En las modernas fábricas de semiconductores, cada paso de la oblea se controla, mide y repite miles de veces al día. Sin embargo, detrás de las salas ultralimpias, la litografía avanzada y las cámaras de alto vacío, hay un silencioso caballo de batalla que hace que todo esto sea posible: el nitrógeno de alta pureza. En lugar de depender únicamente del nitrógeno líquido transportado por camión o de cilindros, muchas fábricas ahora están recurriendo a sistemas de generación de nitrógeno in situ construidos alrededor de un generador de nitrógeno industrial para asegurar un suministro de nitrógeno estable, controlable y rentable para procesos críticos.

En términos simples, Los sistemas de generación de nitrógeno para la fabricación de semiconductores utilizan un generador de nitrógeno industrial in situ para producir nitrógeno de alta pureza, seco y sin aceite a partir de aire comprimido, y luego distribuyen ese nitrógeno a herramientas, salas limpias y servicios públicos para mejorar la estabilidad del proceso, reducir los costos operativos y aumentar la seguridad del suministro en comparación con el gas entregado.

A medida que las geometrías de los chips se reducen y los volúmenes de producción aumentan, la calidad y confiabilidad de los gases de proceso se vuelven aún más importantes. El nitrógeno se utiliza para purgar o inertar obleas, gas portador, pruebas de fugas y protección de superficies sensibles. Un sistema bien diseñado generador de nitrógeno permite a las plantas de semiconductores ajustar la pureza, la presión y el flujo para cada aplicación, utilizando tecnologías comprobadas como PSA (adsorción por oscilación de presión) y estaciones de nitrógeno modulares o en contenedores que pueden funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

En esta guía, obtendrá una descripción completa de cómo se utiliza el nitrógeno en la fabricación de semiconductores, dónde encaja un generador de nitrógeno in situ y por qué cada vez más fábricas están invirtiendo en sus propios sistemas de generación de nitrógeno en lugar de depender exclusivamente del gas entregado.

En esta guía cubriremos:

• Fabricación de semiconductores con gas nitrógeno

• Aplicaciones de generadores de nitrógeno en la fabricación de semiconductores

• Beneficios de los generadores de nitrógeno para la fabricación de semiconductores

Fabricación de semiconductores con gas nitrógeno

El gas nitrógeno se utiliza en toda la fabricación de semiconductores para crear ambientes inertes, secos y libres de partículas, y un generador de nitrógeno en el sitio proporciona este nitrógeno continuamente con pureza, presión y flujo controlados para respaldar el procesamiento de obleas, el ensamblaje y los sistemas de las instalaciones.

La producción de semiconductores se basa en un control preciso de la química, la temperatura y la contaminación. Muchos pasos en la fabricación de obleas del extremo frontal y el ensamblaje del extremo posterior son extremadamente sensibles al oxígeno y la humedad. El nitrógeno es el gas inerte preferido porque es abundante, no reactivo en condiciones normales y fácil de generar in situ con un generador de nitrógeno . En una fábrica típica, el nitrógeno se consume en grandes volúmenes para la purga de obleas, el gas portador, el gas de cobertura y las pruebas de fugas.

Tradicionalmente, las fábricas utilizaban nitrógeno líquido almacenado en tanques o bancos de cilindros. Hoy en día, los sistemas modulares y basados ​​en PSA generadores de nitrógeno pueden producir nitrógeno con niveles de pureza desde aproximadamente el 95 por ciento hasta el 99,9999 por ciento, con puntos de rocío tan bajos como -60 grados Celsius, directamente a partir de aire comprimido. Esto significa que una planta de semiconductores puede igualar la calidad y cantidad de nitrógeno en cada paso del proceso, al tiempo que reduce la dependencia de las entregas y de los proveedores externos.

Para obtener una descripción general rápida, la siguiente tabla vincula los pasos típicos de los semiconductores con sus requisitos de nitrógeno y cómo los respalda un generador de nitrógeno .

