- NVR（不揮發殘留物）是用「秤」的──把 100 mL 萃出液蒸乾，秤盤上剩多少就是多少 mg/L
- TOC（總有機碳）是用「燒」的──把所有有機物氧化成 CO₂，量碳含量，靈敏度可達 ppb 級
- 兩者抓的東西不一樣：NVR 抓得到 TOC 看不見的非揮發重組分，TOC 抓得到 NVR 看不到的小分子揮發物
- 半導體 UPW 規範 TOC < 1 ppb（target）；製藥 WFI 規範 TOC < 500 ppb（USP <643>）；先進製程濾心 NVR < 1 mg/L
- 本篇給你完整測試流程、四大材質實測對照、與行銷話術破解
- 為什麼半導體業每天都在量 NVR 跟 TOC？
- NVR：用秤的、看「剩下多少不揮發物」
- TOC：用燒的、量「碳含量」
- NVR vs TOC：抓的東西完全不同（含對照表）
- 測試流程詳解
- 四大材質的 NVR / TOC 實測表現對比
- 規範速查：半導體 UPW、製藥 WFI、半導體 photoresist
- 常見錯誤與行銷話術
- 常見問題 FAQ
- 參考資料
為什麼半導體業每天都在量 NVR 跟 TOC？
晶圓廠的洗淨槽、光阻塗佈機、UPW 系統，每一個都被一條條濾心串成的「過濾迷宮」包住。這些濾心本身是高分子，它們會不會在工作時把自己溶一點點到液體裡，污染下游的晶圓？──這就是「萃出物（extractables）」要回答的問題。
萃出物分兩大派：有機析出物（高分子寡聚物、可塑劑、單體殘留、清洗劑殘留）與無機析出物（金屬離子、TDS）。本篇專攻有機這一派，業界通用的兩把尺就是 NVR 與 TOC。
NVR 與 TOC 的差異常被混為一談。但實際上，它們是兩把刻度完全不同的尺：NVR 的最小刻度大約是 0.1 mg/L（100 ppb 等級），TOC 可以量到 0.05 ppb──差了三個數量級。但 TOC 看不到「燒不出來」的灰分，NVR 看不到「會揮發掉的小分子」。一個重、一個敏，各補各的死角。
NVR：用秤的、看「剩下多少不揮發物」
NVR（Non-Volatile Residue，不揮發殘留物）是最古老、也最粗暴的方法──取一定體積的萃出液，蒸乾，秤剩下的固體重量。
標準方法（ASTM E1235）
- 取樣：通常 100 mL 萃出液（樣品越多越靈敏，但時間越久）
- 容器：白金或不鏽鋼蒸發皿，使用前 105 °C 烘乾恆重，記下 W₀
- 蒸發：在 105 °C 烘箱或真空旋轉蒸發儀內把溶劑蒸發完全（水樣約 4–6 小時）
- 恆重：再放回 105 °C 烘箱 30 分鐘，乾燥器冷卻，秤重 W₁
- 計算：NVR (mg/L) = (W₁ − W₀) × 10³ ÷ V（樣品體積，L）
NVR 抓得到什麼？
- 高分子寡聚物（PE、PP 製程殘留的低聚分子）
- 塑化劑、抗氧化劑（DOP、Irganox 1010 等添加劑）
- 潤滑劑、脫模劑（矽油、PEG 類）
- 濾心清洗液殘留（界面活性劑、IPA 中沸點雜質）
- 無機鹽類（會被一起秤進去，這也是 NVR 的限制）
NVR 看不到什麼？
沸點低於 105 °C 的所有東西──甲醇、乙醇、丙酮、IPA、二氯甲烷、低分子量單體……統統會在烘乾過程中跑掉。所以 NVR 量不到「揮發性有機物（VOC）」。這正是 TOC 補位的地方。
TOC：用燒的、量「碳含量」
TOC（Total Organic Carbon，總有機碳）的概念正好相反──不管你是揮發物還是非揮發物、是分子還是離子，只要含碳，我就把你燒成 CO₂、用紅外線（NDIR）量 CO₂ 濃度，反推回有機碳含量。
三大主流氧化方式
TC、IC、TOC 的關係
TOC 不是一次直接量出來的，而是「TOC = TC − IC」的減法：
- TC（Total Carbon）：所有形式的碳，包括有機 + 無機（碳酸鹽、CO₂ 溶解）
- IC（Inorganic Carbon）：把樣品酸化後逸出的 CO₂ 部分
- TOC：扣掉 IC 之後剩下的，就是有機碳
USP <643> 是什麼？
美國藥典 USP <643> 是製藥業 WFI（Water for Injection）與純化水（PW）的 TOC 法定方法。規範重點：
- TOC 限值：500 ppb（純化水 + WFI 同此標準）
- 系統適用性測試：用 1.19 ppm 蔗糖 + 0.75 ppm 1,4-苯醌做標準液，回收率 85–115%
- 支援 on-line 與 off-line 兩種模式，但連續監測為較佳實務
NVR vs TOC：抓的東西完全不同
| 項目 | NVR（不揮發殘留物） | TOC（總有機碳） |
