專利名稱：制造超低金屬含量的氨的方法
技術領域：
超高純度的氫氧化銨通常用于制造半導體產品如微處理器。特別是在制造集成電路中其被用作清洗溶液。由于這些電路變得越來越小，雜質變得更難以忍受。特別地，所用氫氧化銨必須無任何導電污染物，尤其是金屬污染物。集成電路對于高純度特級氣體氨也有需求。
背景技術：
通常商業制造的氨都不適合于此類應用。諸如用于肥料的氨的制造引入了包括油和金屬粒子的污染物。此商品級或肥料級氨可包括高達10ppm游離油以及幾ppm鎘、鈣、鈉、鐵、鋅及鉀。為了用于集成電路制造，這些金屬雜質濃度應低于約100ppt。
設計了許多方法以純化此商品級氨。然而由于各種原因，他們沒有被最優化設計。Hoffman等人的美國專利第5,496,778號及5,846,386號公開了由液氨容器得到氨蒸汽并將該蒸汽通過能過濾掉顆粒的過濾器。由于氨中雜質的量，在汽相中除去這些雜質是低效率的并宏觀上是無效的。許多金屬微粒的小尺寸使蒸汽過濾不起作用。另外，蒸發器的設計容許夾帶雜質。
日本專利第8-119626-A公開了將氨氣通過飽和的氨的水溶液。這容許細霧中的夾帶，并要求隨后的細霧分離器。還由于裝置的設計，沒有足夠的時間由液體浴中除去顆粒。設計了過濾過程以從氨中除去油。但是這些都不能夠制造超高純度的氨。
發明內容
本發明的前提是認識到，可由商品級氨通過首先用液相過濾器/收集器過濾收集液氨，以除去幾乎所有的油和由油攜帶的金屬顆粒而得到超純氨。該部分潔凈氨液體隨后導入靜止的蒸發器，其促進蒸汽形成，而不產生促進夾帶雜質的湍流或氣泡。蒸汽相過濾后，氨蒸汽可進一步導入含水洗滌器。該含水洗滌器特別設計以提供小氣泡，繼之以通過飽和水浴的通道。該通道提供足夠的時間用于氣泡內的任何顆粒與氣泡壁接觸并轉移進含水液體內。另外，這樣產生最少的湍流，防止再次夾帶雜質。由洗滌器收集的氨蒸汽可與超高純度水混合以形成適合用于半導體工業的超高純度氫氧化銨溶液。如果基于無水氨的氨氣是期望的產品，那么為此目的的經純化的氨氣可于汽相過濾后收集。
該方法可在大型獨立式設備中實施，或可縮小比例以提供就地制造的氫氧化銨或氨氣。
本發明的目的和優點將通過以下的詳細描述和附圖而被進一步了解。
圖1是本發明的示意圖。
圖2是本發明使用的鼓泡器的截面圖。
具體實施例方式
本發明為適合于制造超高純度氨的分離裝置或系統10。該系統包括連接至蒸發器18的第一和第二液體過濾器/分離器12及14。這些部分最大可能地由不妨礙此方法的材料制得，通常為不銹鋼、聚四氯乙烯或聚四氟乙烯襯里的。
更特別是，提供液氨給裝置10的氨罐34可以是氨的罐裝卡車或用于較小體積需要的氨的便攜罐。氨導入進口38并經由管路40至第一液體分離預濾器12。由第一分離器12，氨經由管路42導入液/液聚結器14。
優選預濾器12為聚丙烯過濾器，其除去可破壞氨油乳液的固體。這是1-10微米過濾器(優選10)，具有15psid最大壓力降。液/液聚結器14設計為8-10ppm進口和1-2ppm出口(游離油)。該聚結器可為具有兩個階段的水平聚結器。初始階段將通過聚丙烯過濾元件使小油滴聚結為較大滴。這樣設計是為了使用具有0.5-40dyne/cm的表面張力的乳液。在第二階段，較大滴在沉降區由連續氨相分離。通過聚結器14的壓力降應為0-10psid，優選0-15psid。在過濾器12及分離器14分離的油和其他雜質分別經由排出管44及46除去。
液相氨由聚結器14通入蒸發器18。蒸發器18僅是具有熱交換器的罐，例如位于蒸發器底部的水套50。氨經由液氨進口52進入蒸發器，該進口52將氨導入液面下。蒸發器還具有氨蒸汽出口54。
如附圖所示，罐18向排出管58傾斜，該排出管容許蒸發器18中的液體的較濃組分排出。進口52為具有彎曲53的指向排出管58的導管。進來的氨流向排出管58。較濃組分為油或伴有金屬顆粒的氨油乳液。較濃組分經由排出管58排出至指向氨排放罐64的閥60。閥60階段性地將液體經由管路70導入泵72，該泵使氨經由管路74回流至進口38。這可用于在蒸發器18中循環部分液體。
出口54由蒸發器18指向分別包括排出管84及86的第一及第二汽相過濾器78及82。過濾器78及82為0.05微米至0.02微米級的Teflon涂覆的過濾器，最大壓力降為15psid。氨蒸汽由過濾器82進入閥81。閥81可將蒸汽導入出口83或由導管90連接至鼓泡塔94底部92的多管閥88。收集導入出口83的蒸汽，進一步用作無水氨。
當氨蒸汽導向導管90時，其經由通過鼓泡塔的底部經由進口98導入，并由噴霧板100通過，在該噴霧板處形成氨氣泡并平穩地經該塔分布。這些氣泡經由水93自塔94上流，然后至頂部空間101至蒸汽出口102。
