半导体气体的净化方法技术

本发明专利技术的目的是要提供一种用于净化含有杂质的气体从而生产出超高纯度气体的方法，该方法包括下述步骤：ａ）使含有杂质的液化气体通过第一吸收装置以去除其液相中的杂质，从而产生初次净化流体；ｂ）使这初次净化流体通过蒸发装置以去除其中的杂质，从而产生二次净化气体；和ｃ）使二次净化气体通过第二吸收装置以去除其汽相中的杂质，从而生产出超高纯气体。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及气体的净化，更具体地说，涉及一种利用吸收和蒸发技术生产不含杂质的净化半导体气体的方法。目前，提供给电子产品用户的瓶装氨，其规格为含水量低于3ppm。这样“高的”含水量值实际上是由于受过去分析技术的限制和这并非是实际可达到的水平。由于这一限制，净化效果没能准确地得到证明。为了达到3ppm或更小的含水量，源气瓶中较高含水量的氨被转换成汽相充入指定瓶中。这种处理方法可认为能足以使含水量降至3ppm规格。可是曾发现，简单的汽相转换(vapor phase transfill)不足以使含水量达到ppb量级。利用市场上买得到的串联式净分器的观点可用来保证使含水量低于3ppm。这些净化器采用锂基树脂来去除氨中的水分，或采用锆-铁催化剂来除去水分。最新的分析技术已表明，这些净化器将除去水分到ppb量级。这些净化器非常昂贵(3～5千美元)并水容量有限。它们不可再生，而当失效时必须更换。由于这些限制，使用串联式净化器的观点不能用于每天数千磅量级的大规模净化。在本领域中最希望的是能提供一种用于净化低含水量(小于约200ppb)的半导体气体的经济方法。本文采用的术语“杂质”意指在要净化的气流中的任何不希望有的物质。这类杂质主要是水，但也包括其它易挥发的杂质，诸如二氧化碳，二氧化硫，以及来自蒸发过程中的粒子。专利技术详述本专利技术采用了一种液相吸收，过滤，蒸发(或蒸馏)和汽相吸收相组合的方法，从而生产出含有低于200ppb含水量的氨。以99.9999999％过滤器效率为基准，不挥发的残余物也将被降低到小于1ppb的不能检测的限度。本专利技术的每一部分不能将氨净化到小于200ppb的含水量。只有正确的组合和顺序才能将含水量降低到小于200ppb。所建议的新颖方法生产出含有低ppb(＜200ppb)含水量的氨。这低含水量可采用由普拉克斯发展的新的傅里叶变换红外(FTIR)分析技术来证实。因为本方法采用了市场上买得到的吸附剂替代使用净化器，它使得净化每磅氨的成本降低了。然后将氨充灌到供使用的钢瓶中，而不用象使用净化器那样昂贵。有三种从氨中除去水分的通用方法1)化学反应，2)吸收和3)物理方法，例如蒸发或蒸馏。化学反应除去水分方法的一个实例是使用二氮化三镁，使其与氨气流中的水分发生反应。这种反应产生氢氧化镁和更多的氨。化学反应剂例如二氮化三镁是非常昂贵的，成本为每克相当于1美元。每克二氮化三镁将与大约1克的水发生反应。这能估算出从氨中每去除1克水约需1美元。因为二氮化三镁是不能再生的，这意味着将它用于为每天净化数千磅氨设计的工艺方法中是不经济的。类例的实例是上述以锂树脂为基础的净化器。吸收技术对除去水份更加有用。含水的氨可采用使其液相通过工况良好的3A分子筛的方法来干燥。由普拉克斯所收集的实验数据已表明，采用使其通过3A分子筛床的方法可将液相氨中大约90％的水分去除。为了使不挥发的杂质减至最少，必须在分子筛床的下游放置颗粒过滤器。物理方法对去除氨中的水分也是有用的。典型的99.999％(“5.0级”)电子级的氨被证实是满足3ppm的含水量规格。根据氨中痕量含水量的汽-液平衡，在汽相中的3ppm水分浓度相当于大于500ppm的液相浓度。附图说明图1表示微量含水量-氨系统的汽-液平衡数据。这数据表明大部水分存在于液相中。液相中水分浓度比汽相中的浓度要大约2～3个数量级。通过汽相转换，这个平衡的优点在过去已用来除去水分达到3ppm规格。这个平衡数据表明，低得多的含水量是能达到的。存在着一些实际问题而这些问题将在下面论述。根据上述简论，看来可以将或者吸收或者物理方法用作经济的氨净化方法的基础。但是，吸收床中的除去水分效率，物理方法中的汽液平衡限制和含水量与氨之间的化学平衡都制约着在单个步骤作业中将含水量降至200ppb以下。