特气供应系统的规划与设计

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、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(Bulk Gases)，如N2、H2、O2、Ar等使用量较大的气体，和特殊气体(Specialty Gases)，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，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，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、管路制作不易与污染上的考虑，不能任意的进行切管或修改。特别是整厂开始运作生产之后，任何的施工皆可能严重影响制程机台与生产线的正常运作，因此，若在制程的需求尚不十分明确或考虑到未来的扩充性，均需预留适当的阀件或管路以利未来的扩充。微机电半导体产业近年来开始在国内生根建厂，笔者有幸参与其中一座厂务系统的规划与设计，其整体系统的建立基本上和一般的晶圆半导体厂并无二致，只是其对污染物的要求规格不似晶圆半导体厂严格，主要因其线径与几何结构的尺寸较大，约为0.5 - 1mm之间，和目前ULSI的0.18 - 0.15mm的线径要求相差甚多。针对此微机电半导体厂的厂务各项系统建置费用分析如图一所示，气体供应系统(包含大宗气体与特殊气体)的费用约占全部厂务系统(不含土地、厂房结构)建置费用的15%，仅低于无尘室系统的23%，所以此项系统的重要性可见一般。图一：某微机电半导体厂厂务各系统建置分摊比例特气中央供应系统气体特性特殊气体的种类一般可分为腐蚀性、毒性、可燃性、助燃性、惰性等，一般常用的半导体气体分类如下：(一)、腐蚀性 / 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等其中很多气体是具有二项以上的特性，特别是腐蚀性气体一般而言亦同时具有毒性，PH3则具有腐蚀性和毒性外，亦具有可燃性，是相当危险的一种气体。若期望对气体供应系统做出较佳的规划设计，一定要对气体特性有相当的了解，才有可能驾驭它、控制它，而详细的阅读各项气体的物质安全数据表(MSDS)则是了解它的第一步。透过MSDS我们可以很清楚的知道它的各项特性，包括物理特性、化学特性、毒性、兼容性等，乃至于紧急处理的方法和步骤皆有详细的介绍。表一则是列出一些常用气体间的兼容性与可能的反应状况。表一：常用气体相互反应表气体供应方式一般的大宗气体N2、O2、Ar常用的供应方式以固定式的大型桶槽为主，将桶槽安置于厂区附近，架构独立的供应区与土木基础，以槽车定期进行填灌，高压的液态气体经蒸发器蒸发为气态后，供应现场使用，若有纯化的需求则需透过气体纯化机将气体精制成生产线需求的规格使用；H2则经常使用两座多组钢瓶串接的方式进行供应，当一座的气体使用完后，另一座的气体将自动接续供应，使供气不致中断，并以整座串接钢瓶更换的方式进行气体的补充。此外，也有所谓的on-site供应方式，将需求的气体于现场直接制造供应生产线；另有由气体供货商直接架设地下管路进行集中式的供应，就像目前家用的天然气供应方式。但此法因管线太长，且埋设于地下，供应点复杂，除非供货商有很好的系统设计，可防止断气、排除管路的污染或供应质量不稳定的状况，否则此种供应虽然方便，却因半导体制程对气体质量的要求相当高，风险值也相对的较高。倘若源头供应质量不良，导致所有半导体厂的制程断气或污染，其损失之大，将不下于停电所造成的巨额费用。相对的，以槽车或钢瓶的供应方式，因其出货前可透过质量的检验，确保供气的质量，风险也就较低。