Στον τομέα της ηλεκτρονικής παροχής αερίου, η καθαρότητα και η σταθερότητα ήταν πάντα δύο παράλληλες γραμμές σωτηρίας. Οι αυστηρές απαιτήσεις της κατασκευής ημιαγωγών για ατμοσφαιρικά αέρια οδήγησαν τις λύσεις παραγωγής αζώτου στην τοποθεσία να εξελιχθούν από μεμονωμένες-επιλογές τεχνολογίας προς συστηματικές προσεγγίσεις μηχανικής. Η Shenger Gas εξειδικεύεται εδώ και πολύ καιρό στην τεχνολογία και τον εξοπλισμό βιομηχανικού διαχωρισμού αερίων, συσσωρεύοντας τεχνογνωσία από συμπαγή μηχανική στον κρυογονικό διαχωρισμό αέρα για την παραγωγή αζώτου. Τα κρυογονικά συστήματα παραγωγής αζώτου αναπτύσσονται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές υποστήριξης ηλεκτρονικών αερίων υψηλής καθαρότητας{{5}. Αυτό το άρθρο εξετάζει, από τέσσερις διαστάσεις-αρχές διεργασίας, προδιαγραφές προϊόντος, συμβατότητα συστήματος και οικονομικές εκτιμήσεις-πώς η τεχνολογία παραγωγής κρυογονικού αζώτου αντιμετωπίζει τις διαρκώς-αυστηρότερες απαιτήσεις παροχής αζώτου της βιομηχανίας ημιαγωγών.
Γιατί το άζωτο υψηλής καθαρότητας-είναι απαραίτητο για την κατασκευή ημιαγωγών
Στα σύγχρονα εργοστάσια ημιαγωγών, το άζωτο δεν είναι ένα βοηθητικό εργαλείο, αλλά ένα κρίσιμο υλικό που εμπλέκεται άμεσα στις βασικές διεργασίες. Οι εφαρμογές του μπορούν να συνοψιστούν σε τρία επίπεδα:
- Έλεγχος ατμόσφαιρας διεργασίας: Στη λιθογραφία, τη χάραξη, την εναπόθεση λεπτών-μεμβρανών και άλλα στάδια, το άζωτο χρησιμεύει ως αδρανές προστατευτικό αέριο, αντικαθιστώντας ή αραιώνοντας τα αντιδραστικά αέρια για τον ακριβή έλεγχο του δυναμικού οξείδωσης στην ατμόσφαιρα του θαλάμου. Στην εναπόθεση χημικών ατμών, για παράδειγμα, οι διακυμάνσεις στον ρυθμό ροής του αζώτου επηρεάζουν άμεσα την ομοιομορφία του φιλμ και την ικανότητα κάλυψης βημάτων.
- Καθαρισμός και καθαρισμός: Κατά τη συντήρηση του εξοπλισμού, τον καθαρισμό του θαλάμου και τη μεταγωγή σωληνώσεων, χρησιμοποιείται άζωτο υψηλής καθαρότητας{{0} για τον καθαρισμό υπολειμματικών αερίων και σωματιδίων διεργασίας. Αυτή η εφαρμογή είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στην υγρασία και σε συνολική περιεκτικότητα σε υδρογονάνθρακες σε άζωτο-ένα σημείο δρόσου πάνω από -70 βαθμούς μπορεί να δημιουργήσει απαράδεκτους κινδύνους οξείδωσης.
- Μεταφορά και οδήγηση: Ως φορέας καθαρών ξηρών αερίων, το άζωτο μεταφέρει φωτοανθεκτικό, χημικά και εξαιρετικά{0}}καθαρό νερό, ενώ χρησιμεύει και ως πηγή κινητήριου αερίου για πνευματικές βαλβίδες. Τέτοιες εφαρμογές απαιτούν εξαιρετική σταθερότητα πίεσης-οι στιγμιαίες πτώσεις πίεσης μπορούν να διαλύσουν ολόκληρες παρτίδες γκοφρέτας.
Καθώς τα πλάτη των γραμμών προχωρούν προς τον κόμβο των 3 nm και πέρα, ακόμη και οι ακαθαρσίες οξυγόνου-σε επίπεδο ppb ή υδρατμών μπορούν να αλλάξουν τη διηλεκτρική ισχύ των οξειδίων πύλης. Το όριο καθαρότητας για την-παραγωγή αζώτου στην τοποθεσία έχει αυξηθεί από το προηγούμενο 99,999% σε 99,9999% ή υψηλότερο, με τον έλεγχο ακαθαρσιών να επεκτείνεται από μια απλή μέτρηση περιεκτικότητας σε οξυγόνο σε ανάλυση πλήρους- φάσματος που καλύπτει CO, CO2, H2 και άλλα ίχνη.
