【正文】 O2 CO2 N2 Ar2 CH4 雜質(zhì)含量 ppm 過飽和 % 5～ 10 170～2600 46 7～ 11 表 4 電解食鹽水制得的氫中雜質(zhì)含量 雜質(zhì)種類 H2O O2 CO2 CO Cl2 B P As 雜質(zhì)含量ppm 過飽和 % % 10～20 從 4 表看出電解水水制得的氫其雜質(zhì)含量少。 三、 氣瓶的存放及安全使用 氣瓶標記： 為了安全的使用和更快的識別氣體，對于不同的氣體，所用氣瓶的類型及瓶的輸氣管道的標記也不同。其規(guī)定如表 5。 表 5 幾種氣體的氣瓶類型及氣瓶管道 標記 氣體名稱 氣瓶及輸氣管道顏字樣 字樣顏色 線條顏色 氣顏類型 第 13 頁 共 73 頁 色 氫氣 深綠 氫 紅 / 甲 氮氣 黑 氮 黃 棕 甲 工業(yè)氬氣 黑 工業(yè)氬 天蘭 白 甲 高純氬氣 灰 純氬 灰 白 甲 氧氣 天蘭 氧 黑省 / 甲 空氣 黑 空氣 白 / 甲 二氧化碳 黑 二氧化碳 黃 / 乙 氣瓶的存放及安全使用 對于裝有相互接觸時能夠引起燃燒或爆炸的氣體（如氫、氧氣瓶），必須分別存放在單獨房間內(nèi)；嚴禁在存放氣瓶附近處堆放易燃物及使用明火，在夏季時，不應將氣瓶放在日光下曝曬。室內(nèi)溫度不宜太高，應定 時的排風。在堆放氣瓶時不應有大的振動。 使用氣瓶之前，必須裝好氫氣表（或氧氣表），使氣體通過表而輸送到使用地方；氣瓶嘴上不應沾染油脂；在開關氣瓶時人應站在氫氣表的側面，瓶內(nèi)氣體不應用完，乖余氣體的壓力應保持在 ～ 5Kg/cm2。 氫氣與其它氣體按一定比例混合將發(fā)生爆炸。爆炸極限如表6。 表 6 氫氣的爆炸極限 爆炸極限 空氣 氧氣 一氧化碳 一氧化氮 氯氣 下限 % 4% 52% % 87% 第 14 頁 共 73 頁 上限 75% 95% 80% % 5% * 數(shù)據(jù)均為氫氣體積百分比 從表看出，氫 氣是一易燃爆氣體，因此在使用時應注意以下幾點： a 、氫氣瓶與氧氣瓶分開存放，更不能混用。 b 、使用設備與氫氣之間須安裝回火裝置。 c 、通氫氣前，先用保護氣體（如氮氣、氬氣）趕凈設備中的空氣，并檢查是否漏氣，不漏氣時方能通入氫氣。 d 、當操作完畢時，應先通保護氣體，后關閉氫氣，當設備中的氫氣趕凈后關閉保護氣體。 167。1 3 氣體凈化的基本常識 一、 氣體凈化的基本常識 由于氣體雜質(zhì)的存在，對半導體材料的危害也是很大的，為了得到高質(zhì)量的多晶硅和單晶硅，因此在使用氣體前必須將氣體進行凈化。凈化的方法很多，在氣體凈 化技術中，經(jīng)常綜合地運用以下幾個方面的知識。 用吸濕性液體干燥劑（液堿、硫酸等），進行吸收。 用固體干燥劑： KOH、 CuSO CaCl2過氯酸鎂等進行化學吸收。 用硅膠、分子篩等進行物理吸收。 用催化劑（ 105 分子篩等）進行化學催化。 用冷媒或冷劑（液態(tài)氮等）進行低溫冷凍。 第 15 頁 共 73 頁 二、吸收 吸收多指被吸收的物質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)入液相，以物理溶解于液體中或與氣體起化學反應。 某些化工廠在氫氣凈化中，常采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 CO、 Cl2，硫酸用于吸收水分。如： Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3 Na2CO3+H2S→NaHs+NaHCO NaOH+CO2+H2O→Na2CO3+2H2O H2SO4+H2O→H2SO4H 2O+Q 從反應式可以看出硫酸的吸收能力很強，吸附過程中放出大量的熱，所以用硫酸吸收氫氣中的水是不合適的。因為硫酸不僅嚴重的腐蝕管道，同時揮發(fā)出的 SO2 而增加氣體的雜質(zhì)，這種含S 雜質(zhì)的存在會造成物理吸附劑中毒的現(xiàn)象。 三、吸附： 吸附現(xiàn)象 吸附一般是指較稀疏的物質(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，該熱量稱為吸附熱。 什么叫吸 附呢？在某些物質(zhì)的接口上從周圍介質(zhì)中把能夠降低接口張力的物質(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。 