Углеродное молекулярное сито для полупроводникового азота: как Fabs производит сверхчистый N2

Почему производители полупроводников не могут просто покупать азот с полки

Азот — один из наиболее потребляемых газов на производстве полупроводников, используемый для продувки камер, покрытия стадий реакционного процесса, сушки пластин и предотвращения окисления во время хранения и транспортировки. Проблема в том, что фабрикам постоянно нужны огромные его объемы, и любое загрязнение — даже следы кислорода или влаги — может испортить партию пластин стоимостью тысячи долларов. Автоперевозки с жидким азотом подходят для небольших предприятий, но по мере масштабирования заводов логистика, затраты и риски в цепочке поставок, связанные с использованием внешних поставок, становятся реальной проблемой. Это именно тот пробел, который Углеродное молекулярное сито для полупроводникового азота Генерация была создана для заполнения: она позволяет заводу производить собственный азот по требованию, прямо там, где это необходимо, не используя ничего более экзотического, чем сжатый воздух и интеллектуальный процесс разделения.

Генерация на месте также устраняет зависимость от расписания танкеров, погодных задержек и региональной нехватки газа. Фабрика, производящая собственный азот с помощью системы углеродных молекулярных сит, контролирует свои собственные поставки, что имеет большое значение, когда одно-единственное незапланированное отключение азота может привести к остановке всей производственной линии.

Что такое углеродное молекулярное сито на самом деле

Углеродное молекулярное сито, обычно сокращенно CMS, представляет собой специально разработанную форму активированного угля. Что отличает его от обычного активированного угля, так это размер и однородность его пор. Эти поры вырезаны настолько точно, что позволяют отличить молекулу кислорода от молекулы азота — двух газов почти одинакового размера, но не совсем.

Хитрость, скрывающаяся за разделением

Молекулы кислорода немного меньше молекул азота и быстрее диффундируют в микропоры углерода. Когда сжатый воздух проталкивается через слой CMS, кислород быстро поглощается пористой структурой, в то время как молекулы азота в основном проходят сквозь нее и собираются ниже по потоку. Это не фильтр в традиционном понимании — физически ничто не отсеивается только по размеру. Это разница в скорости диффузии, и именно эту разницу использует хорошо спроектированная система CMS для изоляции азота от обычного воздуха.

Внутри генератора азота CMS: процесс PSA шаг за шагом

Большинство генераторов азота с углеродными молекулярными ситами работают по методу, называемому адсорбцией при переменном давлении или PSA. Название точно описывает, что происходит: давление циклически повышается и понижается в двух или более слоях углерода, так что один слой отделяет азот, а другой очищается и восстанавливается.

• Сжатый, осушенный и отфильтрованный воздух поступает в первый слой CMS под высоким давлением.
• Кислород, а также следы углекислого газа и влаги преимущественно адсорбируются в порах углерода.
• Оставшийся газ, теперь уже обогащенный азотом, выходит из верхней части слоя и поступает в буферный резервуар или непосредственно в распределительную линию завода.
• Прежде чем слой станет насыщенным, система переключает поток сырья на второй слой, чтобы разделение продолжалось без перерыва.
• В первом слое сбрасывается давление, высвобождая адсорбированный кислород обратно в атмосферу, и он снова готов к использованию в течение нескольких секунд.

Именно это постоянное колебание между слоями является причиной того, что объем производства является непрерывным, а не периодическим. Система правильного размера может поставлять азот круглосуточно, даже не останавливая полностью производство, что очень важно для завода, который не терпит пробелов в инертной атмосфере.

Насколько чистым на самом деле становится азот?

Чистота — это показатель, который больше всего волнует каждого инженера-производителя, поскольку разные этапы процесса требуют разных допусков. Чистота на выходе системы углеродных молекулярных сит зависит от размера слоя, времени цикла, качества подаваемого воздуха и количества используемых ступеней разделения. В целом, фабрики работают в следующих диапазонах:

Для достижения самых высоких уровней чистоты система CMS PSA часто сочетается с установкой вторичной очистки, такой как каталитический деоксоочиститель или дополнительная ступень адсорбции, для удаления последних нескольких частей на миллион остаточного кислорода. Фабрики редко полагаются только на CMS, когда для наиболее чувствительных технологических камер требуется сверхвысокая чистота — это рабочая лошадка для большей части объема, а финальную часть выполняет полировка.

Выбор подходящего углеродного молекулярного сита для вашего предприятия

Не все углеродные молекулярные сита взаимозаменяемы. Выбор неправильного сорта может означать оплату ненужной мощности или, что еще хуже, потерю чистоты, требуемой на этапе процесса.

