應用化學濾網去除某晶圓廠 黃光區潔淨室的氨氣

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應用化學濾網去除某晶圓廠 黃光區潔淨室的氨氣

劉興學、鄧志偉、蔡春進、李壽南

壹、緒論

一、前言

半導體生產製程包含精密的微機 電和積體電路,對於生產環境之潔淨 度的要求特別嚴格,因此整個製造過 程都在嚴格控制的環境條件下進行,

也 就 是 一 般 熟 悉 的 潔 淨 室 ( clean room)。傳統上,潔淨室的潔淨度分 級,乃根據美國聯邦標準第 209E 規 定、以每立方英尺空氣中大於或等於 0.5 μm 之微粒的數目作為分級標準如 表 1 所示[1],例如 class 100 的潔淨度 即表示每立方英尺空氣中≧0.5 μm 的 微粒數目不得大於 100 顆。

ISO 對潔淨室等級劃分,限於微 粒的直徑在 0.1 μm 到 5 μm,在此範圍 之外就不列入等級表。ISO 等級本身 歸類 ISO Class 1 到 ISO Class 9,其允 許上限的定義是大於等於該粒徑的微 粒數,數目字如表 2 所示[4],單位是

每立方公尺的微粒數。

然而隨著製程特徵尺寸(feature

size)的快速縮小,傳統的潔淨度分級

已無法滿足生產製程對環境空氣品質 標準的嚴格要求。隨著半導體元件之 線寬微影技術的進展由 10 年前的 0.5~0.35 μm 縮小至 3 年前的 0.25~0.1 μm,而現在又由於浸潤式微影製程的 發明,又將線寬縮小至 32nm,使得製 程環境污染的防治重點已由微粒轉移 至氣態分子污染物(AMCs, Airborne Molecular Contaminations)上。

針對 AMCs 與 Particle 的污染,

Muller et al [2]於 1994 年的研究指 出,在 Class 100 的潔淨室內總有機氣 態污染物濃度約 100 μg/m3,粒狀污染 物濃度則為 20 ng/m3,兩者的濃度相 差了 5000 倍以上,所以氣態分子污染 物沉積於晶圓表面之質量沉積可能為 微粒的數萬倍以上。AMCs 的污染濃?

與目前之潔淨室等級並無直接的關 係,Kitajima and Shiramizu 於 1997 年

█ 論著與譯文 █

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表 1 Fed-Std-209E 潔淨度定義[1]

表 2 ISO-14644 潔淨度定義[4]

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指出 Class 1 無塵室內的有機氣態污染 物之濃度可能比 Class 10 還大[3]。因 此,如何解決 AMCs 污染半導體製程 的問題,是十分重要的課題。

傳 統 上 , 高 效 率 微 粒 過 濾 器

( HEPA, High Efficiency Particulate Air Filter) 和 超 低 穿 透 率 過 濾 器

( ULPA, Ultra Low Penetration Air

Filter)是半導體製程中賴以控制微粒

污染的技術,但隨著製程特徵尺寸的 縮小,越來越多的研究發現,潔淨室 空氣中存在的 AMCs,將會對不同製 程產生不良的影響,嚴重時可能對產 品造成致命的缺陷(killer defects)而 影響良率。

既有之 8 吋晶圓廠普遍上均採用 248 nm 製程,因製程上對氨氣(NH3, Ammonia) 及 N- 甲 基 咯 酮 ( NMP, N-methylpyrrolidone)等氣體較為敏 感,易在晶圓上形成 T-Top 現象。而 目前先進的 12 吋晶圓廠更因製程上 的進步而朝向 193 及 157nm 的製程邁 進,除了對機台內 NH3及 NMP 氣體 依舊需要注意外,越來越多的報告指 出除了鹼性 NH3氣體外,揮發性有機 氣體及酸性氣體(SO2/NO2)的污染更 是未來機台需要注意防範的。原因是 由於 193nm 製程係採用氬氟(ArF)

雷射以及未來的 157nm 製程上採用氟 分子(F2)雷射,而在此波段上的光 波頻率極易被微量的揮發性碳氫化合 物所吸收,因此會造成當雷射光束穿

越光徑時強度的減少。另外由於 SO2 及 NO2會因臭氧的強大氧化力變成硫 酸鹽或是硝酸鹽類而沉積於步進/掃 瞄機(Stepper/Scanner)的鏡片(Lens)

