CN109775671B - 一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导体芯片制造领域中使用的大宗气体的纯化。一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，包含一备一用两个吸附反应器、相应的切换阀门、相应的管路、再生气加热器、再生气冷却器和控制系统；所述吸附反应器分别装填有两种填料，从原料气的流入侧向流出侧依次填充脱氧剂和镍催化剂。工艺简单，一步法除杂，且镍催化剂的成本远高于所述脱氧剂的成本，脱氧剂对氧、水、二氧化碳的吸附容量大于镍催化剂，原料气首先经过脱氧剂的纯化，将原料中的ppm级的杂质先行脱除到10ppb，之后再经过镍催化剂，镍催化剂只需要装填用于脱除10ppb杂质所需的吸附量即可，因此可以减少高成本的镍催化剂的装填量，降低纯化成本。

Description

一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统及工艺

技术领域

本发明涉及导体芯片制造领域中使用的大宗气体的纯化，具体为氮气、氩气基于常温吸附工艺提纯为超纯气体的纯化系统。

技术背景

半导体芯片制造工艺中对氮气、氩气等大宗气体的需求主要来自于深冷空分，其中作为杂质的氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类含量在ppm级，而芯片制造工艺中对各项杂质的含量要求普遍在1ppb以下，因此需要对大宗气体进行进一步纯化使之满足工艺需求。

目前的吸附工艺纯化中，只能对氧、水、二氧化碳进行去除，如果需要进一步去除一氧化碳、氢和非甲烷烃类，则需要在吸附工序前端增加催化氧化工序，催化氧化工序需要把气体加热到300摄氏度左右再通过贵金属催化剂床层，目的是把气体中的一氧化碳、氢和非甲烷烃类氧化成水和二氧化碳然后在后端吸附工序上脱除，这样不仅纯化器成本升高，还因为加热气体到反应温度的原因造成运行成本升高，纯化器复杂程度提高，运行可靠性下降。

目前的吸附工艺纯化中,使用一个再生气加热器，一个再生气冷却器通过耐高温阀门的切换对两个吸附反应器进行再生，这样，系统需要引入高温波纹管阀门，这种阀门目前能满足条件的只有美国一家供应商，且成本高昂，货期还需要二十周左右。

发明内容

本发明的目的在于解决上述不足问题，提供一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，大幅降低纯化器投资成本和纯化运行成本，还可以使纯化器小型化，减少动力间的占用面积，另一方面，采用2个再生气加热器、两个再生气冷却器的方式避免使用高温波纹管阀，可以大幅降低阀门成本，减小采购周期和供货周期。另外，本发明还提供一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化，一步脱除大宗气体中的氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类到1ppb以下，不引入催化氧化工序，这样避免昂贵的贵金属催化剂的使用。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，包含一备一用两个吸附反应器、相应的切换阀门、相应的管路、再生气加热器、再生气冷却器和控制系统；所述吸附反应器分别装填有两种填料，从原料气的流入侧向流出侧依次填充脱氧剂和镍催化剂。

吸附反应器进气口通过原料气输入管路和切换阀门与原料气入口连接，吸附反应器出气口通过产品气输出管路和切换阀门与产品气出口连接；原料气输入管路上旁路连通再生气输出管路，再生气输出管路上安装有再生气冷却器和切换阀门，再生气输出管路连通放气口；产品气输出管路旁路连接再生气输入管路，再生气输入管路上安装有再生气加热器和切换阀门。

所述再生气输入管路通过管路连接氢气入口，且管路上安装有氢气入口阀。

所述切换阀门采用电子级隔膜阀或波纹管阀。

所述镍催化剂和脱氧剂的填充体积比Va/Vb＝0.1～0.6；进一步优选Va/Vb＝0.2～0.4。

所述镍催化剂采用对气体中微量氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类脱除能力的镍催化剂；镍催化剂采用在活性氧化铝、沸石分子筛、活性炭或硅胶等载体上担载20～80wt％的金属镍的方式制备；进一步优选担载有30～50wt％的镍催化剂。

