特殊氣體供應系統介紹

特殊氣體供應系統主要是藉各個輸送設備如氣瓶櫃、氣體閥箱及其他設備，如其 廢氣除害裝置、氣體偵測系統所組成。

以半導體生產來說，在製程方面特殊氣體要提供半導體生產中的製程，如乾蝕刻、

氧化、離子佈植、薄膜沉積等所需，可說佔有相當重要的地位。而另一方面特殊氣體 也具高腐蝕、高毒性與易燃、易爆等危害因子，所以供應系統設計也需隨著各種不同 氣體的特性來做適當的規劃。

圖 3-1 特殊氣體供應流程圖(1)

氣體房

2F回風區

3F Fab

圖 3-2 特殊氣體供應流程圖(2)

氣瓶櫃功能設計

1.氣動控制閥 (Air Operation Valve) 2.手動控制閥 (Manual Control Valve) 3.逆止閥 (Check Valve﹚

4.調壓閥﹙Regulator﹚

5.壓力傳送器﹙Pressure Transmitter﹚

6.真空產生器﹙Vacuum Generator﹚

7.氣體過濾器﹙Line Filter﹚

8.流量偵測器﹙Excess Flow Switch﹚

9.限流孔﹙Orifice﹚

氣瓶櫃安全防護裝置

1.抽氣裝置 — All Cabinet

2.UV/IR火燄偵測器 — Flammable Gas Cabinet 3.消防灑水頭 — Flammable Gas Cabinet

4.氣體洩漏偵測器 — Flammable and Toxic Cabinet

5.鋼瓶緊急關斷閥 —Parts of Flammable & Toxic Gas Cabinet

圖 3-3 特殊氣體供應氣瓶櫃結構圖

•

Exhaust Pressure

•

^E.M.O

氣瓶櫃操作功能簡介

1.Pre-Purge：抽出管內特殊氣體 2.Cylinder Change：更換鋼瓶 3.Hi Pressure Test：高壓保壓 4.Post Purge：清潔管路

5.Process Flush：清除N2、送上特殊氣體

6.手動模式：緊急時故障排除，可人為操作閥件開、關 7.參數設定模式：設定各種功能參數

8.歷史資料查詢：相關的警報記錄(Alarm Summary)與操作資料

圖 3-4 特殊氣體供應氣瓶櫃實體照片

特殊氣體閥箱概述

特殊氣體閥箱(Valve Manifold Box)是擔任串聯氣瓶櫃與設備機台的角色，能安全 並穩定地將特殊氣體供應到不同的製程機台。

在密閉的箱體上面裝有抽風設備，並依氣體種類裝有毒氣偵測器，一般裝有八個分 歧閥，供不同的製程機台使用。

特殊氣體閥箱設計

1. VMB需裝設氣體偵測器、抽氣裝置 2. 部份VMB需有連鎖關斷功能

3. 部份VMB如:C5F8裝有Buffer Tank 4. 可設計同類或相容氣體於同一閥盤

5. 一般設計成4、8、10接點，供氣至數個機台 6. 需預留獨立的Purge Valve

7. 可做為氣體中繼調壓

8. 機台維修時，能提供做為氣體管路的隔絕功能

9. 緊急狀況如洩漏、火災、地震時，也可利用VMB之氣動閥進行氣體系統的自動分 段隔離

圖 3-5 特殊氣體供應氣體閥箱結構圖



氣體閥箱結構

•

Supply from Cylinder／VMB

•

^Exhaust

•

Supply to Tool／VMB

•

N2 for isolation

•

^E.M.O

•

Pressure of exhaust

•

Reset for Buzzer／Alarm

•

Open／Close for valve

•

Check Valve

•

Manual Valve

•

Pneumatic Valve

•

Pressure Transmitter

•

Gas Detector

圖 3-6 特殊氣體供應氣體閥箱實體照片

對氣瓶櫃設計的要求，需符合SEMI,NFPA,FM等各項標準, 且針 對不同的氣體特性概分為五種基本型式如下 :

Type I：專門使用於高壓燃燒性氣體(High-Pressure Flammable Gas)，如SiH4、PH3、CH4、H2、AsH3。因其具有燃燒

Type II：使用於中壓液態燃燒性氣體(Mid-Pressure Liquid Flammable Gas)，如NH3、C4F6、DCS。

本型式除消防設備需要安裝之外，並以電子重量磅秤來偵 測鋼瓶剩餘的氣體重量，若對供氣的流量有較大的需求 時，則需再考慮相關的加熱設備。

Type III：使用於低蒸氣壓氣體(Low Vapor Pressure Gas)，如 BCl3、DCS、ClF3、WF6，除使用電子秤與加熱裝置 外，因屬非高壓的鋼瓶且供應流量小，不使用高壓測漏 與過流量保護裝置。

