Messung und Regelung von gereinigtem Stickstoff in einem Gasversorgungssystem einer Halbleiterfabrik

Der Hochdurchfluss-Stickstoff, der eine Halbleiterfabrik versorgt, wird von den Herstellern der dortigen Gassysteme dosiert. Schalttafel- und Systemhersteller montieren die Zufuhr- und Verteilungssysteme für gereinigten Stickstoff, die Inspektions-, Messtechnik- und Abscheidungsanlagen versorgen, und sie bestellen die Durchflussmessgeräte für diese Baugruppen heliumleckgeprüft und sauerstoffgereinigt. Alicat-Durchflussmesser und -Regler sind an diesen Stellen bereits im Einsatz, üblicherweise bei Durchflussraten von 250 bis 500 Standardlitern pro Minute. Eine Fähigkeit dieses Geräts findet selten Eingang in das Datenblatt: Es verwandelt die Lebensdauer eines Endverbraucher-Reinigers von einer Annahme am Tag der Inbetriebnahme in einen gemessenen Wert.

Der hauseigene Stickstoff trifft bereits mit einer Reinheit von fünf Neunen (99,999%) in der Fabrik ein, und die letzten beiden Größenordnungen der Reinheit werden an einem Verbraucherbett nahe dem Verwendungsort wieder zugekauft. Dieses Bett wird auf einen angenommenen Durchfluss ausgelegt, und diese Annahme wird nach der Inbetriebnahme der Anlage selten noch einmal überprüft. Auf beiden Seiten des Bettes können mehrere Messgeräte angebracht sein, die laut Datenblatt alle geeignet sind, von denen jedoch jedes unterschiedliche Kosten verbirgt, die erst Monate später sichtbar werden. Das Gas gibt keine Frühwarnung; es bleibt sauber, bis der Analysator etwas anderes anzeigt, und zu diesem Zeitpunkt ist der Wartungsplan bereits falsch.

Ultrahochreiner (UHP) Stickstoff ist das am häufigsten verwendete Gas in einer Fertigungsanlage und kein Gas für spezielle Prozesse: Er dient kontinuierlich zur Spülung, Abdeckung, Förderung und Befüllung im gesamten Anlagenbereich, an den Ladeöffnungen und an den Labortischen. Die Großquelle liefert bereits eine Reinheit von etwa fünf Neunen, sodass alle Schwierigkeiten in den letzten beiden Größenordnungen auftreten. Die Fertigungsanlage kauft nicht einfach „reineres“ Stickstoffgas ein, da Reinheit keine Eigenschaft ist, die das Gas von sich aus mitbringt. Es ist eine Eigenschaft des Gases. an der Verbindungsstelle, und die Rohrleitungen beeinträchtigen die Qualität: Aus den Rohren entweicht Feuchtigkeit, die Fittings lassen eine Permeation zu, und jede Verbindungsstelle ist ein potenzieller Eintrittsort für Sauerstoff. Daher sieht die Anlage eine nachgeschaltete Reinigung vor, bei der ein Endverbraucher- oder Bereichsreiniger den 5N-Hausstickstoff unmittelbar vor dem Verteiler, der die Werkzeuge versorgt, auf einen Wert unterhalb von ppb aufbereitet.

Das löst zwar das Reinheitsproblem, schafft aber ein neues. Ein Reiniger ist ein Verbrauchsmaterialbett – je nach den zu entfernenden Verunreinigungen ein beheizter Getter oder eine Füllung bei Umgebungstemperatur –, das eine begrenzte Kapazität für den chemisch adsorbierten Sauerstoff, die Feuchtigkeit, das Kohlenmonoxid und das Kohlendioxid besitzt. Die Hersteller dimensionieren ihn anhand eines Nenn-Durchflusses und eines Zielintervalls, in der Regel ein bis zwei Jahre bei Nenn-Durchfluss. Die Kapazität wird proportional zur durchgeleiteten Gasmenge verbraucht, nicht nach dem Kalender.

