半導体製造において、極低温分配システムは、単に液体窒素やアルゴンをある地点から別の地点へ移送する以上の役割を担うことが求められます。流体は、使用地点まで安定した状態、清浄度、そして単相状態を維持する必要があります。わずかな熱の侵入でも、フラッシュガスの発生、圧力変動、あるいは水分混入などを引き起こし、プロセスの安定性に影響を与える可能性があります。

それが理由です真空断熱パイプ半導体製造工場では、従来の発泡断熱配管の代わりに、このシステムが一般的に使用されています。適切に管理された動的真空ポンプシステムこれにより、搬送ライン全体にわたって長期的な真空安定性を維持しながら、全体の熱漏れを3 W/m以下に抑えることができます。

半導体用途において、真空断熱は配管周囲の単なる受動的な層として捉えるべきではありません。これは、測定可能な真空性能と長期的な保守性を必要とする能動的な熱システムです。高精度チップ製造環境では、流体飽和温度がわずかに上昇するだけでも、冷却回路、浄化システム、またはプロセス制御装置に支障をきたす二相流状態が発生する可能性があります。

極低温半導体システムにおいて熱漏れが重要な理由

極低温移送ラインはすべて、主に3つの形態の熱伝達の影響を受けます。

• 環状空間を横切る放射線
• 残留分子によって引き起こされる気体伝導
• 支持体およびスペーサーを介した固体伝導

適切に設計された真空断熱パイプ環状部の圧力は通常1×10⁻⁴ Pa以下に低下します。この真空レベルでは、残存するガス分子の平均自由行程は環状部の隙間よりもかなり大きくなるため、ガスの熱伝導が大幅に減少します。

放射熱伝達は、多層断熱材（MLI）を用いて制御されます。この断熱材は、反射箔と低熱伝導性スペーサー材を交互に積層した構造になっています。適切な層密度と施工方法を用いることで、放射熱流束を1平方メートルあたりわずか数ワットまで低減できます。

残りの熱伝導経路は主に機械的な支持構造物から生じます。この影響を最小限に抑えるため、G-10グラスファイバーやTorlon®などの低熱伝導性材料が一般的に使用されます。これらの支持構造物は、運転中の熱収縮、振動、地震荷重に耐えられるだけの十分な機械的強度を備えている必要があります。

長距離の送風においては、真空断熱と発泡断熱の性能差は非常に顕著になります。適切にメンテナンスされた真空断熱システムは長年にわたり安定した断熱性能を維持できますが、発泡断熱は徐々に大気中の水分を吸収します。水分が断熱構造内に入り込み凍結すると、断熱効率は通常、時間とともに低下します。

実用的な半導体LN₂分配システムでは、真空断熱配管特に長距離の屋外配管や連続運転の主配管において、従来の発泡断熱配管と比較して、蒸発量を大幅に削減できる。

動的真空ポンプシステム

静的真空ジャケットの問題点の一つは、ガス放出、ヘリウムの透過、または微細な漏れによって、真空度が年々徐々に低下する可能性があることである。

これに対処するために、大径真空断熱パイプシステムには動的真空ポンプシステムこのシステムには通常、環状空間の真空状態を定期的に元の設計状態に戻すための、小型のターボ分子ポンプまたはスクロールポンプ装置が備えられています。

真空度は冷陰極式圧力計を用いて継続的に監視されます。ポンプは圧力が目標設定値を超えた場合にのみ作動するため、消費電力とメンテナンス要件は比較的低く抑えられます。

台湾の新竹市で行われた半導体製造施設の改修プロジェクトでは、能動的に管理された真空ポンプシステムにより、老朽化し​​た液体窒素移送ヘッダーの熱性能を、生産ラインを停止することなく、元の稼働状態に近いレベルまで回復させることができました。新規プロジェクトにおいても、能動的な真空メンテナンスは、システムの耐用期間全体にわたる長期的な絶縁安定性に対するオペレーターの信頼を高めます。

材料とシステム設計

半導体製造や超高純度プロセス用途では、内部プロセスパイプは通常、304Lまたは316Lステンレス鋼で製造されます。内部表面は、酸素クリーンな使用条件を満たし、汚染リスクを最小限に抑えるために、洗浄、パージ、および不動態化処理が施されます。

外装材には、設置環境に応じて塗装された炭素鋼またはステンレス鋼が使用される。クリーンルームに隣接するエリアでは、腐食や表面汚染を避けるため、ステンレス鋼製の外装材が好まれることが多い。

熱収縮についても慎重に考慮する必要があります。液体窒素移送ラインは、周囲温度と運転温度の間で、1メートルあたり約2.5～3mm収縮する可能性があります。この動きを吸収するために、配管ネットワーク全体にわたって、計算された固定位置にベローズ型の伸縮継手が設置されるのが一般的です。

