面向集成电路行业的特种气体纯化再生系统的开发与应用

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　　 摘要：如何将集成电路运行过程所需的特种气体纯化、再生，成为了时下阻碍我国集成电路行业发展的难题，基于此，为解决集成电路行业中特种气体纯化、再生问题，设计开发出了9N系列气体纯化装置，对其基本构造、工作原理和技术创新进行了分析，并总结了优势和具体应用效果。
　　 关键词：集成电路行业;气体;装置
　　
　　 近年来，在我国工业水平高速发展的过程中，在化学工艺、气体分析及电子工业中大量使用超高纯的各种惰性气体。特别是随着信息化“互联网+”时代的到来，作为技术密集型行业的集成电路行业得到了迅猛的发展，其产业所需的特种气体需求量也出现了快速提升。然而，由于传统工艺制备的惰性气体中通常含有一定的杂质，因其化学性而使惰性气体无法适用于高工艺性的要求。这也导致了在我国惰性气体行业中，普通惰性氣体和高纯惰性气体之间的价格纯在较大的利润差。
　　 如何以较低的成本获得极高纯度的惰性气体，成为了整个行业的发展方向和技术目标。基于此，本项目组通过引进国外先进技术以及产品的设计生产理念，开发和生产各类气体纯化器以及气体纯化系统。在充分掌握国外气体纯化工艺核心技术的基础上，通过不断的研究创新，结合高品质的原材料和超高纯零部件，自主开发出9NP、9NG、9NS等9N系列气体纯化设备可直接替代各种进口的气体纯化设备，为行业发展节约外资做出了一定的贡献。
　　 一、设备方案设计
　　 （一）一种结构简单、小型的气体纯化装置
　　 本项目产品不必采用如气体公司所使用的工业大型化的装置，而是使用结构简单、小型的气体纯化装置，该产品主要由再生尾气处理装置、再生混氢装置、热电偶温度测量装置、纯化单元正压防爆装置、吸气剂氢气纯化系统保护装置、吸气剂氢气纯化单元保护装置和再生混气柜构成。即可强力去除惰性气体中的氧、氢、一氧化碳、二氧化碳、水等杂质，特别是可将惰性气体中的甲烷，轻质烃，一氧化碳以及二氧化碳去除至体积比浓度1ppb或小于1ppb。而且本超高纯度气体纯化装置可再生使用，可以大规模的推广使用，已经达到国际先进水平，其使用性能远远超过现有工艺。
　　 （二）气体纯化装置工作原理
　　 （1）加热方式。使用的加热不燃烧陶瓷发热片采用立体加热陶瓷芯，此类加热芯采用LDS技术在陶瓷上附着3D立体形状发热线路的新技术方案。其对称分布、自由度更大、更均匀的发热电路，克服了传统IQOS发热片加热维度单一、易损坏、维修成本高昂、易积碳、不易清洗等的产品缺陷。并且，通过进一步优化设备的加温控制程序，使采用的蜂窝状异型陶瓷发热器在气体加温和保温中获得更好的能效比。
　　 （2）气体净化工艺和纯化罐体结构。设备的纯化罐体内部分为进气端、加温区和出气端。在进气端内设计安装颗粒状气体吸附剂组件，在气体进入时工艺气体中高浓度的杂质首先和比较低温的颗粒状气体吸附剂反应，其反应速度受到较低温度和较小表面积的双重限制。在以上限制条件下，进气端温度较低，即使放热也不会使温度上升到不安全的范围内。在加温区和出气端内设计安装粉末状气体吸附剂组件。当气体进入到加温区和出气端的高温粉末状气体吸附剂接触时，由于杂质已经被进气端的颗粒状气体吸附剂去除了一部分，其反应速度也会极大的降低，不会大量放热带来安全隐患。
