Trong lĩnh vực cung cấp gas điện tử, độ tinh khiết và ổn định luôn là hai huyết mạch song song. Nhu cầu nghiêm ngặt về sản xuất chất bán dẫn đối với khí trong khí quyển đã thúc đẩy-các giải pháp sản xuất nitơ tại chỗ phát triển từ các lựa chọn công nghệ-đơn lẻ hướng tới các phương pháp kỹ thuật có hệ thống. Shenger Gas từ lâu đã chuyên về công nghệ và thiết bị tách khí công nghiệp, tích lũy kiến thức chuyên môn kỹ thuật vững chắc về tách không khí đông lạnh để sản xuất nitơ. Hệ thống sản xuất nitơ đông lạnh của nó đang ngày càng được triển khai trong các ứng dụng hỗ trợ khí điện tử có độ tinh khiết cao. Bài viết này xem xét, từ bốn khía cạnh-nguyên tắc quy trình, thông số kỹ thuật của sản phẩm, khả năng tương thích hệ thống và các cân nhắc về kinh tế-cách công nghệ sản xuất nitơ đông lạnh giải quyết các-yêu cầu cung cấp nitơ ngày càng thắt chặt của ngành bán dẫn.
Tại sao Nitơ có độ tinh khiết cao- lại không thể thiếu trong sản xuất chất bán dẫn
Trong các nhà máy bán dẫn hiện đại, nitơ không phải là tiện ích phụ trợ mà là vật liệu quan trọng liên quan trực tiếp đến các quy trình cốt lõi. Các ứng dụng của nó có thể được tóm tắt ở ba cấp độ:
- Kiểm soát khí quyển trong quy trình: Trong kỹ thuật in thạch bản, khắc axit, lắng đọng màng mỏng-và các bước khác, nitơ đóng vai trò là khí bảo vệ trơ, thay thế hoặc pha loãng các khí phản ứng để kiểm soát chính xác khả năng oxy hóa trong môi trường buồng. Ví dụ, trong quá trình lắng đọng hơi hóa học, sự biến động về tốc độ dòng nitơ ảnh hưởng trực tiếp đến tính đồng nhất của màng và khả năng bao phủ từng bước.
- Làm sạch và làm sạch: Trong quá trình bảo trì thiết bị, làm sạch buồng và chuyển đổi đường ống, nitơ-có độ tinh khiết cao được sử dụng để làm sạch các khí và hạt còn sót lại trong quy trình. Ứng dụng này cực kỳ nhạy cảm với độ ẩm và tổng hàm lượng hydrocarbon trong nitơ-điểm sương trên -70 độ có thể gây ra rủi ro oxy hóa không thể chấp nhận được.
- Vận chuyển và dẫn động: Là chất mang khí khô sạch, nitơ vận chuyển chất quang dẫn, hóa chất và-nước siêu tinh khiết, đồng thời đóng vai trò là nguồn khí dẫn động cho van khí nén. Những ứng dụng như vậy đòi hỏi độ ổn định áp suất đặc biệt-việc giảm áp suất tức thời có thể loại bỏ toàn bộ lô wafer.
Khi độ rộng đường tiến tới nút 3 nm trở lên, ngay cả tạp chất oxy hoặc hơi nước ở mức ppb-có thể làm thay đổi cường độ điện môi của oxit cổng. Ngưỡng độ tinh khiết để-tạo ra nitơ tại chỗ đã tăng từ 99,999% trước đó lên 99,9999% hoặc cao hơn, với khả năng kiểm soát tạp chất mở rộng từ chỉ số hàm lượng oxy duy nhất sang phân tích-phổ đầy đủ bao gồm CO, CO₂, H₂ và các loại vi lượng khác.
Logic kỹ thuật cốt lõi của quá trình tạo nitơ đông lạnh
Quá trình tạo nitơ đông lạnh dựa trên nguyên tắc cơ bản của việc tách không khí-khai thác sự chênh lệch điểm sôi giữa oxy và nitơ (-183 độ so với. -196 độ ) thông qua quá trình chưng cất ở nhiệt độ-thấp. Không giống như sự hấp phụ dao động áp suất hoặc tách màng, quy trình đông lạnh có thể xử lý đồng thời tốc độ dòng chảy cao và-độ tinh khiết cực cao—hai yêu cầu dường như trái ngược nhau.
Quá trình chưng cất-cột đôi điển hình diễn ra như sau: Không khí thô được nén,-làm mát trước và được tinh chế để loại bỏ H₂O, CO₂ và hydrocarbon, sau đó đi vào bộ trao đổi nhiệt chính để làm mát đến nhiệt độ gần{2}}hóa lỏng. Ở cột dưới, hơi bay lên và chất lỏng rơi xuống trải qua quá trình chưng cất sơ cấp để tạo ra không khí lỏng giàu nitơ. Không khí lỏng này được điều tiết và đưa lên đỉnh cột phía trên dưới dạng chất lỏng hồi lưu để chưng cất thứ cấp, cuối cùng tạo ra-nitơ có độ tinh khiết cao ở đỉnh cột phía trên, còn chất lỏng thải giàu oxy- thải ra ở phía dưới.
Sự phức tạp của quá trình này nằm ở sự cân bằng lạnh. Thiết bị giãn nở cung cấp khả năng làm lạnh để bù đắp tổn thất lạnh của hệ thống và độ lạnh cần thiết để-làm ấm lại sản phẩm, trong khi hiệu suất truyền khối của hơi-tiếp xúc với chất lỏng trong cột chưng cất xác định giới hạn trên cuối cùng của độ tinh khiết của sản phẩm. Các nhà máy nitơ đông lạnh hiện đại, thông qua việc áp dụng cơ cấu đóng gói có cấu trúc và bộ phân phối hiệu suất cao-, đã giảm được chiều cao cột đồng thời cải thiện hiệu quả phân tách với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn khoảng 15%-20% so với cột khay sàng truyền thống.
