線上氣體FTIR分析儀MAX-iR應用於溫室氣體減排裝置

作者利泓科技技術專員 呂昌諺
日期2024-09-12

碳權開徵,排放溫室氣體需要更直接的量化數據

  台灣半導體產業蓬勃發展,製程中使用到的氟化氣是最主要的反應氣體,也同時是溫室氣體,例如NF3CH4SH6CH2F2等等。因此部分的工廠會引入所謂的減排裝置(abatement tools)再這些氣體進入洗滌塔之前破壞或是稀釋,確保符合相關的排放標準。

  因此減排裝置的效率會直接影響到排放量,所以會需要去經常性地確認效率是否有下降的趨勢,但是在一個半導體工廠中,每一個產線就會需要一部減排裝置,這代表用於檢查的分析設備需要基本的準確之外,也要能夠同時分析多種的氟化物,目前普遍使用氪氣追蹤劑(Krypton gas tracer)與質譜監控減排裝置的入口,在出口端需要額外一台高感度的FTIR分析可能未處理乾淨的氟化物。不過在考量到龐大的減排系統,工廠需要一台可以涵蓋上述三種設備分析能力的系統。

  針對氣體分析設計MAX-iR搭配自動化採樣器ASC-10就可以符合上述的工廠分析需求。首先ASC-10可以用於觀測氣流中稀釋的示蹤劑來做到準確的量測,不須使用過去相對占空間且昂貴的質譜儀。此外在過去的FTIR會因為氣體量測槽的大小限制分析的濃度範圍,量測槽太長,會導致偵測器飽和,反之會無法量測低濃度的化合物。在搭配ASC-10之後,MAX-iR本身具有近10公尺的氣體量測槽,可以分析ppm等級的氣體,也可以藉由ASC-10的稀釋,分析%等級的氣體。

線上氣體FTIR分析儀監測溫室氣體實驗架設圖

  在減排裝置的排放分析中,會在圖中減排裝置之後,大概位於C處加入示蹤劑氣體,並且在D處的管道中心處採樣來取得減排裝置中的稀釋比率,用於後續減排裝置效率的計算。

  在樣品氣流進入減排裝置前的總體積(TVFin)也可以利用類似的方法,在製程階段的位置,例如蝕刻站或是無塵室導入示蹤氣體,例如圖中的A處,接著在抽氣裝之後,例如圖中的B處進行量測。

  計算減排裝置前後的TVF比例就可以得知稀釋參數(dilution factor; DF),加入減排裝置對各GHG的破壞效果,經過計算就可以得知減排裝置前後應該要有的濃度變化,可能會在數百甚至數千之間。然後MAX-iR與ASC-10的搭配加上圖譜範圍的選擇,使得MAX-iR可以同時分析高低濃度的差異,進一步分析取得實際在減排裝置前後各GHG的濃度,因此就可以直接得出減排裝置的效率。

線上氣體FTIR分析儀監測C4H8

  以常見的蝕刻製程氣體C4H8為例,在低排裝置前測得的濃度為854.5ppm,在低排裝置後,即便圖譜中有許多水氣與二氧化碳干擾,仍然可以根據C4H8的特徵圖譜位置來進行定量,測得濃度為7.92ppm。如果以C4H8做為示蹤氣體,確認稀釋參數為9.75,經過最終換算,可以知道低排裝置的效率仍有91%。

線上氣體FTIR分析儀監測電漿製程中的C4F6

  此外在電漿製程當中,也可能會出現其他的GHG副產物,例如CO跟CO2等大宗GHG,其他副產物可能還有COF2、CF4、SiF4與C2F6。而歸功於圖譜本身的加成性,剩下未定義的訊號,透過MAX-iR軟體的資料庫比對,最後一個副產物應該還有C2F4存在。

總結

  總結來說,MAX-iR加上ASC-10的組合,具備同時分析所有紅外響應的氣體分析,而且在ASC-10的固定稀釋與示蹤劑的配合,除了可以分析高低濃度相距1000被的化合物,還可以計算判斷低排裝置效率的稀釋參數。最終在副產物的分析中,可以根據工廠預先建立的檢量線分析,還可以透過NIST/EPA資料庫比對未知的波峰訊號,除了簡化整個過程與空間,分析時間也大幅減少1至1.5個小時。

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