W dziedzinie elektronicznego zaopatrzenia w gaz czystość i stabilność zawsze były dwoma równoległymi ratunkami. Surowe wymagania związane z produkcją półprzewodników dla gazów atmosferycznych spowodowały, że-rozwiązania do wytwarzania azotu na miejscu ewoluowały od pojedynczych-wyborów technologicznych w stronę systematycznych podejść inżynieryjnych. Shenger Gas od dawna specjalizuje się w technologii i sprzęcie do przemysłowej separacji gazów, gromadząc solidną wiedzę inżynieryjną w zakresie kriogenicznej separacji powietrza do produkcji azotu. Jej systemy kriogenicznego wytwarzania azotu są coraz częściej stosowane w zastosowaniach związanych z gazem elektronicznym o wysokiej czystości-. W tym artykule zbadano, z czterech wymiarów-zasad procesu, specyfikacji produktu, kompatybilności systemu i względów ekonomicznych,-w jaki sposób technologia kriogenicznego wytwarzania azotu spełnia- stale zaostrzające się wymagania przemysłu półprzewodników w zakresie dostaw azotu.
Dlaczego azot o wysokiej-czystości jest niezbędny w produkcji półprzewodników
W nowoczesnych fabrykach półprzewodników azot nie jest materiałem pomocniczym, ale materiałem krytycznym bezpośrednio zaangażowanym w podstawowe procesy. Jego zastosowania można podsumować na trzech poziomach:
- Kontrola atmosfery procesowej: w litografii, trawieniu, osadzaniu cienkich-warstw i innych etapach azot służy jako obojętny gaz ochronny, zastępując lub rozcieńczając gazy reaktywne, aby precyzyjnie kontrolować potencjał utleniania w atmosferze komory. Na przykład podczas chemicznego osadzania z fazy gazowej wahania natężenia przepływu azotu bezpośrednio wpływają na jednorodność powłoki i zdolność pokrycia stopni.
- Oczyszczanie i czyszczenie: podczas konserwacji sprzętu, czyszczenia komory i przełączania rurociągów azot o wysokiej-czystości jest używany do usuwania pozostałości gazów procesowych i cząstek stałych. To zastosowanie jest niezwykle wrażliwe na wilgoć i całkowitą zawartość węglowodorów w azocie-punkt rosy powyżej -70 stopni może powodować niedopuszczalne ryzyko utleniania.
- Transport i napędzanie: azot, będący nośnikiem czystych, suchych gazów, transportuje fotomaskę, chemikalia i-ultra czystą wodę, a jednocześnie służy jako źródło gazu napędowego dla zaworów pneumatycznych. Takie zastosowania wymagają wyjątkowej stabilności ciśnienia-chwilowe spadki ciśnienia mogą spowodować złomowanie całych partii płytek.
W miarę zbliżania się szerokości linii do węzła 3 nm i dalej, nawet zanieczyszczenia tlenem lub parą wodną na poziomie ppb- mogą zmieniać wytrzymałość dielektryczną tlenków bramek. Próg czystości-generowania azotu na miejscu wzrósł z wcześniejszych 99,999% do 99,9999% lub więcej, a kontrola zanieczyszczeń rozszerzyła się z pojedynczego wskaźnika zawartości tlenu na analizę-pełnego widma obejmującą CO, CO₂, H₂ i inne pierwiastki śladowe.
Podstawowa logika techniczna procesu kriogenicznego wytwarzania azotu
Kriogeniczne wytwarzanie azotu opiera się na podstawowej zasadzie separacji powietrza-wykorzystującej różnicę temperatur wrzenia pomiędzy tlenem i azotem (-183 stopnie w porównaniu z. -196 stopniami) poprzez destylację-w niskiej temperaturze. W przeciwieństwie do adsorpcji zmiennociśnieniowej lub separacji membranowej, proces kriogeniczny może jednocześnie sprostać wysokim natężeniom przepływu i ultra-wysokiej czystości – czyli dwóm pozornie sprzecznym wymaganiom.
Typowy proces destylacji-kolumnowej przebiega w następujący sposób: surowe powietrze jest sprężane,-wstępnie schładzane i oczyszczane w celu usunięcia H₂O, CO₂ i węglowodorów, a następnie wchodzi do głównego wymiennika ciepła w celu ochłodzenia do temperatury bliskiej-skroplenia. W dolnej kolumnie unosząca się para i opadająca ciecz poddawane są pierwotnej destylacji w celu wytworzenia ciekłego powietrza-bogatego w azot. To ciekłe powietrze jest dławione i podawane na górę górnej kolumny jako ciecz orosieniowa do wtórnej destylacji, ostatecznie uzyskując azot o wysokiej-czystości w górnej części kolumny, a wzbogacona w tlen-ciecz odpadowa odprowadzana na dole.
Zaawansowanie tego procesu polega na równowadze zimnej. Ekspander zapewnia chłodzenie w celu kompensacji strat zimna w systemie oraz chłodzenie wymagane do ponownego-ogrzania produktu, podczas gdy wydajność przenoszenia masy w kontakcie pary-cieczy w kolumnie destylacyjnej określa ostateczną górną granicę czystości produktu. Nowoczesne kriogeniczne instalacje azotowe, dzięki zastosowaniu strukturalnego wypełnienia i-rozdzielaczy o wysokiej wydajności, pozwalają uzyskać zmniejszoną wysokość kolumny, poprawiając jednocześnie skuteczność separacji, przy zużyciu energii o około 15–20% niższym w porównaniu z tradycyjnymi kolumnami z półkami sitowymi.