Βασική τεχνική λογική της διαδικασίας παραγωγής κρυογονικού αζώτου
Η παραγωγή κρυογονικού αζώτου βασίζεται στη θεμελιώδη αρχή του διαχωρισμού του αέρα-εκμεταλλευόμενη τη διαφορά σημείου βρασμού μεταξύ οξυγόνου και αζώτου (-183 βαθμοί έναντι. -196 βαθμού ) μέσω απόσταξης σε χαμηλή-θερμοκρασία. Σε αντίθεση με την προσρόφηση αιώρησης πίεσης ή τον διαχωρισμό μεμβράνης, η κρυογονική διαδικασία μπορεί να χειριστεί ταυτόχρονα υψηλούς ρυθμούς ροής και εξαιρετικά-υψηλή καθαρότητα-δύο φαινομενικά αντιφατικές απαιτήσεις.
Μια τυπική διεργασία απόσταξης διπλής-στήλης εξελίσσεται ως εξής: Ο ακατέργαστος αέρας συμπιέζεται, προ-ψύχεται και καθαρίζεται για να αφαιρεθούν H2O, CO2 και υδρογονάνθρακες και, στη συνέχεια, εισέρχεται στον κύριο εναλλάκτη θερμότητας για ψύξη σε σχεδόν-θερμοκρασία υγροποίησης. Στην κάτω στήλη, ο ανερχόμενος ατμός και το υγρό που πέφτει υπόκεινται σε πρωτογενή απόσταξη για την παραγωγή-πλούσιου σε άζωτο υγρού αέρα. Αυτός ο υγρός αέρας στραγγαλίζεται και τροφοδοτείται στην κορυφή της άνω στήλης ως υγρό αναρροής για δευτερογενή απόσταξη, αποδίδοντας τελικά άζωτο υψηλής-καθαρότητας στο επάνω μέρος της στήλης, ενώ τα απόβλητα υγρά εμπλουτισμένα με οξυγόνο-απορρίπτονται στο κάτω μέρος.
Η πολυπλοκότητα αυτής της διαδικασίας έγκειται στην ψυχρή ισορροπία. Ο διαστολέας παρέχει ψύξη για να αντισταθμίσει τις απώλειες από το ψύχος του συστήματος και την ψύξη που απαιτείται για την επαναθέρμανση του προϊόντος, ενώ η απόδοση μεταφοράς μάζας της επαφής ατμών-υγρού εντός της στήλης απόσταξης καθορίζει το τελικό ανώτερο όριο καθαρότητας του προϊόντος. Οι σύγχρονες μονάδες κρυογονικού αζώτου, μέσω της εφαρμογής δομημένης συσκευασίας και διανομέων υψηλής απόδοσης{{4}, επιτυγχάνουν μειωμένο ύψος στήλης βελτιώνοντας παράλληλα την απόδοση διαχωρισμού, με κατανάλωση ενέργειας περίπου 15%-20% χαμηλότερη από τις παραδοσιακές στήλες δίσκων κόσκινου.
Ανάλυση συμβατότητας με διεργασίες ημιαγωγών
Η εισαγωγή κρυογονικής παραγωγής αζώτου σε ένα εργοστάσιο ημιαγωγών απαιτεί συστηματική αντιστοίχιση με τις ακόλουθες τεχνικές παραμέτρους:
- Σύστημα διασφάλισης καθαρότητας: Οι μονάδες κρυογονικού αζώτου ποιότητας ημιαγωγών στοχεύουν συνήθως σε προδιαγραφές καθαρότητας προϊόντος O2 μικρότερο ή ίσο με 0,1 ppm, CO2 μικρότερο ή ίσο με 0,1 ppm, CO μικρότερο ή ίσο με 0,05 ppm και ίσο με 0,05 ppm (6 Lesw} ή H2) μοίρες . Το κλειδί για την επίτευξη αυτών των στόχων βρίσκεται στο μπροστινό-σύστημα καθαρισμού και στην αξιοπιστία των διαδικτυακών αναλυτών. Ο κύκλος μεταγωγής, η θερμοκρασία αναγέννησης και η καμπύλη ψύξης των προσροφητών μοριακού κόσκινου καθορίζουν άμεσα την αποτελεσματικότητα του καθαρισμού. Επιπλέον, ο κίνδυνος συσσώρευσης υδρογονανθράκων στον κύριο συμπυκνωτή-αναθερμαντήρα πρέπει να αντιμετωπιστεί μέσω συνεχούς παρακολούθησης και τακτικής εξαέρωσης υγρού οξυγόνου.