所述吸附反应器床层上设置有测温点，控制系统包括CPU中央控制单元，CUP中央控制单元分别与流量开关、压力传感器、温度传感器、继电器、接触器、显示面板连接。

本发明所述一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化工艺，一备一用吸附反应器分别处于纯化阶段和再生阶段；

纯化阶段：原料气体进入吸附反应器后，首先经脱氧剂纯化对氧、水、二氧化碳的吸附，将原料中的ppm级的杂质先行脱除到10ppb，之后再经过镍催化剂纯化，继续将氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类进一步脱除到1ppb以下；

再生阶段：再生气通过归纳法生气加热器进入吸附反应器，高温的再生气将吸附反应器在纯化阶段吸附的水汽带出床层，经再生气冷却器降温后通过放空口高位放空；再进行加氢再生，氢气作为镍催化剂床层和脱氧剂床层的还原气对吸附反应器进行再生，经再生气冷却器降温后通过放空口高位放空。

所述当吸附反应器处于再生阶段时，生气加热器将再生气体加热到280摄氏度，再输入过吸附反应器。

所述当吸附反应器处理纯化阶段时，吸附反应器床层上设置的测温点监测到有异常温度升高且达到联锁值时，系统启动联锁停机程序。

本发明与本领域同类产品相比较，具有突出的实质性特点：

1.系统结构简单，两台一备一用吸附反应器，在吸附饱和后需要进行在线自动再生使其恢复吸附活性，两个吸附反应器分别处于常温吸附纯化和再生待用阶段，以达到纯化器连续在线工作的目的；

2.再生气加热器与吸附反应器分离，从而避免反应器内置加热器方式带来的气体在容器内各处流速不均匀、难以形成稳定的湍流和过大的壁效应问题；

3.再生气冷却器对吸附反应器的再生气进行冷却，再经阀门后从放空口排出，气体温度已降低，采用电子行业通用阀门即可控制，大大降低系统成本；

4.工艺简单，一步法除杂，且镍催化剂的成本远高于所述脱氧剂的成本，脱氧剂对氧、水、二氧化碳的吸附容量大于镍催化剂，原料气首先经过脱氧剂的纯化，将原料中的ppm级的杂质先行脱除到10ppb，之后再经过镍催化剂，镍催化剂只需要装填用于脱除10ppb杂质所需的吸附量即可，因此可以减少高成本的镍催化剂的装填量，降低纯化成本。

附图说明

图1为本发明专利结构示意图。

图中：1、原料气入口，2、产品气出口，3、放空口，4、镍催化剂层，5、脱氧剂层，6、氢气入口，7、氢气入口阀，8、原料气输入管路，9、再生气输出管路，10、产品气输出管路，11、再生气输入管路；

A、吸附反应器A，B、吸附反应器B，A1、切换阀门A1，A2、切换阀门A2，A3、切换阀门A3，A4、切换阀门A4，B1、切换阀门B1，B2、切换阀门B2，B3、切换阀门B3，B4、切换阀门B4；

HA、再生气加热器HA，HB、再生气加热器HB；

TA1、再生气加热器HA温度控制点，TB1、再生气加热器HB温度控制点，TA2、吸附反应器A床层测温点，TB2、吸附反应器B床层测温点；

EA、再生气冷却器EA，EB、再生气冷却器EB。

具体实施方式

下面结合图1对本发明做进一步说明：

本发明的纯化系统由两个自动切换的吸附反应器A和B、相应的切换阀门A1～A4、B1～B4、相应的管路、相应的再生气加热器HA和HB及对应的控制系统组成；所述吸附反应器A和B分别装填有两种填料，从原料气的流入侧向流出侧依次填充脱氧剂和镍催化剂；吸附反应器中镍催化剂的填充量为Va,脱氧剂的填充量为Vb时,镍催化剂和脱氧剂的填充比Va/Vb为0.1～0.6，进一步优选为0.2～0.4。

