contaminants in
   the Cleanroom for ULSI Manufacturing Process,” IEEE/SEMI Adv. Semicond. Manufac. Conf., pp.322-326
   (1995).
3. MacDonald, S.A., W.D. Hinsberg, H.R. Wendt, N.J. Clecak, C.G. Willson and C.D. Snyder, “Airborne
   Contamination of a Chemically Amplified Resist. 1. Identification of Problem,” Chem. Mater., Vol. 5, No.
   3, pp. 348-356 (1993).
4. Sugimoto, F. and S. Okamura, “Adsorption Behavior of Organic Contaminants on a Silicon Wafer Surface,”
   J. Electrochem. Soc., Vol. 146, No. 7, pp. 2725-2729 (1999).
5. 大塚一彥 “無塵室用空氣過濾器之性能與最新趨勢” 中國冷凍空調雜誌 六月號 pp.107-113 (1999)。
             ,                                            ,                   ,       ,
6.     Media    Application     Guide  Document,     Purafil   Inc., USA,      It    is   available via
    http://www.purafil.com/library.htm
7. Kanzawa K. and J. Kitano, “A Semiconductor Device Manufacturer’s Efforts Controlling and Evaluating
    Atmospheric Pollution”, IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, pp.190-193
    (1995).
8. JIS B 9901, “Gas-Removal- Method of Test for Performance of Gas-Removal Filters,” JIS 標準,日本規格
    協會. (1997)
9. ISO/TS 11155-2, “Road Vehicles- Air Filters for Passenger Compartments- Part 2: Test for Gaseous
   Filtration,” ISO Standard, USA, (2002).
10. NT VVS 109, “Filters: Adsorption Gas Filter” ISSN 0283-7226, Nordtest Method, Nordic Innovation
   Centre, (1996). It is available via http://www.norden.org.




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  • 1. AMC 控制技術-談化學濾網 黃蒨芸 康育豪 正研究員 研究員 工研院能環所 新竹縣竹東鎮中興路四段 195 號 64 館 前言: 此為協助國內的半導體產業發展,維持技術領先, 半導體製程線寬不斷下降,進入奈米製程後 實有必要發展國內自主的化學濾網技術。工研院 對於製程環境的需求焦點從微顆粒污染轉移至更 AMC 化學濾網實驗室的設立係基於此背景,目的 為小的氣相分子污染物(AMC,Airborne Molecular Contamination),在 12”晶圓廠良率提昇上,AMC 在提供國內半導體業者一個測試化學濾網性能的 實驗站,協助業者建立 AMC 防治技術,以期在未 的防治是關鍵技術之一。使用化學濾網是關鍵的手 來建立化學濾網產業。除了專門針對半導體製程的 段之ㄧ。隨著石化業的進步,環境的污染物逐漸多 AMC 化學濾網測試外,此研究建立的技術也可作 樣性;除了半導體製程外,在生活環境面、作業環 為一般氣體濾除濾網的應用。