Type IV：使用於液態惰性氣體(Liquid Inert Gas)，如C4F8、CHF3 、C2F6、N2O、SF6因屬惰性氣體，不需相關的安全設 計，但要使用電子秤檢知鋼瓶剩餘的氣體重量。

Type V：使用於惰性氣體(Inert Gas)，如CF4、Ar、He因無安全考 量,比較簡單的設計。

表 3-1 氣瓶櫃供應特性分類表

Liquid Inert Gas

Type IV

低蒸氣壓氣體

Low Vapor Pressure Gas

Type III

中壓液態燃燒性氣體

Mid-Pressure Liquid Flammable Gas

Type II

高壓燃燒性氣體

High-Pressure Flammable Gas

Type I

氣體類別

型式

氣瓶櫃操作畫面

圖 3-7 特殊氣體供應氣瓶櫃操作畫面

氣瓶櫃P&ID

圖 3-8 特殊氣體供應氣瓶櫃

P&ID 圖

鋼瓶更換程序

通常由四個主要步驟來完成，Pre-purge ->更換鋼瓶 ->保壓洩漏測試 -> Post Purge -> Process Purge。更換新鋼瓶前須用無塵潔淨布徹底擦拭清潔Pigtail 與 鋼瓶接頭，再用適當扭力扳手啣接Pigtail與鋼瓶更換鋼瓶的時機為氣體殘餘量剩下 約10%時，但實際上仍需以各氣體過往的使用紀錄為依據進行判斷，才會得到較佳的 更換時間點。再者，到達氣體的使用年限亦需進行更換，通常約為一年，因部分的 製程氣體可能會對鋼瓶造成微量的腐蝕，污染氣源。

三、保壓洩漏測試(PHe/PN2 Leak Test)：

依鋼瓶壓力設定大於至少1.3倍的保壓測試壓力，作4小時以上的保壓洩漏測試。

鋼瓶更換程序流程圖

圖 3-10 氣瓶櫃鋼瓶更換前置吹淨流程圖

P P r r e e - - P P u u r r g g e流 e 流 程 程 圖 圖

PrePurge流程圖

Vent用N2引入，

使真空產生器動作

將盤面管路抽真空，抽除 管路內殘餘特殊氣體

PrePurge完成，准許更換鋼瓶 執行40次Cycle Purge，確

保管路內無特氣殘留 測試Vacum Generator是否正常

負壓保壓測試管路有無洩漏

錯誤

正常

正常 錯誤

圖 3-11 氣瓶櫃鋼瓶更換後置吹淨流程圖

P P o o s s t t P P u u r r g g e流 e 流 程 程 圖 圖

PostPurge流程圖

Purge用N2引入，

使管路形成正壓狀態

執行30次Cycle Purge，確保 管路內無特氣殘留

PostPurge完成 正壓保壓測試管路有無洩漏

高壓保壓測試管路有無洩漏

正常 錯誤

通入高壓N2

正常 錯誤

圖 3-12 氣瓶櫃鋼瓶更換實氣吹淨流程圖

P P r r o o c c e e s s s s P P u u r r g g e e 流 流 程 程 圖 圖

PostPurge流程圖

Purge用N2引入，

使管路形成正壓狀態

執行30次Cycle Purge，確保 管路內無特氣殘留

PostPurge完成 正壓保壓測試管路有無洩漏

高壓保壓測試管路有無洩漏

正常 錯誤

通入高壓N2

正常 錯誤

3.3 液態黏滯腐蝕性氣體特性

3.3.5.蒸氣壓方程式探討:克勞西斯-克萊貝隆方程式(Clausius- Clapeyron Equation)在狹窄的溫度範圍內,可將氣化焓(Hv)當作一常數,處於此條件下,液 體蒸氣壓力(P)及其溫度(T)有以下關係R,C皆為常數

則 logP= -Hv/2.303R*(273+T)+C

所以溫度(T) 升高,則液體蒸氣壓力(P) 增加

3.4.管材之種類及選擇:

