三氯矽甲烷供應系統之公危品安全設計定義與探討

1. 前言

半導體產業之製程多涉及製造、儲存或處理大量且易燃、易爆之危險物品，且製程所使用之化學品種類、設備與技術隨著不同的產品種類不斷推陳出新，危險特性亦隨之而複雜化，如供應設備例行性保養未妥善維護或人員操作不當，更甚至天然災害導致直接或間接影響，即易造成洩漏、火災、公傷等公安事故，造成生命、財產重大損失。危險物品之涵蓋範疇甚廣，國家標準所定義之「危險物品」係屬廣義性質，只要對人命、健康、環境有害，其危險性包括易燃性、氧化性、引火性、發火性、禁水性、爆炸性、腐蝕性等等均屬之，而「公共危險物品」係侷限於液體或固體，且主要對象為助燃、易燃或易爆物質，其中在消防機關權責部分，消防法第15條訂定：「公共危險物品及可燃性高壓氣體應依其容器、裝載及搬運方法進行安全搬運；達管制量時，應在製造、儲存或處理場所以安全方法進行儲存或處理。」而其範圍與分類訂定「公共危險物品及可燃性高壓氣體設置標準暨安全管理辦法」共分為6類，本文之TCS即歸類於「第3類之發火性固體、發火性液體及禁水性物質」，而該等場所消防安全設備之設置則依法規「各類場所消防安全設備設置標準」第四編公共危險物品等場所消防設計及消防安全設備來設計。

上述針對公共危險物品及消防安全設備之規範儘管隨著多次修法已趨近完整，但套用在不同的供應系統仍會有法規解釋上的疑慮，本篇以台積電Fab14 P7廠區所建置之TCS供應系統及一般處理場所為例，探討環境消防設備、供應系統安全性裝置及供應房土建設計，讓未來新擴充之廠區能依此標準進行規劃，並以此例提供給既設廠區參考及解析，有助於提升環境安全性。

2. 文獻探討

2.1 TCS之物化特性

圖1、TCS為一無色清澈之液體

TCS(SiHCl₃)為一無色液體(圖1)，具揮發性。TCS沸點為31.85℃，但不同於液化石油氣會構成非侷限空間蒸氣雲爆炸之危害。唯TCS同樣具有易燃之特性，其閃火點為-18.4℉(-28℃)；其爆炸界線介於1.2%~90.5%之間。TCS在常溫常壓下，自燃溫度為360℉(183℃)；燃燒熱為4383KJ/kg；最小引火能量為0.017mJ。此外，TCS亦具有腐蝕性，與水接觸後其反應式推估如式1所示：

SiHCl₃+2H₂O→SiO₂+3HCl+H₂ 式1

由上式可知，TCS與水反應會產生非結晶型二氧化矽、氫氣、鹽酸氣體，對人員及設備皆具有危害性。另外，反應測試報告中指出，TCS與氧反應後其反應式可能如式2及式3所示：

SiHCl₃+O₂→SiO₂+HCl+Cl₂ 式2

5SiHCl₃+6O₂→5SiO₂+HCl+7Cl₂+2H₂O 式3

由上式可知，燃燒或氧化後之產物可能包含非結晶型二氧化矽、鹽酸氣體及氯氣(圖2)。

綜合上述反應式TCS之物化特性可知，TCS為一可燃性液體，且易與水發生劇烈反應，故為禁水性物質(圖3)。TCS與水接觸即產生大量的鹽酸之腐蝕性氣體。

TCS物化特性SDS(Safety Data Sheet)補充如 表1所示，半導體製程主流使用之特殊氣體DCS(SiH₂Cl₂, DCS)危害比較，其因DCS供應系統及環境條件設置已非常成熟且普及，藉由危害比較可以參考其基本安全考量。

圖2、TCS燃燒或氧化

圖3、TCS與水反應冒泡

表1、TCS與DCS之SDS物化特性比較表

危害辨識	三氯矽甲烷(SiHCI3, TCS)	二氯矽烷(SiH2Cl2, DCS)
危害圖示
危害分類	易燃液體、禁水性1級、急毒性－吸入、腐蝕性	易燃氣體、急毒性－吸入、腐蝕性
外觀	無色發煙液體	無色氣體，濕氣中為白煙
熔點	-126.6°C	-122°C
閃火點	-28°C	-52.2°C
沸點	32°C	8.3°C
爆炸界限	1.2％~90.5％	4.6％~98％
蒸氣壓	9.75 psia	23.2psia

