יישום צינורות גז בעלי טוהר גבוה במערכות הנדסה אלקטרונית

פרויקט 909 של מפעל המעגלים המשולבים בקנה מידה גדול מאוד הוא פרויקט בנייה גדול של תעשיית האלקטרוניקה של ארצי במסגרת תוכנית החומש התשיעית לייצור שבבים ברוחב קו של 0.18 מיקרון וקוטר של 200 מ"מ.

טכנולוגיית הייצור של מעגלים משולבים בקנה מידה גדול מאוד לא רק כוללת טכנולוגיות מדויקות כמו מיקרו-עיבוד שבבי, אלא גם מציבה דרישות גבוהות לטוהר הגז.
אספקת הגז בתפזורת לפרויקט 909 מסופקת על ידי מיזם משותף של Praxair Utility Gas Co., Ltd. מארצות הברית וגורמים רלוונטיים בשנגחאי להקמה משותפת של מפעל לייצור גז. מפעל ייצור הגז צמוד לבניין המפעל של פרויקט 909, ומשתרע על שטח של כ-15,000 מ"ר. דרישות הטוהר והתפוקה של גזים שונים

חנקן טהור במיוחד (PN2), חנקן (N2) וחמצן טהור במיוחד (PO2) מיוצרים על ידי הפרדת אוויר. מימן טהור במיוחד (PH2) מיוצר על ידי אלקטרוליזה. ארגון (Ar) והליום (He) נרכשים במיקור חוץ. הקוואזי-גז מטוהר ומסונן לשימוש בפרויקט 909. גז מיוחד מסופק בבקבוקים, וארון בקבוקי הגז ממוקם בסדנה הנלווית של מפעל ייצור המעגלים המשולבים.
גזים אחרים כוללים גם מערכת CDA לאוויר דחוס נקי ויבש, עם נפח שימוש של 4185 מ"ק/שעה, נקודת טל לחץ של -70°C, וגודל חלקיקים לא יותר מ-0.01 מיקרון בגז בנקודת השימוש. מערכת אוויר דחוס לנשימה (BA), נפח שימוש 90 מ"ק/שעה, נקודת טל לחץ 2℃, גודל החלקיקים בגז בנקודת השימוש אינו גדול מ-0.3 מיקרון, מערכת ואקום תהליך (PV), נפח שימוש 582 מ"ק/שעה, דרגת ואקום בנקודת השימוש -79993 פסקל. מערכת ואקום ניקוי (HV), נפח שימוש 1440 מ"ק/שעה, דרגת ואקום בנקודת השימוש -59995 פסקל. חדר מדחס האוויר וחדר משאבת הוואקום ממוקמים שניהם באזור המפעל של פרויקט 909.

בחירת חומרי הצינורות והאביזרים
לגז המשמש בייצור VLSI דרישות ניקיון גבוהות ביותר.צינורות גז בעלי טוהר גבוהמשמשים בדרך כלל בסביבות ייצור נקיות, ובקרת הניקיון שלהם צריכה להיות עקבית עם או גבוהה מרמת הניקיון של החלל בשימוש! בנוסף, צינורות גז בעלי טוהר גבוה משמשים לעתים קרובות בסביבות ייצור נקיות. מימן טהור (PH2), חמצן בעל טוהר גבוה (PO2) וכמה גזים מיוחדים הם דליקים, נפיצים, תומכי בעירה או גזים רעילים. אם מערכת צינורות הגז מתוכננת בצורה לא נכונה או שהחומרים נבחרים בצורה לא נכונה, לא רק שטוהר הגז המשמש בנקודת הגז יפחת, אלא שהוא גם ייכשל. הוא עומד בדרישות התהליך, אך אינו בטוח לשימוש ויגרום לזיהום במפעל הנקי, דבר המשפיע על הבטיחות והניקיון של המפעל הנקי.
הבטחת איכות הגז בעל הטוהר הגבוה בנקודת השימוש לא רק תלויה בדיוק ייצור הגז, ציוד הטיהור והמסננים, אלא גם מושפעת במידה רבה מגורמים רבים במערכת הצינורות. אם אנו מסתמכים על ציוד ייצור גז, ציוד טיהור ומסננים, פשוט לא נכון להטיל דרישות דיוק גבוהות לאין שיעור כדי לפצות על תכנון לקוי של מערכת צנרת גז או בחירת חומרים לא נכונים.
במהלך תהליך התכנון של פרויקט 909, עקבנו אחר "קוד לתכנון מפעלים נקיים" GBJ73-84 (התקן הנוכחי הוא (GB50073-2001)), "קוד לתכנון תחנות אוויר דחוס" GBJ29-90, "קוד לתכנון תחנות חמצן" GB50030-91, "קוד לתכנון תחנות מימן וחמצן" GB50177-93, ואמצעים טכניים רלוונטיים לבחירת חומרי צנרת ואביזרים. "קוד לתכנון מפעלים נקיים" קובע את בחירת חומרי הצנרת והשסתומים כדלקמן:

(1) אם טוהר הגז גדול או שווה ל-99.999% ונקודת הטל נמוכה מ-76°C-, יש להשתמש בצינור נירוסטה דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דופן פנימית אלקטרוליטית או צינור נירוסטה OCr18Ni9 (304) עם דופן פנימית אלקטרוליטית. השסתום צריך להיות שסתום דיאפרגמה או שסתום מפוח.

