Сборка узлов
Сборка узлов должна производиться или в чистом помещении, или в помещении с зонами однонаправленного воздушного потока, чтобы обеспечить чистоту воздушной среды в области открытого конца трубы. Следует стремиться обеспечить условия, соответствующие классу 10 ООО или более высокому уровню чистоты. Вне чистой воздушной среды все открытые концы деталей должны быть закрыты. Персонал, работающий внутри чистого помещения, должен носить специальную технологическую одежду и обувь и, кроме того, использовать непылящие защитные перчатки при работе с материалами и компонентами системы. Основная идея, которая должна быть принята для этой части работы, заключается в том, что «намного проще сохранить внутренние поверхности чистыми, чем очистить их, когда они загрязнены».
(b) Общая сборка
Все открытые концы сборочных единиц должны быть закрыты и загерметизированы в пластиковую упаковку вплоть до ее вскрытия на участке, где все элементы должны быть соединены с основной системой. Этот участок должен поддерживаться в условиях максимально возможного уровня чистоты, чтобы свести к минимуму возможные загрязнения. В некоторых случаях (если сварка компонентов проводится на месте) можно использовать портативную установку очистки воздуха с НЕРА-фильтрами. Однако ограничение по габаритам и близость к другим технологическим трубопроводам большого диаметра могут препятствовать ее применению для многих конструкций.
При проведении любых сварочных работ должна поддерживаться необходимая скорость подачи чистой среды в течение достаточного времени, чтобы гарантировать отсутствие застойных зон около участка сварки. Чтобы определить это время, может быть полезным применение портативного анализатора кислорода.
Posts Tagged ‘воздух’
Финишная обработка поверхности нержавеющей стали Как описывалось выше, коррозионная стойкость нержавеющих сталей обусловлена пассивирующим воздействием обогащенной окисью хрома пленки, которая образуется самопроизвольно на воздухе или еще быстрее в воде. Любое повреждение пассивирующей пленки совершенно очевидно приводит к коррозии. Это может проявляться в виде локальных раковин или более обширных пятен (изменений цвета) - часто похожих на продукты коррозии железа (так называемый «феномен крокуса»). В системах чистой воды общие потери металла из-за этого явления фактически не вызывают серьезных проблем, связанных с повреждениями или выходом из строя элементов систем трубопроводов, но процесс такой коррозии может стать недопустимым источником загрязнений конечного фармацевтического продукта или электронного устройства. Производственные процессы могут вносить свой вклад в аналогичные коррозионные проблемы как за счет нарушения или повреждения пассивирующей пленки, так и за счет других поверхностных воздействий и повреждений. К таким проблемам относятся:
• Глубокие царапины, вдоль которых во время эксплуатации может развиваться коррозия;
• Вкрапленные частицы железа, появляющиеся при использовании стальных проволочных щеток. Эти частицы впоследствии сами будут подвергаться коррозии и инициировать коррозию лежащего ниже слоя нержавеющей стали;
• Накопление и пришлифовка (вкрапление в металл) абразивных включений (обломков, осколков);
• Сварка, которая может оставить окалину от электродов, следы воздействия дуги (кратеры), брызги от сварки, цвета побежалости - все это может стать причиной повреждения защитной пленки и возникновения дефектов в виде трещин;
• Наличие органических загрязнений, таких как жир, масло, следы маркировки краской или мелом, а также липкая лента могут способствовать возникновению питтинговой или щелевой коррозии.
Изложенное выше указывает на то, что процедуры послемонтажной очистки должны являться частью надлежащей производственной практики. И в качестве меры предосторожности покупателю следует включать этот пункт в контракт. Возможные методы очистки обсуждаются ниже.
