Кріогенне генерування азоту для виробництва напівпровідників

У сфері електронного газопостачання чистота і стабільність завжди були двома паралельними рятувальними лініями. Суворі вимоги виробництва напівпровідників до атмосферних газів спонукали-рішення для виробництва азоту на місці еволюціонувати від одно-вибору технології до систематичних інженерних підходів. Shenger Gas вже давно спеціалізується на технологіях і обладнанні для промислового газорозділення, накопичивши серйозний інженерний досвід у кріогенному поділі повітря для виробництва азоту. Його системи генерації кріогенного азоту дедалі частіше застосовуються в -пристроях для підтримки електронного газу високої чистоти. У цій статті розглядається чотири аспекти-принципів процесу, специфікацій продукту, сумісності системи та економічних міркувань-як технологія кріогенного виробництва азоту відповідає-вимогам напівпровідникової промисловості, що постійно посилюються, щодо постачання азоту.

Чому-азот високої чистоти є незамінним у виробництві напівпровідників

У сучасних напівпровідникових фабриках азот є не допоміжним матеріалом, а важливим матеріалом, який безпосередньо бере участь у основних процесах. Його застосування можна узагальнити на трьох рівнях:

1. Контроль технологічної атмосфери: під час літографії, травлення, осадження тонких -плівок та інших етапів азот служить інертним захисним газом, замінюючи або розбавляючи реактивні гази, щоб точно контролювати потенціал окислення в атмосфері камери. Наприклад, під час хімічного осадження з парової фази коливання швидкості потоку азоту безпосередньо впливають на рівномірність плівки та здатність до ступеня покриття.
2. Продувка та очищення: під час технічного обслуговування обладнання, очищення камери та перемикання трубопроводів високо{0}}чистий азот використовується для очищення залишкових технологічних газів і твердих часток. Ця програма надзвичайно чутлива до вологи та загального вмісту вуглеводнів у азоті-точка роси вище -70 градусів може створити неприйнятний ризик окислення.
3. Транспортування та рух: як носій для чистих сухих газів, азот транспортує фоторезист, хімікати та над-чисту воду, а також слугує джерелом рушійного газу для пневматичних клапанів. Для таких застосувань потрібна виняткова стабільність тиску-миттєві перепади тиску можуть призвести до знищення цілої партії пластин.

Оскільки ширина лінії просувається до вузла 3 нм і далі, навіть домішки кисню або водяної пари на рівні ppb- можуть змінити діелектричну міцність затворних оксидів. Поріг чистоти для-вироблення азоту на місці піднявся з попередніх 99,999% до 99,9999% або вище, а контроль домішок розширено з єдиної метрики вмісту кисню до повного -спектрального аналізу, що охоплює CO, CO₂, H₂ та інші мікроорганізми.

Основна технічна логіка процесу кріогенного виробництва азоту

Кріогенне генерування азоту базується на фундаментальному принципі відділення повітря-з використанням різниці температур кипіння між киснем і азотом (-183 градуси проти. -196 градусів ) за допомогою низько-температурної дистиляції. На відміну від адсорбції зі змінним тиском або мембранного розділення, кріогенний процес може одночасно виконувати високу швидкість потоку та над-високу чистоту — дві, здавалося б, суперечливі вимоги.

Типовий процес дистиляції в подвійній-колонці відбувається таким чином: необроблене повітря стискається, попередньо{1}}охолоджується та очищається для видалення H₂O, CO₂ і вуглеводнів, а потім потрапляє в головний теплообмінник для охолодження до-температури розрідження. У нижній колоні пара, що піднімається, і рідина, що опускається, проходять первинну дистиляцію для отримання -збагаченого азотом рідкого повітря. Це рідке повітря дроселюється та подається у верхню частину верхньої колони як флегматична рідина для вторинної дистиляції, зрештою утворюючи високо{6}}азот у верхній частині колони, а збагачену киснем-відпрацьовану рідину скидають у нижній частині.

Витонченість цього процесу полягає в холодному балансі. Детандер забезпечує охолодження, щоб компенсувати втрати холоду в системі та охолодження, необхідне для-нагрівання продукту, тоді як ефективність масообміну контакту пари-рідини в дистиляційній колоні визначає кінцеву верхню межу чистоти продукту. Сучасні кріогенні азотні установки завдяки застосуванню структурованої упаковки та високо-ефективних розподільників досягають зменшення висоти колони при одночасному покращенні ефективності розділення, при цьому споживання енергії приблизно на 15%-20% нижче, ніж у традиційних ситових колонах.

