Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Очистку от указанных примесей в современной технологии полупроводников проводят адсорбционными методами, геттерированием, диффузионным методом.
Адсорбционный метод очистки водорода является высокоэффективным, позволяющим достигать высоких степеней очистки газа при низких парциальных давлениях извлекаемых компонентов. При низких температурах адсорбенты имеют высокую поглотительную способность по отношению к примесям, и поэтому адсорбцию ведут при температуре жидкого азота (80 К). В качестве адсорбентов в промышленной практике применяют обычно активированный уголь или цеолиты.
Активные угли как сорбенты имеют ряд особенностей, связанных с характером их поверхности и пористостью структуры. Поверхность угля электронейтральна, и адсорбция на ней определяется дисперсионными силами взаимодействия. Поглотительная способность активированного угля по отношению к примесям (N2, O2, CO), углеводородам при температуре жидкого азота составляет ~ 0,2 м3 на I кг адсорбента. Периодически адсорбционную способность угля восстанавливают подогревом его до 373-473 К с одновременной откачкой выделяющегося газа, продувают чистым водородом.
Цеолиты (молекулярные сита) представляют собой алюмосиликаты. Их общая формула: MeJnО • Al2O3 • XSiO2 • yH20 (Me - катион щелочного металла; п - его валентность). При очистке газа небольшие молекулы H2 проходят через перегородки, где размеры пор столь малы, что более крупные молекулы примесей пройти через них не могут. Молекулярные сита лучше действуют» чем другие сорбенты',' когда требуется удалить сразу несколько нежелательных компонентов из потока, например пары воды и какой-либо другой газ.
Достоинством цеолитов является также то, что они выдерживают большое число сорбций и регенераций без существенного изменения поглотительных свойств сорбента, а также что они могут эффективно использоваться при высоких температурах.
В ряду отечественных и зарубежных установок для очистки водорода используют адсорбционные колонны с цеолитами и активированным углем.
341
. Диффузионный метод очистки водорода основан на способности водорода при повышенных температуре и давлении относительноміегко диффундировать в металлах. При пропускании водорода через металлическую мембрану из сплава палладия с благородными металлами коэффициент диффузии водорода на несколько порядков выше коэффициента диффузии примесей, чем и достигается высокая степень , очистки газа.
Процесс проникновения водорода через мембрану можно разделить на следующие этапы [272]: адсорбция загрязненного примесями водорода на поверхности мембраны; поглощение молекул водорода палладиевым сплавом; диссоциация молекул водорода на атомы; ионизация атома водорода с образованием протона и электрона, которые растворяются в поверхностном слое палладиевой мембраны; диффузия протонов и электронов через толщу мембраны в сторону Чистого водорода; рекомбинация протонов и электронов на поверхности мембраны со стороны чистого водорода с образованием атомов водорода; рекомбинация атомов водорода с образованием молекул водорода; десорбция молекул водорода с палладиевой мембраны в поток чистого водорода.
В области очищаемого газа водород постепенно загрязняется за счет примесей, не проходящих через мембрану, поэтому часть очищаемого газа выводится на продувку. Количество выводимого газа зависит от качеста исходного (очищаемого) водорода и обычно не превышает 4-5 % от общего потока (рис. 159).
Эффективность очистки колеблется в зависимости от температуры палладиевой1 мембраны и давления очищаемого (исходного) водорода:
где Q - объем пропускаемого газа; Г - температура; AP ~ перепад давления между исходным (очищаемым) и очищенным водородом; R - газовая постоянная; В - энергия активации диффузии.
С увеличением перепада давления и ростом температуры мембраны объем получаемого водорода возрастает, но срок эксплуатации мембраны уменьшается.-' При росте давления очищаемого водорода ухудшается качество получаемого очищенного газа.
Конструкция аппаратов диффузионной очистки довольно проста и обеспечивает чистоту водорода 99,99999 % (объемн.) при точке росы ~ 153 К [272]. Однако невысокая производительность установки (10-50 м3/ч) ограничила их использование в промышленном производстве поликристаллического кремния, где потребляются большие объемы очищенного водорода. Рост числа эксплуатируемых установок
1 Фактически используют сплавы иа основе палладия. 342
Продубочный газ
Очищенный водород*
примесь кроме Нг
Неочищенный водород
Рис. 159. Схема установки для диффузионной очистки водорода через палладиевую мембрану:
1 — камера А (исходный водород); 2 — вентиль для продувки; 3 — корпус; 4 — камера В (очищенный водород); 5 — палладиевая мембрана
в этом случае повышает вероятность отказа одной из них и может привести к существенным издержкам производства: из-за получения бракованной продукции. Однако не исключено, что в ближайшие, годы появятся установки такого типа производительностью 1000 м3/ч.
Очистка водорода генерированием классифицируется в [272] как химический метод. Поглощение газов геттерами происходит в результате следующих основных процессов: физической адсорбции на поверхности; хемосорбции газа поверхностью геттера, требующей затраты значительной энергии активации и по прочности связи адсорбированного газа с поверхностью адсорбента близкой к химической реакции; растворения газа в геттере, химических реакций примесей с геттерами. Для очистки водорода в качестве геттеров используют титан, сплавы железа с ванадием, титана, марганца, хрома с добавками редкоземельных элементов (церия, лантана и др.).