事實上隨著石化業的 境安全、環境保護等都面臨類似的氣態分子污染的 進步,環境的污染物逐漸多樣性;除了半導體製程 問題,也因此氣體濾除濾網的使用越來越普遍。預 外,在生活環境面、作業環境安全、環境保護等都 期未來相關的濾除與清淨裝置將會有大幅成長。氣 面臨類似的氣態分子污染的問題,也因此氣體濾除 態污染物的特性不同於微塵粒,所以處理的機制會 濾網的使用越來越普遍。其他在一般化學作業中逸 截然不同。空氣污染控制技術已發展多年,多偏向 散的氣態化學物質對員工的危害也逐漸受到重 高污染濃度或排氣端的技術研發,亦不同於本文將 視,因此預期未來相關的濾除與清淨裝置將會有大 要述及的微量氣態污染處理技術。本文中將針對潔 幅成長。此 AMC 實驗室建立的目的主要在協助化 淨室內製程環境及 IAQ(室內空氣品質)議題下微 污染 AMC 的控制方法,包含化學濾網的應用、原 學濾網的技術開發,建置的設備同時可提供我國產 理及性能測試系統。國內廠商的 12”廠已陸續投 品公正實驗室驗證,掌握國際技術發展脈動,協助 產,產能也逐漸提昇,若能保持 12”技術的優勢, 廠商開發新產品技術,促進國內氣體濾除與清淨產 業發展。 預期未來全球半導體的製造重心仍然會在台灣。但 目前 AMC 化學濾網的技術多由國外廠商掌握,因 AMC 議題: AMC 為 Airborne Molecular Contamination 的 質。由於隨著奈米科技的發展,半導體元件的加工 線寬由 0.25μm 逐漸進入 0.18μm 甚至到 0.13μm 以 縮寫,由字面的意義來看其初始狀態為氣相且行為 下,製程環境中微塵粒子或空降分子狀污染物對產 似單一分子的氣態污染物,為環境中有能力沈降於 品良率影響也就更加顯著。污染控制的重點轉移到 材料表面上形成單分子層薄膜之氣態化學污染物 1
  • 2. 分子的尺度,化學反應逐漸變成重要的污染效應之 B.P. >150° F (65.6° C) * 一。 潔淨程度的表示法為:MX-N,X:污染物種 最常被引用的 AMC 分類方法為 SEMI 組織 N:濃度(ppt) ISO/DIS 14644-8 對 AMC 的分類不限於半導 (Semiconductor Equipment and Materials International)在 SEMI F21-95(或 F21-112)中對 體應用,涵蓋所有會影響製程或產品的 AMC。如 AMC 氣態污染物所做的分類,包括酸性(Acids)、 製藥應用時潔淨室的精密的電控設備對 AMC 敏 感。SEMI-F21 對 AMC 的分類法只有物種的分類, 鹼性(Bases)、凝結物(Condensables)、及摻雜物質 (Dopants),所屬污染物質如下所述,整理表列如表 是 ISO 分類法中的三種之一。ISO 的分類法可針對 1。 單一物種(如 NH3)或一同族物種(如有機磷化物)或 (1) MA(Acids) :酸蒸氣,具腐蝕性並在化 污染物種類如酸鹼物種等。 學反應中扮演電子接受者的角色,其反 潔淨程度的表示法為: ISO-AMC Class N(x) 應的強弱依其離子化造成的氫離子濃度 N=log10[concentration in g/m3],x : 污染物種 而定。根據 SEMI 的分類,包含有氫氟 酸、硫酸、氫氯酸、硝酸、磷酸、溴酸。 例如, 氣態總有機濃度為10-4 g/m3時表示為: (2) MB(Bases) :鹼蒸氣,具腐蝕性並在化 ISO-AMC Class -4(or) 學反應中扮演電子供應者的角色,根據 氣態氨濃度為10-6 g/m3時表示為: SEMI 的分類,包含有氨類氣體。 (3) MC(Condensables) ISO-AMC Class -6(NH3) :凝結物質,包含有 表2.ISO/DIS 14644-8對AMC的分類 矽化物與碳氫化合物類(沸點大於或等 o 表示 物種 於 150 F)。 (4) MD(Dopants) :摻雜物質,可以造成電 - single specie 性改變者,包含有硼(通常為硼酸)、磷(通 - a group of species 常為有機磷酸鹽)與砷(通常為砷酸鹽)。 ac acid ba base 表 1.SEMI 提出之 AMC 類別及化學污染物 bt biotoxic 分類 化合物 cd condensable HF 、 H2SO4 、 HCl 、 酸性物質(A,Acids) cr corrosive HNO3,H3PO4、HBr AMINE、NH3、NMP、 dp dopant 鹼性物質(B,Bases) HMDS or organic silicone 、 凝 縮 性 物 質 (C hydrocarbons、DOP、 ox oxidant Condensables)* DBP、DEP、BHT B2H6 、 BF3 、 AsH3 、 摻雜物質(D Dopants) TEP 、TCEP、TPP 2
