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〈工業技術與資訊〉粉塵終結器守護半導體良率

工業技術與資訊月刊 2023-04-02 09:20

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工研院團隊研發「粉塵終結器」高效能粉塵處理系統。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/林玉圓

晶圓製造進入 3 奈米的微縮里程碑,製程所產生的粉塵更加微小,因此須要更先進的集塵設備,以避免粉塵對良率的衝擊。為協助我國半導體產業,工研院研發出「粉塵終結器」,能將 PM5 以上粉塵微粒的捕集率提升至 9 成以上,為半導體產業帶來百億元以上的附加價值與綠色商機。

半導體產業是臺灣的護國神山,在每個製程環節,都有著最極致精密的要求,才能不斷挑戰 3 奈米、2 奈米的物理極限。但隨著進入 3 奈米以下的先進微縮製程,即便是極微小的粉塵,也會嚴重影響晶圓良率,因此更高效能的粉塵處理系統絕對是不可或缺。

舉例而言,在微影、鍍膜、蝕刻等製程,只要稍有微粒干擾,就可能導致短路或影響電性參數,造成晶片功能失常而降低良率。半導體製程產生的廢氣,挾帶各種化學物質及粉塵,目前的清除方式,大多採用濕式洗滌、袋式濾網、化學刷洗等;不過仍有極小的微粒(如 PM5)無法有效去除,且一旦製程排氣的背壓增加,就會產生氣體回流而造成汙染。以臺灣高產值半導體製造業著手,導入本粉塵終結器直接降低因生產活動所造成的環境危害,使微小粉塵淨化能力超越國內外廢氣微粒減量規範。

一顆 PM 微粒 相當於巨大隕石

以 PM5 微粒來說,粒徑為 5,000 奈米,其尺寸大小是 5 奈米線寬的 1,000 倍,這種肉眼看不見的細小微粒,掉落於晶圓上,相當於一顆巨大隕石降臨市區街道,損害程度十分可觀。

為了解決這個難題,工研院研發出「粉塵終結器」高效能粉塵處理系統,安裝於製程設備的尾端,可在第一時間捕捉尾氣及其中的汙染物,且處理效率遠優於目前業界普遍採用的技術。從實驗數據來看,粉塵終結器對 PM5 微粒的乾式與濕式水霧條件下的捕集率皆可達 90% 以上,符合半導體業界製程上的需求。

現址式洗滌器 粉塵第一道守門員

工研院機械與機電系統研究所半導體薄膜設備技術部業務副理董福慶分析,晶圓製造的粉塵捕集,分為兩大部分,一是在機台端安裝現址式洗滌器(Local Scrubber)、二是在廠房內安裝中央式洗滌器(Central Scrubber),前者的處理效率愈好,就能降低後者的負擔。粉塵終結器屬於現址式洗滌器的一部分,能夠大幅提升機台端的集塵效率。

以極紫外光(EUV)微影系統為例,因應精密節點製程趨勢,為確保精確曝光程序,機台內部必須隨時保持高真空,所抽出的氣體內即含有極小微粒,必須在 EUV 設備的尾端安裝現址式洗滌器加以清除。又以關鍵製程之薄膜沉積與蝕刻系統而言,為達製程嚴苛規格與保持真空,同樣的會抽出含有微粒的氣體,也必須在設備的尾端安裝現址式洗滌器加以清除。工研院研發的粉塵終結器,可簡易導入現址式洗滌系統,採用機械式物理清除原理,不僅有效改善粉塵捕集率,且清洗水容易循環再利用,可減少水資源及濾袋等的二次汙染及浪費。與業界既有方案如:濕式洗滌、袋式濾網、化學刷洗、靜電集塵等相比,兼具性能提升及環境友善兩大優勢。

機械式物理清洗 多段集塵學問大

董福慶解釋,機械式物理清除原理,是採用大量淋浴噴頭進行清洗,市面上雖然也有類似方案,不過缺點是當水珠撞擊微粒時,微粒可能彈跳而四處逸散,更小的微粒還會穿透水膜向外飛,成為漏網之魚。「這是微米及奈米粉塵的特性,因此即便以大量的水進行沖洗,並無法保證能夠有效捕捉微粒,」董福慶說。

