特氣供應系統的規劃與設計 ( 上 )

特氣供應系統的規劃與設計 ( 上 ) (半導體科技 NO.20, 2001/6)"吳志平 / 工研院電子所

由於半導體製程日趨複雜且建廠成本相對的愈來愈高，其使用的製程化學品皆具有相當的危險性，雖然有相關的外國標準可進行規範，但實際的做法卻莫衷一是，各有其成本與優缺點上的考量。本文除概略性的介紹半導體廠之特氣供應系統外，主要對整體特氣系統的規劃與設計進行探討，限於篇幅，本文將論述的重點放在氣瓶櫃 / 架、閥箱與管路的設計上，提出個人的一點心得與看法，希望拋磚引玉提供大家思考的方向，以玆未來建構特氣系統時的參考。然而，在實際的建廠規劃設計時，工程師仍需依各廠的現況進行規劃，考慮的重點包括經費、周圍環境、基地、人員…等，以期用較佳的實用性設計達到更安全的供應與環境維護。

氣體的使用在半導體製程中一直扮演著重要的角色，特別是半導體製程目前已被廣泛的應用於各項產業，凡舉傳統的ULSI、TFT-LCD到現在開始萌芽的微機電(MEMS)產業，皆以所謂的半導體製程為產品的製造流程，其中的製程包括如乾蝕刻、氧化、離子佈植、薄膜沉積等皆使用到相當多的氣體，而氣體的純度則對元件性能、產品良率有著決定性的影響，氣體供應的安全性則關乎人員的健康與工廠運作的安全。氣體一般可簡單的區分為大宗氣體(Bulk Gases)，如N2、H2、O2、Ar等使用量較大的氣體，和特殊氣體(Specialty Gases)，如SiH4、AsH3、PH3…等以鋼瓶供應的氣體。本文主要針對特殊氣體的供應系統進行探討，大宗氣體的供應設計則因其供應方式的特殊性，如以大型桶槽的供應方式，將不列入本文的討論範圍。
特氣供應系統是半導體廠中危險性最高的一環，只要有任何的疏失都可能造成人員、廠房、設備的嚴重損失，特別是其中有些氣體如SiH4的自燃性，只要一洩漏就會與空氣中的氧氣起劇烈反應，開始燃燒；還有AsH3的劇毒性，任何些微的洩漏都可能造成人員生命的危害，也就是因為這些顯而易見的危險，所以對於系統設計安全性的要求就特別高。通常嚴重危害的事件，都是人們忽視其危險性或對其特性上的無知，甚或人員操作維護上的疏忽所造成，反而越危險的物質，大家投注更多的關心與防護，造成嚴重危害的情形較不容易發生。
但是，如何的設計才是最佳的考量，實無絕對原則可供遵循，特別是如何在經費與安全性考量上取得較佳的平衡，一直是工程師與設計者追尋的目標。若是經費許可當然可以選擇二重、三重、甚或四重的保護，但更多重的保護設計是否又具有實質的意義。我們可針對自燃性氣體供應時，氣瓶櫃洩漏來做實際的狀況模擬，用以討論防護設計上的觀念。
首先假設人員在更換鋼瓶後，未將接頭完全鎖緊即開始供氣，此時第一階段保護的管路壓力測試失效(目前的氣瓶櫃幾乎皆有此項之設計)，才可能發生接下來的洩漏狀況；當氣體開始燃燒後，第二階段的火焰偵測器偵測到火焰燃燒所放射出的UV或IR光譜，偵測器動作，第三階段的氣體洩漏偵測器偵測到洩漏的氣體濃度值，第四階段的緊急關斷閥會將鋼瓶氣源出口的手動閥自動關閉，第五階段的防爆櫃與抽氣的設計阻絕火焰蔓延至隔鄰氣櫃，第六階段的消防灑水頭開始灑水降溫，第七階段的區域防爆牆設計防止火焰或爆炸擴散至廠房的其他區域；據此描述，我們可粗略的概估可能導致最嚴重後果的機率，若假設人員失誤和各段保護設計(七階段)失效的機率皆為十分之一的高值進行計算(當然實際上每階段失效機率不可能如此之高)，其結果為億分之一；換言之，倘若因人員疏失導致的氣瓶櫃供氣管路洩漏，造成整廠火災爆炸蔓延的機率為億分之一；此等安全性設計失效的機率已足可為一般的廠房安全設計者所接受，甚或超過其理想值。
而以上所述的這些保護設計，皆為目前半導體廠最一般化的基本要求，所以是否還有必要要求氣瓶櫃內的管路設計為雙套管、氣櫃內加裝極早期火災預警偵測器等防護設計，實有再進行探討的必要。針對這些基本防護設計，以目前的技術水準，皆可很容易的達到所要求的功能、精準度、可靠度等，但畢竟這些零組件與偵測器皆需花費不貲，在目前不景氣中力求節約的半導體業，可再透過進一步的設計考量，重新檢討各項防護設計的必要性，甚或以更簡單、更方便或更便宜的設計方式來取代。
超高純度的氣體供應品質則是設計時的另一項重要考量，在管路與零組件的材質選擇、運送包裝、施工組裝、管路清潔、測試檢驗，乃至於日常管理，每一個環節的精確要求皆與供應的品質息息相關。例如在更換鋼瓶後，一定有一段管路被外界氣體污染，這時候就要透過管路的設計，在供應前對此段管路以氮氣進行反覆的沖吹，使其符合供應品質的要求。特氣的供應，設計上並不像大宗氣體一樣，需要採用連續品質監視系統對可能的污染物(如水分、氧氣、粒子…等)進行分析監控，主要因為其鋼瓶的氣體品質較易掌控，而且氣體種類太多，進行儀器選購的成本太過龐大，監控時的危險性亦較高。此外，特氣的供應管路亦不似一般的管路，因其有施工時的危險性、管路製作不易與污染上的考量，不能任意的進行切管或修改。特別是整廠開始運作生產之後，任何的施工皆可能嚴重影響製程機台與生產線的正常運作，因此，若在製程的需求尚不十分明確或考量到未來的擴充性，均需預留適當的閥件或管路以利未來的擴充。
微機電半導體產業近年來開始在國內生根建廠，筆者有幸參與其中一座廠務系統的規劃與設計，其整體系統的建立基本上和一般的晶圓半導體廠並無二致，只是其對污染物的要求規格不似晶圓半導體廠嚴格，主要因其線徑與幾何結構的尺寸較大，約為0.5 m的線徑要求相差甚多。針對此微機電半導體廠的廠務各項系統建置費用分析如圖一所示，m之間，和目前ULSI的0.18 - 0.15- 1氣體供應系統(包含大宗氣體與特殊氣體)的費用約佔全部廠務系統(不含土地、廠房結構)建置費用的15%，僅低於無塵室系統的23%，所以此項系統的重要性可見一般。
#f#圖一：某微機電半導體廠廠務各系統建置分攤比例