表面,因而造成 Lens 霧化(Haze)。

NH3亦會與 SO2等酸性氣體產生化學 反應造成光罩(Mask)及 Lens Haze。

當這種情況發生時,現今的解決辦法 是將光學系統由步進/掃瞄機中取出 清潔後再放回。但因光學系統是相當 脆弱的,常常會因清理時不小心光學 系統破損而造成燈管及停機等重大的 損失,停機的晶片移動次數(wafer move)損失更是難以計算。另外黃光 區光阻液對於 NH3特別敏感,造成化 學放大效應(Chemical Amplifier Re- sist),使的晶片線路缺陷,晶片關鍵 尺寸(CD, critical dimension)線徑寬 度不對,深紫外光(DUV, Deep Ul- tra-Violet)機台光學鏡片霧化,曝光 在晶片上圖形錯誤等問題。因而良測 並控制機台內部的微量揮發性有機氣 體、酸性氣體及鹼性氣體,為新一代 製程的重要工作。由於以往在 248 及

365nm 製程上並未發生上數這些問

題,但現已經有多家國內外 193nm 製 程的 FAB 證實此一問題的嚴重性,亟 需加以克服。

二、研究目的

現今市面上生產販售化學濾網廠 商眾多,但各家廠商所提供之相關產

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品型錄資料卻未臻完善,如測試條件

(測試濃度、風量等)未統一、測試 方法不相同,甚至部分廠商更無法提 供完整之性能曲線報告供業主審核評 估,追根究底其最主要原因係目前市 面上並無一套完善合理之測試方法可 供業界選用濾網時參考。且每片化學 濾網售價由台幣一萬元至數萬元不 等,而各公司每年使用化學濾網之總 數量更超過數千甚而數萬片,若能同 時兼顧化學濾網價格及品質需求,更 可為業界在符合品質條件下節省一筆 為數龐大之開銷。本研究係利用化學 濾網降低潔淨室黃光區氨氣之濃度,

期能有效改善光罩(reticle)於 193nm 波長下之使用時間,減少步進機的lens 及 Mask Haze 之產生,以降低生產成 本;並建立一套化學濾網選用、測試 之機制,驗證商用化學濾網於實廠低 AMCs 濃度下之去除效率,以實廠之 經驗提供業界選用化學濾網時之參 考,並可確保潔淨室環境及機台內 AMCs 含量能有效控制及管理。本論 文同時分析比較化學濾網在不同壓損 條件下之運轉成本,以利將來選購新 品時,能同時兼顧化學濾網使用時間 及實際運轉成本,進而提供業界於評 估化學濾網時成本與效率最適化之選 擇。

貳、文獻回顧

一、環境中微量氣態分子污染物

(AMCs, Airborne Molecular Contaminants)介紹

國 際 半 導 體 設 備 暨 材 料 協 會

( SEMI, Semiconductor Equipment and Materials International)對於無塵 室空氣品質建議了 SEMI F21-95、

SEMI F21-1102標準 6,7,將 AMCs 分 為四類,包括:

(一) 酸(Acids,Class MA):腐蝕性 物質,在化學反應中為電子接受 者,例如蝕刻區常用的氫氟酸、

鹽酸、硝酸與硫酸,外氣所進入 的二氧化硫等。

(二) 鹼(Bases,Class MB):腐蝕性 物質,在化學反應中為電子提供 者,主要來源為氨氣、氨水、製 造過程所用的除水劑與清潔劑,

也包括人員所呼出的氨氣。

(三) 可 凝 結 性 有 機 污 染 物 ( Con- densables,Class MC):通常是 指沸點大於 150℃的有機污染 物,容易凝結在物體表面的有機 物,包括碳氫化物、矽氧化合物、

全氟高分子有機物與可塑劑等分 子量大於 250 以上的成分。

(四) 重金屬(Dopants,Class MD):

能夠改變改變半導體材料的導電 特性的化學元素,近年的研究發 現,在氫氟酸的存在或是高濕度 下,會使 HEPA/ULPA 過濾材料

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所產生的硼濃度增加,各種重金 屬也會經由外氣進入。

目前製程的線距要求越來越低的 狀況下,對於空氣中的氣態分子污染 物的評估與控制,更形重要。

國 際 半 導 體 設 備 暨 材 料 協 會

(SEMI)針對不同等級之無塵室亦訂 定其污染物容許標準如 3 所示[6],舉 例來說 MA-10 的意思,就是在酸性物 質的項目中,酸性物質的總濃度小於 10pptm。