特殊气体的供应方式截至目前为止，几乎皆用钢瓶的方式进行，一般常用的为高压钢瓶，但依其填充的气体特性又可分为气态与液态钢瓶，一般气体皆为气态钢瓶，其填充压力亦高，气体以气态储存于钢瓶内；低蒸气压的气体则以液态储存于钢瓶内。另有一种吸附式的气体储存钢瓶，即所谓的安全供应气源(SDS, Safe Delivery Source)，可藉由介质如沸石和活性碳对特定的气体如PH3、AsH3、BF3、SiF4等进行物理吸附，以气体分子与吸附剂间的凡得瓦力将气体吸附于吸附剂的孔隙中，其优点为供应压力低于一大气压，无泄漏之余。经实验结果，即使泄漏亦不致发生爆炸或造成足以危害人体的毒气浓度，安全性佳，而且供应量可为传统高压钢瓶的数倍至数十倍。然此种供气无法使用于目前所有的半导体气体，亦少晶圆厂使用此种系统进行中央集中式的供应方式，因此本文将不对其多作讨论，仅提出此种供应方式的特点供读者参考。针对腐蚀性、毒性、燃烧性的气体，通常设计将钢瓶置于气瓶柜(Gas Cabinet)内，再透过管路将气体供应至现场附近的阀箱(VMB, Valve Manifold Box)，而后再进入制程机台的使用点(POU, Point of Use)，于进入机台腔体之前，会有独立的气体控制盘(GB, Gas Box)与制程控制模块联机，以质流控制器(MFC, Mass Flow Controller)进行流量之控制与进气的混合比例控制，通常此气体控制盘不属于厂务系统的设计范畴，而是归属制程机台设备的一部份。一般的惰性气体则是以开放式的气瓶架(Gas Rack)与阀盘(VMP, Valve Manifold Panel)进行供应。详细的描述与讨论将在下节进行，现在仅举一简单的两种不同供气流程规划的实例，如图二、三所示，供读者参考。图二：毒性 / 可燃性气体供应规划流程实例(本图由新忠公司提供) 图三：惰性气体供应规划流程实例(本图由新忠公司提供)上面所提的为目前常用的集中式中央供应设计，缺点是只要一种气体的供应出问题，就可能造成所有使用的机台停摆，甚或中断整个生产线，对制程稳定的风险值较高。另有一种供应方式的设计为针对制程机台进行分布式的气瓶柜规划，机台使用到几种特殊气体就使用几台气瓶柜，将气瓶柜装设于机台附近，其优点为对制程的风险值较低；但相对的，因其未集中管理，无法整体而有效的进行相关的防护设计，如防爆墙、泄漏的局限性等，而且管理上相当耗费人力，不管是气瓶柜的维护、钢瓶的更换，皆大大的增加了管理上的风险，虽然省下了VMB的设置及可选用较便宜的单钢气瓶柜，却大量的增加气瓶柜的数目，个人觉得较不符合成本与安全性的设计。据闻韩国的半导体厂以往皆大量采用分布式的设计，但近年来则有渐渐改成集中式供应的趋势。空间设计当工厂内洁净室各制程区的规划确定后，即可开始考虑气体室位置的选定，首先需要距离气体使用区近，有独立的结构与空间区隔，避免与主厂房使用同一结构体。若是无法避免，则对相关的防爆区隔需做更谨慎的规划，以求降低运作时影响整厂的风险。此外，相关的气体备料储存空间的位置选定亦需一并考虑，不可距离气体供应室太远，增加未来更换气瓶时运送的困难与风险，而且两者建议规划适当的区隔，防止相互影响导致可能的风险加成。针对不同特性的气体，建议分别规划独立的供应区域，一般可分成三区：毒性 / 腐蚀性气体区、可燃性气体区、惰性气体区，将相同性质的气体集中加强管理，可燃性气体区需特别规划防爆墙与泄爆口，若空间不足时，可考虑将惰性气体放置于毒性/腐蚀性气体区，倘放置于可燃性气体区，则需扩大其防爆区隔与相关的消防设施，较不符合成本上的考虑，而且防爆墙一经建构完成，未来将相当不易进行后续的空间扩充。