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為半導體產業降低危險氣體風險的創新技術

上網時間: 2013年03月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:危險氣體  半導體製程  鋼瓶  液化  高密度 

本文由ATMI提供

微電子產業中的半導體製程,常會使用具有危害性及毒性的氣體。在今日的製造業流程中,這些氣體通常都是藉由被壓縮或是液化等方式,以高密度的形態(例如高壓氣體鋼瓶)被運送。但因為高壓氣體的意外大量釋放,或是因為氣瓶本身洩漏而造成的危險氣體排出,可導致在漏氣點附近的工作人員在瞬間遭受嚴重傷害或是死亡,所以對於那些具有高毒性或是危險性的氣體種類,以高壓鋼瓶儲存已不再是合宜的儲存及運送方式。

取而代之的、同時也已演變為標準的操作方式,其與過去之差異在於使用具有奈米大小之孔洞的基材,得以用吸附或是鍵結等方式攜帶氣體分子,使鋼瓶內壓力得以減低,並且實際減低氣體意外洩漏的機會。而自1993年起,先進科材(Advanced Technology Materials, Inc. ,ATMI)便開始應用這樣的新科技,並且將此類產品商品化;該產品的商標名稱為Safe Delivery Source (SDS),取其在危險氣體之儲存、運送上,具備更高度安全性之意。

時至今日,半導體的離子植入製程中,當使用到劇毒性氫化合物(例如砷化氫及磷化氫)或是腐蝕性氣體(例如三氟化硼)時,ATMI的SDS 2 及 SDS 3 已成為必然採用的氣體鋼瓶系統。

SDS系統,使用了稱為BrightBlack 的吸附材料,係一具備精密奈米級孔洞之碳材。基本上,對氣體分子具有自然吸引力的任何固態材料,皆可稱之為吸附材料;當氣體分子遇到吸附材料時,會受到該固態材料的吸引、移入該材料的孔洞內並且固著在其中。考量到不同種類的氣體分子具有不同體積的特性,經精密計算後BrightBlack碳材,具備最佳化處理之孔洞大小及材質密度。

因此對不同的危險氣體分子,皆能達到最理想的物理吸附程度。在涉及吸附劑的相關科技領域裡,材料的表面積(surface area)與該材料所能吸附的氣體分子數量成正比。舉例而言,在SDS3系統中,BrightBlack碳材所具有的奈米孔洞數目及其密度,在一個標準的、兩英呎高的鋼瓶內,換算其表面積可超過500平方公尺。

何以氣體吸附可達成安全維護?

工業上,在傳統的高壓氣體(用於例如氧氣、丙烷、氦氣等等眾多種類氣體)鋼瓶內部,氣體分子是可以自由移動的,所以氣體分子碰撞鋼瓶內壁使之內部壓力升高。而內部壓力較高的鋼瓶,只要一個翻轉的動作,或是擠壓其頂部便足以開啟其氣閥(cylinder valve)。一旦氣閥被開啟,鋼瓶內的高壓將迫使氣體經由氣閥衝出瓶外。在操作具有致命危險的氣體而言,這當然不是個理想狀況;然而這狀況在數年之前仍屬常見。

幸好,有一個在超過200年前便被人們所察覺的自然現象:分子間的交互作用,得以被用來協助人們大大提升工作場所的安全性。

在18世紀晚期,科學家便觀察到:如果將氣體或是蒸氣,導向一個固體物質表面,其將被「提取」並且停留在固態物質內部。(科學家C.W. Scheele在1773年時進行了以木炭抓取氣體分子的研究)某些固態物質能與氣體形成弱的鍵結,而得以實際「抓住」氣體分子;這個現象即為我們所知的吸附作用。憑藉對於此現象的瞭解與運用,ATMI研究並發表了創新的SDS系列商品,提供一個更為安全、更高使用效率的氣體儲存與運輸系統。

在SDS系統中,氣體分子是以微弱鍵結固著(吸附)在BrightBlack碳材內部奈米孔洞表面。這樣的吸附力限制了氣體分子的移動性、降低其動能,進而減低了鋼瓶內部的氣體總壓,使之低於外界的大氣壓力。

 BrightBlack奈米孔隙吸附碳材放大之表面構造
BrightBlack奈米孔隙吸附碳材放大之表面構造 (來自IMP的Georgina Laredo提供)

在離子植入製程中的反應條件下,反應裝置(reactor)對氣體產生相當強度的負壓,足以將被吸附在BrightBlack碳材內的氣體分子吸出,再引入反應腔(process chamber);於此反應條件下,其壓力通常是在5 x 10E-4上下。本鋼瓶技術暨氣體運送系統的使用,已大大減少半導體工業中,意外洩漏的氣體量。毋庸置疑,這也大大提升了製程中的安全品質及降低人員傷損。

(下一頁繼續:使用SDS系統所帶來的經濟效益)


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