專利名稱：具有低溫純化器的流體純化系統(tǒng)的制作方法
相關申請交叉引用本申請要求2004年10月25日提交的題為″PICO TRAP′Cryogenic Purifierfor Removal of Impurities Fluids from a Matrix Fluid，″的美國臨時申請第60/621,871號以及2005年10月17日提交的題為″Fluid Purification System withLow Temperature Purifier″的美國非臨時專利申請的優(yōu)先權，這些申請都全文參考結合入本文。
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及流體純化領域，包括例如用于半導體工業(yè)的超高純生產(chǎn)氣體純化領域，更具體來說涉及流體純化系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及相關的方法，該方法使用具有冷卻器的純化器(即冷卻的純化器或低溫純化器)，使用保持在降低的溫度或低溫條件下的溫度純化或過濾介質或介質混合物(例如高表面積材料)從基質氣體中除去雜質。
2.現(xiàn)有技術描述人們對幾乎不含雜質的生產(chǎn)氣體和其它流體的需求在不斷增加。氣體的許多生產(chǎn)應用和其它應用需要雜質含量(例如水分含量)等于或小于十億分之十(10ppb)，這些氣體經(jīng)常被認為是超高純氣體。
半導體工業(yè)提供了一個對超高純生產(chǎn)氣體或流體(例如需要通過除去雜質進行純化的基質氣體或流體)的需求不斷增加的具體例子。隨著半導體集成器件變得更小，使用半導體集成器件的裝置變得更加復雜，對實際的半導體材料的物理性質和化學性質的要求的不斷增加，以使其性質與理想的固有的半導體材料性質更加接近。半導體的制造包括使用由各種元素組成的反應性氣體。另外在半導體制造中還使用金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)和其它相關的制造技術之類的制造工藝。在這些工藝中，反應性氣體的純度對制得的半導體器件的品質具有很重要的影響，所述制成的半導體器件的品質具體來說包括其電子性質和特征。因此，微電子工業(yè)中對超高純生產(chǎn)氣體的需求一直在增加。半導體工業(yè)僅僅是對超高純生產(chǎn)氣體具有更高要求的一個例子，為了滿足這些要求，對氣體超高純化的方法進行了廣泛的科技研究，獲得了進步。
超高純氣體通常是通過以下方法制得的使用具有純化器(其使用各種過濾或純化介質和/或機械過濾器以及其它器件)的純化系統(tǒng)對基質氣體或生產(chǎn)氣體進行處理，從基質氣體或生產(chǎn)氣體中除去雜質，例如除去水分，使得所述基質氣體或生產(chǎn)氣體中的水分含量小于10ppb。目前，大部分的研究和開發(fā)努力是關于制備用于純化器的介質，其能夠在氣體(或其它流體)流過純化器的時候有效地除去雜質。高表面積材料經(jīng)常用作純化器介質來形成基材，例如極小珠粒等的基材，該基材置于純化器罐中，迫使基質氣體或生產(chǎn)氣體以特定的流速和壓力流過所述基材。
通過研發(fā)努力得到了能夠除去生產(chǎn)流體中的痕量雜質，使雜質含量遠小于百萬分之一(1ppm)的純化器介質，但是在一些情況下，純化器介質的吸附特性限制了特定純化器介質所能達到的雜質去除水平。例如，一些用于半導體工業(yè)的純化器介質或材料已經(jīng)被測得或顯示出能夠從在環(huán)境溫度和約30psig的壓力下流動的基質氣體(例如HCl氣體)中除去水分，使得水分含量為150-200ppb。然而，這樣的含量無法滿足半導體工業(yè)的需求，半導體工業(yè)仍然需要其許多用于室內(nèi)和晶片清潔應用的生產(chǎn)氣體(例如HCl氣體)中的水分含量等于或小于10ppb。
因此，人們?nèi)匀恍枰脕韺|流體進行純化的改進的方法和系統(tǒng)，例如制備用于半導體工業(yè)和許多其它應用的較高純度的氣體的改進的方法和系統(tǒng)。較佳的是，這些方法和系統(tǒng)將會設計成能夠滿足超高純氣體的要求，同時還能與許多現(xiàn)有的氣體輸送系統(tǒng)相容，而且能夠使用許多現(xiàn)有的純化器介質和/或高表面積材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用來純化基質流體(例如化學氣體)的系統(tǒng)(和相關的方法)，該系統(tǒng)能夠通過將純化介質或材料冷卻至低于環(huán)境溫度而提高對雜質的去除。該系統(tǒng)通常包括裝有純化器元件的罐子，所述純化器元件是例如高表面積純化材料、預先制備的鎳或不銹鋼微粒過濾器等。提供了與所述罐子熱接觸的冷卻器，用來將所述罐子和其中包含的純化器元件冷卻至低于環(huán)境溫度，通常是冷卻至比環(huán)境溫度低20℃或更多的溫度，但是該溫度高于基質流體在純化系統(tǒng)的操作流速和壓力下的相變點。在一些實施方式中，在所述純化器罐的上游提供了預冷器，用來在所述基質流體與純化器元件接觸之前，將其冷卻至例如接近或達到純化溫度的溫度。
