半导体厂气体供应系统之规划设计.doc

广州咨群洁净系统科技有限公司A R C O T E C H G A S S Y S T E M C O R P.Unit 2309 , RenFeng Building, No.490TiaHe Rd , Guangzhou , P.R.C 510620TEL：020-62814181-2 FAX:020-62814183半导体厂气体供应系统的规划与设计摘要 本文主要讨论半导体厂气体供应系统的规划与设计,其内容包括大宗气体(Bulk Gases,如N2、H2、O2、等)，特殊气体（Special Gases,如SiH4、PH3等）及气体侦测监控系统相关规范的介绍[1]，以及其储存设备的位置、空间及供应管路、流程的设计规划，并探讨供气系统所涉及的相关法规及标准，以及其安全性的考量原则关键字：气体供应、大宗气体(Bulk Gases)、特殊气体（Special Gases）、气体监控前言： 近年来半导体工业发展快速，半导体制程更是日趋复杂，而在半导体厂中所使用的制程化学气体欲具有向导的危险性（如SiH4等)，任何疏失都有可能造成人员严重的伤亡与设备重大的损失，因此如何将这些高危险气体安全地输送到制程机台上使用，将是半导体厂安全中重要的考量因素；本文之目的即在探讨气体供应系统整体性与原则性的规划设计，而在实际建厂时仍需依各厂的实际情况进行规划设计，以期达到较佳的实用性与安全性。

半导体厂的供气系统一般可区分为大宗气体和特殊气体，其中大宗气体通常是以室外的大型桶槽或桶车系统供应为主，当制程有异常时能即时切断气体供应，使危害及损失降到最低；而特殊气体的部分由于其特性包含易燃性、自然性、腐蚀性及毒性等，如果发生泄露可能酿成灾祸，因此几乎均以气体柜（Gas Cabinet）系统供应2．大宗气体大宗气体主要分为氮气、氢气及氧气，由于大宗气体于管路运输时通常为低温高压的状态，故在选择管材（含接头）时，应特别考量其所使用的工作压力与温度，以免选用不适当的管材而徒增泄露的风险，如铸铁所制管材，若经过底温液态气体长时间使用后，容易产生密合度不佳的情况，进而造成泄露，因此管路或接头应避免使用铸铁至于管材间衔接的焊接处，在长期低温作用下，亦容易发生脆化现象，故施工的熔接品质相当重要，若平常使用事即确实检查将有助于降低输送泄露的风险其中氮氧的使用有可分为气态与液态，除极少机台会使用液态外，其他的制程机台大多使用气态氮氧为主，而气态氮氧的来源主要有以下几种：利用氮氧制造机（简称制氮机）现地（On-Site）知道供气、透过长程管路境外（Off-Side）供气、利用储存桶槽等设备供气。

由于氮氧属惰行气体，其性质相当安定，且其储存桶槽之设备标准与氧气相近，故本文仅针对氢氧与氧气的储存，供应及输送设备的涉及规划原则与标准阐述如后氢氧是一种无色无味的易燃性气体，其最小点火能量为0017mJ，比甲烷（028mJ）小的多，因此极其容易燃烧，氢气亦是自然界最轻的气体，相对于空气的比重为00695，一般情况下皆处于相对高出；氢气在一个大气压的沸点为－423.3°F(-252.9°C)，因此常温常压下是以气态存在由前述可知氢气具有可燃性，常以气态存在，比重较轻等特性，因此氢气泄漏时容易北高速泄漏所产生的静电所引燃，因此氢气相关设备皆须接地以避免累计静电而引燃高压氢气（约大于7MPa）能使钢材或其他金属材料脆化而降低强度，甚至促使其爆裂损坏而产生泄漏，尤其是铁基与镍基合金特别容易受氢气脆化的影响，因此用于高压氢气的材料应特别留意，以降低泄漏发生机率一般纯度氢气（General H2，GH2）供应是设置多组钢瓶连接而成的集气瓶（Bundle）来供应如图1所示，通常使用两座或两座以上的集气瓶串接供应，当其中一座集气瓶的气体使用完后，另一座将随即自动转接供应，以确保供应不至于中断至于制程所需要的高纯度氢气（High Purity H2, PH2）,则是先经由纯化器（Purifier）处理后供应。