2.2 TCS供應系統製程概述

廠區供應TCS模式以原物料鋼瓶換裝，普遍設置於高風險作業場所(HPM)一樓建置三氯矽甲烷供應房，並於供應房內安裝TCS供應氣櫃(BCD)用以換裝鋼瓶後透過載氣壓送至二樓模組閥箱(VMB)，VMB再經分配供應給對應的設備附屬機台之氣化裝置(Liquid Bubbler)，汽化後之三氯矽甲烷進入三樓磊晶設備主機台，其中因Liquid Bubbler為補酸式要酸模式，為了維持安全液位以維持線上主機台供應穩定度，會設上補液時間限制，若是觸發補液時間逾時會導致系統判定異常，因此源頭段供應距離成為建置此系統的必要條件之一，經計算若供應管徑為2/3英吋，供應載氣壓力為50psig，供應距離垂直段需小於15公尺，水平距離需小於150公尺，才能滿足供應最低條件。(圖4)

圖4、TCS供應系統概述

2.3 公共危險物品場所認定之概述

公共危險物品場所之類別被定義在「公共危險物品及可燃性高壓氣體設置標準暨安全管理辦法(以下簡稱管理辦法)」第5~7條，其中第5條第一項規定公共危險物品製造場所，係指從事第一類至第六類公共危險物品(以下簡稱六類物品)製造之作業區；第7條第二項規定，一般處理場所係指一日處理六類物品數量達管制量以上之場所，但就其字面上之意義，製造場所與一般處理場所似乎可以視為相同規範，且現代科技日新月異，產業製程複雜，大多數審查人員無相關製程經歷，仍無法確實判定製程範圍，一般處理場所之認定仍必須透過相關解釋函去了解，因此透過 表2兩份解釋函判定三氯矽甲烷屬公共危險物品，其供應系統區域屬於「消耗公共危險物品」且成品矽晶圓非屬公共危險物品之一般處理場所。

依管理辦法規範之種類、分級及管制量(表3)，三氯矽甲烷屬於「第三類禁水性物質第一級，管制量十公斤」，公共危險物品及可燃性高壓氣體之製造、儲存或處理場所，其消防安全設備之設置，依各類場所消防安全設備設置標準及其他有關法令規定辦理。

3. 研究方法

3.1 公共危險物品場所之消防安全設備

依公共危險物品場所消防安全設備之設置，於93年5月起「各類場所消防安全設備設置標準」增列第四編公共危險物品等場所消防設計及消防安全設備(以下簡稱安全設備標準)，而被加以考量，依其危險程度、建築物型態(樓高、面積、高度)、非建築物型態(儲槽液面積、高度)、公共危險物品本身之閃火點、儲存或處理之管制倍數等因素，考量公共危險物品場所滅火難易度，分為顯著滅火困難場所、一般滅火困難場所、其他滅火困難場所三級，依分類設置消防安全設備。

依環境條件達顯著滅火困難場所之規定，依設置標準第198條(如 圖5)選擇適當之滅火設備，因三氯矽甲烷屬第三類公共危險物品禁水性物質，在乾粉滅火設備(滅火器)中，僅能選擇碳酸鹽類等或其他，又依設置標準第201條本廠所應設置第三種乾粉滅火設備(碳酸鹽類等或其他)或第四種大型乾粉滅火器(碳酸鹽類等或其他)或第五種滅火器(碳酸鹽類等或其他)或乾燥砂或膨脹蛭石或膨脹珍珠岩，因TCS供應房普遍設置於高風險作業區(HPM)，無潔淨度考量，故選擇設置自動乾粉滅火系統。

圖5、公共危險物品製造、儲存或處理場所，應依下表選擇適當之滅火設備

3.2 乾粉滅火藥劑之選用

依安全設置標準第99條乾粉滅火藥劑共分為四種乾粉，因三氯矽甲烷屬第三類公共危險物品禁水性物質不可選用磷酸鹽類乾粉藥劑，故不可選擇第三種乾粉(主成分磷酸二氫銨)，僅可選用碳酸鹽類等乾粉。依內政部頒布之「滅火器認可基準」，三氯矽甲烷禁水性物質引起之火災屬於D類火災，各種滅火器適用之火災類別如 圖6，故選擇D類乾粉對應D類火災最為恰當。