Факторы, которые действительно имеют значение

• Распределение пор по размерам: более узкие и однородные поры обычно обеспечивают более высокую чистоту азота, но более низкую скорость потока.
• Требуемая чистота азота и скорость потока для конкретных этапов процесса, а не просто средний показатель по заводу.
• Качество подаваемого воздуха — более грязный или влажный сжатый воздух сокращает срок службы сит и снижает достижимую чистоту.
• Конфигурация кроватей — двухместные системы обычно используются при умеренном спросе, тогда как многоместные или многоступенчатые установки подходят для крупных непрерывных производственных операций.
• Репутация поставщиков в области полупроводниковых приложений, в частности, поскольку системы CMS для продуктов питания или напитков не соответствуют одинаковым стандартам чистоты.

Стоит подобрать систему с учетом пикового спроса и разумного запаса роста, поскольку слишком маленькие кровати CMS являются одной из наиболее частых причин снижения чистоты, когда предприятие наращивает производство.

Поддержание работоспособности системы CMS: обслуживание и срок службы

Углеродное молекулярное сито не является расходным материалом, который необходимо заменять каждые несколько месяцев. В нормальных условиях CMS может прослужить от пяти до десяти и более лет, поскольку процесс разделения не изменяет углерод химически — это физический цикл адсорбции, а не реакция. Тем не менее, срок службы во многом зависит от того, насколько чистым является поступающий воздух.

Что сокращает срок службы сита

Унос масла из компрессоров, избыточная влага и загрязнение твердыми частицами являются основными причинами преждевременной деградации CMS. Эти загрязнения покрывают поверхность пор и блокируют места адсорбции, которые в первую очередь делают возможным разделение. Вот почему предварительная фильтрация, качественные сушилки и коалесцирующие фильтры перед слоями CMS не являются дополнительными опциями — они защищают инвестиции в само сито.

Регулярные проверки, которые стоит запланировать

• Постоянно контролируйте чистоту выпускного отверстия с помощью анализатора кислорода, чтобы вовремя обнаружить дрейф.
• Осматривайте и заменяйте фильтры предварительной очистки в соответствии с графиком, рекомендованным производителем.
• Периодически проверяйте клапан и время цикла, так как заклинивающий клапан может нарушить перепад давления и незаметно ухудшить чистоту.
• Производительность компрессора журналов, поскольку неисправность входного компрессора является распространенной основной причиной низкой производительности CMS.

Производство CMS на месте по сравнению с доставкой жидкого азота: сколько это на самом деле стоит

Первоначальная стоимость генератора азота на основе углеродных молекулярных сит выше, чем простое подписание контракта на поставку жидкого азота. Но это сравнение отражает лишь часть истории. Доставка жидкого азота сопряжена с постоянными расходами для каждого танкера, плюс аренда резервуаров для хранения, потери от выкипания и подверженность колебаниям цен, связанным с региональными рынками газа. После установки система CMS в основном требует затрат на электроэнергию для работы воздушного компрессора и периодического обслуживания — без платы за доставку, без выпаривания и без зависимости от логистики поставщика.

Для заводов с высоким и стабильным спросом на азот период окупаемости системы CMS часто измеряется парой лет, после чего производство на месте становится значительно дешевле за единицу азота, чем постоянные поставки. Небольшие или очень изменчивые предприятия иногда обнаруживают, что гибридный подход работает лучше всего: генератор CMS для базового спроса, поддерживаемый подачей жидкого азота в случае пиков спроса или в качестве аварийного резерва, если генератор когда-либо выйдет из строя.

Распространенные проблемы и способы их устранения

Даже хорошо спроектированные системы углеродных молекулярных сит со временем сталкиваются с проблемами, и большинство из них связаны с несколькими основными причинами.

• Падение чистоты: обычно загрязнение подаваемого воздуха, выход из строя фильтра предварительной очистки или срок службы слоя CMS, приближающийся к концу.
• Непостоянный расход: часто является признаком износа клапана или дисбаланса времени изменения давления между слоями.
• Более высокое, чем ожидалось, потребление энергии: часто это связано с тем, что компрессор слишком большой мощности работает при недостаточной мощности кровати CMS.
• Внезапное снижение чистоты: сначала проверьте, нет ли разрыва фильтрующего элемента или проникновения влаги из неисправной сушилки, поскольку это наиболее быстродействующие причины.

Ведение журнала технического обслуживания наряду с контролем чистоты в режиме реального времени значительно упрощает обнаружение этих проблем до того, как они повлияют на производство, превращая то, что может быть дорогостоящим событием, связанным с браком пластин, в рутинную замену фильтра.