為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)降低危險氣體風險的創(chuàng)新技術(shù)
[導(dǎo)讀]微電子產(chǎn)業(yè)中的半導(dǎo)體制程，常會使用具有危害性及毒性的氣體。在今日的制造業(yè)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(tài)(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
微電子產(chǎn)業(yè)中的半導(dǎo)體制程，常會使用具有危害性及毒性的氣體。在今日的制造業(yè)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(tài)(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，或是因為氣瓶本身泄漏而造成的危險氣體排出，可導(dǎo)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，所以對于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?yōu)闃藴实牟僮鞣绞剑渑c過去之差異在于使用具有奈米大小之孔洞的基材，得以用吸附或是鍵結(jié)等方式攜帶氣體分子，使鋼瓶內(nèi)壓力得以減低，并且實際減低氣體意外泄漏的機會。而自1993年起，先進科材(Advanced Technology Materials, Inc. ，ATMI)便開始應(yīng)用這樣的新科技，并且將此類產(chǎn)品商品化；該產(chǎn)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(dǎo)體的離子植入制程中，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 已成為必然采用的氣體鋼瓶系統(tǒng)。
SDS系統(tǒng)，使用了稱為BrightBlack 的吸附材料，系一具備精密奈米級孔洞之碳材?；旧希瑢怏w分子具有自然吸引力的任何固態(tài)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(tài)材料的吸引、移入該材料的孔洞內(nèi)并且固著在其中?？剂康讲煌N類的氣體分子具有不同體積的特性，經(jīng)精密計算后BrightBlack碳材，具備最佳化處理之孔洞大小及材質(zhì)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(guān)科技領(lǐng)域里，材料的表面積(surface area)與該材料所能吸附的氣體分子數(shù)量成正比。舉例而言，在SDS3系統(tǒng)中，BrightBlack碳材所具有的奈米孔洞數(shù)目及其密度，在一個標準的、兩英尺高的鋼瓶內(nèi)，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(yè)上，在傳統(tǒng)的高壓氣體(用于例如氧氣、丙烷、氦氣等等眾多種類氣體)鋼瓶內(nèi)部，氣體分子是可以自由移動的，所以氣體分子碰撞鋼瓶內(nèi)壁使之內(nèi)部壓力升高。而內(nèi)部壓力較高的鋼瓶，只要一個翻轉(zhuǎn)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(nèi)的高壓將迫使氣體經(jīng)由氣閥沖出瓶外。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(shù)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(xiàn)象：分子間的交互作用，得以被用來協(xié)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(dǎo)向一個固體物質(zhì)表面，其將被「提取」并且停留在固態(tài)物質(zhì)內(nèi)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(tài)物質(zhì)能與氣體形成弱的鍵結(jié)，而得以實際「抓住」氣體分子；這個現(xiàn)象即為我們所知的吸附作用。憑藉對于此現(xiàn)象的瞭解與運用，ATMI研究并發(fā)表了創(chuàng)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(tǒng)。
