>>> В данной статье речь пойдет о том, каким образом обеспечить подачу чистых газов для различных производственных процессов, предъявляющих особые требования к среде.

В современном мире существует множество отраслей промышленности, где для производства используются среды повышенной чистоты: медицина, фармацевтика и полупроводниковая промышленность.

Что входит в понятие чистоты среды? Согласно ГОСТ Р 50555-93, можно вести подсчет примесей масла, воды, газов, механических частиц или даже учитывать размер этих частиц. Однако самое простое условное разделение можно привязать либо к количеству всех примесей по отношению к полезному веществу, либо, наоборот, к процентному содержанию полезного вещества в объеме. Когда речь идет о чистых газах, этот показатель приравнивается к количеству девяток (до и после запятой) в процентном содержании полезного вещества. Например, азот чистотой 5,0 содержит 99,999% азота и 10 ppm (0,001%) примесей.

Если последняя цифра концентрации примеси не 9, то она попадает в обозначение чистоты после запятой. Так, если в чистом азоте 0,0005% примесей, то обозначение чистоты будет 5,5

Чем же опасны примеси и как чистота используемого газа влияет на технологический процесс производства? Обеспечение чистого производства — это целый комплекс мер, подразумевающий установку специального оборудования.

Как правило, на производственной площади выделяются чистые зоны, разграниченные специальными стенками и оборудованные системами наддува и фильтрации воздуха рабочей зоны. Все это делается для того, чтобы частицы примесей не нарушили равномерность важного производственного этапа, а также не повлияли на качество конечного продукта.

Например, когда выращивают полупроводниковый кристалл, попадание на его зеркальную поверхность частички размером даже 0,5 мкм (500 нм) неизбежно приведет к браку при создании микросхемы, так как ее элементы имеют размер порядка 50 нм.

Неконтролируемое попадание примесных атомов в структуру кристалла также может привести к нежелательным точечным дефектам

Кроме контроля чистоты окружающего воздуха очень важно обеспечить чистоту подаваемых на производственный процесс газов: здесь могут быть самые разнообразные газы и их смеси, начиная от продувочных инертных и заканчивая ядовитыми, горючими и опасными веществами. Качество трубопроводов и конструкция запорно-регулирующей арматуры напрямую влияет на сохранение чистоты этих сред, поэтому при выборе компонентов нужно четко понимать, какая чистота газов будет внутри трубопроводов системы.

Усредненная степень чистоты газов для разных отраслей:

• 99,99999% Производство микроэлектроники
• 99,9999% Химический анализ (хроматография, масс- спектрометрия)
• 99,995% Лазеры
• 99,995% Клиническая диагностика
• 99,99% Фармацевтика
• 99,9% Пищевая промышленность

Перечислим основные свойства материалов и конструкций, способные в той или иной степени повлиять на чистоту газа:

1. Шероховатость поверхности трубопроводов и клапанов влияет на удержание и последующее выделение молекул веществ и твердых частиц. Шероховатость провоцирует эпитаксию склонных к этому веществ, потому что торчащие выступы становятся центрами кристаллизации. Кроме того, более гладкая поверхность менее склонна к коррозии.
2. Пористость полимерных материалов — наличие остатков производства этих полимеров, поглощение порами газов с последующей дегазацией и общая газопроницаемость эластомеров.
3. Резьбовые, фланцевые и прочие разъемы — микроскопические зазоры между деталями, в которые может проникать среда либо воздух из окружающей атмосферы.
4. Сальники запорной арматуры не позволяют герметично разделить среду и окружающий воздух, что приводит к натеканию вдоль штоков/сальников.
5. Трущиеся детали регуляторов и клапанов в процессе износа могут порождать твердые частицы, способные загрязнить систему изнутри.
6. Наличие застойных зон (мертвых зон) в арматуре, обусловленное конструкцией, может не позволить полностью, без остатка, откачать из системы скопившуюся там среду, что приведет к выбросу части этой среды в основной объем при последующих операциях.