由于氢气的高可燃性，故其储存场所应依FM7－911【2】建议的安全间隔距离设置，如表1所列，以远离易燃性液体或气体管路及设备，且氢气储藏区上方亦应远离电线，以免电线不慎发生走火意外时波及氢气储存区，或避免氢气储存区发生火灾时波及供电系统至于移动式氢气铜瓶则根据美国运输部（D.O.T）相关法规或类似的国际法规设置，若为永久性固定式储槽,则需有不可燃的支撑架，将储槽安全地固定在坚固不可燃材料上，若其支撑钢架高度超过18in（0.46m）,则应有两小时以上地防火时效保护层，其他相关配件如压力计，调压阀等，均应考虑其所暴露地作业环境压力与温度来选择适当产品，以避免发生意外氢气储存区四周应设置围篱，以避免非授权人员进入擅动容器与设备，且氢气储存容器应尽可能设置与户外通风处，且不可被保卫超过两面以上，以避免氢气积累造成危险若无可避免地有可燃性液体流经氢气储存区下方或附近，则应设置消防水雾系统装置，其防护桶槽表面地水力密度围每平房尺0.3gpm，以上，且至少须维持两小时以上，以期火灾发生时能尽速受到控制当需要移动氢气供应设备时，亦须特别加以妥善保护，以避免移动时所产生地静电造成火花引爆气态氢气安全泄压设备地设计安装，应依据ASME2法规或其他适合地国际标准设计，其安全阀地流量大小设计可依据下列公式：Qa＝000181Wc其中Qa＝流量，Wc＝容器内可装水量（water capacity）安全泄压装置除依法规设定外，在管路系统中较可能发生堵塞地地方，亦应设计泄压阀门，且安全泄压装置或管路，应尽量避免水分积累，因水分可能结冻而损坏泄压装置地正常使用。

安全泄压装置应朝向上方无障碍 的空中放射，以免突如其来的高压泄放，危害临近的人员，设备及其他建筑物2－2氧气供应的规划设计氧气的无色，无味的气体，比重围空气的1.1倍，在以大气压下饱和液态氧蒸发成气态氧的体积膨胀比（Volume-Expansion Ratio）约为1：862，且其含量约占地球大气的21％，虽然氧气本身是不可燃也不会爆炸，但具有助燃性，有 于一般火灾或爆炸的强度是随着周遭境氧气含量的增加而增强，而一般材料的起火温度是随环境氧气压力增加而降低，因此 些金属（如铁等）虽在空气汇总不会燃烧，但是在高氧气浓度的环境中，当金属温度升高至 一高温时仍有可能引发燃烧，故氧气泄漏对于灾害的影响时不容忽视的在一大气压密闭系统下，润滑油在340ºF（170ºC）即能够与氧气结合产生爆炸，故氧气专用压力计不可利用油类来测试或润滑，曾有案例显示当氧气压力计在油满（Oil－Filled）测试后置换时发生爆炸虽氧气本身并不具有可燃性，氧气储存区若暴露于其他可染物，如氧气储槽或钢瓶暴露于火灾现场，将可能因过热而破裂，储槽与相关的连接设备在破裂泄漏的多氧（Oxygen－Rich）环境下，将造成强烈的火势。

若用户对氧气有大量使用需求时，通常会使用大宗液态系统（Large Bulk-Liquid Systems）来供应所需的氧气，该系统是由一个或多个绝热良好的储槽，蒸发器及阀件组（调压阀，血压发,流量控制阀等）所组成其中液氧粗糙，如图2所示，通常是由不锈钢或其他符合ASME规发的材质所制成，在液氧储槽外围则以碳钢夹套包围，再次二者间抽高度真空绝热，液氧储槽通常位于户外隔离的单一使用目的的不可燃建物内，其间隔距离的标准依FM 7-523的建议设置，如表2所列【3】，并由钢架支撑于铺有混凝土或碎石的坚固基础上，液氧储存设备周遭15ft（4.5m）内须净空无草地，而调压阀，控制器等其他辅助设备则至于储槽下方或设置在隔离的不可燃建物内，且隔离房应至少有一小时防火时效一般所使用的液氧钢瓶如图3所示，其供气量约介于传统气体钢瓶与大宗液态系统之间，通常单一系统以不超过四个钢瓶为原则，这些钢瓶结合同期与蒸发器，并装有夹套以绝热，与大宗液氧储槽十分类似，而该液氧钢瓶须依据美国运输部（D.O.T）法规制造而成，其规格化液氧钢瓶容量约有2481b（112kg）或3.5ft3(100dm3)等种类，即相当于转换成常温常压下3000ft3(85m3)的气态氧气量，虽然钢瓶皆有良好绝热，但随着置放时间增加钢瓶内仍会有少量的液氧持续蒸发，这些未能被导除钢瓶外的气态氧气，将使钢瓶内部压力持续上升，直到血压阀作动为止，对一个具有完整真空绝热系统的直立式液氧钢瓶而言，通常会在三至六天左右发生泄压阀作动，其发生时间取决于钢瓶内液体的量及钢瓶的真空绝热能力，在前述泄压阀作动的情况下，每小时约有2~3ft3(57~85dm3)气态氧气被排出，若真空完全失效则释放率将增加至每小时50ft3/hr(1.4m3/hr),因此不良的绝热设计，将会造成氧气的浪费。

