真空製程設備節能技術

作者:

李侃峰、盧江溪

刊登日期:2022/08/30

摘要:臺灣半導體設備規模逐年擴大,面臨能源短缺議題與節能減碳的推廣,真空製程設備朝向降低能源使用率與提升能源效率等目標製造,因此,逐步運用節能可達20~50%的高效率變頻真空泵,但生產線上仍有許多高耗能的定頻真空泵持續使用,本文回顧常見的真空泵節能技術,並比較其節能效益差異,以作為國內廠商導入真空泵系統節能之參考。
Abstract:The scale of Taiwan's semiconductor equipment is expanding year by year. Facing the issue of energy shortage and the promotion of energy saving and carbon reduction, vacuum process equipment is manufactured towards the goal of reducing energy usage and improving energy efficiency. Therefore, high-efficiency variable frequency vacuum pumps that can save 20~50% of energy are gradually being used. However, there are still many high-energy-consuming fixed-frequency vacuum pumps in continuous use on the production line. This article reviews common vacuum pump energy-saving technologies, and compares their energy-saving benefits, as a reference for domestic manufacturers to introduce energy-saving vacuum pump systems.

關鍵詞:節能、真空、製程設備
Keywords:Energy saving, Vacuum, Process equipment

前言
據統計,半導體龍頭廠台積電年用電量佔全臺4.8%,超過臺北市年用電量,未來三奈米廠投產後用電量更達全臺7.2%,也是用電最多的單一企業[1]。經濟部公告之『能源用戶訂定節約能源目標及執行計畫規定』與『電子業節約能源及使用能源效率規定』,分別對:照明、動力、電熱、空調、冷凍冷藏或其他使用能源之設備,與冰水機群組、風機、吸附式乾燥機及壓縮空氣系統,提出提升節能之建議。
循上述兩項規定之精神,盤點半導體廠能耗區分兩類-廠務設備與製程設備,統計資料顯示半導體整廠的製程設備能耗比例達全廠的40.7%,如圖1所示,製程設備用的製程泵與非製程泵系統分別佔其中52%與9% [2-3];以全廠能耗比例計算,廠務設備的冷卻系統與製程設備的泵系統分別佔24.9%與24.8%,因此,製程設備中的泵系統能耗是相當值得探討節能潛力的一環。

圖1 半導體廠能耗分布


參考半導體製造設備之能源、電力、原料節約基準SEMI S23-0813[4],該基準說明半導體製造設備之能源、電力及原料的節約概念,並透過持續改善半導體製造設備之能源、電力及原料使用,以促進能源、電力及原料的節約之目的。
SEMI S23-0813對於真空系統的能源轉換係數(Energy conversion factors, ECFs)定義為0.060 kWh/m3,但其壓力定義為5.88 kPa,判斷屬於廠務設備用的真空系統,而製程設備用的泵系統能耗並未被進一步討論,因此,製程設備用的真空泵系統在能耗討論中容易被誤解與低估。
真空製程設備技術
常見真空製程設備包含長晶爐、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、蝕刻機、離子佈植、移載腔體(transfer)與載入/載出腔體(load/unload)等,該設備模組運用真空泵產生製程所需之真空環境,並依真空度高低需求選擇不同技術等級的真空泵,其中乾式真空泵運用甚廣且分類多元,正常壓力範圍可達10-4 Torr。早期因考量真空製程穩定性,且馬達變頻技術尚未普及,乾式真空泵多為定頻運轉。近年來,由於變頻技術進步且影響製程穩定性疑慮消除,國際真空泵廠開始發展並推廣變頻式真空泵。以下將進一步說明發展變頻式真空泵的優點。
真空泵對於真空製程設備的主要功能有二:一是製造出製程腔體需要的的真空度,另一是保持製程腔體的真空度。由於腔體與大氣間必然保持些許的真空洩漏率,因此即使製程腔體到達製程所需求的真空度,真空泵仍會持續運轉以保持製程腔體真空度。基於此,定頻式真空泵自真空製程設備啟動完成後會一直保持全速運轉,因而造成耗能。
相較於保持相同運轉速率的定頻式真空泵,變頻式真空泵會依製程需求進行真空泵降載或掛載,例如,變頻真空泵啟動並將腔體抽氣至製程所需真空度後,便依製程所需降載運轉速率。是故,變頻式真空泵可依實際狀況進行負載調節之優點,是減少能源虛耗的關鍵。
以光電特性要求多元且謹慎的真空鍍膜設備為例,真空製程壓力的穩定性會直接影響鍍膜的特性、均勻性與鍍率。程序上,鍍膜製程起始前會先釋放參與反應的氣體或載氣至製程腔體中,接著自動壓力控制單元(APC)會調變真空泵的管路開度,以確保製程壓力保持在製程需求範圍內,製程壓力變動誤差小於設定值後,即進入薄膜製程。真空泵在變頻時雖會改變抽氣速度,然透過APC精準調控至製程所需的真空壓力值,因此在製程中不管變頻式真空泵會保持在額定負載,以確保製程腔體真空度與APC的穩定度。因此,變頻式真空泵不會因可調節負載的設計,影響了製程穩定度。

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