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纳米技术
SDS®系统可安全而有效率地用于危险气体相关操作
录入时间:2014/4/3 10:22:08

崭新的里程碑:填充吸附剂的气体钢瓶被证实可安全而有效率地用于危险气体相关操作。

碳材质上的纳米级孔洞提供了对气体分子的吸附力,能确实预防气体的意外泄漏并且提升其使用效率。

前言

微电子产业中的半导体制程,常会使用具有危害性及毒性的气体。在今日的制造业流程中,这些气体通常都是藉由被压缩或是液化等方式,以高密度的形态(例如高压气体钢瓶)被运送。但因为高压气体的意外大量释放,或是因为气瓶本身泄漏而造成的危险气体排出,可导致在漏气点附近的工作人员在瞬间遭受严重伤害或是死亡,所以对于那些具有高毒性或是危险性的气体种类,以高压钢瓶储存已不再是合宜的储存及运送方式。取而代之的、同时也已演变为标准的操作方式,其与过去之差异在于使用具有纳米大小之孔洞的基材,得以用吸附或是键结等方式携带气体分子,使钢瓶内压力得以减低,并且实际减低气体意外泄漏的机会。

自1993年起,先进科材股份有限公司 (Advanced Technology Materials, Inc. , ATMI)便开始应用这样的新科技,并且将此类产品商品化。采用的商标名称为Safe Delivery Source®, 或是SDS®,取其在危险气体之储存、运送上,具备更高度安全性之意。时至今日,半导体的离子植入制程中,当使用到剧毒性氢化合物(例如砷化氢及磷化氢)或是腐蚀性气体(例如三氟化硼)时,ATMI出品的SDS®2 及SDS®3 ,已成为必然采用的气体钢瓶系统。

SDS系统,使用了称为BrightBlack®的吸附材料,系一具备精密纳米级孔洞之碳材。基本上,对气体分子具有自然吸引力的任何固态材料,皆可称之为吸附材料;当气体分子遇到吸附材料时,会受到该固态材料的吸引、移入该材料的孔洞内并且固着在其中。考虑到不同种类的气体分子具有不同体积的特性,经精密计算后BrightBlack®碳材,具备优化处理之孔洞大小及材质密度。因此对不同的危险气体分子,皆能达到最理想的物理吸附程度。在涉及吸附剂的相关科技领域里,材料的表面积(surface area)与该材料所能吸附的气体分子数量成正比。举例而言,在SDS3®系统中,BrightBlack®碳材所具有的纳米孔洞数目及其密度,在一个标准的两英尺高的钢瓶内,换算其表面积可超过500平方公尺。
  

何以气体吸附可达成安全维护

工业上,在传统的高压气体(用于例如氧气、丙烷、氦气等等众多种类气体)钢瓶内部,气体分子是可以自由移动的,所以气体分子碰撞钢瓶内壁使之内部压力升高。而内部压力较高的钢瓶,只要一个翻转的动作,或是挤压其顶部便足以开启其气阀(cylinder valve)。一旦气阀被开启,钢瓶内的高压将迫使气体经由气阀冲出瓶外。在操作具有致命危险的气体而言,这当然不是个理想状况;然而这状况在数年之前仍属常见。幸亏,有一个在超过200年前便被人们所察觉的自然现象:分子间的交互作用,得以被用来协助人们大大提升工作场所的安全性。

在18世纪晚期,科学家便观察到:如果将气体或是蒸气,导向一个固体物质表面,其将被「提取」并且停留在固态物质内部。(科学家C.W. Scheele在1773年时进行了以木炭抓取气体分子的研究)某些固态物质能与气体形成弱的键结,而得以实际「抓住」气体分子;这个现象即为我们所知的吸附作用。凭借对于此现象的了解与运用,ATMI研究并发表了创新的SDS系列商品,提供一个更为安全、更高使用效率的气体储存与运输系统。

在SDS®系统中,气体分子是以微弱键结固着(吸附)在BrightBlack®碳材内部纳米孔洞表面。这样的吸附力限制了气体分子的移动性、降低其动能,进而减低了钢瓶内部的气体总压,使之低于外界的大气压力。在离子植入制程中的反应条件下,反应装置(reactor)对气体产生相当强度的负压,足以将被吸附在BrightBlack®碳材内的气体分子吸出,再引入反应腔(process chamber);于此反应条件下,其压力通常是在5 x 10E-4上下。本钢瓶技术暨气体运送系统的使用,已大大减少半导体工业中,意外泄漏的气体量。毋庸置疑,这也大大提升了制程中的安全质量及降低人员伤损。