Área de proceso	Función típica del nitrógeno	Rango típico de pureza del nitrógeno	Contribución típica del generador de nitrógeno
Limpieza y secado de obleas	Purgar, secar, prevenir la oxidación.	99,9 a 99,999 por ciento	Nitrógeno estable de alta pureza para herramientas de secado
Litografía y resistencia a la cocción.	Purga, inertización, protección contra resistencia.	99,99 a 99,999 por ciento	Nitrógeno seco del generador de nitrógeno PSA a las vías
Herramientas de grabado y deposición.	Purga de cámara, ventilación, gas portador	Hasta 99,9999 por ciento en algunas herramientas	Nitrógeno de ultra pureza con purificador si es necesario
Montaje y embalaje	Soldadura por reflujo, moldeado y pruebas.	99,9 a 99,999 por ciento	Nitrógeno constante proveniente de unidades generadoras modulares
Instalaciones y servicios públicos	Reposición de aire de sala limpia, gas de respaldo, servicios públicos	99,5 a 99,9 por ciento	Nitrógeno a granel desde el patín principal del generador de nitrógeno

En todos estos pasos, la clave es la coherencia. Un generador de nitrógeno diseñado con torres PSA, tanques de compensación, secadores y filtración puede ofrecer una presión y pureza de nitrógeno estables incluso durante los picos de demanda. Las estaciones de nitrógeno combinadas, modulares o en contenedores, integran un generador de nitrógeno PSA , tratamiento de aire y almacenamiento de gas en un patín o contenedor compacto. Este enfoque facilita que las plantas de semiconductores ubiquen el suministro de nitrógeno cerca de los puntos de consumo, o incluso implementen unidades generadoras de nitrógeno separadas para diferentes edificios o salas blancas.

Las fábricas de semiconductores también valoran la capacidad de funcionamiento continuo las 24 horas de los sistemas generadores de nitrógeno basados ​​en PSA . Las torres de adsorción cambian automáticamente para mantener el flujo de nitrógeno mientras el tamiz molecular se regenera, y todo el sistema es supervisado por un PLC con control de presión, pureza y flujo. Con un mantenimiento adecuado, el tamiz molecular puede durar muchos años y el generador de nitrógeno puede funcionar durante décadas.

Aplicaciones de generadores de nitrógeno en la fabricación de semiconductores

En la fabricación de semiconductores, se utiliza un generador de nitrógeno para la fabricación, ensamblaje y embalaje de obleas, y para sistemas de instalaciones, proporcionando nitrógeno in situ para purga, inertización, gas portador, pruebas de fugas y soporte de sala limpia de una manera flexible y rentable.

El primer grupo de aplicaciones de un generador de nitrógeno se encuentra en la fabricación de obleas. Durante el crecimiento, difusión, implantación, deposición y grabado del óxido, se utiliza nitrógeno como gas de protección para evitar reacciones no deseadas con el oxígeno, así como gas de purga para cámaras y esclusas de carga. Las herramientas pueden requerir nitrógeno de pureza ultra alta de hasta el 99,9999 por ciento, lo que se puede lograr combinando un generador de nitrógeno PSA con purificadores de pulido, o pueden requerir solo un 99,99 por ciento de pureza, que un sistema PSA puede suministrar directamente.

En litografía, el nitrógeno se utiliza en gabinetes de almacenamiento de resistencia, herramientas de exposición y hornos de horneado posteriores a la exposición. Aquí, un generador de nitrógeno suministra nitrógeno limpio y seco para proteger la química y la óptica. En bancos húmedos y estaciones de secado, se utiliza nitrógeno para eliminar líquidos y evitar marcas de agua en las obleas. Para estas necesidades de alta pureza y sequedad, el generador de nitrógeno se combina con secadores desecantes o refrigerados y filtración fina para mantener el aceite y las partículas fuera de la corriente de nitrógeno.

El segundo grupo de aplicaciones cubre el montaje y el embalaje. Durante la unión del troquel y la soldadura por reflujo, el nitrógeno ayuda a garantizar la humectación y reduce la oxidación en las uniones de soldadura. Los procesos de moldeo y encapsulación suelen utilizar nitrógeno para desgasificar y proteger materiales sensibles. Un modular generador de nitrógeno puede ubicarse cerca de la línea de montaje y suministrar nitrógeno al flujo y presión requeridos. A medida que aumenta la producción, generadoras de nitrógeno modulares adicionales para satisfacer la mayor demanda sin tener que rediseñar todo el sistema. se pueden agregar unidades

El tercer grupo son los sistemas de instalaciones y soporte. Las salas blancas pueden usar aire enriquecido con nitrógeno en ciertas zonas para controlar el riesgo de incendio o los niveles de oxígeno, y el nitrógeno se usa en gabinetes de gas, colectores de válvulas y cabezales de distribución como gas de purga. Los sistemas in situ generadores de nitrógeno pueden alimentar un cabezal de nitrógeno principal, que luego se ramifica a diferentes zonas y áreas de presión. Las estaciones de nitrógeno en contenedores que integran un generador de nitrógeno PSA , almacenamiento y compresores de refuerzo se pueden instalar fuera del edificio principal y conectarse a la red de gas interna, liberando un valioso espacio en la sala limpia.