半導體協會(SIA, Semiconductor Industry Association)對於製程演進與 晶圓生產環境,提出更具體的規範,

如表 4 所示[7],除了對於臨界微粒之 大 小 及 數 目 愈 訂 愈 嚴 格 外 , 對 於 AMCs 之濃度也要求很低之濃度,如 2007 年黃光區之 NH3濃度需控制在 0.75ppb以下。表 4 中的 AMCs 之濃度 單位為兆分之一(pptm, parts per tril- lion molar),也就是 1×10-12二、 AMCs 對晶圓廠機台 lens 及

mask haze之影響

半導體製程各區污染物皆不同,

對產品的危害亦有所差異,化學機械 研磨區(CMP, Chemical Mechanical Polishing)有晶背腐蝕等危害,黃光 區(LT, Lithography)有光學鏡片霧化 等 危 害 。 M B 中 的 N H3 會 造 成

『T-topping』現象如圖1 [8],在

圖1 在 0.15~0.2 μm 製程暴露於 1.0 ppb(圖左)及0.1ppb(圖右)之 NH3污染環境30分鐘結果[8]

0.15~0.2 μm 製程暴露於 1.0 ppb 及 0.1 ppb之 NH3污染環境 30 分鐘結果,另 NH3與SO4

2-化學反應結合後則會在光 罩表面產生 (NH4)2SO4 結晶污染物如 圖 2、3,“鱗狀的明轉寫像”如圖 4,

則造成 mask 提前報廢,此外因為 lens 霧化產生 2 次反射造成造成所謂的

“ghost”現象如圖 5,造成產品良率 降低,甚而晶片報廢如圖 6 而由於 lens 及 mask 更換需增加鉅額之運轉成 本,因此如何延長其壽命,對競爭愈 烈、毛利日益降低的晶圓廠就非常地 重要。

三、氣態分子污染物之來源與去除 方式

設置化學濾網前需先進行相關

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表 3 SEMI F-21 空氣分子污染物分類標準[6]

物質分類 分級

1* 10* 100* 1000* 10000*

酸(Acids) MA-1 MA-10 MA-100 MA-1000 MA-10000 鹼(Bases) MB-1 MB-10 MB-100 MB-1000 MB-10000 凝結性物質(Condensables) MC-1 MC-10 MC-100 MC-1000 MC-10000 摻雜劑(Dopants) MD-1 MD-10 MD-100 MD-1000 MD-10000

表 4 SIA 晶圓環境污染控制要求—近期[7]

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圖2 在光罩表面之 (NH4)2SO4結晶污染物

圖3 在光罩表面之 (NH4)2SO4結晶污染物

圖4 鱗狀的明轉寫像

圖5 因為lens霧化產生2次反射造成造 成所謂的“ghost”現象

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AMCs 環境背景調查,以確定 AMCs 種類、來源及背景濃度,進而決定需 設置何種型式之化學濾網。

(一) AMCs 的來源

如圖 7 所示,AMCs 的來源可分 成:

1. 潔淨室外部︰如車輛排放、農業活 動或鄰近工廠排放廢氣等;外部產 生之 AMCs 其去除方式主要藉由製 造空氣單元(MAU, Make-up Air Unit)、空氣水洗(Air Washer)洗 滌或設置化學濾網去除之。

2. 潔淨室內部︰如製程反應逸散、設 備材料本身揮發產生等;內部產生 之 AMCs 其去除方式主要藉由機台 內設置化學濾網為之。

(二) AMCs 背景濃度︰

確定相關區域之 AMCs 背景濃度 後,才能決定 AMCs 之處理方式。以

下為不同區域之背景濃度取得方式,

一般在評估時取數據較高者並乘以一 安全係數(1.5~2)計算,但瞬間異常 濃度尖端值須扣除。

1. 外氣環境背景濃度︰

(1) 實際量測外氣變化所得之 AMCs 濃度。

(2) 參 酌 歷 年 實 驗 室 對 外 氣 環 境 AMCs採樣分析數據。

Defect images of HAZE abnormal

normal

abnormal

normal

abnormal

Defect images of HAZE abnormal

normal

abnormal

normal

abnormal

圖6 Haze造成晶片報廢

圖7 AMC來源

(9)

