面向集成電路行業的特種氣體純化再生系統的開發與應用

杜浩明 肖選 江曉松 李斌 居健

摘要：如何將集成電路運行過程所需的特種氣體純化、再生，成為了時下阻礙我國集成電路行業發展的難題，基于此，為解決集成電路行業中特種氣體純化、再生問題，設計開發出了9N系列氣體純化裝置，對其基本構造、工作原理和技術創新進行了分析，并總結了優勢和具體應用效果。

關鍵詞：集成電路行業;氣體;裝置

近年來，在我國工業水平高速發展的過程中，在化學工藝、氣體分析及電子工業中大量使用超高純的各種惰性氣體。特別是隨著信息化“互聯網+”時代的到來，作為技術密集型行業的集成電路行業得到了迅猛的發展，其產業所需的特種氣體需求量也出現了快速提升。然而，由于傳統工藝制備的惰性氣體中通常含有一定的雜質，因其化學性而使惰性氣體無法適用于高工藝性的要求。這也導致了在我國惰性氣體行業中，普通惰性氣體和高純惰性氣體之間的價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，成為了整個行業的發展方向和技術目標。基于此，本項目組通過引進國外先進技術以及產品的設計生產理念，開發和生產各類氣體純化器以及氣體純化系統。在充分掌握國外氣體純化工藝核心技術的基礎上，通過不斷的研究創新，結合高品質的原材料和超高純零部件，自主開發出9NP、9NG、9NS等9N系列氣體純化設備可直接替代各種進口的氣體純化設備，為行業發展節約外資做出了一定的貢獻。

一、設備方案設計

（一）一種結構簡單、小型的氣體純化裝置

本項目產品不必采用如氣體公司所使用的工業大型化的裝置，而是使用結構簡單、小型的氣體純化裝置，該產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保護裝置、吸氣劑氫氣純化單元保護裝置和再生混氣柜構成。即可強力去除惰性氣體中的氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、水等雜質，特別是可將惰性氣體中的甲烷，輕質烴，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，可以大規模的推廣使用，已經達到國際先進水平，其使用性能遠遠超過現有工藝。

（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熱片采用立體加熱陶瓷芯，此類加熱芯采用LDS技術在陶瓷上附著3D立體形狀發熱線路的新技術方案。其對稱分布、自由度更大、更均勻的發熱電路，克服了傳統IQOS發熱片加熱維度單一、易損壞、維修成本高昂、易積碳、不易清洗等的產品缺陷。并且，通過進一步優化設備的加溫控制程序，使采用的蜂窩狀異型陶瓷發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構。設備的純化罐體內部分為進氣端、加溫區和出氣端。在進氣端內設計安裝顆粒狀氣體吸附劑組件，在氣體進入時工藝氣體中高濃度的雜質首先和比較低溫的顆粒狀氣體吸附劑反應，其反應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。在加溫區和出氣端內設計安裝粉末狀氣體吸附劑組件。當氣體進入到加溫區和出氣端的高溫粉末狀氣體吸附劑接觸時，由于雜質已經被進氣端的顆粒狀氣體吸附劑去除了一部分，其反應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。反應柜本體底部彎管上連通有第一L形管，第一L形管的一側通過接頭連通有套管換熱器，套管換熱器分為內管和外管，外管和內管之間形成空腔，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管相連通，第二L形管的頂端一側貫穿反應柜本體并伸到反應柜本體的內部，套管換熱器外管頂部的一側通過管路連通有三通管，三通管的兩端分別連通有散熱管，反應柜本體底端的一側設有儲水罐，儲水罐的一側固定連接有預熱夾塊，每個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管和純化單元外殼，且內管位于純化單元外殼的內部，內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有固定板和浮子流量計，浮子流量計位于固定板的一側，浮子流量計的頂端和底端分別設有出口和進口，浮子流量計一側的頂端出口處和底端的進口處均貫穿固定板，且通過接頭連通有第一管路，第一管路遠離固定板的一側與空腔相連通，浮子流量計的底端進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，純化單元外殼上設有防爆壓差開關，防爆壓差開關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）裝備主要技術創新

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

（2）惰性氣體純化再生系統采用三個純化罐的結構，并且其管路連接也做了相應的優化調整，系統在氫氣純化再生系統上增設特殊的模塊化接入裝置，改裝成惰性氣體純化再生系統，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的成本，可以達到一機多用的效果。

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

（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，降低設備的能源消耗。

二、優勢分析

產品廣泛應用于電子、光電、光纖、光伏、化工、醫藥產業中超高純度氣體的制造、分析和應用。并且公司因氣體純度高，受到5G光纖龍頭企業中天集團的信賴，成為企業的重要客戶。產品對于超高純度特種氣體的制備能力，可以有效替代進口設備，降低行業整體的外資消耗，提升國內相關企業的技術競爭力。項目在開發研究的過程中，始終堅持《中國制造2025》所提出的“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”。產品在柔性化生產、降低能耗、提升質量等方面均有較大的突破，同時培養了一批行業內認可的專業技術人員，為國內特種氣體行業的發展起到了一定的推動作用。

三、應用效果

項目產品所獲得的特種氣體純度進一步提升，成本進一步下降。項目對于特種氣體的制造，在能源、耗材等生產成本方面將進一步降低5%以上。對于高純度氣體良品率，在現有水平上提升10%以上;提升項目相關設備產品和氣體產品的整理毛利率。該設備的研發可以使所生產的特種氣體產品，充分滿足集成電路行業高技術水平的需求。

四、結語

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

基金項目：

閔行區產學研合作計劃項目。