การสร้างไนโตรเจนแบบไครโอเจนิกสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ในด้านการจัดหาก๊าซอิเล็กทรอนิกส์ ความบริสุทธิ์และเสถียรภาพเป็นเส้นชีวิตคู่ขนานกันเสมอมา ความต้องการอันเข้มงวดของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สำหรับก๊าซในชั้นบรรยากาศได้ขับเคลื่อนด้วย-โซลูชันการสร้างไนโตรเจนในไซต์งานเพื่อพัฒนาจากตัวเลือกเทคโนโลยีเดียว-ไปสู่แนวทางทางวิศวกรรมที่เป็นระบบ Shenger Gas มีความเชี่ยวชาญมาอย่างยาวนานในด้านเทคโนโลยีและอุปกรณ์การแยกก๊าซทางอุตสาหกรรม โดยสั่งสมความเชี่ยวชาญทางวิศวกรรมที่แข็งแกร่งในด้านการแยกอากาศด้วยความเย็นเพื่อการผลิตไนโตรเจน ระบบสร้างไนโตรเจนแบบแช่แข็งของบริษัทมีการใช้งานเพิ่มมากขึ้นในแอปพลิเคชันที่รองรับก๊าซอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความบริสุทธิ์สูง- บทความนี้จะพิจารณาจากสี่มิติ-หลักการกระบวนการ ข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ ความเข้ากันได้ของระบบ และข้อควรพิจารณาทางเศรษฐกิจ-ว่าเทคโนโลยีการสร้างไนโตรเจนแบบแช่แข็งที่ตอบสนอง-ข้อกำหนดการจัดหาไนโตรเจนที่เข้มงวดขึ้นเรื่อย ๆ ของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างไร

เหตุใดไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-จึงขาดไม่ได้สำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ ไนโตรเจนไม่ใช่ประโยชน์เสริม แต่เป็นวัสดุสำคัญที่เกี่ยวข้องโดยตรงในกระบวนการหลัก การใช้งานสามารถสรุปได้สามระดับ:

1. การควบคุมบรรยากาศของกระบวนการ: ในการพิมพ์หิน การแกะสลัก การสะสมของฟิล์มบาง- และขั้นตอนอื่นๆ ไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นก๊าซป้องกันเฉื่อย แทนที่หรือเจือจางก๊าซที่เกิดปฏิกิริยาเพื่อควบคุมศักยภาพของการเกิดออกซิเดชันภายในบรรยากาศของห้องเพาะเลี้ยงได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น ในการสะสมไอสารเคมี ความผันผวนของอัตราการไหลของไนโตรเจนส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของฟิล์มและความสามารถในการครอบคลุมขั้นตอน
2. การล้างและการทำความสะอาด: ในระหว่างการบำรุงรักษาอุปกรณ์ การทำความสะอาดห้อง และการเปลี่ยนท่อ ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-จะถูกนำมาใช้เพื่อกำจัดก๊าซและอนุภาคที่ตกค้างในกระบวนการ การใช้งานนี้มีความไวอย่างยิ่งต่อความชื้นและปริมาณไฮโดรคาร์บอนทั้งหมดในไนโตรเจน-จุดน้ำค้างที่สูงกว่า -70 องศาอาจทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชันที่ไม่สามารถยอมรับได้
3. การลำเลียงและการขับขี่: ในฐานะตัวพาก๊าซแห้งที่สะอาด ไนโตรเจนขนส่งสารต้านทานแสง สารเคมี และน้ำบริสุทธิ์พิเศษ- ในขณะเดียวกันก็ทำหน้าที่เป็นแหล่งก๊าซขับเคลื่อนสำหรับวาล์วนิวแมติกด้วย การใช้งานดังกล่าวต้องการความเสถียรของแรงกดเป็นพิเศษ-แรงดันที่ลดลงทันทีสามารถทำลายแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมดได้

เมื่อความกว้างของเส้นเคลื่อนไปทางโหนด 3 นาโนเมตรและเกินกว่านั้น แม้แต่ระดับออกซิเจนหรือไอน้ำที่เจือปนใน ppb- ก็สามารถเปลี่ยนค่าความเป็นฉนวนของเกทออกไซด์ได้ เกณฑ์ความบริสุทธิ์สำหรับ-การสร้างไนโตรเจนบนไซต์งานเพิ่มขึ้นจาก 99.999% ก่อนหน้านี้เป็น 99.9999% หรือสูงกว่า โดยมีการควบคุมสิ่งเจือปนขยายจากการวัดปริมาณออกซิเจนเดี่ยวไปจนถึงการวิเคราะห์สเปกตรัม-แบบเต็ม ซึ่งครอบคลุม CO, CO₂, H₂ และสายพันธุ์อื่นๆ

