矽甲烷特性及預(yù)防方法

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1、矽甲烷(Silane)特性及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施■劉君毅臺(tái)積電風(fēng)險(xiǎn)管理部副理前言矽甲烷一直是半導(dǎo)體製造上最具威脅及破壞性化學(xué)物質(zhì)，不但對(duì)人員之身體傷害、死亡，更會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失及生產(chǎn)中斷。案例上如美國(guó)Hyalihat事件，矽甲烷鋼瓶之氣體出入口之閥使用鐵氟龍製之套頭用袋形鎖鎖緊使之達(dá)成密封之目的，使用矽甲烷時(shí)因用太大力量鎖緊使套頭變形，因而數(shù)小時(shí)後氣體噴出而燒毀氣瓶櫃。另一災(zāi)害發(fā)生在日本因操作者不知悉其可怕之特性，一般無(wú)知者認(rèn)為矽甲烷與氧氣形成二氧化矽，不知道矽甲烷與氧氣造成爆炸性氣體，在同時(shí)對(duì)設(shè)備本身的威力及營(yíng)業(yè)中斷的潛勢(shì)，亦是非常受到重視。另一類型

2、是矽甲烷與二氮化氧(N2O)混合而造成突然爆炸，使四名人員死亡。另外是排氣煙道上殘留下矽甲烷及含油之紙，在排氣管內(nèi)部吸入之含油紙上引火而著火，燒毀排氣系統(tǒng)。矽甲烷燃燒後產(chǎn)生之二氧化矽或一氧化矽，後者會(huì)因衝擊或振動(dòng)而引起爆炸。半導(dǎo)體製造設(shè)施之排氣系統(tǒng)上必定會(huì)有固形物，如殘留於管材或除害裝置內(nèi)會(huì)使壓力損失增加，導(dǎo)致爆炸之事件亦相當(dāng)多。矽甲烷氣體是一種在正常自燃溫度下具有自燃性氣體。矽甲烷釋放時(shí)以一噴射式火焰。理論上，矽甲烷濃度在LEL濃度以上或以下會(huì)引起氧化反應(yīng)是因排氣造成亂流。排氣管內(nèi)的死角在正常排氣下，未反應(yīng)矽甲烷不會(huì)累積至危險(xiǎn)濃度，若果亂流

3、沈澱，矽甲烷燃燒造成壓力上升。Intel在實(shí)驗(yàn)中得到結(jié)果非侷限空間儲(chǔ)存矽甲烷可減少累積可能性?利用自然排氣?減少爆炸影響?避免人員受傷。但在某些情形下，矽甲烷洩漏是不會(huì)燃燒，而會(huì)形成矽甲烷蒸氣雲(yún)。因?yàn)槲淄榈母叻磻?yīng)性及不穩(wěn)定特性，一旦蒸氣雲(yún)燃燒，引起爆炸及破壞性過(guò)壓力。目前矽甲烷供應(yīng)方式及未來(lái)的趨勢(shì)，受到相對(duì)的研究。咨就日本、美國(guó)對(duì)矽甲烷研究結(jié)果整理並引用美國(guó)UFC(UniformFireCode),NFPA(NationalFireProtectionAssociation)及SEMATECH研究建議作一建議及研討。矽甲烷的行為:在1970

4、及1980年代，有IBM/HRC，UnionCarbide及SanDiegoState對(duì)矽甲烷作過(guò)研究。在90年代，更有FM/SEMATECH，Intel，CGA或其他機(jī)構(gòu)(如日本)對(duì)矽甲烷有更多的研究及發(fā)現(xiàn)。矽甲烷是長(zhǎng)久以來(lái)被半導(dǎo)業(yè)視為頭號(hào)危險(xiǎn)物質(zhì)，除了知道其自燃的危險(xiǎn)外，另有其氣瓶櫃爆炸更威脅到人生安全及財(cái)物安全。因此，矽甲烷供應(yīng)或儲(chǔ)存研究在侷限，非侷限及半侷限空間矽甲烷洩漏狀況探討。首要條件是瞭解矽甲烷特性（behavior），提供氣瓶櫃內(nèi)排氣設(shè)計(jì)與排放口大小對(duì)燃燒特性關(guān)係。再依此做有效設(shè)計(jì)。依照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，CGA建立大量矽甲烷儲(chǔ)存及設(shè)計(jì)

5、標(biāo)準(zhǔn)作為產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)管理依據(jù)。對(duì)矽甲烷製程尾氣排放，存在兩個(gè)問(wèn)題，一是火災(zāi)爆炸，二是毒性。以毒性來(lái)看，矽甲烷資料為有限的動(dòng)物資料建議LC50（4小時(shí)為4000-9600ppm），ACGIH對(duì)矽甲烷TLV是5ppm。相對(duì)地，氫化氰在181ppm暴露10分鐘有致命危險(xiǎn)，雖有更多的安全考量。但因矽甲烷其燃燒後生成二氧化矽造成呼吸道刺激。其危害在於矽甲烷自燃的特性及其燃燒下限（LEL）。且缺乏毒性資料，仍應(yīng)避免不必要暴露?！粑淄橐话闾匦匀绫?表2和表3與其他氣體定壓力情況下比較火災(zāi)溫度較氫氣之2381K，甲烷之2148K及Acetylene之2598K

6、為高，因此可知危險(xiǎn)性很大。在密閉空間爆炸之情形產(chǎn)生10倍以上壓力，一般可燃性氣體最大約8倍。在大爆炸發(fā)生時(shí)，壓力可到達(dá)20倍，火災(zāi)速度為1869米/秒。矽甲烷燃燒原理可表示為：●SiH4+2O2+N2-->SiO2(s)+2H2O+N2燃燒熱為－341仟卡/莫耳或-44.42仟焦耳/克,計(jì)算式中矽甲烷濃度9.51莫耳百分比表。為矽甲烷的特性及在常壓（自由擴(kuò)張deflagration），定體積（deflagration）及爆燃。當(dāng)矽甲烷一氧氣爆炸低於或等於30莫耳百分比矽甲烷，是不會(huì)形成氫氣。但矽甲烷濃度在70莫耳百分比或更高時(shí)，唯一氣態(tài)產(chǎn)物是

7、氫氣而非水?！馭iH4＋O2-->SiO2+2H2在矽甲烷燃燒放出大量二氧化矽粒。大約每燃燒一磅矽甲烷完全燃燒，約生成1.8磅二氧化矽，矽甲烷等可燃性氣體在各種助燃性氣體中爆炸範(fàn)圍之比較如表4。當(dāng)矽甲烷濃度超過(guò)最低爆炸濃度，其在室溫下與空氣的混合體積比率為4.5%，則可能自燃。當(dāng)達(dá)到此最低濃度時(shí)，並不表示一定會(huì)燃燒。而此種延遲燃燒現(xiàn)象會(huì)依矽甲烷濃度及與可能的亂流(turbulence)而定。只是，若要自燃產(chǎn)生，通常需要先達(dá)到「半穩(wěn)定」的混合狀態(tài)，並且混合時(shí)間需要足夠長(zhǎng)。此種情況在矽甲烷混合物濃度高時(shí)不易預(yù)測(cè)。另一方面來(lái)看，若要排除自燃可能性亦

8、不因難，只要控制矽甲烷累積混合濃度在4.5%閥限量以下。如表5所示。由LawrenceBritton回顧有關(guān)過(guò)去歷史文獻(xiàn)有關(guān)矽甲烷在開(kāi)放空間之燃燒特性時(shí)其中一份文獻(xiàn)