Zunächst eine Einschränkung. Oft trifft dies nicht zu: Im Kapitel „Yield Enhancement“ des ITRS (2009) wird festgehalten, dass in Fällen, in denen die Reinheit am Anschlusspunkt bereits ausreichend ist, Der gängige Ansatz besteht darin, den Reiniger als eine Art Versicherung zu betrachten; die Beanspruchung ist minimal, und in der Regel ist mit einer langen Lebensdauer zu rechnen.. Bei einem großzügig dimensionierten Bett an einem sauberen 5N-Einlass ist diese Angabe korrekt, und nichts von dem, was folgt, trifft zu. In zwei Fällen trifft dies jedoch nicht mehr zu: bei einem Bett, das eher nach Budget als nach Sicherheitsmarge dimensioniert wurde, oder bei einem Verteiler, dessen Bedarf über die Angaben im Inbetriebnahmeprotokoll hinausgestiegen ist. Das sind die Leitungen, die es zu messen lohnt.

Bei diesen Modellen führt ein Überlaufen des Filters nicht zwangsläufig zu einer Verunreinigung des Gases. In der Tabelle zu den Endverbraucher-Filtern sind pro Modell zwei Durchflusswerte angegeben. Die PF-Serie von NuPure weist einen Durchschnittlicher Durchfluss über eine Laufzeit von einem Jahr neben einem separaten, deutlich höheren Maximaldurchfluss: Beim 1000-PF-Behälter beträgt der Durchschnittsdurchfluss 10 slpm bei einem Maximalwert von 50 slpm. So werden Endverbraucher-Wasseraufbereiter in dieser Kategorie bewertet: Der empfohlene Durchfluss ist auf eine Lebensdauer von einem Jahr zwischen Regeneration oder Austausch ausgelegt, und die tatsächliche Lebensdauer richtet sich nach dem tatsächlichen Durchfluss.

Ein Bett, das mit maximalem statt mit Nenndurchfluss betrieben wird, bleibt innerhalb der angegebenen Grenzwerte, liefert die Nennreinheit und besteht alle Prüfungen, die die Fabrik durchführt. Die beiden Werte unterscheiden sich um etwa das Fünffache, sodass die Kapazität etwa fünfmal schneller aufgebraucht wird als bei der Dimensionierung angenommen: Ein für ein Jahr ausgelegtes Gefäß erreicht das Ende seiner Lebensdauer bereits nach etwa einem Viertel der vorgesehenen Zeit, und der Durchbruch (wenn das verbrauchte Bett beginnt, Verunreinigungen durchzulassen) tritt Monate früher als geplant ein.

Auch durch Sichtprüfung lässt sich dies nicht feststellen. Die verbleibende Kapazität ist bei den meisten Verunreinigungen nicht erkennbar: Eine Sättigung lässt sich zwar messen, wenn ein Filterbett Feuchtigkeit entfernt, aber Bei vielen Schadstoffen lässt sich dies nicht zuverlässig bestimmen., … Daher ist es gängige Praxis, die Komponenten bei Erreichen des bekannten Einschaltverhältnisses zu erneuern oder auszutauschen, anstatt abzuwarten, bis eine Verschlechterung eintritt. Das funktioniert jedoch nur, wenn das Einschaltverhältnis den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht – eine Annahme, die am Tag der Inbetriebnahme getroffen und ein Jahr lang nicht nachverfolgt wurde, tut dies jedoch nicht.