在SDS系統(tǒng)中，氣體分子是以微弱鍵結(jié)固著(吸附)在BrightBlack碳材內(nèi)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(nèi)部的氣體總壓，使之低于外界的大氣壓力。
600)this.style.width=600;" border="0" />BrightBlack奈米孔隙吸附碳材放大之表面構(gòu)造 (來自IMP的Georgina Laredo提供)
在離子植入制程中的反應(yīng)條件下，反應(yīng)裝置(reactor)對氣體產(chǎn)生相當強度的負壓，足以將被吸附在BrightBlack碳材內(nèi)的氣體分子吸出，再引入反應(yīng)腔(process chamber)；于此反應(yīng)條件下，其壓力通常是在5 x 10E-4上下。本鋼瓶技術(shù)暨氣體運送系統(tǒng)的使用，已大大減少半導(dǎo)體工業(yè)中，意外泄漏的氣體量。毋庸置疑，這也大大提升了制程中的安全品質(zhì)及降低人員傷損。
使用SDS系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟效益
半導(dǎo)體制造業(yè)者不斷面臨必須降低制造成本、能源消耗，以及守護資本額等等巨大壓力。在制程上使用具備奈米孔洞科技的SDS系統(tǒng)，對于上述營運壓力的紓解可說是多所助益。事實上，在晶圓制造廠中，離子植入設(shè)備是消耗能源及無塵室通風量最多的制程步驟。空氣被導(dǎo)入離子植入機，用于協(xié)助機體內(nèi)部進行散熱；更重要的，若發(fā)生毒性氣體外泄時，此時強制通入機體內(nèi)的空氣便能用以將之稀釋、維持一定的安全性。
因為SDS系統(tǒng)可以實質(zhì)減低意外泄漏的氣體量，因此半導(dǎo)體制造業(yè)者發(fā)現(xiàn)，若采用SDS系統(tǒng)，將能夠降低安裝廢氣洗滌系統(tǒng)(air scrubbing system)以及廢氣排放處理系統(tǒng)(air abatement system)的成本；而降低了廢氣處理系統(tǒng)的使用量，也就降低了能量的損耗以及成本。
在2008年，SDS砷化氫鋼瓶成就了歷史上首度能以空運方式運輸A區(qū)危害性材料。這項突破具有重大意義，SDS鋼瓶能安全地空運，大大簡化了跨國海、陸路運輸航程的規(guī)劃，以及緩解因運輸而導(dǎo)致的延遲交貨等困擾。
此外，因為其安全記錄優(yōu)良，使用SDS系統(tǒng)也頗得產(chǎn)業(yè)保險公司的青睞，使得相關(guān)保費可較低廉。更棒的是，比較于體積相近的高壓氣體運輸裝置，SDS?系統(tǒng)可以容納更大量的氣體。因此，SDS可提供更多的氣體供離子植入制程使用。
600)this.style.width=600;" border="0" />不同于一般鋼瓶中常見的高壓氣體儲存方式，ATMI之SDS氣瓶系統(tǒng)，藉由呈圓盤狀碳塊、填充于氣瓶內(nèi)部的BrightBlack 奈米孔隙碳材，得以吸附氣體分子。SDS氣瓶系統(tǒng)內(nèi)部的氣體儲存環(huán)境為負壓(sub-atmospheric，低于周遭大氣壓力)。應(yīng)用這個新科技得以確實消除危害性氣體意外泄漏的危險性
更安全的科技造成了管理規(guī)范與法規(guī)的轉(zhuǎn)變
事實上，SDS系統(tǒng)并非只有在晶圓業(yè)造成改變而已。相對于傳統(tǒng)的高壓氣體系統(tǒng)的使用，許多管理條例或是規(guī)范也隨著SDS系統(tǒng)的問世而有所更新或是修改，尤其是在運輸、儲存上的用途考量，以及在無塵室的操作運作。[!--empirenews.page--]
現(xiàn)今SDS系統(tǒng)已被歸類為負壓氣體運送系統(tǒng)(sub-atmospheric gas system，SAGS)；如美國交通部(U.S. Department of Transportation，USDOT)以及美國防火協(xié)會(National Fire Prevention Association ，NFPA)等組織，也因這項新科技制定了特別的條款。相似的例子還包括歐洲ADR (替代訴訟糾紛調(diào)解機制，Alternative dispute resolution)針對危害性物質(zhì)跨國運輸所制定的共同協(xié)議，以及新近的國際海運危險品準則(IMDG，International Maritime Dangerous Goods)等。