更具體來說，提供了低溫純化器，用來處理基質流體，以除去一種或多種雜質(例如從生產(chǎn)氣體中除去水分)。所述純化器包括用來接收具有第一溫度、壓力和流速的基質流體的預冷器。該預冷器對基質流體進行冷卻，輸出具有低于所述第一溫度的第二溫度的基質流體。在所述純化器中包含由大量高表面積材料制成的純化器元件，提供了一個容器來容納所述純化器元件。所述容器包括用來從預冷器接收基質流體的入口，以及用來在迫使基質流體流過該純化器元件之后將其輸出的出口。所述純化器還包括與容器的外表面熱接觸的冷卻器，該冷卻器用來將容器的外表面冷卻至純化溫度，對該溫度進行選擇，使其低于環(huán)境溫度，且高于所述基質流體在流體的壓力和流速下的相變點。
所述預冷器可以用純化器的獨立的冷卻裝置進行冷卻，或者可以使用用來冷卻純化器罐的同一冷卻器進行冷卻。通常對預冷器進行冷卻，使得基質流體的第二溫度(或預冷器的輸出溫度)接近或約等于純化溫度。純化溫度通常至少約比環(huán)境溫度低20℃，更優(yōu)選純化溫度約為0℃至-200℃。容器可以為許多種形式，在一種情況下，容器是不銹鋼管，管內(nèi)設置有金屬微粒過濾器，該過濾器由燒結的、壓制的和/或鍍敷的鎳和/或不銹鋼和/或耐腐蝕合金(例如HastelloyTM等)或適用于具體應用的其它合金制成。在另一種情況下，所述高表面積材料是絲光沸石、沸石、氧化鋁、氧化硅、碳、分子篩、或這些材料的組合，所述容器是用來容納這些純化器基材的罐子。在另一個實施方式中，所述高表面積材料涂敷有反應性金屬或者其它設計用來除去具體雜質的物質。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明的純化系統(tǒng)或設備的示意圖，其包括用來降低純化器罐及其內(nèi)的物料(例如純化器材料和機械過濾器等)的溫度的冷卻器；圖2是與圖1的系統(tǒng)類似的根據(jù)本發(fā)明的另一種純化系統(tǒng)，但是不同之處在于，圖2的純化系統(tǒng)具有預冷器階段(pre-cooler stage)，在此階段中使用用來冷卻純化階段(purification stage)的相同裝置或系統(tǒng)來進行冷卻；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的純化系統(tǒng)，圖中顯示了用來將純化器材料的純化溫度或過濾溫度保持在低于環(huán)境溫度的所需溫度的冷卻器的一個實施方式；圖4是特定純化器介質隨溫度的變化關系圖；圖5和圖6顯示了在環(huán)境溫度以及在降低的溫度或低純化溫度下使用純化器介質，或使用冷阱從HCl氣體除去水分的測試結果；圖7顯示了包括本發(fā)明的低溫純化器的半導體制造體統(tǒng)；圖8顯示了與圖7所示的半導體制造系統(tǒng)相類似的另一種半導體制造系統(tǒng)，圖8的半導體制造系統(tǒng)沒有附加的純化器，包括位于低溫純化器上游的預冷器以及位于低溫純化器下游的加熱器。
發(fā)明詳述大體來說，本發(fā)明涉及通過使化學氣體或生產(chǎn)氣體之類的基質流體通過包含設計成用來除去雜質的介質或介質混合物的純化器，從而從所述基質流體中除去一種或多種雜質的設備/系統(tǒng)和方法。顯著的特點是，所述純化器介質或介質混合物被冷卻至低于環(huán)境溫度的純化溫度，在一些情況下，所述純化溫度遠低于環(huán)境溫度，例如比環(huán)境溫度低20-200℃(例如當環(huán)境溫度約為20℃時，純化溫度為0℃至-200℃或更低，極低的純化溫度提供了“低溫-純化器”)。這種低溫或更低溫度的純化器特別適用于從具有較低沸點的基質流體(例如化學氣體)中除去一種或多種高沸點雜質?；蛘撸绻x擇合適的純化材料，可以減少具有更高沸點的基質氣體中的較低沸點的雜質。在純化器中，將選擇的材料、純化器介質或介質混合物置于容器中或罐子中，或通過其它方式保持在流體的流動路徑內(nèi)。所述純化器設計成用來將所述容器或罐子及其內(nèi)的物料冷卻至選定的純化溫度，在一個示例性的實施方式中，提供了冷卻器，該冷卻器將純化罐/容器的外壁冷卻至低于環(huán)境溫度的預設溫度，使得純化器材料、介質、媒介(media)或裝置保持在純化溫度(例如與所述罐子的溫度接近)，從而提高純化器的純化效力。
圖1顯示了純化器的一個實施方式，本文中可將其稱為降低溫度的純化器、低溫純化器和/或低溫-純化器。如上所述的純化器100設計成用來降低純化器材料或介質140的溫度，所述純化器材料或介質140用來從化學氣體之類的基質流體中除去雜質，所述基質流體將會作為用來制造半導體器件等的生產(chǎn)氣體。為此，圖中顯示純化器100具有預冷器110，該預冷器110具有用來接收第一溫度T1的輸入流體的入口112，以及用來輸出冷卻至或“預冷”至較低的第二溫度T2的輸出流體的出口。該出口114通常與通向罐子130的入口132流體連通，所述罐子130用來容納(如果使用珠粒等之類的純化器材料)或承載(如果使用機械介質)純化器材料、介質或媒介(這些說法在本文中可以互換使用，而不會對描述或發(fā)明構成限制)。
圖中所示的預冷器110是純化器100中獨立的裝置，包括管道118，該管道導引著輸入的流體通過足夠長的路徑，該路徑足以提供所需的冷卻，將流體冷卻至第二溫度T2，該溫度通常選在等于或接近材料140的純化溫度。通常優(yōu)選對輸入的流體或進入的基質流體進行預冷，使得輸入罐子130的入口132的流體不會對接觸到的純化器材料140造成加熱，這種加熱會提高對所述冷卻的純化材料140所需的純化效率。
