特氣供應系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計

1、特氣供應系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計 ( SSTT.NO.20) 吳志平 / 工研院電子所 由于半導體制程日趨復雜且建廠成本相對的愈來愈高，其使用的制程化學品皆具有相當?shù)奈ｋU性，雖然有相關(guān)的外國標準可進行規(guī)范，但實際的做法卻莫衷一是，各有其成本與優(yōu)缺點上的考慮。本文除概略性的介紹半導體廠之特氣供應系統(tǒng)外，主要對整體特氣系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計進行探討，限于篇幅，本文將論述的重點放在氣瓶柜 / 架、閥箱與管路的設(shè)計上，提出個人的一點心得與看法，希望拋磚引玉提供大家思考的方向，以茲未來建構(gòu)特氣系統(tǒng)時的參考。然而，在實際的建廠規(guī)劃設(shè)計時，工程師仍需依各廠的現(xiàn)況進行規(guī)劃，考慮的重點包括經(jīng)費、周圍環(huán)境、基地、人員等，以期較

2、佳的實用性設(shè)計達到更安全的供應與環(huán)境維護。 氣體的使用在半導體制程中一直扮演著重要的角色，特別是半導體制程目前已被廣泛的應用于各項產(chǎn)業(yè)，凡舉傳統(tǒng)的ULSI、TFT-LCD到現(xiàn)在開始萌芽的微機電(MEMS)產(chǎn)業(yè)，皆以所謂的半導體制程為產(chǎn)品的制造流程，其中的制程包括如干蝕刻、氧化、離子布植、薄膜沉積等皆使用到相當多的氣體，而氣體的純度則對組件性能、產(chǎn)品良率有著決定性的影響，氣體供應的安全性則關(guān)乎人員的健康與工廠運作的安全。氣體一般可簡單的區(qū)分為大宗氣體(Bulk Gases)，如N2、H2、O2、Ar等使用量較大的氣體，和特殊氣體(Specialty Gases)，如SiH4、AsH3、PH3等以

3、鋼瓶供應的氣體。本文主要針對特殊氣體的供應系統(tǒng)進行探討，大宗氣體的供應設(shè)計則因其供應方式的特殊性，如以大型桶槽的供應方式，將不列入本文的討論范圍。特氣供應系統(tǒng)是半導體廠中危險性最高的一環(huán)，只要有任何的疏失都可能造成人員、廠房、設(shè)備的嚴重損失，特別是其中有些氣體如SiH4的自燃性，只要一泄漏就會與空氣中的氧氣起劇烈反應，開始燃燒；還有AsH3的劇毒性，任何些微的泄漏都可能造成人員生命的危害，也就是因為這些顯而易見的危險，所以對于系統(tǒng)設(shè)計安全性的要求就特別高。通常嚴重危害的事件，都是人們忽視其危險性或?qū)ζ涮匦陨系臒o知，甚或人員操作維護上的疏忽所造成，反而越危險的物質(zhì)，大家投注更多的關(guān)心與防護，造成

4、嚴重危害的情形較不容易發(fā)生。但是，如何的設(shè)計才是最佳的考慮，實無絕對原則可供遵循，特別是如何在經(jīng)費與安全性考慮上取得較佳的平衡，一直是工程師與設(shè)計者追尋的目標。若是經(jīng)費許可當然可以選擇二重、三重、甚或四重的保護，但更多重的保護設(shè)計是否又具有實質(zhì)的意義。我們可針對自燃性氣體供應時，氣瓶柜泄漏來做實際的狀況模擬，用以討論防護設(shè)計上的觀念。首先假設(shè)人員在更換鋼瓶后，未將接頭完全鎖緊即開始供氣，此時第一階段保護的管路壓力測試失效(目前的氣瓶柜幾乎皆有此項之設(shè)計)，才可能發(fā)生接下來的泄漏狀況；當氣體開始燃燒后，第二階段的火焰?zhèn)蓽y器偵測到火焰燃燒所放射出的UV或IR光譜，偵測器動作，第三階段的氣體泄漏偵測

5、器偵測到泄漏的氣體濃度值，第四階段的緊急關(guān)斷閥會將鋼瓶氣源出口的手動閥自動關(guān)閉，第五階段的防爆柜與抽氣的設(shè)計阻絕火焰蔓延至隔鄰氣柜，第六階段的消防灑水頭開始灑水降溫，第七階段的區(qū)域防爆墻設(shè)計防止火焰或爆炸擴散至廠房的其他區(qū)域；據(jù)此描述，我們可粗略的概估可能導致最嚴重后果的機率，若假設(shè)人員失誤和各段保護設(shè)計(七階段)失效的機率皆為十分之一的高值進行計算(當然實際上每階段失效機率不可能如此之高)，其結(jié)果為億分之一；換言之，倘若因人員疏失導致的氣瓶柜供氣管路泄漏，造成整廠火災爆炸蔓延的機率為億分之一；此等安全性設(shè)計失效的機率已足可為一般的廠房安全設(shè)計者所接受，甚或超過其理想值。而以上所述的這些保護設(shè)

