摘要
極寒天氣下氣化課供應風險與應對策略
台灣地區位於北緯21°~25°，全年平均氣溫22~27℃，冬季氣候最低僅至4~5℃，目前因極寒天氣造成氣化課運轉異常的報道較少，而隨著台積全球化佈局的進行，各地氣候差異對氣化課運轉影響越來越不可忽視。本文以南京(北緯31°~32°)氣候為範例(最低溫度< −10℃)，綜述極寒天氣下氣化課運轉和供應面對的挑戰。分別以五個真實案例，提出南京廠區冬季極寒天氣下大宗氣體供應風險、大宗化學品供應風險、氣體防爆間控溫差、氣體偵測系統頻繁作動、氣站氣體供應壓力波動大的現象和應對措施，為台積公司全球化發展提供寶貴意見。
Taiwan is located at 21°~25° north latitude, with an annual average temperature of 22~27℃, and the lowest temperature of winter climate is only 4~5℃. At present, there are few reports of abnormal operation of the gas&chemical section due to extreme weather. With the progress of the TSMC layout, the impact of climate differences in various regions on the operation of the gas&chemical section cannot be ignored. This paper takes the climate of Nanjing(31°~32° north latitude) as an example(minimum temperature<−10℃) to summarize the challenges faced by the operation and supply of the gas&chemical section in extremely cold weather. Based on five real cases respectively, the phenomenon and countermeasures of bulk gas supply risk, bulk chemical supply risk, temperature control difference between gas explosion-proof rooms, frequent operation of gas detection system, and large fluctuation of gas supply pressure at gas station in Nanjing factory are proposed in the extremely cold winter weather, to provide valuable advice for TSMC's global development.
1.前言
台積公司正積極擴大全球佈局，不僅在美國建立5奈米廠(南緯 33°)，同時在日本(北緯30°)投資設廠，而各地區因緯度不同，氣候溫度也存在很大差異。而半導體制程[1]對溫濕度變化極為敏感，廠房(FAB) [2]大部分生產區域溫濕度必須控制在±1℃及±3%之內，而廠房外圍露天區域則無法進行溫度控制，區域內的環境溫度與天氣情況密切相関，會影響到物料溫度、氣體供應壓力等與晶圓生產相關的指標[3][4]。目前台灣廠區關於氣候溫度影響氣化課運轉的報道較少，例如二氯矽烷(SiH2Cl2 , DCS)[5]在冬季環境溫度低時會更容易在供應管路中發生冷凝，產生的液體在升溫後造成壓力升高，這樣會導致管路供應壓力不穩定，存在影響生產的風險。由於台灣全年最低溫度為4℃-5℃[6]，南京廠區冬天運轉下的最低氣溫可達-10℃[7]，是台灣各廠區運轉多年來前所未遇的。因此研究極寒天氣下的供應風險以及應對策略對將來全球化的發展至關重要。