吸附反应器进气口通过原料气输入管路8和切换阀门与原料气入口1连接，吸附反应器出气口通过产品气输出管路10和切换阀门与产品气出口2连接；原料气输入管路上旁路连通再生气输出管路9，再生气输出管路上安装有再生气冷却器和切换阀门，再生气输出管路连通放气口；产品气输出管路旁路连接再生气输入管路11，再生气输入管路上安装有再生气加热器和切换阀门。

以A吸附反应器处于纯化阶段为例，原料气体从原料气入口1进入纯化器，切换阀门A1、切换阀门A4处于打开状态，切换阀门A2、切换阀门A3处于关闭状态。原料气进入吸附反应器A后首先接触到脱氧剂床层5，气体中的氧、水和二氧化碳被脱氧剂床层5吸附到10ppb以下，其中水和二氧化碳为物理吸附，氧为化学吸附，其吸附原理是：AO+O₂--→AO₂，其中AO指代脱氧剂中的脱氧有效成分金属氧化物；

通过脱氧剂床层的气体氧、水和二氧化碳被脱除到10ppb以下后继续流入镍催化剂床层4，镍催化剂床层4可以将气体中的氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类进一步地脱除到1ppb以下。

其中镍催化剂床层4中装填有再生后具备对气体中微量氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类脱除能力的镍催化剂。具体地，这种镍催化剂可以使用在活性氧化铝、沸石分子筛、活性炭或硅胶等载体上担载20～80wt％的金属镍的方式制备。进一步优选使用担载有30～50wt％的镍催化剂。

再生过程由中央控制单元采用时序控制的方式进行，参照图1以吸附反应器B为例说明吸附反应器的再生过程。

1)卸压：

初始状态：B1～B4阀门处于关闭状态，吸附反应器B内压力为上一次纯化阶段的使用压力，一般在0.6～0.8Mpa；卸压操作开始后5秒，中央控制单元给阀门B2开阀信号，B2阀门打开；吸附反应器B内的气体通过B2阀门和放空口3最终流向安装于室外的高位放空处放空，直到吸附反应器B内压力降低到大气压，过程持续时间5～8分钟。

2)加热吹扫1：

初始状态为卸压完成状态，B3阀门开启，一部分来自产品气出口2前端的产品气作为再生气通过B3阀门，经过再生气加热器HB流入吸附反应器B再经过再生气冷却器EB、阀门B2和放空口3最终流向安装于室外的高位放空处，与此同时，再生气加热器HB启动加热，目的是将再生气加热到再生工艺所需的300摄氏度；过程持续时间6～8小时。

进一步地，过程中，高温的再生气将吸附反应器B在纯化阶段吸附的水汽带出床层并且通过放空口3高位放空；

进一步地，再生气冷却器EB的作用是将高温的再生气通过风冷的方式冷却到接近常温之后再放空。这样可以保护常温使用的阀门B2并且降低了放空管路到室外高位放空处之间管道的高温烫伤风险。

进一步地，再生气流量为纯化器处理气量的5％；过程压力为常压。

3)加氢再生：

初始状态为加热吹扫1状态。氢气入口阀7打开，在再生气中加入一定量的高纯氢气，氢气作为镍催化剂床层和脱氧剂床层的还原气对吸附反应器B进行再生。过程持续时间2～4小时。

进一步地，氢气加入量为再生气量的3％，过程压力为常压。

4)加热吹扫2：

初始状态为加氢再生状态。氢气入口阀7关闭，高温的再生气将吸附反应器B在加氢再生阶段生成的水以气态形式带出床层并通过放空口3高位放空。

过程持续时间2～4小时。

进一步地，以氧为例，加氢还原的原理是：AO₂+H₂--→AO+H₂O。

5)冷却：

初始状态为加热吹扫2状态。再生气加热器HB停止加热，常温的再生气将吸附反应器的热量带出直至反应器冷却到常温。过程持续时间8～10小时。

6)充压待用：

初始状态为冷却状态，B2阀门关闭，再生气开始通过B3阀门给吸附反应器B充压，当吸附反应器B压力达到纯化器正常工作压力时关闭B3阀门，吸附反应器B进入待用阶段，等到吸附反应器A纯化周期结束后，自动进入纯化状态，而吸附反应器A则同时进入自动再生过程。