#P#特氣中央供應系統
氣體特性
特殊氣體的種類一般可分為腐蝕性、毒性、可燃性、助燃性、惰性等，一般常用的半導體氣體分類如下：
(一)、腐蝕性 / 毒性：HCl 、BF3、 WF6、HBr、SiH2Cl2、NH3、 PH3、Cl2、 BCl3 …等
(二)、可燃性：H2、 CH4、 SiH4、PH3、AsH3、 SiH2Cl2、 B2H6、 CH2F2、CH3F、CO…等
(三)、助燃性：O2、Cl2、 N2O、NF3…等
(四)、惰性：N2、CF4、C2F6、C4F8、SF6、CO2、Ne、Kr 、He…等
其中很多氣體是具有二項以上的特性，特別是腐蝕性氣體一般而言亦同時具有毒性，PH3則具有腐蝕性和毒性外，亦具有可燃性，是相當危險的一種氣體。若期望對氣體供應系統做出較佳的規劃設計，一定要對氣體特性有相當的了解，才有可能駕馭它、控制它，而詳細的閱讀各項氣體的物質安全資料表(MSDS)則是了解它的第一步。透過MSDS我們可以很清楚的知道它的各項特性，包括物理特性、化學特性、毒性、相容性…等，乃至於緊急處理的方法和步驟皆有詳細的介紹。表一則是列出一些常用氣體間的相容性與可能的反應狀況。
#F#表一：常用氣體相互反應表