Analiza kompatybilności z procesami półprzewodnikowymi
Wprowadzenie kriogenicznego wytwarzania azotu do fabryki półprzewodników wymaga systematycznego dopasowywania następujących parametrów technicznych:
- System zapewnienia czystości: Instalacje produkujące azot kriogeniczny do półprzewodników- zazwyczaj spełniają wymagania dotyczące czystości produktu: O₂ mniejszy lub równy 0,1 ppm, CO₂ mniejszy lub równy 0,1 ppm, CO mniejszy lub równy 0,05 ppm i H₂O (punkt rosy) mniejszy lub równy -76 stopni. Kluczem do osiągnięcia tych celów jest-frontowy system oczyszczania i niezawodność analizatorów online. Cykl przełączania, temperatura regeneracji i krzywa chłodzenia adsorberów z sitami molekularnymi bezpośrednio decydują o skuteczności oczyszczania. Dodatkowo należy zarządzać ryzykiem gromadzenia się węglowodorów w głównym podgrzewaczu skraplacza poprzez ciągłe monitorowanie i regularne upuszczanie ciekłego tlenu.
- Zdolność reagowania na obciążenie: Produkcja półprzewodników charakteryzuje się wyraźną charakterystyką cykliczną, co wymaga od systemu wytwarzania azotu dostosowania się do szerokiego zakresu regulacji obciążenia wynoszącego 30%-105%. Instalacje kriogeniczne mogą zmieniać obciążenie w ciągu kilku minut poprzez regulację łopatek prowadzących na wlocie rozprężacza i szybkości ekstrakcji produktu, przy czym czystość pozostaje zasadniczo niezmieniona – jest to zdolność, której nie można łatwo dorównać metodami separacji PSA lub membranowymi.
- Architektura niezawodności dostaw: w przypadku fabryk układów logicznych lub układów pamięci pięcio-minutowa przerwa w dostawie azotu może spowodować straty rzędu milionów dolarów. Systemy kriogenicznego azotu są zwykle projektowane z N+1 konfiguracją rezerwową-wielu chłodni pracujących równolegle, uzupełnionych o system rezerwowy ciekłego azotu, który umożliwia przełączanie poziomu-w milisekundach w sytuacjach awaryjnych.
Względy ekonomiczne i inżynieryjne dotyczące wdrożenia
Chociaż początkowa inwestycja w kriogeniczne wytwarzanie azotu jest wyższa niż w przypadku innych-opcji produkcji azotu na miejscu, jej zalety stają się znaczące w scenariuszach średniego--dużego przepływu w całym cyklu życia. Gdy zapotrzebowanie na gaz przekracza 500 Nm3/h, jednostkowe zużycie energii w procesie kriogenicznym może wynosić zaledwie 0,18-0,22 kWh/Nm3, podczas gdy PSA w tym zakresie przepływu zbliża się do 0,35 kWh/Nm3. Ruchome części instalacji kriogenicznej ograniczają się do sprężarek i ekspanderów; kolumna destylacyjna i wymienniki ciepła są urządzeniami statycznymi, które w normalnych warunkach pracy nie wymagają częstej konserwacji.
W zastosowaniach inżynieryjnych wysokość komór chłodniczych zwykle waha się od 15 do 25 metrów, co wymaga wcześniejszego planowania dostępu do podnoszenia i nośności-fundamentu. W rurociągach azotowych produktu zaleca się stosowanie rurek 316L EP o chropowatości powierzchni wewnętrznej Ra mniejszej lub równej 0,4 μm. Chromatografy gazowe online należy instalować w pobliżu punktów pobierania próbek, a linie pobierania próbek podgrzewać i izolować do temperatury 80 stopni lub wyższej. Zalecane są również redundantne kanały analityczne.
Ramy decyzyjne dotyczące wyboru technologii są następujące: W przypadku ciągłego zapotrzebowania > 1000 Nm3/h priorytetem jest kriogenika; dla 300-1000 Nm3/h potrzebne jest kompleksowe porównanie; dla < 300 Nm3/h można ocenić zasilanie PSA lub ciekłym azotem. Jeśli wymagane jest całkowite zanieczyszczenie < 1 ppm przy specyfikacjach wielu składników, praktycznie jedynym wyborem jest kriogenika. W przypadku półprzewodników o średnicach 8 cali i większych, kriogeniczne wytwarzanie azotu stało się powszechnie uznanym standardowym rozwiązaniem.
Wprowadzenie technologii kriogenicznego wytwarzania azotu do dziedziny półprzewodników wymaga, aby dostawcy rozumieli nie tylko termodynamikę separacji powietrza, ale także mikroskopijne wymagania, jakie produkcja płytek nakłada na jakość gazu.-To między-dyscyplinarne zrozumienie jest właśnie pomostem poznawczym, który najbardziej należy zbudować pomiędzy tradycyjnymi firmami zajmującymi się separacją powietrza a inżynierami zajmującymi się urządzeniami półprzewodnikowymi.