這些管理規(guī)范上的轉(zhuǎn)變，使得SDS系統(tǒng)的使用更具優(yōu)勢。歸納起來，這些法規(guī)上的轉(zhuǎn)變，在氣體鋼瓶運輸產(chǎn)業(yè)上，所帶來的好處包括運送危害物質(zhì)的重新分類、較寬松的安全管制標準、更高效率的運輸與配送、燃油成本的減省，以及更為便捷的貨運處理—即使經(jīng)由航空運輸亦可。SDS系統(tǒng)是美國交通部唯一許可、第一個可使用飛機運輸A區(qū)危害性材料的鋼瓶系統(tǒng)。
奈米科技的效益正開花結(jié)果
長久以來，新興「奈米」科技的相關(guān)消息一直不絕于耳。奈米科技，即為運用分子或是原子等級大小物質(zhì)的應(yīng)用科學；其將取代固有的技術(shù)。對于一項新興科技而言，在其發(fā)展與投入市場的過程中，必然都會遭遇種種疑慮(例如毒害性、對環(huán)境的沖擊、對全球生態(tài)系的影響)以及延遲(投入量產(chǎn)所遭遇到的問題、可再現(xiàn)的測試結(jié)果、相關(guān)原料是否可以順利取得等等)。
然而，以「奈米科技」概念出發(fā)的產(chǎn)品或是服務(wù)，終究將在未來的世界里占有舉足輕重的角色—尤其是在醫(yī)藥、電子、能源、生物材料等領(lǐng)域。而本文的SDS奈米技術(shù)，就是一個被認可的實例；若依上文概念，SDS系統(tǒng)甚至可被視為新時代奈米科技產(chǎn)品的先驅(qū)者。
近20年來，SDS系統(tǒng)以其BrightBlack奈米科技碳材，于毒性氣體的高效率、高安全性之儲存、運輸?shù)阮I(lǐng)域居于領(lǐng)導(dǎo)地位。本產(chǎn)品的問世也有助制造業(yè)者開始改善其在制程過程中，對氣體的處理方式。到了今日，業(yè)者們已清楚明白SDS氣瓶系統(tǒng)，在其產(chǎn)業(yè)運作過程中，所帶來的效益以及附加利益，包括運輸、配送、環(huán)境安全衛(wèi)生、制程中的氣體處理、供應(yīng)、財政、工程施作、制程產(chǎn)生的廢氣處理、意外的預(yù)防措施、設(shè)備管理，還有其他領(lǐng)域等等。
因SDS科技持續(xù)提供更安全、更具效率，且消耗較低成本的產(chǎn)品及操作模式故持續(xù)受到半導(dǎo)體業(yè)者的喜愛。盡管不斷有其他類型的系統(tǒng)，嘗試以機械元件模擬并仿效SDS系統(tǒng)的物理效應(yīng)。但論其成效與整體效益，仍沒有任何一項足以與SDS系統(tǒng)所使用之本質(zhì)性安全的物理吸附作用相匹敵。
此新穎科技可能成為改變產(chǎn)業(yè)模式、開發(fā)后續(xù)奈米科技產(chǎn)品誕生的關(guān)鍵。通常，這些創(chuàng)新在起初被人們接受的速度相當緩慢，然而隨著時間演進，一旦其存在價值被人們認可，它們便成為業(yè)界的新標竿，并逐步發(fā)揮其影響力。ATMI及其旗下SDS科技，便是發(fā)掘了具備奈米孔洞的固態(tài)碳材，能夠協(xié)助人們安全操作毒性氣體，遂以這樣的腳步，逐漸嶄露頭角。
取而代之的、同時也已演變?yōu)闃藴实牟僮鞣绞剑渑c過去之差異在于使用具有奈米大小之孔洞的基材，得以用吸附或是鍵結(jié)等方式攜帶氣體分子，使鋼瓶內(nèi)壓力得以減低，并且實際減低氣體意外泄漏的機會。而自1993年起，先進科材(Advanced Technology Materials, Inc. ，ATMI)便開始應(yīng)用這樣的新科技，并且將此類產(chǎn)品商品化；該產(chǎn)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(dǎo)體的離子植入制程中，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 已成為必然采用的氣體鋼瓶系統(tǒng)。
SDS系統(tǒng)，使用了稱為BrightBlack 的吸附材料，系一具備精密奈米級孔洞之碳材?；旧希瑢怏w分子具有自然吸引力的任何固態(tài)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(tài)材料的吸引、移入該材料的孔洞內(nèi)并且固著在其中?？剂康讲煌N類的氣體分子具有不同體積的特性，經(jīng)精密計算后BrightBlack碳材，具備最佳化處理之孔洞大小及材質(zhì)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(guān)科技領(lǐng)域里，材料的表面積(surface area)與該材料所能吸附的氣體分子數(shù)量成正比。