專利名稱：制造超低金屬含量的氨的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
超高純度的氫氧化銨通常用于制造半導(dǎo)體產(chǎn)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(zhì)變得更難以忍受。特別地，所用氫氧化銨必須無任何導(dǎo)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(shù)：
通常商業(yè)制造的氨都不適合于此類應(yīng)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(dá)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(zhì)濃度應(yīng)低于約100ppt。
設(shè)計(jì)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(yōu)化設(shè)計(jì)。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(zhì)的量，在汽相中除去這些雜質(zhì)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(fā)器的設(shè)計(jì)容許夾帶雜質(zhì)。
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(xì)霧中的夾帶，并要求隨后的細(xì)霧分離器。還由于裝置的設(shè)計(jì)，沒有足夠的時(shí)間由液體浴中除去顆粒。設(shè)計(jì)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的前提是認(rèn)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(dǎo)入靜止的蒸發(fā)器，其促進(jìn)蒸汽形成，而不產(chǎn)生促進(jìn)夾帶雜質(zhì)的湍流或氣泡。蒸汽相過濾后，氨蒸汽可進(jìn)一步導(dǎo)入含水洗滌器。該含水洗滌器特別設(shè)計(jì)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(shí)間用于氣泡內(nèi)的任何顆粒與氣泡壁接觸并轉(zhuǎn)移進(jìn)含水液體內(nèi)。另外，這樣產(chǎn)生最少的湍流，防止再次夾帶雜質(zhì)。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(dǎo)體工業(yè)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(chǎn)品，那么為此目的的經(jīng)純化的氨氣可于汽相過濾后收集。
該方法可在大型獨(dú)立式設(shè)備中實(shí)施，或可縮小比例以提供就地制造的氫氧化銨或氨氣。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將通過以下的詳細(xì)描述和附圖而被進(jìn)一步了解。


圖1是本發(fā)明的示意圖。
圖2是本發(fā)明使用的鼓泡器的截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明為適合于制造超高純度氨的分離裝置或系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括連接至蒸發(fā)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(dǎo)入進(jìn)口38并經(jīng)由管路40至第一液體分離預(yù)濾器12。由第一分離器12，氨經(jīng)由管路42導(dǎo)入液/液聚結(jié)器14。
優(yōu)選預(yù)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(yōu)選10)，具有15psid最大壓力降。液/液聚結(jié)器14設(shè)計(jì)為8-10ppm進(jìn)口和1-2ppm出口(游離油)。該聚結(jié)器可為具有兩個(gè)階段的水平聚結(jié)器。初始階段將通過聚丙烯過濾元件使小油滴聚結(jié)為較大滴。這樣設(shè)計(jì)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(qū)由連續(xù)氨相分離。通過聚結(jié)器14的壓力降應(yīng)為0-10psid，優(yōu)選0-15psid。在過濾器12及分離器14分離的油和其他雜質(zhì)分別經(jīng)由排出管44及46除去。
液相氨由聚結(jié)器14通入蒸發(fā)器18。蒸發(fā)器18僅是具有熱交換器的罐，例如位于蒸發(fā)器底部的水套50。氨經(jīng)由液氨進(jìn)口52進(jìn)入蒸發(fā)器，該進(jìn)口52將氨導(dǎo)入液面下。蒸發(fā)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(fā)器18中的液體的較濃組分排出。進(jìn)口52為具有彎曲53的指向排出管58的導(dǎo)管。進(jìn)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(jīng)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(jīng)由管路70導(dǎo)入泵72，該泵使氨經(jīng)由管路74回流至進(jìn)口38。這可用于在蒸發(fā)器18中循環(huán)部分液體。