Es gibt zwei Positionen und zwei Entscheidungen: eine Einlassvorrichtung, die den Durchfluss auf dem Nennauslegungsdurchfluss des Bettes hält, und eine Vorrichtung auf der Auslassseite, die angibt, was durch den Verteiler fließt. Bei vielen Skids ist nur die Auslassseite bestückt. Das Messgerät auf der Auslassseite muss ermitteln, wie viel von der Kapazität des Bettes noch verbleibt, wobei das Bett selbst keinen direkten Messwert dafür liefert. Der Durchfluss lässt sich ablesen, und da die Kapazität proportional zum durchgeleiteten Gas verbraucht wird, dient die laufende Summe des Durchflusses als Ersatz für die verbrauchte Kapazität. Das ist die Aufgabe: eine zuverlässige laufende Gesamtsumme über ein Jahr mit schwankendem Bedarf zu führen, nicht nur die Durchflussrate zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Vier Messtechnologien kämen für beide Positionen in Frage, wobei zwei aufgrund dieser Anforderung ausscheiden. Ein Durchflussmesser mit variablem Querschnitt, auch Rotameter genannt, ermittelt den momentanen Durchfluss anhand eines Schwimmers und führt keine laufende Summe, sodass er nur für eine Leitung geeignet ist, die dauerhaft mit einer festen Durchflussrate betrieben wird, ohne dass der Verbrauch erfasst wird. Ein Ultraschallzähler ist Standard an der Haushauptleitung, wo die Rohrdurchmesser und gerade Leitungsabschnitte vorhanden sind, um ein Profil zu erzeugen; ein Skid bietet beides nicht. Damit bleiben thermische und laminare Differenzdruckmessverfahren, die bei einem einzelnen reinen Gas vergleichbar sind und ähnliche Anforderungen an den Eingangsdruck stellen.

Zwischen diesen beiden Faktoren gibt die Interpretierbarkeit den Ausschlag. Ein mehrvariabler Messwert macht die Anzeige interpretierbar: Der Durchfluss allein zeigt an, dass sich ein Abschnitt geändert hat; der Durchfluss in Verbindung mit dem lokalen Absolutdruck gibt Aufschluss darüber, ob sich der Bedarf verändert hat oder ob etwas stromaufwärts ausfällt. Auf dieser Grundlage ist der laminare Differenzdruck hier am besten geeignet, obwohl sich das Verhältnis umkehrt, wenn das Gas nicht zuverlässig partikelfrei ist. Dennoch reicht der Totalisator allein nicht aus: Er wandelt eine Planungsannahme in eine Messung um, aber die Analysatoren entscheiden weiterhin darüber, ob das Gas rein ist.

Das dafür zuständige Messgerät ist ein Laminar-Differenzdruckmesser auf der Auslassseite, der die Gesamtmenge erfasst, die durch den Verteiler strömt. Anhand der Nennkapazität des Bettes wird anhand dieser Gesamtmenge das Wartungsintervall festgelegt.

Die Rechnung ist schnell gemacht. Nehmen wir die Angabe von vorhin: Ein Behälter mit einer Nennleistung von durchschnittlich 10 slpm bei einer Lebensdauer von einem Jahr und einem Maximum von 50 slpm. Ein Jahr bei diesem Durchschnittswert entspricht etwa 5,3 Millionen Standardlitern. Diese Zahl – nicht der Kalender – ist das Budget des Bettes, und der Totalisator ist der einzige Messwert in der Leitung, der davon abgezogen wird. Lässt man dasselbe Gefäß mit 30 slpm laufen – was innerhalb des angegebenen Maximums liegt und immer noch die Nennreinheit liefert –, ist das Budget in etwa vier Monaten aufgebraucht. Das Gas selbst gibt keine Anzeichen; der Zählerstand hingegen schon, und zwar bereits am ersten Tag und nicht erst beim Durchbruch.

Der Momentanwert ist der weniger interessante Teil: Ein Wert von 30 slpm sieht auf jedem Messgerät gut aus, und dass das Jahresbudget bereits im vierten Monat aufgebraucht ist, lässt sich nur anhand der kumulierten Summe erkennen.

Dieses Budget ist ein Richtwert und keine garantierte Menge: Es handelt sich um die Kapazität, die sich aus der vom Hersteller angegebenen Nennlebensdauer ergibt; ein Bett, das nahe seiner maximalen Kapazität betrieben wird, erreicht den Durchbruch bereits bei einem etwas geringeren Gesamtdurchsatz, und die Angabe geht von der Eingangsreinheit aus, für die das Bett ausgelegt wurde. Betrachten Sie die laufende Summe eher als Angabe darüber, ob eine Phase dem geplanten Verbrauch voraus ist oder hinterherhinkt, und nicht als Countdown bis zu einem exakten Literwert. Klären Sie die Nennkapazität mit dem Hersteller ab, bevor Sie ein Filterbett bewusst über seinem Nenndurchfluss betreiben.

