基于TRIZ 的高纯电子级溴化氢防腐纯化装置的创新设计

2020-09-04马建修孙加臣

科学技术创新 2020年26期

马建修靖宇孙加臣*

（1、天津绿菱气体有限公司，天津300457 2、天津市科学学研究所，天津300011）

随着2017 年《“十三五”国家先进制造技术领域科技创新专项规划》以及2020 年《“十四五”科技创新规划（征集）》的颁布与实施，我国集成电路市场将继续成为全球半导体市场增长的引擎，超高纯电子特气成为国家重点研发战略材料。在半导体制造中，电子特气在半导体整个制程中至关重要。以溴化氢[1，2]作为特色电子特气的等离子刻蚀技术可以实现芯片先进制造工艺中高选择性多晶硅栅极刻蚀，是芯片先进制程的核心气体之一。

国内高纯电子级HBr 需求量在300 吨/年以上，然而国内自给率几乎为零。由于溴化氢气体的强腐蚀性[3]，目前高纯电子级溴化氢产业化项目面临的主要问题是溴化氢气体对设备材质的腐蚀，亟待提高设备（如精馏塔、吸附柱、管道阀门等）的耐腐蚀性，以确保安全稳定地实现高纯分离任务。

发明问题解决理论（TRIZ）[4]的核心是消除矛盾及技术系统进化的原理，并建立基于知识消除矛盾的逻辑化方法，用系统化的解题流程来解决矛盾。因此，本文拟采用TRIZ 理论，对高纯电子级溴化氢的产业化面临的设备腐蚀技术难题进行求解，总体目标为拟实现高纯电子级溴化氢生产线100 吨/年的安全运行，产品纯度为99.999%（5N）。

1 发明问题解决理论（TRIZ）

TRIZ 理论中可采用的解决工具包括40 条发明原理、76 个标准解和效应数据库等。TRIZ 理论作为一种发明创新问题的有效理论工具[5]，在各领域的技术创新、生产和管理等方面都有着广泛的成功应用。

TRIZ 的核心策略是对问题进行合理系统分析，科学解决系统中的冲突，针对不同的问题采用相应的工具分析解决，最终来对系统进行改进创新。

2 高纯电子级溴化氢防腐纯化设备创新性设计

2.1 现状背景

高纯电子级溴化氢的分离纯化工艺主要采用精馏与吸附的方法。其中涉及的纯化设备有精馏塔、吸附柱、分析仪器、管道、阀门、仪表等。溴化氢的pKa=-9，具有极强的腐蚀性，是同系列氯化氢腐蚀性的100 倍。实验结果[3]表明，溴化氢中的杂质水含量在1ppm 以上时，可以迅速形成水合物，并加速电离，对常用的碳钢、不锈钢等设备材质加速腐蚀，工艺装置的安全性与可靠性面临极大的威胁。此外，设备的腐蚀也会带来金属离子被吹至高纯溴化氢中，使下游芯片制造过程中造成芯片损伤与缺陷，严重时会造成机台污染和生产停线。

2.2 问题分析

针对高纯电子级溴化氢纯化系统，利用TRIZ 分析方法进行元件、功能模块的识别。为了确保耐腐蚀装置的稳定安全，将设备材质作为重点分析对象，系统中直接接触溴化氢的各元件都需要采取耐腐蚀措施，具体包括减压器、吸附器、过滤器、精馏塔、接触式传感器（如温度计）、汽化器、成品罐、压缩机与相应的输送管道，如图1 所示。

针对高纯溴化氢纯化装置的腐蚀问题，采用TRIZ 理论中的重要工具——冲突解决理论。按传统技术研发中的折衷法，冲突并没有彻底解决，而是在冲突双方取得折衷方案，或称降低冲突的程度。TRIZ 理论认为，技术创新的标志是解决或移走技术设计中的冲突，而产生新的有竞争力的解[6]。具体的冲突分析归纳如下：

图1 功能性分析模型

对问题进行冲突描述，即为了提高系统的“抗腐蚀能力，减少金属离子”，我们需要用“金、钽等贵金属耐腐蚀材质”，但这样做由于“稀有贵金属非常稀缺且价格非常昂贵，系统几乎无法实现规模化生产”。随后转换成TRIZ 标准冲突描述，即改善的参数：提高抗腐蚀能力，提高耐酸特性；恶化的参数：成本昂贵，加工制造工艺难度大，强度低。

应用TRIZ 的39 个通用工程参数[7]来描述技术冲突的冲突矩阵找到相应的发明原理，列于表1 中。

表1 构造的溴化氢腐蚀设备的问题冲突矩阵分析表

通过冲突矩阵分析，对冲突描述进行优化与重新解析，即冲突描述为了“提高纯化设备的抗腐蚀强度”，需要参数“材质”为抗腐蚀能力“强”，但又为了“降低成本”，需要参数“材质用量”为“少”，即设备材质这一参数既要“强”又要“少”。具体的改善参数有35 适应性及多用型、27 可靠性、11 应力或压强；恶化的参数有30 物体产生的有害因素、17 温度、14 强度。通过冲突矩阵分析得到对应的4 条发明原理进行求解，分别是No2 分离、No27 低成本、No7 套装、No40 复合材料。

