Cuando el ingeniero de procesos de una planta de fabricación de obleas seleccionó las válvulas para un sistema de distribución de agua ultrapura, la respuesta no fue solo "PTFE" o "acero inoxidable". El agua que pasaría por estas válvulas entraría en contacto con obleas de silicio que cuestan decenas de miles de dólares. Si solo una partícula de metal sale del cuerpo de una válvula (como un par de partes de hierro o una pequeña cantidad de cromo), el óxido de puerta podría arruinarse y todo el lote destruirse. Las válvulas en aplicaciones de semiconductores no son solo válvulas industriales con diferentes nombres. Pertenecen a una clase especial de dispositivos de control de fluidos diseñados para prevenir la generación de partículas, reducir la contaminación iónica, resistir productos químicos agresivos y garantizar un rendimiento confiable durante muchos ciclos incluso en las condiciones más difíciles de sala limpia.
Resumen: En la producción de semiconductores, se pueden utilizar varias válvulas. Los tres tipos comunes de válvulas son válvulas de diafragma de alta pureza, válvulas de fuelle de alta pureza y válvulas de bola de alta pureza.
Por qué las válvulas de semiconductores son diferentes de las válvulas industriales o sanitarias estándar
Una válvula industrial está construida para soportar presión y regular el flujo. Existe otro tipo de válvula llamada válvula sanitaria, como las producidas por Eagle Fittings para los sectores alimentario, lácteo y farmacéutico, aunque tiene sus propios requisitos de ser limpiable, drenable y compatible con la FDA; lo que significa que este tipo de válvula debe ser portátil, sin rendijas para la acumulación de alimentos (u otros bienes), pero también resistente a las soluciones ácidas utilizadas en el procesamiento higiénico. Además de cumplir con lo antes mencionado, una válvula de semiconductor presenta un conjunto de requisitos aún más avanzado. En la industria de los semiconductores, los bits de contaminación deben controlarse a un nivel de miles de millones y billones de partes. En términos simples, si bien la válvula utilizada en la industria farmacéutica está hecha de acero 316L, tiene un acabado superficial electropulido de 20 µ-pulgadas Ra e incluye un sellado de EPDM; no significa que se usaría en un sistema de agua ultrapura de semiconductores donde la contaminación iónica se mide en partes por trillón, mientras que el desprendimiento de partículas se expresa en partículas por litro y es igual a 0.05 µm. Los materiales y los acabados de las válvulas de semiconductores, así como la forma en que se ensamblan y prueban, todo eso está determinado por los requisitos de contaminación establecidos por los estándares SEMI.
Eagle Fittings trabaja con acero inoxidable 316L para las industrias de procesos higiénicos. En este caso, el acabado en contacto con el producto es un acabado Ra de 20-32 µ-pulgadas que se logra mediante electropulido. Para la industria de los semiconductores, el 316L debe procesarse mediante VIM/VAR para eliminar contaminantes no metálicos, el acabado superficial debe lograrse en 5-10 µ-pulgadas Ra o mejor, y los elastómeros en las válvulas deben reemplazarse por PTFE o PFA de alta pureza para eliminar materiales contaminados y partículas que podrían ser generadas por un sello seguro de EPDM compatible con la FDA. Para una comprensión más profunda de los fundamentos sobre los que se construyen los materiales de grado semiconductor, nuestra guía sobre acero inoxidable 304 vs 316 explica las diferencias metalúrgicas que hacen del 316L de química controlada el punto de partida para cualquier aplicación de alta pureza.
Los principales tipos de válvulas para semiconductores
Válvulas de diafragma de alta pureza
Una válvula de diafragma de alta pureza es considerada el caballo de batalla del manejo de fluidos en las operaciones de semiconductores. Esta válvula tiene un diafragma flexible, hecho de PTFE o un copolímero de PTFE/PFA. Proporciona aislamiento del líquido de procesamiento del mecanismo actuador y sella contra un vertedero o un cuerpo de válvula de paso recto. Cuando el actuador (manual, neumático o motorizado) aplica presión sobre el diafragma, la válvula se cierra. Cuando se suelta el actuador, el diafragma se eleva y el flujo de fluido se reanuda. El diafragma es el único elemento en el flujo de fluido. Todos los demás componentes, como el actuador o el vástago, están separados del fluido. Este diseño resuelve el problema asociado con la fuga del sello del vástago, que es una fuente de contaminación en el funcionamiento de las válvulas de bola o de globo.