然后通過通向罐子或容納裝置130的入口132將預冷的流體輸入純化器的冷卻器部分，以純化材料、媒介和/或介質140。用冷卻器120將所述材料140保持在純化溫度，用該材料140純化基質流體，除去雜質，純化后的流體在第三溫度T3下輸出，該溫度通常等于或接近純化溫度(但是在實施本發(fā)明的時候，該溫度可以略高或略低)。圖中顯示冷卻器120沿罐壁136與罐子130接觸，在所示的實施方式中，所述冷卻器120用來將罐壁136的溫度降至預定的溫度，然后使得容器130內(nèi)的純化材料140的溫度降至所需的純化溫度。
由于材料140內(nèi)的傳熱效率很低，純化溫度或材料140的溫度通常高于罐壁136的溫度，可能會在罐子130內(nèi)略微變化(例如，與罐壁136相鄰的材料140的溫度可能比遠離罐壁136的材料140(例如罐子130中心處的材料140)的溫度近似更接近罐壁136的溫度)。因此在操作純化器100的過程中，宜將罐子130冷卻至低于所述材料140所需的溫度，該溫度差隨著罐子130的結構、罐壁136的材料以及材料140變化。在以下討論中，為了便于討論和試驗測量，考慮到材料140的溫度可以略高，可以將純化溫度稱為罐壁136的溫度。在一些實施方式中(未顯示)，可以提供延伸入罐子內(nèi)部的熱交換設備，以改進與材料140的傳熱，將材料140更有效地控制在所需的純化溫度。
發(fā)明人預期所述低溫純化器100是一種緊湊的單元，可以是獨立的單元或者結合入更大的設備中。所述罐子130可以包封在包含所述冷卻器120的冷卻裝置的絕熱套中。所述低溫純化器100可以如圖7所示與常規(guī)的純化單元串聯(lián)使用，或者如圖8所示單獨使用。
在本發(fā)明的常規(guī)實施方式中，將選擇的材料、純化器介質或介質混合物140置于用冷卻器120冷卻的容器或罐子130中。110、120所用的冷卻方法或裝置幾乎可以是任意的眾所周知的可用來實施本發(fā)明的方法或裝置。例如，預冷器110和冷卻器120(可使用相同的或不同的冷卻裝置或方法)可使用制冷系統(tǒng)、熱電冷卻器(Stirling，Peltier等)、固體或流體冷卻浴、渦流冷卻、Venturi冷卻、或者任意其它的冷卻裝置或方法。本發(fā)明的重要特征并不是所用的具體冷卻技術，而是對純化器100進行設計和操作，使用保持在低于環(huán)境溫度、優(yōu)選顯著低于環(huán)境溫度的條件下的純化器材料、媒介和/或介質140對輸入的流體或基質流體進行純化，顯著提高所述材料140從流經(jīng)純化器罐子或容器130的基質流體中除去雜質的功效。
本發(fā)明人認為，使用低溫表面從半導體生產(chǎn)氣體之類的流體中除去雜質的理念是新穎的理念，將會在以后的歲月中帶來許多有益的應用。在通過初始表面吸附痕量雜質來進行操作的流體純化器介質(例如材料或介質140)中，特定介質的純化效力是通過對象物質從基質的表面吸附平衡來確定的。降低表面溫度通常會由于減緩脫附的速率而同時提高物理吸附平衡和化學吸附平衡(例如參見A.Adamson，″The Physical Chemistry of Surfaces，″第5版，New YorkWileyInterscience，1990)。在全部的表面科學文獻和工業(yè)技術中顯示了這種現(xiàn)象的大量例子。在這種現(xiàn)象的一個例子中，在高真空低溫泵中使用深冷溫度來提高分子篩俘獲痕量氣相物質和獲得提高的真空度的能力。但是在本發(fā)明之前，使用低溫表面提高純化器材料從流體中除去雜質的理念并不為人理解或知曉，本發(fā)明人認為這種理念可以用來處理大量的化學氣體和其它流體。通過本發(fā)明將會使得最終用戶能夠獲得常規(guī)方法所無法達到的純度。另外，通過本文所述本發(fā)明，可以除去那些通過常規(guī)的物理吸附和化學吸附無法有效除去的特定雜質。
在根據(jù)本發(fā)明的低溫純化器(例如純化器100)的操作過程中，為了得到提高純化的結果，應考慮一些條件或操作參數(shù)。首先，純化器100的操作溫度或純化溫度(例如材料140靠近或接觸的容器130的壁136的溫度)應保持在高于基質流體在所述基質或輸入流體的特定操作壓力和流速下的任意相變點(即所述相變點應作為純化溫度范圍的下限)。例如，如果所述基質流體是氣體，則操作溫度優(yōu)選保持在高于冷凝點。如果基質流體是液體，則操作溫度優(yōu)選保持在高于凝固點，如果所述基質流體是溶液，則操作溫度優(yōu)選保持在高于溶質的飽和點。
其次，特定雜質(例如從所述基質或輸入流體中除去的目標雜質)在純化器介質(例如罐子130的元件140)上的吸附平衡常數(shù)，優(yōu)選使得目標去除量能夠在高于基質流體的相變點的溫度下達到。第三，應當對純化器基質(例如元件140)進行選擇，使其在純化器的操作溫度下或者在純化溫度下對基質流體是穩(wěn)定的。
當常規(guī)的純化器材料用于元件140的時候，通常選擇所述純化器材料，這是由于已知其能夠在環(huán)境溫度下從基質流體中除去一種或多種目標雜質。然后在操作純化器100的過程中，純化器的溫度(或者罐子130的壁136處的溫度)降至選定的溫度，該溫度高于所述基質或輸入流體在所述純化器100內(nèi)基質流體的壓力和流動條件下的冷凝點，但是又足夠低，足以提高雜質向純化器表面的吸附。在一些情況下，所述操作或純化溫度可以是任何低于環(huán)境溫度的溫度。但是更佳的是，所選的純化器的操作溫度遠低于環(huán)境溫度，例如比環(huán)境溫度低20-220℃或更多，這是由于這些溫度比較容易獲得，而且能夠更大程度地提高純化器材料或介質的吸附。