如何解釋吸附現(xiàn)象呢？固體表面的原子和固體內(nèi)部原子的處第 16 頁 共 73 頁 境不同，內(nèi)部原子所受的力是對稱的，表面所受的力是不對稱的，表面上的力是不飽和的，因而有乖余力，氣體分子碰撞固體表面時，受到這種力的影響而停止，就產(chǎn)生吸附。 吸附的種類 氣體吸附的種類概括起來，不外乎物理吸附和化學吸附兩種。 a 、物理吸附，是無選擇性的吸附，任何固體都有可能吸附氣體，吸附量會因吸附劑及被吸附的 物質(zhì)的種類的不同相差很多，易于液化的氣體易被吸附，吸附可以是單分子層或多分子層的，脫附也較容易。吸附熱與液化熱數(shù)值相近，這類吸附與氣體液化相似，可以看作表面凝聚。此外吸附速度大，而不受溫度的影響，吸附不需要活化能，沒有電子轉(zhuǎn)移，化學鍵的生成與破壞，原子的重排等，產(chǎn)生的這種吸附都稱范德華力。 b 、化學吸附：化學吸附是有選擇性吸附的，吸附劑只是對某些氣體有吸附作用，吸附熱數(shù)值很大，（＞ 10 千卡 /克分子）和化學反應熱差不多。這類吸附總是單分子層的，而不易脫附，由于可見，它與化學反應差不多，可以看成是表面化學反應 ，速度小，溫度升高吸附速度增快，這種吸附要一定的活化能，它的吸附只是氣體分子與吸附劑表面間的力和化合物中原子間的力相似。 吸附劑的種類很多，目前我國半導體工業(yè)中最廣泛應用的還是硅膠分子篩之類的吸附劑。 吸附劑的好壞一般要看吸附劑表面的大小，及單位面積的活第 17 頁 共 73 頁 性。 四、 化學催化 化反應，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反應轉(zhuǎn)化為無害的化合物，這種方法稱為化學催化。 催化反應中，催化劑的作用是控制反應速 度的，或使反應沿著特定的途徑進行。 催化過程是分兩類進行的：一類為均相催化（催化劑與反應物處在同一相中），另一種為非確立相催化（催化劑與反應物處在不同相中）。 氣體催化的凈化過程常常用固體作催化劑，幫涉及的是非均相催化。在非均相催化中，催化反應是在催化劑表面進行的，反應物被吸附在催化劑的表面處，當吸附能力在特別高的局部地區(qū)時，我們稱這個地區(qū)為 “活化中心 ”。 催化劑：就固體催化劑來說，它的表面是催化反應的場所一般要求表面積大，這樣可以提高它的反應速度。因此多采用表面積大或海棉狀的催化劑，這種催化劑有時也有較好 的吸附性。 絕大多數(shù)氣體的凈化過程中所用的催化劑為金屬鹽類或金屬，通常載在具有巨大表面積的惰載體上，如硅藻土、氧化鋁、石棉、陶土等。 一般來說催化劑從理論上來說是可以無限期使用的，但在實第 18 頁 共 73 頁 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。催化劑損壞的原因是多方面的，一般是由物理和化學原因而引起的。物理損壞可能是機械摩擦，或過熱和燒結而引起的。化學損壞可能是由于催化劑和氣體中雜質(zhì)間的化學反應并產(chǎn)生穩(wěn)定的產(chǎn)物的結果。這兩種情況都會導致催化劑表面上的 “活化中心 ”數(shù)目減少，使催化劑的活性降低。存在于 氣流中的雜質(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，還必須足夠堅固。其次，催化劑的形狀和尺寸應當使通過床層的壓力降為最小。 167。1 4 氣體凈化劑 在高純金屬，半導體工藝過程中，為了獲得高質(zhì)的純凈氣體，必須使氣體通過一系列的凈化裝置，由于各凈化劑裝置中的凈化劑的不同，對不同的氣體雜質(zhì)有不同的除去能力，來達到一定純度的氣體。 氫是高純金屬冶煉中的主要物料，（如氯化、還原、外延等都須要氫氣），稱得上是工藝過程中的血液，氫氣的好壞取決半導體材料質(zhì)量好壞的原因之一， 為此一定要將使用的氣體進行凈化。 一、氣體凈化劑的種類： 氣體凈化劑的種類是多種多樣的，按其雜質(zhì)的不同可分成如下幾種。 第 19 頁 共 73 頁 主要脫氧劑， 105 催化劑、活性銅催化劑、鈀或鉑石棉催化劑、鎳鉻觸媒劑、鈀鋁石及海綿鈦等。 主要除水劑：硅膠、分子篩、活性炭及各種干燥劑，分子篩冷媒、還有化學試劑（如 P2O CaCl2）等。 主要除 CO、 CO2 的化學試劑是 NaOH、 KOH 等。 主要除磷砷的特效試劑有 AgNO濃 H2SO4 以及金屬鹽類。 