2. Air Washer處理後背景濃度︰

(1) 實 際 量 測 Air Washer 後 方 之

AMCs濃度。

3. 潔淨室環境背景濃度︰

(1) 實際量測潔淨室環境之 AMCs 濃 度。

目前各廠區潔淨室內主要影響製 程且已訂定了濃度規範之 AMCs 為氨

(NH3)及總硫(TS, Total sulfide)二 種。本規範內容如下:

1. MAU

(1) 當 Air Washer 處理後背景濃度>

潔淨室環境之濃度規範時,MAU 本體內需設置化學濾網。

(2) 當 Air Washer 處理後背景濃度<

潔淨室環境之濃度規範時,不需 設置化學濾網,藉由 Air Washer 洗滌即可符合規範。

2. 機台/晶片傳送機(Stock)內︰

(1) 當潔淨室環境背景濃度>機台

/Stock 內之濃度規範時,機台

/Stock 內需設置化學濾網。

3. 其他類 AMCs︰

(1) MAU︰預留化學濾網空間以利

將來安裝。

(2) 機台/Stock 內︰由設備(EQ,

Euipment)提出相關需求,廠務

(FE, Facility Engineer)協助評 估相關化學濾網請購、安裝及驗 收作業。

四、市售化學濾網種類

就濾材(Media)形式而言,化學 濾網主要分成下列幾種形式︰

1. 填充式︰將活性碳或活性氧化鋁等 吸附材,填充於蜂槽狀結構內,或 填充於多孔通氣之金屬包覆網內,

將較大顆粒狀吸附劑填入或壓鑄在 1~3 吋厚之濾網框架中,讓氣流直 接貫穿填充床,上下再以不織布包 覆以避免吸附劑粉塵被吹出,再製 成 V 型或圓筒狀結構,增加其接觸 空氣面積。本濾材的特點為濾材含 量高,但由於其過濾顆粒為較大型 顆粒約 3~10 mm,(小顆粒會造成自 金屬網之孔洞內掉出),故其單位重 量吸附之表面積較小顆粒之濾材小 許多,吸附能力之表現有低於部分 濾材含量較低之產品主要適用於環 境濃度較高或要求容量較大之場 合。

2. 摺型碳布式︰將碳布式濾網打摺以 降低穿過化學濾網氣流之風速,摺 數愈密或愈多則通過濾材之表面積 及容量愈高。一般而言其壓損較 低,適用於環境濃度較低或低風速 型之場合。碳布式之結構為將一層 厚約 2mm 之緊密活性碳層,兩側以 不織布包覆,形成一厚約 2mm 之濾 材層,再以打折之方式增加其接觸 面積,因受限於透氣性之考量,活

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性碳層有其厚度限制,過厚將造成 壓損增加,浪費電力。碳布式之濾 網參照圖 8。

3. 植入式︰將粒徑較小吸附劑植入多 孔性發泡材中,以降低壓損且藉由 不規則孔隙讓氣流通過時增加與吸 附劑接觸之機會。

4. 蜂巢式︰將紙狀濾材製作成六角蜂 巢狀,氣流可通過濾材孔隙,其目 的係藉由蜂巢結構降低壓損並增加 接觸表面積。

5. 離子交換式:將陰陽離子交換樹脂 充填入多孔性發泡材中,以降低壓 損且藉由不規則孔隙讓氣流通過時 增加與吸附劑接觸之機會,以離子 交換方式將污染物質反應,此化學 反應方式不適用於有機揮發物質

( VOCs, Volatile Organic Com-

pounds),對無機之化學污染源有

效,並且針對性較強,因空氣中之 污染組成具一定之複雜性,有時必 須輔以活性碳濾材組成其濾材層。

此外離子交換之吸附方式需要較長 反應時間,在風速較高之環境下使 用(1.5 m/s 以上),其效果顯著下 降。此種形式之濾材售價高,但壽 命最長,缺點為去除之氣體針對性 較強。

6. 泡棉式:藉著開放式泡沫性塑料有 著連續不斷的氣孔將活性優良的活 性碳固定其中,這種獨特的結構確

圖8 碳布式之濾網成品

保無污染的氣體能不受阻擋的通過 濾材,相反的它的厚度有效的增加 AMC與吸附物之間的接觸機會,這 是決定 AMCs FILTER 有良好吸附 能力的主要原因。

目前半導體業者為節省成本,幾 乎使用摺型碳布式活性碳當作吸附 材,然其容易受有機性氣體影響,而 降低其使用壽命,業界普遍使用於 MAU入口及潔淨室內廠務端系統。而 離子交換式則常見於設備機台空氣入 口端,隨機台設備一起購買,日後更 換之單價高,但相對壽命亦較長。

