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氣體凈化

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更新時間：2020-03-10
發(fā) 布人：guoxin520920

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多晶工藝學(xué)11111一、氣體的種類及簡單性質(zhì)
在半導(dǎo)體工業(yè)中，常用的氣體有氫氣、氮氣、氬氣等。氫氣是最常用的一種氣體。在自然界中，氫氣主要以化合狀態(tài)存在。它是一種無色、無味的氣體。分子量為2.016，比一切元素都輕，比空氣輕14.3倍。氫氣能被金屬吸收，能通過熾熱的鐵、鉑等，在240℃時能透過鈀，常溫下能透過橡皮，不能透過玻璃。氫氣在水中的溶解度很小，在0℃時，一個體積的水僅溶解0.02體積的氫氣。氫氣在鎳、鈀內(nèi)溶解度大，一個體積的鈀能溶解幾百體積的氫氣。氫氣具有較大的擴散速度和很高的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱性比空氣大7倍。氫氣能自燃，但不能助燃，在常溫時不活潑，但在高溫或催化劑存在時，十分活潑，能燃燒爆炸，在700℃高溫時會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生大量的熱量。
二、氣瓶及管道的標(biāo)記
為了安全的使用和更快的識別氣體，對于不同的氣體，所用氣瓶的類型以及運輸管道的標(biāo)記也不同，其規(guī)定見下表。

氣體名稱氣瓶及輸送管道顏色字樣字樣顏色
氫氣深綠氫紅
氮氣黑氮黃
工業(yè)氬氣黑工業(yè)氬氣天蘭
純氬灰純氬氣綠
氧氣天蘭氧黑
空氣黑空氣白
二氧化碳黑二氧化碳黃

三、氣體凈化的意義
在多晶硅的生產(chǎn)過程中，作為還原劑和載流氣體的氫氣，不僅需要量大，而且對它的純度要求也很高，一般為99.9999%以上，露點－50℃以下，含氧量少于5ppm。硅外延生長中，對氫氣純度要求更高，而工業(yè)氫氣的純度比較低，雜質(zhì)比較多，用電解食鹽水法生產(chǎn)的氫氣純度約為98%以上，含有H20、O2、CO、CO2、Cl2等雜質(zhì)。用電解水生產(chǎn)的氫氣純度比較高約為99.5～99.9%，含有H20、O2、CO、CO2、CH4、N2等雜質(zhì)。
氫氣中的雜質(zhì)含量過高，生產(chǎn)出來的多晶硅質(zhì)量等級會降低，甚至造成廢品。O2＞5 ppm，露點＞－40℃，會造成多晶硅夾層現(xiàn)象，而多晶硅產(chǎn)生夾層對單晶硅的生產(chǎn)會帶來很大影響，甚至不能成晶，露點過低還會造成設(shè)備、管道堵塞，影響正常生產(chǎn)。CO、CO2會造成H2還原時硅在氧化的襯底上沉積生產(chǎn)多晶硅。微量的CH4在高溫條件下生產(chǎn)炭化硅微粒或引入碳原子。
由上所述，氣體凈化對提高半導(dǎo)體硅料的質(zhì)量有著十分重要的意義。

第二節(jié)氣體凈化的基本知識
在氣體凈化技術(shù)中，經(jīng)常綜合運用以下幾個方面的知識：
1、用吸濕性液體干燥劑（液堿、硫酸等）進行吸收。
2、用固體干燥劑（KOH氫氧化鉀、NaOH、CuSO4硫酸銅等）進行化學(xué)吸收。用硅膠、分子篩等進行物理吸收。
3、用催化劑（105催化劑主要用于氫氣、氮氣和惰性稀有氣體的催化脫氧。當(dāng)用于非氫氣體脫氧時，往往要補充適量氫氣。等）進行化學(xué)催化。
4、用冷媒或冷劑（液氮等）進行低溫冷凍。
下面概要介紹吸收、吸附、化學(xué)催化的一些基本知識。
一、吸收
吸收多指被吸收的物質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)入液相，以物理溶解于液體或與液體起化學(xué)反應(yīng)。
在一些化工廠中，常用液堿或硫酸作為吸濕性液體。液堿用于吸收酸性氣體如：CO、CO2等，硫酸用于吸收水份。一般用硫酸來吸收氫氣中的水份是不合適的，因為硫酸不僅會對管道有腐蝕性，而且還會揮發(fā)出SO2，增加氣體中的雜質(zhì)，這種含S的雜質(zhì)會造成分子篩、105催化劑的中毒。
二、吸附(……)
吸附一般是指比較稀疏的物質(zhì)被吸附劑（多半為固體）的表面所吸收的現(xiàn)象，吸附一般為放熱過程。
什么叫吸附呢？在某些物質(zhì)的界面上從周圍介質(zhì)中把能夠降低界面張力的物質(zhì)自動地聚集到自己的表面上來，使得這種物質(zhì)在相表面上的濃度大于相內(nèi)部的濃度，叫做吸附。
按作用力的性質(zhì)，氣體的吸附可分為兩類：
1、物理吸附
物理吸附即無選擇（有的稱它為范德華吸附），任何固體皆可吸附任何氣體。吸附量會因固體吸附劑及被吸附物質(zhì)的種類的不同而相差很多。易液化的氣體（高沸點）易被吸附，吸附可以是單分子層或多分子層的。吸附速度大且不受溫度影響，吸附不需要活化能，沒有電子轉(zhuǎn)移，化學(xué)鍵的生成與破壞、原子的重排等。生產(chǎn)的吸附只是物理吸附（范德華力）。
2、化學(xué)吸附
化學(xué)吸附即有選擇性吸附（有的稱為活性吸附）。一些吸附劑只對某些氣體有吸附作用。它的吸附速度較小，溫度升高吸附速度增加，這就是說，這類吸附和化學(xué)反應(yīng)一樣，需要一定的活化能。因此，這類吸附實質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)。
三、吸附劑
一切物體都有吸附作用，但不是均可作為吸附劑。目前我國半導(dǎo)體工業(yè)中，最廣泛應(yīng)用的吸附劑是硅膠和分子篩。吸附劑使用之前，須經(jīng)過特殊處理，增加它的活性。這種處理稱為活化。經(jīng)過活化的吸附劑，不但增加了單位面積的活性，而且增加了表面積。最常用的活化方法是加熱，這是因為加熱過程中，吸附劑表面的雜質(zhì)遇熱時常可以汽化，將其驅(qū)走，從而露出干凈的表面。決定吸附劑活性的因素是很多，如表面積的大小、表面結(jié)構(gòu)、孔隙大小、形狀、分布、表面干凈程度，這些因素決定于吸附劑的制備方法和活化方法。
四、化學(xué)催化
催化反應(yīng) 存在于氣體中的有害雜質(zhì)，有時不能靠物理方法從氣體中除去，而是借助于催化劑的作用，使氣體中的雜質(zhì)被吸附在催化劑的表面，使雜質(zhì)與氣體中的其它組分相互起化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為無害的化合物。在催化反應(yīng)中，催化劑的作用是控制反應(yīng)速度，或使反應(yīng)沿著特定的途徑進行。
一般來說催化劑從理論上來說可以無限期使用，但在實際工作中催化劑會損壞或失去活性，所以必須更換或活化來增加它們的活性。存在于氣體中的雜質(zhì)而引起的失活現(xiàn)象，通常稱為催化劑中毒。對催化劑的要求是具有一定的活性和抗催化劑中毒的能力，同時還必須足夠堅固。
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