特气供应系统的规划与设计

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1、特气供应系统的规划与设计(SSTT.NO.20)吴志平/工研院电子所由于半导体制程日趋复杂且建厂成本相对的愈来愈高，其使用的制程化学品皆具有相当的危险性，虽然有相关的外国标准可进行规范，但实际的做法却莫衷一是，各有其成本与优缺点上的考虑。本文除概略性的介绍半导体厂之特气供应系统外，主要对整体特气系统的规划与设计进行探讨，限于篇幅，本文将论述的重点放在气瓶柜/架、阀箱与管路的设计上，提出个人的一点心得与看法，希望抛砖引玉提供大家思考的方向，以兹未来建构特气系统时的参考。然而，在实际的建厂规划设计时，工程师仍需依各厂的现况进行规划，考虑的重点包括经费、

2、周围环境、基地、人员…等，以期较佳的实用性设计达到更安全的供应与环境维护。气体的使用在半导体制程中一直扮演着重要的角色，特别是半导体制程目前已被广泛的应用于各项产业，凡举传统的ULSI、TFT-LCD到现在开始萌芽的微机电(MEMS)产业，皆以所谓的半导体制程为产品的制造流程，其中的制程包括如干蚀刻、氧化、离子布植、薄膜沉积等皆使用到相当多的气体，而气体的纯度则对组件性能、产品良率有着决定性的影响，气体供应的安全性则关乎人员的健康与工厂运作的安全。气体一般可简单的区分为大宗气体(BulkGases)，如N2、H2、O2、Ar等使用量较大的气体，和特

3、殊气体(SpecialtyGases)，如SiH4、AsH3、PH3…等以钢瓶供应的气体。本文主要针对特殊气体的供应系统进行探讨，大宗气体的供应设计则因其供应方式的特殊性，如以大型桶槽的供应方式，将不列入本文的讨论范围。特气供应系统是半导体厂中危险性最高的一环，只要有任何的疏失都可能造成人员、厂房、设备的严重损失，特别是其中有些气体如SiH4的自燃性，只要一泄漏就会与空气中的氧气起剧烈反应，开始燃烧；还有AsH3的剧毒性，任何些微的泄漏都可能造成人员生命的危害，也就是因为这些显而易见的危险，所以对于系统设计安全性的要求就特别高。通常严重危害的事件，

4、都是人们忽视其危险性或对其特性上的无知，甚或人员操作维护上的疏忽所造成，反而越危险的物质，大家投注更多的关心与防护，造成严重危害的情形较不容易发生。但是，如何的设计才是最佳的考虑，实无绝对原则可供遵循，特别是如何在经费与安全性考虑上取得较佳的平衡，一直是工程师与设计者追寻的目标。若是经费许可当然可以选择二重、三重、甚或四重的保护，但更多重的保护设计是否又具有实质的意义。我们可针对自燃性气体供应时，气瓶柜泄漏来做实际的状况模拟，用以讨论防护设计上的观念。首先假设人员在更换钢瓶后，未将接头完全锁紧即开始供气，此时第一阶段保护的管路压力测试失效(目前的气

5、瓶柜几乎皆有此项之设计)，才可能发生接下来的泄漏状况；当气体开始燃烧后，第二阶段的火焰侦测器侦测到火焰燃烧所放射出的UV或IR光谱，侦测器动作，第三阶段的气体泄漏侦测器侦测到泄漏的气体浓度值，第四阶段的紧急关断阀会将钢瓶气源出口的手动阀自动关闭，第五阶段的防爆柜与抽气的设计阻绝火焰蔓延至隔邻气柜，第六阶段的消防洒水头开始洒水降温，第七阶段的区域防爆墙设计防止火焰或爆炸扩散至厂房的其他区域；据此描述，我们可粗略的概估可能导致最严重后果的机率，若假设人员失误和各段保护设计(七阶段)失效的机率皆为十分之一的高值进行计算(当然实际上每阶段失效机率不可能如此

6、之高)，其结果为亿分之一；换言之，倘若因人员疏失导致的气瓶柜供气管路泄漏，造成整厂火灾爆炸蔓延的机率为亿分之一；此等安全性设计失效的机率已足可为一般的厂房安全设计者所接受，甚或超过其理想值。而以上所述的这些保护设计，皆为目前半导体厂最一般化的基本要求，所以是否还有必要要求气瓶柜内的管路设计为双套管、气柜内加装极早期火灾预警侦测器等防护设计，实有再进行探讨的必要。针对这些基本防护设计，以目前的技术水准，皆可很容易的达到所要求的功能、精准度、可靠度等，但毕竟这些零组件与侦测器皆需花费不赀，在目前不景气中力求节约的半导体业，可再透过进一步的设计考虑，重新

7、检讨各项防护设计的必要性，甚或以更简单、更方便或更便宜的设计方式来取代。超高纯度的气体供应质量则是设计时的另一项重要考虑，在管路与零组件的材质选择、运送包装、施工组装、管路清洁、测试检验，乃至于日常管理，每一个环节的精确要求皆与供应的质量息息相关。例如在更换钢瓶后，一定有一段管路被外界气体污染，这时候就要透过管路的设计，在供应前对此段管路以氮气进行反复的冲吹，使其符合供应质量的要求。特气的供应，设计上并不像大宗气体一样，需要采用连续质量监视系统对可能的污染物(如水分、氧气、粒子…等)进行分析监控，主要因为其钢瓶的气体质量较易掌控，而且气体种类太多，

8、进行仪器选购的成本太过庞大，监控时的危险性亦较高。此外，特气的供应管路亦不似一般的管路，因其有施工时的危险性、管路制作不易