謝文安、李壽南、鄭瑞翔、孫嘉呈、張顓麟 / 工研院材化所
高碳當量溫室氣體廣泛使用於半導體製程中，其包含全氟化物(PFCs)、氧化亞氮(N2O)等。N2O近幾年之碳排放量居半導體業第一名，在淨零碳排目標下，自然成為碳排減量的優先目標。先期目標是改善既有的電熱水洗式尾氣處理設備，使其處理N2O效率能大於60%，再慢慢淘汰更換為新式處理設備，使處理效率能達到90%以上，進一步達到零碳排的目標。故無論是因應產業需求，或是為減緩地球氣候變遷，N2O處理技術之大幅提升已是箭在弦上。
【內文精選】
溫室氣體處理設備實場驗證技術及溫室氣體處理設備現狀
2. 溫室氣體處理設備驗證技術
藉由傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)對氣體吸收光譜之指紋分析特性，可精準建立Local Scrubber之處理效率(Destruction and Removal Efficiencies; DRE)評估技術，工研院材料與化工研究所團隊並於臺灣各半導體廠協助實場評估與驗證處理效率。目前在聯合國IPCC的淨零碳排目標下，建議廠內Local Scrubber應每三年驗證一次處理效率，故此FTIR分析驗證技術，未來在實場驗證需求及研發新處理技術與設備時，其重要性將與日俱增。
N2O處理技術及設備發展
1. 還原劑添加技術
2015年巴黎協議之後，N2O之排放問題，漸漸浮上檯面。在傳統的電熱水洗式Local Scrubber上所提出之改善方案有二：其一為持續升高電熱腔體溫度，在達到1,200˚C時，處理效率可以達到90%以上，但溫度升高除了快速縮短加熱器壽命，更伴隨產出大量NOx造成另一種空氣汙染；另一方案為在原加熱腔體中添加還原劑，如H2、CH4、C2H4、C2H6、CO等，將N2O處理效率提升至大於60%(既有機台改善目標)，然而因製程氣體N2O的排放量變化差異大，使還原劑的添加無法精準掌握，導致製程氣體處理效率較低或是大量的還原劑殘留。
在淨零碳排議題升溫的此刻，N2O處理成為當前最迫切之需求，但既有設備無法馬上汰換，也尚無新世代零碳排Local Scrubber問世，因此，還原劑精準添加技術(圖四)是當前減碳需求的第一步。
圖四、還原劑添加系統量測圖
2. 低溫還原N2O技術
有鑑於前述添加還原劑系統，是在高溫環境(>800˚C)處理N2O，容易產生大量NOx排放問題，雖效率初步可達到先期減碳目標(≧60%)，然而距離最終之淨零碳排目標，顯然還需要一個全新的技術，方能再提升N2O處理效率至>99%，同時也要避免NOx排放造成的二次空氣汙染。
①在真實製程環境下，N2O與矽甲烷(SiH4)幾乎是同時間使用，在Local Scrubber中也一起高溫反應，隨後產生大量粉塵二氧化矽(SiO2)及NOx，在國人普遍關注空氣品質的當下，Local Scrubber後端勢必加裝粉塵去除裝置避免大量SiO2排放，而NOx則需仰賴SCR-DeNOx才能處理，但半導體廠內幾乎已經沒有空間能安裝此大型設備了。故新技術應在Local Scrubber端處理N2O、SiH4產生之SiO2，同時避免產生NOx。
②要避免產生NOx，降低處理N2O的溫度是必須的，同時又需要提高N2O反應效率，使用觸媒來降低N2O反應溫度應是可行的選擇之一。在文獻搜索中，有一De-N2O觸媒可以在425˚C至450˚C下處理低濃度N2O (<1,000 ppm)，然而半導體製程尾氣中的N2O，濃度約在1%至30%(10,000 ppm至300,000 ppm)之間，在實務上是否能運用，尚須實驗證明，而觸媒材料可能還有改進空間。
③一般已知觸媒可能遭粉塵或水氣堵塞，失去活性，而SiH4在此觸媒反應溫度下，仍可能產生SiO2粉塵，所以在使用觸媒處理N2O前，應先將SiH4及其產生之SiO2徹底解決。
④初步技術構想如圖六：首先在一氧化加熱腔內，將SiH4反應生成SiO2，反應溫度約500˚C，SiH4之DRE即可大於99%。使用一可耐高溫(至500˚C)之濾網、濾袋或集塵設備，將SiO2(幾乎為PM2.5)收集並過濾SiO2粉塵。剩餘之N2O再經由觸媒低溫反應(至500˚C)，最後尾氣只餘乾淨之氣體排放，以達到零碳排、零汙染的最終淨零碳排目標---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、創新N2O處理技術流程圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》431期，更多資料請見下方附檔。