舉例而言，在SDS3系統(tǒng)中，BrightBlack碳材所具有的奈米孔洞數(shù)目及其密度，在一個標準的、兩英尺高的鋼瓶內(nèi)，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(yè)上，在傳統(tǒng)的高壓氣體(用于例如氧氣、丙烷、氦氣等等眾多種類氣體)鋼瓶內(nèi)部，氣體分子是可以自由移動的，所以氣體分子碰撞鋼瓶內(nèi)壁使之內(nèi)部壓力升高。而內(nèi)部壓力較高的鋼瓶，只要一個翻轉(zhuǎn)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(nèi)的高壓將迫使氣體經(jīng)由氣閥沖出瓶外。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(shù)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(xiàn)象：分子間的交互作用，得以被用來協(xié)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(dǎo)向一個固體物質(zhì)表面，其將被「提取」并且停留在固態(tài)物質(zhì)內(nèi)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(tài)物質(zhì)能與氣體形成弱的鍵結(jié)，而得以實際「抓住」氣體分子；這個現(xiàn)象即為我們所知的吸附作用。憑藉對于此現(xiàn)象的瞭解與運用，ATMI研究并發(fā)表了創(chuàng)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(tǒng)。
在SDS系統(tǒng)中，氣體分子是以微弱鍵結(jié)固著(吸附)在BrightBlack碳材內(nèi)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(nèi)部的氣體總壓，使之低于外界的大氣壓力。
600)this.style.width=600;" border="0" />BrightBlack奈米孔隙吸附碳材放大之表面構(gòu)造 (來自IMP的Georgina Laredo提供)
在離子植入制程中的反應(yīng)條件下，反應(yīng)裝置(reactor)對氣體產(chǎn)生相當強度的負壓，足以將被吸附在BrightBlack碳材內(nèi)的氣體分子吸出，再引入反應(yīng)腔(process chamber)；于此反應(yīng)條件下，其壓力通常是在5 x 10E-4上下。本鋼瓶技術(shù)暨氣體運送系統(tǒng)的使用，已大大減少半導(dǎo)體工業(yè)中，意外泄漏的氣體量。毋庸置疑，這也大大提升了制程中的安全品質(zhì)及降低人員傷損。
使用SDS系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟效益
半導(dǎo)體制造業(yè)者不斷面臨必須降低制造成本、能源消耗，以及守護資本額等等巨大壓力。在制程上使用具備奈米孔洞科技的SDS系統(tǒng)，對于上述營運壓力的紓解可說是多所助益。事實上，在晶圓制造廠中，離子植入設(shè)備是消耗能源及無塵室通風量最多的制程步驟。空氣被導(dǎo)入離子植入機，用于協(xié)助機體內(nèi)部進行散熱；更重要的，若發(fā)生毒性氣體外泄時，此時強制通入機體內(nèi)的空氣便能用以將之稀釋、維持一定的安全性。
因為SDS系統(tǒng)可以實質(zhì)減低意外泄漏的氣體量，因此半導(dǎo)體制造業(yè)者發(fā)現(xiàn)，若采用SDS系統(tǒng)，將能夠降低安裝廢氣洗滌系統(tǒng)(air scrubbing system)以及廢氣排放處理系統(tǒng)(air abatement system)的成本；而降低了廢氣處理系統(tǒng)的使用量，也就降低了能量的損耗以及成本。
在2008年，SDS砷化氫鋼瓶成就了歷史上首度能以空運方式運輸A區(qū)危害性材料。這項突破具有重大意義，SDS鋼瓶能安全地空運，大大簡化了跨國海、陸路運輸航程的規(guī)劃，以及緩解因運輸而導(dǎo)致的延遲交貨等困擾。
此外，因為其安全記錄優(yōu)良，使用SDS系統(tǒng)也頗得產(chǎn)業(yè)保險公司的青睞，使得相關(guān)保費可較低廉。更棒的是，比較于體積相近的高壓氣體運輸裝置，SDS?系統(tǒng)可以容納更大量的氣體。因此，SDS可提供更多的氣體供離子植入制程使用。
600)this.style.width=600;" border="0" />不同于一般鋼瓶中常見的高壓氣體儲存方式，ATMI之SDS氣瓶系統(tǒng)，藉由呈圓盤狀碳塊、填充于氣瓶內(nèi)部的BrightBlack 奈米孔隙碳材，得以吸附氣體分子。SDS氣瓶系統(tǒng)內(nèi)部的氣體儲存環(huán)境為負壓(sub-atmospheric，低于周遭大氣壓力)。應(yīng)用這個新科技得以確實消除危害性氣體意外泄漏的危險性
