摘要
RD在F12P4廠區開始導入GN2 supply under -185℃的系統，藉此低溫環境來降低物質活性，達成預期目標。機台所需的低溫環境，是藉由更低溫的物質(Liquide N2 -196℃ @ 1atm)進行熱交換所產生；因此在F12P4廠區Fab 2F設置有一組Local LN2 Supply System提供機台Chiller冷源。 由於F12P4的實驗機台表現不錯，於是想在F12P5擴大應用，計畫於Fab 2F增設五台低溫製程 Chiller。實際檢討F12P4廠區的系統，發現有佔地面積大(一組約需 6x3M)且需要許多人力時間進廠更換LN2鋼瓶等缺點，因此激發新工團隊提出F12P5 LN2 Central Supply System的構想，來解決上述問題。
前言 Introduction
在F12P5 的新建過程中RD提出在Fab 2F 將設置五台低溫製程Chiller計畫，新工團隊如果參照F12P4在Fab 2F提供Local LN2 Supply System(如圖一)的話，必須規劃五套 Local LN2 Supply System提供機台Chiller使用。果真如此Fab2F生產區，將擺滿Local LN2 Supply System而無法放置其他附屬設備，影響之大無法想像，新工團隊必須設置 F12P5 LN2 Central Supply System才能徹底解決場地不足的問題。
圖一、F12P4 Fab 2F Local LN2 Supply System & Chiller
文獻回顧 Background
F12P5的新建過程中，新工團隊走訪F12P4與RD及Fac12專家，蒐集目前F12P4 LN2 Local Supply System的運轉經驗及待解決的問題，主要如下:
- 機台Chiller使用前LN2的補充費時(如圖二)，造成機台待機影響產能。
圖二、F12P4 Chiller LN2補充time chart
- LN2 Local Supply System管路使用泡沫材料保溫夾層，系統熱損大，冷源使用效能少，造成LN2鋼瓶頻繁更換，增加不少人力負擔。
- LN2 Local Supply System管路使用泡沫材料保溫夾層，新做好的時候，熱絕緣效果還不錯，可是退化的非常快，造成管路結霜滴水，衍生工安問題。
圖三、泡沫材料保溫夾層管路退化的非常快造成管路結霜滴水
計畫 Methodology
新工團隊與RD及Fac12多次會議討論後，逐漸歸納出F12P5 LN2 Central Supply System的功能及雛型架構；總結如下:
- Chiller內LN2保存於常壓下，LN2高壓瓶經減壓充填至 Chiller最大約有三成的氣化損失，為避免LN2減壓氣化損失及確保LN2鋼瓶內LN2夠冷，必需使用低壓鋼瓶(<3Kg/cm2)。
常態下液體的沸點隨外界壓力而變，壓力愈大，沸點愈高。目前使用的LN2鋼瓶為高壓鋼瓶(約7~9 Kg/cm2)，其沸點較高，可以說是較高溫的LN2；如果可以找到較低壓的鋼瓶(<3Kg/cm2)，氣化損失較少之外，其中保有的冷源也較多。(表一)表一、Properties of Saturated Liquid NitrogenPressure
psig
0
15
30
45
60
74
90
105
120
atm
1
2.02
3.04
4.06
5.08
6
7.12
8.14
9.16
Temperture
℃
-195.8
-189.2
-184.8
-181.5
-178.7
-176.4
-174.2
-172.3
-170.6
℉
-320
-308.6
-300.7
-294.7
-289.7
-285.6
-281.6
-278.1
-275
"Flash to atm
Wt frac vapor"0
0.07
0.118
0.155
0.185
0.209
0.233
0.252
0.269
- 使用可撓性動態真空夾層管路，可大幅降低熱損，並隨時監控管路真空狀況，制式管路拆裝施工快速又方便。
依據成本、施工時效及熱絕緣效果及系統操作維護等多方因素考量下，新工團隊與RD及Fac12決定F12P5 LN2 Central Supply System採用可撓性動態真空夾層管路系統。表二、LN2 supply piping compare table類型
成本
施工時效
熱絕緣效果
泡沫材料保溫夾層的管路
低
快
初期好
靜態真空夾層硬管
高
慢
