半导体工艺制程之挥发性有机废气净化技术.doc

鄭石治，朱小蓉 / 華懋科技股份有限公司蔡尤溪 / 台北科技大學冷凍空調工程系(台灣台北)有機溶劑被廣泛的應用於各工業製程中，隨著使用製程條件的不同，形成濃度不一的揮發性有機氣體(Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs)，隨著製程排氣排放於大氣中，造成自然生態環境的破壞及對人體的危害，世界各先進國家為防止生態環境的繼續惡化及保護人體的健康，先後對VOCs的排放定了排放標準，並且互相約定，逐年遞減降低其排放量，而達成總量管制的目標。目前市面上提供之揮發性有氣體處理設備種類極多，但一般而言，其處理方法，均不出洗滌法、冷凝法、吸附法、焚化法、生物處理法…等(見表一所示)。且由於處理廢氣多為混合之複雜氣體，為達經濟效益，常綜合兩種以上處理方法共同使用者。由於每種處理方法均有其適用的範圍及優、缺點，在設置前最好能先瞭解待處理廢氣之組成濃度、排放週期，欲達到的處理效益及可設置之地點、空間大小，再行選擇適當處理系統。[表一：市面上常見的處理設備]半導體工業製程廢氣處理規劃一般而言，半導體及其相關產業之製程廢氣，大都具有大風量(風量＞10,000CMH以上)及低濃度(濃度＜500ppm as CH4)的特性，但其中幾個製程所排放之廢氣濃度特別高，例如去光阻製程中，有些操作通常在60℃以上，不但造成排放的廢氣濃度特別高，去光阻劑中某些高沸點的化學品，例如二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide)，單乙醇胺(Monoethynol amine)；PGMEA等，均隨之溢散出，極易造成後續處理系統中的吸附劑快速失去活性。因此，在規劃廢氣處理系統時，最好能先釐清那些製程單元必需先以現場單點處理設備(point of use，簡稱POU)處理者，採分流處理後，再併入主廢氣風管。由於廢氣的風量相當大，濃度又不高，直接以焚化的方法操作成本相當高。而廢氣的組成中又含有沸點高、低差異大的化學品，例如，IPA、Acetone、MEA、HMDS、DMSO、PGM…等 (見表二)，造成處理的難度增加。IPA及Acetone的沸點極低，採洗滌法時，溶於水中之溶劑反而有被氣提出來的可能，並不適用。而HMDS亦有分解為二氧化矽而將吸附劑孔洞阻塞的可能。此外，其中某些化學品的閃點極低，操作的安全性亦是不可忽略的因素。因此，較為經濟有效的方法是先將廢氣的風量下降，及濃度提升以降低處理成本，再就濃縮後的廢氣選擇適當的處理方法，表三所示為可能的組合方式及特性分析。其它之組合方式例如以固定床、纖維碳床等為濃縮裝置均因工安問題 (因處理溶劑大都為含有氧的化合物，例如：IPA、Acetone…等，易造成碳床著火的困擾，或因再生需求頻繁，又無法線上再生，不但作業上不便，且不易符合目前環保法規的規定) 而較不適用。 [表二：半導體製造業VOCs廢氣成分特性] [表三：吸附濃縮及各式後處理組合方式比較]處理技術簡介沸石濃縮轉輪 + 焚化處理此套系統主要係利用吸附及加熱氧化將VOCs的技術分解為二氧化碳及水，吸附設備係以陶瓷纖維為基材做成蜂巢狀之大圓盤之輪狀系統 (如圖一所示)，輪子表面塗佈有疏水性的沸石做為吸附劑，整個輪面分為3個區域，吸附區、再生區及吹冷區，以齒輪帶動。含有VOCs的廢氣以風車送入轉輪的吸附區，在VOCs被吸附去除後，成淨化氣體排放。當輪子吸附飽和後轉入脫附區，以170~250℃的溫度加熱使被吸附的溶劑脫附出來，經再生後的輪子，再轉入吹冷區，降溫後繼續進行吸附而被脫附出來的濃縮氣體 (VOCs約被濃縮10~13倍)，則送入燃燒機焚化處理。 [圖一：蜂巢狀沸石轉輪示意簡圖]目前的設計多採用恢復式的燃燒機(Recuperative Thermal Oxidizer，RTO)，熱回收效率約80%左右(分兩段熱回收)，以節省燃料費。目前可見的系統設計包括以單風車送風的前置風車正壓設計，後置風車抽風的負壓設計系統，及雙風車的前、後風車串連的微負壓設計系統，見圖二所示其中，以雙風車的系統操作最為穩定(2)。 [圖二：沸石濃縮轉輪 + 恢復式燃燒機 (雙風車微負壓系統)]由於燃燒機之操作溫度一般在730℃以上，VOCs的破壞率均大於99%，因此影響系統去除效率的因素大都視轉輪的操作條件而定，而影響轉輪性能的因素，則包括有廢氣的特性，廢氣入轉輪之線速度，轉輪的轉速，再生溫度，及設計的濃縮倍數等。[圖三：Effect of regeneration temperature on the optimal rotation speed][圖四：Effect of regeneration temperature on the optimal rotation speed][圖五：Comparison high boiling VOC and low boil