Примеси, привносимые в силу этих явлений, могут быть не настолько ощутимы, чтобы повлиять на такую степень чистоты как 5,0 или 4,0. Поэтому зачастую можно смело применить и резиновые уплотнения, и сальниковые клапаны, и латунные фитинги, и любые другие изделия, подходящие вашей рабочей среде по герметичности и химической совместимости. Разумеется, все будет зависеть от качества сборки, внутреннего объема системы и общего количества соединений. Если соединений много, то суммарное натекание может превысить допустимые показатели.

В современных реалиях не существует единого для всех отраслей критерия необходимости применения тех или иных компонентов, так как технические условия у всех разные. Тем не менее, есть рекомендации, которые мы сейчас разберем, опираясь на опыт наших заказчиков.

Для чистоты газов 6,0 (99,9999%) настоятельно рекомендуется в регуляторах давления отказаться от резиновых мембран, потому что они газопроницаемые. Хорошо подойдут регуляторы с нержавеющей мембраной или регуляторы поршневого типа. Также не рекомендуется применять медную трубу и конические трубные резьбы, собираемые на ФУМ-ленте.

Повлиять на чистоту 6,0 может и фторопластовая труба, в том числе, входящая в состав рукавов высокого давления, так как фторопласт пористый проницаемый материал и может “газить”. Вместо рукавов высокого давления для обеспечения гибких подводок можно применить металлорукава или тонкие нержавеющие трубки в форме спиральных гармошек, именуемые в народе “pig-tail”.

Полностью отказаться от трубных резьб при такой чистоте довольно сложно, так как регуляторы давления и манометры — а это целый класс оборудования — изготавливаются в основном с резьбами. Однако там, где можно, вместо резьбы лучше применить обжимной фитинг или орбитальную сварку.

Чистота среды 7,0 (99,99999%) подразумевает полное исключение трубных резьб, «грязных» металлов и полимеров, а также сальниковых клапанов. Существует требование по шероховатости внутренних поверхностей нержавеющей трубы и арматуры: поверхность должна быть гладкая, с шероховатостью не более 0,25, что можно обеспечить высокопрецизионной механической обработкой или электрохимической полировкой.

Организация подачи газов на производстве микроэлектроники

Фитинг ZCR в сборе

В такой ситуации допускается соединения трубопроводов, выполненные орбитальной сваркой. Однако невозможно собрать систему полностью только при помощи сварочного аппарата — в любом случае будут узлы, которые нужно обслуживать или заменять, а также труднодоступные элементы системы, под которые потребуется делать разъемы. Специально для таких систем разработаны разъемные соединения типа VCR, имеющие в каталоге Флюид-Лайн обозначение ZCR.

Данные разъемы позволяют обеспечить многоразовое соединение элементов трубопроводов с минимальной утечкой или натеканием по поверхности сопряжения. Резьбы, используемые в данном разъеме, не контактируют со средой. Как показано на фото фитинга в разборе, уплотнение обеспечивается специальной прокладкой из мягкого металла, зажимаемой между двумя симметричными тороидальными поверхностями (шипами), расположенными на ответных фланцевых торцах.

Такие VCR подсоединения широко применялись еще компанией Swagelok, однако Флюид-Лайн занимается производством и поставкой аналогичных соединений под маркой ZCR. По сути, это одни и те же соединения, полностью взаимозаменяемые, чего не скажешь о других стандартах чистых, но менее популярных подключений, таких как Fujikin.

Почему соединения VCR превосходят обычные обжимные фитинги? Первое преимущество — отсутствие застойных зон и отсутствие контакта среды с резьбами. Только внутренние поверхности фланцев и металлическая прокладка контактируют со средой.

Второе преимущество — скользящие гайки, которые позволяют собирать два фланца, исключая вращательное движение по прокладке. Это очень важно, потому что иначе будут образовываться задиры на металле, произойдет нарушение герметичности и в систему попадут частички металла.

Третья особенность конструкции — это наличие отверстий для замера утечки. Даже при соблюдении всех правил сборки такого соединения необходимо проводить проверку гелиевым течеискателем. Специальные отверстия в гайке с внутренней резьбой позволяют получить прямой доступ к потенциальному месту натекания.

