摘要
排氣減量新挑戰 - 雙磊晶反應室機台排氣
Keywords / Emission Reduction2,Energy Saving16,SEMI-S2 & S6,Environmental Performance Index (EPI)
磊晶機台共分成Main Chamber和氣櫃（Gas Box）兩個箱體，彼此互通，每個箱體上方銜接6吋的排氣風管，調整前兩支風管總抽風量為1248CMH，另外還有兩個預潔淨反應室（SiCoNi），各接6吋的排氣風管。經實測進行兩個情境的減量調整，情境一（模擬H2最大洩漏流量280 slpm與HCl最大洩漏流量62 slpm)的排氣風量可降為887CMH，節省量達28.9%；情境二（模擬H2最大洩漏流量202 slpm與HCl最大洩漏流量62 lpm）的排氣風量可降為722 CMH，節省量則高達42.1%。運用於實務上其風量可減少39%(5139 CMH/tool)，約可減少全廠區2.4%排氣耗量，可作為磊晶機台排氣調整之參考。
前言
因製程的演進，使用的新製程機台對於排氣(exhaust)的需求也隨之增加 表1。在新建廠的規劃中從 N28製程，排氣設計每平方公尺84 CMH到 N10製程，排氣設計每平方公尺103 CMH，排氣設計增加了22.6%。
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Fab |
production space (m2) |
Exhaust (CMH) |
Exh. KPI (CMH/m2) |
|---|---|---|---|
|
A |
35,094 |
3,716,807 |
84 |
|
B |
32,291 |
3,640,141 |
89 |
|
C |
39,173 |
4,715,882 |
107 |
|
D |
36,547 |
4,559,454 |
103 |
如果再以目前一個N10製程廠區來看，排氣的實際耗量中，主要有三種排氣耗量怪獸 表2，這三種形式的機台排氣需求耗量佔了全廠排氣耗量34.5%。其中包括：清洗機台(Clean Bench)DNS SU-3X00系列機台，總需求排氣量約491,064CMH，佔全廠排氣量14.8%；顯影機台(Developer)，總需求排氣量約445,500CMH，佔全廠排氣量13.4%；磊晶機台總需求排氣量約211,536CMH，佔全廠排氣量6.3%。其中從排氣需求中檢討來看，清洗機台反應槽內部有層流避免外部污染必須維持固定排氣壓力，以避免反應槽受到污染。顯影機台必須維持高排氣靜壓避免有機殘氣影響顯影品質。磊晶機台因內部的熱交換器機台熱氣需靠排出，且使用大量的易燃性氣體氫氣(H2)，為符合SEMI-S6(Semiconductor Equipment and Material International; SEMI)[1]通風之安全指引中之規範中的上限值，須維持一定的排氣量。
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排氣量 名次 |
機台型式 |
單台耗量 |
台數 |
排氣耗量 |
全廠排氣 比率 |
|---|---|---|---|---|---|
|
1 |
清洗機台 |
8,769 |
56 |
491,064 |
14.8% |
|
2 |
顯影機台 |
9,900 |
45 |
445,500 |
13.4% |
|
3 |
磊晶機台 |
11,752 |
18 |
211,536 |
6.4% |
|
|
其他 |
|
|
2,178,370 |
65.5% |
|
全廠排氣總耗量(CMH) |
3,326,470 |
||||
清洗機台及顯影機台排氣量限制於製程上的需求，暫不在本次的排氣減量討論範圍內。而磊晶機台特氣氣櫃(Gas Panel)排氣量取決於SEMI-S2-93A[2]半導體製造設備之安全指引，再依據SEMI-S6規範中對於易燃性氣體的安全上排氣量的定義，評估排氣量設置需求。以目前設備商給的排氣需求表中排氣需求風量為5078 CMH，機台送氣過程中排氣風管並無風量計，而是以達到機台所需靜壓為主，必須達到機台氣櫃排氣壓力所設定的保護壓差，低於保護壓差機台會連鎖保護停機。因此磊晶機台排氣實際風量與需求有所落差，如 圖1為磊晶機台機台排氣實際量測值，發現主機台熱交換器及氣櫃總排氣風量7693 CMH，再加上製程尾氣處理設備反應槽，空間排氣及異常時緊急排氣的需求風量4059 CMH，加總後單台磊晶機台排氣總需求風量11752 CMH，風量與機台傳簽資料上需求排氣風量有約有6674 CMH的風量差異。本文藉由評估在SEMI規範中模擬並調整出符合SEMI-S2規範下最佳排氣量，作為磊晶機台排氣需求的參考依據。
圖1、EPi tool 排氣實測風量圖