氣體供應方式
一般的大宗氣體N2、O2、Ar常用的供應方式以固定式的大型桶槽為主，將桶槽安置於廠區附近，架構獨立的供應區與土木基礎，以槽車定期進行填灌，高壓的液態氣體經蒸發器蒸發為氣態後，供應現場使用，若有純化的需求則需透過氣體純化機將氣體精製成生產線需求的規格使用；H2則經常使用兩座多組鋼瓶串接的方式進行供應，當一座的氣體使用完後，另一座的氣體將自動接續供應，使供氣不致中斷，並以整座串接鋼瓶更換的方式進行氣體的補充。此外，也有所謂的on-site供應方式，將需求的氣體於現場直接製造供應生產線；另有由氣體供應商直接架設地下管路進行集中式的供應，就像目前家用的天然氣供應方式。但此法因管線太長，且埋設於地下，供應點複雜，除非供應商有很好的系統設計，可防止斷氣、排除管路的污染或供應品質不穩定的狀況，否則此種供應雖然方便，卻因半導體製程對氣體品質的要求相當高，風險值也相對的較高。倘若源頭供應品質不良，導致所有半導體廠的製程斷氣或污染，其損失之大，將不下於停電所造成的巨額費用。相對的，以槽車或鋼瓶的供應方式，因其出貨前可透過品質的檢驗，確保供氣的品質，風險也就較低。
特殊氣體的供應方式截至目前為止，幾乎皆用鋼瓶的方式進行，一般常用的為高壓鋼瓶，但依其填充的氣體特性又可分為氣態與液態鋼瓶，一般氣體皆為氣態鋼瓶，其填充壓力亦高，氣體以氣態儲存於鋼瓶內；低蒸氣壓的氣體則以液態儲存於鋼瓶內。另有一種吸附式的氣體儲存鋼瓶，即所謂的安全供應氣源(SDS, Safe Delivery Source)，可藉由介質如沸石和活性碳對特定的氣體如PH3、AsH3、BF3、SiF4等進行物理吸附，以氣體分子與吸附劑間的凡得瓦力將氣體吸附於吸附劑的孔隙中，其優點為供應壓力低於一大氣壓，無洩漏之餘。經實驗結果，即使洩漏亦不致發生爆炸或造成足以危害人體的毒氣濃度，安全性佳，而且供應量可為傳統高壓鋼瓶的數倍至數十倍。然此種供氣無法使用於目前所有的半導體氣體，亦少晶圓廠使用此種系統進行中央集中式的供應方式，因此本文將不對其多作討論，僅提出此種供應方式的特點供讀者參考。
針對腐蝕性、毒性、燃燒性的氣體，通常設計將鋼瓶置於氣瓶櫃(Gas Cabinet)內，再透過管路將氣體供應至現場附近的閥箱(VMB, Valve Manifold Box)，而後再進入製程機台的使用點(POU, Point of Use)，於進入機台腔體之前，會有獨立的氣體控制盤(GB, Gas Box)與製程控制模組連線，以質流控制器(MFC, Mass Flow Controller)進行流量之控制與進氣的混合比例控制，通常此氣體控制盤不屬於廠務系統的設計範疇，而是歸屬製程機台設備的一部份。一般的惰性氣體則是以開放式的氣瓶架(Gas Rack)與閥盤(VMP, Valve Manifold Panel)進行供應。詳細的描述與討論將在下節進行，現在僅舉一簡單的兩種不同供氣流程規劃的實例，如圖二、三所示，供讀者參考。
#F#圖二：毒性 / 可燃性氣體供應規劃流程實例(本圖由新忠公司提供)
#F#圖三：惰性氣體供應規劃流程實例(本圖由新忠公司提供)

上面所提的為目前常用的「集中式」中央供應設計，缺點是只要一種氣體的供應出問題，就可能造成所有使用的機台停擺，甚或中斷整個生產線，對製程穩定的風險值較高。另有一種供應方式的設計為針對製程機台進行「分散式」的氣瓶櫃規劃，機台使用到幾種特殊氣體就使用幾台氣瓶櫃，將氣瓶櫃裝設於機台附近，其優點為對製程的風險值較低；但相對的，因其未集中管理，無法整體而有效的進行相關的防護設計，如防爆牆、洩漏的侷限性等，而且管理上相當耗費人力，不管是氣瓶櫃的維護、鋼瓶的更換，皆大大的增加了管理上的風險，雖然省下了VMB的設置及可選用較便宜的單鋼氣瓶櫃，卻大量的增加氣瓶櫃的數目，個人覺得較不符合成本與安全性的設計。據聞韓國的半導體廠以往皆大量採用分散式的設計，但近年來則有漸漸改成集中式供應的趨勢。

空間設計
當工廠內潔淨室各製程區的規劃確定後，即可開始考慮氣體室位置的選定，首先需要距離氣體使用區近，有獨立的結構與空間區隔，避免與主廠房使用同一結構體。若是無法避免，則對相關的防爆區隔需做更謹慎的規劃，以求降低運作時影響整廠的風險。此外，相關的氣體備料儲存空間的位置選定亦需一併考量，不可距離氣體供應室太遠，增加未來更換氣瓶時運送的困難與風險，而且兩者建議規劃適當的區隔，防止相互影響導致可能的風險加成。
針對不同特性的氣體，建議分別規劃獨立的供應區域，一般可分成三區：毒性 / 腐蝕性氣體區、可燃性氣體區、惰性氣體區，將相同性質的氣體集中加強管理，可燃性氣體區需特別規劃防爆牆與洩爆口，若空間不足時，可考慮將惰性氣體放置於毒性/腐蝕性氣體區，倘放置於可燃性氣體區，則需擴大其防爆區隔與相關的消防設施，較不符合成本上的考量，而且防爆牆一經建構完成，未來將相當不易進行後續的空間擴充。
此外，這些區域需考慮獨立的空調送風系統，避免和潔淨室空調共用相同的氣源，因為此區需有大量的排氣以維持氣瓶櫃內與空間中的負壓設計，防止氣體洩漏後直接溢散出外界，所以需要的空調量相當大，如何設計可做到能源的節約並兼顧到安全性，實是未來可以努力的目標；曾經有些廠房設計將潔淨室中的部分空調回風導入氣體供應室，但除可能增加前面所提的風險外，亦會造成潔淨室的正壓降低，然若於一開始即將氣體室的空調量納入潔淨室的空調規劃量中，實際上並無法真正達到節能的作用。通常氣體室並不需維持太低的溫度與潔淨度，若能利用潔淨室中較低溫的一般排氣，與氣體室的空調進氣以熱管(Heat Pipe)進行高效率的熱交換，或許是較實際的可能改善方式之一。
對相關的氣體室電力供應系統與監控室，亦建議架構獨立空間或放置於惰性氣體室，除可避免電力造成的危害，同時方便日後的緊急狀況處理與人員日常操作。