ตรรกะทางเทคนิคหลักของกระบวนการสร้างไนโตรเจนแบบไครโอเจนิก

การสร้างไนโตรเจนแบบไครโอเจนิกส์นั้นขึ้นอยู่กับหลักการพื้นฐานของการแยกอากาศ-โดยใช้ประโยชน์จากจุดเดือดที่แตกต่างกันระหว่างออกซิเจนและไนโตรเจน (-183 องศา เทียบกับ. -196 องศา ) ผ่านการกลั่นด้วยอุณหภูมิต่ำ- กระบวนการไครโอเจนิกแตกต่างจากการดูดซับด้วยแรงดันสวิงหรือการแยกเมมเบรน กระบวนการไครโอเจนิกสามารถจัดการกับอัตราการไหลที่สูงและความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ-ได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งเป็นข้อกำหนดสองประการที่ดูเหมือนจะขัดแย้งกัน

กระบวนการกลั่นแบบคอลัมน์คู่-โดยทั่วไปจะดำเนินการดังนี้: อากาศดิบจะถูกอัด - ทำให้เย็นลง และทำให้บริสุทธิ์เพื่อกำจัด H₂O, CO₂ และไฮโดรคาร์บอน จากนั้นจะเข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลักเพื่อให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เกือบจะเป็นของเหลว- ในคอลัมน์ด้านล่าง ไอที่เพิ่มขึ้นและของเหลวที่ตกลงมาจะถูกกลั่นเบื้องต้นเพื่อผลิตอากาศเหลวที่มีไนโตรเจน- อากาศที่เป็นของเหลวนี้จะถูกควบคุมปริมาณและป้อนไปที่ด้านบนของคอลัมน์ด้านบนเป็นของเหลวไหลย้อนสำหรับการกลั่นขั้นที่สอง ในที่สุดก็ได้-ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงที่ด้านบนสุดของคอลัมน์ด้านบน โดยมีของเหลวเสียที่มีออกซิเจน-เสริมสมรรถนะถูกปล่อยออกมาที่ด้านล่าง

ความซับซ้อนของกระบวนการนี้อยู่ที่สมดุลความเย็น เครื่องขยายตัวจัดให้มีการทำความเย็นเพื่อชดเชยการสูญเสียความเย็นของระบบและการทำความเย็นที่จำเป็นสำหรับการอุ่นผลิตภัณฑ์- ในขณะที่ประสิทธิภาพการถ่ายเทมวลของไอ-การสัมผัสของเหลวภายในคอลัมน์การกลั่นจะกำหนดขีดจำกัดสูงสุดสูงสุดของความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ โรงงานไนโตรเจนแบบไครโอเจนิกส์สมัยใหม่ใช้การบรรจุแบบมีโครงสร้างและตัวกระจายประสิทธิภาพสูง- ทำให้มีความสูงของคอลัมน์ลดลงในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกสาร โดยใช้พลังงานต่ำกว่าคอลัมน์ถาดตะแกรงแบบดั้งเดิมประมาณ 15%-20%

การวิเคราะห์ความเข้ากันได้กับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์

การแนะนำการสร้างไนโตรเจนแบบแช่แข็งในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องมีการจับคู่อย่างเป็นระบบกับพารามิเตอร์ทางเทคนิคต่อไปนี้:

1. ระบบประกันความบริสุทธิ์: โดยทั่วไปแล้วโรงงานไนโตรเจนไนโตรเจนเกรดเซมิคอนดักเตอร์-จะกำหนดเป้าหมายข้อกำหนดความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่ O₂ น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.1 ppm, CO₂ น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.1 ppm, CO น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.05 ppm และ H₂O (จุดน้ำค้าง) น้อยกว่าหรือเท่ากับ -76 องศา กุญแจสำคัญในการบรรลุเป้าหมายเหล่านี้อยู่ที่ระบบการทำให้บริสุทธิ์ส่วนหน้า-และความน่าเชื่อถือของเครื่องวิเคราะห์แบบออนไลน์ วงจรการสลับ อุณหภูมิการฟื้นฟู และกราฟการทำความเย็นของตัวดูดซับตะแกรงโมเลกุลจะกำหนดประสิทธิภาพในการทำให้บริสุทธิ์โดยตรง นอกจากนี้ ความเสี่ยงของการสะสมไฮโดรคาร์บอนในคอนเดนเซอร์-รีฮีตเตอร์หลักต้องได้รับการจัดการผ่านการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องและการไล่ออกซิเจนเหลวเป็นประจำ
2. ความสามารถในการตอบสนองต่อโหลด: การผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะเป็นวัฏจักรที่ชัดเจน โดยกำหนดให้ระบบสร้างไนโตรเจนรองรับช่วงการปรับโหลดที่กว้าง 30%-105% โรงงานไครโอเจนิกส์สามารถทำการเปลี่ยนแปลงโหลดได้ภายในไม่กี่นาทีโดยการปรับใบพัดทางเข้าของ Expander และอัตราการสกัดผลิตภัณฑ์ โดยที่ความบริสุทธิ์ยังคงไม่ได้รับผลกระทบ ซึ่งเป็นความสามารถที่ PSA หรือวิธีการแยกเมมเบรนไม่สามารถเทียบเคียงได้ทันที
3. สถาปัตยกรรมความน่าเชื่อถือในการจัดหา: สำหรับชิปลอจิกหรือชิปหน่วยความจำ การหยุดชะงักของการจัดหาไนโตรเจนห้า-นาทีอาจส่งผลให้เกิดการสูญเสียนับล้านดอลลาร์ โดยทั่วไประบบไนโตรเจนแบบไครโอเจนิกส์ได้รับการออกแบบโดยมีการกำหนดค่าสแตนด์บาย N+1 -กล่องเย็นหลายกล่องที่ทำงานพร้อมกัน เสริมด้วยระบบสำรองไนโตรเจนเหลวที่ช่วยให้สามารถสลับระดับมิลลิวินาที-ได้ในระหว่างสภาวะฉุกเฉิน