Dies hat auch Auswirkungen auf die Angaben im Datenblatt. Der in der Überschrift angegebene Genauigkeitsprozentsatz – die üblicherweise angegebene Angabe in Prozent des Messwerts – ist hier weniger aussagekräftig, als es den Anschein hat: Ein Totalisator, der 1% zu langsam läuft, verschiebt das Austauschdatum über einen Zeitraum von einem Jahr um etwa vier Tage, bei 5% zu langsam um etwa achtzehn – beides vernachlässigbar im Vergleich zu den Monaten, um die sich das Datum verschieben würde, wenn ein Zählwerk still und leise über seiner angenommenen Ganggenauigkeit laufen würde. Die Dimensionierung ist der stärkere Hebel, denn sie entscheidet darüber, wie viel der Vollskalenwert derselben Spezifikation kostet. Die Genauigkeit wird als Prozentsatz des Messwerts plus einem Prozentsatz des Vollskalenwerts angegeben, und der Vollskalenanteil ist ein fester Fehler, der als Anteil am Messwert zunimmt, je weiter der Messwert sinkt, daher macht sich ein überdimensioniertes Messgerät hier bemerkbar: Ein 500-SLPM-Messgerät an einer Leitung, die 5 SLPM zieht, weicht um etwa ein Fünftel seines Messwerts ab, und ein Jahr lang summiert sich das zu wochenlangen Abrechnungsfehlern. Passen Sie den Skalenendwert des Messgeräts an die tatsächliche Last der Leitung an, nicht an deren Spitzenwert, und dieser Fehler bleibt gering.

Die Messung des durchgelassenen Durchflusses verändert die Art und Weise, wie das Modul gewartet wird. Der Austausch ist nicht mehr nur ein Kalendereintrag oder eine Schätzung zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme, sondern wird zu einer Entscheidung, die sich am gemessenen Durchsatz orientiert: Das gesammelte Volumen wird mit der Nennkapazität des Bettes abgeglichen, und das Bett wird ausgetauscht, sobald der Zählerstand diese erreicht – ganz gleich, ob dies nach zwölf Monaten oder nach vier Monaten der Fall ist. Ein Strang, der unauffällig über die geplante Durchflussrate hinausgeht, wird bereits am ersten Tag der Abweichung erkannt und nicht erst Monate später beim Durchbruch. So wird ein Kontaminationsereignis, das andernfalls unangekündigt eintreten würde, zu einem planmäßigen Austausch.

Das gleiche Messgerät erfüllt zwei Aufgaben. Es befindet sich auf der Reinseite des Reinigers und liefert eine NIST-rückführbare Aufzeichnung dessen, was tatsächlich die Werkzeuge erreicht hat – und nicht nur eine Schlussfolgerung aus dem, was in das Filterbett eingeleitet wurde. Und da es neben dem Durchfluss an einem einzigen Anschluss auch den absoluten Druck und die Temperatur misst, lässt sich eine Veränderung an einem Zweig als Bedarfsverschiebung oder als Problem stromaufwärts interpretieren, ohne dass ein zweites Messgerät erforderlich ist.

• Planung auf Basis des tatsächlichen Verbrauchs – Der Austausch richtet sich nach dem gemessenen Durchsatz im Verhältnis zur Kapazität des Bettes und nicht nach einer Annahme zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme oder nach dem Kalender.
• Frühwarnung – Eine Abweichung, die über der geplanten Rate liegt, zeigt sich bereits am ersten Tag und nicht erst Monate später, wenn der Durchbruch erfolgt.
• Lieferbestätigung – eine saubere, NIST-rückverfolgbare Aufzeichnung dessen, was tatsächlich den Verteiler erreicht hat.
• Diagnose anhand eines einzigen Körpers – Durch Durchfluss, Absolutdruck und Temperatur, die an einem einzigen Messpunkt erfasst werden, lässt sich eine Bedarfsänderung von einem Problem in der vorgelagerten Leitung unterscheiden.
• Eine Plattform über den gesamten Skid hinweg – Der Durchflussmesser der M-Serie auf der Auslassseite und der Regler der MCR-Serie am Einlass basieren auf demselben Messverfahren und verfügen über dieselbe Schnittstelle.