一、前言

現今科技如人工智慧、物聯網與5G等已經革命性地改變了我們的日常生活，其中半導體晶片扮演著關鍵的角色。台灣擁有完整的半導體晶片設計與製造供應鏈，儼然形成全球半導體產業的重要基地與領導者。儘管半導體產業鏈對台灣經濟發展具有舉足輕重地位，猶如護國神山般不可或缺，但是隨著半導體製造能力的持續進展和新廠房的擴展，過程中對環境和居民健康所產生的影響也漸漸成為政府與環保團體關注與監督的重點。

在這些被關注的環境問題中，空氣污染是一項重要的議題。過去的研究發現，半導體廠有排放白煙的問題(Tsai et al., 1997)、工人和附近居民暴露在有害空氣污染物所造成的健康影響(Liu et al., 2010)、Ga/As超細懸浮微粒污染(Chen et al., 2016)和刺鼻氣味(Chang et al., 2022)等問題。這些污染物的源頭主要是因為先進半導體生產製造過程中使用了許多化學物質(如金屬、氯化物、氟化物、鹵化物和有機溶劑、無機酸、全氟化合物(PFCs)) (Eom et al., 2006; Choi et al., 2018) ， 圖1 表示一張光罩生產製造流程所需進行的基本步驟與主要使用的化學物質，製程步驟包括(1)晶圓清洗製程；(2)薄膜沉積製程；(3)黃光製程；(4)蝕刻製程；和(5)去光阻製程。在氧化、擴散、離子植入和薄膜沉積製程中使用了有害和可燃性氣體，如矽甲烷(SiH₄) 、氫氣(H₂) 、氨氣(NH₃)和二氯矽烷(SiH₂Cl₂)。在蝕刻、清洗和黃光製程中則使用酸性、鹼性和有機溶劑等化學物質，如六甲基二矽氮烷(HMDS)、1-甲氧基-2-丙醇(PGME)和四甲基氫氧化銨(TMAH)。這些生產製程所排放的製程尾氣，含有毒性、腐蝕性或易燃性等的氣體或是微粒，需要進一步處理，才可以排放至大氣中。為了減少半導體產業對環境產生的影響，中華民國環境部在112年5月4日頒布修正後的半導體產業的空氣污染排放標準。在既有設施的部分，排氣中的揮發性有機物(VOCs)的排放濃度需小於14 ppm (甲烷為基準)或去除效率高於90%。在個別酸性氣體（HF、HCl、HNO₃、H₃PO₄ 和H₂SO₄）的排放濃度需小於0.5 ppm或去除效率高於95%。在新設的設施部分，排氣中的VOCs排放濃度需小於10 ppm (甲烷為基準)或去除效率高於95%。在個別酸性氣體（HF、HCl、HNO₃、H₃PO₄ 和H₂SO₄）則需要排放濃度小於0.3 ppm或去除效率高於96%。

台灣積體電路製造公司(TSMC)是半導體晶片生產製造行業領導者，在其每年所揭露的永續報告書中亦可窺見公司在空氣污染控制方面持續不斷地改善，努力成果也是行業中的翹楚與模範，於是，本文將試著從永續報告書回顧過去幾年研究公司在空氣污染控制技術的改善策略與成果，也提出未來在空氣污染控制技術的挑戰。希望能提供其它半導體製造廠相關從業人員在空氣污染控制技術方面有綜合性的參考資訊。

圖1、一張光罩的基本生產製造流程、主要使用的化學物質與污染物分類(Lu et al., 2023)

二、空氣污染控制策略

一套全面性的空氣污染控制策略是很重要的，研究公司在空氣污染控制策略，如圖2所示，優先重視污染物的源頭管理與減量並依製程、污染物的特性進行分類，使用多種不同類型的現址式空氣處理設備(LSCs) (typ. gas flow rate: 0.3–2.0 CMM for the dry type or 60–83.3 CMM for the wet type)進行第一階段不同類型污染物的處理以減低或是去除污染物的危害性與濃度，如表1所示。之後，將第一階段已處理的污染物分類為酸性、鹼性與VOCs三類，分別送至不同的中央式處理設備，酸性和鹼性氣體分別送入獨立中央洗滌塔與中央洗滌塔串接水洗設備來處理(typ. gas flow rate: 2000 CMM)，VOCs則送至沸石濃縮轉輪系統(typ. gas flow rate: 2500 CMM)進行吸附、脫附與燃燒，透過兩階段地加強處理以達排放標準。排放的污染物濃度也會被連續監測系統進行監控管理，以確保這些空氣污染控制裝置皆正常運作且控制效率良好。除此，研究公司也非常重視備援系統的建置以預防異常事件的發生與及時的應對，確保全年皆可正常運作與污染物的去除效率皆符合國家的排放標準。這套空氣污染防治策略目前已平行展開於台灣及海外的工廠，有效地控制空氣污染排放量，符合當地的環保的規定(TSMC, 2021)。