В процессе производства интегральных схем полупроводниковые пластины требуют обработки различными кислотами, такими как серная, фтористоводородная, дымящая азотная и соляная кислота. Другой агрессивной жидкостью, с которой приходится иметь дело, является перекись водорода. Критическое требование, на основе которого производят выбор труб для таких жидкостей - предотвращение коррозии или деструкции труб. Оно выдвигается с целью обеспечения адекватной надежности системы и по соображениям безопасности. Марки полимеров менее качественных сортов, например, ПП, ПЭ, ПВХ и акрилонитрилбутадиенстирол обычно не годятся для эксплуатации в контакте со многими концентрированными кислотами. Хотя нержавеющая сталь типа 316 или более качественных марок (например, 20Cr/18Ni/6Mo) может эксплуатироваться в условиях контакта с серной кислотой и перекисью водорода, она не годится для работы с соляной и фтористоводородной кислотами. Следовательно, можно отметить, что в общем наблюдается тенденция выбора высококачественных марок полимеров, например, ПТФЭ и ПВДФ, для использования в условиях работы с кислотами, но сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами, по некоторым данным, особенно предпочтителен.Технологические трубопроводы для этих целей подробно описаны в главе 12 этой книги, поэтому здесь будет сделано только несколько обобщающих замечаний и наблюдений.С точки зрения старения и окисления металлических трубопроводов, они не должны создавать проблем, поскольку сухие газы оказывают разрушающее воздействие на металлы только при значительных скоростях потока и повышенных температурах (в несколько сотен градусов Цельсия). Главным критерием при выборе материала трубопроводов для газов является предотвращение загрязнения высокочистых газов при их прохождении по трубам, и это требование исключает применение полимеров из-за их частичной воздухопроницаемости.
Что касается медных трубопроводов, которые в прошлом использовались во многих случаях вместе с латунными фитингами, то им присущ один потенциальный источник загрязнения - осадок флюса, используемого при сварке, который не подвержен эффективному удалению без того, чтобы не оставить вместо себя другие загрязняющие вещества.
Следовательно, в настоящее время для современных систем трубопроводов преобладает тенденция выбора нержавеющей стали (такой как 316) с внутренней поверхностью, подвергнутой тщательной, доскональной поверхностной обработке, включающей эяектрополировку. Хотя применение элеетрополировки внутренних каналов трубопроводов является довольно распространенной технологией для многих деталей, она требует специального оборудования и квалификации, поэтому является дорогостоящим процессом. Сейчас электрополированные детали для систем распределения высокочистых газов из нержавеющей стали, включая трубопроводную арматуру и фитинги, выпускаются промышленностью.
Наиболее широко используемым газом является азот, потребляемое количество которого превышает все другие газы вместе взятые, по меньшей мере, на порядок. Азот, как правило, применяется в качестве псевдоинертного газа в печах во время отжига (обычно после процессов ионной имплантации или формирования оксидной пленки) и для управления скоростью роста окисла в печах (при этом он используется как разбавитель). Его применяют в системах химического осаждения из паровой фазы как инертный наполнитель на финишной стадии процесса, а также на этом же оборудовании в качестве инертной завесы, изолирующей продукт от воздуха и переносимых им загрязнителей. На некоторых производственных участках азот применяют в так называемых «мокрых процессах», чтобы обеспечить равномерное перемешивание в емкостях с деионизованной водой и другими технологическими жидкостями. Наконец, его применяют в качестве среды, свободной от воздуха и частиц, в различном оборудовании, начиная от сложного технологического оборудования (упомянутого выше) до простых шкафов для хранения фотошаблонов или пластин.
Водород
Этот газ применяют в печах совместно с кислородом для получения водяного пара (реакция является экзотермической и может вызывать проблемы с температурной стабильностью и повреждение кварца, если она происходит внутри кварцевых реакторов и строго не контролируется). Данная реакция способствует повышению скорости образования оксида и, следовательно, увеличению производительности реактора. При проведении технологических операций, включающих осаждение алюминия (в вакуумных установках распыления или испарителях), возможно возникновение дефектов на поверхности раздела кремний/диоксид кремния. Последствия этого эффекта можно снизить, помещая пластины в атмосферу смеси азота и водорода, поскольку молекулы водорода диффундируют к поверхности раздела, способствуя восстановлению химических связей.
