Als der Verfahrenstechniker einer Wafer-Fertigungsanlage die Ventile für ein Reinstwasserverteilungssystem auswählte, war die Antwort nicht einfach nur „PTFE“ oder „Edelstahl“. Das Wasser, das durch diese Ventile fließen würde, käme mit Siliziumwafern in Berührung, die Zehntausende von Dollar kosten. Wenn nur ein Metallpartikel aus einem Ventilkörper austritt (z. B. ein paar Eisenteile oder eine kleine Menge Chrom), könnte das Gate-Oxid zerstört und die gesamte Charge vernichtet werden. Die Ventile in Halbleiteranwendungen sind nicht einfach nur Industriearmaturen mit anderen Namen. Sie gehören zu einer speziellen Klasse von Fluidsteuergeräten, die entwickelt wurden, um Partikelbildung zu verhindern, ionische Verunreinigungen zu reduzieren, aggressiven Chemikalien standzuhalten und eine zuverlässige Leistung über viele Zyklen hinweg selbst unter den härtesten Reinraumbedingungen zu gewährleisten.
Zusammenfassung: In der Halbleiterproduktion können verschiedene Ventile eingesetzt werden. Die drei gängigsten Ventilarten sind hochreine Membranventile, hochreine Faltenbalgventile und hochreine Kugelhähne.
Warum Halbleiterventile sich von Standard-Industrie- oder Sanitärventilen unterscheiden
Ein Industriearmatur ist dafür gebaut, Druck standzuhalten und den Durchfluss zu regulieren. Es gibt eine andere Art von Ventil, ein Sanitärventil, wie die von Eagle Fittings für die Lebensmittel-, Molkerei- und Pharmabranche hergestellten, auch wenn es eigene Anforderungen an Reinigbarkeit, Entleerbarkeit und FDA-Konformität hat; das bedeutet, dass dieser Ventiltyp portabel sein muss, ohne Spalten für die Ansammlung von Lebensmitteln (oder anderen Gütern), aber auch beständig gegenüber den sauren Lösungen sein muss, die bei der hygienischen Verarbeitung verwendet werden. Neben der Erfüllung der gerade genannten Anforderungen bringt ein Halbleiterventil noch eine Reihe fortschrittlicherer Anforderungen mit sich. In der Halbleiterindustrie müssen Verunreinigungen bis auf Milliarden und Billionen Teile kontrolliert werden. Vereinfacht ausgedrückt: Während das in der Pharmaindustrie verwendete Ventil aus 316L-Stahl besteht, eine elektropolierte Oberfläche von 20 µ-inch Ra aufweist und EPDM-Dichtungen enthält, bedeutet dies nicht, dass es in einem Reinstwassersystem für Halbleiter vorkommen würde, wo die ionische Verunreinigung in Teilen pro Billion gemessen wird, während die Partikelabgabe in Partikeln pro Liter ausgedrückt wird und 0,05 µm beträgt. Die Materialien und Oberflächen der Halbleiterventile, sowie deren Montage und Prüfung – all das wird durch die Kontaminationsanforderungen der SEMI-Standards bestimmt.
Eagle Fittings arbeitet mit Edelstahl 316L für hygienische Prozessindustrien. In diesem Fall ist die produktberührende Oberfläche eine 20-32µ-Zoll-Ra-Oberfläche, die durch Elektropolieren erreicht wird. Für die Halbleiterindustrie muss 316L durch VIM/VAR verarbeitet werden, um nichtmetallische Verunreinigungen zu entfernen, die Oberflächengüte muss 5-10µ-Zoll-Ra oder besser erreichen, und Elastomere in den Ventilen müssen durch hochreines PTFE oder PFA ersetzt werden, um kontaminierte Materialien und Partikel zu eliminieren, die durch eine sichere FDA-EPDM-Dichtung entstehen könnten. Für ein tieferes Verständnis der Grundlagen, auf denen halbleiterreine Materialien aufgebaut sind, erklärt unser Leitfaden zu 304 vs. 316 Edelstahl die metallurgischen Unterschiede, die kontrolliertes 316L zu dem Ausgangspunkt für jede hochreine Anwendung machen.
Die Haupttypen von Halbleiterventilen
Hochreine Membranventile
Ein hochreines Membranventil gilt als das Arbeitstier der Fluidhandhabung in Halbleiterbetrieben. Dieses Ventil besitzt eine flexible Membran aus PTFE oder einem PTFE/PFA-Copolymer. Es trennt die Prozessflüssigkeit vom Betätigungsmechanismus und dichtet gegen einen Weir oder einen geraden Ventilkörper ab. Wenn der Aktuator (manuell, pneumatisch oder motorisiert) Druck auf die Membran ausübt, schließt das Ventil. Wenn der Aktuator entlastet wird, hebt sich die Membran und der Flüssigkeitsstrom wird wieder aufgenommen. Die Membran ist das einzige Element im Flüssigkeitsstrom. Alle anderen Komponenten, wie der Aktuator oder die Spindel, sind von der Flüssigkeit getrennt. Dieses Design löst das Problem der Spindeldichtungsleckage, die eine Kontaminationsquelle im Kugelhahn- oder Durchgangsventilbetrieb darstellt.