半導體以及光電工業製程中，氣體供應系統必須以安定、連續的供給製程才能穩 定，因此氣體供應品質的優劣與供應設備及管材、管件的材質及品質，尤其是管內壁 粗糙度以及配管、焊接技術有相當的關係。

以溶解爐溶解技術方面區分為：

AOD →Argon Oxygen Decarburization VOD →Vacuum Oxygen Decarburization

VIM →Vacuum Induction Melting (真空電解溶化處理) VAR →Vacuum Arc Remelting (真空溶解處理)

以管件精密度區分如表 3-2：

表 3-2 管材處理等級

處理方式 粗糙度 µm

A. 把引管(素管)AP (未經處理) R max 20 ~ 50 B. 化學處理管 CT (Chemical treatment) 10 ~ 20 C. 光輝燒鈍 BA (Bright Anneal Treatment) 3 ~ 8 D. 化學研磨處理 CP (Chemical Polish) 0.5 ~ 1 E. 電解研磨處理 EP (Electro Polish) 0.3 ~ 0.8

(材質有 SUS304、SUS316、SUS316L)

※表面粗糙度 Rmax (美國使用 Ra 方式)

資料來源:(JIS –0601 規範)

3.4.1.不銹鋼管說明[11]：

表 3-3 管材合金成份表

資料來源:全華科技圖書股份有限公司，配管實務設計

第四章 製程廢氣處理系統

4.1.3、Chamber 出口端安裝 Cool Trap 先抓取大量粉塵。

安裝 Cool Trap 是最為節省費用的方式，利用一密閉容器於內部置一循環冰水管接觸片狀或

4.2 Pumping Line System

Pumping Line 配置流程 TYPE 1 (3F)機台→(1F)PUMP

圖 4-1 Pump Line 配置流程圖(1)

TYPE 2 (3F)機台→(2F)PUMP

圖 4-2 Pump Line 配置流程圖(2)

TYPE 3 (3F)機台→(2F)PUMP→(1F)SCRUBBER

圖 4-3 Pump Line 配置流程圖(3)

TYPE 4 (1F)PUMP→(1F)SCRUBBER

圖 4-4 Pump Line 配置流程圖(4)

TYPE 5 (3F)機台→(3F)PUMP

圖 4-5 Pump Line 配置流程圖(5)

PIPE RACK 之圖示

圖 4-6 Pump Line 配置流程圖(6)

表 4-1 材料規格表

材料規格說明

ITEM MATERIAL DESCRIPTION MANUFACTURE REMARK 1 PIPE無縫不銹鋼管 材質SUS 304 KOBE或同級品 出廠證明

ITEM MATERIAL DESCRIPTION MANUFACTURE REMARK

材質SUS304 NOR-CAL

或同級品

第五章 問題分析與效益評估

5.1 Pump Line System

5.1.1 問題說明： 次(佔 69.2%) 18 次 Total down time 88.4hrs.平均每月 down time 88.4/17 月=5.2 hrs.此塞管情形造成報廢 wafer 5 pics。

機台的真空 pump 抽氣工作壓力正常為:200 x 10^-3 Torr，但是當 Gauge 顯示壓 力大於或等於 350 x 10^-3 Torr 以上時判定為:機台 pumping line pressure error abort(因管路阻塞或 pump/scrubber 異常時，管內壓力將會上升)。

上述情況若採用直接換管方式改善，其換置成本(包含材料、人工、管銷)費用

圖 5-1 Pump Line 管線堵塞位置

E/Q：EXX01~04,06~09,EXX51~57 共計 15 台(30ea chamber) Data Period：2010/01~2011/05 (塞管統計)

Pumping line 阻塞表 & photo

表 5-1

Pumping line 阻塞統計表

圖 5-2

Pumping line 阻塞實體照片

Ps. 1.pumping line阻塞佔65.4%

2.塞管頻率2~3個月不等.

E/Q history

表 5-2

Pumping line 阻塞總表

5.1.2 改善方法:安裝 Heater 實驗

1.蝕刻機台 EXX07AB 使用 Pump line 管路加熱(機台至 pump 間)，

全年使用加熱。

2.設定溫度為 120^oC。

3.檢視每季 EXX07 Pump line 內部結晶狀況，採用目視測量並 拍照記錄存證。記錄一年期間使用情形，以做實驗依據。

4.EXX07AB 於 2010/03/04 安裝 pumping line heater ,目前上機情況正常.

