-
Technisches
Gebiet
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Reinigung von Gasen und
genauer auf ein Verfahren zum Herstellen gereinigter Gase für die Halbleiterindustrie
aus ihrer unreinen Form unter Verwendung von Adsorptions- und Verdampfungstechniken.
-
Stand der
Technik
-
Ammoniak
wird als ein Quellengas bei der chemischen Dampfabscheidung (CVD)
von Nitridfilmen während
der Herstellung von Halbleiterchips verwendet. Typische Nitride
sind Siliziumnitrid, das durch die Reaktion von Siliziumwasserstoff
und Ammoniak erzeugt wird, sowie Titannitrid, das durch die Reaktion
von Titantetrachlorid und Ammoniak angefertigt wird. Das Vorhandensein
von Pegeln von 1000 – 3000
Teilen pro Milliarde (ppb) Feuchtigkeitsdampf von Ammoniakgasflaschen
führt zu
einer Abnahme der Leistungseigenschaften der Nitridlage. In jüngerer Zeit
hat sich herausgestellt, dass die neue Galliumnitrid-CVD-Technologie
sogar noch niedrigere Feuchtigkeitspegel in dem Quellammoniak als
die Silizium- und Titannitrid-Technologie benötigt. Der Feuchtigkeitspegel
muss zur Vermeidung von Leistungsproblemen auf unter 200 Teile pro
Milliarde (ppb) verringert werden.
-
Derzeit
wird Ammoniak den Elektronikverbrauchern in Gasflaschen mit einer
Spezifizierung von weniger als 3 Teilen pro Million (ppm) Feuchtigkeit
ausgeliefert. Dieser "hohe" Feuchtigkeitswert kam
in der Vergangenheit tatsächlich
aufgrund von Begrenzungen der analytischen Technologie und nicht
durch die tatsächlich
erreichbaren Pegel zustande. Aufgrund dieser Begrenzungen könnten die Reinigungsbemühungen nicht
genau zertifiziert werden.
-
Zur
Bewerkstelligung einer Feuchtigkeit von 3 ppm oder weniger wurde
Ammoniak mit einem höheren
Feuchtigkeitsgehalt von der Quellengasflasche in der Dampfphase
zu der jeweiligen Gasflasche umgefüllt. Diese Behandlung hat sich
als ausreichend erwiesen, um die Feuchtigkeitspegel bis auf die
Spezifizierung von 3 ppm hinunter zu verringern. Allerdings hat
sich gezeigt, dass ein einfaches Dampfphasen-Umfüllen
nicht ausreichte, um Feuchtigkeitspegel im ppb-Bereich zu erreichen.
-
Kommerziell
verfügbare
an der Verwendungsstelle eingesetzte In-line-Reiniger können dazu verwendet
werden, Feuchtigkeitspegel von weniger als 3 ppm zu garantieren.
Diese Reiniger verwenden ein Harz auf Lithiumbasis, um Feuchtigkeit
von Ammoniak zu entfernen, oder sie benutzen zur Feuchtigkeitsentfernung
einen Zirkon-Eisen-Katalysator. Neuere analytische Technologien
haben gezeigt, dass diese Reiniger Feuchtigkeit bis hinunter zu
ppb-Pegeln entfernen. Allerdings sind diese Reiniger sehr teuer
(3000 bis 5000 US$) und weisen eine begrenzte Feuchtigkeitskapazität auf. Sie
sind nicht regenerierbar und müssen,
wenn sie verbraucht sind, ersetzt werden. Aufgrund dieser Begrenzungen
können
an der Verwendungsstelle eingesetzte In-Line-Reiniger für eine Reinigung
in großem
Maßstab
mit einer Größenordnung
von Tausenden Pfund täglich
nicht benutzt werden.
-
US-A-4
983 363 offenbart eine Vorrichtung zum Reinigen eines gasförmigen Gemisches,
das Arsenwasserstoff Phosphorwasserstoff Ammoniak und/oder inerte
Gase zur Entfernung von Lewis-Säure
und/oder Oxidationsmittelverunreinigungen daraus aufweist, wobei
die Vorrichtung versehen ist mit einem Behälter, der ein Bett mit Spülmittel
enthält,
einer Anordnung zur Einleitung des Gemisches in den Behälter sowie
einer Anordnung zum Ablassen des an Verunreinigungen abgereicherten
Gemisches von dem Behälter.