電力規劃
電力系統的規劃則需設計獨立的電源，可避免受其他系統的影響，而且每個氣瓶櫃或VMB皆需有獨立的電源開關，並建議裝設UPS系統，連接緊急發電機電源，因為現在大部分晶圓廠重要製程機台的電源供應，皆連線UPS與緊急發電機，避免因電力供應不穩而導致的嚴重損失，相對的，此項供應系統亦需不可中斷。此外，系統設計不斷電亦有幾項重要的功能存在；首先，UPS有穩壓的作用，可防止控制系統PLC不致因為供電不穩而導致失效；當緊急狀況發生，又需要在停電時將管路中的氣體排除時，亦可繼續操作；年度維修停電1-2天時，若氣體管路不進行沖吹(purge)清潔時，針對低壓氣體亦可利用包溫加熱帶繼續穩定加熱，可避免氣體凝集於死角或細縫處，造成供應回復不易或阻塞的情形發生。

#P#氣瓶櫃 / 架
氣瓶櫃定義
首先來看看SEMI-S4對氣瓶櫃的定義：「一個金屬密閉容器，目的在提供局部排氣通風以保護氣體鋼瓶不會著火、防止氣瓶櫃外之火源著火、及保護周圍不因氣瓶櫃之火源而著火，並限制火源於其內部。」因此氣瓶櫃一定需要具備防護箱體、強制抽氣、安全防護以避免火焰之蔓延，甚或將火源熄滅的功能。氣瓶架則為簡單的鋼瓶開放支架，沒有防護箱體，亦無強制抽氣。圖四的照片顯示氣瓶櫃和氣瓶架的外觀。
#F#圖四：左圖為氣瓶櫃，右圖為氣瓶架。

低蒸氣壓氣體供應
一般而言，在室溫下的飽和蒸氣壓小於30psig的氣體皆屬之，如BCl3、DCS (SiH2Cl2)、ClF3、WF6，它們在21.1℃時的飽和蒸氣壓分別為19.7 psig、23.3 psig、21.5 psig、27 psig，皆是以液態的型式儲存於鋼瓶內，輸送上相當不易。因此，於供應流量設計時需特別考量相關的因素，如氣體的物理特性、鋼瓶表面積、管路長度…等，通常使用直接加熱在鋼瓶與管路的方式供應；對鋼瓶則以側面外罩加熱套，套內裝有加熱帶和保溫棉襯，但因拆裝時相當麻煩不便，目前已較少採用；另一種方式則於鋼瓶底部加熱，若溫度控制得當，是一種相當簡便與安全的方式。管路加熱則使用加熱帶與保溫棉包覆管路的方式，從供氣的鋼瓶端，經VMB、GB直到尾端的機台，加熱的溫度亦隨著供應的距離加長而逐漸提高，以預防氣體冷凝並增高蒸氣壓；加熱帶需有獨立的溫度控制系統，除需要穩定控制加熱溫度外，亦需選用具較低極限加熱溫度(約65℃)的加熱帶，即使加熱控制器失效亦不致發生危險。此外，管路長度也是相當重要的考量，管路太長加熱的穩定性較不易控制，極易因管路經過不同的溫度區域而凝結成液態，阻塞管路。因此建議若各區域的溫差太大，以分段加熱控制的方式進行設計。但最好的方式還是就近將氣瓶櫃放置於製程機台附近的維修區或Sub-Fab，此時需特別考量其安全性。
目前亦有相關的廠商開始研發，將低蒸氣壓氣體以液態的型式供應於主管路，待經過MFC後再加熱汽化成氣態進入反應腔，但因為相關的零組件研發皆尚未成熟和普遍，因此還很少為人所採用。

#P#氣瓶櫃/架的型式
氣瓶櫃/架一般針對不同的氣體特性分為五種基本型式，其中Type II和III屬於較低蒸氣壓的氣體，Type IV和V則屬惰性氣體使用的氣瓶架，各型式使用的氣體類別、種類與相關的功能分述如下：

Type I：專門使用於高壓燃燒性氣體(High-Pressure Flammable Gas)，如SiH4、B2H6、PH3、CH4、H2、AsH3。因其具有燃燒性，所以通常會加裝相關的消防設備，如UV/IR火焰偵測器、灑水頭、氣體洩漏偵測器等，又因其為高壓的壓縮氣體狀態，可使用偵測供應壓力的方式計算鋼瓶剩餘的氣體量。

Type II：使用於中壓液態燃燒性氣體(Mid-Pressure Liquid Flammable Gas)，如NH3、HBr、HCl、Cl2。本型式除消防設備需要安裝之外，並以電子重量磅秤來偵測鋼瓶剩餘的氣體量，若對供氣的流量有較大的需求時，需再考慮相關的加熱設備。