  • 3. AMC 的來源及控制 (part per million, 10-6) 、ppb(part per billion, 潔淨室內之氣態分子污染物大致有兩個來 10-9),甚至於 ppt(part per trillion,10-12)的污染 源,一個是來自無塵室外,另一個來源則為潔淨室 內發生者。對潔淨室而言大致上污染的來源 5~ 程度就足以影響半導體製程良率。由於 AMC 的起 10%源自外氣,30~40%由人員產生,25~30%為 源複雜,微污染防治措施主要步驟為: 1.產品性能的量測 製程中溢散,20~30%由製程設備產生。所以內部 2.環境的監測 污染的程度通常高於外氣。 3.追蹤確認影響製程的污染物(源) 室外的污染來自周界的交通狀況、產業型 4.移除污染源(若可能) 態、自然環境及室內排氣的交叉污染。所以外氣的 5.使用移除技術(化學濾網)降低污染致製程 污染物大致包含:燃燒的產物如硫氧化物(SOx)、 氮氧化物(NOx),由汽車排氣特別是柴油引擎及噴 可接受範圍 6.降低外氣污染 射引擎所排放的廢氣中多包含揮發性有機物 (VOCs),隨氣候變化最常見的大氣污染臭氧(O3), 7.將對污染較敏感的製程於使用化學濾網在 甚至位於郊區鄰近農田或工廠的建築物所易引進 微環境下操作 8.避免化學濾網失效。 的氨(NH3)、硫化氫(H2S)及鹽酸(HCl) 。 基本上先以檢測技術掌握污染因素與狀況, 室內的污染來自製程使用化學原料、溶劑、 才能進一步發展出後續之微污染控制技術,如化學 潔淨室內之釋氣、人員本身及人員疏失造成的意外 濾網吸附、替代性材質研發或污染源隔離技術等。 溢出。例如氫氟酸與含氧化硼的濾網反應釋出硼化 物於空氣中,蝕刻及清洗區的酸氣蒸發,建築結構 材質、地板、簾幕、機台材質、接縫密封劑、晶圓 儲存盒、PVC 手套等塑膠材質等都與氣態污染有 關。所以內部主要的污染物大致包含:氨 (NH3) 胺化物 amines、酸、醇類、Arsine (AsH3) 、Boron trifluoride (BF3) 、 N-methyl pyrollidione (NMP) 及 VOCs。 由圖 1 就尺寸大小的觀點而言,AMC 屬於分 子狀態為粒徑在埃(Å,10-10m)的範圍,遠小於目前 以高效率濾網 HEPA 或 ULPA 移除的微塵粒的 1/1,000~1/10,000,可以輕易穿透攔截微塵粒的濾 網。所以移除的原理及機制是與塵粒濾網截然不同 圖 1.各類污染物的尺度比較(μm) 的。在污染程度的表示上微粒以單位空間體積內所 含的粒子數來表示;AMC 則以濃度表示如 ppm 3
  • 4. 化學濾網的應用特性: 氣量及外氣空調負載 c.與 FFU 結合控制潔淨室天 利用化學濾網是移除 AMC 的有效手段之 ; 一。潔淨室內化學濾網的應用配置如圖 2:a.置於 花板氣流出口的潔淨;d.微環境,接近製程設備機 台端供給潔淨氣流。 外氣空調箱,移除由室外引進的污染;b.置於循環 回風空調箱,移除製程環境所產生的污染以節省外 AHU for OA AHU for Recirculation Air 圖 2.潔淨室中化學濾網的應用 移除 AMC 的機制及化學濾網的種類: 求,所要面對的是低濃度、高效率且對室內環境影 氣態的污染防治技術實際上已歷經多年的發 響小的氣態污染處理技術。用來移除 AMC 的原理 展,昔日多偏重於高濃度污染的廢氣處理技術。近 大致上包含熱處理法(Thermal treatment) 、觸媒氧 日由於生活型態隨著科技進步的演變,室內氣態污 化法(Catalytical oxdation) 、離子交換法、吸收法 染日趨多樣性,引發室內空氣品質議題被重視,以 (Absorption)及吸附法(Adsorption)等。其中熱 及潔淨室因精密製程對潔淨氣流環境潔淨度的需 4