6、計，皆為目前半導體廠最一般化的基本要求，所以是否還有必要要求氣瓶柜內(nèi)的管路設(shè)計為雙套管、氣柜內(nèi)加裝極早期火災預警偵測器等防護設(shè)計，實有再進行探討的必要。針對這些基本防護設(shè)計，以目前的技術(shù)水準，皆可很容易的達到所要求的功能、精準度、可靠度等，但畢竟這些零組件與偵測器皆需花費不貲，在目前不景氣中力求節(jié)約的半導體業(yè)，可再透過進一步的設(shè)計考慮，重新檢討各項防護設(shè)計的必要性，甚或以更簡單、更方便或更便宜的設(shè)計方式來取代。超高純度的氣體供應質(zhì)量則是設(shè)計時的另一項重要考慮，在管路與零組件的材質(zhì)選擇、運送包裝、施工組裝、管路清潔、測試檢驗，乃至于日常管理，每一個環(huán)節(jié)的精確要求皆與供應的質(zhì)量息息相關(guān)。例如在更換

7、鋼瓶后，一定有一段管路被外界氣體污染，這時候就要透過管路的設(shè)計，在供應前對此段管路以氮氣進行反復的沖吹，使其符合供應質(zhì)量的要求。特氣的供應，設(shè)計上并不像大宗氣體一樣，需要采用連續(xù)質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)對可能的污染物(如水分、氧氣、粒子等)進行分析監(jiān)控，主要因為其鋼瓶的氣體質(zhì)量較易掌控，而且氣體種類太多，進行儀器選購的成本太過龐大，監(jiān)控時的危險性亦較高。此外，特氣的供應管路亦不似一般的管路，因其有施工時的危險性、管路制作不易與污染上的考慮，不能任意的進行切管或修改。特別是整廠開始運作生產(chǎn)之后，任何的施工皆可能嚴重影響制程機臺與生產(chǎn)線的正常運作，因此，若在制程的需求尚不十分明確或考慮到未來的擴充性，均需預留

8、適當?shù)拈y件或管路以利未來的擴充。微機電半導體產(chǎn)業(yè)近年來開始在國內(nèi)生根建廠，筆者有幸參與其中一座廠務系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計，其整體系統(tǒng)的建立基本上和一般的晶圓半導體廠并無二致，只是其對污染物的要求規(guī)格不似晶圓半導體廠嚴格，主要因其線徑與幾何結(jié)構(gòu)的尺寸較大，約為0.5 - 1m之間，和目前ULSI的0.18 - 0.15m的線徑要求相差甚多。針對此微機電半導體廠的廠務各項系統(tǒng)建置費用分析如圖一所示，氣體供應系統(tǒng)(包含大宗氣體與特殊氣體)的費用約占全部廠務系統(tǒng)(不含土地、廠房結(jié)構(gòu))建置費用的15%，僅低于無塵室系統(tǒng)的23%，所以此項系統(tǒng)的重要性可見一般。圖一：某微機電半導體廠廠務各系統(tǒng)建置分攤比例特氣中央

9、供應系統(tǒng)氣體特性特殊氣體的種類一般可分為腐蝕性、毒性、可燃性、助燃性、惰性等，一般常用的半導體氣體分類如下：(一)、腐蝕性 / 毒性：HCl 、BF3、 WF6、HBr、SiH2Cl2、NH3、 PH3、Cl2、 BCl3 等(二)、可燃性：H2、 CH4、 SiH4、PH3、AsH3、 SiH2Cl2、 B2H6、 CH2F2、CH3F、CO等(三)、助燃性：O2、Cl2、 N2O、NF3等(四)、惰性：N2、CF4、C2F6、C4F8、SF6、CO2、Ne、Kr 、He等其中很多氣體是具有二項以上的特性，特別是腐蝕性氣體一般而言亦同時具有毒性，PH3則具有腐蝕性和毒性外，亦具有可燃性，是相

10、當危險的一種氣體。若期望對氣體供應系統(tǒng)做出較佳的規(guī)劃設(shè)計，一定要對氣體特性有相當?shù)牧私?，才有可能駕馭它、控制它，而詳細的閱讀各項氣體的物質(zhì)安全數(shù)據(jù)表(MSDS)則是了解它的第一步。透過MSDS我們可以很清楚的知道它的各項特性，包括物理特性、化學特性、毒性、兼容性等，乃至于緊急處理的方法和步驟皆有詳細的介紹。表一則是列出一些常用氣體間的兼容性與可能的反應狀況。表一：常用氣體相互反應表氣體供應方式一般的大宗氣體N2、O2、Ar常用的供應方式以固定式的大型桶槽為主，將桶槽安置于廠區(qū)附近，架構(gòu)獨立的供應區(qū)與土木基礎(chǔ)，以槽車定期進行填灌，高壓的液態(tài)氣體經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣態(tài)后，供應現(xiàn)場使用，若有純化的需求則

11、需透過氣體純化機將氣體精制成生產(chǎn)線需求的規(guī)格使用；H2則經(jīng)常使用兩座多組鋼瓶串接的方式進行供應，當一座的氣體使用完后，另一座的氣體將自動接續(xù)供應，使供氣不致中斷，并以整座串接鋼瓶更換的方式進行氣體的補充。此外，也有所謂的on-site供應方式，將需求的氣體于現(xiàn)場直接制造供應生產(chǎn)線；另有由氣體供貨商直接架設(shè)地下管路進行集中式的供應，就像目前家用的天然氣供應方式。但此法因管線太長，且埋設(shè)于地下，供應點復雜，除非供貨商有很好的系統(tǒng)設(shè)計，可防止斷氣、排除管路的污染或供應質(zhì)量不穩(wěn)定的狀況，否則此種供應雖然方便，卻因半導體制程對氣體質(zhì)量的要求相當高，風險值也相對的較高。倘若源頭供應質(zhì)量不良，導致所有半導體