本文以南京冬季氣候條件為背景，綜述既往南京氣化課在極寒天氣影響運轉和供應的案例，探討解決方案為其他廠區運轉提供經驗。
2.文獻探討
本章提供南京廠真實案例用於討論極寒天下氣化課運轉和供應所遇到的挑戰。案例涉及到氣化課主系統氣體(Gas)、化學品(Chemical)供應系統，其中Gas影響範圍可至全廠，而Chemical亦和清洗、顯影等工藝息息相關，因此分別介紹Gas、Chemical極寒天氣下所遇異常和應對措施，為台積全球化佈局提供寶貴的經驗。
2.1 極寒天氣下大宗氣體供應風險
大宗氣體(Bulk Gas)系統由供氣系統和輸送管道組成， 通常在設計中將氣源設置在獨立於生產廠房之外的氣體站(Gas Yard)。以南京廠氮氣(N2)供應為例，氣體供應商空氣化工在廠區外建生產廠房，生產的N2經過管道輸送方式供應至機臺，在進入FAB之前管路和系統所處環境無控溫。
以之前發生的案例來説明低溫環境對N2供應的影響。2020/12/31值班工程師發現一般氮氣(GN2)管網壓力上漲至8.89kg/cm2，偏離正常供應範圍(8.00-8.02kg/cm2)，現場檢查發現備用系統B路壓力控制閥門(圖1，PCV)閥門異常開啟，且無法正常控壓。確認A路設定值和儀錶壓力正常後，關閉B路供氣手閥才恢復正常供氣。
圖1：燃燒後NO的熱動力學關係
首先說明一下閥門控制器(圖2)的作動原理：控制閥動作主要由比較控制器控制，當N2壓力發生變化時，會在比較控制器槓桿兩端產生微位移，從而產生輸出控制閥門開度。如上所述控制閥動作原理，當天夜間溫度低(<0℃)，水在比較控制器槓桿上凝結成冰，造成槓桿失衡產生輸出，從而造成閥門異常開啓，當溫度回升冰塊融化後，槓桿便會恢復正常，現場進一步檢查控制盤發現，此台控制盤密封存在部分老化現象，雨水從縫隙中滲透進入內部，從而造成此次事件的發生。
圖2：氮氣閥門調壓控制器現場防護。(a)氮氣閥門調整器；(b)閥門增加壓克力保護盒。
針對此現象採取的措施，包括更換儀錶控制盤面的橡膠密封圈和增加壓克力保護盒。橡膠密封圈的更換週期依照經驗定義每年更換，從而保證儀表的密封性能，防止液體滲入。壓克力保護盒可以很好防止控制器受到液體干擾，並且壓克力導熱係數僅為0.19W/m·k，是很好的保溫材料，可減緩冬季夜晚失溫造成儀表上凍的情況。
同樣是N2 另一件案例，2022/12/08 空氣化工按計劃執行年度歲修，N2由氮壓機切換至液氮桶槽(LN2)供應，由於天氣氣溫低(-10℃)，導致蒸發器換熱不佳，造成供應氣體溫度較低，供應管路出現大量冷凝水。甚至N2純化器驅動氣源(IA)出現冷凝水，滴落至電控區造成輸出訊號錯亂，純化器無法進行再生，緊急更換受損部件後設備才得以複歸。(圖3)
圖3：氣源銅管防護前後。(a)驅動氣源管上存在冷凝水；(b)驅動氣源下新增承漏盤。
針對此次歲修發生的意外，除了將銅管進行保溫包複並在下方加裝承漏盤，更重要的是避免低溫天氣進行歲修。
2.2 極寒天氣下氣體防爆間控溫差
特殊氣體(Special Gas)供應系統亦會受到極寒天氣的影響。應大陸法規要求，部分防爆間需放在危害性生產物質區(Hazardous Production Material, HPM)二樓的菜籃區，防爆間需要有三面泄爆面，泄爆面的材質均為一般的庫板牆(非混凝土結構)，保溫效果差，房間內溫度極易受到極寒天氣的影響。