此外，这些区域需考虑独立的空调送风系统，避免和洁净室空调共享相同的气源，因为此区需有大量的排气以维持气瓶柜内与空间中的负压设计，防止气体泄漏后直接溢散出外界，所以需要的空调量相当大，如何设计可做到能源的节约并兼顾到安全性，实是未来可以努力的目标；曾经有些厂房设计将洁净室中的部分空调回风导入气体供应室，但除可能增加前面所提的风险外，亦会造成洁净室的正压降低，然若于一开始即将气体室的空调量纳入洁净室的空调规划量中，实际上并无法真正达到节能的作用。通常气体室并不需维持太低的温度与洁净度，若能利用洁净室中较低温的一般排气，与气体室的空调进气以热管(Heat Pipe)进行高效率的热交换，或许是较实际的可能改善方式之一。对相关的气体室电力供应系统与监控室，亦建议架构独立空间或放置于惰性气体室，除可避免电力造成的危害，同时方便日后的紧急状况处理与人员日常操作。电力规划电力系统的规划则需设计独立的电源，可避免受其他系统的影响，而且每个气瓶柜或VMB皆需有独立的电源开关，并建议装设UPS系统，连接紧急发电机电源，因为现在大部分晶圆厂重要制程机台的电源供应，皆联机UPS与紧急发电机，避免因电力供应不稳而导致的严重损失，相对的，此项供应系统亦需不可中断。此外，系统设计不断电亦有几项重要的功能存在；首先，UPS有稳压的作用，可防止控制系统PLC不致因为供电不稳而导致失效；当紧急状况发生，又需要在停电时将管路中的气体排除时，亦可继续操作；年度维修停电1-2天时，若气体管路不进行冲吹(purge)清洁时，针对低压气体亦可利用包温加热带继续稳定加热，可避免气体凝集于死角或细缝处，造成供应回复不易或阻塞的情形发生。气瓶柜 / 架 气瓶柜定义首先来看看SEMI-S4对气瓶柜的定义：一个金属密闭容器，目的在提供局部排气通风以保护气体钢瓶不会着火、防止气瓶柜外之火源着火、及保护周围不因气瓶柜之火源而着火，并限制火源于其内部。因此气瓶柜一定需要具备防护箱体、强制抽气、安全防护以避免火焰之蔓延，甚或将火源熄灭的功能。气瓶架则为简单的钢瓶开放支架，没有防护箱体，亦无强制抽气。图四的照片显示气瓶柜和气瓶架的外观。图四：左图为气瓶柜，右图为气瓶架。低蒸气压气体供应一般而言，在室温下的饱和蒸气压小于30psig的气体皆属之，如BCl3、DCS (SiH2Cl2)、ClF3、WF6，它们在21.1时的饱和蒸气压分别为19.7 psig、23.3 psig、21.5 psig、27 psig，皆是以液态的型式储存于钢瓶内，输送上相当不易。因此，于供应流量设计时需特别考虑相关的因素，如气体的物理特性、钢瓶表面积、管路长度等，通常使用直接加热在钢瓶与管路的方式供应；对钢瓶则以侧面外罩加热套，套内装有加热带和保温棉衬，但因拆装时相当麻烦不便，目前已较少采用；另一种方式则于钢瓶底部加热，若温度控制得当，是一种相当简便与安全的方式。管路加热则使用加热带与保温棉包覆管路的方式，从供气的钢瓶端，经VMB、GB直到尾端的机台，加热的温度亦随着供应的距离加长而逐渐提高，以预防气体冷凝并增高蒸气压；加热带需有独立的温度控制系统，除需要稳定控制加热温度外，亦需选用具较低极限加热温度(约65)的加热带，即使加热控制器失效亦不致发生危险。此外，管路长度也是相当重要的考虑，管路太长加热的稳定性较不易控制，极易因管路经过不同的温度区域而凝结成液态，阻塞管路。因此建议若各区域的温差太大，以分段加热控制的方式进行设计。但最好的方式还是就近将气瓶柜放置于制程机台附近的维修区或Sub-Fab，此时需特别考虑其安全性。目前亦有相关的厂商开始研发，将低蒸气压气体以液态的型式供应于主管路，待经过MFC后再加热汽化成气态进入反应腔，但因为相关的零组件研发皆尚未成熟和普遍，因此还很少为人所采用。