12、廠的制程斷氣或污染，其損失之大，將不下于停電所造成的巨額費用。相對的，以槽車或鋼瓶的供應方式，因其出貨前可透過質(zhì)量的檢驗，確保供氣的質(zhì)量，風險也就較低。特殊氣體的供應方式截至目前為止，幾乎皆用鋼瓶的方式進行，一般常用的為高壓鋼瓶，但依其填充的氣體特性又可分為氣態(tài)與液態(tài)鋼瓶，一般氣體皆為氣態(tài)鋼瓶，其填充壓力亦高，氣體以氣態(tài)儲存于鋼瓶內(nèi)；低蒸氣壓的氣體則以液態(tài)儲存于鋼瓶內(nèi)。另有一種吸附式的氣體儲存鋼瓶，即所謂的安全供應氣源(SDS, Safe Delivery Source)，可藉由介質(zhì)如沸石和活性碳對特定的氣體如PH3、AsH3、BF3、SiF4等進行物理吸附，以氣體分子與吸附劑間的凡得瓦力將氣

13、體吸附于吸附劑的孔隙中，其優(yōu)點為供應壓力低于一大氣壓，無泄漏之余。經(jīng)實驗結(jié)果，即使泄漏亦不致發(fā)生爆炸或造成足以危害人體的毒氣濃度，安全性佳，而且供應量可為傳統(tǒng)高壓鋼瓶的數(shù)倍至數(shù)十倍。然此種供氣無法使用于目前所有的半導體氣體，亦少晶圓廠使用此種系統(tǒng)進行中央集中式的供應方式，因此本文將不對其多作討論，僅提出此種供應方式的特點供讀者參考。針對腐蝕性、毒性、燃燒性的氣體，通常設(shè)計將鋼瓶置于氣瓶柜(Gas Cabinet)內(nèi)，再透過管路將氣體供應至現(xiàn)場附近的閥箱(VMB, Valve Manifold Box)，而后再進入制程機臺的使用點(POU, Point of Use)，于進入機臺腔體之前，會有獨

14、立的氣體控制盤(GB, Gas Box)與制程控制模塊聯(lián)機，以質(zhì)流控制器(MFC, Mass Flow Controller)進行流量之控制與進氣的混合比例控制，通常此氣體控制盤不屬于廠務系統(tǒng)的設(shè)計范疇，而是歸屬制程機臺設(shè)備的一部份。一般的惰性氣體則是以開放式的氣瓶架(Gas Rack)與閥盤(VMP, Valve Manifold Panel)進行供應。詳細的描述與討論將在下節(jié)進行，現(xiàn)在僅舉一簡單的兩種不同供氣流程規(guī)劃的實例，如圖二、三所示，供讀者參考。圖二：毒性 / 可燃性氣體供應規(guī)劃流程實例(本圖由新忠公司提供) 圖三：惰性氣體供應規(guī)劃流程實例(本圖由新忠公司提供)上面所提的為目前常用的

15、集中式中央供應設(shè)計，缺點是只要一種氣體的供應出問題，就可能造成所有使用的機臺停擺，甚或中斷整個生產(chǎn)線，對制程穩(wěn)定的風險值較高。另有一種供應方式的設(shè)計為針對制程機臺進行分布式的氣瓶柜規(guī)劃，機臺使用到幾種特殊氣體就使用幾臺氣瓶柜，將氣瓶柜裝設(shè)于機臺附近，其優(yōu)點為對制程的風險值較低；但相對的，因其未集中管理，無法整體而有效的進行相關(guān)的防護設(shè)計，如防爆墻、泄漏的局限性等，而且管理上相當耗費人力，不管是氣瓶柜的維護、鋼瓶的更換，皆大大的增加了管理上的風險，雖然省下了VMB的設(shè)置及可選用較便宜的單鋼氣瓶柜，卻大量的增加氣瓶柜的數(shù)目，個人覺得較不符合成本與安全性的設(shè)計。據(jù)聞韓國的半導體廠以往皆大量采用分布式

16、的設(shè)計，但近年來則有漸漸改成集中式供應的趨勢?？臻g設(shè)計當工廠內(nèi)潔凈室各制程區(qū)的規(guī)劃確定后，即可開始考慮氣體室位置的選定，首先需要距離氣體使用區(qū)近，有獨立的結(jié)構(gòu)與空間區(qū)隔，避免與主廠房使用同一結(jié)構(gòu)體。若是無法避免，則對相關(guān)的防爆區(qū)隔需做更謹慎的規(guī)劃，以求降低運作時影響整廠的風險。此外，相關(guān)的氣體備料儲存空間的位置選定亦需一并考慮，不可距離氣體供應室太遠，增加未來更換氣瓶時運送的困難與風險，而且兩者建議規(guī)劃適當?shù)膮^(qū)隔，防止相互影響導致可能的風險加成。針對不同特性的氣體，建議分別規(guī)劃獨立的供應區(qū)域，一般可分成三區(qū)：毒性 / 腐蝕性氣體區(qū)、可燃性氣體區(qū)、惰性氣體區(qū)，將相同性質(zhì)的氣體集中加強管理，可燃性

