半导体厂气体供应系统之规划设计
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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。
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氢氧是一种无色无味的易燃性气体，其最小点火能量为0。017mJ，比甲烷（0。28mJ）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0。0695，一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）
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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
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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）户外地面层有限制危害设计（Damage Limiting Construction,DLC）地隔离房（Cutoff Room），（4）室内有限制危害设计地房间,(5)紧邻户外地气瓶柜且有限制危害设计，（6）室内二楼层有限制危害设计地隔离房，（7）室内二楼层有限制危害设计地隔离房,(8)室内地下层有限制危害设计地隔离房，（8）室内地下层有限制危害设计地隔离房，当自燃性，易燃性，及高反应性等制程气体钢瓶，所放置地电为室内和紧邻建筑物（即编号3~8区域）时，则此区域必须根据FMguiding设有限制危害设计。为比米纳不形容气体混合发生剧烈作用，针对危险性气体储存不仅要与其他工作区域分隔，不同危险性的其他也必须区隔储存于不同气体房内，一般而言至少应规划三个独立气体房（即可燃性，酸性，碱性），在规划气体房之初，除应注意气体的分类外，亦应特别考量未来发展所需的空间，因为气体房一旦建构完成后，未来扩充十分不易，倘若整体空间不足难以多规划几个气体房时，可考虑将性质相容的气体集中于同一气体房中。
为降低易燃性气体引燃发生火灾的风险，在易燃性气体储存区和可能泄漏区域附近。7.6m范围内应设置【禁烟】
标示（全面禁烟更佳），在隔离房内设置作动温度为286oF（141oC）的标准水头，并布置于每3000ft2(280m2)的面积上或整体房间里，使涵盖范围能保护整个区域，且为避免水功能作动时有死角产生，其水头密度应0.25gpm/ft2
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以上，若为储存可燃性物质的气体房，为满足任一点水头涵盖半径小于1.7m的法规要求，故水头若以正方形配置时，其间隔须小于2.4m。若气体房内有易燃性气体，则该房内的电器设备（如插座，开关，照明等）皆应具备防爆功能，若气体房内有管路穿越防火墙时应有防火填塞，以免火势沿着穿墙处攒烧。气体房内应有最少每ft2的楼地板面积1cfm流量的机械式排气通风设备，且排气口及进气口的设备位置要避免蒸汽的累计，以免蒸汽累计浓度过高造成危害。除此之外，为有效运作提高安全性，供应钢瓶数量应减至最低；另大宗气体供应系统不可用来清除（Purge）危害性气体，以免造成供气系统污染。
3-2 气瓶柜（Gas Cabinet）
自燃性，可燃性，腐蚀性及毒性物质的制程用气体钢瓶，
由于其具有高危险性，泄漏发生时可能造成人员伤亡，故应将
之至于有门且可自动关闭，上锁的气瓶柜内，如图5所示，当
泄漏不慎发生时，可透过自动关闭上锁功能或利用机械界面操
控关闭，而不需人员亲临关闭，以提高抢救的安全性。气瓶柜