Type III：使用於低蒸氣壓氣體(Low Vapor Pressure Gas)，如BCl3、DCS、ClF3、WF6，除使用電子秤與加熱裝置外，因屬非高壓的鋼瓶且供應流量小，建議不需使用高壓測漏與過流量保護裝置。

Type IV：使用於液態惰性氣體(Liquid Inert Gas)，如C4F8、CHF3、C2F6、N2O、SF6，不需相關的安全設計，但要使用電子秤檢知鋼瓶剩餘的氣體量。

Type V：使用於惰性氣體(Inert Gas)，如CF4、Ar、He。

因氣體特性不同，此五類氣瓶櫃需依其使用的氣體種類設計相關的氣瓶櫃/架功能，如Type I-III屬危險性氣體，建議皆需加裝自動旋轉式關斷器(Valve Shutter)，於緊急狀況發生時可將鋼瓶上的第一道出口旋轉閥關閉，除非鋼瓶破裂，否則只要此項關斷器功能正常，將可保證供應的安全性。此外，Type I-II亦屬可能過流量供應的氣體，建議選用過流量關閉裝置，以確保避免異常的流量供應。
#F#表二：各式氣瓶櫃/架功能選用建議
#P#功能設計
氣瓶櫃內的鋼瓶數設計可分為三種，分別為單鋼、雙鋼、三鋼。單鋼的設計常使用於研究機構或實驗室等，製程未有量產之考量，氣體使用量小，現場可隨時協調停機進行鋼瓶之更換，其優點為簡單、節省空間、成本低，但需透過日常之管理與協調以避免中斷製程，造成損失。雙鋼與三鋼常用於量產工廠，製程不允許停機的狀況，當一支鋼瓶使用完後，另一支待機中的鋼瓶將自動上線供應，並發出更換鋼瓶的警報，此兩種型式上的差別主要在於清潔用purge管路的純化氮氣(PN2, Purified N2)是以鋼瓶或廠務端供應。當purge用的PN2統一由廠務端供應時，所有不同的供應氣體系統(不管是否相容)將會因此purge管路的存在，而形成連接的狀態，造成較高的風險值；萬一中央供應的PN2中斷，又未發生任何警報，恰巧又有二種不相容的鋼瓶在使用purge的管路，此時，爆炸的狀況極可能就此發生，類似意外亦有發生過的紀錄，不得不慎。三鋼式設計尚有一項優點，就是現場的VMB在做管路purge時亦可使用同一氣瓶櫃的鋼瓶，不同氣體間透過VMB造成的交互反應或污染的風險值又更低了。選用三鋼型式的主要缺點為設置的空間需求較大，成本較高。但據筆者經驗，目前雙鋼與三鋼的購置成本已無太大的差異；因此，若非空間上有無法克服的困難，個人建議針對危險性氣體以三鋼的氣瓶櫃為優先的考量。若為惰性氣體使用的氣瓶架，由廠務中央供應PN2或於現場使用獨立的鋼瓶皆可，因為即使採用現場的鋼瓶供應方式，亦可使用集中式的雙鋼PN2氣瓶架，所增加的成本與空間將相當有限。
#P#操作性設計
只要是雙鋼以上的氣瓶櫃設計，皆需有自動切換的功能以達到連續供應的目的，通常以壓力傳輸器偵測供應的壓力來計算鋼瓶剩餘的氣體量；若為低蒸氣壓氣體，則以電子重量磅秤來偵測鋼瓶剩餘的氣體量。在日常操作功能的設計上，可分為全自動、半自動、手動三種方式。通常氣瓶櫃的操作執行動作有下列幾種：
1.前置沖吹(Pre-purge)：主要為利用一般氮氣(GN2, General N2)的流動經過真空產生器造成管路內的負壓，抽出氣瓶櫃盤面管內的特氣，再利用通入PN2稀釋管壁內殘存的微量特氣，反覆執行此項沖吹與稀釋的過程，並於過程中同時以負壓檢測真空產生器的功能，以保壓測試管路是否洩漏。