气瓶柜/架的型式气瓶柜/架一般针对不同的气体特性分为五种基本型式，其中Type II和III属于较低蒸气压的气体，Type IV和V则属惰性气体使用的气瓶架，各型式使用的气体类别、种类与相关的功能分述如下：Type I：专门使用于高压燃烧性气体(High-Pressure Flammable Gas)，如SiH4、B2H6、PH3、CH4、H2、AsH3。因其具有燃烧性，所以通常会加装相关的消防设备，如UV/IR火焰侦测器、洒水头、气体泄漏侦测器等，又因其为高压的压缩气体状态，可使用侦测供应压力的方式计算钢瓶剩余的气体量。Type II：使用于中压液态燃烧性气体(Mid-Pressure Liquid Flammable Gas)，如NH3、HBr、HCl、Cl2。本型式除消防设备需要安装之外，并以电子重量磅秤来侦测钢瓶剩余的气体量，若对供气的流量有较大的需求时，需再考虑相关的加热设备。Type III：使用于低蒸气压气体(Low Vapor Pressure Gas)，如BCl3、DCS、ClF3、WF6，除使用电子秤与加热装置外，因属非高压的钢瓶且供应流量小，建议不需使用高压测漏与过流量保护装置。Type IV：使用于液态惰性气体(Liquid Inert Gas)，如C4F8、CHF3、C2F6、N2O、SF6，不需相关的安全设计，但要使用电子秤检知钢瓶剩余的气体量。Type V：使用于惰性气体(Inert Gas)，如CF4、Ar、He。因气体特性不同，此五类气瓶柜需依其使用的气体种类设计相关的气瓶柜/架功能，如Type I-III属危险性气体，建议皆需加装自动旋转式关断器(Valve Shutter)，于紧急状况发生时可将钢瓶上的第一道出口旋转阀关闭，除非钢瓶破裂，否则只要此项关断器功能正常，将可保证供应的安全性。此外，Type I-II亦属可能过流量供应的气体，建议选用过流量关闭装置，以确保避免异常的流量供应。表二：各式气瓶柜/架功能选用建议功能设计气瓶柜内的钢瓶数设计可分为三种，分别为单钢、双钢、三钢。单钢的设计常使用于研究机构或实验室等，制程未有量产之考虑，气体使用量小，现场可随时协调停机进行钢瓶之更换，其优点为简单、节省空间、成本低，但需透过日常之管理与协调以避免中断制程，造成损失。双钢与三钢常用于量产工厂，制程不允许停机的状况，当一支钢瓶使用完后，另一支待机中的钢瓶将自动上线供应，并发出更换钢瓶的警报，此两种型式上的差别主要在于清洁用purge管路的纯化氮气(PN2, Purified N2)是以钢瓶或厂务端供应。当purge用的PN2统一由厂务端供应时，所有不同的供应气体系统(不管是否兼容)将会因此purge管路的存在，而形成连接的状态，造成较高的风险值；万一中央供应的PN2中断，又未发生任何警报，恰巧又有二种不兼容的钢瓶在使用purge的管路，此时，爆炸的状况极可能就此发生，类似意外亦有发生过的纪录，不得不慎。三钢式设计尚有一项优点，就是现场的VMB在做管路purge时亦可使用同一气瓶柜的钢瓶，不同气体间透过VMB造成的交互反应或污染的风险值又更低了。选用三钢型式的主要缺点为设置的空间需求较大，成本较高。但据笔者经验，目前双钢与三钢的购置成本已无太大的差异；因此，若非空间上有无法克服的困难，个人建议针对危险性气体以三钢的气瓶柜为优先的考虑。若为惰性气体使用的气瓶架，由厂务中央供应PN2或于现场使用独立的钢瓶皆可，因为即使采用现场的钢瓶供应方式，亦可使用集中式的双钢PN2气瓶架，所增加的成本与空间将相当有限。操作性设计只要是双钢以上的气瓶柜设计，皆需有自动切换的功能以达到连续供应的目的，通常以压力传输器侦测供应的压力来计算钢瓶剩余的气体量；若为低蒸气压气体，则以电子重量磅秤来侦测钢瓶剩余的气体量。在日常操作功能的设计上，可分为全自动、半自动、手动三种方式。通常气瓶柜的操作执行动作有下列几种：1.