文獻回顧
磊晶機台氣櫃排氣減量評估必須符合SEMI S2-0712半導體製造設備環保、健康及安全指引中23.5.3 和23.5.4 條文，條文要求如下。
23.5.3
設備故障時的化學物質逸散應該減至最低。在可預見的最壞的系統故障情形下，工作人員的呼吸帶中之空氣中化學物質濃度應低於職業暴露限制值(OEL)之25%。
23.5.4
在可知之最壞真實系統故障情況下，箱體外的化學物質逸散應該低於以下兩個值中之較低者：25%爆炸下限(LEL)或是25%職業暴露濃度(OEL)。
在機台符合SEMI S2要求之後，其設備排氣通風基準必須遵照SEMI S6-0707E之排氣通風安全性能標準。定義氣體在風管內正常操作或洩漏時，抽氣量足夠避免產生毒性(如HCl) 或易燃性(如H2)濃度過高，導致人員中毒或爆炸的風險。典型半導體設施的排氣系統有有三項測量要素，分別為速度、排氣量、壓力。其中排氣量與速度關係為Q=VA (Q：排氣量、V：速度、A：風管截面積) 表3。
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Calculation |
Parameter |
Description |
Unit |
EPI main gas box |
SiCoNi main gas box |
Remark |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
P1 |
箱體內氫氣主管路進口壓力 |
psi |
45 |
38 |
From gas |
|
|
Po |
箱體內壓力 |
psi |
14.7 |
14.7 |
1 atm |
|
|
W |
箱體寬 |
m |
1.2 |
0.5 |
From AMAT |
|
|
H |
箱體高 |
m |
2.2 |
1.2 |
From AMAT |
|
|
Z |
箱體深 |
m |
0.4 |
0.5 |
From AMAT |
|
|
|
L |
箱體內氫氣主管線長度 |
m |
5.6 |
2.9 |
Calculated |
|
D |
箱體內氫氣主管線直徑 |
m |
0.00635 |
0.00635 |
From gas |
|
|
|
A |
箱體內氫氣主管截面積 |
m |
0.00003 |
0.00003 |
Calculated |
|
4f |
平滑管路表面粗糙度參數 |
無因次 |
0.02 |
0.02 |
Known |
|
|
ρo |
常壓下氫氣氣體密度 |
g/cm3 |
0.00009 |
0.00009 |
From MSDS |
|
|
Mgas |
氫氣分子量 |
g/mole |
2 |
2 |
From MSDS |
|
|
LEL |
最低爆炸下限 |
% |
4 |
4 |
From MSDS |
|
|
K |
氣體混和物比熱值之比率 |
無因次 |
1.4 |
1.4 |
Known |
|
|
V |
理想氣體莫爾體積 |
L/mole |
22.4 |
22.4 |
Known |
|
|
|
KM12 |
上游馬赫數平方 |
無因次 |
0.04494 |
0.07707 |
Calculated |
|
|
ρ1 |
箱體內氫氣主管線氣體密度 |
g/cm3 |
0.00028 |
0.00023 |
Calculated |
|
|
ω |
箱體內氫氣洩漏質量流動率 |
g/sec |
0.00747 |
0.00826 |
Calculated |
|
|
Q |
箱體內氫氣洩漏體積流動率 |
L/sec |
0.08364 |
0.09249 |
Calculated |
|
Q1=(60×60×Q/1000)/(25%×LEL) |
Q1 |
Rule 1，將易燃性氣體濃度稀釋低於25%LFL |
CMH |
0.301098834 |
0.332957394 |
Calculated |
|
Q2=60×10×W×H×Z |
Q2 |
Rule 1，每分鐘提供十倍箱體換氣量 |
CMH |
633.6 |
180 |
Calculated |
|
Qsuggestion |
取Q1及Q2平均值(取整數) |
CMH |
360 |
120 |
Calculated |
依據氣體濃度、TLV、LEL和最大流量等因素，計算出各種危害氣體的相對危害因子。如下列所示：
- 易燃性氣體相對危害因子(Flammability)
- 毒性氣體相對危害因子(Toxicity)
實驗要求準則
- 上部熱交換器依據實際機台情況
- 檢查機台熱交換器的溫度
- 主要及次要氣櫃依據SEMI要求
- 設備周圍逸散量< 25% OEL (職業暴露濃度)
- 設備內任一點< 25% LEL (爆炸下限)