使用SDS®系统所带来的经济效益

半导体制造业者不断面临必须降低制造成本、能源消耗,以及守护资本额等等巨大压力。在制程上使用具备纳米孔洞科技的SDS®系统,对于上述营运压力的纾解可说是多所帮助。事实上,在晶圆制造厂中,离子植入设备是消耗能源及无尘室通风量最多的制程步骤。空气被导入离子植入机,用于协助机体内部进行散热;更重要的,若发生毒性气体外泄时,此时强制通入机体内的空气便能用以将之稀释、维持一定的安全性。因为SDS®系统可以实质减低意外泄漏的气体量,因此半导体制造业者发现,若采用SDS®系统,将能够大大降低安装废气洗涤系统(air scrubbing system)以及废气排放处理系统(air abatement system)的成本;而降低了废气处理系统的使用量,也就降低了能量的损耗以及成本。在2008年,SDS砷化氢钢瓶成就了历史上首度能以空运方式运输A区危害性材料。这项突破具有重大意义,SDS钢瓶能安全地空运,大大简化了跨国海、陆路运输航程的规划,以及缓解因运输而导致的延迟交货等困扰。此外,因为其安全记录优良,使用SDS®系统也颇得产业保险公司的青睐,使得相关保费可较低廉。更棒的是,比较于体积相近的高压气体运输装置,SDS®系统可以容纳更大量的气体。因此,SDS®可提供更多的气体供离子植入制程使用。

更安全的科技造成了管理规范与法规的转变

事实上,SDS®系统并非只有在晶圆业造成改变而已。相对于传统的高压气体系统的使用,许多管理条例或是规范也随着SDS®系统的问世而有所更新或是修改,尤其是在运输、储存上的用途考虑,以及在无尘室的操作运作。现今SDS®系统已被归类为负压气体运送系统(sub-atmospheric gas system,SAGS)。如美国交通部(U.S. Department of Transportation ,USDOT)以及美国防火协会(National Fire Prevention Association ,NFPA)等组织,也因这项新科技,制定了特别的条款。相似的例子还包括欧洲ADR(替代诉讼纠纷调解机制,alternative dispute resolution)针对危害性物质跨国运输所制定的共同协议,以及新近的国际海运危险品准则(IMDG,International Maritime Dangerous Goods)等。这些管理规范上的转变,使得SDS®系统的使用更具优势。归纳起来,这些法规上的转变,在气体钢瓶运输产业上,所带来的好处包括运送危害物质的重新分类、较宽松的安全管制标准、更高效率的运输与配送、燃油成本的减省,以及更为便捷的货运处理—即使经由航空运输亦可。SDS®系统是美国交通部唯一许可、第一个可使用飞机运输A区危害性材料的钢瓶系统。

纳米科技的效益正开花结果

长久以来,新兴纳米科技的相关消息一直不绝于耳。纳米科技,即为运用分子或是原子等级大小物质的应用科学;其将取代固有的技术。对于一项新兴科技而言,在其发展与投入市场的过程中,必然都会遭遇种种疑虑(例如毒害性、对环境的冲击、对全球生态系的影响)以及延迟(投入量产所遭遇到的问题、可再现的测试结果、相关原料是否可以顺利取得等等)。然而,以「纳米科技」概念出发的产品或是服务,终究将在未来的世界里占有举足轻重的角色—尤其是在医药、电子、能源、生物材料等领域。而本文的SDS®纳米技术,就是一个被认可的实例;若依上文概念,SDS®系统甚至可被视为新时代纳米科技产品的先驱者。

近20年来,SDS®系统以其BrightBlack®纳米科技碳材,于毒性气体的高效率、高安全性之储存、运输等领域居于领导地位。本产品的问世也有助制造业者开始改善其在制程过程中,对气体的处理方式。到了今日,业者们已清楚明白SDS®气瓶系统,在其产业运作过程中,所带来的效益以及附加利益,包括运输、配送、环境安全卫生、制程中的气体处理、供应、财政、工程施作、制程产生的废气处理、意外的预防措施、设备管理,还有其他领域等等。

因SDS®科技持续提供更安全、更具效率,且消耗较低成本的产品及操作模式故持续受到半导体业者的喜爱。尽管不断有其他类型的系统,尝试以机械组件仿真并仿效SDS®系统的物理效应。但论其成效与整体效益,仍没有任何一项足以与SDS®系统所使用之本质性安全的物理吸附作用相匹敌。此新颖科技可能成为改变产业模式、启发后续纳米科技产品诞生的关键。通常,这些创新在起初被人们接受的速度相当缓慢,然而随着时间演进,一旦其存在价值被人们认可,它们便成为业界的新标竿,并逐步发挥其影响力。先进科材股份有限公司(ATMI)及其旗下SDS®科技,便是发掘了具备纳米孔洞的固态碳材,能够协助人们安全操作毒性气体,遂以这样的脚步,逐渐崭露头角。

ATMI、BrightBlack,、Safe Delivery Source 及SDS 都是已登记的商标,或是隶属于先进科材股份有限公司(Advanced Technology Materials, Inc. , ATMI),在美国或是其他国家(亦或二者皆是)的注册商标。

 

图1. 不同于一般钢瓶中常见的高压气体储存方式,ATMI先进科材股份有限公司 之SDS® 气瓶系统,藉由呈圆盘状碳块、填充于气瓶内部的BrightBlack 纳米孔隙碳材,得以吸附气体分子。SDS® 气瓶系统内部的气体储存环境为负压(sub-atmospheric,低于周遭大气压力)。应用这个新科技得以确实消除危害性气体意外泄漏的危险性。

 

图2. 为ATMI先进科材股份有限公司出品之BrightBlack 纳米孔隙吸附碳材放大之表面构造。特别感谢IMP的Georgina Laredo 博士,允用此图。


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