專利名稱::7n電子級超純氨的純化方法
技術領域:
:本發明涉及一種氣體的純化方法和裝置,特別涉及一種7N電子級超純氨的純化方法及其純化裝置。
背景技術:
:超純氨是半導體工業中重要的電子氣體,在半導體和化合物半導體器件制造中超純氨作為一種理想的氮源得以廣泛使用。其主要應用有以下三個方面1.在半導體發光二極管LED的制造過程中,采用TMGa三甲基鎵作為鎵源和采用超純氨作為氮源,在金屬有機化學氣相淀積(M0CVD)中,在硅或藍寶石襯底上沉積GaN膜,制備LED的核心磊晶部件。2.在半導體集成電路中,超純氨作為理想的氮源,與甲硅烷(SiH4)或二氯二氫硅(SiH2Cl2)等硅源,在IC(集成電路)制程中通過化學氣相沉積(CVD)在硅片的表層生成Si3H4,作為絕緣層。3.在晶體硅太陽能電池制備過程中,超純氨(NH3)和甲硅烷(SiH4)在電池片的表面,通過等離子增強氣相沉積爐(PECVD)沉積一層氮化硅(Si3N4)薄膜,作為減發射膜,增大電池片對太陽光線的吸收。隨著科技的發展和社會對于電子產品、新型節能照明器件、清潔能源的需求日益增大,對于超純氨的純度以及需求量也越來越高。例如,在生產高亮度的LED器件時,由于器件的幾何形狀不斷縮小且LED的亮度要求提高,原料氨中的污染物含量對于產品的制造能力和產率來說是非常重要的。同樣在半導體IC和太陽能電池的制造過程中,原料氨中的任何污染物的含量稍微超出其行業規定的最低含量,都將給產品的性能帶來致命的影響,從而影響產品的良品率和成品率。因此,對于氨的純化技術一直是研究的熱點。發達國家光電子等半導體技術發展速猛,因此,極大推動氣體公司對氨提高純度的研究。目前,我國許多LED生產用戶所用的進口氨,基本上是美國普萊克斯、APCI、法國液空、德國林德和日本昭和電工等國外公司的產品,他們所采用的超純氨制取方法嚴格保密,不對我國進行技術轉讓,我國對于7N級超純氨的需求基本只能靠進口來解決。專利申請號為2004100206320的專利申請中公開了一種氨純化處理方法和裝置,其工藝為將原料氨經硅膠吸附器、分子篩吸附器吸附,進入碳化鈣吸附器進行深度吸附雜質水后,再經活性炭吸附器、脫氧劑吸附器、經過濾器和冷凝器得到高純氨產品,或者經過濾器后進入脫氣精餾得到高純氨產品。此工藝的缺點是1.CaC2中含有雜質磷化鈣、砷化鈣及硫化物,它們遇水發生水解生成PH3、ASH3、H2S等形成二次污染,且在隨后的分離中無法除凈,而這些雜質對器件具有很大的危害性。2.CaC2同微量水反應溫度要升到80°C以上,大大增加了氨凈化生產中的能耗。該工藝無法得到7N級的超純氨。
發明內容本發明為了滿足大半導體產業的快速發展,對超純氨的迫切需求,通過五個方面的創新,提供了一種新型的99.99999%(7N)電子級超純氨的純化方法。本發明的技術方案是一種7N電子級超純氨的純化方法,其工藝步驟為1)原料液氨送入汽化器通過液氨泵將純度為99.8%且含油量較少的工業液氨送入汽化器;2)間歇性精密汽化汽化器采用兩個并聯,間歇汽化,精密控制液氨蒸發,將汽化后的氨氣中的水份含量控制在工業液氨中水份含量的以下;3)高效除油汽化后的氨氣進入高效除油器,將油份降至0.lppm以下;4)深度吸附干燥除油后的氨氣再經過深度除水吸附干燥,將氨氣中水份含量控制在lppm以內;5)ppb級精餾干燥后的氨氣經過ppb級精餾塔可將液氨中的輕重組分進一步分離除去,輕組分在塔頂冷凝器排放,可使氨中H2、02、N2、Ar、CH4、CO、C02等降至lOppb以下,重組分在塔底排出至廢氨罐,可使氨中金屬離子降至PPt數量級;6)氨氣終端純化最后氨氣進入終端純化器進行深度除水,終端純化器中采用鋯釩鐵合金作為吸氣劑,可使純化后的產品氨中水分含量控制在lppb以下。由上可見,本發明可使原料氨中H2、02、N2、Ar、CH4、CO和C02等氣體雜質均降至lOppb以下,可使多種金屬離子雜質降至ppt數量級(通過ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀檢測金屬離子,檢測范圍在1lOOOppt內),特別是對于氨氣中較難除去的水份,通過汽化、吸附、精餾和終端純化可以降至lppb以下,利用本工藝可以得到純度為7N的超純氨。圖1是本發明純化系統的結構圖;圖中1.原料液氨儲罐,2.液氨泵,3.汽化器,4.除油器,5.吸附干燥器,6.精餾塔,7.冷凝器,8.再沸器,9.終端純化器,10.產品儲罐,11.廢氨罐。具體實施例方式以下,參照附圖對本發明進行說明。