Anwendungen

Das Flüssigstickstoff-Rohrsystem von Vacuum Barrier garantiert der Halbleiterindustrie eine sichere, zuverlässige Leitung von Flüssigstickstoff zur Einsatzstelle „on demand“.

Die vakuumisolierte Flüssigstickstoffleitung soll die Zykluszeiten verkürzen und Flüssigkeitsverluste minimieren.
Die vakuumisolierten Flüssigstickstoffrohre garantieren einen frostfreien Betrieb und ermöglichen eine flexible Einspeisung aus großen Flüssigstickstofftanks oder tragbaren Dewarbehältern.

Halbleiterchip-Tests im Back-End profitieren durch den Einsatz des geschlossenen Regelkreissystems von den folgenden Merkmalen des SEMIFLEX® Flüssigstickstoff-Rohrsystems: schnelle Abkühlung, gleichbleibend flüssige Konsistenz, geringe Schutzbereiche und problemloser Betrieb.

Microsoft introduces well proven technology from Vacuum Barrier for its new state of the art installation

Mike Johnson

Vacuum Barrier Corporation

Woburn, Massachusetts USA

Aufgrund der explosiv wachsenden Nachfrage nach kabellosen Kommunikationslösungen wurden Multiwafer-Molekularstrahlepitaxie-Anlagen (Multiwafer-MBE-Anlagen) entwickelt, die sich heute weltweit im Einsatz befinden. Das stetige Wachstum der Branche hat die Anlagen, in denen Epitaxie-Wafer gefertigt werden, zur Verwendung immer größerer Anlagen mit höherem Waferdurchsatz veranlasst.  Diese neue Generation von Molekularstrahlepitaxie-Anlagen hat neue Probleme bzgl. des Flüssigstickstoff-Kaltmantels mit sich gebracht.

Da das Molekularstrahlepitaxie-Verfahren einem Ultrahochvakuum bedarf, sind kryogene Ummantelungen in Flüssigstickstoff (LN2) erforderlich, um Restgase in die Kammer zu pumpen. Die Leitung von Flüssigstickstoff zur MBE-Anlage war schon immer mit Problemen verbunden. Die Qualität der Flüssigkeit war bei Erreichen der Kaltmäntel aufgrund der Merkmale von LN2 nicht mehr optimal. Ein typisches MBE-„Rohrsystem“ bestand aus einem 160 l-Dewarbehälter, der so nah wie möglich an der Anlage aufgestellt wurde und mit dem Kaltmantel durch eine schaumisolierte Kupferleitung verbunden wurde. Eine schmutzige, eisige Angelegenheit! Der Umlauf wurde durch die ständige Entlüftung über den Kältemantel erreicht. Diese Methode war sehr ineffektiv und löste das Problem in der Verbindung mit der Zweiphasenströmung (Flüssigkeit und Gas) nicht. Gasblasen, die durch das Entnahmeventil des Zylinders gebildet wurden, schlecht isolierte Transferleitungen und Entspannung von Hochdruck auf Atmosphärendruck  verursachten eine kurzfristige Vakuumfluktuation in der Kammer. Vakuumisolierte Rohre allein lösten das Problem jedoch nicht. Obwohl sich dieses Verfahren als sehr effektiv erwies, haben sich Versuche, Flüssigstickstoff direkt von einer zentralen Versorgungsstelle im Haus zu zuleiten, aufgrund der großen durch die Großtankverbindung entstehenden Mengen an Gas, die Hochdruckentspannung und den relativ geringen Wärmeeintrag entlang der Länge der Rohrleitung als nicht erfolgreich erwiesen. Das geschlossene LN2-Leitungssystem wurde von Vacuum Barrier Corporation speziell für Molekularstrahlepitaxie (MBE) entwickelt und seit Jahren erfolgreich angewendet. Das geschlossene Regelkreissystem ermöglicht vollständig befeuchtete Oberflächen im Inneren der Kühlmäntel, wodurch die Gasabgabe minimiert und konstante LN2-Temperaturen bei Niedrigdruck gehalten werden. Das System ist voll automatisch, sicher und absolut zuverlässig. Es besteht hauptsächlich aus vakuumisolierten Leitungen, die einen Großtank im Außenbereich mit einem Flüssig- bzw. Dampf-Phasenseparator verbinden. Zudem gehören auch die Zuleitungen und Entlüftungsrohre zwischen dem Separator und mindestens einem der Kaltmäntel dazu. Das System funktioniert im Grunde folgendermaßen: die Zweiphasenströmung aus dem LN2 gelangt in den Phasenseparator. Das Gas wird aus dem Labor ins Freie geleitet, sodass ein Volumen pures, gasfreies LN2 bei -320° C zurückbleibt. Die Flüssigkeit gelangt durch die Schwerkraft über eine dreiaxiale Zuleitung in den Kaltmantel. Das LN2 wird durch die Druckhöhe der Flüssigkeit am unteren Leitungsende leicht unterkühlt.  Beim Eintritt in den Kaltmantel erwärmt sich die Flüssigkeit wieder, sodass sich die Dichte ändert und das leichtere LN2 über den Flüssigkeitsstand steigt und zurück in den Phasenseparator geleitet wird. Das Gas wird ausgestoßen und die Flüssigkeit wiederverwendet.