La siguiente tabla resume los usos comunes de semiconductores para un generador de nitrógeno en sitio..

Área de aplicación	Tarea típica del nitrógeno	Función del generador de nitrógeno
Herramientas de proceso de obleas	Purga, inerte, gas portador.	Suministra nitrógeno estable de alta pureza directamente a los paneles de gas para herramientas.
Litografía y resistir	Protección resistente, purga de ópticas.	Proporciona nitrógeno limpio y seco para gabinetes y equipos de exposición.
Bancos mojados y secadoras.	Secado, antioxidante.	Los alimentos eliminan el nitrógeno con un punto de rocío bajo para un secado sin marcas de agua.
Líneas de montaje y embalaje.	Reflujo, moldeado, pruebas.	Proporciona nitrógeno en un flujo controlado a hornos y prensas de moldeo.
Sistemas de instalaciones	Soporte de sala limpia, purga y seguridad.	Actúa como fuente de nitrógeno a granel para cabezales de distribución y líneas de purga.

Debido a que todos estos puntos de consumo reciben servicio desde la misma plataforma generadora de nitrógeno en el sitio , las plantas de semiconductores pueden monitorear el uso total de nitrógeno, ajustar los puntos de configuración del generador y planificar expansiones. Muchos sistemas modernos de generación de nitrógeno incluyen controles PLC avanzados con conexiones Ethernet o de bus de campo, monitoreo remoto y registro de datos. Los ingenieros de la planta pueden realizar un seguimiento de la pureza, el punto de rocío, la presión y el flujo directamente en el sistema de monitoreo de la instalación y ajustar el modo de funcionamiento del generador de nitrógeno para ahorrar energía durante los períodos de menor demanda.

Beneficios de los generadores de nitrógeno para la fabricación de semiconductores

Para la fabricación de semiconductores, un generador de nitrógeno in situ ofrece menores costos operativos, mayor seguridad de suministro, control de pureza flexible, mayor sostenibilidad y mejor integración con las operaciones de la fábrica en comparación con el nitrógeno entregado.

Desde una perspectiva de costos, una El generador de nitrógeno elimina muchos de los gastos recurrentes asociados con el suministro de nitrógeno líquido o cilindros. No hay tarifas de alquiler de tanques, ni recargos por transporte y menos pérdidas por ventilación o evaporación. Los estudios de casos de otras industrias muestran que las empresas que cambian a sistemas generadores de nitrógeno basados ​​en PSA a menudo reducen los costos del nitrógeno entre un 30 y un 50 por ciento, y algunas ven períodos de recuperación en el rango de uno a dos años. Para una fábrica de semiconductores de gran volumen con una demanda significativa de nitrógeno, los ahorros durante la vida útil de un generador de nitrógeno pueden ser muy grandes.

La seguridad del suministro es otro beneficio clave. Un generador de nitrógeno en el sitio funciona con aire comprimido y electricidad, que ya son servicios públicos críticos en cualquier fábrica. Siempre que estos servicios sean confiables, el suministro de nitrógeno depende mucho menos de la logística externa, las condiciones de las carreteras o los problemas de los proveedores. Los sistemas de nitrógeno PSA están diseñados para un funcionamiento continuo las 24 horas, con conmutación automática de torre y redundancia integrada cuando generadores de nitrógeno . se instalan varios módulos

La flexibilidad de la pureza es especialmente valiosa en las plantas de semiconductores. Con un generador de nitrógeno , el operador puede establecer diferentes objetivos de pureza para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, los procesos iniciales que necesitan un 99,999 por ciento de nitrógeno se pueden suministrar desde un generador de nitrógeno PSA de alta pureza o desde un generador más purificador, mientras que los usos menos críticos se pueden asignar a un generador de nitrógeno separado que funcione con un 99,9 por ciento de nitrógeno para ahorrar energía. La pureza del nitrógeno, el punto de rocío y la presión se pueden ajustar para que coincidan con el proceso.