17、氣體區(qū)需特別規(guī)劃防爆墻與泄爆口，若空間不足時，可考慮將惰性氣體放置于毒性/腐蝕性氣體區(qū)，倘放置于可燃性氣體區(qū)，則需擴大其防爆區(qū)隔與相關(guān)的消防設(shè)施，較不符合成本上的考慮，而且防爆墻一經(jīng)建構(gòu)完成，未來將相當不易進行后續(xù)的空間擴充。此外，這些區(qū)域需考慮獨立的空調(diào)送風系統(tǒng)，避免和潔凈室空調(diào)共享相同的氣源，因為此區(qū)需有大量的排氣以維持氣瓶柜內(nèi)與空間中的負壓設(shè)計，防止氣體泄漏后直接溢散出外界，所以需要的空調(diào)量相當大，如何設(shè)計可做到能源的節(jié)約并兼顧到安全性，實是未來可以努力的目標；曾經(jīng)有些廠房設(shè)計將潔凈室中的部分空調(diào)回風導入氣體供應室，但除可能增加前面所提的風險外，亦會造成潔凈室的正壓降低，然若于一開始即將

18、氣體室的空調(diào)量納入潔凈室的空調(diào)規(guī)劃量中，實際上并無法真正達到節(jié)能的作用。通常氣體室并不需維持太低的溫度與潔凈度，若能利用潔凈室中較低溫的一般排氣，與氣體室的空調(diào)進氣以熱管(Heat Pipe)進行高效率的熱交換，或許是較實際的可能改善方式之一。對相關(guān)的氣體室電力供應系統(tǒng)與監(jiān)控室，亦建議架構(gòu)獨立空間或放置于惰性氣體室，除可避免電力造成的危害，同時方便日后的緊急狀況處理與人員日常操作。電力規(guī)劃電力系統(tǒng)的規(guī)劃則需設(shè)計獨立的電源，可避免受其他系統(tǒng)的影響，而且每個氣瓶柜或VMB皆需有獨立的電源開關(guān)，并建議裝設(shè)UPS系統(tǒng)，連接緊急發(fā)電機電源，因為現(xiàn)在大部分晶圓廠重要制程機臺的電源供應，皆聯(lián)機UPS與緊急發(fā)

19、電機，避免因電力供應不穩(wěn)而導致的嚴重損失，相對的，此項供應系統(tǒng)亦需不可中斷。此外，系統(tǒng)設(shè)計不斷電亦有幾項重要的功能存在；首先，UPS有穩(wěn)壓的作用，可防止控制系統(tǒng)PLC不致因為供電不穩(wěn)而導致失效；當緊急狀況發(fā)生，又需要在停電時將管路中的氣體排除時，亦可繼續(xù)操作；年度維修停電1-2天時，若氣體管路不進行沖吹(purge)清潔時，針對低壓氣體亦可利用包溫加熱帶繼續(xù)穩(wěn)定加熱，可避免氣體凝集于死角或細縫處，造成供應回復不易或阻塞的情形發(fā)生。氣瓶柜 / 架 氣瓶柜定義首先來看看SEMI-S4對氣瓶柜的定義：一個金屬密閉容器，目的在提供局部排氣通風以保護氣體鋼瓶不會著火、防止氣瓶柜外之火源著火、及保護周圍不

20、因氣瓶柜之火源而著火，并限制火源于其內(nèi)部。因此氣瓶柜一定需要具備防護箱體、強制抽氣、安全防護以避免火焰之蔓延，甚或?qū)⒒鹪聪绲墓δ?。氣瓶架則為簡單的鋼瓶開放支架，沒有防護箱體，亦無強制抽氣。圖四的照片顯示氣瓶柜和氣瓶架的外觀。圖四：左圖為氣瓶柜，右圖為氣瓶架。低蒸氣壓氣體供應一般而言，在室溫下的飽和蒸氣壓小于30psig的氣體皆屬之，如BCl3、DCS (SiH2Cl2)、ClF3、WF6，它們在21.1時的飽和蒸氣壓分別為19.7 psig、23.3 psig、21.5 psig、27 psig，皆是以液態(tài)的型式儲存于鋼瓶內(nèi)，輸送上相當不易。因此，于供應流量設(shè)計時需特別考慮相關(guān)的因素，如氣體

21、的物理特性、鋼瓶表面積、管路長度等，通常使用直接加熱在鋼瓶與管路的方式供應；對鋼瓶則以側(cè)面外罩加熱套，套內(nèi)裝有加熱帶和保溫棉襯，但因拆裝時相當麻煩不便，目前已較少采用；另一種方式則于鋼瓶底部加熱，若溫度控制得當，是一種相當簡便與安全的方式。管路加熱則使用加熱帶與保溫棉包覆管路的方式，從供氣的鋼瓶端，經(jīng)VMB、GB直到尾端的機臺，加熱的溫度亦隨著供應的距離加長而逐漸提高，以預防氣體冷凝并增高蒸氣壓；加熱帶需有獨立的溫度控制系統(tǒng)，除需要穩(wěn)定控制加熱溫度外，亦需選用具較低極限加熱溫度(約65)的加熱帶，即使加熱控制器失效亦不致發(fā)生危險。此外，管路長度也是相當重要的考慮，管路太長加熱的穩(wěn)定性較不易控制