Bei den neuen Multi-Wafer-Produktionsanlagen zur Herstellung von Molekularstrahlepitaxie-Anlagen ist die Lieferung von hochwertigen Flüssigkeiten nicht länger ausreichend. Obwohl wir Flüssigstickstoff auch durch kleine und mittelgroße Geräte zirkulieren lassen könnten, stellten uns die neuen Anlagen vor neue Herausforderungen. Unser Streben, das bestmögliche System zu entwickeln, hat uns zum kompletten Redesign unseres Flüssigkeit/Gas-Abscheiders sowie des Zuleitungs- und Entlüftungssystems veranlasst.

Die hohen Wärmelasten führen zu einem hohen LN2-Verbrauch und einem  gewaltigen Gasstrom. Die gezielte Ausrichtung des Gasstroms und die Beseitigung von Einengungen an den Abzugsöffnungen waren für die Schaffung des Regelkreissystems entscheidend. Anhand eines vakuumisolierten Temperaturfühlers kann die Temperatur von Gas und Flüssigkeit auf dem Weg zurück zum Phasenabscheider kontrolliert werden. Die  digitale Temperaturanzeige kann vom Bediener einfach überwacht werden. Zur Gewährleistung einer einwandfreien Zirkulation sollte die Temperatur stets -320°F betragen.

Als der weltweit führende Anbieter von Stickstoffleitungen für MBE-Anlagen haben wir mit den Lieferanten von MBE-Maschinen und Geräten eng zusammen gearbeitet, um die Anforderungen an die Fließfähigkeit ihrer jeweiligen Anlagen zu bestimmen und die Größe unseres Zuleitungs- und Entlüftungsrohrsystem daran ausrichten zu können. Der Phasenabscheider ist sorgsam zu montieren, um die Zirkulation zu maximieren. Durch ein modulierendes Einlassventil, welches auf den Bedarf an Flüssigstickstoff reagiert, wird eine sehr stabile Temperatur des Flüssigstickstoffs gewährleistet. Diese beständige Temperatur hat ein sehr stabiles Vakuumniveau in der Kammer bewirkt. In enger Zusammenarbeit mit den Zulieferern von MBE-Anlagen konnten eisfreie Verbindungen für die Bereitstellung ergänzender Zubehörteile entwickelt werden. Da uns die Maschine vor Erreichen der Anlage des Kunden bekannt ist, können wir vorab das für die Anlage geeignete Rohrsystem liefern. Aufgrund der modularen Komponenten und der Biegsamkeit der Rohrleitungen ist eine einfache und schnelle Montage möglich. Die bewährte Methode der Rohrverlegung garantiert dem Kunden, die Maschine sobald wie möglich in Betrieb nehmen zu können. Fazit: Seit den Anfängen der MBE-Technologie konzipierte, entwickelte und baute Vacuum Barrier Corporation LN2-Rohrsysteme mit geschlossenem Kreis. Wir entwickeln ständig neue Methoden, um der ständigen wachsenden Nachfrage gerecht zu werden. Unsere Erfahrung und Expertise, die wir aufgrund der engen Zusammenarbeit mit Kunden und Anlagenlieferanten gewinnen konnten, hat uns zu unserem Ruf als branchenführendes Unternehmen verholfen.