在一些實施方式中，所述吸附材料或純化器材料140可以是任意的高表面積材料，只要這些材料的表面與流體接觸的時候，能夠通過一種或多種機理除去基質流體中的雜質即可。例如所述純化器材料140可以是由常規(guī)的純化材料組成的基材，例如用于半導體制造工業(yè)的材料，其包括絲光沸石和/或以下專利中詳細描述的基材或純化器材料美國專利第6,110,258號；第6,733,734號；第6,461,411號；第6,425,946號；第6,783,577號；第6,783,576號；和第6,790,358號,這些專利全文參考結合入本文。所述基材140可以由金屬、有機材料和/或無機材料和/或碳組成。除了吸附以外，還可通過使純化溫度降至某一溫度，此時雜質變得不溶于基質流體，通過過濾法將其除去，從而用純化器介質140通過沉淀法除去基質流體中的雜質(例如除了作為介質140的材料140以外，還可提供過濾器，在一些特定的情況下，甚至可以用過濾器代替作為介質140的材料140)。參照圖4-6給出了在降低純化器溫度和示例性的溫度范圍下預期得到的雜質去除效力的進一步提高(即通過出口134輸出純化器的純化后的流體中所得的雜質含量獲得改進)在下文中將詳細描述。
在另一個實施方式中，當基質氣體儲存和溶解在離子性液體中的時候，可以使用本文所述的發(fā)明。在這種情況下，相關的氣體儲存在呈液體物態(tài)的高分子量離子性材料中。然后通過對儲存容器施加真空或者進行加熱而從離子性液體中除去基質氣體。在從所述儲存容器除去基質氣體的時候，很小濃度的離子性液體也會從儲存容器中散發(fā)出來，這是由于離子性液體的蒸氣壓不為零。很顯然，如圖1和后面的附圖所示，本發(fā)明可用來從基質氣體中除去痕量的離子性液體(即除去的雜質是離子性液體)。離子性液體的特征是包含陽離子和陰離子組分的低熔點、高分子量、低蒸氣壓材料。在美國專利第6,579,343號和美國專利申請第US2004/0206241 A1號中已描述了這樣的離子性液體，這些文獻全文參考結合入本文中。基質氣體中的離子性液體的含量通常為痕量，例如含量為100-1000ppb，含量經(jīng)常會更高，但是在通過本發(fā)明各實施方式的低溫純化器(例如圖2的純化器200)處理之后，純化后的基質氣體中離子性液體的含量小于100ppb，在一些情況下甚至小于10ppb，從而制得基本不含所述離子性液體的超高純基質氣體。
圖2顯示了本發(fā)明低溫純化器200的另一個實施方式。純化器200與純化器100相類似，但是不同之處在于預冷器可以作為相同的單元或裝置的一部分，用相同的冷卻器或冷卻裝置進行冷卻。純化器200還顯示在將純化后的流體輸送到制造過程或其它應用位置之前，可以通過例如加熱器使純化后的流體的溫度回到所需的生產(chǎn)流體溫度。另外，純化器200可用來顯示純化器材料可以原位再生以提高純化結果。
如圖所示，純化器200包括用來同時為預冷器階段220和純化階段230提供冷卻的冷卻器210。向預冷器階段220提供的輸入流體或基質流體處于第一溫度T1(例如環(huán)境溫度，生產(chǎn)過程或使用位置的入口溫度等)。使用冷卻器210為預冷器階段220提供冷卻，使得基質流體的溫度降至第二溫度T2，該溫度優(yōu)選約為純化溫度和/或純化介質/裝置238的溫度。在純化器200的這個實施方式中，將進入的流體預冷至(但是如圖7所示，并非所有的情況都必須進行這種預冷操作)純化器操作溫度(或冷卻至以下范圍內(nèi)的溫度該溫度范圍包括高于和低于操作溫度的溫度，但是要高于所述基質流體的相變點)。例如，冷卻器210可以與限定出迫使基質流體流經(jīng)預冷器階段220的路徑(例如彎曲的路徑)的管道進行熱交換。預冷器階段220的目的是在基質流體進入純化階段230之前對基質流體進行冷卻，以便在操作純化器200的過程中將純化器室或罐子234內(nèi)的溫度起伏減至最小或對其進行控制。當所述純化介質238是不良熱導體(許多純化器材料和基材都是如此)的時候，這是特別重要的。
然后將具有第二溫度T2的預冷過的流體導向包括容器或罐子234的純化單元或階段203(即用來容納所述純化材料或裝置238和引導流體基質流經(jīng)例如元件238的一種或多種裝置)，該純化單元或階段包含設計用來俘獲預冷后的基質流體中的一種或多種目標雜質的純化介質或裝置238。所述純化罐234的溫度用冷卻器210控制(即降至低于環(huán)境溫度的所需純化溫度)，通過細心而選擇性地控制罐子234的溫度，可以對包含的純化材料、介質和/或裝置238進行控制，使得可以通過例如吸附和/或冷凝區(qū)別性地有效地從基質流體中除去對象雜質。在使用純化材料238除去雜質之后，純化后的流體以第三溫度T3從純化階段230輸出，所述第三溫度T3可以與預冷后的流體的溫度T2相同或基本相同，或者根據(jù)材料238的溫度和雜質去除效果略高或略低。
