基于TRIZ 的高純電子級溴化氫防腐純化裝置的創新設計

馬建修 靖 宇 孫加臣*

（1、天津綠菱氣體有限公司，天津300457 2、天津市科學學研究所，天津300011）

隨著2017 年《“十三五”國家先進制造技術領域科技創新專項規劃》以及2020 年《“十四五”科技創新規劃（征集）》的頒布與實施，我國集成電路市場將繼續成為全球半導體市場增長的引擎，超高純電子特氣成為國家重點研發戰略材料。在半導體制造中，電子特氣在半導體整個制程中至關重要。以溴化氫[1，2]作為特色電子特氣的等離子刻蝕技術可以實現芯片先進制造工藝中高選擇性多晶硅柵極刻蝕，是芯片先進制程的核心氣體之一。

國內高純電子級HBr 需求量在300 噸/年以上，然而國內自給率幾乎為零。由于溴化氫氣體的強腐蝕性[3]，目前高純電子級溴化氫產業化項目面臨的主要問題是溴化氫氣體對設備材質的腐蝕，亟待提高設備（如精餾塔、吸附柱、管道閥門等）的耐腐蝕性，以確保安全穩定地實現高純分離任務。

發明問題解決理論（TRIZ）[4]的核心是消除矛盾及技術系統進化的原理，并建立基于知識消除矛盾的邏輯化方法，用系統化的解題流程來解決矛盾。因此，本文擬采用TRIZ 理論，對高純電子級溴化氫的產業化面臨的設備腐蝕技術難題進行求解，總體目標為擬實現高純電子級溴化氫生產線100 噸/年的安全運行，產品純度為99.999%（5N）。

1 發明問題解決理論（TRIZ）

TRIZ 理論中可采用的解決工具包括40 條發明原理、76 個標準解和效應數據庫等。TRIZ 理論作為一種發明創新問題的有效理論工具[5]，在各領域的技術創新、生產和管理等方面都有著廣泛的成功應用。

TRIZ 的核心策略是對問題進行合理系統分析，科學解決系統中的沖突，針對不同的問題采用相應的工具分析解決，最終來對系統進行改進創新。

2 高純電子級溴化氫防腐純化設備創新性設計

2.1 現狀背景

高純電子級溴化氫的分離純化工藝主要采用精餾與吸附的方法。其中涉及的純化設備有精餾塔、吸附柱、分析儀器、管道、閥門、儀表等。溴化氫的pKa=-9，具有極強的腐蝕性，是同系列氯化氫腐蝕性的100 倍。實驗結果[3]表明，溴化氫中的雜質水含量在1ppm 以上時，可以迅速形成水合物，并加速電離，對常用的碳鋼、不銹鋼等設備材質加速腐蝕，工藝裝置的安全性與可靠性面臨極大的威脅。此外，設備的腐蝕也會帶來金屬離子被吹至高純溴化氫中，使下游芯片制造過程中造成芯片損傷與缺陷，嚴重時會造成機臺污染和生產停線。

2.2 問題分析

針對高純電子級溴化氫純化系統，利用TRIZ 分析方法進行元件、功能模塊的識別。為了確保耐腐蝕裝置的穩定安全，將設備材質作為重點分析對象，系統中直接接觸溴化氫的各元件都需要采取耐腐蝕措施，具體包括減壓器、吸附器、過濾器、精餾塔、接觸式傳感器（如溫度計）、汽化器、成品罐、壓縮機與相應的輸送管道，如圖1 所示。

針對高純溴化氫純化裝置的腐蝕問題，采用TRIZ 理論中的重要工具——沖突解決理論。按傳統技術研發中的折衷法，沖突并沒有徹底解決，而是在沖突雙方取得折衷方案，或稱降低沖突的程度。TRIZ 理論認為，技術創新的標志是解決或移走技術設計中的沖突，而產生新的有競爭力的解[6]。具體的沖突分析歸納如下：

圖1 功能性分析模型

對問題進行沖突描述，即為了提高系統的“抗腐蝕能力，減少金屬離子”，我們需要用“金、鉭等貴金屬耐腐蝕材質”，但這樣做由于“稀有貴金屬非常稀缺且價格非常昂貴，系統幾乎無法實現規模化生產”。隨后轉換成TRIZ 標準沖突描述，即改善的參數：提高抗腐蝕能力，提高耐酸特性；惡化的參數：成本昂貴，加工制造工藝難度大，強度低。

應用TRIZ 的39 個通用工程參數[7]來描述技術沖突的沖突矩陣找到相應的發明原理，列于表1 中。

表1 構造的溴化氫腐蝕設備的問題沖突矩陣分析表

通過沖突矩陣分析，對沖突描述進行優化與重新解析，即沖突描述為了“提高純化設備的抗腐蝕強度”，需要參數“材質”為抗腐蝕能力“強”，但又為了“降低成本”，需要參數“材質用量”為“少”，即設備材質這一參數既要“強”又要“少”。具體的改善參數有35 適應性及多用型、27 可靠性、11 應力或壓強；惡化的參數有30 物體產生的有害因素、17 溫度、14 強度。通過沖突矩陣分析得到對應的4 條發明原理進行求解，分別是No2 分離、No27 低成本、No7 套裝、No40 復合材料。

2.3 問題解決

對應沖突解應遵循的4 條發明原理，作者采用技術沖突和物理沖突的求解方法，也應用TRIZ 理論的物質- 場分析（并利用76 個標準解）、裁剪工具進行了問題求解的補充。