  • 5. 要補集這類物種必須利用化學吸附,在吸附劑的表 處理及觸媒氧化法會伴隨著氧化的副產物產生以 面進行改質,讓吸附劑表面的活性基(active site) 及需要較高的處理(反應)溫度、污染物濃度及反 應時間,所以不適合運用在建築物內微量 AMC 的 與被吸附質藉靜電力或形成電子對形成穩定的化 合物,這是不能再生及重複使用的類型。如對 HCl 移除。較常被使用在潔淨室及室內空氣品質 AMC 而言與含浸 KI 的活性碳吸附劑表面反應形成鹽類 移除的機制為吸附(adsorption) ,即將吸附劑設計 為相當穩定的副產物。與物理吸附不同的是通常溼 於高接觸表面積的化學濾網形式。吸附乃利用吸附 (surface force) 氣可以增強化學吸附反應性而提升濾除效率。對酸 劑(adsorbent)本身表面力 之作用, 性的污染物用鹼性改質的吸附劑,反之鹼性的污染 為氣體擴散至吸附劑的表面,並集中於固體表面上 物用酸性改質的吸附劑。 之一種操作。吸附的發生分三個階段(i)被吸附 吸附法的關鍵技術為吸附劑的選擇,一個適 質(adsorbate)從大氣中擴散至吸附劑的外表面, 合的吸附劑最重要的參數為在吸附條件下所具有 (ii)移動至吸附劑的孔洞內。因為吸附劑均屬多 的吸附容量,而吸附容積與吸附劑的比表面積有 孔性物質主要的表面積均源自孔洞的表面積,其內 關,比表面積愈高吸附量愈高。先前亦提及,應用 表面積的總和通常遠大於其外表面積;(iii)再擴 於低濃度、高風量的污染處理,多只利用接近吸附 散至吸附劑更內部的孔洞內表面附著。 劑外表的孔洞表面,所以吸附劑的粒徑也是重要的 吸附的力量隨著物系之不同而異,一般可分 設計參數。常用的吸附劑有活性碳、沸石、矽膠、 為可逆的物理吸附(physisorption)及不可逆的化 活性氧化鋁及多孔性離子交換樹脂等。 學吸附(chemisorption)。物理吸附與氣體分子在 矽膠為一種部分脫水的聚合矽酸膠體,矽膠 固體表面的液化現象相似,二者藉凡得瓦爾力結 表面上含有 5%以上的氫氧基,可以吸附大量的極 合,物種擴散至低濃度的吸附劑表面達動態平衡。 性分子。吸附劑型的矽膠表面積大於 800m2/g,平 被吸附質的沸點、蒸氣壓及活性是影響吸附效率的 主要因素。一般沸點大於 100℃的物質室溫下的狀 均孔徑約為 2nm,孔徑容積約為 0.4~0.5ml/g。 態為液態,其蒸氣較易於吸附凝結在吸附劑的表 活性氧化鋁為一具多孔性與高表面積的氧化 鋁,活性氧化鋁平均孔徑較大約 2~10nm,表面積 面。物理吸附為可逆的操作,通常可利用壓差及溫 約 300m2/g,最特殊的性質為其表面具有較強的極 差的方式來進行再生,且不同分子量的污染物均可 競爭相同的吸附表面,由於溼氣會佔據吸附表面故 性,並同時具有酸性與鹼性的雙性表面(在強酸條 通常潮濕的天氣下吸附效率會較差。溫度也會影響 件下呈現鹼性特性,反之在強鹼條件下呈現酸性特 吸附效率,溫度愈高物理吸附能力愈差。在 HVAC 性)。 的應用上,污染濃度低,所以擴散梯度(diffusion 沸石為一種結晶形態的多孔矽酸鋁,來源有 gradient)小,通常吸附操作發生更深層的第三階 天然與人工合成,目前以結晶結構區分超過 100 種 常見的沸石有 A-type X-type Y-type mordenite 段機率低,所以多只利用接近外表的孔洞表面。 , , , , 與 ZSM-5 等。平均孔徑在 0.3~1nm,表面積約 針對分子量小、沸點低在常溫下為氣態的物 300~1000m2/g,由於沸石的孔徑與分子的直徑相 種,因在吸附劑表面無法凝結液化,不易穩定附著 在吸附劑表面,容易脫離氣化或被其他分子取代。 近,所以常用為選擇性分子吸附劑,如:氮氧分離 5
  • 6. 的 13X 與 5A,二氧化碳分離的 13X 等。 材及淨水器等與環境/生活相關領域的用途開發更 為 活 絡 。 平 均 孔 徑 在 1nm , 表 面 積 約 活性碳是具有歷史性的古老工業,迄今大約 500~2000m2/g,相對於其它吸附劑活性碳的價格最 已經過了 100 年。活性碳最早是用於糖的脫色,現 在多應用於淨化空氣、脫臭、水處理、工業藥品的 低廉。 精製、砂糖的脫色等方面。近年來,在空氣清淨濾 化學濾網與濾除微塵粒子的濾網的差異性 漸下降。且化學濾網壓損不會隨污染物的吸附量變 微塵粒子是隨著氣流而移動,濾網捕集移除 化。對於利用物理吸附機制的化學濾網而言,低溫 的主要機制是藉由纖維徑度及交織密度,以粒子的 有利於污染物的吸附;由於所有物質均對吸附表面 動能及慣性效應撞擊濾網介質而被攔截補集。