半导体特气气瓶简介

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2021-07-28   环球过滤分离技术网   nanopuretech1

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

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30~50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。






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或其它数目的接点，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0.3~0.8μm，其值远低于经过光辉烧结(Bright Anneal)处理之316L BA管的3~6μm，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，但在与其它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。


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