A tisztaság követelménye
A félvezető ultra-tiszta vizes rendszerek 0,5 ppb alatti összes szerves szénnel és 0,1 ppb alatti fémion-koncentrációval szállítanak vizet. A fényezés után ezt a vizet újramelegítő hőcserélő nem ronthatja a tisztaságot. Még a fémmilliárd-rész-/-milliárd fémkioldódás is elfogadhatatlan.
Két anyag verseng az alkalmazásért: a tantál és a PTFE. A tantál egy tűzálló fém, amely kivételesen ellenáll a savak korróziójának, és natív oxidfilmje széles pH-tartományban stabil. A PTFE egy teljesen fluorozott polimer, fémes összetevők nélkül. Mindkettő képes biztosítani a szükséges kémiai tisztaságot új állapotban. A különbség az évek óta tartó hőciklus és a vegyi expozíció során jelentkezik.
Tantál: Kiváló, de nem végtelen korrózióállóság
A tantál ellenáll a korróziónak egy stabil Ta2O5 passzív filmen keresztül, amely levegőben vagy oxidáló oldatokban azonnal kialakul. Ez a film sűrű, tapadó és öngyógyító. Az UPW-ben és a legtöbb félvezető vegyszerben a tantál mikron/év sebességgel korrodál.
A tantálnak azonban van sebezhetősége. 10 pH feletti lúgos oldatokban az oxidfilm feloldódik. A HF-ből származó fluoridionok -vagy pufferolt oxid-maratási kémiából származó ionok jelenlétében a tantál gyorsan korrodálódik oldható tantál-fluorid komplexek képződése révén. Még az UPW-ben lévő nyomokban előforduló fluorid szennyeződés is, amely esetleg egy upstream komponens meghibásodásából ered, helyi támadást indíthat el.
A lényegesebb tisztasági szempont nem a tömeges korrózió, hanem a fémionok kimosódása. Az UPW-vel érintkező tantál ideális körülmények között körülbelül 0,01-0,1 ppb sebességgel szabadít fel tantálionokat. Ez a jellemző észlelési határok alatt van. Az évekig tartó hőciklus során azonban a passzív film ismétlődő feloldódáson és újraképződésen megy keresztül, és minden ciklusban fémionokat szabadít fel. A kumulatív fémkibocsátás, bár még billió részekben mérik, megközelítheti a legérzékenyebb félvezető folyamatok határait.
1. táblázat: Tisztaság és költség összehasonlítás az UPW utánfűtési szolgáltatásban
| Értékelési kritérium | Tantál | PTFE |
|---|---|---|
| Fémion kilúgozás (kezdeti) | < 0.1 ppb | Nulla (nincs jelen fém) |
| Fémion kilúgozás (5 év után) | 0,05-0,3 ppb (halmozott passzív filmciklus) | Nulla |
| Fluor ellenállás | Nincs (gyors támadás) | Teljes (inert) |
| Hővezetőképesség (W/m·K) | 54 | 0.25 |
| Relatív felület szükséges | 1.0 (alapvonal) | 3-4× |
| Anyagköltség (relatív) | 50-80× | 1× |
| A hőcserélő költsége (relatív) | 8-12× | 1× |
| A telepítés bonyolultsága | Magas (nehéz, támogatást igényel) | Alacsony (könnyű, rugalmas) |
| Élettartam megfelelő alkalmazás mellett | 10-15 év | 15+ év |
PTFE: Zero Metal definíció szerint
A PTFE nem tartalmaz fémeket. A polimer lánc teljes egészében szén- és fluoratomokból áll. Az anyag működési tartományán belül semmilyen kémiai vagy termikus körülmény között nincsenek fémes elemek, amelyek az UPW-be beszivárognának.
Ez nem alacsony kioldódásra vagy lassú korrózióra vonatkozik. Ez az elemi összetétel kijelentése. A PTFE hőcserélő nem tud fémionokat felszabadítani, mivel az anyagban nincsenek fémionok. Ez az abszolút tisztasági garancia független az üzemi hőmérséklettől, a pH-tól, a kémiai összetételtől és az élettartamtól.
A tisztaság előnye meghaladja a normál működést. Ha egy kémiai felborulás fluoridot juttat az UPW-be, a tantál hőcserélő korrodál, és fémionokat szabadít fel. A PTFE hőcserélőt ez nem érinti. Ha a szabályozás meghibásodása hőmérsékleti eltérést okoz, a tantál passzív filmje megvastagodhat, és további ionokat bocsáthat ki a helyreállítási ciklus során. A PTFE nem tapasztal ilyen változást.
Költség és lábnyom csere-
A tantál hőcserélők drágák. A kilogrammonkénti anyagköltség 50-80-szorosa a PTFE-nek. A gyártás speciális, inert atmoszférában történő hegesztést igényel. Az így kapott hőcserélő 8-12-szer többe kerül, mint egy megfelelő PTFE egység.
A tantál előnye a hővezető képesség. A tantál 54 W/m·K mellett 200-szor hatékonyabban adja át a hőt, mint a PTFE. A tantál hőcserélő kompakt, lényegesen kevesebb beépítési helyet igényel. A zsúfolt félvezető al{5}}gyárakban, ahol prémium a hely, ennek a kompaktságnak valódi értéke van.
A PTFE kompenzálja az alacsony hővezetőképességet a vékony{0}}falú csövekkel és a nagy-felületű-felületű konfigurációkkal. Egy adott UPW fűtési teljesítményhez tartozó PTFE hőcserélő fizikailag nagyobb, mint a tantál egyenértéke. Az, hogy ez a büntetés mértéke számít-e, a rendelkezésre álló telepítési helytől függ.
Alkalmazási irányelvek
Az UPW újramelegítési alkalmazásokhoz, ahol lehetséges a fluoridos szennyeződés a kémiai-mechanikai síkosítási eszközök után, megosztott vegyszeradagoló rendszerekben vagy több vegyszert feldolgozó létesítményekben,-a PTFE abszolút biztonságot nyújt a fluoriddal kapcsolatos-meghibásodások ellen.
Az UPW-alkalmazások ellenőrzött környezetben, garantáltan fluorid--mentes vízzel és ahol a telepítési hely erősen szűkös, a tantál előnyben részesíthető a költségprémium ellenére. A tisztasági különbség ideális körülmények között elég kicsi ahhoz, hogy bármelyik anyag megfeleljen a legtöbb félvezető specifikációnak.
A nagy-tisztaságú kémiai újramelegítéshez savakkal-különösen HCl, HF vagy vegyes savmaratással a-PTFE egyértelműen jobb. A tantál nem kompatibilis a HF-el, forró sósavban pedig marginális. A PTFE mindkettővel szemben inert.
Összegzés
A PTFE és a tantál versenyez az ultra-nagy-tisztaságú újramelegítésért a félvezető alkalmazásokban, különböző értékajánlatok alapján. A tantál tömörséget és magas hővezető képességet kínál magas tőkeköltség mellett, rendkívül alacsony, de nem-nulla fémkioldódás mellett. A PTFE abszolút nulla fémszennyeződést, teljes kémiai tehetetlenséget biztosít, beleértve a fluoridállóságot, és alacsonyabb tőkeköltséget biztosít a nagyobb beépített terület rovására.
A választás a telepítési hely rendelkezésre állásától, a fluorid expozíció kockázatától és a félvezető folyamat csomópontjának specifikus tisztasági specifikációitól függ. A legszigorúbb tisztasági követelmények és kémiailag agresszív környezetek esetén a PTFE garantálja, hogy egyetlen fém-alapú anyag sem felel meg.
A PTFE és a tantál hőcserélők kiválasztására vonatkozó mérnöki elemzés a specifikus félvezető alkalmazásokhoz a technológiai vegyszerek, az üzemi hőmérsékletek, a tisztasági előírások, a rendelkezésre álló telepítési hely és a fluorid expozíciós kockázatértékelés benyújtásával érhető el.
