Wie sich die Betriebskosten in der Halbleiterfertigung durch eine fachgerechte Schlauchinstallation senken lassen

Kleine Anpassungen bei der Schlauchinstallation können große Einsparungen in der Halbleiterfertigung bewirken

Ein präzises Temperaturmanagement ist für die Halbleiterproduktion entscheidend. Die chemischen Reaktionen bei der Atomlagenabscheidung (ALD), der Atomlagenätzung (ALE) und anderen Prozessen zur Herstellung funktionsfähiger Wafer sind häufig stark exotherm. Ohne exaktes Temperaturmanagement können sowohl die Schichtdicke als auch die Prozesseffizienz beeinträchtigt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen müssen die Wafer und die zur Herstellung verwendeten Anlagen außerdem ausreichend gekühlt werden, um Schäden zu vermeiden.

Elektrostatische Chucks in den Prozesskammern der Halbleiterfertigungsanlagen werden mit einem temperaturregulierenden Medium versorgt, um die Wafer zu kühlen und Betriebsstörungen vorzubeugen. Wie kosteneffizient diese Systeme arbeiten, hängt jedoch maßgeblich von den Komponenten außerhalb der Anlage ab – insbesondere von den Sub-Fabs, in denen die Einheiten für das Temperaturmanagement (oder „Kühler“) untergebracht sind, und von den Schläuchen, die die ständig laufenden Anlagen im Fertigungsbereich mit kalten Fluiden versorgen.

Die Effizienz dieser sogenannten thermischen Kreisläufe, bei denen Fluide von Anlagen über Schläuche zu Kühlern und wieder zurückgeführt werden, hat erhebliche Auswirkungen auf die Profitabilität eines Halbleiterwerks. Anlagenstillstände infolge von Kühlerstörungen oder notwendigen Reinigungsarbeiten bei Kondenswasserbildung an Schläuchen im Sub-Fab können zu erheblichen Produktivitätsausfällen führen. Aber selbst ohne Ausfallzeiten treiben unsachgemäße Isolierungen sowie eine fehlerhafte Schlauchinstallation oder -führung die Energiekosten deutlich in die Höhe, was sich wiederum spürbar auf die Betriebskosten auswirkt.

In diesem Artikel erklären wir, wie sich Fehler bei der Schlauchinstallation und -führung in der Halbleiterfertigung vermeiden lassen. In diesem Artikel finden Sie weitere Informationen dazu, wie Sie mit korrekt isolierten Schläuchen gängige Herausforderungen in der Halbleiterfertigung meistern. Weitere Informationen dazu, wie Sie die Produktionsleistung bei der Wafer-Fertigung durch ein ausgeklügeltes Temperaturmanagement optimieren, finden Sie in diesem Artikel.

Best Practices für die Installation und Führung isolierter Schläuche in der Halbleiterfertigung

Eine gängige Lösung bei starken Temperaturunterschieden zwischen Kühler und Anlage besteht darin, die Isolierung zu verstärken oder andere Schläuche einzusetzen. Doch dies führt nicht immer zum Erfolg. In manchen Fällen liegt das Problem tatsächlich an einer unzureichenden Isolierung oder einer ungünstigen Schlauchauswahl. Der Einsatz einer Aerogel-Isolierung mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder von vakuumisolierten Metallschläuchen kann hier dazu beitragen, Energieverluste zu minimieren – auch bei extremen Temperaturunterschieden zwischen Fluid und Betriebsumgebung. In anderen Fällen lässt sich eine unzureichende Schlauchleistung unabhängig von der Isolierung jedoch auf die Art der Installation und die Schlauchführung zurückführen. Auch wenn der Platz in der Halbleiterfertigung oftmals begrenzt ist, müssen die Best Practices für Schlauchinstallation und -führung so konsequent wie möglich umgesetzt werden, um eine optimale Produktleistung sicherzustellen.

Überlegungen zur Installation und Auslegung von Schläuchen

Durch die Schlauchauslegung und -installation kann die Temperaturstabilität der darin beförderten Fluide beeinflusst werden. Ein Beispiel hierfür sind Endanschlüsse. In manchen Fällen kann es zur Vermeidung von Kondensation erforderlich sein, ungeschützte Endanschlüsse zusätzlich zu isolieren, selbst wenn der restliche Schlauch bereits isoliert ist. Außerdem müssen die Endanschlüsse korrekt installiert werden, um ungewollte Leckagen oder eine unerwünschte Wärmeübertragung zu verhindern.