除去固體粉塵（主要是凈化劑粉末）；玻璃砂、過濾球過濾和細菌過濾器及蒙乃爾過濾器等 。 除去氫中一切雜質(zhì)的有效方法是采用鈀合金擴散室凈化。 二、 介紹的幾種常用的氣體凈化劑。 分子篩 1） 分子篩的結構、組成及種類： 分子篩是一種新型的高效能、多選擇性的吸附劑，已廣泛的應用于氣體干燥、凈化、分離等方面。 分子篩與某種天然的泡沸石性質(zhì)相似，所以人們稱它為人工合成泡沸石，它是微孔型的具有立方晶格的硅鋁酸鹽，其架是由硅氧四面體和硅鋁四面體所構成。 其分子篩化學通式為 [(AlO2)x(SiO2)y].MH2O 式中： Me——金屬陽離子 第 20 頁 共 73 頁 N——金屬陽離子價數(shù) X、 y——整數(shù) M——結晶 水分子數(shù) A 型分子篩每一個晶胞中含有 24 個四面體（ SiO2 和 AlO2 的四面體各 12 個）構成的立方八面體，化學通式為： [(AlO2)12(SiO2)12].27H2O 5A 型分子篩的化學通式為： Cab[(AlO2)12.(SiO2)12].30H2O 4A 分子篩的化學通式為： Na12[(AlO2)12.(SiO2)12].27H2O 3A 分子篩的化學元素通式為： K12[（ AlO2） 12.(SiO2)12].27H2O 將以上三種分子篩加熱失水后，其晶格結構仍無變化。從而得到 Na12A,K12A、 Ca6A 為脫水或活化的晶體是一種活性吸附劑 。 分子篩有許多種類，按其表面積的大小分為 A 型（ 800 米 2/克） X 型（ 1000 米 2/克），除此之外還有其它類型 的分子篩。 2） 分子篩的作用原理 a 、根據(jù)分子篩 大小不同的選擇吸附 當分子篩加熱到一定定溫度，水份脫除之后，內(nèi)部有許多與外部相通的均一孔洞。孔洞之間有許多直徑相同的孔口相連。所以它能將比孔徑小的物質(zhì)分子通過孔口吸附到孔洞內(nèi)，比孔徑大的分子排除在外，從而使分子大小不同的物質(zhì)分開，起篩分分子第 21 頁 共 73 頁 的作用。 各種分子篩吸附分子的直徑 分子篩類型 3A 4A 5A 10X 13X 能吸附的分子直徑（ A=108㎝） 3A0以下 4A0以下 5A0以下 10A0 以下 13A0 以下 為了方便起見，我們將一些物質(zhì)的分子直徑大小數(shù)據(jù)參數(shù)表 7 表 7 一些物質(zhì)的分子直徑參數(shù) 分子 直徑 分子 直徑 分子 直徑 分子 直徑 H2 CO * NH3 CH4 O2 Ar PH3 SiH4 N2 H2O AsH3 B2H6 CO2 * H2S SbH3 SiH6 *估計值 **誤差 177。 b 、根據(jù)分子極性的不同選擇吸附 氣體在分子篩內(nèi)表面上的吸附，是借氣體分子與分子篩吸附表面之間的分子間吸引力來實現(xiàn)的。這種吸引力的大小與分子的極性是有密切關系的，對于大小相似的分子，極性愈大，愈易被吸附。如 CO和 Ar 的分子大小相似都可以被 5A分子篩吸附，但由于 CO 是極性分子， Ar 是非極性分子，所以分子篩吸附 CO 的第 22 頁 共 73 頁 量。水是極性分子，分子篩對水有強的吸附能力，在很大的條件范圍內(nèi)，分子篩都能吸附水，在水蒸汽分壓很小，或者水的濃度很低時 ，分子篩對水都有吸附能力。 c 、根據(jù)分子的不飽和性不同的選擇吸附 分子篩對于某種不飽和性的物質(zhì)，在相同的條件下（溫度、壓力）比硅膠、活性炭的吸附力大，不飽和性愈大，吸附量愈多。 d 、根據(jù)分子沸點不同的選擇吸附 物質(zhì)的沸點低，越不易吸附，如 5A 分子篩吸附 CO 的混合氣體雖然都能吸附，但由于 CO 的沸點較低（ 192℃ ）、 CO2的沸點高（ ℃ ）所以對 CO 的吸附是不牢固的，到一定時間會將 CO放出，氫不易被分子篩牢固吸附的原因，是因為氫的沸點較低，在 ℃ . 3） 分子篩的特性 a 、分子篩無毒、不燃 燒、不爆炸。 b 、具有更高的熱穩(wěn)定性和耐水蒸汽的性能，在高溫、常溫、低溫時都能使用，在你溫使用時效果特好 4A、 5A 在 80℃ 能較好地除去氫中微量氧。 c 、在 700℃ 以下，其晶體結構和性能不被破壞。 4） 分子篩的使用 分子篩應用很廣，在石油工業(yè)、冶金工業(yè)、電子工業(yè)、化學分析等許多方面都有應用。在半導體材料冶金工業(yè)中，常用條狀或球狀的分子篩凈化氣體，除去某些雜