奈米作業場所的奈米物質暴露評估

一、半導體製成的工程奈米微粒的職業暴露評估

奈米科技已被公認為 21 世紀重要的產業之一，從日常民生用品到高科技產 品都可見許多奈米物質應用。雖然奈米物質具有不同於一般物質的獨特優點，

但是伴隨而來建康與環境危害仍有待研究。國內產業對奈米物質的運用日益漸 增，但在奈米作業場所可能產生的奈米物質的逸散特性卻鮮少被關注，因此作 業人員的暴露與安全衛生等議題也被漠視。奈米作業場所的奈米物質的逸散特 性(如數目濃度、形狀、團聚型態、表面積及成分等)都是影響人體不良健康效應 的重要參數，但是學者們對這些參數該如何量測與應用於暴露評估尚無達成共 識(Shepard and Brenner 2013)。有鑑於此，瞭解奈米作場所可能逸散的奈米物質 特性將是熱門的研究重點之一。

奈米氧化鋁、奈米非晶型矽與奈米二氧化鈰等工程奈米微粒常用於半導體 元 件 製 造 廠 的 晶 圓 拋 光 製 程 ， 又 稱 做 化 學 機 械 研 磨 (chemical mechanical planarization, CMP)，由於有些金屬氧化物的奈米微粒可對細胞與器官系統的生 物反應造成衝擊，有必要進一步研究與釐清這些奈米物質的應用與職業暴露情

境的潛在風險。Shepard and Brenner (2013)在 CMP 製程的奈米作業場所的晶圓 製 造 區 (fabrication, fab) 、 附 屬 製 造 區 (subfab) 與 廢 水 處 理 系 統 (wastewater treatment, WWT)三個場區，進行空氣中奈米微粒與奈米團粒的暴露特性分析，

其中分析項目包含數目濃度、質量、大小、成分與形狀。

三個場址的數目濃度量測結果如圖 4.3.1 所示，fab的背景與作業時的最大 與最小數目濃度分別為 1-16 #/cm³與 4-74 #/cm³，subfab的背景與作業時的最大 與最小數目濃度則分別為 1-60 #/cm³與 3-84 #/cm³，在WWT廢水過濾濾材更換 作 業 的 背 景 與作 業 時 的 最 大 與 最 小 數 目 濃 度 分 別 為 1,160-45,894 #/cm³與 1,710-45,519 #/cm³。在各個場址中，不論是背景或作業時的多重覆數目量測結 果皆有顯著的差異。因此，作者也使用數種不同的數據分析方法比對不同場址 的背景與作業的量測結果，最後發現在每個工作區域的一些作業程序的可呼吸 性微粒的濃度有所增加，儘管增加的幅度不大或在特定的作業程序的重覆量測 結果不一致。

圖 4.3.1 CPC 量測之背景(Bkgd)與作業(Task)數目濃度散布圖：(a)fab 作業區 Task A: CMP 拋光機模組的維護保養，Task B:由移動式推車盛裝酸性二氧化矽 研磨液，Task C:更換拋光板；(b)subfab 作業區 Task A, C, D:清洗或承裝氧化 鋁研磨液，Task B:清洗或承裝二氧化鈦研磨液；(c)WWT 作業區 Task A, B:酸/

鹼性研磨液廢水過濾系統濾材更換(Shepard and Brenner 2013)

此外，可攜式掃描式電移動度分析儀的測量結果顯示，在fab區作業時的奈 米微粒(11.5-115.5 nm)的數目濃度略高於背景濃度約3.2 #/cm³，但在更換WWT 濾材作業時的微粒數目濃度並沒有比背景濃度高。在質量濃度分析的部分，所

有分析結果皆低於測量下限。TEM/EDS分析結果發現有粒徑為100-1000 nm的含 矽與鋁元素的團粒(agglomerates)或團聚物(aggregate)。該篇文章指出雖然目前尚 無 奈 米 氧 化 鋁 、 奈 米 二 氧 化 矽 與 奈 米 二 氧 化 鈰 等 物 質 的 職 業 暴 露 限 值 (occupational exposure limit, OEL)，但此奈米作業場所的數目與質量濃度量測結 果皆低於目前針對難溶性的低毒性奈米微粒的建議指標或參考值。

二、工程奈米微粒作業場所的工作人員暴露風險

工程奈米微粒為粒徑介於 1 至 100 nm 的人造材料，為橫跨多項領域的奈米 科技產品。當材料縮小至奈米尺度時，會產生截然不同的物化特性，很適合應 用於工業及生物醫學等領域，預期未來會有愈來愈多的作業人員直接或間接地 接觸到 ENPs，根據目前的估計，2020 年將有約 6 百萬名作業人員可能會暴露 到 ENPs。由於奈米技術為近期發展的新技術，所以目前關於 ENPs 對作業人員 可能產生的風險之數據較少，Pietroiusti and Magrini (2014)回顧現有文獻，並找 出風險評估過程在不同階段的最新發展趨勢。

