DE1090646B - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Edelgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Reinigen von Edelgasen für die Herstellung und Verarbeitung von elektrischen Halbleitern.

Bei der Herstellung und Verarbeitung von elektrisch halbleitenden Körpern, ζ. B. beim Ziehen von Einkristallen aus Germanium, Silizium, intermetallischen Verbindungen usw., ist eine inerte Atmosphäre erforderlich. Da bei solchen Verfahren, insbesondere beim Kristallziehen, Substanzen von ungewöhnlich großer Reinheit verarbeitet werden und auch geringste Verunreinigungen vermieden werden müssen, ist es erforderlich, daß auch das für die inerte Atmosphäre verwendete Gas einen hohen Grad von Reinheit aufweist.

Edelgase, wie z. B. Argon, sind im Handel mit einer Reinheit von etwa 99,9S¹⁰Zo erhältlich. Für das Ziehen von Einkristallen und ähnliche Verfahren ist jedoch ein noch wesentlich höherer Reinheitsgrad erforderlich. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung dienen dazu, ein Edelgas so weit zu reinigen, daß sie für den genannten Zweck besonders geeignet sind.

Das Edelgas wird dabei einem strengen Reinigungsprozeß unterworfen. Das Edelgas kann infolge seiner Eigenschaften kerne chemische Verbindung mit den Reinigungsmitteln eingehen.

Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung eignen sich zum Reinigen von Edelgasen für einen beliebigen Zweck, die Beschreibung soll jedoch auf die Reinigung von Argon zum Zwecke der Kristallzüchtung beschränkt werden.

Gemäß der Erfindung wird das zu reinigende Gas in vier Stufen nacheinander folgenden Behandlungen unterworfen:

In der ersten Stufe werden Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, organische Dämpfe und Wasserdampf entfernt, in der zweiten Stufe Stickstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und Wasserdampf, in der dritten Stufe Sauerstoff und Stickstoff, und in der vierten Stufe werden feste Stoffe entfernt.

Gemäß der Erfindung wird das zu reinigende Gas zunächst mit aktiver Kohle bei einer Temperatur zwischen —60° C und der Temperatur, bei der sich das Gas verflüssigt, behandelt, danach eine Behandlung mit Magnesium bei einer Temperatur zwischen 560° C und dem Schmelzpunkt des Magnesiums und einer anschließenden Behandlung mit einer Titan-Zirkon-Legierung bei Temperaturen zwischen 950 und 1050° C ausgesetzt, um die gasförmigen Verunreinigungen zu entfernen, und anschließend durch ein Filter geleitet, um feste Verunreinigungen zu entfernen.

Es ist zwar bereits bekannt, Stickstoff aus Edel-

Verfahren und Vorrichtung
zur Reinigung von Edelgasen

Anmelder:

International Standard Electric Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hixth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 8. Februar 1957

Arthur James Warner, London,
ist als Erfinder genannt worden

gasen in der Weise zu entfernen, daß das Gas über rotglühendes Magnesium geleitet wird. Anschließend muß das Gas noch einer Nachreinigung mit Magnesium und Calciumoxyd unterworfen werden, wobei sich Wasserstoff bildet. Letzterer wird dann mit Kupferoxyd entfernt. Dieses Verfahren ist somit ziemlich kompliziert und für die extreme Reinigung von Edelgasen, bei der es auf die Entfernung geringster Spuren ankommt, offenbar nicht geeignet.

Es ist weiter bekannt, Edelgase bei 500° C über eine Titan-Zirkon-Legierung zu leiten, um den Stickstoff zu entfernen. Die Legierung kann durch Erhitzen auf 1000° C regeneriert werden. Da bei dieser Temperatur der aufgenommene Stickstoff wieder abgegeben wird, konnte keinesfalls vermutet werden, daß zur extremen Reinigung gerade diese Temperatur am besten geeignet ist.

Im übrigen besteht das Verfahren gemäß der Erfindung in der Kombination mehrerer Verfahrensschritte, durch deren Zusammenwirken erst die besonderen Vorteile erzielt werden.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung, bei der das zu reinigende Edelgas durch drei Reinigungsgefäße strömt, um nacheinander die gasförmigen Verunreinigungen zu entfernen. An das Filter schließt sich dann der Arbeitsraum an, in dem das Edelgas die inerte Atmosphäre bildet. Das erste Reinigungsgefäß besteht aus einem Behälter mit Aktivkohle, der auf einer Temperatur zwischen — 60° C und der Verflüssigungstemperatur des Gases gehalten wird. Im zweiten Reinigungsgefäß strömt

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das Gas über Magnesium. Dieses Gefäß wird auf einer Temperatur zwischen 650° C und dem Schmelzpunkt des Magnesiums gehalten. Im dritten Reinigungsgefäß strömt das Gas über eine Titan-Zirkon-Legierung. Dieses Gefäß wird auf einer Temperatur zwischen 950° C und der Schmelztemperatur der Legierung gehalten.

Die Erfindung soll im Hinblick auf die Zeichnungen näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt einen Teil der zum Reinigen benutzten Vorrichtung und

Fig. 2 zeigt einen anderen Teil dieser Vorrichtung.

