高純電子混合氣的制備

閆 云，李 旭，王星帥，王 坤

[中船(邯鄲)派瑞特種氣體股份有限公司，河北 邯鄲 057550]

1 前 言

在集成電路和高性能液晶顯示等領(lǐng)域，高純電子混合氣的品質(zhì)對半導(dǎo)體和顯示器件的性能和良品率有著重大的影響，因此對高純電子混合氣的純度和濃度相對偏差等都有著較高的要求。例如，浸沒式光源用激光混合氣是影響芯片制造和器件性能的核心材料，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體10 nm和16 nm工藝節(jié)點，對氣體純度和配氣準(zhǔn)確性都有很高要求。

近年來，集成電路和高性能液晶等領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步和革新，牽引了高純電子混合氣的質(zhì)量和制備技術(shù)的逐步提升。在質(zhì)量方面，電子混合氣純度更高，濃度相對偏差要求更低；在制備工藝方面呈現(xiàn)出自動化和批量化的特點?，F(xiàn)就高純電子混合氣的氣體質(zhì)量、自動化配氣和批量配氣進(jìn)行簡要的介紹。

2 混合氣的質(zhì)量

高純電子混合氣的品質(zhì)主要由純度和濃度相對偏差兩部分決定?；旌蠚饧兌戎饕Q于組分氣純度和充裝方法。一般要求電子混合氣中的H2、N2、He、Ne、Ar、O2等組分氣純度不低于6N。這些氣體的純化通常采用成套設(shè)備，經(jīng)過深度凈化可以將原料氣中的H2、O2、N2、H2O、CO2、CO、TCH等雜質(zhì)深度脫除至(10～1)×10-9以下，純化后的氣體純度可達(dá)到(7～8)N及以上。氣體純化設(shè)備通常包括催化氧化、脫氧吸附、吸氣、終端吸附等工藝。工作溫度為低溫、常溫或高溫，冷卻方式包括風(fēng)冷、水冷以及液氮冷卻等方式。成套純化設(shè)備具有雜質(zhì)脫除深度高、抗波動能力強(qiáng)、抗意外能力強(qiáng)以及安全可靠等特點。

混合氣的制備方式是影響濃度相對偏差的重要因素。高純電子混合氣的制備方法主要有重量法、壓力法和質(zhì)量流量比法等多種方法。在高壓靜態(tài)配制瓶裝混合氣方法中，稱量法是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最準(zhǔn)確的配制方法，也是應(yīng)用最廣泛的配氣方法。

專利號為CN 201510318932.5的發(fā)明專利《超純混合氣制備系統(tǒng)和方法》[1]公開了一種瓶裝超純混合氣的配制系統(tǒng)和方法，組分氣和稀釋氣的高純原料氣分別經(jīng)純化器純化為超純氣，經(jīng)檢驗合格后，不進(jìn)行充裝而是立即通入混氣配制單元，并依次在氣瓶中充裝，以此配制高純混合氣；各氣體組分的定量采用在線稱量方式，即在氣瓶連接充裝管線的情況下，依據(jù)天平讀數(shù)確定各氣體組分的充裝量，并以此計算混合氣濃度，檢驗混合氣質(zhì)量。該發(fā)明能確保混合氣的純度和配氣的準(zhǔn)確性。圖1為超純混合氣制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.集裝格III；2.純化器III；3.緩沖瓶III；4.減壓閥I；5.隔膜閥I；6.單向閥I；7.放空口；8.氣瓶充裝管線；9.帶PDD檢測器的氣相色譜儀；10.微量氧分析儀；11.微量水分析儀；12.粒子計數(shù)器；13.帶TCD檢測器的氣相色譜儀；14.低溫液體儲罐II；15.汽化器II；16.隔膜壓縮機(jī)II；17.純化器II；18.緩沖瓶II；19.減壓閥II；20.隔膜閥II；21.單向閥II