- Δυνατότητα απόκρισης φορτίου: Η παραγωγή ημιαγωγών παρουσιάζει ξεχωριστά κυκλικά χαρακτηριστικά, απαιτώντας από το σύστημα παραγωγής αζώτου να δέχεται ένα ευρύ φάσμα προσαρμογής φορτίου 30%-105%. Τα κρυογονικά φυτά μπορούν να ολοκληρώσουν τις αλλαγές φορτίου μέσα σε λίγα λεπτά προσαρμόζοντας τα πτερύγια καθοδήγησης εισόδου διαστολέα και τους ρυθμούς εκχύλισης του προϊόντος, με την καθαρότητα να παραμένει ουσιαστικά ανεπηρέαστη - μια ικανότητα που το PSA ή οι μέθοδοι διαχωρισμού μεμβράνης δεν μπορούν να ταιριάξουν εύκολα.
- Αρχιτεκτονική αξιοπιστίας εφοδιασμού: Για λογικά τσιπ ή μάρκες μνήμης, μια διακοπή παροχής αζώτου πέντε-λεπτών μπορεί να οδηγήσει σε απώλειες της τάξης των εκατομμυρίων δολαρίων. Τα συστήματα κρυογονικού αζώτου σχεδιάζονται συνήθως με N+1 διαμόρφωση αναμονής-πολλαπλά ψυκτικά κουτιά που λειτουργούν παράλληλα, συμπληρωμένα από ένα εφεδρικό σύστημα υγρού αζώτου που επιτρέπει την εναλλαγή επιπέδου χιλιοστών του δευτερολέπτου- σε συνθήκες έκτακτης ανάγκης.
Θέματα Οικονομικής και Μηχανικής Εφαρμογής
Αν και η αρχική επένδυση για την παραγωγή κρυογονικού αζώτου είναι υψηλότερη από άλλες-επιλογές παραγωγής αζώτου στην τοποθεσία, τα πλεονεκτήματά της γίνονται σημαντικά σε σενάρια μεσαίας-έως-μεγάλης ροής καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής. Όταν η ζήτηση αερίου υπερβαίνει τα 500 Nm³/h, η ειδική κατανάλωση ενέργειας της κρυογονικής διαδικασίας μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο 0,18-0,22 kWh/Nm³, ενώ το PSA σε αυτό το εύρος ροής προσεγγίζει τα 0,35 kWh/Nm³. Τα κινούμενα μέρη σε μια κρυογονική εγκατάσταση περιορίζονται σε συμπιεστές και διαστολείς. η στήλη απόσταξης και οι εναλλάκτες θερμότητας είναι στατικός εξοπλισμός που δεν απαιτεί συχνή συντήρηση υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας.
Στην εφαρμοσμένη μηχανική, τα ύψη κρύου κουτιού κυμαίνονται συνήθως από 15 έως 25 μέτρα, απαιτώντας εκ των προτέρων σχεδιασμό για την πρόσβαση ανύψωσης και τη φέρουσα ικανότητα-του φορτίου θεμελίωσης. Οι σωληνώσεις αζώτου προϊόντος συνιστάται για χρήση σωλήνων EP 316L με τραχύτητα εσωτερικής επιφάνειας Ra μικρότερη ή ίση με 0,4 μm. Οι ηλεκτρονικοί αέριοι χρωματογράφοι θα πρέπει να εγκατασταθούν σε κοντινή απόσταση από τα σημεία δειγματοληψίας, με τις γραμμές δειγματοληψίας να θερμαίνονται και να είναι μονωμένες έως 80 μοίρες και άνω. Συνιστώνται επίσης πλεονάζοντα κανάλια ανάλυσης.
Το πλαίσιο απόφασης επιλογής τεχνολογίας έχει ως εξής: Για συνεχή ζήτηση > 1.000 Nm³/h, η κρυογονική είναι η προτεραιότητα. για 300-1.000 Nm³/h, απαιτείται ολοκληρωμένη σύγκριση. για < 300 Nm³/h, μπορεί να αξιολογηθεί η παροχή PSA ή υγρού αζώτου. Εάν απαιτούνται συνολικές ακαθαρσίες < 1 ppm με προδιαγραφές πολλαπλών συστατικών, η κρυογονική είναι ουσιαστικά η μόνη επιλογή. Για βάσεις κατασκευής ημιαγωγών προδιαγραφών 8 ιντσών και άνω, η κρυογονική παραγωγή αζώτου έχει γίνει η παγκοσμίως αναγνωρισμένη τυπική λύση.
Η εισαγωγή της τεχνολογίας κρυογονικής παραγωγής αζώτου στον τομέα των ημιαγωγών απαιτεί από τους προμηθευτές να κατανοούν όχι μόνο τη θερμοδυναμική διαχωρισμού αέρα, αλλά και τις μικροσκοπικές απαιτήσεις που θέτει η κατασκευή πλακιδίων στην ποιότητα του αερίου-αυτή η διασταυρούμενη{1}}πειθαρχική κατανόηση είναι ακριβώς η γνωστική γέφυρα που χρειάζεται να χτιστεί η πλειονότητα μεταξύ των παραδοσιακών εταιρειών διαχωρισμού μηχανών διαχωρισμού αέρα.