初期好需定期檢測維護
可撓性靜態真空夾層管路
較高
快
好 (隨時監測)
圖四、採用可撓性動態真空夾層管路
結果與分析 Result
在尋訪多家氣體供應商並告知我們的使用需求之後，氣體供應商可藉由修改現有LN2鋼瓶或採購新規格瓶，來提供低壓鋼瓶；此一低壓鋼瓶導入F12P4 Local Supply System使用之後，就發現鋼瓶使用壽命變長且人力負擔變輕了。
圖五、LN2 鋼瓶及其內部管路配置圖例
在2010年九月份開始F12P5 LN2 Central Supply System 的系統安裝，包含有鋼瓶供應及維護盤面、可撓性動態真空夾層管路、氣液分離裝置以及LN2 鋼瓶儲區；其規劃及配置說明如圖六:
圖六、F12P5 LN2 Central Supply System PFD & Layou
- 1. 鋼瓶供應及維護盤面及LN2 鋼瓶儲區，規劃於F12P5 HPM 2F。
LN2 鋼瓶的更換及系統的操做，從Fab內改到 HPM區，方便人員操作及維護(圖七)。圖七、鋼瓶供應及維護盤面及LN2鋼瓶儲區設置情形
LN2 GC Install status
LN2 Storage Rack Install status - 可撓性動態真空夾層管路從HPM拉至生產區(約200M)，並於前後設置真空pump及meter。維持動態真空並監測效能。(圖八)
使用VBC(Vacuum Barrier Corporation)所生產的可撓性動態真空夾層管路有以下特殊之處:
圖八、可撓性動態真空夾層管路及真空計設置情
LN2 vacuum insulation piping
FL20 separator LN2 level & vacuum display- SEMIFLEX®可撓性管有兩層同心的螺旋狀銅管所組成，其隔離層則為連續的鐵弗龍間隔材質(Teflon spacer)。藉由真空泵浦來提供動態真空“Dynamic Vacuum”，其效果明顯優於抽完真空再封閉的靜態真空 “Static Vacuum”系統。(圖九)
圖九、撓性動態真空夾層雙層及三層管路剖開圖
- SEMIFLEX®可撓性管的外部包覆有“白色塑料”或“不銹鋼”保護層。架構成系統的相關配件有：彎頭Elbow,十字型接頭 Cross，三通型接頭Tee和使用點末端接頭 End Trap，且其可由單一大型桶槽供應 LN2給排狀網絡架構的整廠自動液氮供應管路系統。
- 可撓性LN2 管路每組20M其銜接分兩部份: 液態氮採用如刺刀般的公與母接頭方式銜接，其管路間隙相當密合。真空夾層透過夾式接頭 Clamp與真空跳接管 Jumper hose來連接所有分段管路系統的真空夾層接頭。(圖十)
圖十、可撓性動態真空夾層管路銜接方式
- SEMIFLEX®可撓性管有兩層同心的螺旋狀銅管所組成，其隔離層則為連續的鐵弗龍間隔材質(Teflon spacer)。藉由真空泵浦來提供動態真空“Dynamic Vacuum”，其效果明顯優於抽完真空再封閉的靜態真空 “Static Vacuum”系統。(圖九)
- 於生產區，設置氣液分離裝置，排除LN2因長距離輸送吸熱所造成的汽化氣體，確保Chiller需求LN2時，能及時補充。(圖十一、十二)
圖十一、氣液分離裝置設置情形
LN2 separator install
LN2 supply to tool chiller圖十二、氣液分離裝置設置圖說及多點供應配置
結論 Conclusion
F12P5 LN2 Central Supply System已經於2010年十月開始使用，Chiller在LN2的補充上非常快速及時，提升機台效能；廠務人員也不需要再進到Fab 2F於HPM就可以更換笨重的鋼瓶。未來擴充Chiller時，只需在氣液分離裝置的預留點上銜接即可。
新工團隊與RD本著精益求精持續改善的精神，檢視現有系統仍可朝提高管路真空度及採用較大型的LN2鋼瓶，來提升系統效能及降低運轉成本。(圖十三、十四)
圖十三、目前系統真空維持在0.001torr若能提升至0.0001torr就有近一倍的節能效果減少一半的LN2鋼瓶使用
圖十四、採用較大型的LN2鋼瓶(495L)可降低更換鋼瓶次數及人力並提高系統穩定性
參考文獻
- Vacuum Barrier Corporation/ 鼎奧實業技術資料
- 新瑞僑氣體股份有限公司技術資料
- 洽隆企業有限公司技術資料
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