[发明专利]组合式热吸气剂净化系统

说明书

技术领域

本发明涉及气体净化，更具体地说，本发明涉及基于吸气剂的从气体中脱除杂质的方法和设备。

技术背景

半导体设备制造、实验室研究、质谱仪和其它工业与应用中优选使用超高纯(UHP)气体。超高纯气体一般定义为纯度至少99.9999999％(v)。

有几种生产超高纯气体的方法。所用的方法通常由所需的气体流率决定。小流率超高纯气体最典型地用于在单点使用(POU)，例如单一实验室试验点或单一加工设备如化学气相淀积法(CVD)半导体加工设备。对于POU和其它类似的小流率应用，优选的方法是采用冷反应净化工艺或者热吸气剂净化工艺，主要是由于这些方法可以进行小规模地生产。

冷反应净化工艺一般利用基于活性金属、金属合金或聚合物树脂的净化材料。冷反应净化工艺采用特殊的、活性净化材料处理要净化的不纯气体中。一般，这种方法要求专门调节净化材料，达到“活化”净化材料，然后在压力下迫使不纯气体通过该净化材料。净化材料与不纯气体中的杂质进行化学或物理地结合，而使净化气流出。

图1是现有技术的冷反应净化工艺10的工艺流程图，它利用多孔、还原性镍催化剂颗粒作为净化材料。首先在工序14中，一种不纯气体例如含有微量杂质氧的氩气，在压力下流过多孔镍粒。微量杂质氧与镍金属反应形成镍氧化物。其它杂质也可以与镍反应。净化气在工序16中应用于其目的场合(例如半导体制造工艺)。当镍通过工艺10基本被氧化之后，就不能再从气体中有效地脱除氧和其它杂质。

以冷反应净化材料与杂质反应直到净化材料不再能把不纯气体中的杂质脱除到所需水平时达到的“净化容量”来描述冷反应净化材料。以上述镍为例，当镍不再从不纯气体中脱除微量氧，以致生成气不再保持至少99.9999999％的纯度时，镍就达到了其净化容量。对给定杂质，当冷反应净化材料达到其净化容量时，就必须更换这种冷反应净化材料，或者有可能的话进行再活化。

杂质的“总容量”为基本上将净化材料全部耗尽，或者说通过与杂质反应使净化材料不再与任何杂质反应时所需杂质的数量。

给定杂质的总容量一般比净化容量高得多。提高杂质的净化容量，一般是通过使用大量净化材料来实现的。

冷反应净化材料工艺的好处是工序非常简单，通常在工厂活化和在现场操作都无需控制和监测系统。冷反应净化工艺的缺点是只能脱除非常有限的几种杂质，而且对有限的几种杂质，容量也非常小。已知冷反应净化工艺中净化器是过热的，如果一旦暴露于过高浓度的杂质中，甚至会引起着火。

加热的吸气剂净化材料(此后称为吸气剂)，一般是Zr、Ti、Nb、Ta、V以及其它材料的合金或混合物。热吸气剂工艺就是让待净化的不纯气通过保持在适当温度下的一定数量的吸气剂材料。

图2表示现有技术的热吸气剂工艺30。在工序31中，不纯气从净化器第一端入口流入。然后，在工序32中，不纯气体被预热到操作温度。接着，在工序34中，加热的吸气剂与不纯气中的杂质如CO₂、H₂O、CH₄、CO、O₂、N₂和其它杂质发生化学结合。在工序36中，净化气在换热过程中被冷却到接近常温。在接近常温时，吸气剂对H₂有很大容量。在任选工序38中，利用一定量接近常温的吸气剂基本上脱除残余H₂和其它杂质。在工序39中，净化气从净化器第二端的出口流出。然后将净化气用于工序40中目的场合(例如半导体制造工艺)。

当吸气剂不再能将杂质脱除到要求的性能水平时，吸气剂达到其净化容量。当吸气剂材料达到给定杂质的净化容量时，就必须更换。

杂质的总容量是基本上将吸气剂材料全部耗尽或者说与杂质反应掉时所需的杂质量。给定杂质的总容量一般大大高于杂质的净化容量。一般通过增加吸气剂用量或者将吸气剂加热到更高温度来提高杂质的净化容量。

热吸气剂工艺优于冷反应净化材料工艺之处是，对等量的净化材料而言脱除给定杂质的数量是其50倍。热吸气剂工艺还能脱除数种类型的杂质，而冷反应净化材料工艺一般只能脱除一两种类型的杂质。这就降低了这些系统总的操作费用和维修费用。