Кислород
Кислород применяют главным образом в печах, чтобы выращивать оксидные пленки на кремниевых пластинах, или совместно с водородом, как упомянуто выше, для увеличения скорости их роста. Его также применяют в системах химического осаждения из газовой фазы для формирования пленки. Кислород используют и в системах плазменного травления для снятия фоторезиста.
Аргон
В основном этот газ также применяют в печах как более инертный (и дорогой) заменитель азота в случае, если использование последнего вызывает технологические проблемы, поскольку при высоких температурах азот может образовывать нитриды, в то время как аргон при тех же температурах остается стабильным. Его применяют в качестве разбавителя при проведении операций легирования, чтобы обеспечить равномерность скорости роста. При использовании аргона в процессе отжига снижается поверхностный заряд на границе раздела кремний/оксид, позволяя лучше контролировать величину пороговых напряжений.
Типовая колонна смешанного действия, как показано на рис. 11.8, оснащена центральным распределителем, необходимым, если смолы регенерируются на месте (без выемки из колонны). Концепция смешанной насадки является изящной и экономичной альтернативой отдельным катионообменной и анионообменной колоннам. Однако для успешной работы колонны смешанного действия необходимо преодолеть некоторые присущие этому методу недостатки и проблемы механического и химического свойства. Смолы в рабочем режиме должны быть однородно перемешаны, однако конструкция колонны должна предусматривать возможность раздельной регенерации каждой из смол. Этого добиваются подбором смол с разной плотностью, что позволяет их разделить (сепарировать) при промывке насадки обратным потоком воды. После промывки (снизу вверх) более тяжелая катионообменная смола опускается на дно, в то время как легкая анионообменная смола остается сверху. Количество смол для загрузки рассчитывается таким образом, чтобы плоскость границы анионит-катионит совпадала бы с центральным распределителем (см. рис. 11.8). Катионообменная смола регенерируется введением кислоты в нижнюю часть аппарата с выходом через центральный распределитель. Анионообменная смола регенерируется подобным образом, но введением раствора щелочи в верхнюю часть колонны и выводом ее через центральный распределитель.
Проводят также и операции отмывки каждой смолы для удаления остатков кислоты и щелочи из соответствующих частей ионообменных смол. Смешение после регенерации двух типов смол достигается путем снижения объема воды в установке до уровня, незначительно выше поверхности анионообменной смолы (правильное выставление уровня необходимо для успешной работы аппарата). Затем проводят перемешивание : использованием воздуха или азота. Далее воду из аппарата спускают, чтобы смолы не 1ерераспределились по высоте колонны после прекращения операции перемешивания : помощью газов. Затем установка подвергается отмывке для удаления регенерирую-цих химических реактивов в смолах из застойных зон перед возвращением в эксплуа-ацию или в режим ожидания.
Основной конструкционный недостаток, свойственный фильтрам смешанного ействия (ФСД), обусловлен гидравлическими силами, действующими на центральный аспределитель не только в рабочем режиме, но и во время обратной промывки, при □торой плотный слой насадки (смол) всплывает. Распределитель должен также быть стойчивым к коррозии, которой может подвергаться при введении регенерантов. Не-эходимым условием эффективной регенерации является хорошее разделение смол после эомывки обратным потоком.
На практике часть каждой из смол может оказаться (после их разделения) не на •й стороне распределителя и будет поэтому подвергаться действию не «своего» регене-шта и, следовательно, будет выработана (отработана) при возвращении в рабочий жим. Основные причины плохого разделения смол:
• Разрушение гранул катионообменной смолы и появление из-за этого достаточно мелких и легких частиц, которые будут перераспределяться по высоте также, как и анионообменная смола.
