应用方案
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半导体芯片厂有害气体检测器使用10年经验之探讨
发布时间2012/5/3 23:22:58
半导体芯片厂有害气体检测器使用10年经验之探讨
1 概述
我国半导体工业近年来发展迅速，半导体芯片厂使用了太多以往并不曾使用的各种特殊材料气体，而且其用量有强劲的上升趋势。特殊材料气体所具有的危害性是非常多的，包括毒性、自燃性、助燃性、自行分解性、窒息性、腐蚀性等，特别是其毒性一般都是非常强的。一方面，这些特殊材料气体中有许多对人体有害的物质，另一方面，易燃易爆的特殊材料气体例如硅烷（Silane）泄漏后易引起火灾爆炸的事故发生。另外，这此气体多在洁净室（Clean room）内具有密封性的环境中使用，一旦发生泄漏时危险性极大，其损失也非常宠大。为了防止这些物质在正常状况下之微量泄漏或在特殊紧急状况下的大量泄漏而造成难以弥补的生命财产的损失，必须针对这些危险性气体，在使用、储存是时，采取适当的安全对策加以监控，如装设有害气体泄漏集中监视系统、漏气报警连动切断系统等等，以期将灾害程度降至最低。如此一来，针对工厂具有危险性的环境及设备进行监测，就显得格外重要。
气体检测器的使用，在现今半导体工业已成为必备的环境监控仪器。化学灾害的预防，除了有赖于平时提高警觉外，气体检测器为最直接的监测工具。固定式气体检测器的使用也就是在这种需要的情况下，大量装设于工厂内，且日渐增加。固定式检测器可用以连续监测现场状况，即使在人员禁止进入的危险区域场所，工厂安全人员仍可借助监测系统的资料传输功能，在控制室内随时掌握现场是否有任何异常现象，以期防范于未然。使用固定式气体检测器的另一个目的，是能籍其了解平时微量泄漏是否已达到危害人体健康的标准，以及在大量外泄前能提出预警以防止灾害的发生。目前国内各工厂使用的气体检测器几乎全为进口产品的天下，工厂安全人员仅能由检测器本身的了解和研究。例如该气体检测器的检测原理及使用上的局限性？在国内的环境内，温度与湿度的变化对它的影响如何？可否用其它种类的气体检测器取代而得到更佳的监控效果等等。这些问题都必须对气体检测器本身有较深入的了解才能解答。笔者有幸参与了一座8英寸半导体芯片厂气体检测器系统的规划设计和施工管理，并结合作者在半导体厂多年的实践经验，先对气体检测器的种类作一般性的简介，然后对气体检测器的基本构成和采样方法以及检测原理和在实际使用中的局限性作一基本归纳。
2 气体检测器的种类
气体检测器可应用于许多方面，诸如：工业安全、工业卫生、环境监测、污染防止等等。目前用于工业安全方面的气体检测器种类繁多，依其功能可分为四大类：
（1）仅具有显示装置的气体检测器，如检知管；
（2）具显示及记录装置的气体检测器，如电化学式、触摸燃烧式、半导体式、红外光式、化学纸带式等；
（3）具有选择性的气体检测器，如可携带式霍式红外光谱仪；
（4）遥测式监测技术，如长光径NDIR气体监测器等。
依气体检测器的可移动性分为两种：
（1）可携带式；
（2）固定式。
本文主要针对固定式气体检测器在半导体芯片厂应用进行探讨，对可携带式检测器，仅提出在何种情况下使用以供参考。气体检测器发展至今，各家厂商提供了迎合各式需求的设计产品，一般都可以在市场上找到。表-1为目前市场上气体检测器的种类。就检测器分类而言，并没有一个固定的分类模式，分类只是帮助记忆或有助于了解其检测原理而已。在这些检测器中，具有优越性能的很多，一般均可用作为现场泄漏报警检测器使用。
3 气体检测器的基本构造及采样方式
对一般气体检测器来看，其基本构造是由检测部分（感测器、信号处理、输出、对外控制）和报警指示部分组成。其形式有将前述两部分分离，将报警指示部分设置于显示盘面上，而将感测部分设置于可能有泄漏危险之场所的所谓分离型，以及使两部分成为一体而设置于可能有泄漏危险之场所的所谓一体型。图-1为气体检测器基本构造图。至目前为止，在国内半导体工厂中，利用电化学方式检测的一体型检测器数量较多，随着科技的进步，检测气体的方式也随之进步，今后的发展方向将趋向于分离型。