Los beneficios de sostenibilidad de un generador de nitrógeno también son importantes. La eliminación de los suministros de nitrógeno reduce la huella de carbono asociada con las pérdidas por transporte y evaporación. La generación de nitrógeno in situ utiliza aire como materia prima y puede combinarse con compresores energéticamente eficientes y recuperación de calor. Algunos análisis sugieren que los sistemas de nitrógeno in situ pueden reducir significativamente las emisiones generales de gases de efecto invernadero en comparación con el nitrógeno a granel, especialmente cuando se instalan cerca del punto de uso y cuando funcionan con equipos eficientes.

Para resaltar los beneficios de un generador de nitrógeno en la fabricación de semiconductores, esta tabla comparativa contrasta la generación in situ con el nitrógeno suministrado:

Aspecto	Generador de nitrógeno in situ	Nitrógeno líquido o en cilindro suministrado
Seguridad del suministro	Generado bajo demanda a partir de aire y energía.	Depende de las entregas de camiones y los cronogramas de los proveedores.
Costo operativo	Menor costo por unidad de gas, sin cargos de alquiler ni transporte.	Mayor costo a largo plazo, tarifas adicionales y pérdidas por evaporación
Flexibilidad de pureza	Pureza ajustable del 95 al 99,9999 por ciento	Grados de producto fijos, menos flexibilidad
Huella de instalación	Plataformas o contenedores modulares, cerca del punto de uso.	Grandes tanques e infraestructura al aire libre, ubicación fija
Escalabilidad	Agregue más módulos generadores de nitrógeno a medida que crezca la demanda	Requiere nuevos tanques o contratos de suministro.
Sostenibilidad	Menores emisiones del transporte, potencial de optimización energética	Mayores emisiones del transporte, menor control sobre la fuente de energía
Seguimiento y control	PLC integrado con monitoreo remoto y registro de datos	Control limitado más allá del monitoreo básico del nivel del tanque

Cuando un sistema generador de nitrógeno se especifica correctamente, los fabricantes de semiconductores obtienen más control sobre su estrategia de gas. Los ingenieros pueden planificar la capacidad de nitrógeno como otras empresas de servicios públicos, integrando el generador de nitrógeno en conceptos de redundancia, energía ininterrumpida y monitoreo de instalaciones, en lugar de tratar el nitrógeno como un bien externo.

Fabricación de semiconductores con gas nitrógeno: una perspectiva final

En resumen, la fabricación de semiconductores depende de nitrógeno de alta pureza en cada etapa, y un sistema generador de nitrógeno bien diseñado permite a las fábricas producir este nitrógeno en el sitio con mejor control, menor costo y mayor seguridad que depender únicamente del nitrógeno entregado.

Desde la fabricación de obleas hasta los sistemas de ensamblaje e instalaciones, el nitrógeno desempeña múltiples funciones: manta inerte, gas de purga, gas portador y herramienta de seguridad. Un in situ generador de nitrógeno transforma el aire comprimido en nitrógeno adaptado a cada uso. Con PSA y diseños modulares, la pureza puede alcanzar hasta el 99,9999 por ciento, el punto de rocío se puede mantener muy bajo y el flujo se puede escalar desde unos pocos metros cúbicos por hora hasta muchos miles, lo que permite que tanto las líneas piloto pequeñas como las fábricas de gran volumen dependan de su propia capacidad de generación de nitrógeno.

Al comparar el costo total de propiedad, muchas plantas descubren que un generador de nitrógeno se amortiza en poco tiempo y luego continúa generando ahorros. Al mismo tiempo, la planta gana resistencia ante las interrupciones del suministro y puede diseñar redundancia de gas en torno a sus propios equipos. El control PLC avanzado en los sistemas generadores de nitrógeno modernos facilita la integración del nitrógeno en el monitoreo y análisis de fábricas, creando una utilidad transparente y controlable en lugar de un costo oculto.

Si está planeando una nueva instalación de semiconductores o actualizando una fábrica existente, incluir un generador de nitrógeno en el sitio en las primeras etapas de diseño suele ser la opción más eficiente. Cuando el consumo de nitrógeno, las necesidades de pureza y los planes de crecimiento se combinan con la solución correcta de generador de nitrógeno PSA, modular o en contenedores , puede convertir el suministro de nitrógeno de una limitación a una ventaja competitiva para sus operaciones de fabricación.