前置冲吹(Pre-purge)：主要为利用一般氮气(GN2, General N2)的流动经过真空产生器造成管路内的负压，抽出气瓶柜盘面管内的特气，再利用通入PN2稀释管壁内残存的微量特气，反复执行此项冲吹与稀释的过程，并于过程中同时以负压检测真空产生器的功能，以保压测试管路是否泄漏。2.后置冲吹(Post Purge)：通以PN2进行保压测试管路是否泄漏，确认钢瓶接头与管路的衔接良好，并进行PN2的反复冲吹，将更换钢瓶时渗入的污染物去除。3.上线冲吹(Process Purge)：主要目的是将清洁用的PN2清除，并送制程气体上线；此过程则反复利用制程气体的冲吹，将清洁用的PN2予以彻底的排除。4.更换钢瓶：通常由四个主要步骤来完成，Pre-purge R 更换钢瓶 R Post Purge R Process Purge。更换钢瓶的时机为气体残余量剩下约10%时，但实际上仍需以各气体过往的使用纪录为依据进行判断，才会得到较佳的更换时间点。再者，到达气体的使用年限亦需进行更换，通常约为一年，因部分的制程气体可能会对钢瓶造成微量的腐蚀，污染气源。为了达到以上步骤1.到3.的功能，其管路与阀件的设计皆较为复杂，如图五所示。各厂牌气瓶柜的功能性差异大，选用时除考虑公司的技术能力与维护人力外，建议以系统稳定性和市场占有率进行主要的考虑。若采用手动的方式进行，人员的操作将需相当小心谨慎，任何步骤的疏忽皆可能严重影响供气的质量与造成危险。所以通常对危险性气体笔者建议需有自动(Auto-purge)的功能，当自动无法顺利运作时才改为半自动的方式进行。若为惰性气瓶架，虽然没有危险性，人为操作不当却有可能污染管路，毕竟每一步骤执行的反复作动次数可能高达3050次，不但需要耗费相当长的时间，更需集中相当多的精神来执行，因此个人建议为维护供气的质量，即使是惰性气瓶架亦应该具备自动的功能。图五：三钢式中压液态燃烧性气瓶柜阀盘与管路示意(本图由三福气体公司提供)气瓶柜管路设计为了让读者对气瓶柜阀盘上的设计有一些认识，以下依序介绍盘面上的重要组件；(A).气动控制阀，以GN2进行控制，不建议使用一般的压缩空气源(CDA, Compressed Dry Air)，因GN2的供应通常较CDA稳定，不会因停电运转设备的故障中断，此阀主要用于自动或半自动操作时的管路气体流向控制。(B).手动控制阀，主要当作第二道的防护，如管路的出口。(C).逆止阀(Check Valve)，防止特气倒灌入清洁用的PN2和抽气用的GN2管路。(D).调压阀(Regulator)，用于调整并控制供应的气体压力。(E).压力传输器(Pressure Transmitter)，这是防护系统安全的重要零件，透过它才能判知管路是否泄漏，相关的阀门是否可安全的开启，同时亦可检知钢瓶的气体剩余量。(F).真空产生器(Vacuum Generator)，利用GN2的快速流动产生吸引的负压，将管路中的气体带出，以达到抽气的目的。(G).气体过滤器(Line Filter)，装于供气的出口处，用以过滤掉气瓶柜阀盘组可能产生的污染粒子以确保供气质量，但并非一定必要装设，因通常在VMB的供气口都会安装符合制程条件需求的过滤器，若于气瓶柜装设过滤器后，需特别考虑未来更换过滤器的方便性，其装设点皆已靠近阀盘末端，较不易进行管路的清洁purge，故而个人不建议于此处装设过滤器。(H).流量侦测器(Flow Sensor)，对管路上异常大量的流量进行侦测，若是超过可能的设定值，即判定管路上有可能大量泄漏，进而启动紧急关闭装置，中断供气。(I).限流孔(Orifice)，则是一项简易又有效的过流量控制装置，用以限制大量的气流量通过，装设于Vent的排气管上，其主要防止特气vent时的大量排放，造成区域式废气处理系统无法负荷的状况发生。针对SiH4，因其具有毒性与强烈爆炸性，建议可于靠近钢瓶的出口端加装直径约0.01吋的限流孔，使其最高流量不得高于30 slm。