面向集成電路行業(yè)的特種氣體純化再生系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

杜浩明 肖選 江曉松 李斌 居健

摘要：如何將集成電路運(yùn)行過程所需的特種氣體純化、再生，成為了時(shí)下阻礙我國集成電路行業(yè)發(fā)展的難題，基于此，為解決集成電路行業(yè)中特種氣體純化、再生問題，設(shè)計(jì)開發(fā)出了9N系列氣體純化裝置，對其基本構(gòu)造、工作原理和技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了分析，并總結(jié)了優(yōu)勢和具體應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：集成電路行業(yè);氣體;裝置

近年來，在我國工業(yè)水平高速發(fā)展的過程中，在化學(xué)工藝、氣體分析及電子工業(yè)中大量使用超高純的各種惰性氣體。特別是隨著信息化“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，作為技術(shù)密集型行業(yè)的集成電路行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)所需的特種氣體需求量也出現(xiàn)了快速提升。然而，由于傳統(tǒng)工藝制備的惰性氣體中通常含有一定的雜質(zhì)，因其化學(xué)性而使惰性氣體無法適用于高工藝性的要求。這也導(dǎo)致了在我國惰性氣體行業(yè)中，普通惰性氣體和高純惰性氣體之間的價(jià)格純在較大的利潤差。

如何以較低的成本獲得極高純度的惰性氣體，成為了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展方向和技術(shù)目標(biāo)。基于此，本項(xiàng)目組通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)理念，開發(fā)和生產(chǎn)各類氣體純化器以及氣體純化系統(tǒng)。在充分掌握國外氣體純化工藝核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過不斷的研究創(chuàng)新，結(jié)合高品質(zhì)的原材料和超高純零部件，自主開發(fā)出9NP、9NG、9NS等9N系列氣體純化設(shè)備可直接替代各種進(jìn)口的氣體純化設(shè)備，為行業(yè)發(fā)展節(jié)約外資做出了一定的貢獻(xiàn)。

一、設(shè)備方案設(shè)計(jì)

（一）一種結(jié)構(gòu)簡單、小型的氣體純化裝置

本項(xiàng)目產(chǎn)品不必采用如氣體公司所使用的工業(yè)大型化的裝置，而是使用結(jié)構(gòu)簡單、小型的氣體純化裝置，該產(chǎn)品主要由再生尾氣處理裝置、再生混氫裝置、熱電偶溫度測量裝置、純化單元正壓防爆裝置、吸氣劑氫氣純化系統(tǒng)保護(hù)裝置、吸氣劑氫氣純化單元保護(hù)裝置和再生混氣柜構(gòu)成。即可強(qiáng)力去除惰性氣體中的氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、水等雜質(zhì)，特別是可將惰性氣體中的甲烷，輕質(zhì)烴，一氧化碳以及二氧化碳去除至體積比濃度1ppb或小于1ppb。而且本超高純度氣體純化裝置可再生使用，可以大規(guī)模的推廣使用，已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其使用性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有工藝。

（二）氣體純化裝置工作原理

（1）加熱方式。使用的加熱不燃燒陶瓷發(fā)熱片采用立體加熱陶瓷芯，此類加熱芯采用LDS技術(shù)在陶瓷上附著3D立體形狀發(fā)熱線路的新技術(shù)方案。其對稱分布、自由度更大、更均勻的發(fā)熱電路，克服了傳統(tǒng)IQOS發(fā)熱片加熱維度單一、易損壞、維修成本高昂、易積碳、不易清洗等的產(chǎn)品缺陷。并且，通過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備的加溫控制程序，使采用的蜂窩狀異型陶瓷發(fā)熱器在氣體加溫和保溫中獲得更好的能效比。

（2）氣體凈化工藝和純化罐體結(jié)構(gòu)。設(shè)備的純化罐體內(nèi)部分為進(jìn)氣端、加溫區(qū)和出氣端。在進(jìn)氣端內(nèi)設(shè)計(jì)安裝顆粒狀氣體吸附劑組件，在氣體進(jìn)入時(shí)工藝氣體中高濃度的雜質(zhì)首先和比較低溫的顆粒狀氣體吸附劑反應(yīng)，其反應(yīng)速度受到較低溫度和較小表面積的雙重限制。在以上限制條件下，進(jìn)氣端溫度較低，即使放熱也不會使溫度上升到不安全的范圍內(nèi)。在加溫區(qū)和出氣端內(nèi)設(shè)計(jì)安裝粉末狀氣體吸附劑組件。當(dāng)氣體進(jìn)入到加溫區(qū)和出氣端的高溫粉末狀氣體吸附劑接觸時(shí)，由于雜質(zhì)已經(jīng)被進(jìn)氣端的顆粒狀氣體吸附劑去除了一部分，其反應(yīng)速度也會極大的降低，不會大量放熱帶來安全隱患。