　　 （3）套管换热器。反应柜本体底部弯管上连通有第一L形管，第一L形管的一侧通过接头连通有套管换热器，套管换热器分为内管和外管，外管和内管之间形成空腔，且第一L形管的一端与空腔相连通，套管换热器的顶部通过接头和管路连通有第二L形管，第二L形管的底端通过接头与套管换热器的内管相连通，第二L形管的顶端一侧贯穿反应柜本体并伸到反应柜本体的内部，套管换热器外管顶部的一侧通过管路连通有三通管，三通管的两端分别连通有散热管，反应柜本体底端的一侧设有储水罐，储水罐的一侧固定连接有预热夹块，每个散热管的底部和第一L形管的顶部均通过管路与储水罐相连通和反应柜本体底部的弯管相连通。
　　 （4）纯化单元本。纯化单元本体分为内管和纯化单元外壳，且内管位于纯化单元外壳的内部，内管和纯化单元外壳之间形成空腔，纯化单元本体的顶部分别设有固定板和浮子流量计，浮子流量计位于固定板的一侧，浮子流量计的顶端和底端分别设有出口和进口，浮子流量计一侧的顶端出口处和底端的进口处均贯穿固定板，且通过接头连通有第一管路，第一管路远离固定板的一侧与空腔相连通，浮子流量计的底端进口处通过接头连通有第二管路，第二管路的一端连通有球阀，纯化单元外壳上设有防爆压差开关，防爆压差开关的一端连通有压差检测管路，压差检测管路的一端贯穿纯化单元外壳，且伸入空腔中。
　　 （三）装备主要技术创新
　　 （1）采用超高纯度气体纯化技术，实现了在常温下（0-50℃）使用的、可均衡、有效地去除惰性气体中的杂质气体，特种气体制取纯度提升。
　　 （2）惰性气体纯化再生系统采用三个纯化罐的结构，并且其管路连接也做了相应的优化调整，系统在氢气纯化再生系统上增设特殊的模块化接入装置，改装成惰性气体纯化再生系统，可以有效除去惰性气体中的氧气，模块化的氢气接入装置安装方便，拆卸方便，减少了惰性气体纯化再生系统的成本，可以达到一机多用的效果。
　　 （3）采用陶瓷加热，在较高绝缘耐火程度的陶瓷内穿上电阻丝，具有温度不外泄，工作安全，可节省电能的优点。
　　 （4）采用尾气处理装置，尾气处理之后废气是少量的水蒸气，排放到空气中，不会造成污染。尾气的热量传递给再生气体，降低设备的能源消耗。
　　 二、优势分析
　　 产品广泛应用于电子、光电、光纤、光伏、化工、医药产业中超高纯度气体的制造、分析和应用。并且公司因气体纯度高，受到5G光纤龙头企业中天集团的信赖，成为企业的重要客户。产品对于超高纯度特种气体的制备能力，可以有效替代进口设备，降低行业整体的外资消耗，提升国内相关企业的技术竞争力。项目在开发研究的过程中，始终坚持《中国制造2025》所提出的“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”。产品在柔性化生产、降低能耗、提升质量等方面均有较大的突破，同时培养了一批行业内认可的专业技术人员，为国内特种气体行业的发展起到了一定的推动作用。
　　 三、应用效果
　　 项目产品所获得的特种气体纯度进一步提升，成本进一步下降。项目对于特种气体的制造，在能源、耗材等生产成本方面将进一步降低5%以上。对于高纯度气体良品率，在现有水平上提升10%以上;提升项目相关设备产品和气体产品的整理毛利率。该设备的研发可以使所生产的特种气体产品，充分满足集成电路行业高技术水平的需求。
　　 四、结语
　　 本装置通过采用新结构和新工艺，提高设备在生产特种气体时的安全性，蜂窝状异形陶瓷加热和再生尾气的热能回收，提高设备的能效比。新的过滤工艺和结构，提高气体的净化纯度，并提高吸附剂的使用效率，降低生产成本，另外采用新配件和热电偶分布以提高测温效率。该装置应用于集成电路运行过程所需的特种气体纯化和再生，在集成电路行业中具有较大的推广价值。
　　 基金项目：
　　 闵行区产学研合作计划项目。
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