另外，依气体导入方式的不同气体检测器还可分为泵吸引采样的主动式和扩散采样的被动式。
(1)扩散采样方式
这是一种将检测部分（感测器）设置于危险场所，泄漏气体籍自然扩散到达并渗透进入与感测器接触而感应之方式。扩散式检测定器用于环境较佳的场地或室内，室外泄漏气体易滞留之场所。例如：薄膜区域或使用氢气的机台，宜采用扩散式气体检测器进行监测。
(2)泵吸引采样方式
这是一种将取样管设置于危险场所，以泵或气压泵加以吸引，将泄漏气体导入与感测器接触而感应之方式。由于使用了滤清器，雾滴分离器等前处理装置，泵吸引式检测器适合于环境恶劣场所的检测。例如对气体站房或气体贮藏库等区域，宜采用吸引式气体检测器进行监测。
4 气体检测器的检测原理与特性
气体检测器是根据大气中特定的气体成份而呈现的物理、化学现象，将其转换成电信号的装置。其用途，从当初的防灾用，今扩大应用到各种工艺控制、环境保护等多种气体的监测。目前，市场上常用的气体检测器之种类繁多，其所依据的检测原理也都不相同，在使用上也有一定的限制。过去国内市场上几乎没有市售的，随着我国半导体工业的持续发展，针对半导体工艺用的特殊材料气体检测器正在大规模地进入国内市场，从而使我们对各种不同类型的气体检测器的优劣、实用性等有了进一步的了解。笔者曾经使用过电化学式（New COSMOS,Sensidyen）与化学色带式（MDA）二种不同检测原理的气体检测器。其检测原理，采样方法，检测范围，校正及优缺点如表-2，表-3所示。
5 气体检测器的选用与设置规划
半导体芯片制造业近年来在国内发展迅速，不论在工厂数量或规模上都快速增长。芯片制造工艺中使用的特殊材料气体用量不多，但其种类不少，且多数气体具有危害性。半导体工厂特殊材料气体造成危害的种类大致可分为下列二种：（1）可燃性气体将导致燃烧及爆炸色害（a、爆炸下限小于10%之气体；b、爆炸上下限相差20%以上之气体。）；（2）毒性气体将导致人员健康危害（作业环境容许浓度小于200ppm之气体）；检测这些气体用的装置，可分为可燃性及毒性气体检测器。由于半导体领域使用的特殊材料气体均被列为毒性气体，并且这些气体泄漏到空气中后所表现出的状态，使得目前可供使用的气体检测器种类也极为有限。现今市场上提供半导体工厂用于特殊材料气体的大多数均使用电化学式、半导体式和色带式检测器，极个别的气体使用其它方式的气体检测器。然而，目前检测器普遍存在误报警信号太多的现象，经常在无泄漏的情况下发出警报，造成可靠度下降，导致工作人员无所适从。归纳而言，造成检测器效果不佳的原因是目前国内并无机构对于检测器的性能进行测试和评估，只能用仪器厂商所提供的数据说明来参考，使用者无法评断何种才是最适合自己需求的产品，因而造成了选用上的困扰。为了能正确选用适用的气体检测器，提高其可靠度及可用性，依笔者在半导体厂多年的使用经验，现以SiH4，CLF3两种气体为例来说明检测器选用方法：
5.1 硅烷（SiH4）
硅烷是一种无色的能在正常自然温度下具有自燃性的气体，硅烷是以喷射式火焰方式释放的。一般在空气中浓度在1.37至96mole%可自动起火反应，硅烷的一般物理性与化学性如表-4所示。依据硅烷MSDS资料，硅烷的半数致死浓度（LC50）为9600ppm(4Hr)，ACGIH列明硅烷的TLV是5ppm。作业环境中的容许浓度原则上都采用ACGIH之TLV-TWA（5ppm）值加以测定。在低浓度混合气体状况下，由于其泄漏在空气中有一定的稳定性，因此建议推荐使用SiH4气体检测器。在高浓度纯气体状况下，因其泄漏可能燃烧生成大量的二氧化碳（SiO2）粉尘，因此可以推荐采用SiH4+SiO2复合型的气体检测器和UV/IR检测器。
5.2 三氟化氯（CLF3）