圖4(a)和圖4(b)為南京廠區HPM酸/氟房和燃燒性氣體房在2022年11月至2023年2月期間房間溫度，同一時間段內圖4(a)所示的酸/氟房溫度僅22±0.5℃間波動範圍，而圖4(b)所示的燃燒性氣體房溫度在21.5±1.5℃間波動，相比之下溫度波動區間為酸/氟房的3倍。位於燃燒性氣體房內1%鍺烷/氫氣(1% GeH4/H2)機臺濃度偵測器對溫度比較敏感。其測量濃度與聲波在偵測器10mm介質通道中傳播的時間成反比，溫度降低聲波傳播時間變長，測量濃度降低，反之濃度則上升，因此濃度波動較大。針對此現象，南京廠區對菜籃區房間動綫進行管控，將靠近機臺1% GeH4/H2燃燒性氣體房間門日常保持關閉狀態，進入房間需繞行，並且避免夜間更換鋼瓶，避免人員開門造成房間失溫的現象，同時建議新建廠區對庫板牆添加保溫。
圖4：HPM房間溫度
2.3 極寒天氣下氣體偵測系統頻繁作動
同樣因為部分防爆間位元於菜籃區，氣體偵測系統(Gas Monitor System, GMS)取樣管路會經過戶外，容易在極寒天氣下產生冷凝水，造成GMS警報頻繁觸發。依照標準化處理流程，GMS觸發後需要成立緊急應變小隊(ERT)去現場進行檢驗，造成人員負擔。
以之前發生案例為例，2023/1/3現場報出GeH4 GMS警報，讀值120ppb，超出警告(Warning)等級，廠務人員和ERC人員成立ERT進入現場，採用掌上型偵測器(SPM)測量，讀值為0，檢查取樣管進氣端發現冷凝液滴，隨後清理冷凝液滴後讀值復歸至0(如圖5(a)、圖5(b))。GMS通過取樣管的樣品會經過化學試劑Chemcassette紙帶，如果樣品與紙帶發生反應，紙帶會出現色斑，並回饋光學信號觸發警報。而液體冷凝水進入取樣管經過紙帶時，會潤濕紙帶同樣可以造成紙帶顏色改變，產生誤報。雖然部分GMS通過增加濾膜進行除水，可顯著降低冷凝水的幹擾，但在南京濕度大且溫度低的情況下，濾膜的飽和時間極短(約3~4天)，仍然會造成GMS頻發。經過調研，南京廠區採用性能更佳的氣液分離器來減少冷凝水的干擾。
圖5：冷凝水幹擾GMS取樣現場圖。(a)冷凝水導致偵測器誤報；(b)取樣管上的冷凝水；(C)Teflon濾膜；(D)氣液分離器。
2.4 極寒天氣下BSGS氣體供應壓力波動大
此外位於戶外的大宗&特殊氣體供應站(Bulk Specialty Gas System, BSGS)的特殊氣體亦受極寒天氣影響。在南京廠設計之初對於戶外/無控溫液體鋼瓶(乙矽烷(Si2H6)/氨氣(NH3))增加管路加熱和保溫棉包裹的設計(如圖6)。
圖6：Si2H6供應架構
以Si2H6為例，從鋼瓶到氣櫃盤面再到無塵室前主管路皆配置加熱和保溫，從Si2H6三相圖可以看出(如圖7)，在10℃/ 20psig時，Si2H6很容易發生冷凝變成液態，為確保18psig~22psig的供應壓力，我們將管路以30℃的外掛式加熱帶進行包裹來避免冷凝的產生。但在實際運轉中，發現Si2H6的供應壓力仍然波動較大，這是因為既有系統因溫度傳感器(Sensor)安裝位置不佳，造成管路溫度易受環境溫度影響，因此改善溫度傳感器安裝位置。
圖7：Si2H6三相圖
如圖8(a)所示，改善前我們採用溫度傳感器緊貼加熱帶的方式去控制管路溫度，此時傳感器所測量的溫度受加熱帶溫度影響，得到的管壁溫度失真。傳感器受熱高於30℃會使加熱裝置停止，但傳感器所測為加熱帶溫度，實際管路溫度低於30℃，在極寒天氣下，夜晚管路溫度會驟降至更低(低於10℃)造成Si2H6冷凝為液體殘留在氣體管路中。儅白天升溫時，環境溫度升高，管路溫度相應上升，會使得冷凝在管路中的液態Si2H6重新變為氣態，造成壓力上升。而改善後溫度傳感器與加熱帶不在同一側，所測溫度為管路實際溫度，只有儅管路溫度高於30℃時加熱才會停止，因此即使在極寒天氣下也可以保證管路溫度高於30℃，避免了晝夜溫差造成壓力不穩。改善前後的效果顯而易見，如圖8(b)所示，在南京2020年12月氣溫-10℃~7℃的條件下，改善前Si2H6壓力波動在20psig~32psig之間，波動上限與下限差值可達12psig，隨即採用溫度傳感器遠離加熱帶的方式將波動差值縮小至2psig。因此南京廠區將其餘氣體溫度傳感器位置均做調整。
圖8：Si2H6溫度Sensor改善前後的比對
2.5 極寒天氣下大宗化學品供應風險