圖2、空氣污染控制策略(TSMC, 2021)

表1、污染物的製程分類與第一階段現址式洗滌器的去除效率表現(TSMC, 2020)

三、空氣污染控制持續改善的成果與未來挑戰

隨著持續不斷的努力，研究公司在2016年至2021年的空氣污染物排放量的表現如圖3所示。可知單位產品空氣污染排放量或排放因子(空氣污染物的總排放量除以生產的等效12英寸晶圓光罩層總數量) 已從每年0.87克降低到每年0.43克，而空氣污染物的總排放量(酸性氣體、鹼性氣體和VOCs)，則介於每年295.2噸到每年309.3噸，幾乎沒有明顯增加。結果說明，隨著研究公司晶圓廠的擴建與產能的提升，在最佳可行技術輔助下，有效地減少污染物的排放量。此外，在控制技術不斷改進後，2021年VOCs的去除效率已達到98.4%，遠超過90%的排放標準。然而，儘管在降低排放因子方面做得很好，但每年的總排放量仍然高達約300噸，此結果表示需要更多新技術來實現“零污染”目標，以及2030年需達成的永續環境管理、綠色製造與污染減量目標(TSMC, 2021)。

圖3、2016年至2021年VOCs、酸性與鹼性空氣污染物總排放量(長條圖)與單位產品空氣污染排放量(紫色線圖) (TSMC, 2021).

為了持續減少酸、鹼性污染物氣體的排放量，研究公司在中央式洗滌塔的設計和操作條件與先前的設計相比已有大幅的優化調整，比如塔高從8米增加到9.3米，填充材料高度也增加了兩倍，填充材料的比表面積增加了1.4倍，以增加廢氣在控制設備中的停留時間。由於廢氣與吸收液之間有更長的氣液接觸時間，污染物的去除效率也比傳統處理高約10%，所有酸性氣體的去除效率也從71%提高到89%。然而此控制系統對酸性氣體的去除效率還是不夠，而且當使用傳統的填充材料，如拉西環時，增加填料高度，會導致壓損增加、功耗和運營成本增加等問題。為了改善此問題，過去已有學著開發與驗證配有結構性填充材料的濕式洗滌塔，如蜂窩濕式洗滌器（honeycomb wet scrubber, HWS）或平板式濕式洗滌器(parallel-plate WS, PPWS) (Chien et al., 2015a, 2015c; Le et al., 2021) 可以做為更好的替代控制方法。PPWS在氣體停留時間只有0.5秒下，對於非常低濃度(sub ppm)的HF、HCl和CH₃COOH就有大於99% 的高去除效率。此外，HWS使用吸水性聚丙烯(PP)布作為結構性填充材料，此結構性材料具有高比表面積483 (m²/m³)，在3.5年的模場驗證(2017–2021年)結果，對HF、CH₃COOH、HCl、HNO₃、HNO₂和H₂SO₄的混合酸性氣體的去除效率都可大於 95% (Le et al., 2021)。此外，HWS的壓損表現也非常優異，測試期間壓損變化只有0.5–0.8 cm H₂O。未來，這種具結構性填充材料且高去除效率的裝置可以作為中央和現址空氣污染控制設備使用，以進一步提高酸性和鹼性氣體的去除效率與減少污染物的排放量，同時降低功耗、減少碳排放和縮小控制設備尺寸。

在VOCs 排放量持續削減部分，研究公司於108年起在新廠區導入沸石濃縮雙轉輪裝置，並於109年起在既有廠區執行低效沸石單轉輪汰新計畫，也將蓄熱式燃燒爐(Regenerative thermal oxidizer, RTO)更換為直燃式燃燒爐(Thermal Oxidizer, TO) ，除此，還透過人工智慧將沸石濃縮單轉輪系統進行製程參數如燃燒溫度、脫附溫度與轉輪速度等參數優化，在110年VOCs的削減率已達98.4%並持續提升中。然而，在沸石濃縮轉輪裝置TO的熱回收效率只有73% 遠低於RTO的熱回收效率 95%，會進行更換RTO系統的主要原因是發現在RTO系統中，由於陶瓷熱交換材料每3分鐘進行一次排氣和氣體切換的過程中，系統會有殘留VOCs氣體，導致VOCs去除效率降低。另外，在閥門切換過程中，管道系統會產生高達50 Pa的壓力波動並導致生產製程異常發生。除此，在RTO系統中，高沸點的VOCs物質在陶瓷介質中也會產生堵塞問題。因此，對於先進半導體廠的實際應用，需要進一步改進RTO的運轉操作方式，同時TO的熱回收效率也需要再進一步提升。