氣態 具相同競爭性所溼度高時水氣亦會佔據吸附劑表 分子污染物則藉由擴散由高濃度移動到低濃度區 面,造成效率降低的現象。化學吸附則對特定污染 域,擴散的動力為濃度梯度(即濃度差)。化學濾網 物具選擇性吸附,在水氣存在下對某些化學吸附的 藉由其中的吸附劑以物理吸附或化學吸附的機制 反應性有增益的效果,且在溫度高時較為穩定。將 將氣態分子污染物攔截移除在濾網上。隨著吸付劑 化學濾網與微塵濾網的差異性整理如下表: 本身的孔洞或具反應性的活性基被污染物佔據(覆 蓋率漸增時),可提供吸附的表面漸減,效率會逐 表 3、化學濾網與濾除微塵粒子的濾網的差異性 微塵濾網 化學濾網 藉由纖維徑度及交織密度,以粒子的動能及慣性效應撞 藉由多孔性的吸附載體將氣體分子吸附(吸收反 擊濾網介質而被攔截補集 應)濾除 濾網壓損會隨著濾除附載粒子的數量而增加 濾網壓損不會隨污染物的吸附量變化 塵粒的攔截會讓濾網變髒,可由濾網外觀判別 氣態污染物吸附無法由濾網外觀判別 壓損越高效率越佳 效率會逐時隨吸附物的增加而遞減 已有標準及測試方法來評價濾網性能 對氣體濾除性能的標準及測試程序仍在發展中 濾除性能以粒子的穿透來定義 濾除性能以氣體破出曲線(breakthrough)為主 P(penetration)=100×C up/Cdown [%] 除去率=100×(C up- C down)/C down [%] E(efficiency)=100-P [%] 濾除效率與環境溫、溼度無關 濾除效率與環境溫、溼度及污染物濃度有關 要注意的性能包含:效率(穿透率)、壓損、壽命、價 要注意的性能包含:氣體破出曲線、氣體移除效 格 率、壽命、壓損、價格 6
  • 7. 化學濾網的型式: 化學濾網的構成如圖 3 所示。將上述的吸附 表面積及利用當污染濃度低時主要發揮吸附效率 的是吸附劑較外層的孔洞表面積。 劑本身或用覆被、填入的方式與較強機械強度的支 在選擇化學濾網上會考量的包含:(1)針對 撐材質組成濾網的結構。設計的原則不外是在適當 所要濾除的污染物選擇適當的吸附劑材料,(2) 的結構強度下建構低阻抗及高處理表面積的化學 去除效率要高,(2)針對要求的效率下去除容量 濾網,減低污染氣流通過的面速度或增長與濾網吸 要大即壽命長,以減少停車更換次數也確保製程環 附劑的滯留時間。 境的潔淨度(3)低阻抗以減輕風機的負載,(4) 就濾材(media)的形式而言,(1)填充式: 尤其應用在半導體製程產業為了避免污染所以要 將較大顆粒狀的吸附劑填入濾網框架中,或壓鑄成 求(5)低發塵量以及(6)低釋氣,(7)再則考 緊緻塊狀,上下再以不織布包覆以避免吸附劑粉塵 慮便於安裝要求質輕以及(8)價格問題。 被吹出。此類濾網因吸附劑的含量高、粒徑大,需 所以在化學濾網的結構型態上的設計有(1) 要較長的滯留時間以充分利用吸附劑,吸附容量 直接將粒狀吸附劑填充於 1 至 3 吋厚的濾 填充式: 大;但缺點為壓損大,較適合應用在高濃度低風速 網框架中,讓氣流直接貫穿填充床。適合用在濃度 的場所(2)複合式:將粒徑較小的吸附劑或粉末 較高或要求容量要特別大及風速較低的場合。(2) 狀者與合成纖維及填料均勻混合,藉由填料的結合 為了要減低穿過化學濾網氣流的風速將濾網打 特性將吸附劑與纖維複合,或以特殊合成纖維熔點 摺,摺數愈多或愈深愈可減緩通過濾網的風速降低 特性在適當熔融狀態下將粒狀吸附劑結合,構成機 壓損,並增加濾材的表面積及容量。 蜂巢結構: (3) 械強度較強的平材結構,並且藉由纖維的交織製造 通常是將紙狀的濾材製作成六角蜂巢狀或瓦楞蜂 適當的孔隙以減低氣流通過時造成的壓損。 (3)植 巢。不同於前述二者的是氣流並未穿透濾網材料其 入式:將粒徑小的吸附劑植入多孔性的發泡材中, 中,而是通過由濾材建構蜂巢通道。高濃度下污染 以降低壓損且藉由不規則的孔道讓氣流通過時增 物容易貫穿,可設計增加蜂巢結構的厚度即通道長 加與吸附劑接觸的機會;另則以浸泡的方式將粉狀 度或孔洞大小來克服。優點為壓損低,適用於低污 吸附劑植入多孔性材質如無機纖維紙,再製作成蜂 染濃度的條件。 巢狀的結構,目的藉由蜂巢結構降低壓損增加接觸 7