出口54由蒸發(fā)器1 8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(jìn)入閥81。閥81可將蒸汽導(dǎo)入出口83或由導(dǎo)管90連接至鼓泡塔94底部92的多管閥88。收集導(dǎo)入出口83的蒸汽，進(jìn)一步用作無水氨。
當(dāng)氨蒸汽導(dǎo)向?qū)Ч?0時(shí)，其經(jīng)由通過鼓泡塔的底部經(jīng)由進(jìn)口98導(dǎo)入，并由噴霧板100通過，在該噴霧板處形成氨氣泡并平穩(wěn)地經(jīng)該塔分布。這些氣泡經(jīng)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(shè)計(jì)以產(chǎn)生小氣泡。塔的長度還經(jīng)設(shè)計(jì)以便如此產(chǎn)生的氣泡將在液體中停留足夠長的時(shí)間，以容許氣泡中的任何顆粒經(jīng)由Stokes及Brownian運(yùn)動由氣泡內(nèi)轉(zhuǎn)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(jìn)純化，氣泡尺寸應(yīng)很小，且應(yīng)控制氨蒸汽導(dǎo)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(yīng)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(zhì)進(jìn)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(yōu)選為0.2微米級，最大壓力降為15psi。過濾器106將氨氣導(dǎo)入收集裝置或可與高純水結(jié)合并形成氫氧化銨的混合裝置。
根據(jù)此方法，氨由罐34在環(huán)境溫度引入進(jìn)口38，并通過過濾器12及液/液聚結(jié)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(zhì)經(jīng)由排出管44及46排出。
壓力使殘留液氨經(jīng)管路52流入蒸發(fā)器18。加熱器如水套50保持氨的溫度足夠高，以產(chǎn)生蒸汽氨，但不能高至使氨沸騰的溫度。加熱的水的溫度應(yīng)不高于約55-65℃。加熱的水經(jīng)由管路112供至水套50并經(jīng)由管路114排出。蒸發(fā)器靜止操作，即使液氨的攪拌最小。另外，蒸發(fā)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(yōu)選其低于0.1fps，且最優(yōu)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(zhì)由蒸汽中逃逸。
因?yàn)楣?8是傾斜的，較濃的雜質(zhì)將在排出管58收集。所收集的雜質(zhì)被導(dǎo)入氨排放罐64。
在蒸發(fā)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(yōu)選約100-125psig。第一蒸汽過濾器78被設(shè)計(jì)為除去尺寸為約0.1微米的顆粒。第二蒸汽過濾器82又設(shè)計(jì)為除去粒度為約0.05微米的雜質(zhì)。如果需要，蒸汽可由閥81導(dǎo)入出口83并收集。
或者，蒸汽可由閥81導(dǎo)入多管閥88，該多管閥將氣流分流進(jìn)入通入鼓泡塔94的底部92的管路90。進(jìn)入塔94氣體壓力優(yōu)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(jīng)由氫氧化銨溶液產(chǎn)生的氣泡。
熱交換器如水套120保持塔內(nèi)氫氧化銨的溫度為約20至約30℃。氣泡經(jīng)由氫氧化銨產(chǎn)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(zhì)的速率轉(zhuǎn)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(xiàn)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(yōu)選更少。
由此通過利用本發(fā)明，形成極純的氨氣而沒有現(xiàn)有技術(shù)分離設(shè)備所遇到的問題。特別是通過蒸發(fā)前除去液相中的多數(shù)雜質(zhì)，使雜質(zhì)的夾帶減到最少。另外，與湍流蒸發(fā)器相反，通過使用靜止的蒸發(fā)器又使汽相中雜質(zhì)的夾帶減到最少。這容許使用蒸汽過濾器的進(jìn)一步純化。最后，鼓泡塔設(shè)計(jì)為使雜質(zhì)的夾帶減到最少，并同時(shí)提供充足的分離時(shí)間以容許由鼓泡塔中的液相聚集并保持任何夾帶的雜質(zhì)。
這里描述了本發(fā)明及實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方法。然而，本發(fā)明本身僅由所附權(quán)力要求加以限定。
權(quán)利要求