液氧钢瓶与分歧管应至于建筑物外为佳，若非得置于密闭式建物内，则须辅以每平房英尺楼地板面积有0.25cfm(0.08m3/min/m2)的正压机械式通风，或以每500平方英尺楼地板面积设有1平房英尺开口的自然式通风，以使室内空气流通，以避免该室内空间氧气浓度过高而造成危险，而该密闭式建物须为不可燃的隔离房（Cut-Off Room）,每间隔离房内钢瓶数量须限制在八瓶以下，若数量较多时，则仍须置于户外或置于前节所述的分离建物内当氧气管路工期系统的压力超过150psi(1MPa)时，则需使用超耐压钢管（Extra－Heavy Steel）或非铁金属棺材与接头，若压力较低者，则可使用标准荷重管材与接头，惟铸铁接头不堪长期低温使用，容易造成泄漏，故应避免使用铸铁接头，且管路衔接时应尽可能使用焊接，以降低泄漏发生，但不可使用含油脂的符合材质以免发生爆炸氧气供气管路系统若位于高出，则应使用坚固的支撑，且不可暴露于过热，震动及易受外力影响的环境，各管路系统需有抗腐蚀的保护，且不可与易燃性液体管路安装在同一管沟，以避免当易燃性气体泄漏发生火灾时，氧气助长其火势至于氧气工期安全方面的考量，其主调压阀下游需有以各泄压阀，该泄压阀的设定作动压力应低于管路系统正常工作压力的125%，且排放口需位于户外，而隔离阀（Separator Valve）与调阿发亦需使用经认证的阀件，且所有供气站都应从工期管路前端连接，并应在管路低点除设置排放口以利凝结的水分能顺利排除。

3.特殊气体特殊气体供应系统可说时半导体厂务系统中最危险的系统，如果发生事故可能造成全厂毁于一旦甚至人员伤亡，特别时有自然性的气体如矽甲烷（Silane SiH4），矽甲烷气体是一种在正常温度下与气体混合就会引燃的自然性气体，虽然在 些情况下，矽甲烷泄漏不会立即引发燃烧，但会形成矽甲烷蒸汽雾，因矽甲烷的高反应性及不稳定特性，一旦蒸汽雾燃烧将引起爆炸与破坏性过压力，因此对于特殊气体供应系统的安全设计要求也会特别高特殊气体一般可分为可燃性（如H2，SiH4，CH4，AsH3,B2H6,SICl2H2等），腐蚀性、毒性（如BCl3,Cl2，HBr,HCl等），氧化性（如N2O，O2，Cl2等），惰性（如CF4，CHF3，He, Ar 等），事实上很多气体同时具有两种以上的性质，例如Cl2就具有毒性与氧化性，H2S具有毒性与可燃性等，因此对于气体供应系统的设计者而言，一定要对于该厂所使用的气体种类与特性非常清楚地了解，方能对气体作适当地分类，通常可藉由物质安全资料表（MSDS）来了解气体地各项性质与紧急处理方法等，另外亦可利用SEMIS44地附录表格来辅助分类以下就特殊气体所使用地气体房，气瓶柜，管材等分别加以说明。

3-1 气体房（Gas Room）气体房用于储存自燃性，易燃性，腐蚀性及毒性地制程气体钢瓶，其配置应依FM 7-7[4]建议之八种位置，如图4所示，其优先顺序说明为（1）主建筑物外至少50ft(15m)以上，（2）户外独立防爆建筑物，（3）户。