外表面必须标示清楚其气体化学式，俗称及浓度等，气瓶柜内
管线及阀件等亦须表示清楚，供使用者辨别。气瓶柜应有管路
连接至排气系统，并于正常使用状态下即应不断抽气以保持气
瓶柜内的负压状态，且排气管内的平均输送速度应小于
8.5m/s，总排气量应能抽取当取物口（Access Port）打开时所
灌入的空气量，以及其他任何式补充的空气量，一般而言两瓶
式钢瓶的气瓶柜排气量约为300cfm(8.5CMM)，三瓶式气瓶柜则
约为450cfm(12.7CMM)，而不相容的气瓶柜排气管路不可共
用，以避免产生剧烈化学反应（如N2O与SH3等）。气瓶柜所
排放的废气在些情况下可能掺有微量危害性气体，因此为避免
该有害废气直接进入主排气管路，进而造成对其他系统的影
响，故需分类个别连接至各类前端废气处理器（Local
Scrubber）以初步清除有害气体，其分类原则需考量废气是否
会相互起反应而发生危险，而前段废气处理器处理后的尾气标
准应符合气体的TLV5值，为确保使用安全，建议前段废气处理
器需以SEMI认证，以符合较高安全保障。
装置自燃性，可燃性及易燃性气体的气瓶柜应提供内部
水装置，建议可将启动温度设定为74oC，以期当气瓶柜内发生火灾之初，即能在第一时间水救援；至于禁水性物质（如ClF3）因会与水发生激烈反应而引起爆炸，故此类气瓶柜不可设置水头，如气瓶柜内的水头有可能接触导腐蚀性气体时，则应安装抗腐蚀水头，以免水头被腐蚀而失去功能；气瓶柜内装置的气体为可燃性，则该气瓶柜内的电气设备亦应具备防爆功能。气瓶柜应具有互锁（Interlock）之功能，若灾害发生时，能够自动紧急关断，以免灾害扩大，而一般建议气瓶柜内应具备停电，火警侦测器作动，气体侦测器作动，过流量，地震，排气失效等六种紧急关断功能。矽甲烷属半导体厂常见特殊气体，且其危险性相当高，使用不慎将可能酿成大祸，故使用矽甲烷时应特别留意其相关规定。矽甲烷气瓶柜在标准状态下，管线内的矽甲烷体积含量，必须在密闭空间净体积（即扣除气体钢瓶，阀件及障碍物的体积）的1%以下，此限制可使泄漏初期密闭空间内的最大平均浓度低于1%，如此一方面能降低甚至避免危害发生，另一方面可争取更多的应变时间。矽甲烷的标准体积使计算两个限流口（RFO6）间的含量，或使使用点与RFO间的含量，其计算公式如下：
至于低蒸汽压气体（如WF6,ClF3等），因其在常温下呈液态，故欲输送至使用端非常不易，通常会加以热夹套（Thermal Jacket）对气体钢瓶加热，或直接在底部加热，管路则使用加热带加热，外围再包覆保温棉以避免管路温度
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降低而凝结阻塞，且每个气体钢瓶应有独立的温度控制器，而加热带则建议采用有分段加热功能的温度控制器，另温度控制器需提供讯号至气体监测系统贸易随时监控避免发生危险。
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3-3管路设计
有鉴于特殊气体管材，阀件等皆相当昂贵，且特殊气体管路系统一旦施作完成，未来更动扩充比较不易，因此再规划气体管路之初，即需将输送管路的距离，使用者维护的方便性及未来的扩充性等因素一并纳入考量。一般而言特殊气体大多使用SUS 316L EP/BA 的管材，而Cl2与HCl等腐蚀性气体锁使用的管材与阀件，则需抗腐蚀性材料，如哈士合金（Hastelloy）等，至于较不具毒性，可燃性的气体，一般使用单层管即可，而具有较高危险性的气体则使用双套管，但往往考量成本的因素下，一般双套管仅使用于据毒性，高自燃性，高腐蚀性的危险气体（如SiH4，PH3，AsH3等），双套管的内外管间可抽真空或充氮气，并连至气体侦测器，以便侦测有无泄漏。另依NFPA 318【5】规定，分送压缩或化气体的管材与接头应尽量使用不可燃结构，若为可燃结构则必须外加不可燃的外套。特殊气体管路的相关测试标准可
