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電漿製程之源頭減碳與模擬分析技術應用
作者
王亘黼、林義鈞
刊登日期:2026/09/01
摘要
隨著全球氣候變遷議題益受關注,各國陸續提出淨零碳排政策,並透過碳稅、碳足跡揭露等方
式加速產業邁向低碳製造。電子產業廣泛應用之電漿製程,包含表面清潔、蝕刻皆普遍使用四氟化碳
(Tetrafluoromethane, CF4) 作為氣體源,然而其具備高全球暖化潛勢 (Global Warming Potential, GWP) 特性,
成為相關產業溫室氣體排放的來源之一。相較於製程尾氣處理設備所採取之汙染物淨化處理防制模式,若
能從製程源頭導入低暖化潛勢替代氣體,並透過模擬分析技術與製程參數優化以保持原有製程效能,便具
備產業減碳效益。本文以電漿清潔製程為探討,選定低暖化潛勢之替代氣體後,先建立電漿製程腔體三維
幾何模型,以工研院機械所建立之氣流場模擬技術分析CF4 和低GWP 值替代氣體於腔體內部之流場分布
與基板區域氣流均勻度,確認替代氣體和CF4 氣流場分布相近,再透過電漿設備進行製程實驗參數優化,
驗證替代氣體實際應用可行性,經計算該製程碳排當量降低21.8%,顯示源頭減碳策略具有實質效益,可
做為未來源頭減碳技術之參考依據。
Abstract
As global concerns over climate change continue to intensify, countries worldwide have introduced
net-zero carbon policies and accelerated the transition toward low-carbon manufacturing through mechanisms
such as carbon taxation and product carbon footprint disclosure. Plasma processes widely used in the electronics
industry, including surface cleaning and etching operations, commonly utilize tetrafluoromethane (CF4) as a
process gas. However, due to its high Global Warming Potential (GWP), CF4 has become a significant source of
greenhouse gas emissions in related industries. Compared with conventional pollution control approaches that
rely on exhaust gas treatment systems, greater carbon reduction benefits may be achieved by introducing low-
GWP alternative gases at the process source while maintaining process performance through simulation analysis
and parameter optimization. This article presents a plasma cleaning process by selecting a low-GWP alternative
gas and establishing a three-dimensional geometric model of the plasma chamber. Computational fluid dynamics
(CFD)-based airflow simulation technology developed by the MMSL in ITRI was employed to analyze flow
distribution and gas uniformity in substrate regions. The results confirmed that the alternative gas exhibited flow
characteristics comparable to CF4 . Subsequent process optimization demonstrated the practical feasibility of the
alternative gas and achieved a 21.8% reduction in carbon-equivalent emissions, providing a valuable reference for
future low-carbon process development.
前言
電漿技術廣泛應用於電子產業製造流程中的蝕刻[1]、薄膜沉積[2]、表面改質[3]與清潔等步驟,其中清潔、除膠、表面處理常使用 CF4、C2F6、SF6 等含氟氣體,其具備高化學活性,易與基材或表面雜質進行反應,達到去除表面物質的效果。而 CF4 由於化學穩定性高、儲運便利且製程成熟,成為電漿清潔與蝕刻製程普遍採用之氣體,但 CF4 的 GWP 數值為 6,630[4]、遠高於 CO2,同時其大氣壽命極長[5],已被視為重要之溫室氣體來源。
為因應歐盟碳邊境調整機制(Carbon Border Adjustment Mechanism,CBAM)的確立,以及國際供應鏈碳足跡揭露和全球淨零排放趨勢,我國亦積極推動溫室氣體減量政策。國家發展委員會於 2022 年正式公布《2050 淨零排放路徑及策略總說明》,明確宣示我國將在 2050 年達成淨零碳排目標,並規劃能源、產業、生活及社會等四大轉型路徑;同時環境部於 2024 年公告《碳費收費辦法》相關子法,自 2025 年起針對年排放量達 2.5 萬公噸 CO2 當量以上之電力及製造業者課徵碳費,每公噸 CO2 當量碳排之一般費率為新臺幣 300 元[6],顯見我國也不會在全球永續發展潮流中缺席,驅使高耗能與高碳排製程加速投入低碳技術研發與轉型。
傳統減少碳排放策略多採末端處理方式,例如將設備排放尾氣中高 GWP 值氣體進行燃燒分解、轉換成較低 GWP 值物質,或是利用溼式洗滌設備、吸附系統進行碳捕捉,以降低碳排放程度。然而此類方式對於減少全球暖化潛勢氣體排放成效有限,同時伴隨末端處理設備之運轉能耗和維護成本;因此,近年產業界逐漸重視「源頭減碳」概念,亦即直接降低高碳排源頭物質使用量,並以低 GWP 值替代物取代原製程化學物,以達到根本減量之目的。
然而,氣體特性對於電漿製程效果影響甚鉅,不同氣體之物理性質和化學活性等因素,皆會影響腔體內流場分布、電漿密度與表面處理結果。若直接替換電漿製程氣體源而缺乏前期研究評估,可能導致製程效率不佳。有鑒於此,若能於導入前利用模擬分析技術,預先分析替代氣體於製程腔體內部之流場以及氣體分布特性,將可做為與原製程氣體比對之重要參考,本文同時以工研院機械所開發之電漿輔助化學氣相薄膜沉積設備,根據模擬結果進行低 GWP 值替代氣體導入測試,建立兼顧製程效能與碳排減量的驗證模式,以提供製造業推動永續轉型之參考。
低碳氣體製程研究與替代氣體源之選定
一、電漿製程高 GWP 值氣體排放源與減碳機制
電漿製程所使用之製程氣體,可依功能區分為載氣(Carrier Gas)、反應氣體(Reactive Gas)與輔助氣體(Additive Gas)[7]。其中反應氣體直接參與材料表面化學作用,對製程效率影響最為明顯,而含氟氣體於電漿放電後,可產生活性 F 自由基,能快速與矽氧化物、有機殘留物及玻璃表面成分反應,然而其對環境衝擊亦十分明顯,由於 CF4 之 C-F 鍵結強、分子化性穩定,於大氣環境中難以自然分解,故具有極長停留時間,造成之暖化效應也遠高於 CO2。因此如果能將原有高 GWP 值氣體替換為較低 GWP 值之氣體源,將可在不增加額外設備負荷前提下,直接降低製程碳排,即為源頭減碳之概念。
DOI:10.30256/JIM.202609_(522).0007
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2026年09月號
(單篇費用:參考材化所定價)