ข้อควรพิจารณาในการดำเนินการด้านเศรษฐกิจและวิศวกรรม

แม้ว่าการลงทุนเริ่มแรกสำหรับการสร้างไนโตรเจนแบบแช่แข็งจะสูงกว่าตัวเลือกการผลิตไนโตรเจนอื่นๆ ในไซต์- แต่ข้อดีของมันก็มีความสำคัญในสถานการณ์การไหลปานกลาง-ถึง-ขนาดใหญ่ตลอดวงจรชีวิตทั้งหมด เมื่อความต้องการก๊าซเกิน 500 Nm³/h การใช้พลังงานจำเพาะของกระบวนการแช่แข็งอาจต่ำได้ถึง 0.18-0.22 kWh/Nm³ ในขณะที่ PSA ที่ช่วงการไหลนี้จะเข้าใกล้ 0.35 kWh/Nm³ ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในโรงงานไครโอเจนิกส์นั้นจำกัดอยู่เพียงคอมเพรสเซอร์และเครื่องขยายเท่านั้น คอลัมน์กลั่นและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่อยู่นิ่งซึ่งไม่ต้องบำรุงรักษาบ่อยครั้งภายใต้สภาวะการทำงานปกติ

ในการใช้งานทางวิศวกรรม ความสูงของกล่องเย็นโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 15 ถึง 25 เมตร ซึ่งต้องมีการวางแผนล่วงหน้าสำหรับการยกการเข้าถึงและความสามารถในการรับน้ำหนักของฐานราก- ท่อไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์แนะนำให้ใช้ท่อ 316L EP ที่มีความหยาบผิวภายใน Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.4 μm ควรติดตั้งแก๊สโครมาโตกราฟีแบบออนไลน์ใกล้กับจุดเก็บตัวอย่าง โดยมีสายเก็บตัวอย่างได้รับความร้อนและหุ้มฉนวนที่ 80 องศาหรือสูงกว่า แนะนำให้ใช้ช่องทางการวิเคราะห์ที่ซ้ำซ้อนด้วย

กรอบการตัดสินใจเลือกเทคโนโลยีมีดังต่อไปนี้: สำหรับความต้องการต่อเนื่อง > 1,000 Nm³/h การให้ความเย็นจัดเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับ 300-1,000 Nm³/h จำเป็นต้องมีการเปรียบเทียบที่ครอบคลุม สำหรับ < 300 Nm³/h อาจประเมินปริมาณ PSA หรือไนโตรเจนเหลว หากต้องการสิ่งเจือปนทั้งหมด < 1 ppm พร้อมข้อกำหนดส่วนประกอบหลายรายการ การแช่แข็งด้วยความเย็นจึงเป็นทางเลือกเดียวเท่านั้น สำหรับฐานการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีข้อกำหนดขนาด 8 นิ้วขึ้นไป การสร้างไนโตรเจนจากการแช่แข็งได้กลายเป็นโซลูชันมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับในระดับสากล

การนำเทคโนโลยีการสร้างไนโตรเจนแบบไครโอเจนิกมาใช้ในโดเมนเซมิคอนดักเตอร์ต้องการให้ซัพพลายเออร์เข้าใจไม่เพียงแต่อุณหพลศาสตร์ของการแยกอากาศเท่านั้น แต่ยังรวมถึงข้อกำหนดทางจุลทรรศน์ที่การผลิตแผ่นเวเฟอร์ส่งผลต่อคุณภาพก๊าซ-ความเข้าใจทางวินัยข้ามสายนี้- ถือเป็นสะพานเชื่อมการรับรู้ที่ส่วนใหญ่จำเป็นต้องสร้างขึ้นระหว่างบริษัทแยกอากาศแบบเดิมกับวิศวกรโรงงานเซมิคอนดักเตอร์