Diese Technologie ermöglicht es dem Ventil, viele Zyklen lang zu arbeiten, ohne Partikel durch die Reibung der Spindel zu erzeugen. Das Membranventil wird häufig in Anwendungen wie der Lieferung von Reinstwasser (UPW), Schüttgütern (Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid, Ammoniumhydroxid usw.) und CMP-Schlämmen eingesetzt. Das Membranventil hat zwei Hauptausführungen – Faltenbalg und gerader Ventilkörper. Die Art des Antriebs kann manuell, pneumatisch oder elektrisch mit Positionsrückmeldung sein. Der übliche Preisbereich für ein standardmäßiges Ein-Zoll-Membranventil für Halbleiteranwendungen liegt je nach Art des Gehäuses und des Membranmaterials zwischen 500 und 1.500 US-Dollar. Hauptakteure bei der Herstellung dieser Art von Ventilen sind GEMÜ, Swagelok und Entegris mit einer Vielzahl von Membranventilmodellen, die den SEMI-Standards bezüglich Partikelbildung, Ausgasung und ionischer Kontamination entsprechen.
Hochreine Faltenbalgventile
Der geschweißte Metallfaltenbalg in einem hochreinen Faltenbalgventil fungiert als Spindeldichtung zur umgebenden Atmosphäre. Der Metallfaltenbalg besteht aus 316L-Edelstahl oder Hastelloy. Der geschweißte Faltenbalg ist am einen Ende mit dem Ventilkörper und am anderen Ende mit der Spindel verbunden. Die vertikale Bewegung der Spindel lässt den Faltenbalg komprimieren und expandieren, wodurch sichergestellt wird, dass keine Atmosphäre in das Prozessfluid gelangt und kein Teil des Prozessfluids in die Atmosphäre entweicht.
Im Gegensatz zu Stopfbuchsventilen, die komprimierbare Elastomere aus Graphit zur Abdichtung um die Spindel verwenden und bei Spindelbewegung unweigerlich Staub abgeben, arbeiten Faltenbalgventile leckage- und partikelfrei, die durch die Abdichtung der Spindel verursacht werden. Faltenbalgventile werden häufig zur Handhabung hochreiner gasförmiger Substanzen wie Bulk-Stickstoff, Argon und Helium sowie spezieller Gase verwendet, die in Prozessen wie Abscheidung, Ätzen und Dotieren zum Einsatz kommen. Obwohl sie teurer sind als Membranventile gleicher Größe und eine begrenzte Lebensdauer aufgrund der im Laufe der Zeit verschlechternden Faltenbälge aufweisen, sind sie der bevorzugte Ventiltyp in Gasversorgungsanwendungen.
Hochreine Kugelhähne
Der hochreine Kugelhahn findet seine Anwendung in Halbleitersystemen in Fällen, in denen ein sofortiges Vierteldreh-Absperren unerlässlich ist und wo das Ventil nicht direkt im Produktstrom der empfindlichsten Prozesse bezüglich Kontamination liegt. Kugel und Sitze in dieser Anwendung werden je nach Anforderung aus PTFE oder PFA gefertigt; der Ventilkörper muss aus Edelstahl 316L mit elektropolierter Innenfläche bestehen; und die Spindeldichtung ist typischerweise eine PTFE-Packung oder eine vorgespannte PTFE-Chevron-Dichtung.
Diese Ventile eignen sich für den Einbau in unkritische UPW-Rückleitungen, Kühlwasser-, Druckluft- und Bulk-Gas-Absperranwendungen. Hochreine Kugelhähne können nicht in den empfindlichsten chemischen Zufuhrprozessen eingesetzt werden, da die Spindeldichtung Kontaminationspartikel erzeugen kann. Die Kosten für einen 1-Zoll-Hochreinigkeitskugelhahn liegen bei etwa 150 bis 400 US-Dollar; eine pneumatisch betätigte Version kostet zwischen 400 und 1.000 US-Dollar. In den von Eagle Fittings bedienten hygienischen Prozessindustrien erfüllt das Sanitärventil mit dreiteiligem Design und Tri-Clamp-Anschluss die gleiche Funktion mit vergleichbarer Entleer- und Demontagefreundlichkeit, wie sie in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie erforderlich ist.