In Fig. 1 und 2 ist eine Reinigungsvorrichtung dargestellt, bei der das handelsüblich reine Edelgas, z. B. Argon, nacheinander durch die Reinigungsgefäße 1, 2 und 3 strömt und anschließend, nachdem es das Filter 4 passiert hat, in den Arbeitsraum 5 eintritt. Die Richtung des Gasfiusses ist durch Pfeile angedeutet. Die gasförmigen Verunreinigungen werden in den Reinigungsgefäßen 1, 2 und 3 entfernt, die festen Verunreinigungen durch das Filter 4. Der Arbeitsraum 5 kann jede geeignete Form für den darin auszuführenden Prozeß haben.

Das erste Reinigungsgefäß 1 besteht aus einem Behälter 6. Das Argon strömt in dem Behälter durch die Säule 7 mit Aktivkohle. Der Behälter 6 ist mit einer Mischung 8 aus festem Kohlendioxyd und Methylalkohol gekühlt. Die Mischung befindet sich im Vakuumgefäß 9. Die Temperatur der Aktivkohle darf höchstens —60° C betragen, darf aber nicht so tief sein, daß das zu reinigende Gas flüssig wird. Eine geeignete Arbeitstemperatur ist —80° C. Die Aktivkohle absorbiert gasförmige Verunreinigungen, insbesondere Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und organische Dämpfe. Bei der tiefen Temperatur wird die Feuchtigkeit sicher ausgefroren.

Das zweite Reinigungsgefäß 2 enthält zwei Behälter 10, durch die das Argon nacheinander strömt. In jedem dieser Gefäße strömt das Argon durch eine Kolonne 11 mit Magnesiumspänen. Der Behälter 10 wird mit elektrischem Strom erhitzt. Die Zuleitungen 12 führen zu den Heizwicklungen 13, welche die Behälter 10 umgeben. Die Heizwicklungen 13 und die Behälter 10 sind in Aluminiumoxyd 14 zum Zwecke der Isolation eingebettet. Die Temperatur des Magnesiums soll mindestens 560° C betragen, darf jedoch nicht so weit steigen, daß das Magnesium schmilzt. Eine geeignete Arbeitstemperatur ist 580° C. Das Magnesium bindet Stickstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und zersetzt noch vorhandenes Wasser.

Das dritte Reinigungsgefäß 3 besteht aus einen Behälter mit einem durchgehenden Rohr 15 aus Quarz, in dem sich ein Rohr 16 aus Aluminiumoxyd befindet, durch welches das Argon strömt. Das innere Rohr ist mit Spänen 17 aus einer Legierung von Titan und Zirkon gefüllt. Das äußere Rohr 15 ist von einer Heizwicklung 19 mit den Anschlüssen 18 umgeben.

Die Wicklung 19 ist in Aluminiumoxyd 20 eingebettet und dadurch isoliert. Eine geeignete Legierung besteht aus 50 Gewichtsprozent Titan und 50% Zirkon. Diese Legierung muß auf mindestens 950° C erhitzt sein. Eine geeignete Temperatur ist 1000° C. Die Temperatur darf jedoch nicht so weit steigen, daß die Legierung zu schmelzen beginnt. Die Legierung bindet Sauerstoff und Stickstoff.

Der Filter 4 besteht aus Borsilikatglas und entfernt die festen Teilchen aus dem Argon. Das hochgereinigte Argon strömt hinter dem Filter 4 in die Arbeitskammer 5 und bildet dort die inerte Atmosphäre.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reinigen von Edelgasen zur Verwendung bei der Herstellung und Verarbeitung elektrischer Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zunächst mit Aktivkohle bei einer Temperatur zwischen —60° C und der Verflüssigungstemperatur des Gases zur Entfernung von Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, organischen Dämpfen und Wasserdampf, dann mit Magnesium bei einer Temperatur zwischen 560° C und dem Schmelzpunkt des Magnesiums zur Entfernung von Stickstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und Wasserdampf, danach mit einer Titan-Zirkon-Legierung bei einer Temperatur zwischen 950 und 1050° C zur Entfernung von Sauerstoff und Stickstoff behandelt und schließlich durch ein Filter geleitet wird, um die festen Verunreinigungen zu entfernen.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei Reinigungsgefäße, deren erstes aus einem Behälter besteht, der Aktivkohle enthält und sich in einer äußeren Umhüllung befindet, die mit einer Mischung aus festem Kohlendioxyd und Methylalkohol gefüllt ist, deren zweites aus einem Behälter besteht, der Magnesiumspäne enthält und zusammen mit elektrischen Heizelementen in Aluminiumoxyd eingebettet ist, das sich in einer Umhüllung befindet, und deren drittes aus Behältern besteht, die Späne aus einer Titan-Zirkon-Legierung enthalten und zusammen mit elektrischen Heizelementen in Aluminiumoxyd eingebettet sind, das sich in einer Umhüllung befindet, und durch eine hinter den Reinigungsgefäßen angeordnete Filtervorrichtung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus Borsilikatgas besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 752 433;
Gm el in, Handbuch der anorganischen Chemie,
8. Auflage, 1926, Band Edelgase, S. 128.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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