鼓泡塔94特別設計以產生小氣泡。塔的長度還經設計以便如此產生的氣泡將在液體中停留足夠長的時間，以容許氣泡中的任何顆粒經由Stokes及Brownian運動由氣泡內轉移至氣泡壁。因此，塔的長度將取決于氣泡尺寸及氣泡通過塔中液體的速度。為了促進純化，氣泡尺寸應很小，且應控制氨蒸汽導入的速率。
固體Teflon噴霧板100具有盡可能多的小孔108。以具有約10英尺液體深度及4英尺蒸汽空間的塔為例，孔108的直徑應不大于約3/64″，以便對于約42lbs/hr-ft2＝lbs/hr.ft的氣流，可分離任何雜質進入塔中的液體。
蒸汽出口102連接至第三及第四蒸汽過濾器104及106。這些過濾器優選為0.2微米級，最大壓力降為15psi。過濾器106將氨氣導入收集裝置或可與高純水結合并形成氫氧化銨的混合裝置。
根據此方法，氨由罐34在環境溫度引入進口38，并通過過濾器12及液/液聚結器14，減低油含量至小于約1-2ppm。液體油中夾帶的金屬顆粒也將被除去。所收集的雜質經由排出管44及46排出。
壓力使殘留液氨經管路52流入蒸發器18。加熱器如水套50保持氨的溫度足夠高，以產生蒸汽氨，但不能高至使氨沸騰的溫度。加熱的水的溫度應不高于約55-65℃。加熱的水經由管路112供至水套50并經由管路114排出。蒸發器靜止操作，即使液氨的攪拌最小。另外，蒸發器中高于液面的蒸汽空間使得蒸汽的形成速度較低。通常最大蒸汽速度為0.5-1.0fps。優選其低于0.1fps，且最優選低于0.02fps，這更保證在蒸汽中不夾帶液體。這防止液氨及任何夾帶的的雜質由蒸汽中逃逸。
因為罐18是傾斜的，較濃的雜質將在排出管58收集。所收集的雜質被導入氨排放罐64。
在蒸發器18的頂部空間118形成的蒸汽流過蒸汽過濾器78及82。頂部空間118的壓力優選約100-125psig。第一蒸汽過濾器78被設計為除去尺寸為約0.1微米的顆粒。第二蒸汽過濾器82又設計為除去粒度為約0.05微米的雜質。如果需要，蒸汽可由閥81導入出口83并收集。
或者，蒸汽可由閥81導入多管閥88，該多管閥將氣流分流進入通入鼓泡塔94的底部92的管路90。進入塔94氣體壓力優選約50-60psig。
鼓泡塔充滿飽和的高純度氫氧化銨。氨氣流過噴霧塔100中孔洞，形成經由氫氧化銨溶液產生的氣泡。
熱交換器如水套120保持塔內氫氧化銨的溫度為約20至約30℃。氣泡經由氫氧化銨產生，并且氨蒸汽由鼓泡塔流過端口102。氣泡以防止夾帶液體氫氧化氨和雜質的速率轉移。氨蒸汽由塔94流過除去粒度為0.2微米的顆粒的第三及第四蒸汽過濾器104及106。
氨蒸汽現在將與高純水混合以形成氫氧化銨。或者可將其收集以用作氣體或無水液體。此氫氧化銨適合用于制造集成電路。通常，它將具有不超過100ppt的金屬顆粒，并優選更少。
由此通過利用本發明，形成極純的氨氣而沒有現有技術分離設備所遇到的問題。特別是通過蒸發前除去液相中的多數雜質，使雜質的夾帶減到最少。另外，與湍流蒸發器相反，通過使用靜止的蒸發器又使汽相中雜質的夾帶減到最少。這容許使用蒸汽過濾器的進一步純化。最后，鼓泡塔設計為使雜質的夾帶減到最少，并同時提供充足的分離時間以容許由鼓泡塔中的液相聚集并保持任何夾帶的雜質。
這里描述了本發明及實施本發明的優選方法。然而，本發明本身僅由所附權力要求加以限定。
權利要求
1.一種適合于純化氨的蒸發器(18)，其包括具有底面的長條形罐，該傾斜的罐的第一末端低于所述罐的第二末端，位于所述罐的第一末端的排出管(58)以及用于在所述罐中加熱氨的加熱器(50)適配器。
全文摘要
通過初始使液氨流過液相油分離系統(14)來純化商品級的氨以用于制造半導體。這除去了絕大部分的雜質。經過濾的液氨然后流過蒸發器(18)，靜止形成氨蒸汽并在氨蒸汽中夾帶雜質。蒸汽流過蒸汽過濾系統(78，82)并隨之流入鼓泡塔(94)。鼓泡塔(94)被設計使氣泡足夠小，其移動速率確保氣泡中的任何顆粒有時間轉移至氣泡的表面并由此流過液相。所收集的蒸汽被隨后導入蒸汽過濾器(104，106)中并被收集。如果希望得到無水氨，氨蒸汽在鼓泡塔的上游收集。
文檔編號C01C1/00GK1603233SQ20041008330
公開日2005年4月6日 申請日期2001年11月27日 優先權日2000年12月27日
發明者丹尼爾·J·德肖維茨, 瑞安·L·米爾斯, 杰伊·F·施奈特, 柯蒂斯·多弗, 薩丹納·馬哈潘特拉, 凱文·K·沃滋沃斯 申請人:氣體產品及化學制品公司