22、，極易因管路經(jīng)過不同的溫度區(qū)域而凝結(jié)成液態(tài)，阻塞管路。因此建議若各區(qū)域的溫差太大，以分段加熱控制的方式進行設(shè)計。但最好的方式還是就近將氣瓶柜放置于制程機臺附近的維修區(qū)或Sub-Fab，此時需特別考慮其安全性。目前亦有相關(guān)的廠商開始研發(fā)，將低蒸氣壓氣體以液態(tài)的型式供應于主管路，待經(jīng)過MFC后再加熱汽化成氣態(tài)進入反應腔，但因為相關(guān)的零組件研發(fā)皆尚未成熟和普遍，因此還很少為人所采用。氣瓶柜/架的型式氣瓶柜/架一般針對不同的氣體特性分為五種基本型式，其中Type II和III屬于較低蒸氣壓的氣體，Type IV和V則屬惰性氣體使用的氣瓶架，各型式使用的氣體類別、種類與相關(guān)的功能分述如下：Type I：

23、專門使用于高壓燃燒性氣體(High-Pressure Flammable Gas)，如SiH4、B2H6、PH3、CH4、H2、AsH3。因其具有燃燒性，所以通常會加裝相關(guān)的消防設(shè)備，如UV/IR火焰?zhèn)蓽y器、灑水頭、氣體泄漏偵測器等，又因其為高壓的壓縮氣體狀態(tài)，可使用偵測供應壓力的方式計算鋼瓶剩余的氣體量。Type II：使用于中壓液態(tài)燃燒性氣體(Mid-Pressure Liquid Flammable Gas)，如NH3、HBr、HCl、Cl2。本型式除消防設(shè)備需要安裝之外，并以電子重量磅秤來偵測鋼瓶剩余的氣體量，若對供氣的流量有較大的需求時，需再考慮相關(guān)的加熱設(shè)備。Type III：使用

24、于低蒸氣壓氣體(Low Vapor Pressure Gas)，如BCl3、DCS、ClF3、WF6，除使用電子秤與加熱裝置外，因?qū)俜歉邏旱匿撈壳夜髁啃?，建議不需使用高壓測漏與過流量保護裝置。Type IV：使用于液態(tài)惰性氣體(Liquid Inert Gas)，如C4F8、CHF3、C2F6、N2O、SF6，不需相關(guān)的安全設(shè)計，但要使用電子秤檢知鋼瓶剩余的氣體量。Type V：使用于惰性氣體(Inert Gas)，如CF4、Ar、He。因氣體特性不同，此五類氣瓶柜需依其使用的氣體種類設(shè)計相關(guān)的氣瓶柜/架功能，如Type I-III屬危險性氣體，建議皆需加裝自動旋轉(zhuǎn)式關(guān)斷器(Valve S

25、hutter)，于緊急狀況發(fā)生時可將鋼瓶上的第一道出口旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉，除非鋼瓶破裂，否則只要此項關(guān)斷器功能正常，將可保證供應的安全性。此外，Type I-II亦屬可能過流量供應的氣體，建議選用過流量關(guān)閉裝置，以確保避免異常的流量供應。表二：各式氣瓶柜/架功能選用建議功能設(shè)計氣瓶柜內(nèi)的鋼瓶數(shù)設(shè)計可分為三種，分別為單鋼、雙鋼、三鋼。單鋼的設(shè)計常使用于研究機構(gòu)或?qū)嶒炇业龋瞥涛从辛慨a(chǎn)之考慮，氣體使用量小，現(xiàn)場可隨時協(xié)調(diào)停機進行鋼瓶之更換，其優(yōu)點為簡單、節(jié)省空間、成本低，但需透過日常之管理與協(xié)調(diào)以避免中斷制程，造成損失。雙鋼與三鋼常用于量產(chǎn)工廠，制程不允許停機的狀況，當一支鋼瓶使用完后，另一支待機中的鋼瓶

26、將自動上線供應，并發(fā)出更換鋼瓶的警報，此兩種型式上的差別主要在于清潔用purge管路的純化氮氣(PN2, Purified N2)是以鋼瓶或廠務端供應。當purge用的PN2統(tǒng)一由廠務端供應時，所有不同的供應氣體系統(tǒng)(不管是否兼容)將會因此purge管路的存在，而形成連接的狀態(tài)，造成較高的風險值；萬一中央供應的PN2中斷，又未發(fā)生任何警報，恰巧又有二種不兼容的鋼瓶在使用purge的管路，此時，爆炸的狀況極可能就此發(fā)生，類似意外亦有發(fā)生過的紀錄，不得不慎。三鋼式設(shè)計尚有一項優(yōu)點，就是現(xiàn)場的VMB在做管路purge時亦可使用同一氣瓶柜的鋼瓶，不同氣體間透過VMB造成的交互反應或污染的風險值又更低了

27、。選用三鋼型式的主要缺點為設(shè)置的空間需求較大，成本較高。但據(jù)筆者經(jīng)驗，目前雙鋼與三鋼的購置成本已無太大的差異；因此，若非空間上有無法克服的困難，個人建議針對危險性氣體以三鋼的氣瓶柜為優(yōu)先的考慮。若為惰性氣體使用的氣瓶架，由廠務中央供應PN2或于現(xiàn)場使用獨立的鋼瓶皆可，因為即使采用現(xiàn)場的鋼瓶供應方式，亦可使用集中式的雙鋼PN2氣瓶架，所增加的成本與空間將相當有限。操作性設(shè)計只要是雙鋼以上的氣瓶柜設(shè)計，皆需有自動切換的功能以達到連續(xù)供應的目的，通常以壓力傳輸器偵測供應的壓力來計算鋼瓶剩余的氣體量；若為低蒸氣壓氣體，則以電子重量磅秤來偵測鋼瓶剩余的氣體量。在日常操作功能的設(shè)計上，可分為全自動、半自動