参考表3所列。
TEL：020-********-2 FAX:020-******** 4.气体监测监控系统
气体侦测监控系统设置的目的，主要在监测制程锁使用的大宗气体与特殊气体的供应及泄漏状况，并在紧急状况时提供手动、自动关闭阀件，以及用广播系统传达警告讯息等。气体侦测监控系统的主要设备包括监控电脑与程式控制器、警报器及闪光灯、气体侦测器等，其中长远的气体侦测器有适用于可溶解于水且可解离成离子状态的化合物的电化学式侦测器（如HF、PH3、CO2、NO2等）、适用于毒性气体的试纸带式（如AsH3、PH3、BCl3等）、适用于可燃性与毒性气体的半导体式，以及红外线（IR）、热传导式等【6】。
依据（高压气体劳工安全规则暨相关基准－43.气体泄漏检知警报设备及其设置处所）【7】，侦测器的警报设定值应根据各设置场所的环境温度而设定。若属可燃性气体者，其设定值应小于该气体爆炸下限值的25%以下；若属毒性气体者，其设定值则为其容许浓度值；氨、氯及其他类似气体，由于其试验用标准气体调制困难，故设定值为容许浓度值的二倍。警报器的灵敏度，若属可燃性气体，为其警报设定值的±25%以内；若属毒性气体为±30%以内；而氧气则为±5％以内。一般而言气体侦测器设置位置的原则为：可能泄露出、泄漏气体肯能聚集处、人员较集中处，另应考虑泄漏气体与空气比重关系。常见的设置地点为气瓶柜区、二次盘（Valve Manifold Boxe， VMB）、气瓶储藏室、气体供应室。前段废气处理器（Local Scrubber）、气体纯化室、环境区域、大宗气体供应区、气体站（Gas Yard）、管沟等。有关报警作动元测应依（毒性化学物质怎测及警报设备设置及操作要点）【8】的规定，警报设备应能发出持续明亮或闪耀的灯示及声响，相关动作流程如图6所示，且警报声响以分区（环境与机台）动作为原则，避免每次都全区鸣响，造成全厂人员恐慌。
5.结论
有关氢氧供应的设计规划方面，应特别留意其高可燃性锁带来潜在的危险性（如高速泄漏的静电引爆灯），氢氧储存区及其周遭环境的限制则应依FM 7-91之建议来设置，且应特别注意储存区通风是否良好，以及所使用的容器、材料灯是否有防火批覆，至于其管路、接头、阀件灯的选用亦应依ASME的规定来选用适合的材料，并严格限制施工焊接品质，以降低泄漏的机率。有关氧气供应的设计规划方面，亦应特别留意其高助燃性所带来的潜在危险（如高氧环境油测引爆等），氧气储存区及其周遭环境的限制则应依FM7-52的建议来设置，亦需留意储存区通风是否良好，以及所使用的容器绝热是否良好，以免绝热不良徒增浪费。
特殊气体的设计规划方面，由于特殊气体常具有高为先特性（如可燃性、腐蚀性、毒性等），因此在规划气体房位置时处应留意各气体间的不相容性（至少应设有可燃性、酸性及酸性三各独立气体房），以及气体房的消防设施（如0.25gpm/ft2以上的水头密度）、防爆设计（如插座、开关、照明等电器设备）、排气设计、限制危害设计（DLC）等。至于气瓶柜的选用则应留意其负压状态、排气设计（两瓶式排气量约为8.5CMM，而三瓶式则约为12.7CMM）、不相容性（如N2O与SH3等）、消防设施（作动温度为74oC的水头,但禁水性其他应避免使用水头）、安全防护功能（如应具备停电、火警侦测器作动、气体侦测器作动、过流量、地震、排气失效等六种紧急关断功能等）。至于低蒸汽压气体（如WF6、ClF3等）则需以具有分段加热功能的温度控制器加热其钢瓶，以避免管路温度降低而凝结阻塞。
气体侦测乃是灾害发生时保障厂区人员生命安全的重要环节，气体侦测器应依不同特性（如电化学式、试纸带式、半导体式红外线及热传导式等）选用适当者布置于需要的场所（如气瓶柜区、VMB、气瓶储藏室、气体供应室、Local Scrubber、气体纯化室、环境区域、大宗气体供应室、气体站及管沟等），并辅以适当的分区广播系统，以期在侦测出气体泄漏的第一时间警告厂区人员。