Phân tích khả năng tương thích với các quy trình bán dẫn
Việc đưa quá trình tạo nitơ đông lạnh vào nhà máy bán dẫn đòi hỏi phải có sự kết hợp có hệ thống với các thông số kỹ thuật sau:
- Hệ thống đảm bảo độ tinh khiết: Các nhà máy sản xuất nitơ đông lạnh cấp chất bán dẫn- thường nhắm đến các thông số kỹ thuật về độ tinh khiết của sản phẩm là O₂ Nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ppm, CO₂ Nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ppm, CO Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 ppm và H₂O (điểm sương) Nhỏ hơn hoặc bằng -76 độ . Chìa khóa để đạt được những mục tiêu này nằm ở-hệ thống thanh lọc giao diện người dùng và độ tin cậy của máy phân tích trực tuyến. Chu trình chuyển mạch, nhiệt độ tái sinh và đường cong làm mát của chất hấp phụ rây phân tử quyết định trực tiếp đến hiệu quả tinh chế. Ngoài ra, nguy cơ tích tụ hydrocarbon trong thiết bị ngưng tụ-gia nhiệt chính phải được quản lý thông qua giám sát liên tục và xả oxy lỏng thường xuyên.
- Khả năng đáp ứng tải: Sản xuất chất bán dẫn thể hiện các đặc điểm mang tính chu kỳ riêng biệt, đòi hỏi hệ thống tạo nitơ phải đáp ứng phạm vi điều chỉnh tải rộng 30%-105%. Các nhà máy đông lạnh có thể hoàn thành việc thay đổi tải trong vòng vài phút bằng cách điều chỉnh các cánh dẫn hướng đầu vào của thiết bị giãn nở và tốc độ chiết sản phẩm, với độ tinh khiết về cơ bản không bị ảnh hưởng - một khả năng mà PSA hoặc các phương pháp tách màng không thể sánh kịp.
- Kiến trúc độ tin cậy của nguồn cung cấp: Đối với các nhà máy chip logic hoặc chip bộ nhớ, việc gián đoạn cung cấp nitơ trong 5{0}} phút có thể dẫn đến tổn thất lên tới hàng triệu đô la. Hệ thống nitơ đông lạnh thường được thiết kế với cấu hình dự phòng N+1-nhiều hộp lạnh hoạt động song song, được bổ sung bởi hệ thống nitơ lỏng dự phòng cho phép chuyển đổi mức-mili giây trong điều kiện khẩn cấp.
Những cân nhắc thực hiện kinh tế và kỹ thuật
Mặc dù khoản đầu tư ban đầu để tạo nitơ đông lạnh cao hơn so với-các phương án sản xuất nitơ tại chỗ khác, nhưng lợi thế của nó trở nên đáng kể trong các kịch bản dòng chảy trung bình-đến{2}}lớn trong toàn bộ vòng đời. Khi nhu cầu khí vượt quá 500 Nm³/h, mức tiêu thụ điện năng cụ thể của quá trình đông lạnh có thể thấp tới 0,18-0,22 kWh/Nm³, trong khi PSA ở phạm vi dòng chảy này đạt tới 0,35 kWh/Nm³. Các bộ phận chuyển động trong nhà máy đông lạnh được giới hạn ở máy nén và máy giãn nở; cột chưng cất và bộ trao đổi nhiệt là thiết bị tĩnh không cần bảo trì thường xuyên trong điều kiện hoạt động bình thường.
Khi triển khai kỹ thuật, chiều cao hộp lạnh thường dao động từ 15 đến 25 mét, đòi hỏi phải lập kế hoạch trước về khả năng tiếp cận nâng hạ và khả năng chịu tải của nền-. Đường ống nitơ của sản phẩm được khuyến nghị sử dụng ống EP 316L có độ nhám bề mặt bên trong Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,4 μm. Máy sắc ký khí trực tuyến phải được lắp đặt gần các điểm lấy mẫu, với đường lấy mẫu được làm nóng và cách nhiệt đến 80 độ trở lên. Các kênh phân tích dự phòng cũng được khuyến khích.
Khung quyết định lựa chọn công nghệ như sau: Đối với nhu cầu liên tục > 1.000 Nm³/h, ưu tiên sử dụng phương pháp đông lạnh; đối với 300-1.000 Nm³/h, cần so sánh toàn diện; đối với < 300 Nm³/h, PSA hoặc nguồn cung cấp nitơ lỏng có thể được đánh giá. Nếu cần có tổng tạp chất < 1 ppm với nhiều thông số kỹ thuật thành phần, thì phương pháp đông lạnh hầu như là lựa chọn duy nhất. Đối với các cơ sở sản xuất chất bán dẫn có thông số kỹ thuật 8 inch trở lên, việc tạo nitơ đông lạnh đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn được công nhận rộng rãi.
Việc đưa công nghệ sản xuất nitơ đông lạnh vào lĩnh vực bán dẫn đòi hỏi các nhà cung cấp không chỉ hiểu rõ nhiệt động lực học phân tách không khí mà còn cả những yêu cầu vi mô mà việc chế tạo tấm bán dẫn đặt ra đối với chất lượng khí-sự hiểu biết xuyên suốt-ngành này chính xác là cầu nối nhận thức mà hầu hết cần được xây dựng giữa các công ty tách không khí truyền thống và các kỹ sư cơ sở bán dẫn.