在此阀盘组的管路设计上，有一些需特别注意的项目。首先，一如前面所提，不兼容气体的purge管路不可相连，而且不兼容的气体不可设计在同一各气瓶柜内，即使互为各自独立的管路与供应系统亦被严重禁止；管路大小的选定，需考虑到制程机台的使用压力与流量的需求；连接钢瓶的管路接头需与钢瓶接头同一型号，且其高度在设计时即需考虑使用的钢瓶高度，若为小型的钢瓶，可使用能调整高度的固定支架；相关的管路零组件需依照气体的特性选用，例如是否具有腐蚀性、供应的压力为高压或者低压等；并且注意管路上死角purge的问题，若设计的死角越多或越严重，反复purge的次数就要越多，花费的时间也就越久。还有，未来零件更换的方便性，亦将严重影响日后维修的程序与时间；最后，个人认为相当重要的一点是设计时需要考虑未来的扩充性，例如多预留一组出口的扩充阀点，在流量上足以供应的考虑下，将可避免未来扩充点增加或流量增加时需要再添购一组气瓶柜，当然若能在VMB上预留足够的扩充点亦可能可以解决相关的问题。安全防护设计总结前面所提的气瓶柜防护设计，包括气瓶柜外罩的防火与防爆设计、抽气装置、UV/IR火焰侦测器、消防洒水头、气体泄漏侦测器、自动旋转式钢瓶手动阀关断器、过流量关闭装置、管路高压泄漏测试设计、Vent限流孔、现场与远程的手动紧急关断开关等。其中消防洒水头在气柜内的温度超过65时，开始作动洒水；需特别注意的是，ClF3会因与水起剧烈反应，不可安装洒水头。在气体室则需加装侦烟感知器与洒水头，以防止气瓶柜外的管路泄漏或起火。所有的消防检知系统与气体泄漏系统，除极早期火灾预警侦测器因太过灵敏容易造成误判外，皆需与自动广播系统联机，当有任何动作时，可实时的广播疏散相关的人员，并立即集结紧急应变小组进行处理。这些相关的防护仪器或设备在规划时，需谨慎考虑其放置位置与实用性，如紧急手动停气按钮(EMO, Emergency Off)除气瓶柜上需必备外，在气体室外或远程的中央监控室亦需架设，避免气体室泄漏时无法进入关闭源头的钢瓶；此外警报的灯示，除现场VMB盘、气瓶柜上皆建议安装，方便附近的人员示觉外，亦需在气体室门外装置明显的警示灯与警报声响，以利人员紧急处理时的识别。并需规划相关的防护器具，如更换毒气钢瓶时使用的空气面罩。自从921大地震发生后，大家开始重视地震发生时的严重危害，地震仪的装设才变成特气供应系统的标准配备，也开始在气瓶柜安装固定的基座，防止因地震所造成的移位。地震仪的设置通常采三台的设计方式，可避免当一台受到外力的干扰时(如施工)即造成误动作，因此执行气体关断的动作必须至少2台同时动作才可成立；设置的地点采分散于厂区内的方式进行，可以气体房为一基准设置点，等距的三角形延伸至厂区内另2点，同时需考虑安置地点的环境，是否不容易使人员造成误动作，若为人员出入频繁的地点即需将之排除。一般建议设定的地震仪动作等级为五级地震，执行关闭的设备包括钢瓶之Valve Shutter、气瓶柜/架、VMB。另一项气体大量泄漏时的外围防护设计为装设紧急的废气处理系统(ESE, Emergency Safety Equipment)，其处理点可包括气瓶柜、VMB、制程机台等的抽排气，需能快速的处理大量的气体泄漏，如高毒性的AsH3、PH3等氢化物气体、酸性气体或NH3等，需与气体侦测器连动，并使用化学吸附剂的方式进行处理，但目前因价格昂贵，尚未普及。气瓶柜的关断时机有下列几种状况，(A).气体侦测泄漏达到上限警报；(B).火焰侦测器或消防侦烟器动作，其中侦烟器动作是否真要关断气源还需进一步讨论，因为侦烟器的误动作机率一般还是太高，所以通常未将此项纳入；但若真的发生，倘无自动关断，可藉摄影监视系统进行判断，再以人员手动的方式执行远程的紧急关断；(C).2部地震仪同时侦测到五级(含)以上的地震；(D).