CN209144273U - 砷烷电子气的供应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种砷烷电子气的供应系统。该供应系统包括电解法制砷烷的电解单元，电解单元包括：电解槽，电解槽包括电解产生包含砷烷和氢气的阴极室、电解产生氧气的阳极室；阴极气体输送管路，与阴极室相连；阳极气体输送管路，与阳极室相连；阴极气体输送管路上设置有第一气体浓度检测器，供应系统还包括氢气供应单元，氢气供应单元与阴极气体输送管路的第一接口相连，第一气体浓度检测器位于第一接口的上游。将电解单元的阴极室产生包含砷烷和氢气的电子气，通过第一气体浓度检测器检测电子气中砷烷的浓度，根据砷烷浓度大小调节氢气供应单元提供的氢气量，进而得可以满足半导体工艺对于砷烷电子气的要求，进而可以直接应用于半导体工艺。

Description

砷烷电子气的供应系统

技术领域

本实用新型涉及电子气体制备领域，具体而言，涉及一种砷烷电子气的供应系统。

背景技术

在半导体行业、太阳能行业、LED行业、平板显示行业和光纤行业快速发展的今天，砷烷等电子气体的工艺使用范围越来越广泛。电子气体一般都是有毒气体、易燃易爆气体，其中的杂质去除和提纯过程是很大的难题。电解法制砷烷直接采用高纯金属砷或高纯含砷原料，能够从原材料上减少杂质的引进，大大简化了砷烷的提纯工艺，因此电解法制砷烷是未来解决气体供应难题的一个比较好的途径。

电解法制砷烷的电解槽具有多种设置方式，以下以氧化砷为阴极为例进行说明。电解槽具有阴极室和阳极室，阳极室内安装有电解电极的阳极和阳极电解液，阳极电解液是纯水，加入少量的高纯NaOH作为导电电解质，NaOH不参与电解反应。阳极电解反应的反应方程式:

6H₂O→3O_2(g)+12e^-+12H⁺

阴极室内安装有电解电极的阴极和阴极电解液，阴极电解液是三价砷As₂O₃水溶液，也可以使用五价砷的水溶液，加入少量的高纯H₂SO₄作为导电电解质，H₂SO₄不参与电解反应。

As₂O_3(s)+12H⁺+12e^-→2AsH₃+3H₂O

具体地，恒压源是一个恒压的电解电源，恒压源的负极和电解池阴极相连，电解池阴极浸泡在含砷阴极电解液中；恒压源的正极和电解池阳极相连，电解池阳极浸泡在阳极电解液中；恒压源联通后电流从恒压源的正极出发，在电解池阳极附近电解产生氧气，氧气和阳极电解液分离后集聚到阳极室的顶部；阳极电解液电解后产生的氢离子可以穿透离子半透膜，进入阴极电解液中，氢离子和砷离子在电解池阴极结合成为砷烷分子气体，同时也有氢离子和氢离子结合成为氢气分子气体，砷烷气体和氢气气体和阴极电解液分离，聚集到阴极室的顶部。

由此可见，在电解制砷烷的过程中由于工艺原理的限制，电解砷烷气体中总是含有一定浓度的氢气(一般氢气含量20％～80％之间)。若电解制得砷烷作为电子气体产品销售，氢气也是杂质，需要去除后才能销售。电解制得砷烷去除氢气工艺需要对砷烷用液氮进行深冷和精馏工艺，浪费大量的能源和生成氢气尾气还要处理才能排放，增加了砷烷的成本。在使用砷烷的大部分行业一般都同时使用氢气作为载气，也就是说在使用砷烷的同时是有氢气一起进反应腔的，例如红黄光的LED外延工艺，砷化镓太阳能薄膜外延工艺等。这样电解制得砷烷气体中的氢气不用去除，只要氢气的浓度稳定到一个合适的比例，是可以直接通入反应腔直接使用的。

研究发现，电解法制砷烷的电解电极的阴极材料和阴极使用的催化剂对电解过程中产生的砷烷和氢气的比例有很大影响，电解电极的电压也对砷烷和氢气的比例有很大的影响，气体因素影响砷烷和氢气产生的比例比较小。当电解电极的阴极材料和阴极使用催化剂与电压固定不变后，电解产生的砷烷和氢气的比例波动范围就比较小了。而且电解池在阴极室和阳极室之间设计有离子半透膜，允许阳离子H⁺从阳极室渗透到阴极室，其他的离子和分子均不能渗透。离子半透膜是厚度仅为50～100个微米的薄膜，当阴极室和阳极室之间的压力过大时可以直接吹破离子半透膜。即使很小范围内的压力，也会导致离子半透膜在阴极室和阳极室之间反复的扩张和收缩，很容易因疲劳而破裂，若遇到阴极室或阳极室内部尖锐突起或毛刺，很容易刺破离子半透膜，造成阴极电解液和阳极电解液混合，或阳极室和阴极室电解产生的气体混合。这样阴极电解产生的砷烷气体就掺杂了氧气，需要深度除去氧气到20ppb以下才能使用，就失去了使用电解法制砷烷的根本目的，延长了砷烷气体的生产周期，也失去电解质制电子气体的价格优势。也就是说，即使电解产生的砷烷和氢气的比例在一定范围内可以调整，但是由于安全以及成本节约的需要又需要尽量控制砷烷和氢气的比例稳定不波动。

