高純電子混合氣的制備

閆 云，李 旭，王星帥，王 坤

[中船(邯鄲)派瑞特種氣體股份有限公司，河北 邯鄲 057550]

1 前 言

在集成電路和高性能液晶顯示等領域，高純電子混合氣的品質對半導體和顯示器件的性能和良品率有著重大的影響，因此對高純電子混合氣的純度和濃度相對偏差等都有著較高的要求。例如，浸沒式光源用激光混合氣是影響芯片制造和器件性能的核心材料，廣泛應用于半導體10 nm和16 nm工藝節點，對氣體純度和配氣準確性都有很高要求。

近年來，集成電路和高性能液晶等領域技術的進步和革新，牽引了高純電子混合氣的質量和制備技術的逐步提升。在質量方面，電子混合氣純度更高，濃度相對偏差要求更低；在制備工藝方面呈現出自動化和批量化的特點。現就高純電子混合氣的氣體質量、自動化配氣和批量配氣進行簡要的介紹。

2 混合氣的質量

高純電子混合氣的品質主要由純度和濃度相對偏差兩部分決定。混合氣純度主要取決于組分氣純度和充裝方法。一般要求電子混合氣中的H2、N2、He、Ne、Ar、O2等組分氣純度不低于6N。這些氣體的純化通常采用成套設備，經過深度凈化可以將原料氣中的H2、O2、N2、H2O、CO2、CO、TCH等雜質深度脫除至(10～1)×10-9以下，純化后的氣體純度可達到(7～8)N及以上。氣體純化設備通常包括催化氧化、脫氧吸附、吸氣、終端吸附等工藝。工作溫度為低溫、常溫或高溫，冷卻方式包括風冷、水冷以及液氮冷卻等方式。成套純化設備具有雜質脫除深度高、抗波動能力強、抗意外能力強以及安全可靠等特點。

混合氣的制備方式是影響濃度相對偏差的重要因素。高純電子混合氣的制備方法主要有重量法、壓力法和質量流量比法等多種方法。在高壓靜態配制瓶裝混合氣方法中，稱量法是目前國內外公認的最準確的配制方法，也是應用最廣泛的配氣方法。

專利號為CN 201510318932.5的發明專利《超純混合氣制備系統和方法》[1]公開了一種瓶裝超純混合氣的配制系統和方法，組分氣和稀釋氣的高純原料氣分別經純化器純化為超純氣，經檢驗合格后，不進行充裝而是立即通入混氣配制單元，并依次在氣瓶中充裝，以此配制高純混合氣；各氣體組分的定量采用在線稱量方式，即在氣瓶連接充裝管線的情況下，依據天平讀數確定各氣體組分的充裝量，并以此計算混合氣濃度，檢驗混合氣質量。該發明能確保混合氣的純度和配氣的準確性。圖1為超純混合氣制備系統結構示意圖。

1.集裝格III；2.純化器III；3.緩沖瓶III；4.減壓閥I；5.隔膜閥I；6.單向閥I；7.放空口；8.氣瓶充裝管線；9.帶PDD檢測器的氣相色譜儀；10.微量氧分析儀；11.微量水分析儀；12.粒子計數器；13.帶TCD檢測器的氣相色譜儀；14.低溫液體儲罐II；15.汽化器II；16.隔膜壓縮機II；17.純化器II；18.緩沖瓶II；19.減壓閥II；20.隔膜閥II；21.單向閥II

采用壓力法配氣，由于配氣準確性較差，通常應用于無法采用稱量法配氣且對濃度偏差要求不高的場合。質量流量比法主要應用于電子混合氣的連續性供氣，如在半導體廠附近制氟并采用質量流量比法連續供給含氟混合氣。專利CN 201410386180.1[2]公開了一種防爆型多組分動態配氣裝置和方法，采用質量流量比法配制可燃性混合氣體。

3 自動配氣

目前，制造業已進入“工業4.0”時代，即利用信息化技術促進產業變革的智能化時代。自動化系統可以有效的確保生產過程中的安全性、提高生產的效率、保證產品的質量、減少生產過程中的原材料、能源等資源損耗問題。

很多高純電子混合氣的制備方式已進行了自動化升級，其中涉及到鋼瓶預處理、混氣配制等工序，重量法、壓力法和質量流量比法等混氣配制方法均進行了自動化改造，未來會采用自動配制和自動計算相結合的方式來大幅提升混合氣制備的自動化水平。

鋼瓶預處理的自動化改進舉例如下：CN 201922357313.3[3]專利發布了一種超純氣瓶的全自動預處理裝置，將各自動單元接入到分散式控制系統(DCS)中，結合自動程序，實現了鋼瓶預處理過程中的自動控制。

關于混氣配制方法的自動化探索，舉例如下：CN 201711475364.5[4]發布了一種氫氣與磷烷的自動配氣裝置，采用低載荷、高精確度的電子天平直接測量對比瓶的通入氣體質量，從而提高通入氣體質量的控制精度，提升配制各含量氣體濃度的準確度；通過可編程邏輯控制器(PLC)實現自動控制，避免人工操作產生的失誤。CN 201822057003.5[5]發布了一種自動配氣裝置，通過質量傳感器與充氣電磁閥配合來控制氣體加入的重量，提高配氣的準確性，采用自動配氣軟件系統，實現了自動化控制。CN 2011110222880.3[6]公布了一種壓力法自動配氣系統及其控制方法。專利CN 201410386180.1采用質量流量比進行自動配氣。

采用自動化設備和軟件系統，可以實現對配氣過程的遠程監控，確保在整個配氣過程中的安全性，提高配氣的準確度，這對于有毒有害或易燃易爆氣體的混氣制備具有特殊的意義。

4 批量配氣

批量配制混合氣就是在充氣匯流排上并聯多個待配氣瓶，在配氣氣瓶中同時充裝各組分氣，從而大幅度提高混氣配制效率。在瓶組中配制高純電子混合氣也可以看作是一種特殊的批量配氣。

采用重量法進行批量配氣時，通常選用一個氣瓶作為稱量代表瓶，同批次其他氣瓶的濃度參考代表瓶，在配氣中其主要的難點在于同批次混氣濃度的一致性。專利CN 201822267978.0[7]公布了一種批量配制混合氣的氣路管件，通過改變氣流方向，使各個待配氣瓶的瞬時組分充裝氣量相等，改善了批量配氣濃度一致性。專利CN 201520400927.4[8]公布了一種在線稱量批量配制混氣的裝置，將原料氣瓶置于天平上，以氣瓶中原料減少量作為氣體的充裝量，可用于低濃度氣體的批量充裝。

采用壓力法原理和質量流量比法原理進行的批量配氣中，通常需要一個中間儲罐，在中間儲罐中制備混合氣并混合均勻，然后將混氣充裝于多個待配氣瓶中。

5 結 論

高純電子混合氣的品質提升得益于純化技術及充裝技術的進步。無論是從技術環節還是從經濟角度看，自動化配氣和批量配氣都將是未來發展的方向。