|---|---|---|
| 原理 | 蒸發 + 重量法 | 氧化成 CO₂ + NDIR 紅外吸收 |
| 單位 | mg/L、ppm | ppb、µg C/L |
| 偵測下限 | ~0.1 mg/L（100 ppb） | 0.05 ppb（線上型） |
| 抓得到 | 非揮發有機物 + 無機鹽 | 所有有機碳（揮發 + 非揮發） |
| 抓不到 | 沸點 < 105 °C 的揮發物 | 不含碳的雜質（金屬、矽酸） |
| 標準方法 | ASTM E1235、SEMI C72 | USP <643>、SEMI C79 |
| 儀器投資 | 烘箱 + 微量天平（< NT$50 萬） | 專用 TOC 分析儀（NT$80–250 萬） |
| 分析時間 | 4–8 小時 / 樣 | 3–10 分鐘 / 樣 |
| 主要應用 | 濾心潔淨度、溶劑純度 | UPW、WFI、清洗驗證 |
| 線上監測 | 無 | 常態（24/7 即時） |
測試流程詳解
無論 NVR 還是 TOC，濾心測試的精髓 80% 在前處理，20% 才在儀器。一般半導體濾心 / 製藥濾心做萃出物測試，標準步驟如下：
1. 預沖洗（Flushing / Conditioning）
新濾心一定有一段「洗不掉」的初期高峰──製造、包裝、儲運過程不可能完全乾淨。SEMI C72 規範：18 MΩ·cm UPW 預沖洗至少 30 分鐘或達到 10 倍濾心容積。製藥場景則依各廠 SOP 走 IPA → WFI → 重複沖洗直到 TOC 穩定。
2. 萃出液收集
用標準清洗液（半導體：UPW；製藥：WFI；化學品濾心：對應使用溶劑）以「靜態浸泡」或「動態循環」方式收集萃出液：
- 靜態浸泡：濾心浸沒於溶劑，固定時間（24–72 小時）+ 固定溫度（25–70 °C）取樣
- 動態循環：以恆定流量循環通過濾心，每隔一段時間取出口樣品分析
3. 分析
- NVR：100 mL 樣品 → 105 °C 蒸乾 → 微量天平秤重
- TOC：5–10 mL 樣品（通常自動進樣）→ 氧化 → NDIR → 計算 ppb
4. 鑑別（可選）
當 NVR 或 TOC 異常偏高，需追溯污染源時，會進一步用 GC-MS（揮發性物種）或 LC-MS（極性 / 非揮發物種）把蒸乾殘渣或濃縮液裡的具體分子打出指紋。半導體先進製程廠商還會加做 ICP-MS 量金屬萃出，做為完整萃出物 profile。
四大材質的 NVR / TOC 實測表現對比
實際把 PP、Nylon、UPE、PTFE 四種濾心材質拿去做相同流程的萃出物測試（SEMI C72 條件，UPW 25 °C 動態循環），差異會很大。以下為業界一般公開資料的範圍值：
| 材質 | NVR（mg/L） | TOC（ppb） | 備註 |
|---|---|---|---|
| PP（聚丙烯） | 2.0–8.0 | 200–1500 | 含抗氧化劑 + 寡聚物 |
| Nylon-6,6 | 1.5–5.0 | 150–800 | 己內醯胺單體殘留 |
| UPE（超高分子量 PE） | 0.05–0.3 | 5–50 | 無添加劑、極低析出 |
| PTFE | 0.05–0.2 | 3–30 | 化學鈍性、低 TOC |
從上表可以看出兩件事：
- PP / Nylon 是「先天高背景值」的材料──不是廠商品質差，是材料本身就含製程添加劑。所以 PP 預濾心很適合粗濾、便宜耐用，但絕對不能擺在 UPW 系統的 last filter 位置。
- UPE 與 PTFE 是「先天低析出」的材料──分子鏈本身惰性，沒有抗氧化劑、沒有塑化劑、沒有單體殘留。這就是為什麼半導體先進製程的 final filter（point-of-use）幾乎清一色是 UPE 或 PTFE。
規範速查：半導體 UPW、製藥 WFI、半導體 photoresist
| 應用場景 | 關鍵參數 | 限值（target） | 規範來源 |
|---|---|---|---|
| 半導體 UPW（先進製程） | TOC | < 1 ppb | SEMI F63、ITRS |
| 半導體 UPW（一般製程） | TOC | < 5 ppb | ASTM D5127 Type E-1 |
| 製藥 WFI | TOC | < 500 ppb | USP <643>、EP 2.2.44 |
| 製藥純化水（PW） | TOC | < 500 ppb | USP <643> |
| 半導體濾心（point-of-use） | NVR | < 1 mg/L | SEMI C72、各廠 spec |