2.後置沖吹(Post Purge)：通以PN2進行保壓測試管路是否洩漏，確認鋼瓶接頭與管路的銜接良好，並進行PN2的反覆沖吹，將更換鋼瓶時滲入的污染物去除。

3.上線沖吹(Process Purge)：主要目的是將清潔用的PN2清除，並送製程氣體上線；此過程則反覆利用製程氣體的沖吹，將清潔用的PN2予以徹底的排除。

4.更換鋼瓶：通常由四個主要步驟來完成，Pre-purge R 更換鋼瓶 R Post Purge R Process Purge。更換鋼瓶的時機為氣體殘餘量剩下約10%時，但實際上仍需以各氣體過往的使用紀錄為依據進行判斷，才會得到較佳的更換時間點。再者，到達氣體的使用年限亦需進行更換，通常約為一年，因部分的製程氣體可能會對鋼瓶造成微量的腐蝕，污染氣源。
為了達到以上步驟1.到3.的功能，其管路與閥件的設計皆較為複雜，如圖五所示。各廠牌氣瓶櫃的功能性差異大，選用時除考慮公司的技術能力與維護人力外，建議以系統穩定性和市場佔有率進行主要的考量。若採用手動的方式進行，人員的操作將需相當小心謹慎，任何步驟的疏忽皆可能嚴重影響供氣的品質與造成危險。所以通常對危險性氣體筆者建議需有自動(Auto-purge)的功能，當自動無法順利運作時才改為半自動的方式進行。若為惰性氣瓶架，雖然沒有危險性，人為操作不當卻有可能污染管路，畢竟每一步驟執行的反覆作動次數可能高達30~50次，不但需要耗費相當長的時間，更需集中相當多的精神來執行，因此個人建議為維護供氣的品質，即使是惰性氣瓶架亦應該具備自動的功能。
#F#圖五：三鋼式中壓液態燃燒性氣瓶櫃閥盤與管路示意(本圖由三福氣體公司提供)
#P#氣瓶櫃管路設計
為了讓讀者對氣瓶櫃閥盤上的設計有一些認識，以下依序介紹盤面上的重要組件；
(A).氣動控制閥，以GN2進行控制，不建議使用一般的壓縮空氣源(CDA, Compressed Dry Air)，因GN2的供應通常較CDA穩定，不會因停電運轉設備的故障中斷，此閥主要用於自動或半自動操作時的管路氣體流向控制。
(B).手動控制閥，主要當作第二道的防護，如管路的出口。
(C).逆止閥(Check Valve)，防止特氣倒灌入清潔用的PN2和抽氣用的GN2管路。
(D).調壓閥(Regulator)，用於調整並控制供應的氣體壓力。
(E).壓力傳輸器(Pressure Transmitter)，這是防護系統安全的重要零件，透過它才能判知管路是否洩漏，相關的閥門是否可安全的開啟，同時亦可檢知鋼瓶的氣體剩餘量。
(F).真空產生器(Vacuum Generator)，利用GN2的快速流動產生吸引的負壓，將管路中的氣體帶出，以達到抽氣的目的。
(G).氣體過濾器(Line Filter)，裝於供氣的出口處，用以過濾掉氣瓶櫃閥盤組可能產生的污染粒子以確保供氣品質，但並非一定必要裝設，因通常在VMB的供氣口都會安裝符合製程條件需求的過濾器，若於氣瓶櫃裝設過濾器後，需特別考量未來更換過濾器的方便性，其裝設點皆已靠近閥盤末端，較不易進行管路的清潔purge，故而個人不建議於此處裝設過濾器。
(H).流量偵測器(Flow Sensor)，對管路上異常大量的流量進行偵測，若是超過可能的設定值，即判定管路上有可能大量洩漏，進而啟動緊急關閉裝置，中斷供氣。
(I).限流孔(Orifice)，則是一項簡易又有效的過流量控制裝置，用以限制大量的氣流量通過，裝設於Vent的排氣管上，其主要防止特氣vent時的大量排放，造成區域式廢氣處理系統無法負荷的狀況發生。針對SiH4，因其具有毒性與強烈爆炸性，建議可於靠近鋼瓶的出口端加裝直徑約0.01吋的限流孔，使其最高流量不得高於30 slm。
在此閥盤組的管路設計上，有一些需特別注意的項目。首先，一如前面所提，不相容氣體的purge管路不可相連，而且不相容的氣體不可設計在同一各氣瓶櫃內，即使互為各自獨立的管路與供應系統亦被嚴重禁止；管路大小的選定，需考慮到製程機台的使用壓力與流量的需求；連接鋼瓶的管路接頭需與鋼瓶接頭同一型號，且其高度在設計時即需考量使用的鋼瓶高度，若為小型的鋼瓶，可使用能調整高度的固定支架；相關的管路零組件需依照氣體的特性選用，例如是否具有腐蝕性、供應的壓力為高壓或者低壓等；並且注意管路上死角purge的問題，若設計的死角越多或越嚴重，反覆purge的次數就要越多，花費的時間也就越久。還有，未來零件更換的方便性，亦將嚴重影響日後維修的程序與時間；最後，個人認為相當重要的一點是設計時需要考慮未來的擴充性，例如多預留一組出口的擴充閥點，在流量上足以供應的考量下，將可避免未來擴充點增加或流量增加時需要再添購一組氣瓶櫃，當然若能在VMB上預留足夠的擴充點亦可能可以解決相關的問題。
#P#安全防護設計