-
In
US-A-S 716 588 ist ein Verfahren zum Entfernen von Sauerstoffverunreinigungen
von mit Sauerstoff verunreinigtem Ammoniak offenbart, wobei in diesem
Verfahren das mit Sauerstoff verunreinigte Ammoniak mit einem Gettermaterial
in Kontakt gebracht wird, um die Sauerstoffverunreinigungen von dem
verunreinigten Ammoniak zu sorbieren und dadurch Ammoniak zu erzeugen,
das im wesentlichen frei von Sauerstoff ist.
-
Beim
Stand der Technik wäre
die Bereitstellung eines ökonomischen
Verfahrens zum Reinigen von Gasen für die Halbleiterindustrie hinab
auf geringe Feuchtigkeitspegel (weniger als etwa 200 ppb) erwünscht.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
obigen und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann an Hand dieser
Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren
einer Aspekt in einem Verfahren zum Reinigen eines unreinen Gases
zur Erzeugung eines ultrahochreinen Gases mit Verunreinigungen von
weniger als 200 ppb besteht, wobei im Zuge des Verfahrens a) das
unreine verflüssigte
Gas durch eine erste Adsorptionsanordnung geleitet wird, um Verunreinigungen
von der darin vorliegenden Flüssigphase
zu entfernen und ein erstes gereinigtes Fluid zu erzeugen; b) das
erste gereinigte Fluid zwecks einer Entfernung von Verunreinigungen
durch eine Verdampfungsanordnung geführt wird, um ein zweites gereinigtes
Gas zu erzeugen; und c) das zweite gereinigte Gas zwecks einer Entfernung
der Verunreinigungen von der Dampfphase durch eine zweite Adsorptionsanordnung
geleitet wird, um das ultrahochreine Gas zu erzeugen.
-
Wie
hier verwendet bezieht sich der Begriff "Verunreinigungen" auf alle unerwünschten Materialien in dem
zu reinigenden Gasstrom. Die Verunreinigungen bestehen hauptsächlich aus
Wasser, können aber
auch andere flüchtige
Verunreinigungen wie z.B. Kohlendioxid, Schwefeldioxid, sowie Feststoffe von
dem Verdampfungsverfahren beinhalten.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
und den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
-
1 eine
graphische Darstellung des Feuchte-Ammoniakdampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts
ist;
-
2 eine
graphische Darstellung der Veränderungen
der Feuchtigkeitspegel in Gas und Flüssigkeit während des Umfüllverfahrens
ist;
-
3 eine
schematische Darstellung der Ammoniakreinigungsschritte ist;
-
4 ein
schematisches Diagramm eines Verfahrenssystems mit abgeteilten Mengen
für die Ammoniakreinigung
ist; und
-
5 ein
schematisches Diagramm eines kontinuierlichen Verfahrenssystems
für die
Ammoniakreinigung ist.
-
Ausführliche
Beschreibung
-
Diese
Erfindung verwendet eine Kombination aus Flüssigphasen-Adsorption, Filtrierung,
Verdampfung (oder Destillation) und Dampfphasen-Adsorption für die Produktion
von Ammoniak mit einer Feuchtigkeit von weniger als 200 ppb. Die
nicht-flüchtigen
Reststoffe werden ebenfalls auf nicht erfassbare Pegel von weniger
als 1 ppb auf der Basis einer Filtereffizienz von 99,9999999% reduziert.
Jede der Komponenten dieser Erfindung ist alleine nicht im Stande,
das Ammoniak auf eine Feuchtigkeit von weniger als 200 ppb zu bringen,
sondern nur die geeignete Kombination und Abfolge bewerkstelligt
die erwünschte
Verunreinigungsreduzierung auf eine Feuchtigkeit von weniger als
200 ppb.
-
Das
vorgeschlagene neue Verfahren erzeugt Ammoniak mit niedrigen ppb-Feuchtigkeitspegeln von
(< 200 ppb). Der
geringe Feuchtigkeitspegel wird durch die von Praxair entwickelte
neue Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Analysetechnik bestätigt. Da
das Verfahren kommerziell verfügbares Adsorptionsmittel
statt an der Verwendungsstelle eingesetzte Reiniger benutzt, fallen
die Kosten für
die Reinigung jeder Menge an Ammoniak niedriger aus. Anschließend wird
das Ammoniak in Gasflaschen gefüllt,
die ohne an der Verwendungsstelle eingesetzte teure Reiniger verwendet
werden können.
