Reinstwasser und VE-Wasser anklemmen: Durchfluss in Halbleiteranlagen ohne Medienkontakt überwachen

Kaum ein Medium in einer Halbleiterfabrik ist so empfindlich wie Reinstwasser. Es wird aufwendig aufbereitet, über Kunststoff- und Edelstahlleitungen bis an die Anlage geführt und dort zum Spülen der Wafer verbraucht. Wer wissen will, ob und wie viel davon fließt, darf dafür kein Bauteil in die Leitung setzen. Dieser Beitrag richtet sich an Anlagenbauer von Reinstwassersystemen, an Hersteller von Waferreinigungs- und Ätzanlagen und an die Instandhaltung im Halbleiterwerk. Er folgt dem Wasser von der Aufbereitung bis in die Anlage, nimmt die Chemie in denselben Leitungen mit und endet beim Kühlwasser von Vakuum-, Laser- und Prüfanlagen. Alle Beispiele beschreiben dokumentierte Anwendungen. In einzelnen Fällen sind Durchflusssensoren von KEYENCE bereits im Einsatz; das steht jeweils dabei. Stickstoff und andere Prozessgase behandelt ein eigener Beitrag dieser Reihe.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-X überwacht von außerhalb des Rohres, deshalb spielt die Chemikalienbeständigkeit laut Katalog keine Rolle.
Welche Modellreihe passt, ergibt sich aus Durchmesser, Werkstoff und erwartetem Durchfluss, die anklemmbaren Sensoren reichen zusammen von Leitungen mit 2,7 mm bis DN200.
Kunststoffleitungen, deren Werkstoff die Unterlagen nicht ausdrücklich nennen, werden an der Originalleitung geprüft, bevor ein Messpunkt eingeplant wird.
Ein Hersteller von Waferreinigungsanlagen, der die angeklemmte Messung von einem bestehenden Maschinentyp kennt, braucht für neue Anlagen mit VE-Wasser und Chemie etwa vier Messpunkte je Anlage.
Bei einem Hersteller von Lasersystemen genügt am Kühlschlauch eine Schaltschwelle mit 5 bis 10 Prozent statt eines Messwerts.

Nichts darf ins Reinstwasser: warum der Durchfluss von außen gemessen wird

Den Grund nennt ein Planer von Reinstwasseranlagen, der gerade die Aufbereitung für ein Halbleiterwerk auslegt, ohne Umschweife: Kein Teil darf mit dem Reinstwasser in Berührung kommen. Er sieht deshalb anklemmbare Durchflusssensoren an allen Leitungen im kleinen und mittleren Durchmesserbereich vor, an zahlreichen Messstellen. Für die großen Leitungen, die normales Wasser führen, plant er weiter mit Inline-Messgeräten.

Ein anklemmbarer Sensor sitzt außen auf Rohr oder Schlauch, die Leitung bleibt geschlossen. Der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-X arbeitet an Rohren und Schläuchen mit 2,7 bis 14 mm Durchmesser, aus Metall wie aus weichem oder hartem Kunststoff. Der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-H deckt Metall-, Hartkunststoff- und PVC-Rohre von 13 bis 44 mm ab, in der Schlauchausführung Schläuche bis 63 mm. Für DN40 bis DN200, etwa 44 bis 220 mm Außendurchmesser, gibt es den Anklemmbaren Durchflusssensor der Modellreihe FD-R.

In den dokumentierten Anwendungen bestehen die Leitungen häufig aus PFA, PVDF oder PP. Diese Werkstoffe nennen die Unterlagen der Modellreihen FD-H und FD-X nicht ausdrücklich. Ob eine solche Kunststoffleitung das Signal ausreichend durchlässt, wird deshalb an der Originalleitung geprüft, bevor ein Messpunkt eingeplant wird.

Von der Aufbereitung bis zur Anlage: Reinstwasser- und VE-Leitungen im Werk

Zwischen Aufbereitung und Verbraucher liegen Leitungen sehr unterschiedlicher Größe. In einem Halbleiterwerk haben die Reinstwasserleitungen 2 bis 3 Zoll. Rechnerisch liegen solche Durchmesser über den 44 mm, die die Modellreihe FD-H an Rohren abdeckt, und innerhalb des Bereichs der Modellreihe FD-R.