- 稀釋風機(Dilution fan)依據RM OI要求
- 設備內任一點< 25%LEL (爆炸下限)
計畫方法
依據SEMI S6-0707E半導體設備排氣通風ESH指引使用追蹤氣體測定逸散性釋放之測試方法，以SF6追蹤氣體搭配密閉式傅立葉紅外線光譜儀(Closed-cell Fourier Transform Infrared Spectrometer，以下簡稱CC-FTIR)進行EPI 氣櫃排氣風量減量的實驗，在符合SEMI S2 23.5.3和23.5.4的安全衛生規定下，有效節省排氣耗能，達成安全減量的目標。
本實驗依據SEMI S6 0707E半導體設備排氣通風ESH指引使用追蹤氣體測定逸散性釋放之測試方法，十二廠六期潔淨室內進行排氣減量的試驗。本實驗選用長(cell=10m)短(cell=1cm)光徑各一台CC-FTIR進行現場線上即時SF6追蹤氣體濃度的量測。測試前打開Gas Panel 下方的蓋板將六條採樣管的採樣口逐一伸入以下六點的位置，並予以固定；測試時利用手動閥切換，分別抽取不同位置所採樣的SF6氣體進入CC-FTIR 內即時分析濃度值。
- Bottom of solenoid block at Connector；
- 數位壓力顯示器；
- MFC 連接器；
- 壓力切換；
- 主要氣櫃 LEL 偵測器；
- 次要氣櫃門連鎖裝置 (Door interlock switch at Side Gas Box)
也同樣於氣櫃外進行鄰近四個位置的環境氣體採樣分析。
- 主要氣櫃前方水平距離0.3m，離地板高0.3m；
- 主要氣櫃前方水平距離0.3m，離地板高1m；
- 次要氣櫃左側距離0.3m，離地板高1m；
- 主要及次要氣櫃後方水平距離0.3m，離地板高1m
實驗係模擬最嚴重的氣體洩漏情境下(假設進氣端管路鬆脫H2最大流量280 slpm 和HCl 最大流量62 slpm)，現有的排氣通風量是否仍有減量的空間，SF6 追蹤氣體釋放的位置、氣櫃內外採樣的位置與CC-FTIR 相關儀器架設方式如 圖2所示。
圖2、CC-FTIR 採樣量測示意圖
SEMI S6 提供SF6替代性氣體的方法來驗證氣櫃排氣通風的有效性，使用SF6追蹤氣體的目的是希望在測試時不會造成人員生命、氣櫃內電氣與周圍環境火災與腐蝕等危害。因此，測試過程中CC-FTIR 所量測到SF6氣體的濃度必須經過等量釋放濃度公式(equivalent release concentration，以下簡稱ERC)的換算，以求取真實氣體洩漏被排氣通風有效稀釋的濃度值，ERC公式如下：
H2的LEL為4%，在有效的排氣通風條件下，氣櫃內H2的濃度必須低於1% (25%LEL)以下。實驗時注入氣櫃內進氣端管路SF6 的濃度為1.09% (SF6流量3.14 slpm，CDA流量286 slpm)，經由ERC公式計算，於氣櫃內六個採樣點所量測到SF6濃度都必須低於109 ppm才能符合S2要求，計算過程如下所示：
Injected SF6 Concentration=3.14/ (286+3.14)=1.09%
Process Gas Concentration=100%
Measured Tracer Gas Concentration=MSF6
ERC=[(100%)×(MSF6)]/(1.09%) <1%→MSF6 < 109ppm
HCl的TLV為2ppm，在有效的排氣通風條件下，氣櫃外HCl的濃度必須低於500 ppb (25%TLV)以下。實驗時注入氣櫃內進氣端管路SF6的濃度為23.66% (SF6流量15.5 slpm，CDA流量50 slpm)，經由ERC公式換算，於氣櫃外四個採樣點所量測到SF6濃度都必須低於118 ppb才能符合S2要求，計算過程如下所示：
Injected SF6 Concentration =15.5/(50+15.5)=23.66%
Process Gas Concentration=100%
Measured Tracer Gas Concentra-tion=MSF6
ERC=[(100%)×(MSF6)]/(23.66%) < 500ppb→MSF6 < 118ppb
結果與分析
情境一H2最大流量280 slpm洩漏條件下 :
H2最大流量280 slpm洩漏條件下，依照EPI機台原始設定風量進行測試 表4。測試發現採樣點5的濃度最高(68ppm)、採樣點6的濃度次高(60ppm)。各測點濃度值如 圖3所示。針對測點5與6的主要風管內的風速逐步調整，其SF6濃度變化如 圖4所示。
|
風管 |
管內風速 (m/s) |
管內靜壓 (mmH2O) |
|---|---|---|
|
6”主要風管 |
11 |
-200 |
|
6”次要風管 |
8 |
-180 |
圖3、風量調整前氣櫃內各採樣點的濃度值