化學濾網選用評估原則︰一般而 言,化學濾網之選用評估原則主要包 括以下 A~G 項目。

1. 合適性︰針對所要濾除之 AMCs 選 用適當吸附劑材料。

2. 壽命長︰以使用壽命(總吸附重量) 長之化學濾網為優先考量。

3. 效率高︰選擇高起始去除效率之化

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學濾網。

4. 低壓損︰選擇低壓損型化學濾網以 降低運轉成本。

5. 產塵低︰選擇產塵量低之化學濾網 以避免影響 HEPA Filter 壽命。

6. 其它︰考慮便於安裝、材質輕、低 釋氣性(Low Outgassing)及價格等 問題。

7. 化學濾網性能指標︰愈低者越佳。

化學濾網性能指標=(每片單價+

每年運轉成本)/ppb-hr(第三公正 單位測試之報告為準)。

五、潔淨室 AMCs 微量分析技術 目前常用的無塵室微量分析技術 有非常多種,有即時連續監測法及瞬 間或平均濃度採樣法,概述如下:

(一) 有機物:不銹鋼桶(Canister)、

傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)。

(二) 無機物:衝擊瓶(Impinger)、擴 散式氣固相採樣器(Denuder)、

離子電泳分析儀(IMS, Ion Mo- bility Spectrometry)、化學螢光法

(Chemiluminescence)。

(三) 實驗室之分析方法有:

無機酸鹼: 離子層析(IC, Ion Chro- matography)。

有機物: GC-MS、TD-GC/MS、FID、

PID。

現今業界三種常見之鹼性污染物 即時監測技術,其中以 IC 檢測解析度

最高,但因維護操作成本較高,一般 皆於實驗室採用較多。目前半導體廠 常 用 之 儀 器 為 離 子 電 泳 分 析 儀

(IMS),因其具有操作簡單,維護成 本低,校正週期長,分析時間短(1 分鐘),可線上校正不需停機,連續即 時監測等優點,本次研究採用之分析 儀即是採用 IMS。

參、研究方法

一、 本研究所用之 IMS(NH3即時 分析儀)分析原理說明

所謂的離子電泳分析儀(IMS, Ion Mobility Spectrometry, Saes, USA),是 由國際半導體技術藍圖委員會認可之 微量分析技術。本研究於工研院模廠 及潔淨室使用之即時監測系統皆使用 IMS。

圖 9 為本研究潔淨室使用之 IMS 套裝分析儀圖,圖 10 為 IMS 分析儀 內部構造圖,圖 11 為本研究潔淨室使 用之 45 channel IMS 分析儀後方內部 構造。在 IMS 中氣體樣品經由採樣氣 流吸入,而後利用載流氣體將氣體樣 品經由過濾薄膜做初步篩選,並帶入 具 Ni-63 的激發源帶,將氣體樣品激 發成帶電狀態,再利用電路閘門每 40 微秒開關一次及高壓電板所產生的電 場(力場),讓所有帶電離子依不同質 荷比依不同的飛行時間到達電子捕集

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圖9 IMS套裝分析儀

器,如圖 12 [10],以此所產生的電壓 及時間作圖,即可分別定義個別氣體 種類,再與標準氣體所產生的波峰相 比即可獲得特定氣體的濃度數值,如 圖 13 [10]。另外為加強分析儀之偵測 能力,美國 Molecular Analytics 公司更

圖10 IMS分析儀內部構造

圖11 IMS分析儀後方內部構造

圖12 IMS分析儀分析原理[10]

與 DuPond 合作以更先進的摻雜化學

(Dopant Chemical)專利方式,使得 檢測極限可達 0.1 ppb。

(13)

二、化學濾網實廠安裝位置說明比 較

目前業界化學濾網安裝之位置共 有三種,說明如下:

