高科技工業空氣污染防制設施效能提升研析 白曛綾 國立交通大學環境工程研究所 教授 民 國 九 十一 年十 月三十日

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1 高科技工業空氣污染防制設施效能提升研析 白曛綾 國立交通大學環境工程研究所 教授 民 國 九 十一 年十 月三十日
高科技工業空氣污染防制設施效能提升研析 白曛綾 國立交通大學環境工程研究所 教授 民 國 九 十一 年十 月三十日

2 目 次 一、前言 二、研究目的 三、高科技工業常見之空氣污染防制設施 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題 分析及建議 五、實地輔導成果
六、結論與建議

3 一、 前言

4 行政院環保署已於民國88年1月發布，當年7月正式施行 「半導體製造業空氣污染管制及排放標準」
一、前言 行政院環保署已於民國88年1月發布，當年7月正式施行 「半導體製造業空氣污染管制及排放標準」 此外環保署亦已著手規劃其他電子產業之空氣污染管制及排放標準，來規範所有與電子產業相關行業之空氣 污染物排放。

5 新竹科學園區管理局已連續三年委託國立交通大學環境工程研究所執行半導體及光電產業之現場訪查與深入輔導工作。
一、前言（續） 新竹科學園區管理局已連續三年委託國立交通大學環境工程研究所執行半導體及光電產業之現場訪查與深入輔導工作。 累計完成近60廠次之現場訪查，以及五家工廠之實地深入輔導工作， 藉以了解各廠之空氣污染防制現況， 並提供改進建議。

6 一、 前言（續） 半導體產業常見之空氣污染來源：
酸鹼性氣體：於氧化、光罩、顯影、蝕刻等製程中使用強酸（硫酸、氫氟酸、鹽酸、硝酸、磷酸），及於蝕刻、擴散等區使用氨氣及氨水等。 VOCs: 在光罩、顯影後光阻劑、顯影液、蝕刻液的清洗及後續晶元清洗等過程，使用丙酮、異丙醇、乙二醇等有機溶劑。 毒性氣體及溫室效應氣體：氧化、光罩、蝕刻、擴散、離子植入及CVD等製程中使用PH3、SiH4、B2H4等毒性氣體及三氟甲烷、四氟化碳、六氟乙烷等溫室效應氣體。

7 一、 前言（續） 光電產業常見之空氣污染來源：
酸鹼性氣體：光蝕刻與顯影製造技術與半導體製程相近，其製程中使用高濃度之氫氟酸、硫酸、鹽酸等強酸來進行蝕刻。 VOCs:於清洗與化學處理程序使用丙酮、異丙醇，黃光區之曝光顯影程序時使用光阻劑、HMDS、異丙醇、二甲苯、醋酸丁酯等。 毒性氣體： 在磊晶成長程序中使用砷化氫(STN-LCD磊晶製程除外)、矽甲烷、磷化氫等毒性物質。

8 二、 研究目的

9 提供業界高科技產業空氣污染防制常見之問題及效能提升建議。 提供相關之執行經驗給學界參考，以求拋磚引玉之效果。
二、 研究目的 提供業界高科技產業空氣污染防制常見之問題及效能提升建議。 提供相關之執行經驗給學界參考，以求拋磚引玉之效果。

10 三、高科技工業常見之空氣污染防制設施

11 由累計完成之58廠次之工廠現場訪查資料，來整理常見之空氣污染防制設施。
三、高科技工業常見之空氣污染防制設施 由累計完成之58廠次之工廠現場訪查資料，來整理常見之空氣污染防制設施。 36廠次半導體業之晶片製造、晶圓製品等製造廠。 20廠次光電產業之光電材料元件系統、平面顯示器及光儲存媒體製造廠。 2廠次之通信產業無線通訊設備廠。

12 三、高科技工業常見之空氣污染防制設施 無機性酸鹼氣體：填充式洗滌塔 毒性氣體：local scrubbers，包括焚化+水洗、乾式吸附、濕式洗滌、自燃式等，目標污染物包括SiH4, Cl2, NF3, PH3, AsH3,…。 揮發性有機氣體：固定床活性碳、沸石轉輪濃縮焚化、臭氧氧化處理、流體化活性碳床、生物濾床、洗滌塔。

13 三、高科技工業常見之空氣污染防制設施-VOCs防制設施之設置比例

14 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題分析及建議- 無機酸鹼性氣體

15 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- 無機性氣體
洗滌塔之操作維護情形不理想： 普遍存在之問題，尤其光電產業尚無正式之法規可加以規範，而未注意洗滌塔之操作狀況，有部份廠家甚至無pH sensor等基本裝置。 光電產業環保相關人力不足亦為操作不佳之原因之一。

