矽甲烷特性及预防方法

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1、矽甲烷(Silane)特性及風險預防措施■劉君毅台積電風險管理部副理前言矽甲烷一直是半導體製造上最具威脅及破壞性化學物質，不但對人員之身體傷害、死亡，更會造成財產損失及生產中斷。案例上如美國Hyalihat事件，矽甲烷鋼瓶之氣體出入口之閥使用鐵氟龍製之套頭用袋形鎖鎖緊使之達成密封之目的，使用矽甲烷時因用太大力量鎖緊使套頭變形，因而數小時後氣體噴出而燒毀氣瓶櫃。另一災害發生在日本因操作者不知悉其可怕之特性，一般無知者認為矽甲烷與氧氣形成二氧化矽，不知道矽甲烷與氧氣造成爆炸性氣體，在同時對設備本身的威力及營業中斷的潛勢，亦是非常受到重視。另一類型

2、是矽甲烷與二氮化氧(N2O)混合而造成突然爆炸，使四名人員死亡。另外是排氣煙道上殘留下矽甲烷及含油之紙，在排氣管內部吸入之含油紙上引火而著火，燒毀排氣系統。矽甲烷燃燒後產生之二氧化矽或一氧化矽，後者會因衝擊或振動而引起爆炸。半導體製造設施之排氣系統上必定會有固形物，如殘留於管材或除害裝置內會使壓力損失增加，導致爆炸之事件亦相當多。矽甲烷氣體是一種在正常自燃溫度下具有自燃性氣體。矽甲烷釋放時以一噴射式火焰。理論上，矽甲烷濃度在LEL濃度以上或以下會引起氧化反應是因排氣造成亂流。排氣管內的死角在正常排氣下，未反應矽甲烷不會累積至危險濃度，若果亂流

3、沈澱，矽甲烷燃燒造成壓力上升。Intel在實驗中得到結果非侷限空間儲存矽甲烷可減少累積可能性?利用自然排氣?減少爆炸影響?避免人員受傷。但在某些情形下，矽甲烷洩漏是不會燃燒，而會形成矽甲烷蒸氣雲。因為矽甲烷的高反應性及不穩定特性，一旦蒸氣雲燃燒，引起爆炸及破壞性過壓力。目前矽甲烷供應方式及未來的趨勢，受到相對的研究。咨就日本、美國對矽甲烷研究結果整理並引用美國UFC(UniformFireCode),NFPA(NationalFireProtectionAssociation)及SEMATECH研究建議作一建議及研討。矽甲烷的行為:在1970

4、及1980年代，有IBM/HRC，UnionCarbide及SanDiegoState對矽甲烷作過研究。在90年代，更有FM/SEMATECH，Intel，CGA或其他機構(如日本)對矽甲烷有更多的研究及發現。矽甲烷是長久以來被半導業視為頭號危險物質，除了知道其自燃的危險外，另有其氣瓶櫃爆炸更威脅到人生安全及財物安全。因此，矽甲烷供應或儲存研究在侷限，非侷限及半侷限空間矽甲烷洩漏狀況探討。首要條件是瞭解矽甲烷特性（behavior），提供氣瓶櫃內排氣設計與排放口大小對燃燒特性關係。再依此做有效設計。依照實驗數據，CGA建立大量矽甲烷儲存及設計

5、標準作為產品風險管理依據。對矽甲烷製程尾氣排放，存在兩個問題，一是火災爆炸，二是毒性。以毒性來看，矽甲烷資料為有限的動物資料建議LC50（4小時為4000-9600ppm），ACGIH對矽甲烷TLV是5ppm。相對地，氫化氰在181ppm暴露10分鐘有致命危險，雖有更多的安全考量。但因矽甲烷其燃燒後生成二氧化矽造成呼吸道刺激。其危害在於矽甲烷自燃的特性及其燃燒下限（LEL）。且缺乏毒性資料，仍應避免不必要暴露。◆矽甲烷一般特性如表1表2和表3與其他氣體定壓力情況下比較火災溫度較氫氣之2381K，甲烷之2148K及Acetylene之2598K

6、為高，因此可知危險性很大。在密閉空間爆炸之情形產生10倍以上壓力，一般可燃性氣體最大約8倍。在大爆炸發生時，壓力可到達20倍，火災速度為1869米/秒。矽甲烷燃燒原理可表示為：●SiH4+2O2+N2-->SiO2(s)+2H2O+N2燃燒熱為－341仟卡/莫耳或-44.42仟焦耳/克,計算式中矽甲烷濃度9.51莫耳百分比表。為矽甲烷的特性及在常壓（自由擴張deflagration），定體積（deflagration）及爆燃。當矽甲烷一氧氣爆炸低於或等於30莫耳百分比矽甲烷，是不會形成氫氣。但矽甲烷濃度在70莫耳百分比或更高時，唯一氣態產物是

7、氫氣而非水。●SiH4＋O2-->SiO2+2H2在矽甲烷燃燒放出大量二氧化矽粒。大約每燃燒一磅矽甲烷完全燃燒，約生成1.8磅二氧化矽，矽甲烷等可燃性氣體在各種助燃性氣體中爆炸範圍之比較如表4。當矽甲烷濃度超過最低爆炸濃度，其在室溫下與空氣的混合體積比率為4.5%，則可能自燃。當達到此最低濃度時，並不表示一定會燃燒。而此種延遲燃燒現象會依矽甲烷濃度及與可能的亂流(turbulence)而定。只是，若要自燃產生，通常需要先達到「半穩定」的混合狀態，並且混合時間需要足夠長。此種情況在矽甲烷混合物濃度高時不易預測。另一方面來看，若要排除自燃可能性亦

8、不因難，只要控制矽甲烷累積混合濃度在4.5%閥限量以下。如表5所示。由LawrenceBritton回顧有關過去歷史文獻有關矽甲烷在開放空間之燃燒特性時其中一份文獻