1. MAU進氣口︰設置長效型(高風速

型 High Face Velocity Type︰V > 2.5 m/s)化學濾網。

2. 機台/Stock 進氣口之風扇過濾單 元上游處(如光罩室,光罩傳送機,

光罩櫃及相關機台等)︰設置低風 速型(Low Face Velocity Type︰

V<1.0 m/s)化學濾網。

3. Recirculation Air回風處︰設置高效 型(高風速型 2.5 m/s>V>1.2 m/s)

化學濾網。

光罩室設置時原則上應同時採用 獨立回風+裝設化學濾網設計,以確 保該區域環境之 AMCs 能有效控制。

關於潔淨室內化學濾網裝設位置,究 竟 採 機 台 / Stock 局 部 裝 設 或 是 Recirculation Air回風處全區裝設,應 以整體成本效益及施工難易考量為原 則。

本研究在潔淨室現場裝置的化學 濾網位置採 B 案,於機台上方之 FFU 入口端裝設化學濾網,現場安裝於 FFU進氣端如圖 14 紅色虛線標示處。

現場安裝照片,如圖 15。

三、定期監測及採樣

化學濾網安裝完成後,以 IMS 分

析儀長期連續監測,取樣點為 FFU 吸 入端(Inlet),及黃光區環境(Outlet),

以確保黃光區環境氨(NH3)濃度可 有效控制,並驗證化學濾網之去除效 率及使用時間。此外,為避免 IMS 分 析儀儀器誤差,導致測值失去正確及 客觀性,另每季以 impinger 採樣送 Lab 分析,將分析結果進行比對。

肆、結果與討論

圖13 IMS分析儀Cell氣體流程圖[10]

FFU

本研究Chemical Filter安裝位置

機台chemical filter

環境取樣點 入口取樣點

ULPA Filter

圖14 本實驗無塵室AMC化學濾網安裝 位置

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一、 廠商提供之濃度推估曲線數 據整理分析

本廠所使用之化學濾網如圖 16,

為廠商自行開發泡棉式之濾網,提供 之化學濾網使用椰殼活性碳(20 x 50 mesh),並有最少 60%之 CCl4吸附效 率測試及 H3PO4進行改質,平均表面 積 1000m2/g以上。

因化學濾網係以吸附及吸著原理 來移除氣體污染,可將活性碳注入化 學藥劑,使某些低吸附力的氣體於實 物質提昇其吸附之能力,如吸附質是 酸性的話,注入化學藥劑可使用鹼性 藥劑,使吸附劑增加中和性之化學吸 附能力,如吸附劑活性碳經 5~10%氫 氧化鉀浸泡乾燥後將可提昇吸附效 果,相反的如吸附質是鹼性的話,注 入化學藥劑可使用酸性藥劑,本研究 之去除標的物為 NH3 屬於鹼性,就以

H3PO4進行改質。由廠商所提供之穿

透曲線如圖 17,概估在風速 2.5 m/s 下 NH3 進氣濃度 5ppb,其化學濾網去 除氨氣之效率安裝約一年後將剩下 70%之去除效率。

二、工研院報告數據整理分析 本研究數據引用廠商委託工研院 之化學濾網性能測試報告,測試結果 彙整如表 5,於吸附 NH3 10 ppm 時,

初始效率則為 99.4%,經過 870 分鐘

圖15 化學濾網安裝

圖16 廠商提供之化學濾網

圖17 廠商提供之穿透曲線

後則已降至 82.6%,但相對於吸附 NH3 15 ppb 時,初始效率則只有 82.9%,

因此高濃度之初始吸附效率高於低濃 度。工研院測試結果效率曲線如圖

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表 5 工研院測試結果

測試項目 上游濃度 下游濃度 去除效率 測試時間 風速 2.5 m/s,低濃度初始去除效率 15.2ppb 2.6ppb 82.90% 20小時 風速 1.0 m/s,低濃度初始去除效率 15.1ppb 2.4ppb 84.10% 20小時 10.0ppm 0.26ppm 97.40% 初始 風速 2.5 m/s,高濃度吸附容量測試

10.0ppm 1.74ppm 82.60% 經過 870 分鐘後

18。另 NH3在風速 2.5 m/s,入口濃度 15.2 ppb,初始吸附效率為 82.9 %,風 速 1.0 m/s,入口濃度 15.1 ppb 初始吸 附效率為 84.1 %,我們發現於同樣低 濃度下風速大小對初始吸附效率則影 響不是很明顯。

首先進行低濃度測試,當吸附 10 ppb NH3之污染物,風速 2.5 m/s 及 1.0 m/s 下,效率降至 70% 之實測壽命以 及吸附量計算如下:

NH3: 14588 小 時 吸 附 量 : 145880 ppb-hr (2.5 m/s )