施作經費：扣除 Free demo 1 套，共計施做 14 套；NT111,650/1 套，所 需經費 共 1,563,100 元。

5.1.3 加熱帶安全機制測試 Heater 安全機制 測試項目：

一、五點均溫測試 > OK.(但現行 E/Q 上只設定一溫控 sensor，設於彎 管處) 。

二、過溫開關測試 > 180 度即會自動跳脫。

三、溫度保險絲測試 > 260 度即會自動燒毀。

四、矽膠片 300℃極限溫測試 >可達 300 度。

圖 5-3 加熱片溫度測試點設置實體照片

圖 5-4 加熱溫度測試控制箱體設置實體照片

表 5-3

加熱測試記錄表

控制器規格說明

圖 5-5 加熱控制器實體照片

尺寸：50H*52W*73Lmm

圖 5-6 加熱控制器設置位置

A B C D E F

溫控開關置於E/Q CCM 旁方便監控溫度

2010/03/04 EXX07A 安裝 heater

圖 5-7 加熱片安全防護實體照片

Ps.因部份E/Q Pumping line管線配置與PCW or

Gas line過近，已要求廠商，若安裝時遇此情

況需無條件協助加裝”隔熱矽膠(綿)”.

表 5-4

加熱片安全防護溫度巡檢表

Heater表面溫度40~65

^O

C，避免人員燙傷or旁邊管線熱化

EXX07A 安裝 heater PM 拆下 check status.

EXX07B PM 拆下 check status.

5.1.4 成果與效益評估 7138/3024=2.4RT，2.4*0.7=1.68 KWH，1.68*2.67*24*360 = 39,294.0 元 節省成本效益:第一年(282353+15525000)–1563100–334218–39294 =

13,870,741.0 元。

第二年以後(282353 + 15525000)–334218 - 39294 = 15,433,841.0 元。

表 5-5 管線加熱效益統計表

4~5

年份 2009 2010 2011 PM 時數 480 260 120 Hrs

圖 5-10 加熱效益近三年 PM 總時數統計

年份 2009 2010 2011 增加產能 0 3105 6210 Pics

圖 5-11 加熱效益近三年產能年增統計

年份 2009 2010 2011 報廢成本 282348 141174 0 $NT

圖 5-12 加熱效益近三年報廢成本統計

5.2 Heating Jacket System of Gas Cabinet

5.2.1 問題分析：

腐蝕黏滯性氣體常常造成氣瓶櫃盤面的損害，氣瓶櫃更換鋼瓶時，需使用 N2 氣體來 purge 管路，但一般 N2 氣體為常溫 20~25℃，對於黏滯性較高的 HBr(溴 化氫)/HCL(氯化氫)/CL2(氯)的氣體時，其 purge out 效果較差，因此常因管件 purge 不乾淨，以致於殘存液滴和水氣反應，而生成 HCL 及其他反應物，造成 閥件腐蝕損壞及危害人員安全。

而腐蝕黏滯性氣體對於氣瓶櫃容易發生下列危害情形 1.易造成盤面閥件內漏損壞

2.保壓測漏不易判斷

3.閥件腐蝕外漏有人員及設備安全之危害.

4.增加更換閥件頻率及時間,可能造成供應停止，影響產能

圖 5-14 中說明了 HBr 氣體含水量在 0.5、10、100ppm 時對不銹鋼材料的腐 蝕情形，當含水量在大於 10ppm 時開始腐蝕不銹鋼材料，但速度緩慢，當含水 量在大於 100ppm 時腐蝕速度變的非常快速。

M2O3 + 6HBr -> 2MBr3 + 3H2O [ M = Fe or Mn ]

圖 5-13 氣瓶櫃 pigtail 接頭腐蝕洩漏實體照片

測漏孔有不明液體 PH試紙確認 拆卸狀況 洩漏處

長期使用下，遭腐蝕接頭異物無 法完全去除

更換鋼瓶時腐蝕性氣體殘留 造成繡蝕 液態鋼瓶

氣體殘留

未適時進行更換 容易造成外漏危險



Pigtail腐蝕原因：

毒腐蝕性氣體(HBr、Cl2、HCl等)因氣體特性，在長期使用下易腐蝕Pigtail。



^{異常事件：}HBr Pigtail 測漏孔發現有液體。

圖 5-14HBr 含水量與管路腐蝕關係曲線圖

資料來源:文獻[15]

下列兩張為 CL2 及 HBr 氣體壓力與溫度的關係圖，說明了此兩種氣體因對溫昇 反應而氣化特性。

圖 5-15 CL2 / HBr 溫度與壓力關係曲線圖

資料來源: 文獻[15]