圖6、滅火器適用之火災類別

3.3 TCS供應系統建置位置之選擇條件

於2.2章節提到，TCS系統建置位置選擇上，供應距離垂直段需小於15公尺，水平距離需小於150公尺，才能滿足供應最低條件，除此之外，因供應模式係藉由載氣壓送液態TCS，若載氣為氫氣，則需考量FM1-44 44損害限制結構(Damage Limiting Construction, DLC)之規範，應用於建築物內易燃性物質儲存及配送設備之防爆設計，以限制損害的角度規範建築物抗爆洩爆條件，讓爆炸意外發生時，建築物損害控制在有限範圍減少損失，快速災後復原。以 圖7(FM1-44 Fig.8)說明，DLC建築物位置選擇安全優越性I > II > III > IV。

圖7、LC建築物位置選擇安全優越性

3.4 發火、禁水性物質房設置安全管理-TSMC OI

針對禁水性物質房的設置安全管理，TSMC規範O.I.已有要求若為中央供應房間應有的設計(如 表4)，其中也於上述幾個章節之管理辦法及安全設備標準涵蓋在內，惟第五點「原物料鋼瓶外容器，需金屬材質」此點有做進一步解釋，透過TSMC工安單位確認TCS鋼瓶頭有護蓋防護，可符合外容器金屬材質(如 圖8)。

圖8、TCS鋼瓶頭護蓋防護

4. 結果與分析

4.1 公共危險物品場所之供應房消防設備設置-以F14P7為例

透過上述章節種種規範條件下，以TSMC Fab14 Phase7為例進行考量設計，TCS位置的選擇為HPM一樓(如 圖9)，兩面洩爆牆對外為空地，因考量消防系統之電控系統非防爆設計，此房間一分為二，分別規劃乾粉消防鋼瓶室以及TCS系統供應房，供應房符合FM1-44 DLC設計規範，如 圖10所示，紅框為防火區劃，且供應路徑也符合長度距離需求；房內之消防安全設置包括抽氣裝置、火焰偵測器(UVIR)、氧氣濃度偵測器、房間緊急停止裝置等等(如 圖11)，其中抽氣裝置皆配有氣體洩漏監控系統(GMS)，並透過房間內偵煙器及偵溫器觸發乾粉滅火器作動。環境乾粉滅火裝置依安全設備標準第91條 : 手動啟動裝置應符合設置於能看清區域內部且操作後能容易退避之防護區域外，此案選擇增設監視器於TCS 供應房，並於消防手動擊發裝置上方增設螢幕讓供應房內之畫面回傳，以供手動擊發時確認能看清區域內部狀況(如 圖12)。

圖9、TCS供應房位置的選擇為F14P7 HPM一樓

圖10、TCS系統供應路徑

圖11、TCS供應房內消防設置

圖12、乾粉滅火系統之手動擊發裝置透過監視器回傳畫面確認後擊發

4.2 TCS供應系統相關安全裝置定義-以F14P7為例

該廠房TCS供應房內系統設備相關安全裝置，供應機台(BCD)內如溫度異常、氣體洩漏、壓力異常、五級地震連動或電源異常等異常事故發生時，連動保護機制(Interlock)會自動關閉出口閥，三氯矽甲烷經由抽氣排放管路排放至洗滌塔(Scrubber)並經水洗後排出。除了自動Interlock系統以外，TCS供應系統BCD亦設有預警機制，包括重量異常、供應主管路內外管壓力提醒、實氣排放壓差預警等等，供應室內設有CCTV監控，全部之訊息皆集中於值班台即時管制(如 表5)。

5. 結論

5.1 結論-以F14P7為例

半導體產業之製程所使用之化學品種類複雜，依上述章節所提的管理辦法及安全設備標準建置供應房，環境已具備一定的安全效果，廠區內相關的工安單位與建置系統的廠務單位需緊密合作，確保所有安全事項皆符合規範後方能上線供應。

以台積電Fab14 P7廠區所建置之TCS供應系統及一般處理場所為例，與廠區內工安單位共同進行安全檢查(sign-off)項目內容大綱統整如 表6，供應機台sign-off項目細部則參考4.2章節所述進行檢點，最後特別注意，供應系統上線前，需進行緊急應變演練，確保意外發生時廠區內有能力危機處理；以此例提供給未來新擴充之廠區能依此標準進行規劃，也供既有廠區參考比較，確認是否有需要加強環境安全性的部分。