（3）套管換熱器。反應(yīng)柜本體底部彎管上連通有第一L形管，第一L形管的一側(cè)通過接頭連通有套管換熱器，套管換熱器分為內(nèi)管和外管，外管和內(nèi)管之間形成空腔，且第一L形管的一端與空腔相連通，套管換熱器的頂部通過接頭和管路連通有第二L形管，第二L形管的底端通過接頭與套管換熱器的內(nèi)管相連通，第二L形管的頂端一側(cè)貫穿反應(yīng)柜本體并伸到反應(yīng)柜本體的內(nèi)部，套管換熱器外管頂部的一側(cè)通過管路連通有三通管，三通管的兩端分別連通有散熱管，反應(yīng)柜本體底端的一側(cè)設(shè)有儲水罐，儲水罐的一側(cè)固定連接有預(yù)熱夾塊，每個(gè)散熱管的底部和第一L形管的頂部均通過管路與儲水罐相連通和反應(yīng)柜本體底部的彎管相連通。

（4）純化單元本。純化單元本體分為內(nèi)管和純化單元外殼，且內(nèi)管位于純化單元外殼的內(nèi)部，內(nèi)管和純化單元外殼之間形成空腔，純化單元本體的頂部分別設(shè)有固定板和浮子流量計(jì)，浮子流量計(jì)位于固定板的一側(cè)，浮子流量計(jì)的頂端和底端分別設(shè)有出口和進(jìn)口，浮子流量計(jì)一側(cè)的頂端出口處和底端的進(jìn)口處均貫穿固定板，且通過接頭連通有第一管路，第一管路遠(yuǎn)離固定板的一側(cè)與空腔相連通，浮子流量計(jì)的底端進(jìn)口處通過接頭連通有第二管路，第二管路的一端連通有球閥，純化單元外殼上設(shè)有防爆壓差開關(guān)，防爆壓差開關(guān)的一端連通有壓差檢測管路，壓差檢測管路的一端貫穿純化單元外殼，且伸入空腔中。

（三）裝備主要技術(shù)創(chuàng)新

（1）采用超高純度氣體純化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在常溫下（0-50℃）使用的、可均衡、有效地去除惰性氣體中的雜質(zhì)氣體，特種氣體制取純度提升。

（2）惰性氣體純化再生系統(tǒng)采用三個(gè)純化罐的結(jié)構(gòu)，并且其管路連接也做了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，系統(tǒng)在氫氣純化再生系統(tǒng)上增設(shè)特殊的模塊化接入裝置，改裝成惰性氣體純化再生系統(tǒng)，可以有效除去惰性氣體中的氧氣，模塊化的氫氣接入裝置安裝方便，拆卸方便，減少了惰性氣體純化再生系統(tǒng)的成本，可以達(dá)到一機(jī)多用的效果。

（3）采用陶瓷加熱，在較高絕緣耐火程度的陶瓷內(nèi)穿上電阻絲，具有溫度不外泄，工作安全，可節(jié)省電能的優(yōu)點(diǎn)。

（4）采用尾氣處理裝置，尾氣處理之后廢氣是少量的水蒸氣，排放到空氣中，不會造成污染。尾氣的熱量傳遞給再生氣體，降低設(shè)備的能源消耗。

二、優(yōu)勢分析

產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子、光電、光纖、光伏、化工、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中超高純度氣體的制造、分析和應(yīng)用。并且公司因氣體純度高，受到5G光纖龍頭企業(yè)中天集團(tuán)的信賴，成為企業(yè)的重要客戶。產(chǎn)品對于超高純度特種氣體的制備能力，可以有效替代進(jìn)口設(shè)備，降低行業(yè)整體的外資消耗，提升國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)競爭力。項(xiàng)目在開發(fā)研究的過程中，始終堅(jiān)持《中國制造2025》所提出的“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”。產(chǎn)品在柔性化生產(chǎn)、降低能耗、提升質(zhì)量等方面均有較大的突破，同時(shí)培養(yǎng)了一批行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的專業(yè)技術(shù)人員，為國內(nèi)特種氣體行業(yè)的發(fā)展起到了一定的推動作用。

三、應(yīng)用效果

項(xiàng)目產(chǎn)品所獲得的特種氣體純度進(jìn)一步提升，成本進(jìn)一步下降。項(xiàng)目對于特種氣體的制造，在能源、耗材等生產(chǎn)成本方面將進(jìn)一步降低5%以上。對于高純度氣體良品率，在現(xiàn)有水平上提升10%以上;提升項(xiàng)目相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品和氣體產(chǎn)品的整理毛利率。該設(shè)備的研發(fā)可以使所生產(chǎn)的特種氣體產(chǎn)品，充分滿足集成電路行業(yè)高技術(shù)水平的需求。

四、結(jié)語

本裝置通過采用新結(jié)構(gòu)和新工藝，提高設(shè)備在生產(chǎn)特種氣體時(shí)的安全性，蜂窩狀異形陶瓷加熱和再生尾氣的熱能回收，提高設(shè)備的能效比。新的過濾工藝和結(jié)構(gòu)，提高氣體的凈化純度，并提高吸附劑的使用效率，降低生產(chǎn)成本，另外采用新配件和熱電偶分布以提高測溫效率。該裝置應(yīng)用于集成電路運(yùn)行過程所需的特種氣體純化和再生，在集成電路行業(yè)中具有較大的推廣價(jià)值。

基金項(xiàng)目：

閔行區(qū)產(chǎn)學(xué)研合作計(jì)劃項(xiàng)目。