-
Zur
Entfernung der Feuchtigkeit von Ammoniak liegen drei allgemeine
Wege vor: 1) chemische Reaktion, 2) Adsorption und 3) physikalische
Verfahren wie z.B. die Verdampfung oder Destillation.
-
Ein
Beispiel eines Entfernungsverfahrens mittels chemischer Reaktionen
besteht in der Verwendung von Magnesiumnitrid, das mit der Feuchtigkeit
in einem Ammoniakstrom zur Reaktion kommt. Diese Reaktion erzeugt
Magnesiumhydroxid und mehr Ammoniak. Chemische Reaktionsmittel wie z.B.
Magnesiumnitrid sind sehr teuer, wobei sich ihre Kosten in der Größenordnung
von 1 Dollar pro Gramm bewegen. Jedes Gramm Magnesiumnitrid reagiert
mit ungefähr
1 Gramm Wasser, was bedeutet, dass für jedes von dem Ammoniak entfernte Gramm
Wasser ungefähr
1 Dollar bezahlt werden muss. Da das Magnesiumnitrid nicht regenerierbar ist,
bedeutet dies, dass es bei der Verwendung in Verfahren, die zur
Reinigung von tausenden Pfund Ammoniak täglich ausgelegt sind, nicht ökonomisch ist.
Ein ähnliches
Beispiel sind die oben erwähnten Reiniger
auf Lithiumharz-Basis.
-
Für die Feuchtigkeitsentfernung
sind Adsorptionstechniken viel nützlicher.
Feuchtes Ammoniak kann getrocknet werden, indem die Flüssigphase
durch ein gut konditioniertes 3A-Molekularsieb geleitet wird. Die
von Praxair gesammelten experimentellen Daten haben gezeigt, dass
annähernd
90% der Feuchtigkeit in Flüssigphasen-Ammoniak
mittels Durchleiten durch ein 3A-Molekularsiebbett entfernt werden
können.
Zur Minimierung von nicht-flüchtigen Verunreinigungsstoffen
müssen
Feststofffilter stromab von dem Molekularsiebbett vorgesehen werden.
-
Physikalische
Verfahren sind zur Feuchtigkeitsentfernung von Ammoniak ebenfalls
nützlich. Typisches
99,999%-Ammoniak ("5,0
Grade", Güteklasse
für die
Elektronik) ist diesbezüglich
zertifiziert, eine 3 ppm-Feuchtigkeitsspezifizierung zu erfüllen. Gemäß des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts
von Spurenfeuchtigkeit in dem Ammoniak entspricht eine Feuchtigkeitskonzentration
von 3 ppm in der Dampfphase einer Flüssigphasen-Konzentration von
mehr als 500 ppm. 1 stellt die Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdaten
für das
Spurenfeuchtigkeits-Ammoniak-System dar. Die Daten zeigen, dass der
größte Anteil
der Feuchtigkeit in der Flüssigphase vorliegt.
Die Feuchtigkeitskonzentration in der Flüssigphase ist näherungsweise
um die zwei- bis dreifache Größenordnung
größer als
die Konzentration in der Dampfphase. Dieser Gleichgewichtsvorteil
ist in der Vergangenheit dazu verwendet worden, Feuchtigkeit durch
ein Dampfphasen-Umfüllen
auf einen mit 3 ppm spezifizierten Pegel zu entfernen. Die Gleichgewichtsdaten
zeigen, dass viel niedrigere Feuchtigkeitspegel erreicht werden
können.
Allerdings liegen einige praktische Probleme vor, die nachfolgend
erläutert
werden.
-
Aus
der obigen kurzen Darlegung könnte
es so erscheinen, dass sowohl ein Adsorptions- wie ein physikalisches
Verfahren als eine Basis für
ein ökonomisches
Ammoniakreinigungsverfahren benutzt werden könnte. Jedoch verhindern die
Effizienz der Feuchtigkeitsentfernung in Adsorptionsbetten, Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsbegrenzungen
in physikalischen Verfahren und ein chemisches Gleichgewicht zwischen
Feuchtigkeit und Ammoniak die Reduzierung der Feuchtigkeitspegel
auf Werte unterhalb 200 ppb in einem einstufigen Vorgang.