Die Endanschlüsse isolierter Schläuche können je nach Ausführung variieren. Bei vakuumisolierten Schläuchen der Serie FV von Swagelok^® sowie bei bestimmten Schläuchen mit Y-Isolierung bestehen die Endanschlüsse beispielsweise aus weichgeglühten Rohrstutzen. Diese Rohrstutzen können per Stumpfschweißung mit Schnellkupplungen, VCR-Verbindungen mit Metalldichtung oder Rohrverbindungen von Swagelok^® mit anderen Komponenten oder Ausrüstungsteilen verbunden werden. Bei Verwendung von Swagelok-Rohrverschraubungen sollten Sie unbedingt die Installationsanweisungen befolgen, um Leckagen oder eine unerwünschte Wärmeübertragung zu vermeiden. Siehe Abbildung 1 für detaillierte Anweisungen zur Installation.

 
Das Rohr vollständig in die Verschraubung einstecken, sodass es auf der Schulter aufliegt. Anschließend die Mutter fingerfest anziehen.

 
Die Mutter auf der 6-Uhr-Position markieren.

Verschraubungskörper in Position halten und die Mutter um eine Eineinviertel-Umdrehung bis zur 9-Uhr-Position festziehen.

 

Abbildung 1: Installation von Swagelok-Rohrverschraubungen

Da es sich hier um die Erstinstallation handelt, kann mithilfe der Swagelok-Prüflehre sichergestellt werden, dass die Rohrverschraubung fest genug angezogen wurde. Siehe Abbildung 2 unten.

Schläuche mit einem Durchmesser von mehr als 1 Zoll werden in der Regel mit vorgefertigten Muttern und Klemmringen geliefert. Vorgefertigte Muttern mit einem Durchmesser von über 1 Zoll müssen um eine halbe Umdrehung angezogen werden.

Überlegungen zur Schlauchführung

Unabhängig von der Auslegung kann auch die Schlauchführung innerhalb einer Anlage einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit haben. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Medium im Schlauch extrem kalt oder heiß ist. In solchen Fällen kann es allein aufgrund der Schlauchführung zu Kondensation oder zur Bildung von Hotspots kommen. Im Folgenden finden Sie einige Best Practices, um Probleme im Zusammenhang mit der Schlauchführung zu vermeiden.

Mindestlänge für gerade Schlauchabschnitte: Die in den Produktkatalogen angegebenen Mindestlängen für gerade Schlauchabschnitte sollten stets eingehalten werden. Werden Schläuche zu nahe an den Endanschlüssen gebogen, kann dies zu Schlauchschäden, Leckagen oder einem Schlauchbruch führen, wodurch sich die Lebensdauer deutlich verkürzt.

Falsch 

Korrekt  

Falsch 

Korrekt 

Abbildung 3: Mindestlänge für gerade Schlauchabschnitte – Beispiele für richtige und falsche Ausführung

Mindestbiegeradius einhalten: Ebenso sind die in den Produktkatalogen angegebenen Mindestbiegeradien zu beachten. Bei einer zu starken Biegung kann es zu Knicken im Schlauch kommen, wodurch sich die Lebensdauer des Schlauchs verkürzt. Außerdem wird beim Biegen die Schlauchisolierung gedehnt bzw. zusammengedrückt, was sich negativ auf die Leistungsfähigkeit auswirkt.

Auf der Außenseite einer Biegung wird die Isolierung gedehnt und dünner 

 

Auf der Innenseite einer Biegung wird die Isolierung zusammengedrückt

Abbildung 4: Mindestbiegeradius – Auswirkungen auf die Isolierung

Auslegung zur Vermeidung von Schlauchbelastungen: Eine Schlauchbelastung kann auf natürliche Weise auftreten, z. B. wenn ein Schlauch durch die Schwerkraft nach unten gezogen wird. Hierbei kommt es zu einer Belastung in der Nähe der Verbindungsstelle. Mithilfe von Winkelverschraubungen und Adaptern können diese Belastung minimiert oder vermieden werden, insbesondere an den Endanschlüssen. Gegebenenfalls ist nach der Installation einer Winkelverbindung oder eines Adapters eine andere Schlauchlänge erforderlich. Eine entsprechende Systemauslegung, die Schlauchbelastungen entgegenwirkt, trägt jedoch maßgeblich zur Langlebigkeit eines Schlauchs bei.

 

 
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Korrekt

Abbildung 5: Schlauchbelastung – Beispiele für richtige und falsche Ausführung

Biegen in der Ebene: Achten Sie darauf, dass der Schlauch beim Biegen nicht verdreht wird. Biegen Sie Schläuche nur in einer Ebene, um unnötige Belastungen zu verhindern. Bei komplexeren Biegungen sollten mehrere Schlauchsegmente oder andere Isolierungsmethoden eingesetzt werden.