如圖所示，在純化器200中提供了加熱器240。來自純化階段230的純化后的流體通過或導向通過加熱器240，以提供具有第四溫度T4的生產(chǎn)流體，該溫度可以與制造過程或使用位置所需的輸入溫度相匹配。在一些情況下，所述純化介質238是可再生的材料或純化器介質，在這樣的情況下，在純化器200中可能需要包括與罐子或容器234連通的再生系統(tǒng)或設備250。再生系統(tǒng)250可以為各種形式，再生系統(tǒng)是流體和氣體純化工業(yè)中眾所周知的。所述再生系統(tǒng)或裝置250用來在原位或者在無需從罐234內(nèi)移出的前提下對純化器介質238進行再生。在其它的情況下，可以有效地設計純化器200和純化階段230，用來對罐子234和/或管道以及純化器200的其它部件進行吹掃。所述純化器200還可優(yōu)選設計成能夠插入和替換所述純化器介質/裝置238，以助于純化器200的維護。除了閥門、壓力控制裝置等，還可一同提供真空源，用來操作和維護純化器200，這是本領域技術人員能夠理解的。
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的理念的純化器300的另一個具體例子。如圖所示，低溫純化器300包括一個管道312(例如316L SS管之類的不銹鋼管子/管道)，該管道具有用來接收輸入的氣體或流體的入口以及在進行處理除去雜質之后，將純化后的流體或氣體導出的口。所述流體或氣流被導向包含純化材料或介質324的罐子320(或容器/管道312的純化階段)，在一個實施方式中，所述純化材料或介質是Ni過濾器玻璃料。所述純化材料324還可以是高表面積材料，例如沸石、絲光沸石、碳、氧化鋁、二氧化硅、金屬以及其它有機和/或無機基材或這些材料的組合。另外，在一些實施方式中，所述高表面積材料可以用反應性金屬或其它設計和/或選擇用來除去特定雜質的物質涂敷。例如，所述反應性物質可以選自堿土金屬(alkali earth metal)、堿土金屬(alkaline earth metal)或過渡金屬，通過選擇來除去特定的雜質。
提供了固態(tài)冷卻器330將所述材料或裝置324的溫度從環(huán)境溫度降至所需的純化溫度。關于這一點，所述固態(tài)冷卻器330包括控制器336，該控制器用來對罐子320的外壁或表面處的傳感器338(或任選地在所述材料/介質324內(nèi)具有探針傳感器的位置)感測到的溫度作出響應，操作冷卻器330。在此實施方式中，冷卻器330包括與熱潤滑脂334相連的熱導體332，但是當然也可使用其它的冷卻裝置和技術來冷卻所述材料324。所述純化罐320與冷卻器330、熱導體332和熱潤滑脂334提供的熱電裝置直接熱接觸，使得可以仔細地控制所述純化器材料或介質324的溫度。任選地，可以在純化器罐320的上游提供所述預冷器，或者可以對材料324的溫度進行控制，從而在對輸入的流體進行冷卻的時候從所述基質氣體或流體向材料324傳熱。使基質流體或輸入氣體流經(jīng)純化器材料324，俘獲一種或多種目標雜質，純化后的流體或氣體從純化器的管道312輸出，例如輸出到使用的位置，或者儲存起來以待后用。
本發(fā)明原理的基本的實施方式包括對純化器內(nèi)的純化器介質或介質混合物進行冷卻以提高純化器的效率。這種對純化器內(nèi)的物料或材料的冷卻推動了基質氣體或流體內(nèi)雜質的吸附平衡向表面吸附方向發(fā)展。在目前應用的高真空低溫泵的設計中可以看到類似的原理，所述原理用來改進分子篩對水分和空氣中物質的吸附。本發(fā)明人認為通過對純化器材料、介質或介質混合物的低溫冷卻可以將分子篩吸附劑的吸附平衡提高幾個數(shù)量級，所得的“低溫泵”能夠產(chǎn)生大約E-10托的真空。
除了理論數(shù)據(jù)以外，本發(fā)明人獲得了一些溫度對在吸附機理下操作的純化材料的效率的影響的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。具體來說，圖4顯示了本發(fā)明人收集的基于吸附的純化器材料的一組經(jīng)驗數(shù)據(jù)。圖4的圖表400顯示了溫度與在室溫和更高溫度下使用常規(guī)純化器材料的水分去除效率的變化關系曲線410。曲線410中所有的數(shù)據(jù)點在水分濃度約為18ppm，1 slpm和612 psig的HCl氣體的情況下采集。如圖所示，隨著溫度升至高于環(huán)境溫度(即約等于或高于20℃)，基于吸附的純化器材料的效率水平降低。相反地，如曲線410所示，可以認為隨著溫度降低，效率水平會提高。
通過識別圖表410所示的隨溫度降低而改進的效率，并進一步將所述低溫泵的理念用來除去流動的基質流體中的雜質，從而獲得了本發(fā)明的改進的結果。這樣一來，通過使用低于環(huán)境溫度的溫度，優(yōu)選所用的溫度遠低于環(huán)境溫度或室溫，例如溫度為0℃至-20℃或更低，例如溫度比環(huán)境溫度低20-60℃或更多，從而提高了特定純化器材料的性能。對純化材料的冷卻已被證明可特別有效地用作提高表面吸附的技術。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，例如在預冷器階段或純化階段中用熱電冷卻器對流入的流體進行冷卻，所述冷卻的或冷純化介質是阱或者高表面積金屬基材。所述冷阱可以是不銹鋼、鎳或其它金屬阱，例如螺線圈或微粒過濾器。所述高表面積金屬基材或阱可以為幾乎任意的形狀或設計，只要可用于常規(guī)的氣體擴散體系即可。另外，所述高表面積材料可以為燒結的或壓制的材料的形式，可以是玻璃料、圓筒、圓盤、圓錐或其它有用的純化器插入形狀。為了達到所需的冷卻，提供了冷卻器，用來將所述高表面積材料的溫度降至低于環(huán)境溫度的所需純化溫度。例如，如圖3所示，基材可以與熱電裝置直接熱接觸，從而能夠仔細地控制金屬基材或純化元件(即純化材料、介質、媒介等)的溫度。