-
Der
sich als erfolgreich erwiesene Ansatz lautet folgendermaßen: Zuerst
wird mittels Adsorption auf 3A-Molekularsieb
so viel Feuchtigkeit von der Ammoniakflüssigphase wie möglich entfernt.
Der nächste
Schritt besteht in einem Verdampfen (oder Destillieren) des Ammoniaks,
um einen Vorteil aus der günstigen
Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsverteilung
der Feuchtigkeit zu ziehen, damit die Feuchtigkeitskonzentration
um eine zusätzliche zwei-
bis dreifache Größenordnung
reduziert wird. Der abschließende
Schritt besteht in der Entfernung jeglicher chemisch gebundenen
Feuchtigkeit in dem durch Verdampfung (oder Destillation) erhaltenen Dampfphasen-Ammoniak,
indem die Dampfphase durch eine weitere 3A-Molekularsiebfalle geleitet wird.
Anschließend
wird das Ammoniak mit ultraniedrigem Feuchtigkeitsgehalt zur Aufbewahrung
oder Abfüllung
in Gasflaschen kondensiert.
-
Einzelheiten
zum Flüssigphasen-Adsorptionsbett
-
Eine
Durchleitung von Ammoniak mit etwa 600 ppmw (Gewicht/Gewicht) an
Feuchtigkeit in der Flüssigphase
durch ein Bett aus 3A-Molekularsieb reduziert den Feuchtigkeitsgehalt
auf etwa 40 bis etwa 60 ppmw und vorzugsweise auf etwa 50 ppmw. Die
Durchleitung einer weiteren Ammoniakprobe mit etwa 130 bis etwa
170 ppmw und vorzugsweise mit etwa 150 ppmw in der Flüssigphase
durch das Molekularsiebbett verringerte den Feuchtigkeitsgehalt
auf etwa 9 bis etwa 13 ppmw und vorzugsweise auf etwa 11 ppmw. In
beiden Fällen
wird etwa 90% der Feuchtigkeit von der Flüssigphase entfernt, indem die
Probe durch das Bett geleitet wird. Einige Feststoffe wurden während der
Feuchtigkeitsentfernung von dem Bett abgeleitet. Stromab von dem
Bett wurde ein Feststofffilter installiert, der sich für die Reduzierung von
nicht-flüchtigen
Rückständen und
metallischen Feststoffen von dem Ammoniak auf den unter ppb-Werten
liegenden Pegel als effektiv erwies. Allerdings sind Feuchtigkeitspegel
in dem unteren ppm-Bereich für
derzeitige Nitridanwendungen immer noch nicht ausreichend.
-
Einzelheiten zur Verdampfung/Destillation
-
Basierend
auf den in 1 dargestellten Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdaten
kann die Feuchtigkeit weiter reduziert werden, indem das Ammoniak
von der Flüssigphase
zu einer Dampfphase verdampft oder destilliert wird, was mitunter
auch als ein "Dampfphasen-Umfüllen" bekannt ist. Ein
sorgfältiges
Dampfphasen-Umfüllen
kann den Feuchtigkeitsgehalt um zwei Größenordnungen reduzieren, d.h.
von 100 ppm auf weniger als 1 ppm. Diese Reinigung wird jedoch nur
dann erreicht, wenn die Durchflussrate des Umfüllens ohne jegliches Aufkochen
des flüssigen
Ammoniaks durchgeführt
wird. Tritt ein Auskochen auf, kann keine Reinigung vollzogen werden,
da die gesamte Feuchtigkeit in der Flüssigphase einfach in die Gasphase
verdampft. Wenn jedoch ein Aufkochen vermieden wird, wird es dem System
durch ein Gasphasen-Umfüllen
ermöglicht, die
günstige
Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts-Feuchtigkeitsverteilung
beizubehalten und eine Reduzierung der Feuchtigkeitskonzentration
um zwei Größenordnungen
zu erzeugen.