NH3: 30000 小 時 吸 附 量 : 300000 ppb-hr (1.0 m/s )

之 後 再 進 行 高 濃 度 測 試 , 當 吸 附 10ppm NH3之污染物,風速 2.5 m/s 及 1.0 m/s 下,效率降至 70% 之實測壽命 以及吸附量計算如下:

NH3: 19小時吸附量:190000 ppb-hr (2.5 m/s )

NH3: 39小時吸附量:390000 ppb-hr (1.0 m/s )

由以上可看出低濃度測試 NH3

圖18 工研院之測試效率曲線

(10 ppb),低風速 (1.0 m/s)之吸附容量 較高風速下 (2.5 m/s),壽命較長約一 倍。又以同樣風速 (1.0 m/s)下比較,

高濃度之吸附量則比低濃度為高。

三、 實廠安裝前及安裝後定期收 集之 data 整理分析及去除效 率驗證

安裝前潔淨室黃光區環境氨氣之 濃度以 IMS 長期監測結果約在 2~7ppb 飄移,如圖 19。依據 MAU 外氣入口 濃度監測結果,測值常態約在 4~5ppb 之間,再加上 MAU 本身水洗去除效

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率約可達 80%,理論上潔淨室內之 NH3因此判斷潔淨室黃光區環境 NH3 來源主要以潔淨室製程使用 Gas、

Chemical所產生之內部污染居多。

依歷年使用 Impinger 採樣資料曲 線如附圖 20 及 IMS 監測結果曲線如 附圖 21,安裝前後有相當明顯之效 益,FFU 吸入端(Inlet),由平均 5.5ppb 降至 1~3ppb,黃光區環境(Outle),

則由平均 5.5ppb 降至 1ppb 以下。安 裝一年後之去除效率依然可達 80~

92% , 總 共 吸 附 約 7884 ppb-hr (0.35 m/s),預估去除效率降至 70%,

可使用 5 年以上(假設黃光區濃度變 化差異不大)。

四、 安裝於 FFU 化學濾網增加運 轉成本之計算方法

風車用電量計算公式:

1000 h P E q

× η

× Δ

= ×

E = 仟瓦小時/年 q = 氣體流量 (m3/s)

h = 運轉時數/年(每年以 8760 小時計算)

△P = 壓損 (Pa) η = 風車效率

以每片 FFU 安裝化學濾網後兩年 所增加耗電量為例:

目前每台 FFU 運轉風量約

1.2M×1.2M×0.35M/s=0.504CMS

圖19 安裝化學濾網前潔淨室常態之氨 氣濃度變化IMS監測曲線

圖20 安裝化學濾網前後潔淨室常態之 氨氣濃度變化Impinger採樣曲線

圖21 安裝化學濾網前後潔淨室常態之 氨氣濃度變化IMS監測曲線 假設壓損 50Pa,在風車效率:0.45(依 照 FFU 性能曲線求得),平均每度用

(17)

電費用為 1.66 元情況下,每台 FFU 兩 年安裝化學濾網所增加之電費計算如 下:

(0.504CMS×50pa×8760hr×2year)

×1.66/(0.45×1000)≒1,612 元 本研究整個黃光區安裝 350 片化學濾 網,每年電費約增加 282,100 元。

五、化學濾網 ppb-hr 之計算方法 依照其他廠商提供之 Third Party

ppb-hr性能曲線(如圖 22 所示)以計

算其濾網之使用時間為例:

假定環境背景濃度 10 ppb,環境 要求規格為 3 ppb,則此化學濾網可使 用至效率大於 70%。因此可計算化學 濾網效率由 100% 降至 70% 時所累積 的 ppb-hr 來代表濾網的使用壽命。

以 Curve A NH3=10ppm為例,當 其達到 30%穿透率(Breakthrough Ratio) 所經歷時間約為 10hr,由其對應曲線 之面積即可求得 10ppm NH3達到 30%

穿透率時約為 85,000 ppb-hr。

計算式:

面積約 = 10ppm×1,000×(100-30)%

×10hr+1/2×10ppm×1,000×30%

×10hr≒85,000 ppb-hr

以各家廠商提供之 Third Party ppb-hr 性能曲線其測試濃度 10 ppm 及測試 風量 3400 CMH 皆固定情況下,直接 比較各家濾網達到相同穿透率之時間 即可判斷其壽命長短(總吸附量多