圖5和圖6通過圖表500和600顯示出，通過仔細而選擇性地控制金屬基材的純化溫度(例如形成和使用冷阱)，可以通過吸附、冷凝和/或過濾從基質流體中區(qū)別性地除去目標雜質。圖表500和600所示的測試結果是通過測量從HCl氣體中除去的水分而得到的(即將HCl氣體作為基質流體，將水分作為目標雜質)。這些結果是通過操作與圖3所示的純化器300相類似的低溫純化器、使用高表面積鎳材料作為純化器介質而獲得的。參見圖5，圖表500最初顯示了使用室溫或環(huán)境溫度純化器進行的HCl純化，得到的水分含量為0.1ppm。在此測試中，在15小時內(nèi)使用冷阱，圖表500中的結果顯示純化介質或材料的效率取決于冷阱的操作溫度。
對于本發(fā)明，隨著溫度從環(huán)境溫度降低，純化材料或介質的效率提高，可以看到當溫度降至-20℃，然后進一步降至約-80℃的時候，效率獲得顯著提高。如圖所示，使用在低溫下操作的冷阱可以使得HCl中的水分濃度接近0.01ppm，相對于使用類似的純化材料、但是在環(huán)境溫度或(在此情況下為)20℃操作的純化器得到的0.1ppm的含量，這是一個很大的進步。
注意在一些實施方式中冷阱可以與環(huán)境溫度的純化器串聯(lián)或接合使用，以有效地除去雜質(如圖7所示)，或者有時候環(huán)境溫度的純化器可以被完全替代(也示于圖8)。圖6的圖表600還顯示了使用在20℃下操作的常規(guī)純化材料除去HCl中的水分的應用，圖中顯示這種常規(guī)純化器能夠達到0.1ppm的最大水分去除效率。當冷阱與純化器結合使用的時候，例如圖7所示串聯(lián)使用，用于純化器的下游，此時水分含量減小到近似為0.01-0ppm。
降低溫度的純化器或低溫純化器可以有許多的用途。例如，如圖7和圖8所示，低溫純化器可用于半導體集成電路制造工業(yè)，在此工業(yè)中，所述低溫純化器可用作生產(chǎn)氣體輸送系統(tǒng)或管道的使用之處的一部分，用來純化電子級生產(chǎn)氣體，以提供超高純度的氣體，例如雜質含量等于或小于ppb級別的氣體。低溫純化器具有很多其它的用途，包括其中需要極高純度的流體的用途，以及目標雜質難以通過常規(guī)的純化(例如在環(huán)境溫度或更高溫度下操作純化器)除去的情況。
以下列表提供了本發(fā)明人預想的可以用本發(fā)明的低溫純化器純化的基質流體的例子，以及可能能夠從這些基質流體中有效除去的潛在的雜質。


除了具體列出的基質氣體或流體以外，本文所述的過程還可用來從一種或多種以下的另外的基質流體中除去一種或多種雜質稀有氣體(例如氪、氖和氙)；二氧化碳；二氧化氮；硫化羰；三氟化氯；鹵代化合物，包括但不限于CF4、NF3、CHClF2、CClF2CF3、CClF3、CHCl2F、CH2F2和CH3F；以及胺，其包括但不限于三乙胺、二甲胺和單乙基胺?？梢杂帽疚乃龅募夹g處理的烴包括但不限于丁二烯、乙烷、乙烯、丁烷、丁烯、異丁烷、丙烷、丙烯、甲基乙炔-丙二烯(“MAP”)以及用烷烴和烯烴穩(wěn)定化的甲基乙炔-丙二烯混合物。有機金屬化合物可包括三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦等。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明設計的具有低溫純化器750的半導體制造生產(chǎn)線或系統(tǒng)700。圖中所示的低溫純化器750位于生產(chǎn)線700中具有室766(例如晶片制造室)的半導體反應器760的上游，從純化器750向該室766加入純化的氣體，或者在除去雜質后向該室輸出純化的氣體。純化器750可以為本文所討論的任意形式，例如圖1-3所示的純化器100、200或300。如圖所示，在純化器750的上游提供了另外的純化器740，例如Matheson Tri-Gas，Inc.提供的NANOCHEMMTXTM純化器等，該純化器740通常是在環(huán)境溫度下操作的常規(guī)純化器、其用來除去的雜質與低溫純化器750所除去的雜質相同。當然，純化器740、750可以用來從在系統(tǒng)700中流動的基質流體或氣體中除去不同的雜質。
用純化器740、750逐次處理的基質流體是用氣體箱(gas cabinet)或氣源710提供的。基質流體流過管子720，流到閥門分配箱(VMB)730，在此處以選定的流速和壓力將其提供到或導向純化器740、750。通常基質流體是以等于或接近環(huán)境溫度的溫度從閥門分配箱730輸出的。低溫純化器750包含選擇用來除去基質流體中的一種或多種目標雜質的純化介質、媒介或材料(如結合圖1-3進行的討論)。純化器750在低于環(huán)境溫度的溫度下操作，選擇該溫度來增大包含的純化材料、介質或媒介的效率，該溫度是根據(jù)流速和壓力以及基質流體和目標雜質進行選擇的(即該溫度高于所述壓力和流速下基質流體的相變點)。