-
Bezüglich der
oben beschriebenen Verdampfung besteht eine Begrenzung, denn nicht
das gesamte Ammoniak kann mit Dampf umgefüllt werden. Basierend auf der
Massenbilanz der in der Quellengasflasche verbliebenen Feuchtigkeit
fährt der Feuchtigkeitspegel
in der Flüssigphase
damit fort anzusteigen, wenn Ammoniakdampf von der Gasflasche abgezogen
wird. Zur Illustration dieses Phänomens
wurde ein Computermodell zur Herstellung der Beziehung zwischen
einer gegebenen Flüssigphasen-Feuchtigkeitskonzentration
und der sich ergebenden Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentration in einem
Ammoniaksystem entwickelt, von dem der Dampf abgezogen wurde. Das
Modell geht von einer isothermischen Verdampfung während des
Umfüllens
unter Verwendung der in 1 dargestellten Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdaten
aus.
-
2 stellt
den Graph der Simulation des Feuchtigkeitsgehalts in Flüssig- und
Dampfphase während
des Umfüllens
von einer Quellengasflasche dar. Gemäß 2 und mit
einer Flüssigkeitsfeuchtigkeit
in dem Ammoniakgemisch von 100 ppm beginnend, liefert das Dampfumfüllen einheitlich
Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentrationen
von weniger als etwa 3 ppm Feuchtigkeit, bis etwa 75% des Ammoniaks
verdampft worden ist. An diesem Punkt erhöht sich die Feuchtigkeitskonzentration
in dem flüssigen
Quellammoniak auf einen Wert von höher als etwa 500 ppm und die
Dampfkonzentration auf mehr als etwa 3 ppm. Dies stellt hier eine
ungünstige
Situation dar, da je mehr Feuchtigkeit umgefüllt ist, je mehr davon das
Endprodukt-Ammoniak aufweisen wird.
-
Ein
Dampfumfüllen
bewirkt ebenfalls eine Reduzierung der metallischen Verunreinigungen
des Endprodukt-Ammoniaks. Metallische Verunreinigungen liegen häufig in
der Form eines nicht-flüchtigen Rückstands
vor und werden während
des Verdampfungsschrittes nicht in die Dampfphase getragen.
-
Optional
kann die Verdampfungsanordnung eine Destillationskolonne mit einem
Aufkocher oder einer einstufigen Destillation aufweisen.
-
Einzelheiten
zum Dampfphasen-Adsorptionsbett
-
Da
die Feuchtigkeitskonzentration des Ammoniakdampfes immer noch einige
wenige ppm beträgt
und chemisch an das Ammoniak gebunden sein kann, muss ein weiterer
Feuchtigkeitskonzentrationsreduktionsschritt ausgeführt werden,
um sehr niedrige ppb-Pegel an Feuchtigkeit in dem Endprodukt-Ammoniak sicherzustellen.
Dies wird mittels eines Durchleitens des Ammoniakdampfs durch ein weiteres
Molekularsiebbett bewerkstelligt. Die Feuchtigkeitskonzentration
des Dampfphasen-Ammoniaks von etwa 2 ppm kann auf weniger als etwa 100
ppb reduziert werden, indem das Ammoniak durch ein 3A-Molekularsiebbett
geleitet wird. Anschließend
ist das Ammoniak für
Nitrieranwendungen trocken genug und kann für eine Lagerung in Zylindern
kondensiert werden.
-
Einzelheiten
zur Bettaufbereitung
-
Das
3A-Molekularsiebbett wird bei einer Temperatur von 350°C unter dem
kontinuierlichen Strom eines ultrahochreinen inerten Gases wie z.B. Stickstoff,
Argon oder Helium konditioniert, das auf eine Feuchtigkeitskonzentration
von weniger als etwa 10 ppb über
etwa 200 Stunden hinweg zertifiziert ist. Dies wird als ein gut
konditioniertes Bett erachtet. Es sollte darauf hingewiesen werden,
dass die Aufbereitung des Molekularsiebbetts von einer Anzahl an
Parametern einschließlich
der Durchflussrate, der Menge an Verunreinigungsstoffen in dem Bett,
der Aufbereitungsdauer und der Temperatur in dem Bettaufbereitungsverfahren
abhängt,
wobei die Praxis einer derartigen Aufbereitung dem Fachmann bekannt
ist.
