半导体产业气体储存的BrightBlack奈米孔隙吸附碳材创新技术

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奈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。而自1993年起，先进科材(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；该产品的商标名称为Safe Delivery Source (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，系一具备精密奈米级孔洞之碳材。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。考量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，具备最佳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碳材所具有的奈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。

幸好，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。凭藉对于此现象的�t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碳材内部奈米孔洞表面。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。

BrightBlack奈米孔隙吸附碳材放大之表面构造 (来自IMP的Georgina Laredo提供)

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品质及降低人员伤损。
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。在制程上使用具备奈米孔洞科技的SDS系统，对于上述营运压力的纾解可说是多所助益。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。

不同于一般钢瓶中常见的高压气体储存方式，ATMI之SDS气瓶系统，藉由呈圆盘状碳块、填充于气瓶内部的BrightBlack 奈米孔隙碳材，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

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、储存上的用途考量，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。

奈米科技的效益正开花结果

长久以来，新兴「奈米」科技的相关消息一直不绝于耳。奈米科技，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「奈米科技」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奈米技术，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奈米科技产品的先驱者。

近20年来，SDS系统以其BrightBlack奈米科技碳材，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，尝试以机械元件模拟并仿效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、开发后续奈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。ATMI及其旗下SDS科技，便是发掘了具备奈米孔洞的固态碳材，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。