28、、手動三種方式。通常氣瓶柜的操作執(zhí)行動作有下列幾種：1.前置沖吹(Pre-purge)：主要為利用一般氮氣(GN2, General N2)的流動經(jīng)過真空產(chǎn)生器造成管路內(nèi)的負壓，抽出氣瓶柜盤面管內(nèi)的特氣，再利用通入PN2稀釋管壁內(nèi)殘存的微量特氣，反復執(zhí)行此項沖吹與稀釋的過程，并于過程中同時以負壓檢測真空產(chǎn)生器的功能，以保壓測試管路是否泄漏。2.后置沖吹(Post Purge)：通以PN2進行保壓測試管路是否泄漏，確認鋼瓶接頭與管路的銜接良好，并進行PN2的反復沖吹，將更換鋼瓶時滲入的污染物去除。3.上線沖吹(Process Purge)：主要目的是將清潔用的PN2清除，并送制程氣體上線；此過程

29、則反復利用制程氣體的沖吹，將清潔用的PN2予以徹底的排除。4.更換鋼瓶：通常由四個主要步驟來完成，Pre-purge R 更換鋼瓶 R Post Purge R Process Purge。更換鋼瓶的時機為氣體殘余量剩下約10%時，但實際上仍需以各氣體過往的使用紀錄為依據(jù)進行判斷，才會得到較佳的更換時間點。再者，到達氣體的使用年限亦需進行更換，通常約為一年，因部分的制程氣體可能會對鋼瓶造成微量的腐蝕，污染氣源。為了達到以上步驟1.到3.的功能，其管路與閥件的設(shè)計皆較為復雜，如圖五所示。各廠牌氣瓶柜的功能性差異大，選用時除考慮公司的技術(shù)能力與維護人力外，建議以系統(tǒng)穩(wěn)定性和市場占有率進行主要的考慮

30、。若采用手動的方式進行，人員的操作將需相當小心謹慎，任何步驟的疏忽皆可能嚴重影響供氣的質(zhì)量與造成危險。所以通常對危險性氣體筆者建議需有自動(Auto-purge)的功能，當自動無法順利運作時才改為半自動的方式進行。若為惰性氣瓶架，雖然沒有危險性，人為操作不當卻有可能污染管路，畢竟每一步驟執(zhí)行的反復作動次數(shù)可能高達3050次，不但需要耗費相當長的時間，更需集中相當多的精神來執(zhí)行，因此個人建議為維護供氣的質(zhì)量，即使是惰性氣瓶架亦應該具備自動的功能。圖五：三鋼式中壓液態(tài)燃燒性氣瓶柜閥盤與管路示意(本圖由三福氣體公司提供)氣瓶柜管路設(shè)計為了讓讀者對氣瓶柜閥盤上的設(shè)計有一些認識，以下依序介紹盤面上的重要

31、組件；(A).氣動控制閥，以GN2進行控制，不建議使用一般的壓縮空氣源(CDA, Compressed Dry Air)，因GN2的供應通常較CDA穩(wěn)定，不會因停電運轉(zhuǎn)設(shè)備的故障中斷，此閥主要用于自動或半自動操作時的管路氣體流向控制。(B).手動控制閥，主要當作第二道的防護，如管路的出口。(C).逆止閥(Check Valve)，防止特氣倒灌入清潔用的PN2和抽氣用的GN2管路。(D).調(diào)壓閥(Regulator)，用于調(diào)整并控制供應的氣體壓力。(E).壓力傳輸器(Pressure Transmitter)，這是防護系統(tǒng)安全的重要零件，透過它才能判知管路是否泄漏，相關(guān)的閥門是否可安全的開啟，同

32、時亦可檢知鋼瓶的氣體剩余量。(F).真空產(chǎn)生器(Vacuum Generator)，利用GN2的快速流動產(chǎn)生吸引的負壓，將管路中的氣體帶出，以達到抽氣的目的。(G).氣體過濾器(Line Filter)，裝于供氣的出口處，用以過濾掉氣瓶柜閥盤組可能產(chǎn)生的污染粒子以確保供氣質(zhì)量，但并非一定必要裝設(shè)，因通常在VMB的供氣口都會安裝符合制程條件需求的過濾器，若于氣瓶柜裝設(shè)過濾器后，需特別考慮未來更換過濾器的方便性，其裝設(shè)點皆已靠近閥盤末端，較不易進行管路的清潔purge，故而個人不建議于此處裝設(shè)過濾器。(H).流量偵測器(Flow Sensor)，對管路上異常大量的流量進行偵測，若是超過可能的設(shè)定值

33、，即判定管路上有可能大量泄漏，進而啟動緊急關(guān)閉裝置，中斷供氣。(I).限流孔(Orifice)，則是一項簡易又有效的過流量控制裝置，用以限制大量的氣流量通過，裝設(shè)于Vent的排氣管上，其主要防止特氣vent時的大量排放，造成區(qū)域式廢氣處理系統(tǒng)無法負荷的狀況發(fā)生。針對SiH4，因其具有毒性與強烈爆炸性，建議可于靠近鋼瓶的出口端加裝直徑約0.01吋的限流孔，使其最高流量不得高于30 slm。在此閥盤組的管路設(shè)計上，有一些需特別注意的項目。首先，一如前面所提，不兼容氣體的purge管路不可相連，而且不兼容的氣體不可設(shè)計在同一各氣瓶柜內(nèi)，即使互為各自獨立的管路與供應系統(tǒng)亦被嚴重禁止；管路大小的選定，需