因此，目前的电解法制砷烷得到的砷烷气体还无法满足直接作为合格的电子气体使用，导致电解法制砷烷在半导体产品生产中受限，无法实现有效的工程应用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种砷烷电子气的供应系统，以解决现有技术中的电解法制砷烷工艺在半导体产品生产中受限的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种砷烷电子气的供应系统，供应系统包括电解法制砷烷的电解单元，电解单元包括：电解槽，电解槽包括电解产生包含砷烷和氢气的阴极室、电解产生氧气的阳极室；阴极气体输送管路，与阴极室相连；阳极气体输送管路，与阳极室相连；阴极气体输送管路上设置有第一气体浓度检测器，供应系统还包括氢气供应单元，氢气供应单元与阴极气体输送管路的第一接口相连，第一气体浓度检测器位于第一接口的上游。

进一步地，上述阴极气体输送管路上还设置有第二气体浓度检测器，第一接口位于第一气体浓度检测器和第二气体浓度检测器之间。

进一步地，上述氢气供应单元与阴极气体输送管路之间的管路上设置有氢气质量流量控制器。

进一步地，上述电解单元还包括阴极干式尾气处理装置，阴极干式尾气处理装置通过尾气管路与阴极气体输送管路的第二接口相连，尾气管路上设置有尾气开关阀门，第二接口位于第一接口的下游。

进一步地，上述阴极气体输送管路上设置有露点仪，露点仪设置在第一接口和第二接口之间。

进一步地，上述电解单元还具有安全控制装置，阴极室设置有第一压力传感器，阳极室设置有第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器均与安全控制装置电连接。

进一步地，上述阴极室和阳极室通过离子半透膜隔离，阴极气体输送管路上设置有自动压力控制器，自动压力控制器与第一压力传感器和第二压力传感器电连接。

进一步地，上述阳极气体输送管路阳极气体输送管路上设置有阳极变频风机，阳极变频风机与第二压力传感器电连接。

进一步地，上述阴极气体输送管路上还设置有第一压力开关，阳极气体输送管路上还设置有第二压力开关。

进一步地，上述阴极气体输送管路上设置有砷烷纯化器，砷烷纯化器设置在第一气体浓度检测器的上游。

应用本实用新型的技术方案，将电解单元的阴极室产生包含砷烷和氢气的电子气，通过第一气体浓度检测器检测电子气中砷烷的浓度，根据砷烷浓度大小调节氢气供应单元提供的氢气量，进而得到砷烷浓度固定的稀释气，使得该稀释气可以满足半导体工艺对于砷烷电子气的要求，进而可以直接应用于半导体工艺。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的一种实施例提供的砷烷电子气的供应系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

11、阴极室；111、第一压力传感器；12、阳极室；121、第二压力传感器；13、离子半透膜；

20、阴极气体输送管路；21、第一气体浓度检测器；22、第二气体浓度检测器；23、露点仪；24、自动压力控制器；25、第一压力开关；26、砷烷纯化器；

30、阳极气体输送管路；31、阳极变频风机；32、第二压力开关；

41、氢气质量流量控制器；50、阴极干式尾气处理装置；51、尾气开关阀门；66、阴极变频风机；

1、氢气供应单元；2、砷烷电子气存储装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如本申请背景技术所分析的，现有技术电解产生的砷烷和氢气的比例在一定范围内可以调整，但是由于安全以及成本节约的需要又需要尽量控制砷烷和氢气的比例稳定不波动，使得电解法制砷烷得到的砷烷气体还无法满足直接作为合格的电子气体使用，导致电解法制砷烷在半导体产品生产中受限，无法实现有效的工程应用。为了解决该问题，本申请提供了一种砷烷电子气的供应系统。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种砷烷电子气的供应系统，如图1所示，该供应系统包括电解法制砷烷的电解单元，电解单元包括电解槽、阴极气体输送管路20和阳极气体输送管路30，电解槽包括电解产生砷烷和氢气的阴极室11和电解产生氧气的阳极室12；阴极气体输送管路20与阴极室11相连、阳极气体输送管路30与阳极室12相连；阴极气体输送管路20上设置有第一气体浓度检测器21，上述供应系统还包括氢气供应单元1，氢气供应单元1与阴极气体输送管路20的第一接口相连，第一气体浓度检测器21位于第一接口的上游。