16 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- 無機性氣體
槽化（channeling）現象： 部分廠家洗滌塔因循環水量不足或液體分散器之分散效果不佳，填充物上無法獲得均勻之液體，導致氣體未被有效處理及排放。 建議注意洗滌塔頂層之液體分散器配置是否均勻分佈，以及有無阻塞之情形，以減少氣體槽化現象。

17 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- 無機性氣體
白煙問題： 可能為鹼性及酸性氣體未完全分流處理而產生氨鹽微粒，或因SiO2顆粒存在產生核凝作用之結果，水氣之存在又增強其白煙效應。

18 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- 無機性氣體
排放口監測濃度值多低於偵測下限，導致無法評估實際排放量： 可考慮依環檢所公告之檢測方法，延長採樣時間。 或以較精確，經學術驗證過之新型採樣設備（如擴散型採樣器）進行採樣。

19 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- 無機性氣體
酸氣洗滌塔之原設計往往不能符合法規要求之大於90%之效率要求 設計不良所致，新廠需加大洗滌塔之停留時間至1秒以上。 舊廠則宜選擇使用高比表面積之填充物。 此外亦應加強操作改善（如預防槽化），及避免粒狀反應產物生成。

20 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題分析及建議- VOCs

21 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- VOCs
可將其預先以分流、冷凝濃縮、活性碳吸附、或以較便宜之濾網預先處理，再導入處理設備。 避免加裝洗滌方式之前處理設備，以免降低VOCs進入焚化爐內之濃度，增加焚化能源之消耗，並增加廢水廠之負荷。 裝設THCs連續監測設施。 定期維護保養。

22 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- VOCs
THCs連續監測儀之氣體校正： 各廠家多僅實施高濃度氣體校正，惟目前VOC處理設備後端濃度值多低於10ppm以下，為確保出口濃度之監測為正確值，建議應另實施較低濃度標準氣體(如5～10 ppm as CH4)進行校正。

23 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- VOCs
活性碳吸附塔之換碳頻率或換碳量不足： 無法有效處理VOCS廢氣，建議進行一次換碳頻率之評估試驗。

24 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題- VOCs
建議在光電產業之相關空污法規公告前，先行檢測前後出口THCS濃度值，以能有較充裕之時間彌補需改進之處。

25 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題分析及建議- 毒性氣體

26 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題-毒性氣體
砷化氫之使用與規範： 發光二極體等相關類型之光電廠 ﹙半導體廠亦然）在磊晶製程使用較多之砷化氫，其為毒性較強之化學物質，建議及早進行local scrubber 處理效率之評估及排放檢測，以免後續相關管制標準修行後因應困難 。

27 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題分析- 他山之石

28 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題-他山之石
本計畫進行現場訪查時，部分廠之污染防制設備之規劃方式頗佳，值得其他廠參考： 某光電廠含VOCS廢氣在進入沸石吸附濃縮焚化系統之前，先以冷凝方式回收高沸點物質，此可避免光電廠常見之高沸點物質所造成降低吸附能力之問題，且可再利用該有機物。

29 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題-他山之石
某光電廠之矽甲烷在local scrubber 機台僅以燃燒方式處理後，未再經洗滌程序隨即導入袋式集塵器，其可避免末端中央洗滌塔之結垢、效率問題，以及廢水中之SiO2後續處理問題。

30 四、高科技工業常見之空氣污染防制問題-他山之石
少數半導體廠遇到相關之環保問題，即以專案方式尋求解決方法，必要時亦委請相關專家學者協助，因此較易找到問題之根源，而可有效處理之。

31 五、 實地輔導成果

32 五、實地輔導 實地深入輔導五家工廠，分別完成（或正進行中）下列實地輔導工作，以改善其末端之污染防制設備操作現況 ： 活性碳吸附塔效能及換碳頻率評估 填充式洗滌塔操作問題分析 沸石吸附濃縮焚化系統操作參數評估 沸石吸附濃縮焚化系統操作改善及轉輪前加裝濾布以減低高沸點物質進入轉輪之功能評估（進行中）。 生物濾床操作問題評估（另文報告成果）。

33 進行輔導者為某光電製造工廠，主要使用VOCs溶劑為異丙醇及丙酮 經駐廠以小型活性碳吸附塔進行貫穿吸附實驗後，所得結果如下圖
五、實地輔導 活性碳吸附塔換碳頻率評估 進行輔導者為某光電製造工廠，主要使用VOCs溶劑為異丙醇及丙酮 經駐廠以小型活性碳吸附塔進行貫穿吸附實驗後，所得結果如下圖