圖4、調整主要風管氣櫃內採樣點5 和6 的SF6 濃值
得知主要風管內風速7.5m/s時，採樣點5 的濃度106ppm 低於109ppm。同時次要風管的風速固定在6m/s，6個採樣點均再測量一遍，所量測到的SF6濃度變化也均小於109ppm，如 圖5所示。在 HCl最大流量62 slpm洩漏的條件下，固定主要風管內風速7.5m/s與次要風管內風速6m/s進行SF6追蹤氣體洩漏測試，測試結果風管內測到較高濃度、氣櫃外皆測量到SF6，如 圖6所示，這表示在此抽氣流量/流速下，若有氣體洩漏發生，所有污染物皆會被抽走，不會逸散到無塵室內。
圖5、調整次要風管風量氣櫃內各採樣點的SF6 濃值
圖6、調整後氣櫃外各採樣點的濃值
在H2最大流量280 slpm和HCl最大流量62 slpm的條件下，排氣管路最佳的安全風速如 表5 所示。
|
風管 |
管內風速 (m/s) |
管內靜壓 (mmH2O) |
|---|---|---|
|
6”主要風管 |
7.5 |
-150 |
|
6”次要風管 |
6 |
-100 |
情境二 H2最大洩漏流量為202 slpm條件下 :
EPI氣櫃前端VMB管路設計，在最嚴重的管路鬆脫情境下，H2最大洩漏流量為202 slpm。因此，實驗注入氣櫃進氣端管路SF6的濃度同樣為1.09%，但調整SF6流量為2.2 slpm，CDA流量為200 slpm，經由ERC公式換算，於氣櫃內六個採樣點所量測到SF6濃度也都必須低於109 ppm才能符合S2要求。
調整主要風管內的風速與次要風管風管內的風速分別為6m/s與5m/s，結果採樣點5的濃度下降至93ppm，採樣點6的濃度為65 ppm，採樣點2的濃度為13ppm，採樣點1、點3和點4均量測不到SF6的濃度(CC-FTIR (cell=1cm)SF6的偵測下限3ppm)，如 圖7所示。
圖7、H2流量202 slpm 時氣櫃內各採樣點SF6 濃值
維持前述主要風管內風速6m/s與次要風管內風速5m/s的條件下進行HCl最大洩漏流量62slpm的測試，測試結果氣櫃外採樣點a、b、c、d也均量測不到SF6氣體洩漏(N.D：低於CC-FTIR (cell=10m)SF6的偵測下限14ppb)，如 圖8所示。依據SF6追蹤氣體測試結果，在H2最大流量202slpm和HCl最大流量62slpm的條件下，排氣管路最佳的安全風速如 表6所示。
圖8、H2流量202 slpm 時氣櫃外各採樣點的濃值
|
風管 |
管內風速(m/s) |
管內靜壓(mmH2O) |
|---|---|---|
|
6”主要風管 |
6 |
-100 |
|
6”次要風管 |
5 |
-150 |
H2最大流量280slpm和HCl最大流量62slpm的條件下，主要風管管內風速從11m/s調降至7.5m/ s，次要風管管內風速從8m/s調降至6m/s，總風量從原先的1248 CMH調降至887 CMH，減量效益達28.9%。在情境二H2最大流量202slpm和HCl最大流量62slpm的條件下，主要風管管內風速從11m/s調降至6m/s，次要風管管內風速從8m/s調降至5m/s，總風量從原先的1248 CMH調降至722 CMH，安全減量效益則高達42.1%，如 表7所示。
|
風管 |
管內風速(m/s) |
管內風量(CFM) |
管內風量(CMH) |
總風量(CMH) |
節能量 |
|---|---|---|---|---|---|
|
主要風管 |
11 |
425 |
722 |
1248 |
此為基準值 |
|
次要風管 |
8 |
309 |
525 |
||
|
主要風管 |
7.5 |
290 |
493 |
887 |
28.9% |
|
次要風管 |
6 |
232 |
394 |
||
|
H2=280, HCl+62 slpm |
|||||
|
主要風管 |
6 |
232 |
394 |
722 |
42.1% |
|
次要風管 |
5 |
193 |
328 |
||
|
H2=202, HCl+62 slpm |
|||||
最後由設備原本要求調至實驗後設定其風量減少了5139CMH，如 表8所示。機台實際測量結果如 表9所示。
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As is (AMAT request) |
Requirement(Theoretically) |
Reduction Opportunity |
Remark |
|
|---|---|---|---|---|
|
EPI main gas box |
6,682 |
720 |
5,962 |
Calculation based on 1.SEMI-S6 rule 2.ESH rule (<25% LEL) See backup. |