本申请的供应系统将电解单元的阴极室11产生包含砷烷和氢气的电子气，通过第一气体浓度检测器21检测电子气中砷烷的浓度，根据砷烷浓度大小调节氢气供应单元1提供的氢气量，进而得到砷烷浓度固定的稀释气，使得该稀释气可以满足半导体工艺对于砷烷电子气的要求，进而可以直接应用于半导体工艺。

上述氢气供应单元1提供的氢气量的大小可以通过计算阴极室11所产生的电子气中砷烷浓度和半导体工艺所要求的电子气中砷烷浓度的差异来确定，为了保证稀释气中砷烷浓度符合要求，优选如图1所示，上述电解单元还包括第二气体浓度检测器22，第一接口位于第一气体浓度检测器21和第二气体浓度检测器22之间。利用第二气体浓度检测器22检测稀释气中砷烷浓度，如果其浓度合格可直接应用于半导体工艺，如果其浓度不合格可进行再次调节并将不合格的稀释气进行砷烷提纯或者当做尾气进行处理。

另外，为了提高本申请的供应系统的自动化程度，优选如图1所示，上述氢气供应单元1 与阴极气体输送管路20之间的管路上设置有氢气质量流量控制器41，利用氢气质量流量控制器41自动调节进入阴极气体输送管路20的氢气的量，提高系统的自动化程度以及所得稀释气中砷烷浓度的精确性。

本申请的砷烷电子气可以应用至半导体工业中的MOCVD工艺单元等，为了避免砷烷电子气应用单元对电解单元的依赖，优选如图1所示，上述供应系统还包括砷烷电子气存储装置2，砷烷电子气存储装置2与阴极气体输送管路20相连。在电解单元和氢气供应单元1不能持续提供合格的电子气时，利用砷烷电子气存储装置2提供浓度合格的砷烷电子气，实现了砷烷电子气的恒浓度不停机供给。

如前所述，如果第二气体浓度检测器22检测到的稀释气中砷烷浓度不合格，可以将其作为尾气处理，为了提高本申请的供应系统工作的可持续性和稳定性，优选如图1所示，上述电解单元还包括阴极干式尾气处理装置50，阴极干式尾气处理装置50通过尾气管路与阴极气体输送管路20的第二接口相连，尾气管路上设置有尾气开关阀门51，第二接口位于第一接口下游。利用阴极干式尾气处理装置50对不合格的稀释气进行解毒处理，使其达到排放标准，避免大气污染。

如前所述，阴极室11在产生砷烷和氢气的同时会产生水，部分水作为水蒸汽随着电子气逸出，水蒸汽含量过多也会影响砷烷电子气应用单元的工作，为了避免水蒸汽的影响，优选如图1所示，上述阴极气体输送管路20上设置有露点仪23，露点仪23设置在第一接口和第二接口之间。在第一接口和第二接口之间设置露点仪23，检测水蒸汽含量，如果水蒸汽含量不合格，不合格的稀释气排向与阴极干式尾气处理装置50进行解毒处理。

在本申请一种优选的实施例中，如图1所示，上述电解单元还具有安全控制装置，阴极室11设置有第一压力传感器111，上述阳极室12设置有第二压力传感器121，第一压力传感器111和第二压力传感器121均与安全控制装置电连接。利用第一压力传感器111监测阴极室11的压力变化，利用第二压力传感器121监测阳极室12的压力变化，并将监测结果传送至安全控制单元，安全控制单元根据监测结果做出相应的动作。比如当检测到阴极室11的压力波动较大时，安全控制单元发出报警信号，工作人员接收到报警信号时对电解系统的电解槽各运行结构进行查验，如过可以采用调整电压或气流可以消除报警，工作人员则进行相应调整，当一旦发现有危险发生将进行停机控制。

为了提高本申请阴极室11和阳极室12的电解液以及电解产物的隔离效果，优选本申请的阴极室11和阳极室12阴极室11和阳极室12通过离子半透膜13隔离，如背景技术所分析的，阳极室12和阴极室11之间的压差可能会导致离子半透膜13的损伤，为了避免该问题，优选如图1所示，上述阴极气体输送管路20上设置有自动压力控制器24，自动压力控制器24与第一压力传感器111和第二压力传感器121电连接。利用第一压力传感器111和第二压力传感器121以监测阳极室12和阴极室11的压差，当压差过大超过限定时利用自动压力控制器24 调整阳极室12和/或阴极室11内气体压差，以避免压差过大对离子半透膜13的损坏，进而保证了阴极室11所生成以及所流出气体质量稳定。