34 活性碳使用時間與入出口THCs濃度比值關係圖
活性碳吸附塔換碳頻率評估 活性碳使用時間與入出口THCs濃度比值關係圖

35 活性碳吸附塔換碳頻率評估 該廠廢氣THCs濃度130~220 ppmv ，流量約為160CMM 。 欲維持70%以上吸附效率，則評估其需每個月更換活性碳1600kg ，每次更換費用約新台幣10萬元，每年換碳費用為120萬元。 欲維持90%以上吸附效率，則評估其需每15天更換活性碳一次，每年換碳費用為240萬元。 90%效率之換碳費用與處理 CMM廢氣之沸石轉輪焚化系統之操作維護費相當。 進行該廠改用生物濾床之可行性評估。

36 填充式洗滌塔操作問題改善 洗滌塔內結垢 連接洗滌塔之煙囪排放白煙 處理效率未知 酸鹼性氣體吸收效率檢測分析 吸收效率預測及操作參數改善建議
進行輔導者為半導體廠,目前該廠填充塔操作時所面臨之問題為 洗滌塔內結垢 連接洗滌塔之煙囪排放白煙 處理效率未知 本計畫工作項目針對該廠進行下列工作 酸鹼性氣體吸收效率檢測分析 吸收效率預測及操作參數改善建議 提供排放白煙與塔內結垢改善建議

37 酸鹼性氣體吸收效率檢測分析(多孔金屬片)
註1:氣狀物單位ppbv,粒狀物單位ug/Nm3 2:”*”代表無法估算 3.“ND”代表Not Detectable,小於儀器偵測極限

38 酸鹼性氣體吸收效率檢測分析 綜合某半導體廠之洗滌塔吸收效率評估結果可知：
該廠之洗滌塔除了對NO2-有良好之吸收效率外，其餘無機酸、鹼性氣體之吸收效率則不佳。 洗滌塔中之Cl-、F-及NH4+洗滌效率不佳之原因，係因其在酸鹼混流時即彼此反應形成鹽類微粒，然而這些微粒因顆粒細小，填充式洗滌塔之洗滌效果即不佳。

39 酸鹼性氣體吸收塔效率預測分析方法 酸鹼性氣體洗滌塔屬氣相控制之操作單元，因此在pH值及循環洗滌液流量(潤濕因子)能符合法規要求下限值之前提下，則影響洗滌塔效率因子僅為塔高(停留時間)及填充物比表面積兩項操作參數。 所以求得欲處理物種之總氣膜傳輸係數KG值，即可預測不同τa值時之洗滌塔處理效率

40 酸鹼性氣體吸收塔效率預測分析結果 20℃,1atm下HCl之去除效率對τa變化圖

41 20℃,1atm下HF之去除效率對τa變化圖

42 輔導個案之效率預測分析結果(HF) 比表面積a對HF處理效率η變化圖。填充高度為1m 、處理流量為36,500 CMH、溫度為20℃、P為1atm。

43 輔導個案之效率預測分析結果(HCl) 比表面積a對HCl處理效率η變化圖。填充高度為1m 、處理流量為36,500 CMH、溫度為20℃、P為1atm。

44 酸鹼性氣體吸收塔結垢物分析

45 酸鹼性氣體吸收塔結垢物分析 分析陰陽離子之重量濃度總和為100%±10%，分析之陰陽離子當量平衡誤差亦在25%以內，分析可靠度相當高。 結垢物分析濃度中以Na+及F-濃度遠大於其他物種，推測結晶物應為NaF所致。表示新鮮洗滌水之補充量可能不足。

46 輔導廠洗滌塔改善方案-結垢 問題分析 新鮮水補充量不足 循環水量不足。 未定期清洗。 解決方案 增加overflow 水量
增加液氣比，增加循環水槽中洗滌液停留時間及添加化學藥劑清洗 定期清洗或更換填充物

47 輔導廠洗滌塔改善方案-白煙 問題分析： (1). 酸鹼氣體混和排入洗滌塔內，(2). NF3於local scrubber焚化處理後產生NH3，(3). SiO2微粒未被有效去除。 微粒在離開煙囪後，受過飽和水氣凝結成長至可見光之粒徑範圍內。 解決方案： 檢視管線，查看是否酸鹼氣體混排 審視液體分散器，避免噴嘴壓力太強，造成噴霧狀水滴形成過飽和之水氣 是否裝設除霧器 ，以及除霧效果是否可再增強