總結前面所提的氣瓶櫃防護設計，包括氣瓶櫃外罩的防火與防爆設計、抽氣裝置、UV/IR火焰偵測器、消防灑水頭、氣體洩漏偵測器、自動旋轉式鋼瓶手動閥關斷器、過流量關閉裝置、管路高壓洩漏測試設計、Vent限流孔、現場與遠端的手動緊急關斷開關等。其中消防灑水頭在氣櫃內的溫度超過65℃時，開始作動灑水；需特別注意的是，ClF3會因與水起劇烈反應，不可安裝灑水頭。在氣體室則需加裝偵煙感知器與灑水頭，以防止氣瓶櫃外的管路洩漏或起火。所有的消防檢知系統與氣體洩漏系統，除極早期火災預警偵測器因太過靈敏容易造成誤判外，皆需與自動廣播系統連線，當有任何動作時，可即時的廣播疏散相關的人員，並立即集結緊急應變小組進行處理。
這些相關的防護儀器或設備在規劃時，需謹慎考量其放置位置與實用性，如緊急手動停氣按鈕(EMO, Emergency Off)除氣瓶櫃上需必備外，在氣體室外或遠端的中央監控室亦需架設，避免氣體室洩漏時無法進入關閉源頭的鋼瓶；此外警報的燈示，除現場VMB盤、氣瓶櫃上皆建議安裝，方便附近的人員示覺外，亦需在氣體室門外裝置明顯的警示燈與警報聲響，以利人員緊急處理時的識別。並需規劃相關的防護器具，如更換毒氣鋼瓶時使用的空氣面罩。
自從921大地震發生後，大家開始重視地震發生時的嚴重危害，地震儀的裝設才變成特氣供應系統的標準配備，也開始在氣瓶櫃安裝固定的基座，防止因地震所造成的移位。地震儀的設置通常採三台的設計方式，可避免當一台受到外力的干擾時(如施工)即造成誤動作，因此執行氣體關斷的動作必須至少2台同時動作才可成立；設置的地點採分散於廠區內的方式進行，可以氣體房為一基準設置點，等距的三角形延伸至廠區內另2點，同時需考慮安置地點的環境，是否不容易使人員造成誤動作，若為人員出入頻繁的地點即需將之排除。一般建議設定的地震儀動作等級為五級地震，執行關閉的設備包括鋼瓶之Valve Shutter、氣瓶櫃/架、VMB。
另一項氣體大量洩漏時的外圍防護設計為裝設緊急的廢氣處理系統(ESE, Emergency Safety Equipment)，其處理點可包括氣瓶櫃、VMB、製程機台等的抽排氣，需能快速的處理大量的氣體洩漏，如高毒性的AsH3、PH3等氫化物氣體、酸性氣體或NH3等，需與氣體偵測器連動，並使用化學吸附劑的方式進行處理，但目前因價格昂貴，尚未普及。
氣瓶櫃的關斷時機有下列幾種狀況，(A).氣體偵測洩漏達到上限警報；(B).火焰偵測器或消防偵煙器動作，其中偵煙器動作是否真要關斷氣源還需進一步討論，因為偵煙器的誤動作機率一般還是太高，所以通常未將此項納入；但若真的發生，倘無自動關斷，可藉攝影監視系統進行判斷，再以人員手動的方式執行遠端的緊急關斷；(C).2部地震儀同時偵測到五級(含)以上的地震；(D).過流量開關啟動；(E).EMO動作。
#P#控制系統設計
控制系統目前普遍採用每台氣瓶櫃皆由獨立的單機PLC控制，而非集中式的控制方式，而且皆使用人機介面的觸控面板進行操作，系統的穩定度與操作上的方便性與十年前的狀況已不可同日而語；並可透過PLC的通訊介面，將設備上所有的訊息納入整廠中央監控系統與相關的週邊系統進行整合，包括氣體洩漏偵測系統、區域式廢氣處理系統(Local Scrubber)、消防系統...等，以建構一個安全性極高的氣體供應系統設計。
#P#閥盤與管路
VMB設計
VMB內氣體種類配置的設計基本上有二種方式，一種以供應的氣體機台為主，另一種則以氣體的種類進行分類，將相同的氣體放置於同一閥箱之中；前者的設計較少為人所採用，雖然它有空間配置上的優點，讓同一機台的氣體管路供應來源全部集中在相同的VMB內，不致使管路的配置太過凌亂，管理上亦較方便，但卻需考量不相容氣體設置於相同的閥盤上，可能因洩漏或人為的誤動作而導致氣體間的激烈反應，而且氣體洩漏偵測器的數量亦相對的增加，造成成本上的負擔，再而其未來的擴充性也較差。後者的設計是目前最普遍採用的方式，雖然相同製程機台的關斷閥無法集中，可能導致管理上的不便，卻有以下的優點，如氣體洩漏偵測器佈點較少、相同氣體集中配置安全性高、VMB設計與操作簡單、擴充性佳等。
基本上，VMB的設計與氣瓶櫃內大同小異，包括防護箱體、強制抽氣、氣體洩漏偵測器、緊急自動關斷閥、EMO、purge管路等，但以手動閥進行供應控制，氣動閥做為緊急關斷之用。通常VMB內不設計UV/IR火焰偵測器和消防灑水頭，主要基於功能性與經費的考量。一般而言，此處於施工測漏驗收後，管路不再移動且不常操作，或進行管路的拆裝，危險性較氣瓶櫃低。目前的管路零組件與施工品質皆達一定的水準，發生洩漏的機率極低，所以，通常當緊急狀況如洩漏、地震發生時，可利用氣動閥進行自動關斷，將氣源做分段的隔離。機台維修時，則可做為氣體管路的阻絕功能，為人員的安全提供進一步的保護。
VMB一般可依業主要求設計4、8、10或其他數目的接點，供氣至數台機台，其功能上除可提供使用點氣源控制外，亦可當作氣體供應的中繼調壓，提供穩定的供氣壓力與流量，同時可規劃偵測供氣的壓力，設定偏移 ±5psi時發出警報。