1.一種純化液氨的方法，其包括使所述液氨流過油分離器；使所述液氨由所述分離器導(dǎo)出并靜止蒸發(fā)所述氨以形成氨蒸汽；使所述氨蒸汽流過鼓泡塔，該鼓泡塔包括氫氧化銨的飽和溶液；以及在流過所述氫氧化銨之后，收集所述氨蒸汽。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述液氨在流過所述油分離器之前流過第一液體過濾器，而且所述油分離器為聚結(jié)器。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述氨在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，而且所述蒸發(fā)器向排出管傾斜，并由此較高密度的雜質(zhì)由所述蒸發(fā)器排出。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中所述鼓泡塔具有一定高度且形成的氣泡的尺寸足夠小，提供所述氣泡中的任何顆粒以足夠的時(shí)間來流過所述鼓泡塔以接觸所述氣泡的壁，由此被所述液體氫氧化銨捕獲。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中所述液氨在低于所述蒸發(fā)器液面處引入。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中由所述靜止蒸發(fā)器得到的所述蒸汽流過蒸汽過濾器系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中所述蒸汽過濾器系統(tǒng)包括第一及第二蒸汽過濾器。
8.如權(quán)利要求5的方法，其還包括使所述蒸汽由所述鼓泡塔流過蒸汽過濾器系統(tǒng)。
9.一種純化氨的方法，其包括使液氨流過液相分離器系統(tǒng)以便由所述液氨中除去油；使所述液氨流入蒸發(fā)器；以及在所述蒸發(fā)器中由所述液氨中分離蒸汽氨。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中所述蒸發(fā)器靜止蒸發(fā)所述液氨。
11.如權(quán)利要求10的方法，其還包括使氨氣的氣泡流過鼓泡塔并收集流過所述鼓泡塔的氨氣，其中該鼓泡塔的長度有效地容許所述氣泡中的固體雜質(zhì)進(jìn)入所述鼓泡塔的液相中。
12.一種純化液氨的方法，其包括使所述液氨流過油分離器；使所述液氨由所述分離器導(dǎo)出并靜止蒸發(fā)所述氨以形成氨蒸汽；使所述氨蒸汽流過蒸汽過濾器；以及收集所述氨蒸汽。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中所述液氨在流過所述油分離器之前流過第一液體過濾器，而且所述油分離器為聚結(jié)器。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中所述氨在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，而且所述蒸發(fā)器向排出管傾斜，由此高密度雜質(zhì)由所述蒸發(fā)器中排出。
15.如權(quán)利要求12的方法，其中所述氨以小于1fps的速率蒸發(fā)。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中所述氨以小于0.1fps的速率蒸發(fā)。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中所述氨以小于0.02fps的速率蒸發(fā)。
18.如權(quán)利要求15的方法，其還包括使所述氨蒸汽流過鼓泡塔，其中所述鼓泡塔具有一定高度且形成的氣泡的尺寸足夠小，提供所述氣泡中的任何顆粒以足夠的時(shí)間來流過所述鼓泡塔以接觸所述氣泡的壁，由此被所述液體氫氧化銨捕獲。
19.如權(quán)利要求14的方法，其中所述液氨在低于所述蒸發(fā)器液面處且以朝向所述排出管的方向引入。
20.如權(quán)利要求18的方法，其還包括使所述蒸汽由所述鼓泡塔流過蒸汽過濾器系統(tǒng)。
21.一種純化氨的方法，其包括使液氨流過液相分離器系統(tǒng)以由所述液氨中除去油；蒸發(fā)所述液氨以形成氨蒸汽；以及使氨氣的氣泡流過鼓泡塔并收集流過所述鼓泡塔的氨氣，其中該鼓泡塔的長度有效地容許所述氣泡中的固體雜質(zhì)進(jìn)入所述鼓泡塔的液相中。
22.一種適合于純化氨的蒸發(fā)器，其包括具有底面的長條形罐；所述罐是傾斜的，所述罐的第一末端低于所述罐的第二末端；位于所述罐的所述第一末端的排出管；以及用于在所述罐中加熱氨的加熱器適配器。
全文摘要
通過初始使液氨流過液相油分離系統(tǒng)(14)來純化商品級的氨以用于制造半導(dǎo)體。這除去了絕大部分的雜質(zhì)。經(jīng)過濾的液氨然后流過蒸發(fā)器(18)，靜止形成氨蒸汽并在氨蒸汽中夾帶雜質(zhì)。蒸汽流過蒸汽過濾系統(tǒng)(78，82)并隨之流入鼓泡塔(94)。鼓泡塔(94)被設(shè)計(jì)使氣泡足夠小，其移動速率確保氣泡中的任何顆粒有時(shí)間轉(zhuǎn)移至氣泡的表面并由此流過液相。所收集的蒸汽被隨后導(dǎo)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C01C1/02GK1483000SQ01821474
公開日2004年3月17日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月27日
發(fā)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, 多弗, 馬哈潘特拉, F 施奈特, K 沃滋沃斯, L 米爾斯, 丹尼爾 J 德肖維茨 申請人:阿什蘭公司