除了上述法規污染物的減量，近年來NOx的排放量削減也已成為一個重要的議題與挑戰，NOx主要是由高溫燃燒型式LSCs與VOCs削減所使用的TO爐在高溫燃燒過程中所產生的二次污染物。研究公司在燃料方面已全面使用天然氣以消除燃料所產生的NOx，此外，也將LSCs的氣燃比例從2:1降低到1.4:1來控制氧含量以減少氮氧化物形成，另外在TO爐的燃燒區新增流場均勻裝置並導入外氣進入爐內做為助燃空氣，並設置燃料噴孔進行分段預熱使用，以減少NOx產生的濃度。測試結果可以減少約65%的NOx排放量(TSMC, 2022)。未來，研究公司所設定NOx排放目標是少於40噸，且NOx排放濃度低於1.0 ppm，這將促使RTO/TO安裝低NOx燃燒器或是部分LSCs嘗試使用濕式洗滌器進行NOx去除(Kim et al., 2018; Sung et al., 2020)。此外，也有學者透過O₃將NO氧化為NO₂，然後再利用Na₂S溶液將其還原為N₂，以達到90%的去除效率(Sung et al., 2020)。這些濕式洗滌器的方法和低NOx燃燒器未來可以在研究公司做進一步測試，以達到NOx排放目標。

至於煙氣中所產生的微粒與白煙問題的持續改善部分，這些污染物主要來自廢氣中酸性和鹼性氣體的化學反應或混合所產生，或是燃燒式與電漿式的LSCs腔體內燃燒反應所產生的微粒，如矽甲烷的燃燒會產生二氧化矽微粒。為了去除這些細微粒，研究公司在酸槽清洗製程的廢氣處理已導入濕式靜電集塵器(WEP) 作為微粒去除與酸霧去除用途並有很好的去除效率。此外，研究公司在部分LSCs配置了旋風分離器和離心裝置作為微粒的去除，然而旋風分離器和離心裝置對細微粒的去除效率不高，僅適用於大微粒的去除。針對細微粒的處理，過去有學者開發一種高效率的文氏洗滌器輔助微粒凝結增長並證明對LSCs排氣中的細微粒處理有效，對大於100奈米的微粒的去除效率可達80–90%。此外，在這種文氏洗滌器中，所產生的細水霧將LSCs的熱排氣冷卻並達到超飽和條件，從而有效地使奈米微粒凝結增長至微米大小(Tsai et al., 2005)。當微粒凝結增長再經由WEP處理，實驗證明對微粒有99.2–99.7%的高去除效率(Chen et al., 2014)。此外，當廢氣具有腐蝕性，也可使用抗腐蝕金屬材料的WEP系統，以達到高充電效果和低腐蝕問題(Kim et al., 2012)。為了防止爆炸性氣體引起的問題，也有學者提出了非爆炸性的WEP設計，將充電裝置設計在煙氣流動外部，以防止爆炸性氣體與火花接觸(Kim et al., 2019)。目前WEP已可作為酸槽清洗製程尾氣的微粒去除功能，如果處理流量可以放大規模，未來可以作為中央式空氣污染控制裝置的一個選擇以減少微粒排放與解決白煙問題。

四、結論

本研究綜合性的檢視先進半導體製造工廠的空氣污染控制策略以及持續改善成果與未來挑戰。空氣污染控制策略主要是依據不同製造過程排放的污染源特性來選擇適當的LSC作為第一階段處理以降低污染物的危害與濃度，隨後將已處理的污染物分類進行第二階段的中央式處理裝置以達排放標準。也討論了當前先進半導體製造工廠在空氣污染技術的改進和挑戰，強調持續減少排放的重要性，以及未來進一步削減排放所需與可能實現的更好控制酸性和鹼性氣體排放量、NOx減排、微粒去除與解決白煙問題的控制技術。

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