• Закупоривание (закрытие пор) анионообменной смолы, значительно увеличивающее плотность и, тем самым, способствующее осаждению анионита вместе с катионитом.
• Потери смолы из-за ее износа от трения, что со временем приводит к сдвигу раздела смол в сторону от центрального распределителя. Даже при совершенном разделении неизбежно имеет место некоторое взаимное загрязнение регенерантами в области границы раздела. Следствием этого может явиться проскок хлорид-ионов (и, в меньшей мере, натрия) со дна в рабочем режиме, что скажется на качестве продукта - очищенной воды.
На некоторых установках сразу же за стадией обратного осмоса следует ступень удаления растворенных газов. Это может делаться либо из экономических соображений с целью снижения эксплуатационных затрат на более поздней ступени ионного обмена путем удаления С02, либо обусловливается особенностями технологического процесса конечного потребителя, например, требованием низкой концентрации растворенного кислорода.
Удаление С02 может быть легко достигнуто регулированием рН и продувкой воздуха снизу вверх при движении воды в насадочной колонне сверху вниз. При этом большое внимание необходимо уделять фильтрационной очистке воздуха, чтобы избежать загрязнения обрабатываемой воды дисперсными частицами или органическими примесями.Удаление растворенного кислорода может быть выполнено двумя способами. Наиболее часто для этого используют вакуумную дегазацию, которая удаляет кислород и другие растворенные газы путем снижения их парциального давления. Альтернативой является использование насадочной колонны с конструкцией, подобной применяемой для удаления С02, но используя при этом газ, не содержащий кислорода. Этот вариант может быть реализован, если на площадке имеется в изобилии дешевый азот, применение которого в качестве продувочного газа не требует автоматического контроля и регулирования.
В каждом из этих случаев сборник насадочной колонны может выполнять ту же роль, что и емкость-сборник после обратного осмоса. Однако сборники колонн обычно имеют небольшую емкость и поэтому могут использоваться только для промежуточного хранения.
Согласно общепринятым стандартам вода после ОО-систем - это прозрачная и чистая вода, однако по стандартам полупроводниковой промышленности она неприемлема для процессов обработки пластин. Требуемое качество может быть получено только применением методов дальнейшей очистки, главным образом, деминерализацией нутем ионного обмена.
Термин «предварительная обработка» подразумевает, что это этап предназначен для чего-то, что последует позже, и в большинстве установок предварительная обработка воды предшествует очистке воды ионообменными и мембранами методами. Однако важность предварительной обработки не должна быть недооценена, так как ее успех или неудача будет сильно влиять на результат работы всей установки. Существует большой выбор процессов и вариантов предварительной обработки воды. Сюда входят фильтрация, флоккуляция, дехлорирование (удаление хлора), удаление органики, умягчение, дегазация, дезинфекция и регулирование температуры.Типичный насыпной1 фильтр, показанный на рис. 11.2, представляет собой стальной сосуд, футерованный резиной. Поток обрабатываемой воды направлен сверху вниз сквозь насадку, состоящую из разных сред (материалов) - от антрацита крупной фракции сверху до слоя мелкого песка на дне. Этот «грубый» глубинный фильтр предназначен для удаления из поступающей воды механических частиц, однако он неэффективен для частиц размером менее 5 мкм. Он может также служить для удаления осадков (дисперсных частиц), являющихся продуктами реакций, проходящих вследствие введения химических реактивов на этапах обработки до насыпного фильтра.
Для удаления любых накопившихся веществ-загрязнителей фильтр обычно промывается обратным потоком и псевдоожижением насадки. Частота промывки зависит от объемов загрузки или от величины допустимого гидравлического сопротивления насадки (промывка проводится, когда перепад давления на фильтре достигает заданной величины). Периодическая химическая очистка фильтра от загрязнений также может быть необходима, если обратный поток воды не способен удалить все задержанные вещества путем «взмучивания» насадки (псевдоожижения). Обычный цикл (процесс) очистки может включать различные варианты, в том числе очистку воздухом, помогающую удалять частицы из насадки, особенно если флоккуляция предшествует обработке воды на данном этапе.