An der VE-Wasserleitung einer Nassprozessanlage sind Durchflüsse bis 200 oder 300 l/min zu überwachen, gefordert ist ein PVC-freies Kabel; dafür kommt der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-Q in Frage. Die Modellreihe FD-Q ist für Rohre bis 2 Zoll und Medientemperaturen von 0 bis 85 °C ausgelegt. Ob der gewünschte Durchfluss zur vorhandenen Rohrgröße passt, ist Teil der Auswahl. Ein Halbleiterhersteller möchte außerdem den Wasserdurchfluss in seinen Maschinen überwachen.

VE-Wasser und Chemie in Reinigungs- und Ätzanlagen: ein Messpunkt je Kreis

In der Anlage selbst teilen sich VE-Wasser und Chemie oft dieselbe Art von Leitung. Ein Hersteller von Waferreinigungsanlagen kennt die Modellreihe FD-X aus einem bestehenden Maschinentyp. Neue Anlagen mit VE-Wasser und Chemikalien brauchen etwa vier Messpunkte je Anlage. Ein Anlagenbauer für Chemietransfer, der viele Anlagen für die Halbleiterindustrie baut, setzt Durchflusssensoren von KEYENCE bereits ein.

An Batchanlagen für Waferhersteller kommen für den Wasserdurchfluss die Modellreihe FD-H und für die KOH-Dosierung die Modellreihe FD-X in Frage. Ein Waferhersteller plant für einen Prototyp, KOH ohne Pumpe im freien Gefälle aus einem 110-l-Becken zu dosieren, etwa 3 l/min über eine 3/4-Zoll-Kunststoffleitung. Gewünscht sind ±0,5 Prozent; das ist eine Anforderung, kein Katalogwert.

Ein Halbleiter-OEM entwickelt eine Niederdruckeinheit, über die Reinigungsflüssigkeit und Luft mit kleinen Durchflüssen an den Wafer gelangen. Im Test mit der Modellreihe FD-X waren die Werte bisher stabil; Blasenerkennung und Lebensdauer sind weitere Anforderungen. Für eine neue Waferreinigungsanlage soll ein Lösungsmittelfluss an einer 6-mm-Kunststoffleitung durchgehend überwacht werden. Ein Hersteller von Sprühreinigungsanlagen will den Chemiefluss überwachen, für den heute ein anderes Messgerät in der Leitung sitzt.

Für diese Kreise zählt der Katalogsatz der Modellreihe FD-X: Die Überwachung erfolgt von außerhalb des Rohres, deshalb spielt die Chemikalienbeständigkeit keine Rolle. Das CFRP-Kunststoffgehäuse des Sensorkopfs zielt auf Umgebungen, in denen Metallteile unzulässig sind. Die Schutzart lautet IP68G, erfasst werden Durchflüsse ab 0,1 ml/min.

Wo heute Schaugläser sitzen oder keine Steuerung angebunden ist

Manche Anlagen zeigen den Durchfluss bisher nur dem Auge. Ein Halbleiterhersteller liest ihn in einem Wassersystem an Schaugläsern ab, bei bis zu etwa 1.600 l/h an kleinen Edelstahlleitungen im Presssystem. Ein anklemmbarer Sensor mit eigener Anzeige zeigt den Wert ebenfalls direkt an der Leitung, ohne sie zu öffnen.

An einer älteren Beschichtungsmaschine eines Waferherstellers fehlt die Anbindung an eine Steuerung. Dort sollen Kühlwasser- und VE-Wasserverbrauch zunächst aufgezeichnet werden, dafür kommt die Aufzeichnungsfunktion der Modellreihe FD-X mit Ausgabe per USB in Frage, an einer Stelle ergänzt durch die Schlauchausführung der Modellreihe FD-H. Beide Modellreihen speichern die Messdaten im Gerät und geben sie per USB aus, die Modellreihe FD-H etwa ein Jahr lang.

