桶裝化學品高效供酸新架構

前言

半導體製程中所使用到的化學品原料相當多，依使用量的多寡，在廠務端源頭的供應方式可大致分為槽車(Lorry)及桶裝化學品(Drum)兩種。前者僅用於少數用量較大的大宗化學品(Bulk Chemical)，其餘大部分用量較小的化學品則以後者為主要的供應方式。

Drum在源頭的更換流程大致如下，供應商將物料運進工廠後，由庫房人員將Drum搬運到位於廠房內高風險生產物料區(Hazardous Production Material, HPM)一樓的流動棚，再由廠務端的化學品操作人員(Total Chemical Manager, TCM)，利用夾酸車及拖板車將Drum經電梯載運到HPM二樓的化學品供應房，最後再手動將Drum桶拖運至化學品供應單元(Chemical Dispense Unit, CDU)機台內進行更換。然此一更換流程除將耗用掉了大量廠務端TCM的人力，且整板物料重量將近1噸不易控制，偶有不慎即會讓Drum桶翻倒，造成環境破壞甚至人員壓傷，讓此一人力更換作業流程目前仍存在著許多潛在的風險。此外，TCM在最後CDU機台換Drum的階段，為了避免吸入管路卸除時揮發出來的化學品，更須身著全套的安全防護衣，十分不便。

隨著半導體N10世代製程之後，生產用的化學品種類及數量逐漸增加，Drum供應系統在廠房內的空間擺設規劃也是一大問題。如何在有限的廠務設備使用空間中，滿足生產線上大量且種類繁多的化學品需求，成了目前新廠規劃設計人員們的一大挑戰。目前的Drum裝載於CDU系統內進行供應。而除了裝載Drum的空間之外，CDU系統還包含了用來濾除化學品內金屬不純物的過濾系統、供應時緩衝用的日桶槽(Day tank)、以及最後輸送化學品供機台使用的壓力桶槽(Pressure Tank)或壓力罐(Pressure Vessel)。上述這些單元，使得Drum與CDU結合型的機台體積相當龐大，這也讓目前新廠規劃設計人員，進行空間設計規畫時相當困擾。除此之外，Drum的空間利用率問題也困擾著運轉單位。由於從庫房領出Drum後再拖運至HPM二樓的化學房內進行更換將耗掉相當多的時間，在避免運轉中斷的考量下，廠務端均會從庫房端一次性領較多的Drum放置於HPM二樓的空間，讓運轉上保有安全庫存量。視化學品用量的多寡，安全庫存量少則4桶，多則可高達20桶。這也讓原本空間利用率已相當吃緊的HPM二樓，情況更是雪上加霜。

為了解決現行因Drum供應方式所存在著運轉人力以及空間利用率的兩大問題，本計畫為了Drum供應化學品設計了一套高效率輸送及貯存系統(Drum's Hyper Logistic System, DHL System)。該套系統目前仍在設計階段，尚未有實體機台實際運作，故本文僅針對該套系統的運作模式進行介紹。

系統介紹

DHL System主系統簡介

圖1為廠務換酸作業流程比較圖。由圖可知，DHL System將傳統的CDU分拆為兩個主要單元，分別為Drum單元(Drum Unit, DU)及供應單元(Supply Unit, SU)。DU設置於HPM一樓，並和原有的流動棚結合。流動棚的物料輸送方式也由原本的滾輪改為自動式輸送帶 圖2。當Drum用空需更換時，DU會透過內部的可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)下指令給輸送帶，將實桶的Drum送進DU，同時將用畢的空桶Drum送出DU，並存放於空桶暫存區，待TCM協助交由供應商進行回收。為了能更進一步地提升廠房空間利用率，本計畫也比照原本的流動棚，將此DU供應線設計為雙層式，讓可供應的化學品數量加倍。DU內的化學品會再經由幫浦輸送至位於HPM二樓化學品房內的Day tank暫存，最後再由SU將化學品供應給無塵室內的生產機台做使用。

圖1、換酸作業流程比較示意圖

圖2、自動式輸送帶示意照片

Drum單元 (Drum Unit, DU)

和傳統的CDU相比，DU於硬體上做了相當大的改變， 圖3為DU主要的元件示意圖，以下將針對其做進一步介紹。首先，DU增設了無線射頻識別系統(Radio Frequency Identification, RFID)，對經由自動輸送帶運進DU的Drum桶進行自動掃描，確認化學品是否正確，避免庫房人員將Drum桶誤置於不對的輸送線上，造成上錯酸的情況發生。此設計不僅為化學品入料增設了一道自動防線，也取代了傳統人工刷Drum桶上條碼(Barcode)來確認化學品是否正確的動作。在操作便利性上的考量之下，DU也將傳統固定於機台上的人機介面(Human Machine Interface, HMI)改為懸掛式，讓操作者可不僅限於同個位置操作系統。此一設計大大增加了操作便利性，讓系統維護人員可一邊操作HMI一邊觀測內部自動閥件或幫浦的作動，增加人員對系統除錯或維護的工作效率。