过流量开关启动；(E).EMO动作。控制系统设计控制系统目前普遍采用每台气瓶柜皆由独立的单机PLC控制，而非集中式的控制方式，而且皆使用人机界面的触控面板进行操作，系统的稳定度与操作上的方便性与十年前的状况已不可同日而语；并可透过PLC的通讯接口，将设备上所有的讯息纳入整厂中央监控系统与相关的外围系统进行整合，包括气体泄漏侦测系统、区域式废气处理系统(Local Scrubber)、消防系统.等，以建构一个安全性极高的气体供应系统设计。阀盘与管路VMB设计VMB内气体种类配置的设计基本上有二种方式，一种以供应的气体机台为主，另一种则以气体的种类进行分类，将相同的气体放置于同一阀箱之中；前者的设计较少为人所采用，虽然它有空间配置上的优点，让同一机台的气体管路供应来源全部集中在相同的VMB内，不致使管路的配置太过凌乱，管理上亦较方便，但却需考虑不兼容气体设置于相同的阀盘上，可能因泄漏或人为的误动作而导致气体间的激烈反应，而且气体泄漏侦测器的数量亦相对的增加，造成成本上的负担，再而其未来的扩充性也较差。后者的设计是目前最普遍采用的方式，虽然相同制程机台的关断阀无法集中，可能导致管理上的不便，却有以下的优点，如气体泄漏侦测器布点较少、相同气体集中配置安全性高、VMB设计与操作简单、扩充性佳等。基本上，VMB的设计与气瓶柜内大同小异，包括防护箱体、强制抽气、气体泄漏侦测器、紧急自动关断阀、EMO、purge管路等，但以手动阀进行供应控制，气动阀做为紧急关断之用。通常VMB内不设计UV/IR火焰侦测器和消防洒水头，主要基于功能性与经费的考虑。一般而言，此处于施工测漏验收后，管路不再移动且不常操作，或进行管路的拆装，危险性较气瓶柜低。目前的管路零组件与施工质量皆达一定的水平，发生泄漏的机率极低，所以，通常当紧急状况如泄漏、地震发生时，可利用气动阀进行自动关断，将气源做分段的隔离。机台维修时，则可做为气体管路的阻绝功能，为人员的安全提供进一步的保护。VMB一般可依业主要求设计4、8、10或其他数目的接点，供气至数台机台，其功能上除可提供使用点气源控制外，亦可当作气体供应的中继调压，提供稳定的供气压力与流量，同时可规划侦测供气的压力，设定偏移 5psi时发出警报。管路设计管路设计时需考虑输送的距离，距离越长，成本越高，风险也越高。因扩充性不易，需预留适当的扩充阀组。通常较理想的设计流速为一般气体小于20 ml/sec，可燃性气体小于10 ml/sec，腐蚀性/毒性气体则小于8 ml/sec。在用量的设计方面，则需考虑使用点的压力与管径的大小，前者与气体特性有关，后者在使用点一般为1/4吋3/8吋。管路型式依气体特性设计，惰性气体使用一般的单层管，腐蚀性、可燃性、毒性则可考虑双套管，但因其制作成本高，除非具自燃爆炸或极毒性的危险气体，如SiH4、PH3、AsH3常以双套管制作外，其余危险气体可再行考虑。管路的材质则依使用的需求进行选择，若为制程用的反应气体则选择高等级的316L EP管，经电解抛光(Electro-Polish)处理，耐腐蚀，表面粗糙度低，Rmax(maximum peak to valley height)约为0.30.8m，其值远低于经过光辉烧结(Bright Anneal)处理之316L BA管的36m，因平整度越高越不容易形成微涡流，而将污染粒子带出。316L BA管则常使用于和芯片接触但不参与制程反应的气体，如GN2、CDA。另一种未经特殊处理的AP管(Annealing & Picking)，则用于不做为供气管路的双套外管。双套管的内/外管材质通常为SUS 316L EP/SUS 316L AP，其设计的主要目的有两点，首先可保护内管避免直接受到外力撞击，其次能将由内管渗漏的气体阻绝于外管，并利用相关的检知设备进行侦测。