实施例1

选择Φ159不锈钢无缝管,填充段高度1000mm，上部镍催化剂装填高度200mm，下部脱氧剂装填高度800mm，作为吸附反应器A。

以下列条件对吸附反应器A进行再生。

再生氮气流量2.5Nm³/h，再生气加热器HA加热温度300摄氏度，氢气加入量1.25SLPM，加热吹扫1持续6小时，加氢再生持续2小时，加热吹扫2持续2小时，冷却持续8小时。

进一步地，以下列条件进行常温吸附纯化原料气体。

将含有3ppm的氧、3ppm的水、1ppm的二氧化碳、1ppm的一氧化碳、1ppm的氢的氮气作为原料气，由原料气入口1流入，通过A1阀门、吸附反应器A、A4阀门，最终通过产品气出口2排出。在产品气出口2出对以上杂质指标进行检测。过程中原料气的压力为0.7Mpa，流量为40Nm³/h，温度为常温25摄氏度。

从开始通入原料气体到检测到以氧为第一穿透成分的时间为145小时。

比较例1

选择Φ159不锈钢无缝管,填充段高度1000mm，全部装填脱氧剂，作为吸附反应器A。

以下列条件对吸附反应器A进行再生。

再生氮气流量2.5Nm³/h，再生气加热器HA加热温度300摄氏度，氢气加入量1.25SLPM，加热吹扫1持续6小时，加氢再生持续2小时，加热吹扫2持续2小时，冷却持续8小时。

进一步地，以下列条件进行常温吸附纯化原料气体。

将含有3ppm的氧、3ppm的水、1ppm的二氧化碳、1ppm的一氧化碳、1ppm的氢的氮气作为原料气，由原料气入口1流入，通过A1阀门、吸附反应器A、A4阀门，最终通过产品气出口2排出。在产品气出口2出对以上杂质指标进行检测。过程中原料气的压力为0.7Mpa，流量为40Nm³/h，温度为常温25摄氏度。

纯化过程中受脱氧剂吸附特性影响只能吸附氧、水、二氧化碳三种杂质。

从开始通入原料气体到检测到以水为第一穿透成分的时间为166小时。

比较例2

选择Φ159不锈钢无缝管,填充段高度1000mm，全部装填镍催化剂，作为吸附反应器A。

以下列条件对吸附反应器A进行再生。

再生氮气流量2.5Nm³/h，再生气加热器HA加热温度300摄氏度，氢气加入量1.25SLPM，加热吹扫1持续6小时，加氢再生持续2小时，加热吹扫2持续2小时，冷却持续8小时。

进一步地，以下列条件进行常温吸附纯化原料气体。

将含有3ppm的氧、3ppm的水、1ppm的二氧化碳、1ppm的一氧化碳、1ppm的氢的氮气作为原料气，由原料气入口1流入，通过A1阀门、吸附反应器A、A4阀门，最终通过产品气出口2排出。在产品气出口2出对以上杂质指标进行检测。过程中原料气的压力为0.7Mpa，流量为40Nm³/h，温度为常温25摄氏度。

从开始通入原料气体到检测到以氧为第一穿透成分的时间为55小时。

将实施例1，比较例1和比较例2三种装填方式的具体情况汇于表1

表1

由实施例1和比较例1可知，装填200mm镍催化剂、800mm的吸附反应器床层和全部装填脱氧剂的床层比较，穿透时间前者小于后者。但后者不能脱除一氧化碳和氢，纯化过程需要在前端引入昂贵的含钯氧化催化剂的高温使用的氧化工序。因此，按照一定比例填充的复合床层可以大幅降低纯化器制造成本纯化器运行成本。