圖3、Drum Unit 主要元件示意圖

在DHL System系統中，雖然Drum桶於已可經由自動輸送帶送進DU，但將化學輸送管路於Drum桶上的拆裝作業還是需仰賴人力操作。對於傳統的CDU，人員若要對Drum桶的化學管路進行拆裝作業，均需身著全套的安全防護衣，以避免人員接觸到Drum桶內所揮發出來的有害性化學蒸氣。為了更進一步降低TGM的人力成本，並縮短更換Drum的作業時間，DU也加入了手套箱的設計 圖4。此一設計因已經將DU內的空間和外界作隔離，因此可讓TGM人員在無需穿戴防護衣的情況下，透過手套對DU內的Drum桶進行管路更換作業。

圖4、手套箱操作示意照片（測試時為非實桶操作故人員未著防護器具）

獨立式Drum桶循環過濾系統

傳統CDU系統 圖5內的幫浦，除了要負責供應化學品給線上機台使用之外，還要肩負將化學品由Drum桶補液至Day Tank以及Drum桶內化學品預先過濾循環共三項任務。內部的濾材也是一人分飾兩角，除了要過濾由Drum桶輸送至Day Tank的化學品之外，也要負責備用端Drum桶的過濾循環。在供應不中斷的前提之下，當系統大量要酸，或是其中一顆幫浦故障的情況發生時，上述的化學品輸送路徑往往是以供應優先，Drum桶的過濾循環程序則會因此中斷。為了改善此問題，DU 圖6也新增了獨立式過濾循環系統的設計，讓Drum桶的過濾循環流程不受線上供應的狀況影響，達到化學品供應品質再強化的目標。

圖5、傳統CDU 循環路徑（簡化）

圖6、DHL SYSTEM 循環路徑（簡化）

過濾循環除了程序不中斷之外，其過濾時間也是相當重要的一環。傳統CDU一次僅可放兩個Drum桶，以目前雙Drum桶的CDU系統來看，進行循環過濾的Drum桶，其過濾時間常會受到另一顆供應側Drum桶的供應時間所影響，使得預先循環過濾的時間無法拉長。DU系統中也針對了此一問題作了改善，將每次進入DU的Drum桶數由2顆增加為4顆，降低循環過濾受到線上供應干擾的情況，使過濾時間得以拉長。

結果與分析

利用Chemical DHL System對於過往所受到的諸多限制以及供應運轉上的諸多困難，提供有效的解決辦法，大致可分為幾個面向解釋。

• 大幅降低運轉人員工作量：針對作業人員工作量進行分析 圖7後可以發現，目前以領料以及供料的作業時間達26%。如使用此系統則僅需要6%，節省成本效益為每年、每廠約9,000,000元。

  圖7、運轉人員工作量分

  
• 大幅降低運轉人員暴露於化學品之風險 圖8：藉由自動化入料/出料及手套箱等設備，運轉操作人員除進行 PM工作外可不需穿著防護設備，降低人員暴露風險26%，增進工作環境健康指數及TCM工作意願。

  圖8、運轉人員暴露風險分析

  
• 藉由獨立循環模組，大幅增加循環時間 圖9達一倍，增進供應品質。

  圖9、Drum 過濾模式

  
  原物料過濾以Drum循環為主，新drum unit設計drum與day tank各有獨立循環pump，以15桶/天計(>15桶設lorry)，新設計於drum使用前增加循環9.6次，新設計可符合每桶循環1 hr 需求(既有設計須減少day tank循環才可達成) 表1。
  表1、原物料循環時間與次數比較

  系統設計 (以15桶/天計算)	Drum 循環	Drum 循環 KPI	Drum 循環時間	Day tank 循環	補液 (tank+vessel)
  	hrs	次/桶	hrs	hrs	hrs
  既有設計：pump共用 (補液+drum循環+day tank循環)	12	9.6	0.8	12	2.5
  新設計：獨立循環pump	24	19.2	1.6	24	1.25

• 有效提升HPM利用率：與既有 CDU體積減少20%，提高閒置空間以利未來擴充，以十五B廠為例，變更前HPM L20可容納 CDU總數為104套，藉由此一設計可容納CDU總數可達128套。面對未來更加多樣化的化學品種類，將有足夠裕度以符合供應需求。

新設計增加HPM 2F空間20% (337m²、暫存區5%、 CDU15%)，換算可增加擴充11 sets CDU空間，HPM 1F流動棚增加147m² (15%)，因增加drum unit &維修空間，既有空間足夠擴充，並規劃人機動線區隔以符合安全要求 圖10。

圖10、原物料儲存架構差異

結論

著眼半導體製程不斷精進，對廠務端來說，化學品原料的供應品質及供應多樣性將是一大挑戰。藉由本計畫所設計的DHL System，未來的廠務系統得以實現低運轉風險與低人力運轉的目標，藉此自動化運轉模式大幅降低運轉成本與人員工作量。此外，該系統也讓原本HPM二樓空間利用率相當吃緊的問題得以解決，使得未來的新廠設計人員不必再苦惱化學品供應單元的擺放問題，後續運轉人員也能夠有較為寬敞的操作空間。未來若能再增加DHL System的機械自動化功能，如自動更換Drum桶或是自動清運空Drum桶等，相信對於廠務運轉將會是另一個革命性的進步。