(2) אם טוהר הגז גדול או שווה ל-99.99% ונקודת הטל נמוכה מ-60°C-, יש להשתמש בצינור נירוסטה OCr18Ni9 (304) עם דופן פנימית אלקטרוליטית. למעט שסתומי מפוח שיש להשתמש בהם עבור צינורות גז דליק, יש להשתמש בשסתומי כדור עבור צינורות גז אחרים.

(3) אם נקודת הטל של אוויר דחוס יבש נמוכה מ-70°C-, יש להשתמש בצינור נירוסטה OCr18Ni9 (304) עם דופן פנימית מלוטשת. אם נקודת הטל נמוכה מ-40°C-, יש להשתמש בצינור נירוסטה OCr18Ni9 (304) או בצינור פלדה מגולוון חלק בטבילה חמה. השסתום צריך להיות שסתום מפוח או שסתום כדורי.

(4) חומר השסתום צריך להיות תואם לחומר הצינור המחבר.

בהתאם לדרישות המפרט והאמצעים הטכניים הרלוונטיים, אנו שוקלים בעיקר את ההיבטים הבאים בעת בחירת חומרי צינור:

(1) חדירות האוויר של חומרי הצינור צריכה להיות קטנה. לצינורות מחומרים שונים יש חדירות אוויר שונה. אם בוחרים צינורות בעלי חדירות אוויר גדולה יותר, לא ניתן להסיר זיהום. צינורות נירוסטה וצינורות נחושת טובים יותר במניעת חדירת חמצן וקורוזיה לאטמוספרה. עם זאת, מכיוון שצינורות נירוסטה פחות פעילים מצינורות נחושת, צינורות נחושת פעילים יותר במתן אפשרות לחדירת לחות מהאטמוספרה למשטחים הפנימיים שלהם. לכן, בבחירת צינורות לצינורות גז בעלי טוהר גבוה, צינורות נירוסטה צריכים להיות הבחירה הראשונה.

(2) המשטח הפנימי של חומר הצינור נספג ויש לו השפעה קטנה על ניתוח הגז. לאחר עיבוד צינור הנירוסטה, כמות מסוימת של גז תישמר בסריג המתכתי שלו. כאשר גז בעל טוהר גבוה עובר דרכו, חלק זה של הגז ייכנס לזרימת האוויר ויגרום לזיהום. יחד עם זאת, עקב ספיחה וניתוח, המתכת על המשטח הפנימי של הצינור תייצר גם כמות מסוימת של אבקה, שתגרום לזיהום הגז בעל הטוהר הגבוה. עבור מערכות צנרת עם טוהר מעל 99.999% או רמת ppb, יש להשתמש בצינור פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L).

(3) עמידות הבלאי של צינורות נירוסטה טובה יותר מזו של צינורות נחושת, ואבק המתכת שנוצר משחיקה של זרימת האוויר קטן יחסית. סדנאות ייצור עם דרישות ניקיון גבוהות יותר יכולות להשתמש בצינורות נירוסטה דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) או צינורות נירוסטה OCr18Ni9 (304), אין להשתמש בצינורות נחושת.

(4) עבור מערכות צנרת עם טוהר גז מעל 99.999% או רמות ppb או ppt, או בחדרים נקיים עם רמות ניקיון אוויר של N1-N6 שצוינו ב"קוד תכנון מפעל נקי", צינורות נקיים במיוחד אוצינורות EP נקיים במיוחדיש להשתמש. יש לנקות "צינור נקי עם משטח פנימי חלק במיוחד".

(5) חלק ממערכות צינורות הגז המיוחדות המשמשות בתהליך הייצור הן גזים קורוזיביים ביותר. הצינורות במערכות צינורות אלה חייבים להיות עשויים צינורות נירוסטה עמידים בפני קורוזיה. אחרת, הצינורות יינזקו עקב קורוזיה. אם מופיעים כתמי קורוזיה על פני השטח, אין להשתמש בצינורות פלדה רגילים ללא תפר או צינורות פלדה מגולוונים מרותכים.