為了解決這個挑戰,工研院的粉塵終結器,採多段式結構設計,先藉由控制廢氣中微粒的通過速度,與水霧噴灑讓淋浴噴頭能夠進行最有效的清洗,並利用離心風道設計,殘餘廢氣通過此通道時,離心力帶動固態微粒往下走、空氣往上飛,有效分離粉塵;還能視業者需求,做不同型式多層風道,進一步提升集塵效能。

工研院的粉塵終結者可大幅降低半導體產業粉塵排放,遠優於國家標準。圖為透過微型粒子偵測器,量測到經粉塵終結器處裡後的顆粒數,遠低於環境中PM3、PM5顆粒數。
工研院的粉塵終結者可大幅降低半導體產業粉塵排放,遠優於國家標準。圖為透過微型粒子偵測器,量測到經粉塵終結器處裡後的顆粒數,遠低於環境中 PM3、PM5 顆粒數。
掌握關鍵優勢 粉塵捕集率增至 9 成

「粉塵終結器掌握了捕捉微粒的三大關鍵,一是流速控制、二是水霧控制、三是廢氣滯留時間,才能一舉將 PM 微粒的捕捉率提升到 9 成以上。」

董福慶說,粉塵終結器的另一特點,是符合業界現有條件的限制,在機台周邊僅 1.2 米的有限空間下,即可進行安裝,廠商不須任何產線的調整,即可無痛汰換。其技術的獨特與創新,也突破國際大廠的專利封鎖,取得自有專利,為國產粉塵洗滌設備創造全新價值。並獲得國際 RD100 獎項之入圍肯定。

回顧研發過程的挑戰與瓶頸,董福慶說,事實上,粉塵終結器所採用的集塵設計,都是既有原理,但半導體廠在採用市面上類似解決方案時,成效仍不盡理想,才會有此需求,希望開發出具備成本優勢、滿足產線空間限制、效率勝出的創新方案。

為此工研院團隊翻遍各國論文期刊,深入研究既有原理的不同應用潛力,歷經一年的腦力激盪與原型建構,提出各種不同設計概念,選定最適方案後,還必須在機械組裝設計上加以優化,降低加工成本。終於推出造價低廉、效率高的解決方案。後續工研院會繼續研發,針對小於 PM2.5 以下的微粒,進行高效捕集技術的開發,同時結合低耗能電漿燃燒創新研究,將廢氣與粉塵做有效去除。

四大產業效益 設備商機逾百億

目前粉塵終結器正與國內半導體廠洽談,即將導入實際場域進行驗證推廣。這項集塵利器,具有四大面向的產業價值:一是設備本身的潛在商機達百億元以上,由於每部半導體製程機台均須安裝,僅國內晶圓製造機台總數保守估計在 2 萬部以上,市場潛力大。二是協助集塵設備產業提升附加價值,業者在既有集塵系統上安裝粉塵終結器,設備性能將明顯改善。三是晶圓製造良率得以確保,對半導體產業帶來的整體效益難以估算。四是工業粉塵進入大氣的比例減少,帶動空氣品質優化,對於國人健康的貢獻更是無價。

研發團隊副研究員王亘黼表示,目前國內對粒狀汙染物的排放規範為每立方公尺的排放重量不得高於 100 毫克(全體粒狀汙染物),工研院為半導體產業所研發的粉塵終結器,一舉將排放重量大幅下降,遠優於國家標準,所帶來的降汙、減碳效益及綠色價值,能夠讓國內半導體業者在全球樹立標竿,未來赴海外設廠時,遠優於國際標準的超高規格,即便面對當地的環境規範,也無後顧之憂。

粉塵終結器未來可滿足其他高排放產業的潔淨需求,包括:顯示器、化工、燃煤燃氣電廠、鋼鐵業等,均可依照粉塵粒徑、產業特性及現地條件,進行客製化設計,降低其環境粉塵排放量及節電環保,讓我國科技產業不在淨零碳排永續發展的世界潮流中缺席,符合國際社會關懷精神。

總結來說,開發粉塵終結器以去除工業粉塵、為業者提升良率,也兼顧環境友善,因而具備對產業、社會的雙重價值。未來由臺灣傲視全球的半導體製造業若率先導入,能夠讓我國在科技領先的優勢下,面對淨零永續的世界潮流也能先馳得點。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 371 期 2023 年 3 月號,未經授權不得轉載。





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