高纯电子混合气的制备

2022-12-19王星帅

低温与特气 2022年5期

闫云，李旭，王星帅，王坤

[中船(邯郸)派瑞特种气体股份有限公司，河北邯郸 057550]

1 前言

在集成电路和高性能液晶显示等领域，高纯电子混合气的品质对半导体和显示器件的性能和良品率有着重大的影响，因此对高纯电子混合气的纯度和浓度相对偏差等都有着较高的要求。例如，浸没式光源用激光混合气是影响芯片制造和器件性能的核心材料，广泛应用于半导体10 nm和16 nm工艺节点，对气体纯度和配气准确性都有很高要求。

近年来，集成电路和高性能液晶等领域技术的进步和革新，牵引了高纯电子混合气的质量和制备技术的逐步提升。在质量方面，电子混合气纯度更高，浓度相对偏差要求更低；在制备工艺方面呈现出自动化和批量化的特点。现就高纯电子混合气的气体质量、自动化配气和批量配气进行简要的介绍。

2 混合气的质量

高纯电子混合气的品质主要由纯度和浓度相对偏差两部分决定。混合气纯度主要取决于组分气纯度和充装方法。一般要求电子混合气中的H2、N2、He、Ne、Ar、O2等组分气纯度不低于6N。这些气体的纯化通常采用成套设备，经过深度净化可以将原料气中的H2、O2、N2、H2O、CO2、CO、TCH等杂质深度脱除至(10～1)×10-9以下，纯化后的气体纯度可达到(7～8)N及以上。气体纯化设备通常包括催化氧化、脱氧吸附、吸气、终端吸附等工艺。工作温度为低温、常温或高温，冷却方式包括风冷、水冷以及液氮冷却等方式。成套纯化设备具有杂质脱除深度高、抗波动能力强、抗意外能力强以及安全可靠等特点。

混合气的制备方式是影响浓度相对偏差的重要因素。高纯电子混合气的制备方法主要有重量法、压力法和质量流量比法等多种方法。在高压静态配制瓶装混合气方法中，称量法是目前国内外公认的最准确的配制方法，也是应用最广泛的配气方法。

专利号为CN 201510318932.5的发明专利《超纯混合气制备系统和方法》[1]公开了一种瓶装超纯混合气的配制系统和方法，组分气和稀释气的高纯原料气分别经纯化器纯化为超纯气，经检验合格后，不进行充装而是立即通入混气配制单元，并依次在气瓶中充装，以此配制高纯混合气；各气体组分的定量采用在线称量方式，即在气瓶连接充装管线的情况下，依据天平读数确定各气体组分的充装量，并以此计算混合气浓度，检验混合气质量。该发明能确保混合气的纯度和配气的准确性。图1为超纯混合气制备系统结构示意图。

1.集装格III；2.纯化器III；3.缓冲瓶III；4.减压阀I；5.隔膜阀I；6.单向阀I；7.放空口；8.气瓶充装管线；9.带PDD检测器的气相色谱仪；10.微量氧分析仪；11.微量水分析仪；12.粒子计数器；13.带TCD检测器的气相色谱仪；14.低温液体储罐II；15.汽化器II；16.隔膜压缩机II；17.纯化器II；18.缓冲瓶II；19.减压阀II；20.隔膜阀II；21.单向阀II

采用压力法配气，由于配气准确性较差，通常应用于无法采用称量法配气且对浓度偏差要求不高的场合。质量流量比法主要应用于电子混合气的连续性供气，如在半导体厂附近制氟并采用质量流量比法连续供给含氟混合气。专利CN 201410386180.1[2]公开了一种防爆型多组分动态配气装置和方法，采用质量流量比法配制可燃性混合气体。

3 自动配气

目前，制造业已进入“工业4.0”时代，即利用信息化技术促进产业变革的智能化时代。自动化系统可以有效的确保生产过程中的安全性、提高生产的效率、保证产品的质量、减少生产过程中的原材料、能源等资源损耗问题。

很多高纯电子混合气的制备方式已进行了自动化升级，其中涉及到钢瓶预处理、混气配制等工序，重量法、压力法和质量流量比法等混气配制方法均进行了自动化改造，未来会采用自动配制和自动计算相结合的方式来大幅提升混合气制备的自动化水平。

钢瓶预处理的自动化改进举例如下：CN 201922357313.3[3]专利发布了一种超纯气瓶的全自动预处理装置，将各自动单元接入到分散式控制系统(DCS)中，结合自动程序，实现了钢瓶预处理过程中的自动控制。

关于混气配制方法的自动化探索，举例如下：CN 201711475364.5[4]发布了一种氢气与磷烷的自动配气装置，采用低载荷、高精确度的电子天平直接测量对比瓶的通入气体质量，从而提高通入气体质量的控制精度，提升配制各含量气体浓度的准确度；通过可编程逻辑控制器(PLC)实现自动控制，避免人工操作产生的失误。CN 201822057003.5[5]发布了一种自动配气装置，通过质量传感器与充气电磁阀配合来控制气体加入的重量，提高配气的准确性，采用自动配气软件系统，实现了自动化控制。CN 2011110222880.3[6]公布了一种压力法自动配气系统及其控制方法。专利CN 201410386180.1采用质量流量比进行自动配气。

采用自动化设备和软件系统，可以实现对配气过程的远程监控，确保在整个配气过程中的安全性，提高配气的准确度，这对于有毒有害或易燃易爆气体的混气制备具有特殊的意义。

4 批量配气

批量配制混合气就是在充气汇流排上并联多个待配气瓶，在配气气瓶中同时充装各组分气，从而大幅度提高混气配制效率。在瓶组中配制高纯电子混合气也可以看作是一种特殊的批量配气。

采用重量法进行批量配气时，通常选用一个气瓶作为称量代表瓶，同批次其他气瓶的浓度参考代表瓶，在配气中其主要的难点在于同批次混气浓度的一致性。专利CN 201822267978.0[7]公布了一种批量配制混合气的气路管件，通过改变气流方向，使各个待配气瓶的瞬时组分充装气量相等，改善了批量配气浓度一致性。专利CN 201520400927.4[8]公布了一种在线称量批量配制混气的装置，将原料气瓶置于天平上，以气瓶中原料减少量作为气体的充装量，可用于低浓度气体的批量充装。

采用压力法原理和质量流量比法原理进行的批量配气中，通常需要一个中间储罐，在中间储罐中制备混合气并混合均匀，然后将混气充装于多个待配气瓶中。