Аналіз сумісності з напівпровідниковими процесами

Впровадження кріогенної генерації азоту в напівпровідниковий завод потребує систематичного узгодження з такими технічними параметрами:

1. Система забезпечення чистоти: напівпровідникові-напівпровідникові кріогенні азотні заводи зазвичай націлюють специфікації на чистоту продукту: O₂ менше або дорівнює 0,1 ppm, CO₂ менше або дорівнює 0,1 ppm, CO менше або дорівнює 0,05 ppm, і H₂O (точка роси) менше або дорівнює -76 градусам. Ключ до досягнення цих цілей полягає у-системі очищення переднього кінця та надійності онлайн-аналізаторів. Цикл перемикання, температура регенерації та крива охолодження молекулярно-ситових адсорберів безпосередньо визначають ефективність очищення. Крім того, ризик накопичення вуглеводнів у головному конденсаторі-підігрівачі необхідно контролювати шляхом постійного моніторингу та регулярної подачі рідкого кисню.
2. Здатність реагувати на навантаження: виробництво напівпровідників демонструє чіткі циклічні характеристики, вимагаючи, щоб система генерування азоту відповідала 30%-105% широкому діапазону регулювання навантаження. Кріогенні установки можуть завершити зміну навантаження за лічені хвилини, регулюючи вхідні направляючі лопатки розширювача та швидкість екстракції продукту, при цьому чистота залишається практично незмінною — здатність, з якою не можуть легко зрівнятися методи PSA або мембранного розділення.
3. Архітектура надійності постачання. Для виробників логічних мікросхем або мікросхем пам’яті п’ят-хвилинне переривання постачання азоту може призвести до втрат порядку мільйонів доларів. Кріогенні азотні системи зазвичай розроблені з N+1 резервною конфігурацією-декількома холодильними камерами, що працюють паралельно, доповненими резервною системою рідкого азоту, яка забезпечує перемикання рівня за мілісекунду-під час надзвичайних умов.

Економічні та інженерні міркування впровадження

Незважаючи на те, що початкові інвестиції в кріогенне виробництво азоту вищі, ніж інші -варіанти виробництва азоту на місці, його переваги стають значними в сценаріях середнього--потоку протягом повного життєвого циклу. Коли потреба в газі перевищує 500 Нм³/год, питоме енергоспоживання кріогенного процесу може становити лише 0,18-0,22 кВт·год/Нм³, тоді як PSA у цьому діапазоні витрати наближається до 0,35 кВт·год/Нм³. Рухомі частини кріогенної установки обмежені компресорами та детандерами; дистиляційна колона та теплообмінники є статичним обладнанням, яке не вимагає частого обслуговування за нормальних умов експлуатації.

У інженерному виконанні висота холодильної камери зазвичай коливається від 15 до 25 метрів, що вимагає попереднього планування доступу для підйому та несучої-спроможності фундаменту. Для трубопроводів азоту рекомендовано використовувати трубки 316L EP із шорсткістю внутрішньої поверхні Ra менше або дорівнює 0,4 мкм. Онлайн-газові хроматографи слід встановлювати в безпосередній близькості від точок відбору проб, з лініями відбору проб, нагрітими та ізольованими до 80 градусів або вище. Також рекомендуються резервні аналітичні канали.

Схема вибору технології виглядає наступним чином: для безперервного попиту > 1000 Нм³/год пріоритетом є кріогенний; для 300-1000 Нм³/год необхідне комплексне порівняння; для < 300 Нм³/год можна оцінити подачу PSA або рідкого азоту. Якщо загальна кількість домішок < 1 ppm із специфікаціями кількох компонентів потрібна, кріогенний є фактично єдиним вибором. Для баз виробництва напівпровідників із специфікаціями 8 дюймів і більше генерація кріогенного азоту стала загальновизнаним стандартним рішенням.

Впровадження технології кріогенного генерування азоту в напівпровідникову сферу вимагає від постачальників розуміння не лише термодинаміки поділу повітря, але й мікроскопічних вимог, які виробництво пластин висуває до якості газу-це між-дисциплінарне розуміння є саме тим когнітивним мостом, який найбільше потрібно побудувати між традиційними компаніями з поділу повітря та інженерами з виробництва напівпровідників.