Hochreine Rückschlagventile
Ein hochreines Rückschlagventil ermöglicht einen unidirektionalen Fluss und verhindert gleichzeitig einen Rückfluss, der stromaufwärtige Geräte oder Bereiche eines chemischen Zufuhrsystems kontaminieren könnte. Es gibt verschiedene Anwendungen für Rückschlagventile in der Halbleitertechnologie, wie z. B. im Auslass von chemischen Transferpumpen, in Gasleitungen zur Vermeidung von Rückfluss und in UPW-Rückleitungen. Der Dichtmechanismus kann ein federbelasteter PTFE- oder PFA-Knebel oder eine PTFE-Kugel mit sehr niedrigem Ansprechdruck sein – bis zu 0,5 psi. Es wird im Allgemeinen aus 316L-Edelstahl oder möglicherweise aus hochreinem PTFE oder PFA hergestellt, abhängig von der chemischen Umgebung, in der das Ventil verwendet wird. Für Halbleiteranwendungen ist das wichtigste Leistungskriterium die Fähigkeit, blasenfreie Dichtungen ohne Rückleakeffekt zu bilden und keine Partikelbildung bei Öffnungs- und Schließbedingungen zu gewährleisten. Ein 1-Zoll-Hochreinigkeits-PTFE-Rückschlagventil kostet 200 bis 600 US-Dollar. Unser Leitfaden „Wie hygienische Rückschlagventile funktionieren“ erläutert die Betriebsprinzipien, die sowohl für hygienische als auch für hochreine Rückschlagventile gelten.
Druckregler
Ein hochreiner Druckregler nimmt hohen, variierenden Eingangsdruck auf und erzeugt einen niedrigen, stabilen Ausgangsdruck. Solche Geräte sind ein Muss für jede Gasleitung, die in der Halbleiterfertigung verwendet wird und für die Lieferung von Bulk-Stickstoff, Prozessargon sowie Ätz- und Abscheidegasen zuständig ist, und für Chemieleitungen, wo die Druckregelung entscheidend ist. Ein halbleitergerechter Regler verwendet Metallmembrane aus 316L oder Hastelloy oder eine PTFE-Membran, hat eine elektropolierte Innenfläche, die in einer Reinraumumgebung hergestellt und getestet und so verpackt wird, dass die Oberflächenreinheit bis zur Installation geschützt ist. Der Preis eines einstufigen hochreinen Reglers für Halbleitergase liegt im Bereich von 300 bis 800 US-Dollar, während ein zweistufiger Regler etwa 600 bis 1.500 US-Dollar kostet.
Materialien der Konstruktion: Woraus ein Halbleiterventil besteht
Bei der Auswahl der medienberührten Bauteile eines Halbleiterventils muss deren Kompatibilität mit den Fluiden sowie deren Potenzial zur Kontamination durch Partikelbildung und Auslaugung von Metallen berücksichtigt werden. Daher ist 316L-Edelstahl aufgrund seines geringsten Einschlussgrades und seiner elektropolierten Oberfläche das Standardmaterial für den Ventilbau. Es handelt sich um eine Stahllegierung, die im VIM/VAR-Umschmelzverfahren hergestellt wird, um möglichst wenige Einschlüsse zu gewährleisten. Sie ist außerdem mit Chromoxid zur Stabilität der Passivschicht angereichert und besitzt eine glatte Oberfläche. In korrosiver Umgebung bestehen Dichtungen, Sitze und Endanschlüsse für Ventile aus PTFE, PFA und modifiziertem PTFE. In Anwendungen, in denen PTFE nicht eingesetzt werden kann, können Ventilgehäusebauteile aus PTFE oder PFA gefertigt werden, sodass das Fluid überhaupt nicht mit Metallbauteilen in Berührung kommt. Während übliche Elastomere wie EPDM und Viton in hygienischen Anwendungen in der Regel verwendet werden, können sie in der Halbleiterindustrie nicht berücksichtigt werden, da diese Materialien hoch extrahierbar sind und aufgrund von Alterung und Biegung Partikel erzeugen.
Häufig gestellte Fragen
Worin besteht der Unterschied zwischen einem Halbleiterventil und einem Sanitärventil?