-
Bevorzugte Ausführungsform
-
Ein
schematisches Diagramm (Ablaufdiagramm) des in der Praxis am besten
geeignetsten Modus ist in 3 aufgeführt. Dieses
Modell geht davon aus; dass die Reinigung
an dem Ammoniak mit der derzeitigen 5,0-Elektronik-Güteklasse
mit einer Dampfphasen-Feuchtigkeitsspezifizierung von etwa 3 ppm
durchgeführt
wird. Gemäß den in 1 aufgeführten Daten
liegt die Flüssigphasen-Feuchtigkeitskonzentration über etwa
500 ppm. Der erste Schritt besteht in einem Durchleiten des flüssigen Ammoniaks
durch das 3A-Molekularsiebbett. Das Bett entfernt etwa 90% des Feuchtigkeitsgehalts
und lässt näherungsweise
50 ppm übrig.
Wiederum aus 1 ist ersichtlich, dass die
Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentration dieses flüssigen Ammoniaks weniger als
etwa 1 ppm beträgt.
Zur Bestätigung
des Feuchtigkeitspegels wird die Dampfphase dieses Produkts bezüglich des
Feuchtigkeitsgehalts analysiert bund eträgt dieser weniger als etwa
1 ppm, wird zum nächsten
Schritt übergegangen.
Wenn der Dampfphasen-Feuchtigkeitsgehalt
größer als
etwa 1 ppm ist, muss das Bett reaktiviert und das Ammoniak erneut
verarbeitet werden. Zur Reduzierung der Feststoffverunreinigungen
von dem Siebbett wird das flüssige
Ammoniak durch einen 0,1 μm-Filter
geleitet. Der nächste
Schritt besteht in der Durchführung
eines Dampfphasen-Umfüllens.
Basierend auf den in den 1 und 2 dargestellten
Daten reduziert ein sorgfältiges
Dampfphasen-Umfüllen
die Feuchtigkeitskonzentration auf weniger als 1 ppm. Anschließend wird
dieser Dampf durch ein weiteres 3A-Molekularsiebbett geleitet, um
die Feuchtigkeitspegel auf den ppb-Bereich zu verringern. Das Dampfprodukt
wird auf Metalle und Feuchtigkeit analysiert. Wenn die Pegel größer als
etwa 0,2 ppm bzw. 0,1 ppm für
Feuchtigkeit bzw. Metalle sind, muss das Reinigungsbett reaktiviert
und der Filter gewechselt werden. Das Ammoniak muss erneut verarbeitet
werden. Die Prozedur wird angehalten, nachdem etwa 75% des Ammoniaks
verdampft sind. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Feuchtigkeitspegel in
dem flüssigen
Ammoniak mehrere Hundert ppm. Die Dampfphase beträgt annähernd 3
ppm. Dieses Ammoniak wird zur weiteren Reinigung zurück zu dem
Beginn des Verfahrens geführt
werden. Das Verfahren stellt eine effiziente Entfernung von Feuchtigkeit
mit einer nahezu vollständigen
bis kompletten Gewinnung von Ammoniak sicher. Da das Molekularsiebbett
regenerierbar ist, entstehen nur minimale Kosten für die Entsorgung
der Adsorptionsmittelmaterialien.
-
Beispiel 1:
-
4 stellt
ein Beispiel einer Anordnung mit abgeteilten Mengen zur Umsetzung
dieser Reinigungsstrategie dar. Die Anordnung besteht aus zwei Einheitsvorgängen, namentlich
einem ersten Vorgang für
das Flüssigphasen-Umfüllen und
einem Zweiten für
das Dampfumfüllsystem.
-
In
dem Flüssigkeitsumfüllsystem
wird das Rohammoniak in einem Speicherbehälter 410 aufbewahrt.
Die Flüssigkeitszufuhr
des Rohprodukts wird durch die Verwendung einer mechanischen Pumpe, einer
Inertgasauffüllung
oder durch den Ammoniakkopfdruck bewerkstelligt. Das flüssige Ammoniak wird
durch eine Dosiervorrichtung 412 in ein Adsorptionsbett 414 geleitet,
das auch Filter beinhaltet, um Feststoffe durch einen Feststofffilter 416 einzufangen.
Das Bett 414 ist ein gut konditioniertes 3A-Molekularsiebbett.
Eine Dosiervorrichtung 420 wie z.B. ein Durchflussmesser
wird zum Dosieren des Flüssigkeitsstroms
verwendet. Das gereinigte Produkt wird in einem Behälter 418 gespeichert.