Kühlwasser an Vakuum-, Laser- und Prüfanlagen: Schaltschwelle statt Messwert

Kühlwasser ist hier kein Prozessmedium, sondern Versorgung, die eine Anlage in Betrieb hält. Ein Hersteller von Vakuumanlagen für die Halbleiterfertigung plant für das Kühlwasser Sensoren der Modellreihe FD-H in zwei Größen ein.

Ein Hersteller von Lasersystemen für die Halbleiterindustrie will PE-X-Kühlschläuche um 8 mm mit 1 bis 6 l/min überwachen. Ein Messwert ist dort nicht gefragt, eine Schaltschwelle mit 5 bis 10 Prozent genügt; je Anlage sind es rund zwanzig Messpunkte. Rechnerisch liegt der Schlauch im Bereich der Modellreihe FD-X.

Auch an Prüfwerkzeugen eines Halbleiterherstellers und am Kühlmittelkreis einer neuen Maschine in einem Prüflabor für Leiterplatten ist der Durchfluss zu überwachen. An einer Anlage, die Chipstrukturen bei bis zu 200 °C formt, liegt die Anforderung über den 180 °C, bis zu denen die Unterlagen der Hochtemperaturausführung der Modellreihe FD-H reichen; das Medium ist dort nicht genannt. Ein Forschungsinstitut nutzt die Schlauchausführung der Modellreihe FD-H als Servicegerät für die Prüfung von Wasserkreisläufen an seinen Anlagen.

Das Standardmodell der Modellreihe FD-H arbeitet bis 85 °C Rohroberflächentemperatur und hat einen integrierten Temperatursensor. Die Schlauchausführung reicht bis 100 °C. An einem Kühlkreis liefert das Standardmodell also an einem Messpunkt Durchfluss und Temperatur.

Häufige Fragen

F Welche Leitungsdurchmesser decken die anklemmbaren Durchflusssensoren ab?

Die Modellreihe FD-X ist für Leitungen und Schläuche von 2,7 bis 14 mm ausgelegt, die Modellreihe FD-H für Rohre von 13 bis 44 mm und Schläuche bis 63 mm. Die Modellreihe FD-R deckt DN40 bis DN200 ab, die Modellreihe FD-Q Rohre bis 2 Zoll. Welche Modellreihe passt, ergibt sich aus Durchmesser, Werkstoff und erwartetem Durchfluss.

F Lässt sich an PFA- oder PVDF-Leitungen messen?

Diese Werkstoffe nennen die Unterlagen der Modellreihen FD-H und FD-X nicht ausdrücklich. Ob eine solche Leitung das Signal ausreichend durchlässt, klärt ein Test an der Originalleitung. Erst danach wird der Messpunkt eingeplant.

F Ersetzt das Anklemmen alle Inline-Messgeräte im Reinstwassersystem?

Nicht zwingend. In einer dokumentierten Planung kommen anklemmbare Sensoren an alle kleinen und mittleren Reinstwasserleitungen, während die großen Leitungen mit normalem Wasser bei Inline-Messgeräten bleiben. Entscheidend sind Durchmesser und Medium der jeweiligen Leitung.

F Genügt für Kühlwasser eine Schaltschwelle?

Für manche Aufgaben ja: Ein Hersteller von Lasersystemen verlangt keinen Messwert, sondern eine Schaltschwelle mit 5 bis 10 Prozent. Das ist eine Anforderung, kein Katalogwert. Ob ein bestimmter Sensor sie erfüllt, zeigt ein Test am realen Schlauch.

F Welche Medientemperaturen sind möglich?

Das Standardmodell der Modellreihe FD-H arbeitet bis 85 °C Rohroberflächentemperatur, die Schlauchausführung bis 100 °C und die Hochtemperaturausführung bis 180 °C. Die Modellreihe FD-X ist für 0 bis 100 °C Rohroberflächentemperatur ausgelegt, die Modellreihe FD-R für Medien von -20 bis +120 °C.

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