三氟化氯是一种无色的气体,具有高毒性和强氧化性。在空气中与氧气和水蒸汽迅速分解反应而生成一系列含卤素的化合物,如CLO2/OF2及HF等危险性物质。因此目前的检测手段,以测此物在空气中副产物HF和CLO2的浓度为主。HF的TLV值为3ppm,大多数电化学传感器可以在此范围内检测,在没有其它潜在的含氟化物源干扰的情况下,多数仪器厂商推荐使用HF气体检测器,例如CLF3气体房(Gas Room)或气体贮藏库(Storage room)等区域。但是也有一些使用者为了使作业人员有更安全的保障，建议采用更严格的气体检测器加以检测。CLO2的TLV值为0.1ppm，因此笔者建议使用CLO2气体检测器或Zellweger Analytics公司的化学纸带式的CM4仪器进行检测，其检测范围为:30-1000ppb。表5列出了三氟化氯的一些毒性值。
5.3 其它状况的考虑
（3）如果是检测溶剂蒸汽或易燃气体时，则必须考虑使用防爆型气体检测器，而其防爆等级以半导体制造业使用化学物质而言为Class1、Division2，此点要特别加以留意。
（2）如测取混合状态之气体，应充分考虑相似气体或蒸汽对检测器的交互影响，因此要避免误动作是很重要的。有关气体相互干扰性，可参照仪器厂商提供的气体干扰系数表。
（3）当固定式检测器检测到有气体泄漏报警发生时，ERT人员使用携带式检测器确认现场可能存在的泄漏源。例如，Gas Cabinet、VMB、Process Tools或相关环境等区域验证被测目标气体是否有泄漏的真实性。一般使用多用型的New COSMOS、RIKEN或MDA TLD-1 ChemKey等携带式检测器。笔者建议使用MDA TLD-1 ChemKey检测器，它能提供明确的物理证据验证何种被测目标气体泄漏。
根据以上的例子，一般气体检测器的选用是依据厂内硬件设备、气候、被监测气体的性质、浓度以及工艺条件等资料拟定气体检测器选用规格。气体检测器选用必须满足的条件整理如表-6。
5.4 设置规划
在半导体工厂内所操作的气体或易挥发性物质的泄漏，可由气体检测器来加以检测。一个完整的检测系统除了需要合适的气体检测外，检测器设置的位置也相当重要，只有正确的设置才能发挥气体检测器的最大功效，因此必需作危害评估。有必要研究以下事项。
（1）评价危险性
①气体的性质：种类、爆炸性、可燃性、毒性、比重、发火点、爆炸极限;
②气体的浓度:使用量、稀释程度、储气瓶容量;
③工艺条件:压力、温度、反应情况、次级生成物。
（2）预测漏气处
①密封部位的结构、性质：配管连接部分、装置的旋动部分或可动部分;
②疲劳、腐蚀所破坏的地方：结构材料的性质，耐用的年数、机械的疲劳情况;
③机械故障：次数、疲劳程度。
（3）预测气体停留处
①室内：换气次数、通风性、局部排气或管道的位置，设备与空调的关系;
②室外:换气设备的能力，排气系统的性能;
③根据其它事故先例预测。
（4）气体的扩散和检测能力
①气体扩散的特性:比重影响、扩散系数;
②气象条件的影响:风向、风速、温湿度;
③取样的方法和检测部的结构;
（5）有无其他干扰源
①热源:有无、距离、其它（如温度）;
②电磁辐射：产生的可能性、干扰源之分布、频率和强度:
③根据其它事故先例预测检测器干扰物;
通过这些事先的研究，确定检测器的种类、配置法、数量、性能等。从而找出适合的检测器位置，并视现场环境中可能干扰的状况及机械设备等因素而加以调整，并且顾及校正时的操作方便性，即可得预定的检测器设置点。经由以上步骤初步完成规划的检测点后，应依据厂区设备位置图和设备安全矩阵表及时召开检测器设置规划会议。另外，一般仪器厂商或代理商均有一套自身的选点准则可供参考，因此设计人员或工厂管理人员在进行布点规划时，与代理商进行沟通，更好发挥这种厂牌检测器功效。图2为半导体工厂检测器设置的典型实例，其制程设备、储存设备等均因其条件，设置于适当的位置。当检测系统设置规划完成后，以系统应具备的性能和未来设备维护及紧急应变程序等应整合纳入SCADA系统考虑: