Das Projekt 909 – eine Fabrik für sehr große integrierte Schaltkreise – ist ein großes Bauprojekt der Elektronikindustrie meines Landes im Rahmen des 9. Fünfjahresplans zur Herstellung von Chips mit einer Linienbreite von 0,18 Mikrometern und einem Durchmesser von 200 mm.
Die Fertigungstechnologie für sehr große integrierte Schaltkreise erfordert nicht nur hochpräzise Technologien wie die Mikrobearbeitung, sondern stellt auch hohe Anforderungen an die Gasreinheit.
Die Gasversorgung für Projekt 909 erfolgt durch ein Joint Venture zwischen der Praxair Utility Gas Co., Ltd. aus den USA und beteiligten Unternehmen in Shanghai. Gemeinsam wird eine Gasproduktionsanlage errichtet. Die Anlage befindet sich neben dem Fabrikgebäude des Projekts 909 und erstreckt sich über eine Fläche von rund 15.000 Quadratmetern. Die Reinheits- und Leistungsanforderungen verschiedener Gase
Hochreiner Stickstoff (PN2), Stickstoff (N2) und hochreiner Sauerstoff (PO2) werden durch Luftzerlegung erzeugt. Hochreiner Wasserstoff (PH2) wird durch Elektrolyse erzeugt. Argon (Ar) und Helium (He) werden zugekauft. Das Quasi-Gas wird für den Einsatz im Projekt 909 gereinigt und gefiltert. Spezialgas wird in Flaschen geliefert. Der Gasflaschenschrank befindet sich in der Nebenwerkstatt der Produktionsanlage für integrierte Schaltkreise.
Zu den weiteren Gasen gehört auch ein CDA-System (Clean Dry Compressed Air), mit einem Verbrauchsvolumen von 4185 m³/h, einem Taupunkt von -70 °C und einer Partikelgröße von höchstens 0,01 µm im Gas an der Verbrauchsstelle. Atemdruckluftsystem (BA), Verbrauchsvolumen 90 m³/h, Taupunkt von 2 °C, Partikelgröße im Gas an der Verbrauchsstelle höchstens 0,3 µm, Prozessvakuumsystem (PV), Verbrauchsvolumen 582 m³/h, Vakuumgrad an der Verbrauchsstelle –79.993 Pa. Reinigungsvakuumsystem (HV), Verbrauchsvolumen 1440 m³/h, Vakuumgrad an der Verbrauchsstelle –59.995 Pa. Der Luftkompressorraum und der Vakuumpumpenraum befinden sich beide im Fabrikbereich des Projekts 909.
Auswahl an Rohrmaterialien und Zubehör
An das bei der VLSI-Produktion verwendete Gas werden extrem hohe Anforderungen an die Sauberkeit gestellt.Hochreine Gaspipelineswerden üblicherweise in sauberen Produktionsumgebungen eingesetzt, und ihre Sauberkeitskontrolle sollte dem Sauberkeitsgrad des genutzten Raums entsprechen oder diesen übertreffen! Darüber hinaus werden in sauberen Produktionsumgebungen häufig hochreine Gaspipelines eingesetzt. Reiner Wasserstoff (PH2), hochreiner Sauerstoff (PO2) und einige spezielle Gase sind brennbare, explosive, verbrennungsfördernde oder giftige Gase. Wenn das Gasleitungssystem nicht richtig ausgelegt ist oder die Materialien nicht richtig ausgewählt werden, verringert sich nicht nur die Reinheit des am Gaspunkt verwendeten Gases, sondern es kommt auch zu Ausfällen. Es erfüllt zwar die Prozessanforderungen, ist jedoch unsicher in der Anwendung und verschmutzt die saubere Fabrik, was die Sicherheit und Sauberkeit der sauberen Fabrik beeinträchtigt.
Die Gewährleistung der Qualität von hochreinem Gas am Einsatzort hängt nicht nur von der Genauigkeit der Gasproduktion, der Reinigungsanlagen und der Filter ab, sondern wird auch maßgeblich von vielen Faktoren im Rohrleitungssystem beeinflusst. Wenn wir uns auf Gasproduktionsanlagen, Reinigungsanlagen und Filter verlassen, ist es schlichtweg falsch, unendlich höhere Präzisionsanforderungen zu stellen, um eine unsachgemäße Konstruktion des Gasleitungssystems oder die Auswahl der Materialien zu kompensieren.
Während des Entwurfsprozesses des Projekts 909 befolgten wir den „Code for Design of Clean Plants“ GBJ73-84 (der aktuelle Standard ist (GB50073-2001)), den „Code for Design of Compressed Air Stations“ GBJ29-90, den „Code for Design of Oxygen Stations“ GB50030-91, den „Code for Design of Hydrogen and Oxygen Stations“ GB50177-93 sowie die relevanten technischen Maßnahmen zur Auswahl von Rohrleitungsmaterialien und Zubehör. Der „Code for Design of Clean Plants“ schreibt die Auswahl von Rohrleitungsmaterialien und Ventilen wie folgt vor:
(1) Bei einer Gasreinheit von mindestens 99,999 % und einem Taupunkt unter -76 °C sollte ein kohlenstoffarmes Edelstahlrohr 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierter Innenwand oder ein Edelstahlrohr OCr18Ni9 (304) mit elektropolierter Innenwand verwendet werden. Als Ventil sollte ein Membranventil oder ein Balgventil verwendet werden.
(2) Bei einer Gasreinheit von mindestens 99,99 % und einem Taupunkt unter -60 °C ist ein OCr18Ni9-Edelstahlrohr (304) mit elektropolierter Innenwand zu verwenden. Mit Ausnahme von Faltenbalgventilen, die für Brenngasleitungen verwendet werden sollten, sind für andere Gasleitungen Kugelhähne zu verwenden.
(3) Liegt der Taupunkt trockener Druckluft unter -70 °C, sollte ein OCr18Ni9-Edelstahlrohr (304) mit polierter Innenwand verwendet werden. Liegt der Taupunkt unter -40 °C, sollte ein OCr18Ni9-Edelstahlrohr (304) oder ein feuerverzinktes nahtloses Stahlrohr verwendet werden. Als Ventil sollte ein Balgventil oder ein Kugelhahn verwendet werden.
(4) Der Werkstoff des Ventils muss mit dem Werkstoff der Anschlussleitung kompatibel sein.
Entsprechend den Anforderungen der Spezifikationen und den relevanten technischen Maßnahmen berücksichtigen wir bei der Auswahl der Rohrleitungsmaterialien hauptsächlich die folgenden Aspekte:
(1) Die Luftdurchlässigkeit von Rohrmaterialien sollte gering sein. Rohre aus unterschiedlichen Materialien weisen eine unterschiedliche Luftdurchlässigkeit auf. Bei der Wahl von Rohren mit höherer Luftdurchlässigkeit können Verunreinigungen nicht entfernt werden. Edelstahlrohre und Kupferrohre verhindern das Eindringen und die Korrosion von Sauerstoff in die Atmosphäre besser. Da Edelstahlrohre jedoch weniger aktiv sind als Kupferrohre, lassen Kupferrohre eher Feuchtigkeit aus der Atmosphäre in ihre Innenflächen eindringen. Daher sollten Edelstahlrohre bei der Auswahl von Rohren für hochreine Gasleitungen die erste Wahl sein.
(2) Die Innenfläche des Rohrmaterials wird adsorbiert und hat einen geringen Einfluss auf die Gasanalyse. Nach der Bearbeitung des Edelstahlrohrs verbleibt eine gewisse Menge Gas im Metallgitter. Beim Durchströmen von hochreinem Gas gelangt dieser Teil in den Luftstrom und verursacht Umweltverschmutzung. Gleichzeitig bildet das Metall an der Innenfläche des Rohrs durch Adsorption und Analyse eine gewisse Menge an Pulver, was zu einer Verschmutzung des hochreinen Gases führt. Für Rohrleitungssysteme mit einer Reinheit über 99,999 % bzw. ppb-Niveau sollten kohlenstoffarme Edelstahlrohre (316L) aus 00Cr17Ni12Mo2Ti verwendet werden.
(3) Edelstahlrohre sind verschleißfester als Kupferrohre, und die durch Luftströmungserosion entstehende Metallstaubmenge ist relativ gering. Produktionsstätten mit höheren Anforderungen an die Sauberkeit können kohlenstoffarme Edelstahlrohre 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) oder OCr18Ni9 (304) verwenden. Kupferrohre dürfen nicht verwendet werden.
(4) Für Rohrleitungssysteme mit einer Gasreinheit von über 99,999 % bzw. ppb- oder ppt-Werten oder in Reinräumen mit Luftreinheitsgraden von N1-N6, die im „Clean Factory Design Code“ festgelegt sind, sind ultrareine Rohre oderEP Ultra-Clean-RohreEs sollte „sauberes Rohr mit ultraglatter Innenfläche“ verwendet werden.
(5) Einige der im Produktionsprozess verwendeten Spezialgasleitungssysteme enthalten hochkorrosive Gase. Für die Rohre dieser Leitungssysteme müssen korrosionsbeständige Edelstahlrohre verwendet werden. Andernfalls werden die Rohre durch Korrosion beschädigt. Sollten sich auf der Oberfläche Korrosionsflecken bilden, dürfen keine gewöhnlichen nahtlosen Stahlrohre oder verzinkte, geschweißte Stahlrohre verwendet werden.
(6) Grundsätzlich sollten alle Gasleitungsverbindungen geschweißt werden. Da beim Schweißen verzinkter Stahlrohre die Verzinkungsschicht zerstört wird, werden verzinkte Stahlrohre für Leitungen in Reinräumen nicht verwendet.
Unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren wurden im Projekt &7& folgende Gaspipelines und Ventile ausgewählt:
Die Rohre des hochreinen Stickstoffsystems (PN2) bestehen aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus demselben Material.
Die Rohre des Stickstoffsystems (N2) bestehen aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus demselben Material.
Die Rohre des hochreinen Wasserstoffsystems (PH2) bestehen aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus demselben Material.
Die Rohre des hochreinen Sauerstoffsystems (PO2) bestehen aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus demselben Material.
Die Rohre des Argon-Systems (Ar) bestehen aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden und es werden Edelstahlbalgventile aus demselben Material verwendet.
Die Rohre des Heliumsystems (He) bestehen aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus demselben Material.
Die Rohre des Systems für saubere und trockene Druckluft (CDA) bestehen aus OCr18Ni9-Edelstahlrohren (304) mit polierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus demselben Material.
Die Rohre des Atemdruckluftsystems (BA) bestehen aus OCr18Ni9-Edelstahlrohren (304) mit polierten Innenwänden und die Ventile bestehen aus Edelstahlkugelhähnen aus dem gleichen Material.
Die Rohre des Prozessvakuumsystems (PV) bestehen aus UPVC-Rohren und die Ventile aus Vakuum-Absperrklappen aus demselben Material.
Die Rohre des Reinigungsvakuumsystems (HV) bestehen aus UPVC-Rohren und die Ventile bestehen aus Vakuum-Absperrklappen aus demselben Material.
Die Rohre des Spezialgassystems bestehen alle aus kohlenstoffarmen Edelstahlrohren 00Cr17Ni12Mo2Ti (316L) mit elektropolierten Innenwänden, und die Ventile bestehen aus Edelstahlbalgventilen aus dem gleichen Material.
3 Bau und Installation von Rohrleitungen
3.1 Abschnitt 8.3 des „Clean Factory Building Design Code“ sieht folgende Bestimmungen für Rohrleitungsanschlüsse vor:
(1) Rohrverbindungen sollten geschweißt sein, feuerverzinkte Stahlrohre sollten jedoch mit Gewinden versehen sein. Das Dichtungsmaterial der Gewindeverbindungen muss den Anforderungen von Artikel 8.3.3 dieser Spezifikation entsprechen.
(2) Edelstahlrohre sollten durch Argon-Lichtbogenschweißen und Stumpfschweißen oder Muffenschweißen verbunden werden, hochreine Gasleitungen sollten jedoch durch Stumpfschweißen ohne Markierungen auf der Innenwand verbunden werden.
(3) Die Verbindung zwischen Rohrleitungen und Geräten sollte den Anschlussanforderungen der Geräte entsprechen. Bei Verwendung von Schlauchverbindungen sollten Metallschläuche verwendet werden
(4) Die Verbindung zwischen Rohrleitungen und Ventilen muss den folgenden Vorschriften entsprechen
① Das Dichtungsmaterial, das hochreine Gasleitungen und Ventile verbindet, sollte je nach den Anforderungen des Produktionsprozesses und den Gaseigenschaften Metalldichtungen oder Doppelhülsen verwenden.
②Das Dichtungsmaterial an der Gewinde- oder Flanschverbindung sollte Polytetrafluorethylen sein.
3.2 Gemäß den Anforderungen der Spezifikationen und der relevanten technischen Maßnahmen sollten Verbindungen von hochreinen Gasleitungen so weit wie möglich geschweißt werden. Direktes Stumpfschweißen ist beim Schweißen zu vermeiden. Es sollten Rohrmuffen oder Fertigverbindungen verwendet werden. Die Rohrmuffen sollten aus dem gleichen Material und mit der gleichen Innenfläche wie die Rohre bestehen. Um eine Oxidation der Schweißteile zu verhindern, sollte beim Schweißen reines Schutzgas in das Schweißrohr eingeleitet werden. Bei Edelstahlrohren sollte Argon-Lichtbogenschweißen verwendet werden, und Argongas gleicher Reinheit sollte in das Rohr eingeleitet werden. Es müssen Gewindeverbindungen oder Gewindeanschlüsse verwendet werden. Beim Anschluss von Flanschen sollten Aderendhülsen für Gewindeverbindungen verwendet werden. Mit Ausnahme von Sauerstoff- und Wasserstoffleitungen, für die Metalldichtungen verwendet werden sollten, sollten für andere Rohre Dichtungen aus Polytetrafluorethylen verwendet werden. Das Auftragen einer kleinen Menge Silikonkautschuk auf die Dichtungen ist ebenfalls wirksam. Die Dichtwirkung wird verbessert. Ähnliche Maßnahmen sollten bei Flanschverbindungen getroffen werden.