Esta tecnología permite que la válvula funcione durante muchos ciclos sin producir partículas por la fricción del vástago. La válvula de diafragma se utiliza ampliamente en aplicaciones como el suministro de agua ultrapura (UPW), productos químicos a granel (ácido sulfúrico, peróxido de hidrógeno, hidróxido de amonio, etc.) y suspensiones CMP. La válvula de diafragma tiene dos diseños principales: de fuelle y de cuerpo recto. El tipo de actuador puede ser manual, neumático o eléctrico con retroalimentación de posición. El rango de precios habitual de una válvula de diafragma estándar de una pulgada para aplicaciones de semiconductores oscila entre 500 y 1.500 dólares, dependiendo del tipo de cuerpo y el material del diafragma. Los principales fabricantes de este tipo de válvulas son GEMÜ, Swagelok y Entegris, con una variedad de modelos de válvulas de diafragma diseñados para cumplir con los estándares SEMI en cuanto a la generación de partículas, la desgasificación y la contaminación iónica.
Válvulas de fuelle de alta pureza
El fuelle metálico soldado en una válvula de fuelle de alta pureza funciona como un sello de vástago para la atmósfera circundante. El fuelle metálico está hecho de acero inoxidable 316L o Hastelloy. El fuelle soldado está conectado al cuerpo de la válvula en un extremo y al vástago en el otro. El movimiento vertical del vástago hace que el fuelle se comprima y se expanda, asegurando así que no entre atmósfera en el fluido procesado y que ninguna parte del fluido procesado escape a la atmósfera.
A diferencia de las válvulas de empaquetadura, que utilizan elastómeros compresibles de grafito para sellar alrededor del vástago e inevitablemente desprenden polvo durante el movimiento del vástago, las válvulas de fuelle funcionan sin fugas ni partículas causadas por el sellado del vástago. Las válvulas de fuelle se utilizan comúnmente en el manejo de sustancias gaseosas de alta pureza, como nitrógeno a granel, argón y helio, así como gases especializados utilizados en procesos como la deposición, el grabado y el dopaje. Aunque cuestan más que las válvulas de diafragma del mismo tamaño y tienen una vida útil limitada debido al hecho de que el fuelle se deteriora con el tiempo, son el tipo de válvula preferido en aplicaciones de suministro de gas.
Válvulas de bola de alta pureza
La válvula de bola de alta pureza encuentra su aplicación en sistemas de semiconductores en aquellos casos en que es imperativa una interrupción instantánea de un cuarto de vuelta y donde la válvula no se encuentra en el flujo directo del producto de los procesos más sensibles a la contaminación. La bola y los asientos en esta aplicación están hechos de PTFE o PFA según se requiera; el cuerpo de la válvula debe estar construido de acero inoxidable 316L con una superficie interna electropulida; y el sello del vástago suele ser un empaquetadura de PTFE o un sello de chevron de PTFE precargado.
Estas válvulas son adecuadas para su instalación en líneas de retorno de UPW no críticas, agua de refrigeración, aire comprimido y aplicaciones de aislamiento de gases a granel. Las válvulas de bola de alta pureza no se pueden utilizar en los procesos de suministro de productos químicos más sensibles a la contaminación, ya que el sello del vástago puede generar partículas contaminantes. El coste de una válvula de bola de alta pureza de 1 pulgada oscila entre 150 y 400 dólares; una versión con actuador neumático costará entre 400 y 1.000 dólares. En las industrias de procesos sanitarios atendidas por Eagle Fittings, la válvula sanitaria con diseño de tres piezas y conexión Tri-Clamp realiza la misma función con una capacidad de drenaje y facilidad de desmontaje comparables a las que se requieren en las industrias alimentaria y farmacéutica.