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明設計的另一半導體制造生產(chǎn)線或系統(tǒng)800。如圖所示，系統(tǒng)800包括氣體箱或氣源810，該氣體箱或氣源810用來通過管子820向閥門分配箱(VMB)830提供輸入的基質流體或氣體。對VMB830進行操作來控制輸入半導體反應器860及其室866內(nèi)的基質流體的流速和壓力。所述系統(tǒng)800與系統(tǒng)700的不同之處在于，提供了根據(jù)本發(fā)明的低溫純化器854作為獨立的單元或獨立的純化器，用來在低于環(huán)境溫度的條件下進行操作除去雜質，以及輸出用于反應器860(或其它應用位置)的純化的氣體。
所述系統(tǒng)800與系統(tǒng)700的區(qū)別還在于用位于所述低溫冷卻器854上游的預冷器852控制基質流體的溫度。如圖1和圖2所述，提供了預冷器852將從VMB830輸入的基質或輸入流體從環(huán)境溫度(或較高的溫度)冷卻至等于或接近低溫純化器854的操作溫度或純化溫度的溫度。預冷后的流體可以略高于或略低于實施本發(fā)明的操作溫度(但是不低于基質流體的相變點溫度)，用預冷器852提供熱交換功能，這種熱交換功能可能難以由純化器854內(nèi)的純化媒介、介質或材料完成。在低溫純化器854的下游提供了加熱器856，用來將所述純化的氣體/流體的溫度調節(jié)至輸入所述反應器860的室866內(nèi)的生產(chǎn)流體/氣體可以接受的溫度，該溫度可以是環(huán)境溫度或者另外的可用于反應器860(或其它應用位置)的生產(chǎn)氣體的溫度。
制冷/冷卻工業(yè)中的技術人員可以理解，本發(fā)明的低溫或深冷純化器的冷卻可以通過各種技術完成，例如可使用市售的冷卻器。所選的冷卻技術或冷卻器可取決于將流動的基質流體冷卻至目標溫度或溫度范圍所需的熱負荷。所述冷卻器可以是簡單的冷凍機，或者是以下的形式Stirling冷卻器、Peltier冷卻器、渦流冷卻器、Venturi冷卻器、低溫冷卻浴和/或本領域已知的其它形式、或者開發(fā)用于該特定應用/功能的形式。通常優(yōu)選的是所述冷卻器應當是簡單的，僅需要電能或其它容易得到的能源以低能耗驅動的獨立單元。而且還經(jīng)常優(yōu)選或需要小尺寸冷卻器。在一些實施方式中，可以改變制冷溫度的能力使得可對不同的目標雜質、不同的基質流體(以及流速和壓力)和/或不同的純化材料、介質或媒介(以及這些冷卻的純化元件的不同構型)設定純化溫度。所述冷卻器優(yōu)選能夠使用例如熱電偶或其它反饋回路將所述純化器罐或容器及其內(nèi)的物料保持在設定的純化溫度。
以上描述僅被認為是說明本發(fā)明的原理。另外，由于本領域技術人員可以很容易地進行大量改進和改變，因此本發(fā)明并不限于上述的確切結構和過程。因此，所有合適的改進和等價內(nèi)容都包括在所附權利要求書所限定的本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，討論內(nèi)容著重致力于通過冷卻純化介質提高物理吸附、從而提高效率的可能性，但是所述冷卻的或低溫純化器的理念也可用于其它的雜質去除機理，其包括但不限于化學吸附、可逆反應、沉淀、冷凝、過濾和/或這些機理的組合。
權利要求
1.一種用來從基質流體中除去一種或多種雜質的流體純化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括純化介質；包含所述純化介質的罐子，所述罐子具有用來接收基質流體的入口，以及在所述罐子引導著所述基質流體流過純化介質之后，用來從該罐子輸出基質流體的出口；冷卻器，該冷卻器與包含所述純化介質的罐子的一部分相接觸，并將其冷卻至低于環(huán)境溫度的純化溫度。
2.如權利要求1所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)可用來從基質流體中除去痕量的離子性液體，所述基質流體包含第一含量的離子性液體，從所述罐子的出口輸出的基質流體包含第二含量的離子性液體，所述第二含量小于第一含量。
3.如權利要求2所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述離子性液體的第二含量約小于100ppb。
4.如權利要求1或2所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述純化溫度至少比環(huán)境溫度低20℃。
5.如權利要求1所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述純化溫度約低于-20℃。
6.如權利要求1所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，在所述罐子入口接收一定壓力和流速的所述基質流體，所述純化溫度高于在所述罐子入口處的基質流體在該壓力和流速下的相變點。
7.如權利要求1或2所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括與所述罐子的入口流體連通的預冷器，所述預冷器將所述基質流體冷卻至約等于或高于所述純化溫度。
8.如權利要求7所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻器對預冷器提供冷卻。
9.如權利要求1所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括與所述罐子出口流體連通的加熱器，所述加熱器將從所述罐子輸出的基質流體加熱至至少約等于環(huán)境溫度。