2.3.1 技術沖突的求解

（1）依據“No.2 分離”發明原理，得到解：

含水的溴化氫腐蝕性極強，為了控制（減少）金屬離子含量，降低設備成本，系統先除去溴化氫中的水分，降低了含水溴化氫對設備的腐蝕，控制了金屬離子含量。這里采用吸附劑脫水的辦法，預先將原料粗溴化氫中的水盡可能脫除，使溴化氫腐蝕性降低再進入純化系統，減少對設備的腐蝕。

（2）依據“No.27 低成本”發明原理，不耐用的物體代替昂貴、耐用的物體，得到解：

溴化氫具有強腐蝕性，為了降低設備成本，系統針對不同的部位，針對不同的設備、耐壓強度，選用不銹鋼、哈氏合金、純鎳材質或者襯氧化鉻、襯鎳復合材料，降低設備成本。

（3）依據“No.7 套裝”發明原理，得到解：

成品在存放和充裝時需要不同的溫度，在成品罐內部加裝降溫盤管，在成品罐外部加裝加熱夾層，達到存放和充裝目的。

（4）依據“No.40 復合材料”發明原理，得到解：

為了提高純化設備材料的耐腐強度，增強設備耐壓強度，降低材料成本，采用氧化鉻或鎳內襯不銹鋼的復合材料。

圖2 HBr 防腐純化裝置的解決方案——預先脫水與采用耐腐蝕材質

圖3 HBr 防腐純化裝置的解決方案——功能組合與貴金屬作內襯

2.3.2 物理沖突的求解

（1）依據“No3 局部質量”發明原理，得到的解：

為了達到耐溴化氫的腐蝕設備內部采用襯鎳的復合材料，但鎳的強度較差，容易發生應力失效，造成承壓后破裂，為了增加設備的壓力強度復合材料可同時鍍鉻，同時外襯足夠厚的不銹鋼材料。

（2）依據“No27 低成本”發明原理，得到的解：

對設備不耐腐蝕部分若采用昂貴的鉭、金等貴金屬，成本無法接受。因此，采用內襯氧化鉻或鎳加工的辦法，使成本能夠接受。

（3）依據“No5 合并”發明原理，得到的解：

在純化系統中，提高抗腐蝕性避免液相聚集，需要汽化和緩沖，但可能同時帶來對外污染的可能。為了減少污染，將汽化器和緩沖罐合并，改裝成品罐。（4）依據“No6 多用性”發明原理，得到的解：

合并汽化器和緩沖罐改裝為成品罐后，可能對后續產品到鋼瓶的充裝造成操作不方便。因此進一步對成品罐進行改造，使其具有降壓、升壓的功能，既可以接收成品，又可以存儲成品，還可以充裝成品。

2.3.3 物質- 場分析求解

物場分析法是指通過分析技術系統內部構成要素間相互關系、相互作用而導致技術創造的一種方法[8]。

設備腐蝕的問題中，具有表面處理耐腐蝕晶象結構的材料作為物質，溴化氫中起腐蝕決定性因素的雜質環境作為場，根據所建問題的物質- 場模型，如圖4 所示，應用標準解解決流程，得到標準解為：No. 1.1.2 如果系統中已有的對象無法按需改變，可以引入一種永久的或者臨時的內部添加物，幫助系統實現功能。

依據選定的No. 1.1.2 標準解，溴化氫純化系統不能改變，但允許添加內部附加成分（耐腐蝕材質）以提高設備耐腐蝕性能。在關鍵設備內部添加鍍鉻與鎳（控制物質），對原料中痕量的水預先進行脫除，才能進純化設備（控制場），從而增強純化設備對溴化氫的腐蝕，也控制了金屬離子雜質的產生。

圖4 HBr 防腐裝置創新性設計的物質- 場分析

2.3.4 裁剪工具求解

圖5 利用裁剪工具對系統進行簡化

TRIZ 的裁剪法是結合功能分析、資源分析、物場分析等多種工具，來分析和解決技術問題，是降低成本、簡化系統的重要工具[9]。根據問題的求解過程中的冗余項，應用標準解解決流程，得到的標準解為：為了減少污染，降低系統成本，運用壓差原理充裝溴化氫成品，對成品罐采用套裝原理進行改裝，增加內部冷卻和外部加熱裝置，將過剩元件去除，如圖5。

2.4 創新方案

綜合采用技術沖突、物理沖突、物質- 場分析和裁剪工具方法，針對高純電子級溴化氫面臨的設備強腐蝕的難題，獲得了創新性的解決方案列于表2 中，最終優化后的高純電子級溴化氫純化系統如圖6。

表2 基于TRIZ 的溴化氫防腐純化裝置創新方案表

綜上所述，既要提高設備的腐蝕性，又要考慮企業投資成本，基于沖突分析和求解，得到的解決方案為采用吸附劑對溴化氫中的水分離，減少對設備的腐蝕；選用比金、鉭價格便宜的鉻、鎳做為設備抗腐蝕材料；為了降低成本，提高設備壓力，采用鉻鎳層不銹鋼復合材料；運用套裝原理對成品罐改造，使其既可加熱，又可降溫；為了減少污染，將汽化器和緩沖罐合并，改裝成品罐；對成品罐進行改造，使其既可儲存產品，也可充裝產品。

3 結論

針對高純電子級溴化氫對設備強腐蝕的難題，運用TRIZ 方法，總結性的得到了6 個具有強可用性的方案。在此基礎上設計了含有抗腐蝕性材質的裝置，優化了工藝系統，改進了純化裝置的結構，使之能夠完成溴化氫體系的大規模分離任務。

圖6 最終通過優化評估的系統