Некоторые аспекты загрязненности исходной воды бактериями и важность их удаления обсуждаются в главе 11 настоящей книги. Здесь будут рассмотрены наиболее доступные методы стерилизации. При этом прежде всего следует учитывать тот фактор, что используемое для очистки воды большое количество установок, в свою очередь, может служить активной средой для роста бактерий. Это происходит потому, что фильтры, ионообменные смолы и колонки с активированным углем формируют большую высокопористую поверхность, которая идеальна для захвата микроорганизмов, а пропускаемая вода может служить для них источником питания, обеспечивая экспоненциальный уровень роста микроорганизмов. Для уничтожения микроорганизмов применяется ряд химических веществ. Ниже обсуждаются те из них, которые используются в системах для получения высокочистой воды.
Хлорирование Так как хлорирование до сих пор является наиболее распространенным методом для дезинфекции исходной муниципальной воды, то вполне вероятно, что исходная вода, поступающая на очистку, будет всегда содержать небольшие количества остатков хлора. Так же возможно, что вода, поступающая на предприятие, может быть дополнительно подвергнута хлорированию (или в нее может быть добавлено относительно небольшое количество таких окислителей как бром или иод). Хлор может добавляться в воду как в газообразной форме из баллонов, так и в виде водного раствора гипохло-рита натрия, что в конечном счете химически идентично введению хлора в воду.
Фактически при прохождении воды через установку для получения чистой воды происходит ее дехлорирование. Это имеет место на стадии прохода через активированный уголь, который используется для удаления органики и при этом одновременно адсорбирует хлор. Кроме того, дехлорирование может проводиться специально для защиты оборудования (например, установок обратного осмоса с полиамидными мембранами) от разрушающего действия хлора - в данном случае финишное дехлорирование может быть осуществлено путем введения небольшого количества соответствующего химического вещества, например, бисульфита натрия.
Озон Это другой эффективный биоцид (и сильный окислитель). Преимуществом его использования в системах получения высокочистой воды является то, что полностью исключается необходимость добавления в систему химикатов, так как озон сам разлагается до активного кислорода. Однако, поскольку этот процесс происходит быстро (в течении минут, а не часов), озон не может быть использован для создания длительного дезинфецирующего эффекта. Озон убивает бактерии в течении секунд (заметно быстрее, чем это делает хлор) и может быть эффективен против вирусов и патогенных микроорганизмов. Озон генерируется в коронном разряде, т. е. при создании высоковольтного разряда в диэлектрике, через который проходит поток воздуха или кислорода. Необходимая для дезинфекции концентрация озона должна быть на уровне 0,1 - 0,3 ррт. Как отмечалось ранее, озон также в состоянии разлагать органику, однако для этого может понадобиться более высокая его концентрация (в зависимости от степени загрязненности воды органическими примесями). Для удаления органики озон может быть использован в комбинации с ультрафиолетовым облучением средней интенсивности. Если это считается необходимым, то после обработки воды озоном остаточные количества озона могут быть удалены при помощи ультрафиолетового излучения высокой интенсивности, которое превращает озон в кислород.
Этот метод применим для удаления частиц малых размеров (как правило, в диапазоне от 40 мкм и примерно до 0,1 мкм) после того как основное количество твердых частиц будет удалено описанными выше методами. Картриджные фильтры, в которых используется заменяемая или очищаемая фильтрующая среда, представляют из себя цилиндрические или трубчатые элементы с диаметром около 70 мм снаружи и 35 мм внутри и длиной от 100 до 1300 мм. Для их изготовления используются разнообразные материалы, включая хлопок, вискозу, стекловолокно, а также ряд синтетических полимеров, при этом в качестве пористой среды для повторно используемых фильтров может быть применена нержавеющая сталь, монель, керамика или фторированные углеводородные полимеры.