10.如權利要求1或2所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述純化介質是高表面積材料。
11.如權利要求10所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述高表面積材料是包括以下的金屬燒結的、壓制的和/或鍍敷的鎳、不銹鋼、耐腐蝕合金和/或選擇用來除去雜質中特定一種的合金。
12.如權利要求10所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述高表面積材料包括選自以下的至少一種材料絲光沸石、沸石、氧化鋁、氧化硅和碳。
13.如權利要求10所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述高表面積材料上涂敷有選擇用來除去雜質中特定一種的反應性物質。
14.如權利要求13所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述反應性物質是堿土金屬、堿土金屬或過渡金屬。
15.如權利要求1或2所述的流體純化系統(tǒng)，其特征在于，所述基質流體包括選自以下的氣體胺、氨、氬氣、胂、三氯化硼、三氟化硼、二氧化碳、一氧化碳、硫化羰、氯氣、三氟化氯、二氯硅烷、乙硅烷、鍺烷、鹵代烴、鹵代化合物、氦氣、氫氣、溴化氫、氯化氫、氟化氫、甲基硅烷、氮氣、二氧化氮、三氟化氮、一氧化二氮、八氟環(huán)戊烯、氧氣、膦、稀有氣體、硅烷、四氯化硅、四氟化硅、六氟化硫、三氯硅烷、WF6、F2、NO、乙硼烷、烴、有機金屬化合物、四氟化鍺、硒化氫或三氟化磷。
16.一種用來對基質流體進行處理以除去一種或多種雜質的低溫純化器，該低溫純化器包括接收第一溫度、壓力和流速的基質流體、并將該基質流體以低于第一溫度的第二溫度輸出的預冷器；包含高表面積材料的純化器元件；用來容納所述純化器元件的容器，該容器具有用來從預冷器接收基質流體的入口，以及當所述基質流體流過純化器元件之后，將所述基質流體輸出的出口；冷卻器，該冷卻器與所述容器的外表面熱接觸，將該容器的外表面冷卻至純化溫度，所述純化溫度低于環(huán)境溫度且高于所述基質流體在該基質流體的壓力和流速下的相變點。
17.如權利要求16所述的純化器，其特征在于，所述純化溫度約為0℃至-200℃。
18.如權利要求16所述的純化器，其特征在于，所述容器包括鋼管，所述純化器元件包括金屬顆粒過濾器，該過濾器包含燒結的、壓制的和/或鍍敷的鎳、不銹鋼、耐腐蝕合金和/或選擇用來除去雜質中特定一種的合金。
19.如權利要求16所述的純化器，其特征在于，所述高表面積材料包含至少一種選自以下的材料絲光沸石、沸石、氧化鋁、氧化硅和碳。
20.如權利要求16所述的純化器，其特征在于，所述冷卻器與所述預冷器熱接觸，對流經(jīng)所述預冷器的基質流體進行冷卻。
21.一種半導體制造系統(tǒng)，其包括位于半導體反應器室上游的如權利要求16所述的純化器。
22.一種用來對在特定的壓力和流速下流動的基質流體進行純化的方法，該方法包括在所述基質流體的流動路徑中提供純化介質；將所述純化介質冷卻至純化溫度，所述純化溫度約為0℃至-200℃而且高于所述基質流體在所述壓力和流速下的相變點；首先引導所述基質流體通過預冷器階段，在預冷器階段中將基質流體冷卻至上述溫度范圍內(nèi)；然后引導所述基質流體流過所述純化介質。
23.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述純化介質包含高表面積材料，所述高表面積材料包括選自以下的至少一種材料絲光沸石、沸石、氧化鋁、氧化硅、碳、燒結的、壓制的和/或鍍敷的金屬或金屬合金。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述基質流體在預冷器階段所冷卻到約等于所述純化溫度，所述純化介質的冷卻步驟包括由冷卻器將裝有所述純化介質的罐子的外表面冷卻至約等于或低于所述純化溫度的罐子溫度，所述冷卻器與所述罐子的外表面熱接觸。
25.如權利要求22所述的方法，其特征在于，在首次引導之前，所述基質流體包含的離子性液體的量大于約10ppb，在第二次引導之后，所述基質流體中離子性液體的量減至小于約10ppb。
全文摘要
一種用來處理基質流體以除去一種或多種雜質(例如從生產(chǎn)氣體中除去水分)的系統(tǒng)和方法。所述純化器包括預冷器，該預冷器接收基質流體，并將基質流體冷卻至較低的第二溫度。提供了容器來容納由高表面積材料制成的純化器元件。所述容器具有用來接收來自預冷器的基質流體的入口，以及在迫使基質流體流經(jīng)純化器元件之后將其輸出的出口。所述純化器包括一個冷卻器，該冷卻器與所述容器的外表面熱接觸，用來將容器的外表面冷卻至純化溫度，對該純化溫度進行選擇，使其低于環(huán)境溫度，且高于所述基質流體的相變點，通常約為0℃至－200℃。
文檔編號B01D53/02GK101048217SQ200580036366
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權日2004年10月25日
發(fā)明者J·V·維尼斯基, R·小托雷斯, V·H·霍爾丁, H·斯派塞 申請人:馬寺松氣體股份有限公司