34、考慮到制程機臺的使用壓力與流量的需求；連接鋼瓶的管路接頭需與鋼瓶接頭同一型號，且其高度在設(shè)計時即需考慮使用的鋼瓶高度，若為小型的鋼瓶，可使用能調(diào)整高度的固定支架；相關(guān)的管路零組件需依照氣體的特性選用，例如是否具有腐蝕性、供應的壓力為高壓或者低壓等；并且注意管路上死角purge的問題，若設(shè)計的死角越多或越嚴重，反復purge的次數(shù)就要越多，花費的時間也就越久。還有，未來零件更換的方便性，亦將嚴重影響日后維修的程序與時間；最后，個人認為相當重要的一點是設(shè)計時需要考慮未來的擴充性，例如多預留一組出口的擴充閥點，在流量上足以供應的考慮下，將可避免未來擴充點增加或流量增加時需要再添購一組氣瓶柜，當然若能

35、在VMB上預留足夠的擴充點亦可能可以解決相關(guān)的問題。安全防護設(shè)計總結(jié)前面所提的氣瓶柜防護設(shè)計，包括氣瓶柜外罩的防火與防爆設(shè)計、抽氣裝置、UV/IR火焰?zhèn)蓽y器、消防灑水頭、氣體泄漏偵測器、自動旋轉(zhuǎn)式鋼瓶手動閥關(guān)斷器、過流量關(guān)閉裝置、管路高壓泄漏測試設(shè)計、Vent限流孔、現(xiàn)場與遠程的手動緊急關(guān)斷開關(guān)等。其中消防灑水頭在氣柜內(nèi)的溫度超過65時，開始作動灑水；需特別注意的是，ClF3會因與水起劇烈反應，不可安裝灑水頭。在氣體室則需加裝偵煙感知器與灑水頭，以防止氣瓶柜外的管路泄漏或起火。所有的消防檢知系統(tǒng)與氣體泄漏系統(tǒng)，除極早期火災預警偵測器因太過靈敏容易造成誤判外，皆需與自動廣播系統(tǒng)聯(lián)機，當有任何動作

36、時，可實時的廣播疏散相關(guān)的人員，并立即集結(jié)緊急應變小組進行處理。這些相關(guān)的防護儀器或設(shè)備在規(guī)劃時，需謹慎考慮其放置位置與實用性，如緊急手動停氣按鈕(EMO, Emergency Off)除氣瓶柜上需必備外，在氣體室外或遠程的中央監(jiān)控室亦需架設(shè)，避免氣體室泄漏時無法進入關(guān)閉源頭的鋼瓶；此外警報的燈示，除現(xiàn)場VMB盤、氣瓶柜上皆建議安裝，方便附近的人員示覺外，亦需在氣體室門外裝置明顯的警示燈與警報聲響，以利人員緊急處理時的識別。并需規(guī)劃相關(guān)的防護器具，如更換毒氣鋼瓶時使用的空氣面罩。自從921大地震發(fā)生后，大家開始重視地震發(fā)生時的嚴重危害，地震儀的裝設(shè)才變成特氣供應系統(tǒng)的標準配備，也開始在氣瓶柜安

37、裝固定的基座，防止因地震所造成的移位。地震儀的設(shè)置通常采三臺的設(shè)計方式，可避免當一臺受到外力的干擾時(如施工)即造成誤動作，因此執(zhí)行氣體關(guān)斷的動作必須至少2臺同時動作才可成立；設(shè)置的地點采分散于廠區(qū)內(nèi)的方式進行，可以氣體房為一基準設(shè)置點，等距的三角形延伸至廠區(qū)內(nèi)另2點，同時需考慮安置地點的環(huán)境，是否不容易使人員造成誤動作，若為人員出入頻繁的地點即需將之排除。一般建議設(shè)定的地震儀動作等級為五級地震，執(zhí)行關(guān)閉的設(shè)備包括鋼瓶之Valve Shutter、氣瓶柜/架、VMB。另一項氣體大量泄漏時的外圍防護設(shè)計為裝設(shè)緊急的廢氣處理系統(tǒng)(ESE, Emergency Safety Equipment)，其

38、處理點可包括氣瓶柜、VMB、制程機臺等的抽排氣，需能快速的處理大量的氣體泄漏，如高毒性的AsH3、PH3等氫化物氣體、酸性氣體或NH3等，需與氣體偵測器連動，并使用化學吸附劑的方式進行處理，但目前因價格昂貴，尚未普及。氣瓶柜的關(guān)斷時機有下列幾種狀況，(A).氣體偵測泄漏達到上限警報；(B).火焰?zhèn)蓽y器或消防偵煙器動作，其中偵煙器動作是否真要關(guān)斷氣源還需進一步討論，因為偵煙器的誤動作機率一般還是太高，所以通常未將此項納入；但若真的發(fā)生，倘無自動關(guān)斷，可藉攝影監(jiān)視系統(tǒng)進行判斷，再以人員手動的方式執(zhí)行遠程的緊急關(guān)斷；(C).2部地震儀同時偵測到五級(含)以上的地震；(D).過流量開關(guān)啟動；(E).E