 

 
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Abbildung 6: Biegen in Ebenen – Beispiele für richtige und falsche Ausführung

Ausreichender Abstand: Werden Schläuche für kalte oder heiße Fluide zu nah beieinander verlegt, kann sich das auf die Oberflächentemperatur der Schläuche auswirken, da zwischen den Schläuchen kein ausreichender Luftstrom mit Umgebungstemperatur vorhanden ist. Werden kalte Schläuche zu eng beieinander verlegt, kann ihre Oberflächentemperatur unter den Taupunkt absinken und es kommt zu Kondensation. Liegen heiße Schläuche zu nah beieinander, können sich Hotspots bilden, die über den zulässigen Temperaturgrenzen liegen.

Je geringer der Abstand (d) zwischen den Schläuchen ist, desto näher liegt die Lufttemperatur (T_ambient) zwischen den Schläuchen an der Temperatur der im Schlauch geführten Medien (T_m). Allgemein wird empfohlen, bei isolierten Schläuchen (z. B. mit Y-Isolierung von Swagelok) einen Abstand von mindestens dem Dreifachen des Außendurchmessers einzuhalten, um Kondensation zu vermeiden. Ist dies aufgrund eingeschränkter Platzverhältnisse nicht möglich, können Abstandhalter zwischen den Schläuchen angebracht werden. Selbst wenige Zentimeter Abstand können das Temperaturmanagement deutlich verbessern!

Erfahren Sie mehr über die richtige Verlegung von Schläuchen

Warum ist die korrekte Installation von Schläuchen in der Halbleiterfertigung so wichtig?

Auch wenn Schläuche im Vergleich zu anderen Hightech-Komponenten in der Halbleiterfertigung eher nebensächlich wirken, kann die richtige Auswahl, Installation, Verlegung und Wartung einen erheblichen Einfluss auf die Produktionsleistung haben. Das folgende Beispiel verdeutlicht den Unterschied, den Schläuche ausmachen können:

• Die Prozesskammer einer Anlage muss mit einer Kühlflüssigkeit bei –20 °C versorgt werden. Sind die Schläuche zwischen Kühler und Kammer jedoch nicht korrekt isoliert, installiert oder verlegt, muss der Kühler eventuell überkompensieren und auf –25 °C eingestellt werden, damit das Fluid mit –20 °C in der Prozesskammer ankommt. Fließt dieses Fluid anschließend zurück zum Kühler, hat es sich möglicherweise auf –17 °C erwärmt – eine Differenz von Δ5 °C, die der Kühler ausgleichen muss.
• Bei Kosten von 0,13 US-Dollar pro Stunde für eine erforderliche Kühlleistung von 1 °C und einer angenommenen Laufzeit des Kühlers von 52 Wochen im Jahr belaufen sich die Energiekosten pro Kühler und Jahr auf 5.600 US-Dollar.
• Wenn ein Werkzeug mit 10 Kühlern ausgestattet ist, betragen die jährlichen Energiekosten für die Kühlung eines Werkzeugs insgesamt 56.000 US-Dollar. Sind 100 solcher Werkzeuge in der Fertigung im Einsatz, belaufen sich die Energiekosten allein für die Kühlung auf 5,7 Millionen US-Dollar pro Jahr.
• Bei einer ordnungsgemäßen Isolierung, Installation und Verlegung der Schläuche kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Ausgang des Kühlers jedoch realistisch auf Δ1 °C gesenkt werden.
  

Unter diesen Bedingungen reduzieren sich die Kosten für die Kühlung von 100 Werkzeugen auf rund 1,1 Millionen US-Dollar pro Jahr – das entspricht einer jährlichen Einsparung von 4,6 Millionen US-Dollar, allein durch geringere Energiekosten!

Wenn Best Practices bei der Auswahl, Installation und Verlegung von Schläuchen in der Halbleiterfertigung beachtet werden, ergeben sich neben den Energieeinsparungen viele weitere Vorteile, darunter geringere Wartungskosten, eine längere Lebensdauer der Komponenten, potenziell längere Betriebszeiten und eine bessere Produktionsleistung. Wenn Sie Hilfe bei der Optimierung Ihrer Prozesse rund um Schläuche benötigen, sind Sie bei Swagelok genau richtig. Unsere Ingenieure unterstützen Sie bei der Produktprüfung und -auswahl, erstellen Energieaudits Ihrer thermischen Kreisläufe und bieten verschiedene Beratungsservices zum Thema Schläuche. Erfahren Sie von einem Experten, wie Sie durch einen neuen Ansatz im Bereich Schlauchmanagement Kosten senken und die Produktivität steigern können.

Lassen Sie sich von einem Schlauchexperten beraten