  • 8. 圖 3.化學濾網的構成 (1)填充式 (2)打摺式 (3)蜂巢狀 圖 4.不同結構型態的化學濾網 化學濾網的性能測試 化學濾網的性能包含了對污染物的濾除效率、吸附容量以及操作條件下的壓損。若針對半導體廠 特別是 12 吋廠還會要求提供濾網的釋氣(Outgas)及發塵狀況。隨著操作時間的增加化學濾網中未吸 附污染物的乾淨帶逐漸被以完成吸附的飽和帶佔據時出口濃度逐漸增加,直至乾淨帶完全被飽和帶取 代時下游出口濃度逐漸與上游入口濃度ㄧ致,如圖 5 所示。 濾除效率(η)的定義為:化學濾網上、下游濃度的差與上游濃度比值的百分率,計算如式(1): C in − C out η= × 100 % (1) C in 其中 Cin 濾網前氣體濃度(ppm)、Cout 為濾網後氣體濃度(ppm)。轉換成濾除效率對應時間的曲線圖 為圖 6。 濾網之氣體吸附容量計算,由方程式(2)求得: Q=C1V{aηa × 10-2+∫baη(t)dt × 10-2}×10-3 (2) 其中 Q 為濾網總吸附容量(g)。 圖 5.化學濾網下游端濃度隨操作時間變化曲線 圖 6.化學濾網效率曲線 8
  • 9. 由於目前並無ㄧ套專門針對潔淨室用化學濾 調整控制溫度、溼度、氣流流速及標準氣體濃度, 網性能測試的標準方法,存在的標準多為針對污染 並可持續維持其均勻與穩定,作為化學濾網在不同 濃度較高的氣體濾除裝置或車用濾網等而訂。圖 7 面風速下之壓損量測、發塵量量測、初始吸附效率 為工研院能環所建置的一套全尺寸化學濾網性能 量測與吸附壽命評估等性能評估的重要設備。目前 測試系統(Full-Scale Gas Filter Testing Facility)示 已完成建置的測試氣體包含了三種(見表 6):室 意圖。此系統包含前端-供風空調系統、標準氣體 溫下為液態揮發性大的甲苯、室溫下為液態不易揮 之配製系統、中段-濾網測試段、含風量、壓降、 發的苯二甲酸二乙酯(為常見塑膠材料中的塑化 濃度採樣孔、末端-nozzle 風量控制段等。由於化 劑,在潔淨室中逸散出,一旦沈積在晶圓表面即造 學濾網的吸附性能會隨環境之溫、溼度所影響,所 成不可逆的缺陷) 、室溫下為氣態的氨氣 半導體 ( 以測試系統必須提供一穩定溫、溼測試條件,本測 潔淨室內常見極易造成元件缺陷的腐蝕性汙染物 試系統內之溫、溼度控制則利用空調箱內之冷卻盤 之ㄧ)。此系統的均勻度極佳,於化學濾網測試段 前端截面上,畫分成 9 等分面積區塊(如圖 9) 管、加溼器、電熱器等設備,配合不同風量下進行 , 利用風速量測計(TSI 8386),分別將 9 點平均風速 溫溼度回饋控制,並設置循環回風管,以考慮當測 值(Va.)與各點風速(Vn)差值除以 9 點平均風速值(Va) 試風量較小時,仍可為維持冷卻盤管、加濕器、加 熱器最小所需風量,使系統之溫溼度更為穩定。此 取絕對值以獲得各點之風速偏差值,均勻度(u)之 外,於空調箱內分別裝設初級、袋式與高效率 定義即為各點風速偏差值之平均,計算公式如方程 HEPA 濾網來過濾氣流中之懸浮微粒,並以三道化 式(3)所示。同理睬樣分析氣流待測物濃度可得濃 學過濾網,去除氣流中酸性、鹼性、有機性不純物 度分佈的均勻度。經實驗測得風速及濃度均勻度分 別為 2.1%及 1.5%。在配製施放 740ppb 濃度的甲 質,以提供一乾淨且恆溫、恆溼之氣流,避免低儂 苯下,觀察長時間的穩定性濃度的偏差在 3.8%以 度性能測試時受進氣的微量污染干擾。而本系統之 測試規格如表 4,由於考量化學濾網尺寸 內 。至於其他的測試氣體物種會再視業界的需求 (600×600mm)(測試件規格見表 5)與正常運作下 予以評估增置。 V a − Vn 面風速大小(0.3~2.5 m/sec),故本測試系統風量將 n ∑ 設計在 4 ~ 64 CMM (m3/min)範圍內運作。而能調 Va 1 u= × 100% , 控的能力範圍:溫度範圍將可調整操作於 10 ~ n 35℃,相對濕度 50 ~ 95﹪RH,粉塵 0.15 mg/m3 以 其中 V1 + V2 + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅Vn 下,並使用校正之熱電偶溫度計、露點計來確認溫 , n=1~9 ….(3) Va = n 溼度之穩定度與正確性。提供整一套完整的系統可 9