Válvulas de retención de alta pureza
Una válvula de retención de alta pureza permite el flujo unidireccional mientras bloquea el reflujo que podría contaminar los dispositivos o áreas aguas arriba de un sistema de alimentación química. Existen varias aplicaciones para las válvulas de retención en tecnologías de semiconductores, como: en la descarga de bombas de transferencia de productos químicos, en líneas de gas para evitar el reflujo y en líneas de retorno de UPW. El mecanismo de sellado puede ser un obturador de PTFE o PFA accionado por resorte o una bola de PTFE con una presión de apertura muy baja, hasta 0,5 psi. Generalmente se fabrica con acero inoxidable 316L o, posiblemente, con PTFE o PFA de alta pureza, según el entorno químico en el que se utilice la válvula. Para aplicaciones de semiconductores, el criterio de rendimiento más importante es su capacidad para formar sellos estancos a las burbujas sin efecto de fuga inversa y garantizar que no se genere ninguna partícula en las condiciones de apertura y cierre. Una válvula de retención de PTFE de alta pureza de 1 pulgada cuesta entre 200 y 600 dólares. Nuestra guía sobre cómo funcionan las válvulas de retención sanitarias explica los principios de funcionamiento comunes tanto a las válvulas de retención higiénicas como a las de alta pureza.
Reguladores de presión
Un regulador de presión de alta pureza recibe una presión de entrada muy variable y produce una presión de salida baja y estable. Estos dispositivos son imprescindibles para cada línea de gas utilizada en la fabricación de semiconductores que es responsable de suministrar nitrógeno a granel, argón de procesamiento, así como gases de grabado y deposición, y para líneas químicas donde el control de presión es crucial. El regulador de grado semiconductor utiliza diafragmas metálicos hechos de 316L o Hastelloy o un diafragma de PTFE, tiene un interior electropulido, que se fabrica y prueba en un entorno de sala limpia y se empaqueta de una manera que protege la limpieza de la superficie hasta la instalación. El precio de un regulador de alta pureza de una sola etapa utilizado para gas semiconductor oscila entre 300 y 800 dólares, mientras que un regulador de doble etapa cuesta entre 600 y 1.500 dólares.
Materiales de construcción: De qué está hecha una válvula de semiconductor
Al elegir los componentes mojados de una válvula de semiconductor, se debe considerar su compatibilidad con los fluidos, así como su potencial de contaminación a través de la generación de partículas y la lixiviación de metales. Por lo tanto, el acero inoxidable 316L es el material estándar para la construcción de válvulas debido a sus niveles de inclusiones más bajos y su acabado superficial electropulido. Es una aleación de acero producida mediante el proceso de refusión VIM/VAR que garantiza la menor cantidad posible de inclusiones. También está mejorado con óxido de cromo para la estabilidad de la capa pasiva y tiene un acabado superficial liso. Cuando se encuentran en un ambiente corrosivo, las juntas, los asientos y las conexiones de los extremos de las válvulas están hechos de PTFE, PFA y PTFE modificado. En aplicaciones donde no se puede aplicar PTFE, los componentes del cuerpo de la válvula pueden ser de PTFE o PFA, de modo que el fluido no entre en contacto con los componentes metálicos. Si bien los elastómeros comunes como el EPDM y el Viton se utilizan generalmente en aplicaciones higiénicas, no se pueden considerar en la industria de los semiconductores, ya que estos materiales son altamente extraíbles y producen partículas debido al envejecimiento y la flexión.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre una válvula de semiconductor y una válvula sanitaria?