Vor Beginn der Installationsarbeiten erfolgt eine detaillierte Sichtprüfung der Rohrleitungen,Armaturen, Ventile usw. müssen durchgeführt werden. Die Innenwand gewöhnlicher Edelstahlrohre sollte vor der Installation gebeizt werden. Die Rohre, Armaturen, Ventile usw. von Sauerstoffleitungen dürfen nicht mit Öl in Berührung kommen und müssen vor der Installation gemäß den einschlägigen Vorschriften gründlich entfettet werden.
Vor der Installation und Inbetriebnahme des Systems sollte das Übertragungs- und Verteilungsleitungssystem vollständig mit dem gelieferten hochreinen Gas gespült werden. Dadurch werden nicht nur die während des Installationsprozesses versehentlich in das System gelangten Staubpartikel weggeblasen, sondern auch das Rohrleitungssystem getrocknet, indem ein Teil des von der Rohrwand und sogar dem Rohrmaterial absorbierten feuchtigkeitshaltigen Gases entfernt wird.
4. Rohrleitungsdruckprüfung und Abnahme
(1) Nach der Installation des Systems muss eine 100%ige Röntgenprüfung der Rohre, die hochgiftige Flüssigkeiten in speziellen Gaspipelines transportieren, durchgeführt werden. Ihre Qualität darf nicht schlechter als Stufe II sein. Andere Rohre müssen einer stichprobenartigen Röntgenprüfung unterzogen werden. Die Stichprobenprüfungsquote darf nicht weniger als 5 % betragen. Die Qualität darf nicht schlechter als Klasse III sein.
(2) Nach bestandener zerstörungsfreier Prüfung ist eine Druckprüfung durchzuführen. Um die Trockenheit und Sauberkeit des Rohrleitungssystems sicherzustellen, darf keine hydraulische Druckprüfung durchgeführt werden, sondern eine pneumatische Druckprüfung. Die Luftdruckprüfung erfolgt mit Stickstoff oder Druckluft, die dem Reinheitsgrad des Reinraums entspricht. Der Prüfdruck der Rohrleitung sollte das 1,15-fache des Auslegungsdrucks betragen, der Prüfdruck der Vakuumleitung 0,2 MPa. Während der Prüfung ist der Druck schrittweise und langsam zu erhöhen. Steigt der Druck auf 50 % des Prüfdrucks und werden keine Auffälligkeiten oder Leckagen festgestellt, ist der Druck schrittweise um 10 % des Prüfdrucks zu erhöhen und jeweils drei Minuten lang auf jeder Stufe zu stabilisieren, bis der Prüfdruck erreicht ist. Nach zehn Minuten Stabilisierung des Drucks ist der Druck anschließend auf den Auslegungsdruck zu reduzieren. Die Druckstoppzeit richtet sich nach den Anforderungen der Lecksuche. Das Schaummittel ist zugelassen, wenn keine Leckagen vorliegen.
(3) Nachdem das Vakuumsystem den Drucktest bestanden hat, sollte es auch einen 24-stündigen Vakuumgradtest gemäß den Konstruktionsunterlagen durchführen, und die Druckbeaufschlagungsrate sollte nicht größer als 5 % sein.
(4) Dichtheitsprüfung. Bei Rohrleitungssystemen der Güteklassen ppb und ppt ist gemäß den einschlägigen Spezifikationen keine Leckage als zulässig anzusehen. Die Dichtheitsprüfung wird jedoch während der Konstruktion durchgeführt, d. h. nach der Dichtheitsprüfung. Der Druck entspricht dem Betriebsdruck und wird für 24 Stunden unterbrochen. Die durchschnittliche stündliche Leckage beträgt höchstens 50 ppm. Die Leckage wird wie folgt berechnet:
A = (1 – P2T1/P1T2) * 100/T
In der Formel:
Leckage pro Stunde (%)
P1-Absoluter Druck zu Beginn des Tests (Pa)
P2-Absoluter Druck am Ende des Tests (Pa)
T1 – absolute Temperatur zu Beginn des Tests (K)
T2 – absolute Temperatur am Ende des Tests (K)
Veröffentlichungszeit: 12. Dezember 2023