動きや柔軟性が求められる場合、真空断熱フレキシブルホースアセンブリは一般的に使用されています。典型的な設置場所としては、タンク接続部、機器接続部、マニホールド分岐部、移動式プロセススキッドなどが挙げられます。

これらのフレキシブルホースは、波形のインナーコアと真空ジャケット、そして硬質真空パイプと同様のMLI構造を採用しています。適切に設計されたアセンブリは、繰り返しの極低温熱サイクル後も真空状態を維持できるだけでなく、断熱されていない編組ホースでよく見られる外部の氷の形成も防止します。

真空断熱バルブそして相分離器

熱漏れの管理は、直線パイプ部分だけに限られません。バルブと相分離器また、安定した極低温流体状態を維持する上でも重要な役割を果たします。

A 真空断熱バルブ通常、延長されたボンネットと真空ジャケット構造の本体を使用することで、重要なシール部分を極低温から保護します。これにより、ステムパッキン周辺の凍結を防ぎ、バルブ構造内部の不要な結露を低減します。

真空断熱がない場合、バルブはシステム内で熱が集中する箇所となる可能性があります。液体極低温用途では、これにより局所的な蒸気溜まり、不安定な流れ状態、またはウォーターハンマー現象が発生する可能性があります。

半導体製造プロセスシステムでは、ASME B31.3およびEN 13480の要件に従って、延長ボンネット型グローブバルブとトップエントリー型ボールバルブが一般的に使用されています。

A 真空断熱型相分離器液体が下流の精密機器に入る前に、フラッシュガスを除去するために使用されます。半導体製造においては、不安定な二相流によって、プロセス警報や機器インターロックを作動させるほど大きな圧力変動が生じる可能性があります。

ほとんどの分離器設計では、気液分離効率を向上させるために、接線方向の入口と内部のデミスター構造が採用されています。多くのプロジェクトでは、分離器はプロセスフロア付近に設置されたミニタンクと組み合わされています。ミニタンクは局所的なバッファ容量として機能し、大きな熱負荷を発生させることなく、短期的な需要変動を安定させるのに役立ちます。

半導体プロジェクトの例

韓国におけるDRAM製造施設の拡張プロジェクトでは、液浸冷却式試験装置およびウェハ処理装置に液体窒素を供給するための新たな液体窒素供給ネットワークが必要となった。

この設備には、約180メートルの真空断熱硬質パイプが、真空断熱フレキシブルホースアセンブリを介して複数のツールブランチに接続されていました。真空断熱相分離器と2m³のミニタンクは、バルク貯蔵エリアの近くに設置されました。

ダイナミック真空ポンプシステムは、主要な6インチ移送ラインにおいて、環状圧力を5×10⁻⁶ミリバール以下に維持した。

試運転中、安定した運転条件下で測定された一次ヘッダーの熱漏洩量は平均約1.3 W/mでした。1年間の連続運転後、定期的な真空回復サイクルにより、断熱性能は当初の基準状態に近い状態を維持しました。

従来の発泡断熱構造と比較して、この施設では液体窒素の損失が著しく減少し、運転安定性が向上したと報告されている。また、プロセスログには、断熱材の劣化に関連する水分による汚染事象は記録されていない。

アプリケーション

真空断熱式極低温移送システムは、半導体製造、LNGインフラ、工業用ガス供給、液体水素用途などで広く利用されている。

運用環境は異なっても、エンジニアリングの目標は同じである。

• 真空安定性を維持する
• 熱の侵入を最小限に抑える
• 転送プロセス全体を通して位相安定性を維持する

システム設計は通常、プロジェクトの範囲や地域的な要件に応じて、ASME B31.3、EN 13480、ISO 21029などの国際規格に準拠します。

半導体製造施設において、極低温配管システムの性能は、運転効率、液体消費量、および長期的なプロセス信頼性に直接影響します。そのため、配管、バルブ、分離器、および真空維持システムは、独立した構成要素としてではなく、統合された熱システムとして設計されるべきです。

At HLクライオジェニクス当社は、EPC請負業者、ガス会社、半導体製造施設と協力し、標準的なカタログ構成ではなく、実際の運転条件、熱負荷目標、設置要件に基づいた極低温移送ソリューションを開発しています。

半導体製造工場の新規建設プロジェクトを計画されている場合、または既存の液体窒素供給ネットワークをアップグレードされる場合、当社のエンジニアリングチームが、熱漏れ性能、真空戦略、および長期運用に向けたシステム構成の評価を支援いたします。