2.3 问题解决

对应冲突解应遵循的4 条发明原理，作者采用技术冲突和物理冲突的求解方法，也应用TRIZ 理论的物质- 场分析（并利用76 个标准解）、裁剪工具进行了问题求解的补充。

2.3.1 技术冲突的求解

（1）依据“No.2 分离”发明原理，得到解：

含水的溴化氢腐蚀性极强，为了控制（减少）金属离子含量，降低设备成本，系统先除去溴化氢中的水分，降低了含水溴化氢对设备的腐蚀，控制了金属离子含量。这里采用吸附剂脱水的办法，预先将原料粗溴化氢中的水尽可能脱除，使溴化氢腐蚀性降低再进入纯化系统，减少对设备的腐蚀。

（2）依据“No.27 低成本”发明原理，不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体，得到解：

溴化氢具有强腐蚀性，为了降低设备成本，系统针对不同的部位，针对不同的设备、耐压强度，选用不锈钢、哈氏合金、纯镍材质或者衬氧化铬、衬镍复合材料，降低设备成本。

（3）依据“No.7 套装”发明原理，得到解：

成品在存放和充装时需要不同的温度，在成品罐内部加装降温盘管，在成品罐外部加装加热夹层，达到存放和充装目的。

（4）依据“No.40 复合材料”发明原理，得到解：

为了提高纯化设备材料的耐腐强度，增强设备耐压强度，降低材料成本，采用氧化铬或镍内衬不锈钢的复合材料。

图2 HBr 防腐纯化装置的解决方案——预先脱水与采用耐腐蚀材质

图3 HBr 防腐纯化装置的解决方案——功能组合与贵金属作内衬

2.3.2 物理冲突的求解

（1）依据“No3 局部质量”发明原理，得到的解：

为了达到耐溴化氢的腐蚀设备内部采用衬镍的复合材料，但镍的强度较差，容易发生应力失效，造成承压后破裂，为了增加设备的压力强度复合材料可同时镀铬，同时外衬足够厚的不锈钢材料。

（2）依据“No27 低成本”发明原理，得到的解：

对设备不耐腐蚀部分若采用昂贵的钽、金等贵金属，成本无法接受。因此，采用内衬氧化铬或镍加工的办法，使成本能够接受。

（3）依据“No5 合并”发明原理，得到的解：

在纯化系统中，提高抗腐蚀性避免液相聚集，需要汽化和缓冲，但可能同时带来对外污染的可能。为了减少污染，将汽化器和缓冲罐合并，改装成品罐。（4）依据“No6 多用性”发明原理，得到的解：

合并汽化器和缓冲罐改装为成品罐后，可能对后续产品到钢瓶的充装造成操作不方便。因此进一步对成品罐进行改造，使其具有降压、升压的功能，既可以接收成品，又可以存储成品，还可以充装成品。

2.3.3 物质- 场分析求解

物场分析法是指通过分析技术系统内部构成要素间相互关系、相互作用而导致技术创造的一种方法[8]。

设备腐蚀的问题中，具有表面处理耐腐蚀晶象结构的材料作为物质，溴化氢中起腐蚀决定性因素的杂质环境作为场，根据所建问题的物质- 场模型，如图4 所示，应用标准解解决流程，得到标准解为：No. 1.1.2 如果系统中已有的对象无法按需改变，可以引入一种永久的或者临时的内部添加物，帮助系统实现功能。

依据选定的No. 1.1.2 标准解，溴化氢纯化系统不能改变，但允许添加内部附加成分（耐腐蚀材质）以提高设备耐腐蚀性能。在关键设备内部添加镀铬与镍（控制物质），对原料中痕量的水预先进行脱除，才能进纯化设备（控制场），从而增强纯化设备对溴化氢的腐蚀，也控制了金属离子杂质的产生。

图4 HBr 防腐装置创新性设计的物质- 场分析

2.3.4 裁剪工具求解

图5 利用裁剪工具对系统进行简化

TRIZ 的裁剪法是结合功能分析、资源分析、物场分析等多种工具，来分析和解决技术问题，是降低成本、简化系统的重要工具[9]。根据问题的求解过程中的冗余项，应用标准解解决流程，得到的标准解为：为了减少污染，降低系统成本，运用压差原理充装溴化氢成品，对成品罐采用套装原理进行改装，增加内部冷却和外部加热装置，将过剩元件去除，如图5。

2.4 创新方案

综合采用技术冲突、物理冲突、物质- 场分析和裁剪工具方法，针对高纯电子级溴化氢面临的设备强腐蚀的难题，获得了创新性的解决方案列于表2 中，最终优化后的高纯电子级溴化氢纯化系统如图6。

表2 基于TRIZ 的溴化氢防腐纯化装置创新方案表

综上所述，既要提高设备的腐蚀性，又要考虑企业投资成本，基于冲突分析和求解，得到的解决方案为采用吸附剂对溴化氢中的水分离，减少对设备的腐蚀；选用比金、钽价格便宜的铬、镍做为设备抗腐蚀材料；为了降低成本，提高设备压力，采用铬镍层不锈钢复合材料；运用套装原理对成品罐改造，使其既可加热，又可降温；为了减少污染，将汽化器和缓冲罐合并，改装成品罐；对成品罐进行改造，使其既可储存产品，也可充装产品。