圖 5-16 BCL3 溫度與壓力關係曲線圖 資料來源: 文獻[15]

利用氣體在高溫時壓力增壓

特性，達到清除的效益 。

表 5-6 氣瓶櫃數量統計表

圖 5-17 氣瓶櫃數量比例圖

氣體特性 Corrosive Toxic Flammable Imert Total

氣櫃數量(台) 31 39 68 38 176

比例(%) 17.6% 22.2% 38.6% 21.6% 100%

氣櫃氣體特性數量表

氣櫃氣體特性比例圖

17.6%

22.2%

38.6%

21.6%

Corrosive Toxic Flammable Imert

表 5-7 氣瓶櫃Pigtail更換統計表(2011年)

年 份 2009 2010 2011 產能利用率 90% 60% 100%

氣體名稱 HBr HCl HBr HCl HBr HCl 腐蝕洩漏次數

^{8 3 6 2 9 1}

圖 5-18近三年Pigtail腐蝕洩漏統計

表 5-8 氣瓶櫃Pigtail比較表

氣體

名稱 BCl3 HBr HCl CL2 HF

新品 圖示

結晶 圖示

5.2.2 改善方法:安裝 Heater 實驗 實驗方法

1. 氣瓶櫃 XXXB HBr 使用加熱帶式盤面加熱，無全程使用加熱，只在更 換鋼瓶期間加熱，並記錄每次更換鋼瓶時之Pigtail狀況。

XXXB HBr A-Side 設定溫度為 35^oC。

XXXB HBr B-Side 設定溫度為 40^oC。

2. 其餘 HBr 氣瓶櫃不使用加熱帶式盤面加熱，並記錄每次更換鋼瓶時之 Pigtail狀況。

3. 檢視每月 HBr 氣瓶櫃之 pigtail 結晶狀況，採用目視測量並拍照記 錄存證。記錄一年期間之各櫃 pigtail使用情形，以做實驗依據。

4. 量測各測試櫃更換鋼瓶時 pigtail 出口處之 purge N2 溫度並拍照 記錄

圖5-19 XXXB HBr氣瓶櫃盤面加熱

圖5-20 未加熱之HBr氣瓶櫃盤面

表 5-9 加熱實驗材料表

材料名稱 圖 示

溫度控制箱

加熱帶

溫度感應棒

鋁箔膠帶

保溫棉

溫度計

表 5-10 加熱帶規格表

表 5-11 加熱實驗裝設程序步驟表

加熱實驗裝設程序步驟

步驟 1 更換新 pigtail 步驟 2 裝設加熱帶 步驟 3 裝設鋁泊膠帶

步驟 4 裝設感溫棒 步驟 5 裝設保溫棉

表 5-12 加熱實驗出口 N2 溫度表

40^oC 加熱櫃 35^oC 加熱櫃 無加熱櫃

表 5-13 加熱實驗記錄表

記錄月份 40

^o

C 加熱櫃 35

^o

C 加熱櫃 無加熱櫃

Mar-11

Apr-11

May-11

Jun-11

Jul-11

Aug-11

Sep-11

Oct-11

Nov-11

Dec-11

Jan-12

Feb-12

圖5-21 Pigtail 腐蝕實驗百分率統計圖

5.2.3 成果與效益評估

表 5-14 加熱效益表

年份 2009 2010 2011 2012 更換支數 62 62 62 31 報廢支數 11 8 10 0

圖5-22 Pigtail更換/鋼瓶報廢統計圖

年份 2009 2010 2011 2012

更換支數 155 155 155 77.5 萬元/NT 報廢成本 110 80 100 0 萬元/NT

圖5-23 Pigtail/鋼瓶成本支出統計圖

第六章 結論與建議

6.2 建議

1.因製程的世代交替，而衍生因為輸送管路管徑大小尺寸的差異問題，所產生的 維護成本的浪費與人員工作的安全危害，這些問題事實上在設計規劃與設備初 步建置時就應考量往後的製程與需求的變更問題，而做完整有效的設計規劃，

就可減少或避免塞管的問題發生，所以建議在設計規劃之初時就應納入實際運

就可減少或避免塞管的問題發生，所以建議在設計規劃之初時就應納入實際運

在文檔中 加熱用於特殊氣體管路附著去除效應-以某半導體廠為例 (頁 27-0)