特气系统的规划与设计1讲解

特气系统的规划与设计特气系统的规划与设计(SSTT.NO.20)由于半导体制程日趋复杂化且建厂成本愈来愈高，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，主要对整体特气系统的规划与设计进行探讨，限于篇幅，本文将论述的重点主要放在气瓶柜/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，特别是在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 到现在开始萌发的微机电（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、薄膜沉积等皆适用到相当多的其他，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、O2、Ar等适用量较大的气体，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，只需有任何的疏失都可能造成人员、厂房、设备的严重损失，特别是其中有些其他如SIH4的自燃性，只要、一泄漏就会与空气中的氧气起剧烈的反应，开始燃烧，还有ASH3的剧毒性，任何些微的泄漏都能可能造成人员声明的危害，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。

同城严重危害的事件，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下容易发生。

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。

若是经费许可担任可以选择二重、三重、甚或是四重保护、但更多重的保护设计是否又具有实质的意义。

我们可针对自然气体供应时、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，为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IP光道，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的浓度值，第四阶段的紧急关断阀会将钢瓶气源出口的手段阀自动关闭，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到厂房的其他区域﹔据此描述，我们可粗略的概括可能导致最严重后果的几率，若假设人员失误和各段保护设计（七阶段）失效的几率皆为十分之一的告知进行计算（当然实际上每阶段失效几率不可能如此之高），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几率为亿分之一﹔此等安全性设计失效的几率已足可以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、气柜内加装及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，皆可恨容易的道道所要求的功能、精准度、可靠度等，但毕竟这些零组件与侦测器皆需花费不少，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、测试实验，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，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、管路制作部易与污染上的考虑，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政策运作，因此，若在制程的要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则与设计，其整体系统的建立基本和一般的晶圆半导体厂并无二致，只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0.5-1m之间，和目前ULSL 的0.18-0.15m的线径要求相差甚多。

针对此微机电半导体厂务各项系统建设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）建设费用的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。

特气中央供应系统气体特性特殊气体的种类一般可分分为腐蚀性、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、C3F8、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桶时具有毒性，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我们可以很清楚的指导它的各项特性，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。

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，并以争做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，可防止短气、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止目前为止，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有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﹔低蒸汽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，即所谓的安全高压气源（SDS,Safe Delivery Source)，可藉由介质如沸石和活性碳对待定的气体如PH3、AsH3、BF3、SIF4等进行物理吸附，以气体分子与吸附剂间的瓦力将气体吸附于吸附剂的孔隙重，其优点为高压压力低于—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，通常涉及将钢瓶置于气瓶柜(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电(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)进行流量之空调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分。

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。

图三;惰性气体供应规划流程实例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，就可能造成所以使用的机台停摆，甚或中断整个生产线，对制程稳定的风险较高。

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，将气瓶柜设计于机台附近，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。