| 半導體濾心（UPE 高階） | TOC 萃出 | < 50 ppb（30 min flush 後） | Entegris / Pall 規格 |
| 光阻 / 顯影液濾心 | 金屬萃出 | < 0.5 ppt（單元素） | SEMI C79、晶圓廠 spec |
| 注射劑用過濾器 | 非揮發萃出物 | 需驗證 +化學鑑別 | USP <1663>、<1664> |
常見錯誤與行銷話術
常見問題 FAQ
NVR 跟 TOC 兩個都做，會不會重複浪費？
不浪費，它們互補。NVR 抓重組分（塑化劑、寡聚物），TOC 抓所有含碳物種（含揮發小分子）。半導體高階濾心廠通常兩個都報；製藥業以 TOC 為主，NVR 做為製造端 QC。如果預算只能擇一，看目標流體：純水場景優先 TOC；溶劑 / 化學品場景優先 NVR。
為什麼新濾心一裝上去，TOC 會先飆高再回落？
那叫 extractables peak（萃出尖峰）。製造、儲運、無菌包裝過程中，濾心表面與孔內會吸附一些低分子量物種；上線後第一波被沖出來。所以 SOP 一定要寫「flush to TOC stable」──通常 30 min – 2 hr 才會穩定到規格內。先進製程廠的做法是「換濾心後做 conditioning recipe」，等 TOC 落回 baseline 才放生產。
UPE 和 PTFE 的 NVR 哪個比較低？
實測上兩者都極低（< 0.3 mg/L），差距不大且容易被儀器雜訊掩蓋。差別在化學耐受：PTFE 在強酸鹼、強氧化劑中析出仍維持低水準；UPE 在中性 / 弱鹼條件最佳，遇強氧化劑（O₃、過硫酸）會劣化。所以光阻、顯影液選 UPE，HF / SC1 選 PTFE。
用攜帶式 TOC 機（百萬以下）夠不夠？
看用途。製藥 WFI（500 ppb 規範）：攜帶式機種多有合格認證，足夠 routine QC。半導體 UPW（< 1 ppb 規範）：必須用 UV-過硫酸鹽超低 TOC 線上機（Sievers 500 RL、M9、Anatel A1000 級別），攜帶式機種偵測下限不夠。
萃出物測試一定要用 UPW 當溶劑嗎？
看濾心會接觸的真實流體。原則：用實際使用流體做萃出。光阻濾心應用 PGMEA 萃出；HF 濾心應用稀釋 HF 萃出；製藥水溶液濾心則用 WFI。用 UPW 做「萬用測試」只能反映水溶液場景下的析出行為，無法代表溶劑場景。
NVR 報告上的 mg/L 跟 g/cm² 怎麼換算？
不能直接換算，要知道濾心面積與萃出體積。面積負荷 (mg/m²) = NVR (mg/L) × 萃出體積 (L) ÷ 濾心有效面積 (m²)。同一支 0.6 m² 濾心、1 L 萃出液、NVR 0.5 mg/L，等於 0.83 mg/m² 的面積負荷。國際比對通常用面積負荷或 mg/cm³ 濾材體積負荷。
參考資料
- ASTM E1235 — Standard Test Method for Gravimetric Determination of Nonvolatile Residue (NVR) in Environmentally Controlled Areas
- USP <643> Total Organic Carbon — 純化水與 WFI TOC 規範
- SEMI C72 — Test Method for Determination of Trace Non-Volatile Residue in UHP Chemicals
- SEMI F63 — Guide for Ultrapure Water Used in Semiconductor Processing
- Veolia / Sievers 500 RL Online TOC Analyzer — UPW 線上 TOC 監測（0.05 ppb 下限）
- Entegris — UPE membrane technical notes（半導體 UPW final filter NVR / TOC 數據）
- Pall — Ultrapure Water Filtration（濾心萃出物與 TOC 規格）
- ASTM D5127 — Standard Guide for Ultra-Pure Water Used in the Electronics and Semiconductor Industries
- USP <1663> / <1664> — Extractables and Leachables Assessment for Pharmaceutical Packaging Systems