寡)。

伍、結論與建議

一、結論

本研究證實晶圓製造廠黃光區利 用泡棉式化學濾網得以有效降低氨氣 濃度,原來安裝前 FFU 吸入端,由平 均 5.5ppb 降至 1~3ppb,黃光區環境即 FFU 出氣端,則由平均 5.5ppb 降至 1ppb以下,去除效率降至 70%,預估 使用壽命可達 5 年以上。由於此次研 究採用國內廠商自行開發之泡棉式化 學濾網,單片費用約只有機台原廠使 用之 1/5,當黃光區整體氨氣濃度下

圖22 其他廠商提供之性能曲線 NH3

(18)

降,將使黃光機台內部化學濾網使用 壽命更加延長,除節省成本外,更能 符合機台原廠要求之規格。

本研究化學濾網安裝位置於 FFU 上 方,業界需考慮廠內工程安裝難易,

日後更換化學濾網工時及成本等因素 來決定安裝位置,當然若能於建廠初 期即考慮日後安裝之位置,預先規 劃,如回風區或 MAU 預留 2~3 道化 學濾網空間等,將可大幅降低日後運 轉成本及安裝便利性。

目前半導體業界在 AMCs 防治 上,除針對黃光區之氨氣去除外,另 亦非常重視硫化物之污染,因為鏡片 及光罩霧化主要為硫酸銨,若能將硫 化物及氨氣二者污染物濃度同時降 低,必定可以大幅降低硫酸銨的形 成,延長光罩及步進機鏡片使用壽 命。但現有去除硫化物之化學濾網主 要以硫化氫(H2S)及二氧化硫(SO2) 為標的物,皆有不錯的去除效率表 現,然 TFT-LCD 廠日益擴廠,其使用 在 去 光 阻 製 程 中 用 作 為 剝 離 劑

(Stripper),所排放出之二甲基硫

(DMSO, Dimethyl Sulforide)氣體屬 於有機硫化物,現今國內外廠商所開 發出產品皆無法有效去除,往往當

TFT-LCD 廠煙囪或廢水廠異常排放

時,其所散發之惡臭異味不只造成人 員不適,更經由 MAU 進入無塵室內,

造成半導體廠內 AMCs 異常,產品報

廢,因此有效去除有機硫化物之化學 濾網開發有賴廠商持續研究。

另國內原無針對化學濾網相關測 試之第三公正單位,工研院能環所適 時成立實驗室及建立測試模廠,除提 供廠商進行化學濾網效率等相關測 試,減少送國外實驗室之耗費工時及 降低研發成本,並能提供給業主採購 化學濾網時之客觀參考依據,期能使 國內廠商研發化學濾網時能取得與國 外廠商競爭之優勢,提供給業主品質 更好、壽命更長之產品。

二、建議

本研究只針對氨氣之去除做探 討 , 然 而 實 際 潔 淨 室 內 所 遇 到 之 AMCs 污染上還有硫化物問題,尤以 TFT 廠排出之有機硫化物污染物是目 前待克服之當務之急。未來半導體業 將持續朝更細微之線寬邁進,要求更 嚴謹之污染物容許標準,除廠商更積 極開發新的奈米級化學濾網以達治標 外,業主更需要主動搜尋潔淨室內之 污染源以達治本之目的。依工研院能 源與環境研究實驗室所李壽南博士等 人發表之微污染控制案例研究文章所 述[11],其自行開發出之氣體洩漏偵測 系 統 ( GLDS, gas-leaking detection system)可有效找出 FAB 內之 AMCs 污染源,利用原理乃利用二套開放式 FTIR 架設於 FAB 回風區,再與數位

(19)

式氣體管路系統及診斷軟體連線進行 即時偵測及判斷,當 FTIR 偵測到有某 一污染氣體異常偏高,隨即與數位式 氣體管路系統資料庫比對當時有哪些 機台正在生產及使用何種化學品或氣 體,最後由診斷軟體進行分析,分析 完成後並通知廠務或緊急應變中心值 班人員進行後續處置。

然現今業界常見之污染物即時監 測儀器,均為固定偵測式,無法於潔 淨室內隨機移動,針對可疑之污染源 進行即時有效之偵測,當發現有異常 污染源時,再以 impinger 採樣分析,

污染物早已擴散至整個潔淨室,往往 緩不濟急,因此移動式 AMCs 即時偵 測分析儀,正有賴廠商與研究單位共 同努力研發。

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