48 輔導廠洗滌塔改善方案-處理效率不佳 問題分析： 設計不良-停留時間或填充物比表面積過低 酸鹼氣混排產生微粒-洗滌塔無法有效去除微粒。
操作不當-槽化、循環水不足、pH值控制不當等所致。 解決方案： 檢查循環水之泵、控制閥或管線是否正常，並清理液滴分散器或增設再分佈器、檢查填充物是否結垢、腐蝕或壓堆變形 選擇比表面積較大之填充物。 避免酸鹼混排。

49 沸石吸附濃縮焚化系統之操作參數評估 於一正裝設沸石吸附濃縮焚化設備系統廠家，針對兩個操作參數值進行調整: 提高脫附溫度(調整熱交換器參數)
增加脫附氣流量(調整進入轉輪風量閥門) 於不特別耗能、不變更或增加硬體設施原則下，冀以精進沸石吸附濃縮焚化系統之處理效能

50 原廠建議參數與本研究測試之操作參數及其去除效率

51 適度提昇脫附溫度並降低脫附氣流流量，可維持甚至提昇原設計之處理效率，並減少可觀（本案減少23%)之燃料費用
沸石吸附濃縮焚化系統之操作參數評估 適度提昇脫附溫度並降低脫附氣流流量，可維持甚至提昇原設計之處理效率，並減少可觀（本案減少23%)之燃料費用

52 沸石吸附濃縮焚化系統之定期再生 實驗方法：從三座沸石吸附濃縮轉輪焚化實廠設備上採樣，經高溫活化再生後進行飽和吸附實驗。 實廠運作概況表
吸附側 Z50 廠家1 廠家2 廠家3 Z350

53 轉輪再生實驗結果

54 沸石吸附濃縮焚化系統之定期再生 200℃恆溫下活化再生之吸附量約是全新乾淨樣品之30~50% 400℃恆溫下再生活化，其吸附量約是全新乾淨樣品之70~90% 經400℃活化再生後其吸附效能之回覆率均優於200℃活化再生

55 六、 結論與建議

56 結論 高科技產業之製程複雜，連帶使其相關之空氣污染防制設施問題也有別於其他產業。
為提昇我國高科技產業之競爭力，並兼顧環境保護之需求，產官學界應針對其常見、迫切面臨之環保問題攜手合作，尋求解決方案： 合理成本之技術 檢測相關問題 法規之合理管制

57 結論 我國高科技產業在國際上居於重要、甚至領先之地位，因此有許多之問題均是國內特有，值得學術界投入心力共同開發環保新技術。

58 結論 洗滌塔效率提升之方法： 新廠：增加氣體停留時間至1秒以上。 舊廠：改採高比表面積之填充物。 避免酸鹼氣體混流而反應產生微粒之狀況發生。

59 結論 沸石轉輪吸附濃縮焚化系統效率提升之方法： 高沸點物質預先分流，或在系統前加裝 冷凝、活性碳吸附或濾布等裝置。
適度調整轉輪之轉速、脫附溫度及脫附氣流流量等操作參數，以達最佳化操作。 定期清洗轉輪，與定期以更高之溫度進行轉輪再生。

60 建議 對洗滌塔效率評估之建議： 各廠可考慮以經學術驗證過之方法進行酸氣洗滌塔之效率評估，以進一步瞭解實際排放量，作為洗滌塔效率提升及未來進行總量管制之依據。

61 建議 目前半導體及光電業之VOCs可行控制技術： 高流量、欲達90%以上之效率⇒選擇沸石轉輪焚化系統。
中低流量、效率在70%以上⇒可考慮高級臭氧氧化、生物濾床。

62 建議 臭氧氧化處理 vs 生物濾床： 臭氧氧化：空間需求小於生物濾床、穩 定操作，但有廢水VOCs排放及臭氧氣體 排放問題。
生物濾床：設置及操作費用最低為其最 大優點，但操作效率易受微生物活性等 影響，較適合效率要求不高且有充足空 間者。

63 建議 毒性砷化氫氣體之控制效率： 砷化物將可能優先被環保署列為未來管 制之空氣污染物，因此使用砷化物之相 關產業應及早針對此項物種進行控制效 率之評估。

64 建議 溫室效應氣體之控制技術研發 開發較低溫之PFCs控制技術如電漿 技術、觸媒氧化等技術為可行之研 究方向。

65 敬 請 指 教