(6) באופן עקרוני, כל חיבורי צינורות הגז צריכים להיות מרותכים. מכיוון שריתוך צינורות פלדה מגולוונים יהרוס את השכבה המגולוונת, צינורות פלדה מגולוונים אינם משמשים לצינורות בחדרים נקיים.

בהתחשב בגורמים הנ"ל, צינורות הגז והשסתומים שנבחרו בפרויקט &7& הם כדלקמן:

צינורות מערכת החנקן בעל הטוהר הגבוה (PN2) עשויים מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות אלקטרוליטיות, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח פלדת אל-חלד מאותו חומר.
צינורות מערכת החנקן (N2) עשויים מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות אלקטרוליטיות, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח פלדת אל-חלד מאותו חומר.
צינורות מערכת המימן בעל הטוהר הגבוה (PH2) עשויים מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות אלקטרוליטיות, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח פלדת אל-חלד מאותו חומר.
צינורות מערכת החמצן בעלת הטוהר הגבוה (PO2) עשויים מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות מלוטשות אלקטרו, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח פלדת אל-חלד מאותו חומר.
צינורות מערכת ארגון (Ar) עשויים מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות מלוטשות אלקטרוליטית, ומשמשים שסתומי מפוח מפלדת אל-חלד מאותו חומר.
צינורות מערכת ההליום (He) עשויים מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות אלקטרוליטיות, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח פלדת אל-חלד מאותו חומר.
צינורות מערכת האוויר הדחוס הנקי והיבש (CDA) עשויים מצינורות נירוסטה OCr18Ni9 (304) עם דפנות פנימיות מלוטשות, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח נירוסטה מאותו חומר.
צינורות מערכת אוויר דחוס לנשימה (BA) עשויים מצינורות נירוסטה OCr18Ni9 (304) עם דפנות פנימיות מלוטשות, והשסתומים עשויים משסתומי כדור נירוסטה מאותו חומר.
צינורות מערכת הוואקום התהליך (PV) עשויים מצינורות UPVC, והשסתומים עשויים משסתומי פרפר ואקום העשויים מאותו חומר.
צינורות מערכת הניקוי בוואקום (HV) עשויים מצינורות UPVC, והשסתומים עשויים משסתומי פרפר ואקום העשויים מאותו חומר.
צינורות מערכת הגז המיוחדת עשויים כולם מצינורות פלדת אל-חלד דלת פחמן 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) עם דפנות פנימיות אלקטרוליטיות, והשסתומים עשויים משסתומי מפוח פלדת אל-חלד מאותו חומר.

3 בנייה והתקנה של צינורות
3.1 סעיף 8.3 של "קוד תכנון מבני מפעל נקי" קובע את ההוראות הבאות לחיבורי צנרת:
(1) חיבורי צינורות צריכים להיות מרותכים, אך צינורות פלדה מגולוונים בחום צריכים להיות מושחלים. חומר האיטום של חיבורי ההשחלה יעמוד בדרישות סעיף 8.3.3 של מפרט זה.
(2) צינורות נירוסטה צריכים להיות מחוברים באמצעות ריתוך קשת ארגון וריתוך קת או ריתוך שקעים, אך צינורות גז בעלי טוהר גבוה צריכים להיות מחוברים באמצעות ריתוך קת ללא סימנים על הדופן הפנימית.
(3) החיבור בין הצינורות לציוד צריך לעמוד בדרישות החיבור של הציוד. בעת שימוש בחיבורי צינורות, יש להשתמש בצינורות מתכת.
(4) החיבור בין צינורות ושסתומים צריך לעמוד בתקנות הבאות