  • 11. 表 4、全尺寸化學濾網測試系統規格說明表 可測試條件範圍 規格 對照表 23±3℃ 20~26℃ 溫度範圍 溼度範圍 50±5% 45~55% 面風速 0.3~2.5 m/s 風量範圍 4 ~64 CMM 測試物種 甲苯、DEP、NH3 含 HEPA/Chemical filter 潔淨度 0.1mg/m3 以下 供風粉塵濃度 3φ、220V、60HZ 電源 表 5、化學濾網測試件規格尺寸 長(mm) 570~610 寬(mm) 570~610 深(mm) 50~300 表 6、測試氣體種類及濃度範圍 測試物種 沸點℃ 濃度範圍 甲苯 110 50ppb ~50ppm Toluene 100~2500μg m-3 苯二甲酸二乙酯 298 DEP ( ~300ppb) 氨 Ammonia -33.5 10ppb~10ppm V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 圖 9.風速均勻度量測點示意圖 11
  • 12. 參考文獻 1.Kinhead, D.A, “Forecast of Airborne Molecular Contamination Limits for 0.25 Micron High Performance Logic Process,” Technology Transfer Report 95052812A-TR, SEMATECH, May 31, (1995). 2. Tamaoki, M., K. Nishiki, A. Shimazaki, Y. Sasaki and S. Yanagi, “The Effect of Airborne Contaminants in the Cleanroom for ULSI Manufacturing Process,” IEEE/SEMI Adv. Semicond. Manufac. Conf., pp.322-326 (1995). 3. MacDonald, S.A., W.D. Hinsberg, H.R. Wendt, N.J. Clecak, C.G. Willson and C.D. Snyder, “Airborne Contamination of a Chemically Amplified Resist. 1. Identification of Problem,” Chem. Mater., Vol. 5, No. 3, pp. 348-356 (1993). 4. Sugimoto, F. and S. Okamura, “Adsorption Behavior of Organic Contaminants on a Silicon Wafer Surface,” J. Electrochem. Soc., Vol. 146, No. 7, pp. 2725-2729 (1999). 5. 大塚一彥 “無塵室用空氣過濾器之性能與最新趨勢” 中國冷凍空調雜誌 六月號 pp.107-113 (1999)。 , , , , 6. Media Application Guide Document, Purafil Inc., USA, It is available via http://www.purafil.com/library.htm 7. Kanzawa K. and J. Kitano, “A Semiconductor Device Manufacturer’s Efforts Controlling and Evaluating Atmospheric Pollution”, IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, pp.190-193 (1995). 8. JIS B 9901, “Gas-Removal- Method of Test for Performance of Gas-Removal Filters,” JIS 標準,日本規格 協會. (1997) 9. ISO/TS 11155-2, “Road Vehicles- Air Filters for Passenger Compartments- Part 2: Test for Gaseous Filtration,” ISO Standard, USA, (2002). 10. NT VVS 109, “Filters: Adsorption Gas Filter” ISSN 0283-7226, Nordtest Method, Nordic Innovation Centre, (1996). It is available via http://www.norden.org. 12