LocalScrubber效率评估方法简介

Local Scrubber效率评估方法简介

许荣男副研究员

工研院环安中心

前言

半导体制程原物料与副产物中含有多种危害性气体，这些危害物有些有腐蚀管线的危险，有些与它种危害物相遇或累积大量浓度时有火灾爆炸的危险，为避免这些危害的发生，目前半导体厂大都会在机台近端装设Local Scrubber以处理危害性气体。在台湾所使用之Local Scrubber约有十几种厂牌型号，而依其原理大概可分成下列几类:(1)电热水洗式; (2)燃烧水洗式(3) 填充水洗式;(4)干式吸附式。各类型Local Scrubber各有其优缺点，端视使用者的需求而决定应使用何种形式厂牌之Scrubber。选择Local Scrubber时一般应考虑重点包含设置成本、使用维护成本、PM频率与难易度、安全性及实厂处理效率等，其中实厂处理效率为最重要的考虑之一。

传统上，对于Local Scrubber的处理效率并无明确的验证方法，一般只要Scrubber后端气体的体积浓度符合法规所规定的恕限值或排放容许浓度即可。然而，这样的规范却有一极大的缺点，即对某ㄧScrubber而言，不论其实际的处理效率为何，只要用大量的空气或氮气来稀释都可以达到这样的要求，除了花钱还得不到应有的效果外，稀释后的大量气体对厂务系统造成庞大的负荷，也隐藏着不少的危害，此外，传统的采样方法也无法测知不预期的副产物，对于Scrubber的整体去除效果无法得知。

为正确地暸解Local Scrubber的处理效率，应同时量测Local Scrubber前、后端的制程尾气成份及其浓度，并量测两端之空气流量，以求得制程尾气的质流量趋势图，将此前、后端的质流量趋势图积分后，即可得知此一Local Scrubber的实际处理效率。

Scrubber效率评估系统

目前对于Scrubber的最佳评估方式是采用世界半导体委员会(WSC)所认定的两种制程尾气分析仪器，FTIR(霍氏红外光谱仪)与QMS(四极柱质谱仪)，实时量测制程尾气的组成成份和浓度。其中FTIR(Fourier transform infrared

spectrometers)侦测原理是利用气体分子吸收红外光区特定波长的能量来改变分子的震动或转动状态，而产生特定的红外光吸收图谱(不同气体分子对不同

的波长吸收相异)。透过红外光吸收图谱和标准图谱的比对就可以了解其物种－定性，而物种的浓度则遵循比尔定律(Beer’s Law)来计算，即A＝abc。其中A是吸收度，a是吸收系数，b是光径长度，c是物种的浓度，利用这个关系就可以利用已知的标准图谱求得固定光径内物种的浓度变化－定量。FTIR重要特点如下:

1. 实时监测，避免取样时段不当所造成的错误结果。

2. 能同时监测多种化合物，符合半导体尾气监测的需求。

3. FTIR测得的红外光谱可长期保存、重复分析。

FTIR在制程尾气量测的主要限制在于无法侦测同原子双原子分子(如F2,Cl2)，因此，必要时可使用“制程尾气分析仪”(RGA,为QMS的ㄧ种)来弥补此一不足。RGA乃利用四极柱质谱仪的原理来辨识气体的种类及其浓度，待测气体先经过高能电子(70eV)区而阳离子化，带正电的气体离子紧接着进入四极柱区，藉由调整四极柱区电场的频率，不同的阳离子因其质荷数(m/z)的差异而分离，对于每个电场频率，仅特定质荷数的阳离子能通过四极柱区而为后端的(离子)侦测器所测得，经由不断地调整四极柱区电场的频率，所有气体之质谱图便可获得。

为评估Scrubber的处理效率，应同时使用两台FTIRs(必要时再辅以RGA)量测Scrubber前、后端气体的体积浓度，其采样配置如图1所示。制程尾气(如SiH4, C2F6…)经机台后方的Dry pump抽气并以N2 purge后进入Local Scrubber，经Local Scrubber处理过的尾气再排到厂务风管。位于Scrubber前、后端的FTIRs分别利用ㄧ台抽气马达将制程尾气引进FTIR的气体腔(Gas cell)，经红外光照射后，尾气再排至同类制程之Scrubber。为避免尾气中的微粒污染气体腔，尾气在进入气体腔之前先用一孔径为1μm的Teflon滤纸过滤。

一般而言，因Local Scrubber前端尾气的浓度极高，所以前端FTIR的气体腔其光径通常使用1或10公分，而后端浓度通常较低，故FTIR使用的气体腔其光径为1或10公尺。

图1 Local Scrubber效率评估采样系统图

Scrubber效率计算方式

除了FTIR量得的体积浓度外，欲正确地获知Local Scrubber的处理效率，仍需以Local Scrubber前、后端化合物的进出质量来计算。若量测点的条件接近常温常压，可以下列方法来表示Scrubber的处理效率:

Ai=Q

 Ci

 (10-3)/24.5

 Mwi

Wi=

Aij tscan

j1nEfficiency=(1 - Wi

out / Wi

in)*100

其中，A为气体i之质流量(mg/min)

Q为气体流量(l/min)

C为气体i之浓度(ppm)

Mwi为气体i之分子量(g/mol)

W为气体i之质量总合(mg)

tscan为每笔数据之平均扫描时间(min)

若气体i在Scrubber入口端有测得而出口端未测得，则以FTIR对气体i之侦测下限作为气体i在Scrubber出口端最大可能浓度来做效率评估。

评估效益

藉由Local Scrubber效率的评估，可以获得以下效益:

1.确认Scrubber对于待处理气体之实厂处理效率，并确认其是否产生有害副产物，以了解此项设备是否发挥原先预期之功用。

2.调整操作参数，使Local Scrubber之处理效果最佳化。图2即为工研院环安中心利用FTIR实时监测的特性，协助Local Scrubber现场调整操作参数，使其对CF4处理效率提升(出口端质流量显著下降) 。

700600CF4-inCF4-out(mg/min)5参数调整

Time(min)

3.建立厂区尾气数据库，作为危害预防之依据，例如设备工程师PM时的防护措施，管线材质的选择，及风险等级的制定等。

结语

为维护厂区安全及良好的环境空气质量，过去半导体厂及LCD厂在尾气处理设备的投资不遗余力，惟因没有适当的实厂评估工具，而无法得知尾气处理设施真实的处理效果;FTIR与RGA的监测技术已日趋成熟，且为WSC所认定的尾气监测技术，若能妥善运用，将可提供相关人员相当重要的信息，而使庞大的投资得以获得最佳的效益。