Las válvulas sanitarias están destinadas al procesamiento de alimentos, productos lácteos o farmacéuticos, donde el producto se consume o se inyecta. Por lo tanto, deben ser limpiables mediante CIP, drenables y conformes a la FDA, con un acabado superficial de 20 a 32 µ-pulgadas Ra. Por el contrario, las válvulas de semiconductores son necesarias para agua ultrapura, productos químicos y gases utilizados en contacto con obleas de silicio. Por lo tanto, las válvulas de semiconductores deben cumplir límites de contaminación más estrictos, como un acabado superficial de 5 a 10 µ-pulgadas Ra, acero inoxidable 316L VIM/VAR, sellos de PTFE/PFA en lugar de sellos de elastómero y montaje en sala limpia. Una válvula sanitaria no puede funcionar en una aplicación de semiconductores, mientras que una válvula de semiconductores está sobredimensionada para procesos alimentarios o farmacéuticos.
¿Cuál es el tipo de válvula más común en los sistemas de UPW de semiconductores?
La válvula de diafragma de alta pureza es el tipo de válvula principal que se utiliza en los sistemas de agua ultrapura. Proporciona cero fugas en el vástago, millones de ciclos con muy pocas partículas y aísla el fluido del actuador. Se pueden utilizar configuraciones de cuerpo recto y de vertedero según los parámetros de flujo y el espacio disponible.
¿Por qué se utilizan válvulas de fuelle en la entrega de gases semiconductores?
Las válvulas de fuelle ofrecen un suministro de válvula hermético soldado completo que evita que la contaminación del aire entre en el circuito de gas y que el gas de proceso se escape a la atmósfera. No se producen partículas por el movimiento del vástago, lo cual es esencial en gases de alta pureza utilizados para grabado, deposición y dopaje.
¿Qué normas rigen las válvulas para semiconductores?
Las directrices SEMI son establecidas por SEMI para describir las normas relativas a la generación de partículas, la desgasificación, la contaminación iónica, el acabado de la superficie y la química de los materiales en los componentes utilizados en la producción de semiconductores. Las normas SEMI más relevantes con respecto a las válvulas son SEMI F57 (agua con un nivel de pureza del 99,998% o superior), SEMI F20 (suministro de productos químicos) y SEMI F83 (suministro de gas). El cumplimiento de los requisitos de SEMI es imprescindible para cualquier válvula instalada en una planta de fabricación de semiconductores.
Referencias
- SEMI — Estándares para equipos y materiales de fabricación de semiconductores. La asociación industrial global que publica los estándares que rigen la generación de partículas, la desgasificación y la contaminación iónica para todos los componentes utilizados en la fabricación de semiconductores.
- GEMÜ — Válvulas de alta pureza para aplicaciones de semiconductores. Fabricante alemán de válvulas de diafragma, fuelle y globo para agua ultrapura, suministro de productos químicos y distribución de gas en fábricas de semiconductores.
- Swagelok — Componentes de sistemas de fluidos de alta pureza. Fabricante de válvulas de fuelle de alta pureza, válvulas de diafragma, válvulas de retención y reguladores de presión para la fabricación de semiconductores y productos electrónicos.
- Entegris — Soluciones de manejo de fluidos para la fabricación de semiconductores. Fabricante de válvulas, accesorios y sistemas de suministro de productos químicos de alta pureza para los procesos de semiconductores más sensibles a la contaminación.
Los tipos de válvulas para semiconductores —diafragma, fuelle, bola, retención y reguladores— comparten un imperativo de diseño común: deben controlar el flujo de fluidos ultralimpios sin contaminarlos. Una válvula de diafragma aísla el fluido del actuador y realiza millones de operaciones sin generar partículas. Una válvula de fuelle proporciona un sello hermético para gases de alta pureza. Una válvula de retención evita el reflujo sin introducir una fuente de contaminación. Cada válvula en una fábrica de semiconductores se selecciona no solo por su capacidad de flujo y su clasificación de presión, sino por su contribución a la pureza de partes por mil millones que exige la oblea de silicio. Para las industrias de procesos higiénicos, Eagle Fittings fabrica válvulas sanitarias —válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de retención— según los estándares 3-A y BPE que requieren los procesos alimentarios y farmacéuticos. Los estándares de la industria de semiconductores son diferentes, y sus válvulas son diferentes, pero el principio es el mismo: la válvula que controla el fluido debe ser tan limpia como el fluido que transporta.