目前常用的设计有正压和负压两种方式，以往的开放式设计因危险性高已很少使用，其主要是将管路两端开放于相关的气柜内，利用抽气将泄漏气体抽出，再由气体泄漏侦测器进行检知；负压设计是将内外管间抽成真空，正压设计则是灌以氮气维持正压，两者皆可接上压力表或压力警报器做为泄漏状态的检知。以双套管设计的缺点有扩充不易、施工困难、建置成本昂贵、泄漏源位置无法确认、维护困难且经费高等，特别是最后两项；当内管泄漏时，因未使用分段隔绝配管的方式施工，从钢瓶到VMB的外管全部相通，泄漏源位置无法确认，导致需要整段管路皆予以更新，不仅浪费成本，施工又耗时。因此，若能以分段隔绝配管的方式进行双套管路的设计，相信会是一个可行的方案，只是在施工时须特别考虑毒性气体是否可能于焊接时逸出，对人员造成危害。管路基本上以氩焊进行施工，但在与其他管件连接的部分则使用接头予以连接，常用的接头方式有两种，分别为VCR(Vacuum Coupling Retainer)和SWG(Swaglok)。前者泄漏率低，约为10-9 A cc/sec，且耐压较高，常用于制程用的危险气体；后者的泄漏率较高，约为10-6 A cc/sec，且耐压较低，常用于不具危险性的一般气体。目前已有很多厂商发展出泄漏率更低的接头方式，约可到达10-14 A cc/sec以上，基本上，其安全性已足够取代焊接的方式，但在台湾还尚未被广泛接受，使用者少；未来若能大量采用，定可大大的缩减施工的时程与成本。结论 特气供应系统一直是半导体厂务各系统中最重要的一环，其设计上的优劣将直接影响到整厂的安全性与制程的稳定性，可是却少有专文对其整体架构设计的合理性与需求性进行基础的探讨。通常在进行建厂的厂务设计时，工程师最易使用的方式即是依循前人的设计直接进行规划，常忽略重新检示原始设计的理念，导致旧设计无法与新型的设备做紧密的搭配，致使系统的规划不符合实际的需求或浪费相关的资源。个人建议当工程顾问公司提出规划时，业主需依据制程上的需求或实务上的状况，与设计顾问公司进行广泛和深入的讨论，以厘清业主的实际需要，使设计合理化，达到真正的经费与安全的最佳平衡。实际的工程上，并不存在所谓完美的设计，只有最佳的设计，任何的工程系统皆有其设计上盲点，风险无可避免，端看如何防范可能的危险发生，使发生的机率降至最低。参考文献1.杨炳煌，ULSI厂务，科学园区管理局半导体人才培育计划讲义，1998年8月。2.庄达人，VLSI制造技术，高立图书有限公司，1997年2月。3.张劲燕，半导体制程设备，五南图书出版公司，2001年3月。4.吴志平，特气供应系统的规划与设计，Mykrolis Asia Tech. Symposium 2001-Dry Processing，2001年6月。作者吴志平为国立交通大学机械工程系博士。现任于工研院电子所平面显示器计划制程设备技术发展部经理，在半导体厂务方面有多年的实务经验，曾参与深次微米实验室、平面显示器实验室、一座触控面板量产厂及一座微机电半导体厂的厂务系统之规划与设计。参考文献1. 杨炳煌，ULSI厂务，科学园区管理局半导体人才培育计划讲义，1998年8月。2. 庄达人，VLSI制造技术，高立图书有限公司，1997年2月。3. 张劲燕，半导体制程设备，五南图书出版公司，2001年3月。4. 吴志平，特气供应系统的规划与设计，Mykrolis Asia Tech. Symposium 2001-Dry Processing，2001年6月。作者吴志平为国立交通大学机械工程系博士。现任于工研院电子所平面显示器计划制程设备技术发展部经理，在半导体厂务方面有多年的实务经验，曾参与深次微米实验室、平面显示器实验室、一座触控面板量产厂及一座微机电半导体厂的厂务系统之规划与设计。