更安全的科技造成了管理規(guī)范與法規(guī)的轉(zhuǎn)變
事實上，SDS系統(tǒng)并非只有在晶圓業(yè)造成改變而已。相對于傳統(tǒng)的高壓氣體系統(tǒng)的使用，許多管理條例或是規(guī)范也隨著SDS系統(tǒng)的問世而有所更新或是修改，尤其是在運輸、儲存上的用途考量，以及在無塵室的操作運作。[!--empirenews.page--]
現(xiàn)今SDS系統(tǒng)已被歸類為負壓氣體運送系統(tǒng)(sub-atmospheric gas system，SAGS)；如美國交通部(U.S. Department of Transportation，USDOT)以及美國防火協(xié)會(National Fire Prevention Association ，NFPA)等組織，也因這項新科技制定了特別的條款。相似的例子還包括歐洲ADR (替代訴訟糾紛調(diào)解機制，Alternative dispute resolution)針對危害性物質(zhì)跨國運輸所制定的共同協(xié)議，以及新近的國際海運危險品準則(IMDG，International Maritime Dangerous Goods)等。
這些管理規(guī)范上的轉(zhuǎn)變，使得SDS系統(tǒng)的使用更具優(yōu)勢。歸納起來，這些法規(guī)上的轉(zhuǎn)變，在氣體鋼瓶運輸產(chǎn)業(yè)上，所帶來的好處包括運送危害物質(zhì)的重新分類、較寬松的安全管制標準、更高效率的運輸與配送、燃油成本的減省，以及更為便捷的貨運處理—即使經(jīng)由航空運輸亦可。SDS系統(tǒng)是美國交通部唯一許可、第一個可使用飛機運輸A區(qū)危害性材料的鋼瓶系統(tǒng)。
奈米科技的效益正開花結(jié)果
長久以來，新興「奈米」科技的相關(guān)消息一直不絕于耳。奈米科技，即為運用分子或是原子等級大小物質(zhì)的應(yīng)用科學；其將取代固有的技術(shù)。對于一項新興科技而言，在其發(fā)展與投入市場的過程中，必然都會遭遇種種疑慮(例如毒害性、對環(huán)境的沖擊、對全球生態(tài)系的影響)以及延遲(投入量產(chǎn)所遭遇到的問題、可再現(xiàn)的測試結(jié)果、相關(guān)原料是否可以順利取得等等)。
然而，以「奈米科技」概念出發(fā)的產(chǎn)品或是服務(wù)，終究將在未來的世界里占有舉足輕重的角色—尤其是在醫(yī)藥、電子、能源、生物材料等領(lǐng)域。而本文的SDS奈米技術(shù)，就是一個被認可的實例；若依上文概念，SDS系統(tǒng)甚至可被視為新時代奈米科技產(chǎn)品的先驅(qū)者。
近20年來，SDS系統(tǒng)以其BrightBlack奈米科技碳材，于毒性氣體的高效率、高安全性之儲存、運輸?shù)阮I(lǐng)域居于領(lǐng)導(dǎo)地位。本產(chǎn)品的問世也有助制造業(yè)者開始改善其在制程過程中，對氣體的處理方式。到了今日，業(yè)者們已清楚明白SDS氣瓶系統(tǒng)，在其產(chǎn)業(yè)運作過程中，所帶來的效益以及附加利益，包括運輸、配送、環(huán)境安全衛(wèi)生、制程中的氣體處理、供應(yīng)、財政、工程施作、制程產(chǎn)生的廢氣處理、意外的預(yù)防措施、設(shè)備管理，還有其他領(lǐng)域等等。
因SDS科技持續(xù)提供更安全、更具效率，且消耗較低成本的產(chǎn)品及操作模式故持續(xù)受到半導(dǎo)體業(yè)者的喜愛。盡管不斷有其他類型的系統(tǒng)，嘗試以機械元件模擬并仿效SDS系統(tǒng)的物理效應(yīng)。但論其成效與整體效益，仍沒有任何一項足以與SDS系統(tǒng)所使用之本質(zhì)性安全的物理吸附作用相匹敵。
此新穎科技可能成為改變產(chǎn)業(yè)模式、開發(fā)后續(xù)奈米科技產(chǎn)品誕生的關(guān)鍵。通常，這些創(chuàng)新在起初被人們接受的速度相當緩慢，然而隨著時間演進，一旦其存在價值被人們認可，它們便成為業(yè)界的新標竿，并逐步發(fā)揮其影響力。ATMI及其旗下SDS科技，便是發(fā)掘了具備奈米孔洞的固態(tài)碳材，能夠協(xié)助人們安全操作毒性氣體，遂以這樣的腳步，逐漸嶄露頭角。
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