采用壓力法配氣，由于配氣準(zhǔn)確性較差，通常應(yīng)用于無法采用稱量法配氣且對濃度偏差要求不高的場合。質(zhì)量流量比法主要應(yīng)用于電子混合氣的連續(xù)性供氣，如在半導(dǎo)體廠附近制氟并采用質(zhì)量流量比法連續(xù)供給含氟混合氣。專利CN 201410386180.1[2]公開了一種防爆型多組分動態(tài)配氣裝置和方法，采用質(zhì)量流量比法配制可燃性混合氣體。

3 自動配氣

目前，制造業(yè)已進(jìn)入“工業(yè)4.0”時代，即利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的智能化時代。自動化系統(tǒng)可以有效的確保生產(chǎn)過程中的安全性、提高生產(chǎn)的效率、保證產(chǎn)品的質(zhì)量、減少生產(chǎn)過程中的原材料、能源等資源損耗問題。

很多高純電子混合氣的制備方式已進(jìn)行了自動化升級，其中涉及到鋼瓶預(yù)處理、混氣配制等工序，重量法、壓力法和質(zhì)量流量比法等混氣配制方法均進(jìn)行了自動化改造，未來會采用自動配制和自動計算相結(jié)合的方式來大幅提升混合氣制備的自動化水平。

鋼瓶預(yù)處理的自動化改進(jìn)舉例如下：CN 201922357313.3[3]專利發(fā)布了一種超純氣瓶的全自動預(yù)處理裝置，將各自動單元接入到分散式控制系統(tǒng)(DCS)中，結(jié)合自動程序，實現(xiàn)了鋼瓶預(yù)處理過程中的自動控制。

關(guān)于混氣配制方法的自動化探索，舉例如下：CN 201711475364.5[4]發(fā)布了一種氫氣與磷烷的自動配氣裝置，采用低載荷、高精確度的電子天平直接測量對比瓶的通入氣體質(zhì)量，從而提高通入氣體質(zhì)量的控制精度，提升配制各含量氣體濃度的準(zhǔn)確度；通過可編程邏輯控制器(PLC)實現(xiàn)自動控制，避免人工操作產(chǎn)生的失誤。CN 201822057003.5[5]發(fā)布了一種自動配氣裝置，通過質(zhì)量傳感器與充氣電磁閥配合來控制氣體加入的重量，提高配氣的準(zhǔn)確性，采用自動配氣軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化控制。CN 2011110222880.3[6]公布了一種壓力法自動配氣系統(tǒng)及其控制方法。專利CN 201410386180.1采用質(zhì)量流量比進(jìn)行自動配氣。

采用自動化設(shè)備和軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對配氣過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保在整個配氣過程中的安全性，提高配氣的準(zhǔn)確度，這對于有毒有害或易燃易爆氣體的混氣制備具有特殊的意義。

4 批量配氣

批量配制混合氣就是在充氣匯流排上并聯(lián)多個待配氣瓶，在配氣氣瓶中同時充裝各組分氣，從而大幅度提高混氣配制效率。在瓶組中配制高純電子混合氣也可以看作是一種特殊的批量配氣。

采用重量法進(jìn)行批量配氣時，通常選用一個氣瓶作為稱量代表瓶，同批次其他氣瓶的濃度參考代表瓶，在配氣中其主要的難點在于同批次混氣濃度的一致性。專利CN 201822267978.0[7]公布了一種批量配制混合氣的氣路管件，通過改變氣流方向，使各個待配氣瓶的瞬時組分充裝氣量相等，改善了批量配氣濃度一致性。專利CN 201520400927.4[8]公布了一種在線稱量批量配制混氣的裝置，將原料氣瓶置于天平上，以氣瓶中原料減少量作為氣體的充裝量，可用于低濃度氣體的批量充裝。

采用壓力法原理和質(zhì)量流量比法原理進(jìn)行的批量配氣中，通常需要一個中間儲罐，在中間儲罐中制備混合氣并混合均勻，然后將混氣充裝于多個待配氣瓶中。

5 結(jié) 論

高純電子混合氣的品質(zhì)提升得益于純化技術(shù)及充裝技術(shù)的進(jìn)步。無論是從技術(shù)環(huán)節(jié)還是從經(jīng)濟(jì)角度看，自動化配氣和批量配氣都將是未來發(fā)展的方向。