Установки микрофильтрации (МФ) представляют из себя мембранные фильтры с размерами пор 0,1 - 10 мкм. Для производства МФ-мембран используется широкий ряд полимеров: ацетат целлюлозы, нитрат целлюлозы, политетрафторэтилен (ПТФЭ), поливинилидендифторид (ПВДФ), поливинилхлорид (ПВХ), полипропилен (ПП), полиэфиры, поликарбонаты, нейлон. Производятся также неорганические МФ-мембраны, в том числе керамика на основе алюминия, которая особенно эффективна для высокотемпературных процессов. МФ-процесс часто работает в «тупиковом» режиме, однако возможно также использование оборудования с тангенциальным потоком, в котором небольшая часть потока не проходит через фильтр и направляется на сброс вместе с накопившимися на поверхности фильтра частицами. Большинство таких МФ-блоков выполнено в виде трубчатых элементов с диаметром около 5 мм и длиной около 1 м, что образует общую площадь фильтрации на уровне 0,05 - 5 м2. Однако возможны и другие конструкции МФ-модулей, включая применение дисковых мембран и полых волокон. Так, например, в самых последних типах установок полые волокна с внутренним диаметром 0,3 мм собираются в модули, содержащие волокна общей длиной до 20 000 м с подачей воды на внешнюю сторону полого волокна и работающие в «тупиковом» режиме с периодической «промывкой» воздухом.
Многоступенчатое мгновенное выпаривание (дистилляция) (MSF - Multistage Flash Distillation) В этом типе установок исходная вода, перед тем как быть пропущенной через специальное сопло внутрь большой камеры, подается насосом внутрь нагревателя при таком давлении, при котором еще не происходит кипение, т. е. вода находится в перегретом состоянии. Уменьшение давления влечет за собой моментальное превращение части воды в пар. Затем опресняемая вода пропускается через другое сопло в соседнюю «камеру моментального испарения», где продолжается процесс моментального парообразования и так далее до нижней части установки. Хотя данный процесс является доминирующим для широкомасштабного производства пресной воды из морской в различных частях света (особенно на Среднем Востоке), MSF-процесс не является предпочтительным для небольших установок, обычно применяемых в фармацевтическом производстве.
Сжатие пара (VC - Vapour Compression) Другим подходом к снижению потребления энергии в дистилляторе является сжатие (ранее, чем он сконденсируется) пара, получаемого на обычной стадии дистилляции. Эффект сжатия пара заключается в нагреве его до температуры выше температуры кипения подаваемой на опреснение воды (из которой он был получен). Затем сжатый пар может быть возвращен в ту же дистилляционную камеру, из которой он был выделен и использован для замещения первичного пара. Цикл повторяется непрерывно. Процесс схематично представлен на рис. 10.5, из которого видно, что как дистиллят, так и отводимый загрязненный остаток используются для предварительного нагрева подаваемой воды в теплообменнике. Однажды начатый, VC-процесс потребляет относительно мало энергии; основное потребление связано с работой компрессора.В зависимости от типа компрессора существует два различных типа VC-дистилляторов:
1. Механический паровой компрессор. Применяется стандартный компрессор центробежного типа или воздуходувка Рутса (Roots). Преимущественно используется при доступной электрической энергии.
2. Термический паровой компрессор. Представляет собой следующее одно за другим расширение и сжатие пара, пропускаемого через систему сопел, в результате чего достигается требуемое увеличение давления. Этот вариант имеет преимущество за счет уменьшения количества движущихся частей и предпочтителен там, где доступна подача пара с умеренным давлением.
Коммерческий VC-дистиллятор может быть построен на однократном или многократном эффекте, в котором пар на низкотемпературной стадии сжимается и возвращается в нагретом виде на первичную ступень.