歐盟執委會為了立法管理奈米材料，最近將奈米材料定義為"由數目濃度佔 50%以上之 至少一外 觀尺寸 (externaldimensions)介於 1-100 nm 的非鍵結態 (unbound state)、聚合物或團聚物，所構成之自然、偶發(incidental)或人造物質"。

此定義涵蓋暴露人員的暴露分級(例如：管理或處理 ENPs 的人員)與暴露評估(以 數目濃度評估暴露程度)。然而，數目濃度佔 50%以下的奈米物質也可能會對人 體健康造成影響。歐洲安全與健康總署(European Agencyfor Safety and Health) 委託的一項文獻回顧指出有許多類型的作業活動都有可能會暴露到 ENPs，如表 4.3.1 所示。

表 4.3.1 作業人員大量暴露到 ENPs 的作業活動(Pietroiusti and Magrini 2014)

 建築業(例如：使用含有 ENPs 的耐磨(wear resistance)與絕緣(insulation)產 品。)

 醫療健康業 (例如：藥物傳輸系統以及組織工程。)

 能源產業(例如：低耗能儲能設備及新一代的光伏電池(photovoltaic cells)。)

 汽車與航太工業(例如：強化材料及燃料添加劑。)

 化學工業(例如：催化劑以及自潔表面技術(self-cleaningsurfaces)。)

 電子與通訊業(例如：光學/光電元件以及超高速小型電腦。)

表 4.3.2 為由 OECD 的工程奈米物質工作小組於 2006 年所公布之作業場所 ENPs 清單。

表 4.3.2 作業場所 ENPs 清單(Pietroiusti and Magrini 2014) 下所採用的預防原則大不相同，表 4.3.3 為 Pietroiusti and Magrini (2014)統整之 各國目前對不同 ENPs 所提出的建議限制。

表 4.3.3 不同 ENPs 的作業場所建議暴露限制值(未標示單位者，單位皆為每立 方公尺的濃度) (Pietroiusti and Magrini 2014)

ENPs BSI

密度<6000 kg/m³ 的生物持久性粒

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密度>6000 kg/m³ 的生物持久性粒

英國標準協會(British Standard Institute, BSI)將奈米材料分成四大類，作為 奈米材料的分類標準：(1)纖維類：高長寬比之不溶性奈米材料；(2) CMAR：非 奈米尺寸型態就具有致癌、致突變、致氣喘及生殖系統毒素的任何 ENP；(3)不 溶性：非纖維類或 CMAR 類的不溶性或難溶性之奈米材料；(4)可溶性：非纖維 類或 CMAR 類的可溶性之奈米材料。表 4.3.4 為澳洲工作安全委員會(Safe Work Australia, SWA)建議之 OELs 的使用策略，依順序分成六個步驟：(1)若公司的控 制限制值比其他法規建議限制值更為嚴格，則採用前者；(2)若國內有訂定作業 場所暴露限制值，則採用之；(3)採用其他國家所公布之作業場所暴露限制值；

(4)採用研究結果得到的作業場所建議暴露限制值；(5) 具有健康疑慮的基準暴 露劑量(Benchmarkexposure levels)；(6)透過分析微粒濃度背景值所得到的微粒參 考值(Local particle reference values)。

Pietroiusti and Magrini (2014)指出雖然目前已有許多研究涵蓋了各式各樣 ENPs 的作業場所暴露研究，但大部分的研究並未參考 OELs 或奈米微粒排放技 術評估(Nanoparticle emission technical assessment, NEAT)的規範，使得這些測量 數據難以用於評估作業人員的風險。Pietroiusti and Magrini (2014)回顧了 21 篇作 業場所的調查報告，內容為有關於作業場所可能暴露的 26 種 ENPs。表 4.3.4 列 舉幾種較多人研究的 ENPs 作業場所暴露研究，其中有些研究參考 OELs 或 NEAT 的標準。

表 4.3.4 ENPs、方法及分析作業場所調查的主要結果(Pietroiusti and Magrini al., Fleury et al., Ling et al., Methner et al., Ogura et al., Ogura et al.,

Curwin and Bertke, vanBroekhuizen et al.,Morawska et al., Yanget al., Koivisto et al.

銀 4 2/4

NC: 4/4 MC: 2/4 SAC: 0/4

3/4 Lee et al., Lee et al., Ling et al.,Zimmermann et al.

二氧化矽 2 1/2

NC: 2/2 MC: 1/2 SAC: 0/2

2/2 van Broekhuizen et al.,Tsai et al.

