气体净化
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- 多晶工艺学11111一、气体的种类及简单性质
在半导体工业中，常用的气体有氢气、氮气、氩气等。氢气是最常用的一种气体。在自然界中，氢气主要以化合状态存在。它是一种无色、无味的气体。分子量为2.016，比一切元素都轻，比空气轻14.3倍。氢气能被金属吸收，能通过炽热的铁、铂等，在240℃时能透过钯，常温下能透过橡皮，不能透过玻璃。氢气在水中的溶解度很小，在0℃时，一个体积的水仅溶解0.02体积的氢气。氢气在镍、钯内溶解度大，一个体积的钯能溶解几百体积的氢气。氢气具有较大的扩散速度和很高的导热性，导热性比空气大7倍。氢气能自燃，但不能助燃，在常温时不活泼，但在高温或催化剂存在时，十分活泼，能燃烧爆炸，在700℃高温时会发生爆炸，产生大量的热量。
二、气瓶及管道的标记
为了安全的使用和更快的识别气体，对于不同的气体，所用气瓶的类型以及运输管道的标记也不同，其规定见下表。
气体名称 气瓶及输送管道颜色 字样 字样颜色
氢 气 深绿 氢 红
氮 气 黑 氮 黄
工业氩气 黑 工业氩气 天兰
纯 氩 灰 纯氩气 绿
氧 气 天 兰 氧 黑
空 气 黑 空气 白
二氧化碳 黑 二氧化碳 黄
三、气体净化的意义
在多晶硅的生产过程中，作为还原剂和载流气体的氢气，不仅需要量大，而且对它的纯度要求也很高，一般为99.9999%以上，露点－50℃以下，含氧量少于5ppm。硅外延生长中，对氢气纯度要求更高，而工业氢气的纯度比较低，杂质比较多，用电解食盐水法生产的氢气纯度约为98%以上，含有H20、O2、CO、CO2、Cl2等杂质。用电解水生产的氢气纯度比较高约为99.5～99.9%，含有H20、O2、CO、CO2、CH4、N2等杂质。
氢气中的杂质含量过高，生产出来的多晶硅质量等级会降低，甚至造成废品。O2＞5 ppm，露点＞－40℃，会造成多晶硅夹层现象，而多晶硅产生夹层对单晶硅的生产会带来很大影响，甚至不能成晶，露点过低还会造成设备、管道堵塞，影响正常生产。CO、CO2会造成H2还原时硅在氧化的衬底上沉积生产多晶硅。微量的CH4在高温条件下生产炭化硅微粒或引入碳原子。
由上所述，气体净化对提高半导体硅料的质量有着十分重要的意义。
第二节气体净化的基本知识
在气体净化技术中，经常综合运用以下几个方面的知识：
1、用吸湿性液体干燥剂（液碱、硫酸等）进行吸收。
2、用固体干燥剂（KOH氢氧化钾、NaOH、CuSO4硫酸铜等）进行化学吸收。用硅胶、分子筛等进行物理吸收。
3、用催化剂（105催化剂主要用于氢气、氮气和惰性稀有气体的催化脱氧。当用于非氢气体脱氧时，往往要补充适量氢气。等）进行化学催化。
4、用冷媒或冷剂（液氮等）进行低温冷冻。
下面概要介绍吸收、吸附、化学催化的一些基本知识。
一、吸收
吸收多指被吸收的物质从气相转入液相，以物理溶解于液体或与液体起化学反应。
在一些化工厂中，常用液碱或硫酸作为吸湿性液体。液碱用于吸收酸性气体如：CO、CO2等，硫酸用于吸收水份。一般用硫酸来吸收氢气中的水份是不合适的，因为硫酸不仅会对管道有腐蚀性，而且还会挥发出SO2，增加气体中的杂质，这种含S的杂质会造成分子筛、105催化剂的中毒。
二、吸附(……)
吸附一般是指比较稀疏的物质被吸附剂（多半为固体）的表面所吸收的现象，吸附一般为放热过程。
什么叫吸附呢？在某些物质的界面上从周围介质中把能够降低界面张力的物质自动地聚集到自己的表面上来，使得这种物质在相表面上的浓度大于相内部的浓度，叫做吸附。
按作用力的性质，气体的吸附可分为两类：
1、物理吸附
物理吸附即无选择（有的称它为范德华吸附），任何固体皆可吸附任何气体。吸附量会因固体吸附剂及被吸附物质的种类的不同而相差很多。易液化的气体（高沸点）易被吸附，吸附可以是单分子层或多分子层的。吸附速度大且不受温度影响，吸附不需要活化能，没有电子转移，化学键的生成与破坏、原子的重排等。生产的吸附只是物理吸附（范德华力）。
2、化学吸附
化学吸附即有选择性吸附（有的称为活性吸附）。一些吸附剂只对某些气体有吸附作用。它的吸附速度较小，温度升高吸附速度增加，这就是说，这类吸附和化学反应一样，需要一定的活化能。因此，这类吸附实质上是化学反应。
三、吸附剂
一切物体都有吸附作用，但不是均可作为吸附剂。目前我国半导体工业中，最广泛应用的吸附剂是硅胶和分子筛。吸附剂使用之前，须经过特殊处理，增加它的活性。这种处理称为活化。经过活化的吸附剂，不但增加了单位面积的活性，而且增加了表面积。最常用的活化方法是加热，这是因为加热过程中，吸附剂表面的杂质遇热时常可以汽化，将其驱走，从而露出干净的表面。决定吸附剂活性的因素是很多，如表面积的大小、表面结构、孔隙大小、形状、分布、表面干净程度，这些因素决定于吸附剂的制备方法和活化方法。
四、化学催化
催化反应 存在于气体中的有害杂质，有时不能靠物理方法从气体中除去，而是借助于催化剂的作用，使气体中的杂质被吸附在催化剂的表面，使杂质与气体中的其它组分相互起化学反应，转化为无害的化合物。在催化反应中，催化剂的作用是控制反应速度，或使反应沿着特定的途径进行。
一般来说催化剂从理论上来说可以无限期使用，但在实际工作中催化剂会损坏或失去活性，所以必须更换或活化来增加它们的活性。存在于气体中的杂质而引起的失活现象，通常称为催化剂中毒。对催化剂的要求是具有一定的活性和抗催化剂中毒的能力，同时还必须足够坚固。
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