由实施例1和比较例2可知，装填200mm镍催化剂、800mm的吸附反应器床层和全部装填镍催化剂的床层比较，穿透时间前者远大于后者。因为深冷空分装置的主要杂质为氧、水和二氧化碳，且脱氧剂对氧、水和二氧化碳的吸附容量大于镍催化剂，因此，按照一定比例填充的复合床层不仅能够全部吸附氧、水、二氧化碳、一氧化碳和氢气，还能大幅减少成本较高的镍催化剂的装填量，大幅增加穿透时间，降低了纯化器运行成本，进一步地可以是纯化器小型化，减少动力车间占用面积。

Claims (10)

1.一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：包含一备一用两个吸附反应器、相应的切换阀门、相应的管路、再生气加热器、再生气冷却器和控制系统；所述吸附反应器分别装填有两种填料，从原料气的流入侧向流出侧依次填充脱氧剂和镍催化剂, 所述镍催化剂和脱氧剂的填充体积比Va/Vb＝0.1～0.6, 所述镍催化剂采用对气体中微量氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类脱除能力的镍催化剂, 镍催化剂采用在活性氧化铝、沸石分子筛、活性炭或硅胶载体上担载20～80wt%的金属镍的方式制备。

2.根据权利要求1所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：吸附反应器进气口通过原料气输入管路和切换阀门与原料气入口连接，吸附反应器出气口通过产品气输出管路和切换阀门与产品气出口连接；原料气输入管路上旁路连通再生气输出管路，再生气输出管路上安装有再生气冷却器和切换阀门，再生气输出管路连通放气口；产品气输出管路旁路连接再生气输入管路，再生气输入管路上安装有再生气加热器和切换阀门。

3.根据权利要求1所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：所述再生气输入管路通过管路连接氢气入口，且管路上安装有氢气入口阀。

4.根据权利要求1所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：所述切换阀门采用电子级隔膜阀或波纹管阀。

5.根据权利要求1所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：所述镍催化剂和脱氧剂的填充体积比Va/Vb＝0.2～0.4。

6.根据权利要求1所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：所述镍催化剂采用在活性氧化铝、沸石分子筛、活性炭或硅胶载体上担载30～50wt%的金属镍的方式制备的镍催化剂。

7.根据权利要求1所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：所述吸附反应器床层上设置有测温点，控制系统包括CPU中央控制单元，CUP中央控制单元分别与流量开关、压力传感器、温度传感器、继电器、接触器、显示面板连接。

8.一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化工艺，采用权利要求1所述的基于常温吸附工艺的超纯气体纯化系统，其特征在于：一备一用吸附反应器分别处于纯化阶段和再生阶段；

纯化阶段：原料气体进入吸附反应器后，首先经脱氧剂纯化对氧、水、二氧化碳的吸附，将原料中的ppm级的杂质先行脱除到10ppb，之后再经过镍催化剂纯化，继续将氧、水、二氧化碳、一氧化碳、氢和非甲烷烃类进一步脱除到1ppb以下；

再生阶段：再生气通过归纳法生气加热器进入吸附反应器，高温的再生气将吸附反应器在纯化阶段吸附的水汽带出床层，经再生气冷却器降温后通过放空口高位放空；再进行加氢再生，氢气作为镍催化剂床层和脱氧剂床层的还原气对吸附反应器进行再生，经再生气冷却器降温后通过放空口高位放空。

9.根据权利要求8所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化工艺，其特征在于：当吸附反应器处于再生阶段时，生气加热器将再生气体加热到280摄氏度，再输入过吸附反应器。

10.根据权利要求8所述的一种基于常温吸附工艺的超纯气体纯化工艺，其特征在于：当吸附反应器处理纯化阶段时，吸附反应器床层上设置的测温点监测到有异常温度升高且达到联锁值时，系统启动联锁停机程序。