鋁 2 0/2

NC: 2/2 MC: 0/2 SAC: 0/2

2/2 Debia et al.,Zimmermann et al.

NC：數目濃度；MC：質量濃度；SAC：表面積濃度：OEL：職業暴露程度。 Neu-Baker (2014)發現 CMP 作業產生之工程奈米物質會透過手部接觸工作場所 表面，與接觸含有工程奈米物質的手套等方式進入人體。作者於 CMP 的十一個 作業環節進行表面微粒採樣，包含位於無塵室內的晶圓製程(一個採集點)、位於

次潔淨室的化學物質運輸系統(四個採集點)與處理 CMP 廢水的處理場(6 個採集 點)。於各個採樣點採用過濾式微真空技術(filter-based microvacuum)進行環境表 面的微粒樣本採集，與吸入性微粒的暴露評估，最後利用 TEM、SEM 與 EDS 分析微粒的形貌與成分。空氣中的微粒則透過各式直讀儀器即時監測微粒的濃 度與粒徑。

在進行皮膚暴露評估時，工程奈米物質很有可能透過研磨液的沉積、研磨 液的噴濺或髒汙手套的接觸累積於這些表面，造成手部接觸暴露的風險。評估 結果發現，若考慮到 CMP 研磨液的實際使用頻率與使用量，矽的出現頻率最 高，鋁次之，鈰頻率最低。於 Fab 採集的樣品中僅發現矽，於 Sub-Fab 的四個 樣品中皆發現鋁和矽，僅一個樣本含鈰元素。於廢水處理廠的六個樣本中，4 個含矽，3 個含鋁，但未發現鈰元素。總計十一個樣品中，有九個含有矽，七 個含有鋁，僅一個含有鈰，與預期的元素出現頻率(矽>鋁>鈰)相符，但是並未 發現任何小於 100 奈米的微粒，如表 4.3.5。

表 4.3.5 以 微 真 空 (Microvacuum) 技 術 採 集 的 表 面 樣 品 的 物 質 特 性 總 表 (Brenner and Neu-Baker 2014)

日期 地點 採樣點 顯像方式 關注的物質 樣品含有矽/鋁/鈰

無論是在 fab、subfab 和汙水處理廠，Brenner 與 Neu-Baker (2014)發現作業 人員經常接觸到含有氧化鐵微粒與其團聚物的表面。個人防護具(尤其是手套)

奈米物質之一，因具有特殊的導電、導熱之物化特性，其應面非常廣泛涵蓋了 光電、觸媒、複合材料等。隨著這股奈米科技熱潮，奈米碳管的全球產量與用 量也逐年提升。過去的毒性測試報已顯示老鼠在吸入了一些多壁奈米碳管後，

肺部會產生一些不良的影響如發炎、肉芽腫與纖維化。當涉及到健康影響議題 時，仍無法定出最相關的劑量尺度(蔡 2013)。目前的奈米碳管暴露數據有限，

且奈米碳管的職業暴露極限的法規也尚未建立。有鑑於此，Hedmer et al. (2013) 量測多壁奈米碳管在電弧放電製成、純化與功能化階段所產生的職業暴露與逸 散特性，研究結果顯示個人可呼吸性微粒的暴露質量濃度範圍為< 73 至 93 μg/m³間，元素碳暴露濃度範圍為< 0.08 至 7.4 μg/m³間，在奈米碳管粉末的過篩、

機械處理、灌注、秤重及包裝的開放處理期間，量測到的最高含奈米碳管微粒 的數目濃度為 11 #/cm³。為了要能夠量化奈米碳管的暴露與逸散，作者認為一 種高選擇與高靈敏性的分析方法是必要的。截至目前為止，僅有濾紙分析法結 合SEM/TEM分析具有足夠的選擇與靈敏性，作者建議應盡早設立一套用於奈米 碳管計數的標準方法。

Gomez et al. (2014)發現在聚合物(添加或未添加奈米碳管)或油漆(添加或未 添加奈米微粒)的噴砂過程中，含有奈米物質的物件逸散出的微粒粒徑分布與未 添加奈米物質的類似，微粒的影像分析顯似奈米物質全部或部份被包覆在基質 中，未發現在單獨游離存在的奈米物質。作者並測出不同的加工過程的排放係

Gomez et al. (2014)發現在聚合物(添加或未添加奈米碳管)或油漆(添加或未 添加奈米微粒)的噴砂過程中，含有奈米物質的物件逸散出的微粒粒徑分布與未 添加奈米物質的類似，微粒的影像分析顯似奈米物質全部或部份被包覆在基質 中，未發現在單獨游離存在的奈米物質。作者並測出不同的加工過程的排放係