К недостаткам конструкции можно отнести требования к сборке таких систем. Быструю сборку невозможно осуществить при помощи гаечного ключа, и чтобы соединить отдельные элементы разъема с трубой, необходимо использовать орбитальную сварку.

Несмотря на трудоемкий монтаж, соединения ZCR получили широкое применение в полупроводниковой промышленности, и на данный момент ни одно подобное производство, так или иначе, без этих соединений не обходится: они применяются и в газоразрядных рампах, и в системах дозированной подачи среды, и в вакуумных камерах. Соединения ZCR успешно применяются как на избыточное давление (до 35 МПа), так и на высокий вакуум. Параметр натекания при этом 4х10^–9 Нсм³/с.

Существует несколько вариантов шероховатости внутренних поверхностей фитингов ZCR. По умолчанию это RA 25, но опционально доступны 10 и 5 микрон. Также стоит обратить внимание на материал и форму прокладок ZCR: они бывают без фиксатора и с фиксатором, позволяющим монтировать соединение горизонтально. Герметичность соединения достигается уплотнением «металл-по- металлу», при этом прокладка может быть нержавеющей, с серебряным покрытием или полностью из никеля.

Не менее сложно обстоят дела с клапанами под чистые среды. Обычные шаровые краны и игольчатые вентили не подходят для таких задач, потому что у них есть сальниковые уплотнения вдоль штоков. К сожалению, ни одно сальниковое уплотнение не может долговременно и гарантировано обеспечить хорошую герметичность, потому что неизбежно вдоль штока по сальнику будет просачиваться среда.

Мембранные клапаны с VCR подсоединением

Чтобы избежать проблем, порождаемых сальниковыми клапанами, следует отказаться от вращающихся штоков в пользу поступательного движения запорного элемента, а также герметичного разграничения камер с рабочей средой и с окружающим воздухом. Такая технология реализована в мембранных и сильфонных клапанах.

Запорный элемент, контактирующий со средой, прижимается к седлу либо посредством кулачка сквозь мембрану, либо шарнирно через сжимающийся цельносварной сильфон. В свою очередь, сильфон или мембрана по краям неподвижно зафиксированы в корпусе, что позволяет получить надежное герметичное уплотнение «металл-по-металлу».

Стоит отметить, что внутренние поверхности таких клапанов также изготавливаются с минимальной шероховатостью или имеют электрохимическую полировку. Для герметичного уплотнения по седлу (по проходу), как правило, используется чистый полимер PCTFE (полихлортрифторэтилен), выгодно отличающийся от родственного ему PTFE (политетрафторэтилен) повышенной плотностью, отсутствием пористых включений и следов химических веществ, загрязняющих полимерную деталь в процессе изготовления.

По химической совместимости PCTFE практически не уступает PTFE и подходит для большинства этапов производства микроэлектроники. При производстве сильфонных и мембранных клапанов Флюид-Лайн учитывается потребность в минимизации паразитного объема системы и сглаживании потоков среды.

Микронные фильтры и регулятор давления под чистые среды

Бессальниковый клапан также может быть оснащен встроенным однопоршневым кулачковым пневмоприводом для автоматизации процесса управления. Технические возможности сильфонных и мембранных клапанов продиктованы сферой их применения, некоторые импортные модели, такие как TKSCT, способны работать при давлении среды почти 25 МПа.

В современной промышленности существует великое множество узкоспециализированного оборудования под сверхчистые среды: это регуляторы давления, микронные фильтры, обратные клапаны и прочее. Все такие изделия должны отвечать общим требованиям к шероховатости внутренних поверхностей и иметь чистую двойную (а иногда и тройную) упаковку.

Вот уже 15 лет, со дня своего основания, компания Флюид- Лайн занимается поставками и производством оборудования под чистые среды и имеет в этой сфере большой опыт.

Внутреннее строение мембранного клапана

Если Вы нуждаетесь в подборе и приобретении арматуры для своего производства, специалисты компании Флюид- Лайн окажут Вам консультационную помощь и оперативно доставят оборудование со склада в Москве в любую точку страны.

>>> АВТОР СТАТЬИ
Калашников А. С., продукт менеджер ООО «Флюид-Лайн»