Sanitärventile sind für die Lebensmittel-, Milch- oder pharmazeutische Verarbeitung bestimmt, wo das Produkt verzehrt oder injiziert wird. Daher müssen sie CIP-reinigbar, ablassbar und FDA-konform sein, mit einer Oberflächengüte von 20 bis 32 µ-inch Ra. Im Gegensatz dazu sind Halbleiterventile für ultrareines Wasser, Chemikalien und Gase erforderlich, die mit Siliziumwafern in Kontakt kommen. Daher müssen Halbleiterventile strengere Kontaminationsgrenzwerte erfüllen, wie z. B. eine Oberflächengüte von 5 bis 10 µ-inch Ra, VIM/VAR 316L-Edelstahl, PTFE/PFA-Dichtungen anstelle von Elastomer-Dichtungen und Reinraummontage. Ein Sanitärventil kann in einer Halbleiteranwendung nicht funktionieren, während ein Halbleiterventil für Lebensmittel- oder pharmazeutische Prozesse überdimensioniert ist.
Was ist der gebräuchlichste Ventiltyp in UPW-Systemen für Halbleiter?
Das hochreine Membranventil ist der am häufigsten verwendete Ventiltyp in Reinstwassersystemen. Es bietet keine Spindelleckage, Millionen von Zyklen bei sehr geringer Partikelbildung und isoliert die Flüssigkeit vom Aktuator. Sowohl Durchgangs- als auch Weir-Körperkonfigurationen können je nach den Durchflussparametern und dem verfügbaren Platz verwendet werden.
Warum werden Faltenbalgventile in der Halbleitergasversorgung eingesetzt?
Faltenbalgventile bieten eine vollständig hermetisch geschweißte Ventilzufuhr, die das Eindringen von Luftverunreinigungen in den Gaskreislauf verhindert und das Austreten von Prozessgas in die Atmosphäre unterbindet. Durch die Bewegung des Spindels entstehen keine Partikel, was bei hochreinen Gasen, die zum Ätzen, Abscheiden und Dotieren verwendet werden, unerlässlich ist.
Welche Standards regeln Halbleiterventile?
Die SEMI-Richtlinien werden von SEMI festgelegt, um die Standards bezüglich Partikelbildung, Ausgasung, Ionenverunreinigung, Oberflächengüte und Materialchemie in den in der Halbleiterproduktion verwendeten Komponenten zu beschreiben. Die relevantesten SEMI-Standards in Bezug auf Ventile sind SEMI F57 (Wasser mit einem Reinheitsgrad von 99,998 % oder höher), SEMI F20 (Chemikalienlieferung) und SEMI F83 (Gaslieferung). Die Einhaltung der SEMI-Anforderungen ist für jedes in einer Halbleiterfertigungsanlage installierte Ventil ein Muss.
Referenzen
- SEMI — Standards für Halbleiterfertigungsanlagen und -materialien. Der globale Industrieverband, der die Standards für Partikelbildung, Ausgasung und ionische Verunreinigung für alle in der Halbleiterfertigung verwendeten Komponenten veröffentlicht.
- GEMÜ — Hochreine Ventile für Halbleiteranwendungen. Deutscher Hersteller von Membran-, Faltenbalg- und Durchgangsventilen für Reinstwasser, Chemikalienlieferung und Gasverteilung in Halbleiterfabriken.
- Swagelok — Hochreine Fluidsystemkomponenten. Hersteller von hochreinen Faltenbalgventilen, Membranventilen, Rückschlagventilen und Druckreglern für die Halbleiter- und Elektronikfertigung.
- Entegris — Fluidhandhabungslösungen für die Halbleiterfertigung. Hersteller von hochreinen Ventilen, Fittings und Chemikalienlieferungssystemen für die kontaminationssensibelsten Halbleiterprozesse.
Die Typen von Halbleiterventilen – Membran-, Faltenbalg-, Kugel-, Rückschlag- und Regelventile – teilen ein gemeinsames Designprinzip: Sie müssen den Fluss ultrareiner Fluide steuern, ohne diese zu kontaminieren. Ein Membranventil isoliert das Fluid vom Aktuator und durchläuft Millionen von Zyklen ohne Partikelbildung. Ein Faltenbalgventil bietet eine hermetische Abdichtung für hochreine Gase. Ein Rückschlagventil verhindert einen Rückfluss, ohne eine Kontaminationsquelle einzuführen. Jedes Ventil in einer Halbleiterfabrik wird nicht nur nach seiner Durchflusskapazität und seinem Nenndruck ausgewählt, sondern auch nach seinem Beitrag zur Reinheit im ppb-Bereich, die der Siliziumwafer erfordert. Für die hygienischen Prozessindustrien stellt Eagle Fittings Sanitärventile her – Kugelhähne, Absperrklappen, Rückschlagventile – nach den 3-A- und BPE-Standards, die in der Lebensmittel- und Pharmaverarbeitung erforderlich sind. Die Standards der Halbleiterindustrie sind anders, und ihre Ventile sind anders, aber das Prinzip ist dasselbe: Das Ventil, das das Fluid steuert, muss so sauber sein wie das Fluid, das es transportiert.