为了对阳极室12的压力实现自动控制，优选如图1所示，上述阳极室12阳极气体输送管路30阳极气体输送管路30上设置有阳极变频风机31，阳极变频风机31与第二压力传感器 121电连接。

由于电解系统在长时间工作后，第一压力传感器111、第二压力传感器121、自动压力控制器24等工作的灵敏度下降甚至在工作人员未察觉的情况下失效，为了避免压力监测不到位引起安全问题，优选如图1所示，阴极气体输送管路20上还设置有第一压力开关25，上述阳极气体输送管路30上还设置有第二压力开关32。

为了进一步提高砷烷的浓度，优选如图1所示，上述阴极气体输送管路20上设置有砷烷纯化器26，砷烷纯化器26设置在第一气体浓度检测器21的上游。利用砷烷纯化器26去除电子气中除了氢气之外的杂质，上述砷烷纯化器26可以采用纯化器制造商业纯化器，例如PALL 公司的产品,也可以使用我公司自研发的纯化器，或者商业纯化器和自研发纯化器的使用组合。从使用效果分析都能达到纯化砷烷气体的目的。

如前所述，电解法制砷烷的阴极材料和阴极使用的催化剂对电解过程中产生的砷烷和氢气的比例有很大的影响，电解电极的电流也对砷烷和氢气产生的比例有很大的影响，气体因素影响砷烷和氢气产生的比例比较小。当电解电极的阴极材料和阴极使用催化剂与电极电流固定下来不变后，电解产生的砷烷和氢气产生的比例波动范围就比较小了。因此优选电解槽的电源为恒流电源，这样阴极室11和阳极室12在单位时间内产生的气体总量是一个恒定的数值。

除了上述限定了特别位置之外，本申请上述的各压力传感器和压力开关的先后没有特别限定，图1仅给出了一种设置方式，本领域技术人员可以进行调整。

以下将结合实施例说明本申请的电解系统的工作机理和效果。

电解槽的电源是一个恒流的电解电源，恒流源的负极和电解池阴极相连，电解池阴极浸泡在含砷阴极电解液中；恒流源的正极和电解池阳极相连，电解池阳极浸泡在阳极电解液中；恒流源联通后电流从恒流源的正极出发，在电解池阳极附近电解产生氧气，氧气和阳极电解液分离后集聚到阳极室的顶部；阳极电解液电解后产生的氢离子可以穿透离子半透膜，进入阴极电解液中，氢离子和砷离子在电解池阴极结合成为砷烷分子气体，同时也有氢离子和氢离子结合成为氢气分子气体，砷烷气体和氢气气体和阴极电解液分离，聚集到阴极室的顶部。通过与阴极室相连的第一压力开关和与阳极室相连的第二压力开关可以设定阳极室和阴极室最高限压，防止出现砷烷外泄。与阴极室相连的第一压力传感器和与阳极室相连的第二压力传感器可以实时监控阳极室和阴极室电解压力的变化。

阳极室中的氧气的流速通过阳极气体输送管路上的阳极变频风机联合控制，就可以控制把阳极室的压力控制到一个稳定的数值上。通过阴极室压力传感器、阴极气体输送管路上的开关阀门、阴极气体输送管路上的阴极变频风机66(参考图1)调整阴极室中的砷烷和氢气混合气的压力，也可以控制把阴极室的压力控制到一个稳定的数值上。在阴极气体输送管路上还设计一个自动压力控制器，接受第一压力传感器和第二压力传感器压力数值，自动调节阴极室和阳极室相同，确保离子半透膜不会因为压力差过大而发生损坏现象。