Anschließend
wird das Produkt analysiert, um sicherzustellen, dass die Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentrationen
unter etwa 1 ppm liegen. Liegt die Feuchtigkeitskonzentration über etwa
1 ppm, muss das Adsorptionsbett 414 regeneriert und das
Ammoniak erneut verarbeitet werden. Wenn die Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentration
unter etwa 1 ppm liegt, wird das Ammoniak zu einem Verdampfersystem 422 übertragen.
-
Der
Durchfluss von dem Verdampfer 422 wird durch die Dosiervorrichtung 420 dosiert,
um sicherzustellen, dass kein rasches Aufkochen des Ammoniaks während des
Dampfphasen-Umfüllens
auftritt. Tritt ein Aufkochen auf, führt dies zu einem Zuwachs der
Feuchtigkeitskonzentration des umgefüllten Produkts. Anschließend wird
der Ammoniakdampf durch ein Adsorptionsbett 426 geführt. Das Bett 426 ist
ein gut konditioniertes 3A-Molekularsiebbett. Der Feuchtigkeitsgehalt
des Produkts wird analysiert. Liegt die Feuchtigkeitskonzentration über etwa
200 ppb, muss das Adsorptionsbett regeneriert und das Ammoniak erneut
verarbeitet werden. Beträgt
die Feuchtigkeitskonzentration weniger als etwa 200 ppb, kann der
Ammoniakdampf in Gasflaschen 428 oder einem Speicherbehälter zwecks
einer späteren
Zylinderbefüllung
kondensiert werden. Die Kondensation kann durch eine Kühlschlange
oder durch ein Abkühlen
der den Dampf aufnehmenden Behälter
bewerkstelligt werden.
-
Beispiel 2:
-
Die
Strategie des Bewerkstelligens eines geringen Feuchtigkeitsgehalts
unter Verwendung von Adsorption und Dampfumfüllen kann zu einem kontinuierlichen
System im großen
Maßstab
ausgeweitet werden, das in 5 dargestellt
ist. Die Anordnung besteht aus einem Destillationssystem 516 und
zwei Adsorptionsbetten 514 und 518. Rohammoniak
wird in einem Behälter 510 aufbewahrt.
Die Flüssigkeitszufuhr
des Rohprodukts wird durch die Verwendung einer mechanischen Pumpe,
Inertgasauffüllung
oder durch den Ammoniakkopfdruck bewerkstelligt. Das flüssige Ammoniak
wird in das Adsorptionsbett 514 eingespeist, das zum Einfangen
von Partikeln ebenfalls Filter einschließt. Das Bett 514 ist
ein gut konditioniertes 3A-Molekularsiebbett. Eine Dosiervorrichtung 512 wie
z.B. ein Durchflussmesser wird zum Dosieren des Flüssigkeitsstroms
verwendet. Anschließend
wird das gereinigte Produkt analysiert, um sicherzustellen, dass
die Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentrationen unter etwa 1 ppm liegen.
Beträgt
die Feuchtigkeitskonzentration mehr als etwa 1 ppm, muss das Adsorptionsbett 514 regeneriert
und das Ammoniak muss erneut verarbeitet werden. Liegt die Dampfphasen-Feuchtigkeitskonzentration
unter etwa 1 ppm, wird das Ammoniak zu dem Destillationssystem 516 übertragen.
-
Das
gereinigte flüssige
Ammoniak wird verdampft und ein Teil dieses Dampfs wird erneut kondensiert,
um als Waschfluid für
das verdampfende Ammoniak zu dienen. Das gereinigte Ammoniakprodukt
wird von der oberen Platte der Destillationskolonne in der Dampfphase
entfernt. Anschließend
wird dieses Dampfprodukt für
die abschließende
Feuchtigkeitsentfernung durch ein Adsorptionsbett 518 geleitet.
Das Bett 518 ist ein gut konditioniertes 3A-Molekularsiebbett.
Das abschließend
gereinigte Ammoniak wird in einem Behälter 520 gesammelt.