① חומר האיטום המחבר צינורות גז טהורים ושסתומים צריך להשתמש באטמים מתכתיים או באטמים כפולים בהתאם לדרישות תהליך הייצור ומאפייני הגז.
② חומר האיטום בחיבור ההברגה או האוגן צריך להיות פוליטטרפאלואורואתילן.
3.2 בהתאם לדרישות המפרט והאמצעים הטכניים הרלוונטיים, יש לרתך ככל האפשר את חיבור צינורות הגז בעלי טוהר גבוה. יש להימנע מריתוך ישיר של קת במהלך הריתוך. יש להשתמש בשרוולי צינורות או בחיבורים מוגמרים. שרוולי הצינורות צריכים להיות עשויים מאותו חומר וחלקות פני השטח הפנימיים של הצינורות. ישר, במהלך הריתוך, על מנת למנוע חמצון של חלק הריתוך, יש להכניס גז מגן טהור לצינור הריתוך. עבור צינורות נירוסטה, יש להשתמש בריתוך קשת ארגון, ויש להכניס גז ארגון באותו טוהר לצינור. יש להשתמש בחיבור הברגה או בחיבור הברגה. בעת חיבור אוגנים, יש להשתמש בטבעות חיבור לחיבורים הברגה. למעט צינורות חמצן ומימן, בהם יש להשתמש באטמים מתכתיים, צינורות אחרים צריכים להשתמש באטמים מפוליטטראפלואורואתילן. מריחת כמות קטנה של גומי סיליקון על האטמים תהיה יעילה גם כן. שיפור אפקט האיטום. יש לנקוט באמצעים דומים בעת ביצוע חיבורי אוגנים.
לפני תחילת עבודות ההתקנה, יש לבצע בדיקה ויזואלית מפורטת של הצינורות,אביזריםיש לבצע עבודות ניקוי של שסתומים וכו'. יש לחבוש את הדופן הפנימית של צינורות נירוסטה רגילים לפני ההתקנה. יש לאסור לחלוטין על צינורות, אביזרים, שסתומים וכו' של צינורות חמצן להכניס שמן, ויש לנקות אותם בקפדנות בהתאם לדרישות הרלוונטיות לפני ההתקנה.
לפני התקנת המערכת ותחילת השימוש בה, יש לנקות לחלוטין את מערכת צינורות ההולכה והחלוקה מגז בעל טוהר גבוה המסופק. פעולה זו לא רק מסירה את חלקיקי האבק שנפלו בטעות לתוך המערכת במהלך תהליך ההתקנה, אלא גם ממלאת תפקיד ייבוש במערכת הצינורות, ומסירה חלק מהגז המכיל לחות שנספג על ידי דופן הצינור ואפילו חומר הצינור.

4. בדיקת לחץ בצנרת וקבלתה
(1) לאחר התקנת המערכת, תתבצע בדיקה רדיולוגית של 100% של הצינורות המובילים נוזלים רעילים ביותר בצינורות גז מיוחדים, ואיכותם לא תהיה נמוכה מרמה II. צינורות אחרים יעברו בדיקה רדיולוגית דגימה, ויחס בדיקת הדגימה לא יפחת מ-5%, האיכות לא תהיה נמוכה מרמה III.
(2) לאחר שעבר את הבדיקה הלא הורסת, יש לבצע בדיקת לחץ. על מנת להבטיח את יובש וניקיון מערכת הצנרת, אין לבצע בדיקת לחץ הידראולית, אלא יש להשתמש בבדיקת לחץ פנאומטית. יש לבצע את בדיקת לחץ האוויר באמצעות חנקן או אוויר דחוס התואמים לרמת הניקיון של החדר הנקי. לחץ הבדיקה של הצינור צריך להיות פי 1.15 מלחץ התכנון, ולחץ הבדיקה של צינור הוואקום צריך להיות 0.2 מגה פסקל. במהלך הבדיקה, יש להעלות את הלחץ בהדרגה ובאיטיות. כאשר הלחץ עולה ל-50% מלחץ הבדיקה, אם לא נמצאו חריגות או דליפות, יש להמשיך ולהגדיל את הלחץ בהדרגה ב-10% מלחץ הבדיקה, וייצב את הלחץ למשך 3 דקות בכל רמה עד ללחץ הבדיקה. יש לייצב את הלחץ למשך 10 דקות, ולאחר מכן להפחית את הלחץ ללחץ התכנון. יש לקבוע את זמן הפסקת הלחץ בהתאם לצורכי גילוי הדליפות. חומר הקצף מוסמך אם אין דליפה.
(3) לאחר שמערכת הוואקום עוברת את בדיקת הלחץ, יש לבצע עליה גם בדיקת דרגת ואקום של 24 שעות בהתאם למסמכי התכנון, ושיעור הלחץ לא יעלה על 5%.
(4) בדיקת דליפה. עבור מערכות צנרת בדרגות ppb ו-ppt, בהתאם למפרטים הרלוונטיים, אין להתייחס לדליפה ככשירה, אך בדיקת כמות הדליפה משמשת במהלך התכנון, כלומר, בדיקת כמות הדליפה מבוצעת לאחר בדיקת אטימות האוויר. הלחץ הוא לחץ העבודה, והלחץ נעצר למשך 24 שעות. ממוצע הדליפה לשעה קטן או שווה ל-50ppm ככשיר. חישוב הדליפה הוא כדלקמן:
א=(1-P2T1/P1T2)*100/T
בנוסחה:
דליפה של שעה (%)
P1 - לחץ מוחלט בתחילת הבדיקה (Pa)
P2 - לחץ מוחלט בסוף הבדיקה (Pa)
T1 - טמפרטורה מוחלטת בתחילת הבדיקה (K)
T2 - טמפרטורה מוחלטת בסוף הבדיקה (K)