39、MO動作?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)目前普遍采用每臺氣瓶柜皆由獨立的單機PLC控制，而非集中式的控制方式，而且皆使用人機界面的觸控面板進行操作，系統(tǒng)的穩(wěn)定度與操作上的方便性與十年前的狀況已不可同日而語；并可透過PLC的通訊接口，將設(shè)備上所有的訊息納入整廠中央監(jiān)控系統(tǒng)與相關(guān)的外圍系統(tǒng)進行整合，包括氣體泄漏偵測系統(tǒng)、區(qū)域式廢氣處理系統(tǒng)(Local Scrubber)、消防系統(tǒng).等，以建構(gòu)一個安全性極高的氣體供應系統(tǒng)設(shè)計。閥盤與管路VMB設(shè)計VMB內(nèi)氣體種類配置的設(shè)計基本上有二種方式，一種以供應的氣體機臺為主，另一種則以氣體的種類進行分類，將相同的氣體放置于同一閥箱之中；前者的設(shè)計較少為人所采用，雖然它有

40、空間配置上的優(yōu)點，讓同一機臺的氣體管路供應來源全部集中在相同的VMB內(nèi)，不致使管路的配置太過凌亂，管理上亦較方便，但卻需考慮不兼容氣體設(shè)置于相同的閥盤上，可能因泄漏或人為的誤動作而導致氣體間的激烈反應，而且氣體泄漏偵測器的數(shù)量亦相對的增加，造成成本上的負擔，再而其未來的擴充性也較差。后者的設(shè)計是目前最普遍采用的方式，雖然相同制程機臺的關(guān)斷閥無法集中，可能導致管理上的不便，卻有以下的優(yōu)點，如氣體泄漏偵測器布點較少、相同氣體集中配置安全性高、VMB設(shè)計與操作簡單、擴充性佳等。基本上，VMB的設(shè)計與氣瓶柜內(nèi)大同小異，包括防護箱體、強制抽氣、氣體泄漏偵測器、緊急自動關(guān)斷閥、EMO、purge管路等，但

41、以手動閥進行供應控制，氣動閥做為緊急關(guān)斷之用。通常VMB內(nèi)不設(shè)計UV/IR火焰?zhèn)蓽y器和消防灑水頭，主要基于功能性與經(jīng)費的考慮。一般而言，此處于施工測漏驗收后，管路不再移動且不常操作，或進行管路的拆裝，危險性較氣瓶柜低。目前的管路零組件與施工質(zhì)量皆達一定的水平，發(fā)生泄漏的機率極低，所以，通常當緊急狀況如泄漏、地震發(fā)生時，可利用氣動閥進行自動關(guān)斷，將氣源做分段的隔離。機臺維修時，則可做為氣體管路的阻絕功能，為人員的安全提供進一步的保護。VMB一般可依業(yè)主要求設(shè)計4、8、10或其他數(shù)目的接點，供氣至數(shù)臺機臺，其功能上除可提供使用點氣源控制外，亦可當作氣體供應的中繼調(diào)壓，提供穩(wěn)定的供氣壓力與流量，同時

42、可規(guī)劃偵測供氣的壓力，設(shè)定偏移 5psi時發(fā)出警報。管路設(shè)計管路設(shè)計時需考慮輸送的距離，距離越長，成本越高，風險也越高。因擴充性不易，需預留適當?shù)臄U充閥組。通常較理想的設(shè)計流速為一般氣體小于20 ml/sec，可燃性氣體小于10 ml/sec，腐蝕性/毒性氣體則小于8 ml/sec。在用量的設(shè)計方面，則需考慮使用點的壓力與管徑的大小，前者與氣體特性有關(guān)，后者在使用點一般為1/4吋3/8吋。管路型式依氣體特性設(shè)計，惰性氣體使用一般的單層管，腐蝕性、可燃性、毒性則可考慮雙套管，但因其制作成本高，除非具自燃爆炸或極毒性的危險氣體，如SiH4、PH3、AsH3常以雙套管制作外，其余危險氣體可再行考慮。

43、管路的材質(zhì)則依使用的需求進行選擇，若為制程用的反應氣體則選擇高等級的316L EP管，經(jīng)電解拋光(Electro-Polish)處理，耐腐蝕，表面粗糙度低，Rmax(maximum peak to valley height)約為0.30.8m，其值遠低于經(jīng)過光輝燒結(jié)(Bright Anneal)處理之316L BA管的36m，因平整度越高越不容易形成微渦流，而將污染粒子帶出。316L BA管則常使用于和芯片接觸但不參與制程反應的氣體，如GN2、CDA。另一種未經(jīng)特殊處理的AP管(Annealing & Picking)，則用于不做為供氣管路的雙套外管。雙套管的內(nèi)/外管材質(zhì)通常為SUS 316L EP/SUS 316L AP，其設(shè)計的主要目的有兩點，首先可保護內(nèi)管避免直接受到外力撞擊，其次能將由內(nèi)管滲漏的氣體阻絕于外管，并利用相關(guān)的檢知設(shè)備進行偵測。目前常用的設(shè)計有正壓和負壓兩種方式，以往的開放式設(shè)計因危險性高已很少使用，其主要是將管路兩端開放于相關(guān)的氣柜內(nèi)，利用抽氣將泄漏氣體抽出，再由氣體泄漏偵測器進行檢知；負壓設(shè)計是將內(nèi)外管間抽成真空，正壓設(shè)計則是灌以氮氣維持正壓，兩者皆可接上