管路設計
管路設計時需考量輸送的距離，距離越長，成本越高，風險也越高。因擴充性不易，需預留適當的擴充閥組。通常較理想的設計流速為一般氣體小於20 ml/sec，可燃性氣體小於10 ml/sec，腐蝕性/毒性氣體則小於8 ml/sec。在用量的設計方面，則需考量使用點的壓力與管徑的大小，前者與氣體特性有關，後者在使用點一般為1/4吋~3/8吋。
管路型式依氣體特性設計，惰性氣體使用一般的單層管，腐蝕性、可燃性、毒性則可考慮雙套管，但因其製作成本高，除非具自燃爆炸或極毒性的危險氣體，如SiH4、PH3、AsH3常以雙套管製作外，其餘危險氣體可再行考量。管路的材質則依使用的需求進行選擇，若為製程用的反應氣體則選擇高等級的316L EP管，經電解拋光(Electro-Polish)處理，耐腐蝕，表面粗糙度低，Rmax(maximum peak to valley height)約為0.3~0.8μm，其值遠低於經過光輝燒結(Bright Anneal)處理之316L BA管的3~6μm，因平整度越高越不容易形成微渦流，而將污染粒子帶出。316L BA管則常使用於和晶片接觸但不參與製程反應的氣體，如GN2、CDA。另一種未經特殊處理的AP管(Annealing & Picking)，則用於不做為供氣管路的雙套外管。
雙套管的內/外管材質通常為SUS 316L EP/SUS 316L AP，其設計的主要目的有兩點，首先可保護內管避免直接受到外力撞擊，其次能將由內管滲漏的氣體阻絕於外管，並利用相關的檢知設備進行偵測。目前常用的設計有正壓和負壓兩種方式，以往的開放式設計因危險性高已很少使用，其主要是將管路兩端開放於相關的氣櫃內，利用抽氣將洩漏氣體抽出，再由氣體洩漏偵測器進行檢知；負壓設計是將內外管間抽成真空，正壓設計則是灌以氮氣維持正壓，兩者皆可接上壓力錶或壓力警報器做為洩漏狀態的檢知。以雙套管設計的缺點有擴充不易、施工困難、建置成本昂貴、洩漏源位置無法確認、維護困難且經費高等，特別是最後兩項；當內管洩漏時，因未使用分段隔絕配管的方式施工，從鋼瓶到VMB的外管全部相通，洩漏源位置無法確認，導致需要整段管路皆予以更新，不僅浪費成本，施工又耗時。因此，若能以分段隔絕配管的方式進行雙套管路的設計，相信會是一個可行的方案，只是在施工時須特別考量毒性氣體是否可能於焊接時逸出，對人員造成危害。
管路基本上以氬焊進行施工，但在與其他管件連接的部分則使用接頭予以連接，常用的接頭方式有兩種，分別為VCR(Vacuum Coupling Retainer)和SWG(Swaglok)。前者洩漏率低，約為10-9 A cc/sec，且耐壓較高，常用於製程用的危險氣體；後者的洩漏率較高，約為10-6 A cc/sec，且耐壓較低，常用於不具危險性的一般氣體。目前已有很多廠商發展出洩漏率更低的接頭方式，約可到達10-14 A cc/sec以上，基本上，其安全性已足夠取代焊接的方式，但在台灣還尚未被廣泛接受，使用者少；未來若能大量採用，定可大大的縮減施工的時程與成本。
#P#結論
特氣供應系統一直是半導體廠務各系統中最重要的一環，其設計上的優劣將直接影響到整廠的安全性與製程的穩定性，可是卻少有專文對其整體架構設計的合理性與需求性進行基礎的探討。通常在進行建廠的廠務設計時，工程師最易使用的方式即是依循前人的設計直接進行規劃，常忽略重新檢示原始設計的理念，導致舊設計無法與新型的設備做緊密的搭配，致使系統的規劃不符合實際的需求或浪費相關的資源。個人建議當工程顧問公司提出規劃時，業主需依據製程上的需求或實務上的狀況，與設計顧問公司進行廣泛和深入的討論，以釐清業主的實際需要，使設計合理化，達到真正的經費與安全的最佳平衡。實際的工程上，並不存在所謂完美的設計，只有最佳的設計，任何的工程系統皆有其設計上盲點，風險無可避免，端看如何防範可能的危險發生，使發生的機率降至最低。