本發明中原料工業液氨的純度為99.8%,其中含水量<0.2%、H2<lOOOppm、02+Ar<200ppm、N2<2000ppm、CH4<800ppm;整套工藝預計處理氣量300Nm3/h。如圖1所示將盛有液氨的儲罐1中的工業液氨通過液氨泵2送入汽化器3-1或3-2,汽化后在先后經過除油器4和吸附干燥器5除去氨中油、水后,進入精餾塔6。在精餾過程中,塔內上升蒸汽經冷凝器7-1排出低沸點H2、02、N2、CH4等不凝氣體,冷凝器7-1和7-2的冷量均由冷凍機提供。精餾塔底部連接再沸器8,可使回流液氨汽化,并在殘留液氨中除去高沸點雜質和金屬離子,可使氨中金屬離子雜質達到PPt級。氨氣在經終端純化器9深度吸附除去水份,然后經第二只冷凝器7-2得到超純液氨盛于產品儲罐10中,最終可使氨氣中的水分降至ppb級。汽化器3-1和汽化器3-2配合實現間歇性精密汽化技術由于氨與水有較大的互溶比,氨中的水份除去比較困難,特別是液氨中殘留的微量水除去更困難,但是,水在氣相氨和液相氨中的平衡溶解度有較大的差別,據實驗可得水在液相氨中的含水量為lOOOppm時,在氣相氨中含量僅為3ppm,因此,我們放棄傳統的液氨連續加熱汽化方法,而是采用可以控制液氨平衡蒸發,不允許沸騰蒸發的間歇式汽化器,并且采用兩只汽化器并聯,在一只汽化器中液氨蒸發掉80%左右時切換到另一只汽化器工作,把殘留的20%左右含水量較高的液氨排放到廢氨罐回收,通過此方法可使汽化后的氨氣中的水份含量控制在原料液氨中水份含量的以下。除油器中采用的是高效除油技術經汽化后的氨氣通過特制的活性碳除油器和過濾精度為0.01ym聚四氟乙烯濾芯的不銹鋼高效除油器除油,活性碳除油器的特點是增大活性碳的孔隙率和控制孔徑分布,可以將氨中含油量控制在0.lppm以下。吸附干燥器中采用的是深度吸附干燥技術采用特制的沸石分子篩和專門的吸附和再生工藝,深度除去氨中水份,沸石分子篩的特點是鉀A分子篩孔徑較小,可以有效吸附水份,同時對氨的吸附量較小。以達到氨氣中水份含量在lppm以下。精餾塔中采用的是ppb級精餾技術采用不銹鋼絲網填料,通過計算機軟件精確計算的精餾塔結構,用兩段精餾的方法在塔頂冷凝器除去氨中輕組分H2、02、N2、Ar、CH4、C0、C02等雜質,使其降至lOppb以下,在塔底可以除去水份、高沸物和金屬離子等雜質,可使水份降至ppb級,金屬離子降至ppt級。終端純化器中采用特制吸氣劑凈化技術其原理是一類金屬或金屬間化合物能與氫、氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、水汽和甲烷等多種氣體作用,生成穩定的化合物或固溶體,從而除去微量雜質。本發明采用的鋯釩鐵合金特制吸氣劑能夠深度除去氨中微量水份。通過本方法可以使氨中水份降至lppb以下。所得的超純氨產品純度>99.99999%,經過整套純化工藝超純氨雜質含量如表1所示表1.超純氨中各雜質組分含量<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權利要求一種7N電子級超純氨的純化方法,其特征是其工藝步驟為1)原料液氨送入汽化器通過液氨泵將純度為99.8%且含油量較少的工業液氨送入汽化器;2)間歇性精密汽化汽化器采用兩個并聯,間歇汽化,精密控制液氨蒸發,將汽化后的氨氣中的水份含量控制在工業液氨中水份含量的1%以下;3)高效除油汽化后的氨氣進入高效除油器,將油份降至0.1ppm以下;4)深度吸附干燥除油后的氨氣再經過深度除水吸附干燥,將氨氣中水份含量控制在1ppm以內;5)ppb級精餾干燥后的氨氣經過ppb級精餾塔可將液氨中的輕重組分進一步分離除去,輕組分在塔頂冷凝器排放,可使氨中H2、O2、N2、Ar、CH4、CO、CO2等降至10ppb以下,重組分在塔底排出至廢氨罐,可使氨中金屬離子降至ppt數量級;6)氨氣終端純化最后氨氣進入終端純化器進行深度除水,終端純化器中采用鋯釩鐵合金作為吸氣劑,可使純化后的產品氨中水份含量控制在1ppb以下。全文摘要本發明公開了一種電子級超純氨的純化方法,原料液氨經過進行間歇性汽化、除油、深度除水吸附干燥、ppb級精餾塔分離輕重組、終端純化的工藝步驟,可以得到NH3純度在99.99999%以上的超純氨,并可廣泛應用于半導體集成電路IC、液晶顯示器LCD、半導體發光器件LED以及太陽能電池PV等行業。文檔編號C01C1/02GK101817540SQ20101014068公開日2010年9月1日申請日期2010年4月6日優先權日2010年4月6日發明者劉志軍,吳彥敏,李英輝,金向華申請人:蘇州金宏氣體股份有限公司