除氣體系統之外，化學品供應系統運轉過程亦會受到極寒天氣的影響。以槽車充填為例，2017/12/20經過酸槽機台的晶圓出現缺陷(Defect)，比對發現與氨水(NH4OH)29%供應溫度低有相關。
NH4OH 29%的供應架構如圖9所示，由Lorry Tank A/B交替供應並持續循環，循環過程除過濾顆粒雜質也同時在與環境進行熱交換(每循環6小時可回溫約1℃)。因當時NH4OH 29% 槽車為台灣海運過來，週期約15天，槽罐車無特殊保溫措施會使得化學品溫度會降到與環境溫度相當，低溫約為-4~1℃。當遇到槽車調度不及時，槽車灌充後Lorry Tank還沒能夠進行足夠的回溫和熱交換，低溫的NH4OH 29%便直接供應至線上而造成影響。當時點溫槍測試到CDU Day tank內的氨水溫度僅為16℃左右，而正常供應情況下相同位置溫度則落在20℃ -22℃，如圖10所示。
圖9：NH4OH 29%供應架構
圖10：NH4OH化學品供應溫度
為了避免低溫氨水影響，工廠積極認證大陸產氨水供應，避免氨水長期在海運過程於槽罐車內降溫，同時規範氨水在充填前液體溫度不得低於16℃，灌入Lorry tank內最小循環時間為36hrs，並且實時監測Day tank 內的氨水溫度。
另外槽車充填操作也時常會受極寒天氣而影響。因槽車在灌充前需要進行二段保壓以確保密封性，而在第一段管路保壓時常會因為閥件(圖11)內漏造成壓力無法保持(保壓條件：充壓大於30psig，保持3min壓降小於2psig)。
圖11：槽車聯通閥件
槽車上方的球閥為達到規定的密封要求，須借助密封座產生微小位移使密封座表面產生一定的彈塑性變形，形成必要的密封比壓。而密封座材料為聚四氟乙烯，其彈塑性變形能力及在溫度變化條件下的穩定性並不理想，當溫度下降到使材料造成體積變化時，原本精度很高的密封面產生翹曲變形而造成低溫密封不良。
同樣的，廢液槽車抽取作業也會因極寒天氣造成異常。有機類的廢液易揮發，整個抽取過程槽罐內的大量有機揮發物會因平衡槽罐壓力經由氣管導入廢液抽取系統的風管，而戶外的低溫會導致有機蒸汽凝結成液體，不僅會觸發系統警報，操作人員在脫離氣管時也必須特別注意避免化學品沾染，而冷凝下來的液體也需要特別收集處理。
綜上所述，極寒天氣下會面臨因低溫會造成閥件密閉性能差、物料溫度低、冷凝液體幹擾等問題。目前台灣廠區天氣最低溫度未曾達到南京低溫，因此以上案例可供台積電探索運轉提供經驗。
3.結論
本文綜述了極寒天氣下氣化課運轉和供應面對的挑戰，在南京氣候條件下，分別以大宗氣體供應風險、氣體防爆間控溫差、氣體偵測系統頻繁作動、氣站氣體供應壓力波動大、大宗化學品供應風險五個案列，闡述了供應風險和應對措施，得出如下結論：
- 極寒天氣下戶外PCV閥件存在被冷凝水結冰凍住風險，造成氣體供應壓力常，因此南京廠區採用壓克力罩防護；室內驅動氣源銅管產生冷凝水滴落電控區，可能造成機臺停機，南京廠區進行保溫包複並在下方加裝承漏盤。
- 燃燒性氣體房位於菜籃區的房間保溫性能較差，在極寒天氣下房間溫度波動為室內房間的3倍。南京厰區管控動綫和換瓶時間，避免開門造成房間失溫影響混氣濃度偵測，同時建議新建廠區增加庫板牆保溫。
- 極寒天氣下GeH4和O2氣體偵測系統進氣管路會受冷凝水干擾，造成GMS警報，南京廠區擬採用氣液分離器進行防護，南京廠區採用性能更佳的氣液分離器解決誤報問題，相比傳統濾膜飽和時間延長了約8倍。
- 極寒天氣下BSGS氣體供應壓力波動會變大，南京廠區通過將溫度傳感器由貼合加熱帶改變為遠離加熱帶的方式使波動差值縮小至2psig，降低了83%的波動。
- 極寒天氣會造成化學品來料溫度偏低，有影響生產的風險，灌入Lorry tank前需增加循環，檢測供應溫度，並且低溫下化學品槽車閥件密封性會變差，灌沖過程會因為閥件內漏造成保壓失敗，因此需避免極寒天氣下灌充。
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