|
SiCoNi gas box |
1,108 |
240 |
868 |
|
|
Dilution fan |
2,225 |
1,010 |
1,215 |
|
|
Total |
10,015 |
1,970 |
8,045 |
|
EPI Tool Exhaust (CMH) |
Location |
As is (JCEPAJ) |
Reduction Test |
AMAT SSPS |
Final Decision |
Remark |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
upper frame ×2 |
L30 |
3666 |
1568 |
2378 |
2378 |
註1 |
|
EPI main gas box×2 |
1550 |
788 |
2208 |
788 |
註2 |
|
|
EPI side gas box×2 |
1641 |
656 |
500 |
656 |
註2 |
|
|
remote power |
484 |
484 |
500 |
|||
|
SiCoNi gas box |
L20 |
508 |
508 |
508 |
||
|
SiCoNi PM |
600 |
600 |
600 |
|||
|
local scrubber |
L10 |
1132 |
1132 |
1132 |
||
|
Dilution fan |
3534 |
1414 |
1414 |
註3 |
||
|
total |
13115 |
7150 |
5086 |
7976 |
||
|
save |
5139 |
|||||
結論
近幾年來因全球暖化及氣候變遷效應日益嚴重，如能有效降低廠區機台使用風量，便能夠有效節能減碳。其中磊晶機台為廠區耗量怪獸，更是減量當務之急。
磊晶機台在符合SEMI-S2及S6狀況下，稀釋風機風量可調至1,010 CMH，計算如下:
- ESH安全規範中，氫氣於風管中排氣濃度需小於25% LEL (機台使用之H2=4% LEL, H2 flow =170 L/min.)
- 機台排放之H2 (170 L/min)與風管中空氣稀釋計算如下 (16830 L/min，相當於1010 CMH)
→ 170L/min ÷ (16,830L/min + 170L/min) ×100% =1% (符合ESH rule)
氣櫃風量調降後分別為：
- EPI gas box (*2) : 720 CMH
- SiCoNi gas box (*2) : 240 CMH
單台磊晶機台排氣減量，一年約可節省一百萬元運轉費用，同時一年可減少因電力消耗而產生之碳排放共168噸，相當於產生八座足球場大小減碳效益。未來可真對清洗機台及顯影機台調降風量的可行性持續研究，喚起全廠共同參與節能減碳，保衛地球人人有責。
參考文獻
- Semiconductor Equipmen t a n d Materials International. 1997; “Facility Standards and Guidelines.”.
- SEMI S2-0712 - Environmental, Health, and Safety Guideline for Semiconductor Manufacturing Equipment.
- 行政院勞工委員會勞工安全衛生研究 所，民87，半導體作業安全衛生危害之 探討-SEMI 安全指引與國內法規比較， IOSH86-H329，29-33.
- http://ocw.nctu.edu.tw/course/physics/ physics_lecturenotes/Chap.%2027%20 Notes.pdf
- 台灣師範大學機電科技學系，民90， Fundamental Process for Fundamental P r o c e s s f o r S e m i c o n d u c t o r I C Fabrication Fabrication. [6] 工業技術研究院，民102，安全風險評 估，1-10.
附註
- 註1 測試結果顯示當風量降至1,568CMH時，製程腔體溫度未升高。
- 註2 經SEMI-S6 Tracer gas 測試結果確認，Main/Side Gas box 合適的排氣用量分別為986/788 與788/656 CMH。
- 註3 平時採Green mode 操作，僅靠排氣負壓作抽氣，當系統異常時(LSC trip)，啟動稀釋風機，確保管內氫氣濃度小於1/4 LEL。
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