-
Zusammenfassung der Schlüsselparameter
des Verfahrens (4 und 5)
-
Der
Flüssigphasen-Adsorptionsschritt
wird dazu verwendet, annähernd
90% des Feuchtigkeitsgehalts des Startammoniaks zu entfernen und
diesen Pegel auf unter etwa 50 ppm zu bringen. Dies ist ein wichtiger
Parameter, da diese Reduktion wesentlich dafür ist, dass der Verdampfungs-
(oder Destillations)-Schritt korrekt arbeitet. Wenn mehr als etwa
500 ppm Wasser in der Flüssigphase
vorliegen, was weiter oben erläutert
wurde, bewerkstelligt die Verdampfung keine Feuchtigkeitskonzentration
von weniger als 3 ppm. Dies beeinträchtigt wiederum den Dampfphasen-Adsorptionsschritt
und es wird kein Ammoniak mit weniger als 200 ppb Feuchtigkeit hergestellt. Ein
weiterer wichtiger Parameter ist die Flüssigphasenfiltrierung. In diesem
Schritt werden nicht-flüchtige
Feststoffe aus dem flüssigen
Ammoniak abgeführt und
auf einen Pegel von weniger als etwa 1 ppb gebracht.
-
Die
gesamte Reinigungsstrategie kann auf andere Gase ausgeweitet werden,
die von der Mikroelektronikindustrie bzw. jeder anderen in Frage
kommenden Industrie verwendet werden. Dabei bestehen zwei fundamentale
Erfordernisse. Das erste Erfordernis besteht darin, dass die fragliche
Verunreinigung eine größere Affinität für die Flüssigphase
des Produkts als für
die Dampfphase des zu reinigenden Produkts aufweisen muss. Das zweite
Erfordernis besteht darin, dass die fragliche Verunreinigung eine größere Affinität für ein Adsorptionsmittelmaterial
als für
die Flüssig-
oder Dampfphase des zu reinigenden Produkts besitzen muss. Spezifische
Beispiele würden
Wasserstoffchlorid, Wasserstoffbromid, Chlor und Ammoniak beinhalten.
In diesen Fällen
ist die relevante Verunreinigung Feuchtigkeit, jedoch kann dieser
Fall auf andere Verunreinigungen generalisiert werden, welche die
beiden oben erwähnten
grundsätzlichen
Anforderungen erfüllen.
-
Hinsichtlich
der Strategie selbst liegen ebenfalls Erweiterungsmöglichkeiten
vor. Die erste zu berücksichtigende
Alternative besteht in der Verwendung von anderen Adsorptionsmitteln
in den Adsorptionsmittelbetten. Der in der Praxis am besten geeignetste
Modus verwendet 3A-Molekularsieb als das Adsorptionsmittelmaterial.
Weitere mögliche
Adsorptionsmittel beinhalten andere Molekularsiebe (5A, 4A, 13X
und AW 500). 5A-Molekularsieb schien nicht so leistungsfähig wie
3A-Molekularsiebe zu sein. Jedoch wurde auch eine bestimmte Menge
an Feuchtigkeit von dem 5A-Sieb entfernt. Somit könnten alle dieser
Siebe als mögliche
alternative Adsorptionsmittel angesehen werden. Zusätzliche
alternative Adsorptionsmittel beinhalten gut konditioniertes Kieselgel
und aktiviertes Aluminiumoxid. Aktivierte Aktivkohle stellt für andere
Verunreinigungen als Feuchtigkeit ebenfalls eine Alternative dar.
-
Die
zweite zu berücksichtigende
Alternative besteht in der Verwendung von inertem Auffüllgas oder
Kopfdruck als ein Ersatz für
das mechanische Pumpen. Der in der Praxis am besten geeignetste Modus
verwendet eine Pumpe, da hiermit die beste Stromsteuerung mit relativ
niedrigen Kosten erhältlich
ist.
-
Allerdings
könnten
inerte Auffüllgase
wie z.B. Helium, Argon oder Stickstoff dazu verwendet werden, einen
zusätzlichen
Druck in dem System zu erzeugen, um flüssiges Ammoniak durch die Adsorptionsbetten
zu bewegen. Als letztes könnte
ein zusätzlicher
Kopfdruck erzeugt werden, indem das Rohammoniak zur Erhöhung seines
Dampfdrucks erwärmt wird.
Dieser zusätzliche
Druck könnte
dann dazu benutzt werden, das flüssige
Ammoniak durch die Adsorptionsbetten zu bewegen.