已成功地证实的办法如下。首先，在3A分子筛上吸收从液相中去除尽可能多的水分是可能的。下一步是蒸发(或蒸馏)氨，以便利用有利的含水量的汽-液平衡分布，从而使水分浓度再降低2～3个数量级。最后一步是采用通过另一个3A分子筛捕集器的方法，来去除由蒸发(或蒸馏)所得的汽相氨中的任何化学结合水。最后将这超低含水量的氨冷凝以便贮藏或灌入钢瓶中。液相吸收床详速使含有约600ppmw(重量/重量)含水量的液相氨通过3A分子筛床，从而使含水量降至约40～约60ppmw，优选约50ppmw。使含有约130～约170ppmw、优选约150ppmw的另一种液相氨试样通过分子筛床，从而使含水量降至约9～约13ppmw，优选约11ppmw。在这两种情况中，采用使该试样通过床的办法，能使大约90％的水分从液相中去除。在除去水分过程中，会有一些粒子穿过床流出，故在床的下游安装了颗粒过滤器，结果发现这过滤器对去除氨中的不挥发残余物和金属粒子，使其达到低于ppb量级是有效的。但是处于ppm低量级的含水量对于氮化物日常应用而言，仍然不是足够低。蒸发/蒸馏详述基于图1所示的汽-液平衡数据，采用蒸发或蒸馏氨使其由液相转变到气相的方法，有时称为“汽相转换”，能进一步降低水含量。精心的汽相转换能使含水量降低2个数量级，亦即从100ppm将至小于1ppm。这种净化只有在进行转换的流速没有引起任何液态氨沸腾时才能实现。如果出现沸腾将不能实现净化，因为液相中的所有水分将完全汽化成气相。但是，如果避免了沸腾，汽相转换将使该系统保持合适的汽-液平衡含水量分布，并使水分浓度降低2个数量级。对上述蒸发有一项限制。并非所有的氨都可进行蒸汽转换。基于剩留在气源瓶中的水分的质量平衡，当从该瓶中提取氨蒸汽时，液相中的含水量将继续增加。为了解释这一现象，已开发出一种用来建立氨系统中，已知液相水分浓度与发生的汽相水分浓度之间关系的计算机模型，而上述蒸汽取自该氨系统。在运用图1所示的汽-液平衡数据进行的转换过程中，上述模型假设了等水蒸发。图2表示在取自气源瓶的转换过程中，液相和汽相中的含水量模拟图。根据图2，从液态氨混合物中100ppm的含水量开始，蒸汽转换将始终如一地传送着汽相水分浓度小于约3ppm的水分，直至约75％的氨已蒸发为止。此时，液态氨源中的水分浓度将增加到大于约500ppm，而蒸汽浓度则增加到大于约3ppm。这是一种不利的情况，因为被转换的水分越多，最终产品具有的水分将越多。蒸汽转换还会使最终产品氨中的金属杂质减小。金属杂质常呈不挥发残余物形式，并在蒸发步骤中将不会被带入汽相中。作为一种选择，蒸发装置可以包括配有再沸器的蒸馏塔或单个蒸馏步骤。汽相吸收床详述由于蒸汽氨的水分浓度仍有几个ppm，并可化学地被约束于氨中，敌必须采取另一减低水分浓度的步骤，以便确保在最终产品氨中的含水量为非常低的ppb级。这可采用使氨蒸汽通过另一分子筛床的方法来达到。使含有约2ppm水分浓度的汽相氨通过3A分子筛床的方法，能使其水分浓度降至小于约100ppb。这种氨就渗氮应用而言是足够干燥了，并能被冷凝以便储存在钢瓶中。床调整详述将3A分子筛床进行如下调整温度350℃，处于被证实含有小于约10ppb的水分浓度的超高纯惰性气体诸如氮，氩或氦的连续流状态中，达约200小时。这可认为是一种工况良好的床。应该注意，调整分子筛床取决于许多参数，这包括流速，床中杂质的数量，调整持续时间和床调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于净化含有杂质的气体，以便生产出超高纯气体的方法，该方法包括以下步骤： ａ． 使含有杂质的液化气体通过第一吸收装置以去除其液相中的杂质，从而产生初次净化流体； ｂ． 使上述初次净化流体通过蒸发装置以去除其中的杂质，从而产生二次净化气体；和 ｃ． 使上述二次净化气体通过第二吸收装置以去除其汽相中的杂质，从而生产出上述超高纯气体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S萨利姆，AE霍尔默，RW施鲁斯伯里，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]