阴极产生的砷烷和氢气的混合气比例大致范围是可控的，但是随着电解过程的进行，电解液的浓度会有变化，电解的温度也在变化，还有其他一些未知因素会导致阴极产生的砷烷和氢气的百分比浓度是变化的。在砷烷纯化器的下游设置了第一气体浓度检测器，砷烷纯化器设计目的是为了除去砷烷中除了氢气以外的其他杂质，第一气体浓度检测器可以检测混合气体中砷烷气体的含量。根据第一气体浓度检测器检测的砷烷含量的高低再设定氢气的流量数值的大小，比如设定质量流量控制器的开关大小，打开氢气开关阀门，向电解产生的砷烷和和氢气的电子气中通入氢气，调节氢气和砷烷的浓度为固定的比例。利用第二气体浓度检测器通入氢气的稀释气进行监测。若监测稀释气中砷烷和氢气的混合比例符合设定的比例，就打开砷烷供应开关阀门向砷烷电子气应用单元(比如MOCVD工艺单元)供应稀释气作为电子气。若监测稀释气的混合比例不符合设定的比例，就打开尾气开关阀门，不合格稀释气直接排向尾气处理装置，对混合气体进行解毒处理。此外，阴极气体输送管路上设置有露点仪，用来监测稀释气中水蒸汽的含量，若稀释气露点不合格，不合格稀释气直接排向尾气处理装置，对稀释气进行解毒处理。

若MOCVD工艺过程中出现稀释气中砷烷和氢气比例不合格问题，直接关掉通向MOCVD 的气体阀门，为了避免MOCVD停机影响整个砷化镓太阳能产线的运行，打开具有设定浓度的砷烷和氢气混合的砷烷电子气存储装置(比如气瓶组，气瓶组内是压缩气体)的供气开关阀门，向MOCVD工艺提供合格的电子气使用。砷烷电子气存储装置可以确保MOCVD运行4～ 5个小时，这段时间提供给电解制砷烷装置作为故障排除抢修时间。砷烷电子气存储装置也可以作为电解制砷烷装置定期维护时，向MOCVD供气。该砷烷电子气存储装置一定程度上保障了MOCVD工艺时间，提高了MOCVD的使用效率。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的供应系统将电解单元的阴极室产生包含砷烷和氢气的电子气，通过第一气体浓度检测器检测电子气中砷烷的浓度，根据砷烷浓度大小调节氢气供应单元提供的氢气量，进而得到砷烷浓度固定的稀释气，使得该稀释气可以满足半导体工艺对于砷烷电子气的要求，进而可以直接应用于半导体工艺。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种砷烷电子气的供应系统，所述供应系统包括电解法制砷烷的电解单元，所述电解单元包括：

电解槽，所述电解槽包括电解产生包含砷烷和氢气的阴极室(11)、电解产生氧气的阳极室(12)；

阴极气体输送管路(20)，与所述阴极室(11)相连；

阳极气体输送管路(30)，与所述阳极室(12)相连；

其特征在于，

所述阴极气体输送管路(20)上设置有第一气体浓度检测器(21)，所述供应系统还包括氢气供应单元(1)，所述氢气供应单元(1)与所述阴极气体输送管路(20)的第一接口相连，所述第一气体浓度检测器(21)位于所述第一接口的上游。

2.根据权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述阴极气体输送管路(20)上还设置有第二气体浓度检测器(22)，所述第一接口位于所述第一气体浓度检测器(21)和所述第二气体浓度检测器(22)之间。

3.根据权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述氢气供应单元(1)与所述阴极气体输送管路(20)之间的管路上设置有氢气质量流量控制器(41)。

4.根据权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述电解单元还包括阴极干式尾气处理装置(50)，所述阴极干式尾气处理装置(50)通过尾气管路与所述阴极气体输送管路(20)的第二接口相连，所述尾气管路上设置有尾气开关阀门(51)，所述第二接口位于所述第一接口的下游。

5.根据权利要求4所述的供应系统，其特征在于，所述阴极气体输送管路(20)上设置有露点仪(23)，所述露点仪(23)设置在所述第一接口和所述第二接口之间。

6.根据权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述电解单元还具有安全控制装置，所述阴极室(11)设置有第一压力传感器(111)，所述阳极室(12)设置有第二压力传感器(121)，所述第一压力传感器(111)和所述第二压力传感器(121)均与所述安全控制装置电连接。

7.根据权利要求6所述的供应系统，其特征在于，所述阴极室(11)和所述阳极室(12)通过离子半透膜(13)隔离，所述阴极气体输送管路(20)上设置有自动压力控制器(24)，所述自动压力控制器(24)与所述第一压力传感器(111)和所述第二压力传感器(121)电连接。

8.根据权利要求6所述的供应系统，其特征在于，阳极气体输送管路(30)所述阳极气体输送管路(30)上设置有阳极变频风机(31)，所述阳极变频风机(31)与所述第二压力传感器(121)电连接。

9.根据权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述阴极气体输送管路(20)上还设置有第一压力开关(25)，所述阳极气体输送管路(30)上还设置有第二压力开关(32)。

10.根据权利要求1所述的供应系统，其特征在于，所述阴极气体输送管路(20)上设置有砷烷纯化器(26)，所述砷烷纯化器(26)设置在第一气体浓度检测器(21)的上游。