TWI411462B - 具有低溫純化器之流體純化系統 - Google Patents

Description

具有低溫純化器之流體純化系統

本發明係關於流體純化之領域，包括超純化製程氣體純化之領域，像是這些用於半導體工業者，尤其，是指一種純化系統，以及其相關方法，其利用具有冷卻器之純化器(亦即冷卻的或低溫的純化器)來從基質氣體移除雜質，並使用溫度純化或過濾介質或介質混合物，像是高表面積的材料，且維持在下降的或低的溫度。

目前對於幾乎沒有雜質的製程氣體以及其他流體有增加的需求，許多氣體的製造與其他使用都需要雜質含量，像是水氣含量等於或低於十億分之10(10 ppb)，而且這些氣體時常被認為是超純氣體。

半導體工業提供了在超純製程氣體或流體有增加需求的特定範例，例如需要藉由移除雜質而被純化的基質氣體或流體。由於半導體積體元件變得更小，而且使用半導體積體元件的裝置變得更複雜，故對於半導體材料實際的物理和化學性質具有更接近半導體材料的理想和本質性質有增加的需求。半導體的製造牽涉到使用由各種元素組成的反應性氣體，另外，製造程序，像是金屬-有機化學汽相沈積(MOCVD)及其他相關製造技術都被使用於半導體的製造。在這些程序中，反應性氣體的純度扮演了決定製造出的半導體元件最終品質，尤其是所製半導體元件的電性品質與特性的一大角色。因此，在用於超純製程氣體的微電 子工業有增加的需求。半導體工業只是提供一個對於超純製程氣體有增加的需求的範例，而且為了符合這些需求，超純化氣體的方法已經經歷了廣泛的技術上的努力與發展。

超純氣體通常是藉由以純化系統處理基質或製程氣體所生產的，純化系統包含了使用多種過濾或純化介質和/或機械過濾器的純化器以及其他裝置，以從基質或製程氣體移除雜質，例如移除水氣以得到低於10 ppb的基質或製程氣體中的水氣含量。目前大部分研究和發展的努力已經朝向生產用於純化器的介質，當氣體(或其他流體)流經純化器時，純化器可以有效移除雜質。高表面積的材料時常被用作純化器介質，以創造基材，像是很小的珠狀或其同類的基材，其被裝備於純化器容器中，而強迫基質或製程氣體以特定的流速和壓力流經基材。

發展的努力已經朝向可以在製程流體中移除微量雜質至成功地低於百萬分之1含量的純化器介質，但是在一些案例中，純化器介質的吸附特性會限制給定的純化器介質可以達到的雜質移除含量。舉例來說，一些用於半導體工業的純化器介質或材料已被測試出或證明其可以將在室溫與在約30 psig的壓力下流動的基質氣體(亦即HCl氣體)中的水氣移除至介於150至200 ppb的含量。然而，這些含量並無法滿足半導體工業的需求，半導體工業對於其許多製程氣體持續要求10 ppb或更低的水氣含量，像是用於反應室與晶圓清洗應用的HCl氣體。

因此，仍然需要改良的純化基質流體之方法與系統，像是用以生產更高純度的、用於半導體工業以及其他許多應用的氣體。較佳的，可將這樣的方法與系統裝配成符合對於超純氣體增加的需求，同時也可以與許多目前存在的氣體輸送系統相容，並容許使用許多目前存在的純化器介質和/或高表面材料。

本發明提供一種純化基質流體(像是化學氣體)之系統(與相關方法)，其可藉由將純化介質或材料冷卻至低於環境條件之溫度而達成加強移除雜質。此系統通常包括容納純化器元件(像是一定體積的高表面積純化材料、預製構件的鎳或不銹鋼顆粒過濾器、或其同類)之容器。並提供與容器熱接觸的冷卻器，以將容器及其容納的純化元件冷卻至低於室溫的溫度，典型上為較室溫低攝氏20度或更多、但高於基質流體於純化系統之操作流速和壓力下之相變化點。在一些具體實例中，於純化器容器之上游提供一個預冷器，以在基質流體與純化器元件接觸之前將其冷卻至例如接近或等於純化溫度的溫度。

尤其，低溫純化器是為了處理基質流體以移除一個或更多的雜質(像是來自製程氣體的水氣)而準備的，純化器包括可接收具有第一溫度、壓力、和流速之基質流體的預冷器，預冷器將基質流體冷卻，並將基質流體於低於第一溫度的第二溫度輸出。由一定體積的高表面積材料所製成的純化器元件係被包含於純化器中，而且提供容納純化 器元件的容器。此容器包含用以接收來自預冷器的基質流體的入口，以及用以在基質流體被強迫流經純化器元件之後將基質流體輸出的出口。此純化器更包括與容器的外表面熱接觸的冷卻器，以將容器的外表面冷卻至純化溫度，純化溫度係選擇為低於室溫並高於該基質流體於流體壓力與流速下之相變化點。

預冷器可藉由分離的純化器冷卻機制來冷卻，或是藉由與用以冷卻純化器容器相同的冷卻器來冷卻。典型地，將預冷器冷卻以使基質流體的第二溫度(或預冷器的輸出溫度)接近或約等於純化溫度。典型地，純化溫度為至少較室溫低攝氏20度，且更典型地是介於約0至-200℃之間。

容器可以採用許多種形式，在一個案例中，其為不銹鋼管，其內部放置有由燒結的、擠壓的、和/或電鍍的鎳和/或不銹鋼和/或抗腐蝕合金(如Hastelloy^TM或其同類)或其他適用於特定應用的合金製成的金屬顆粒過濾器。在另一個案例中，高表面積材料為絲光沸石、沸石、礬土、矽土、碳、分子篩、或這些材料之組合，而容器為容納此種純化器基材的容器。在另一具體實例中，高表面積材料塗覆有反應性金屬或是其他設計用來移除特定雜質的物種。

一般來說，本發明係關於一種用以從基質流體，像是化學或製程氣體中，移除一種或更多雜質的裝置/系統和方法，其係藉由使流體流經含有設計用以移除雜質的介質或介質混合物的純化器。值得注意的是，將純化器介質或介 質混合物冷卻至低於室溫的純化溫度，以及在某些具體實例中冷卻至遠低於室溫，像是低於室溫20至200度(如當室溫約為20℃時，0至-200℃或更低，其中非常低的純化溫度提供一個”冷凍純化器”)。這樣低的或更低溫的純化器特別適用於從具有較低沸點的基質流體(如化學氣體)中移除一個或更多的高沸點雜質。或者，假使選用適當的純化材料，則可減少具有較高沸點的基質氣體中之較低沸點的雜質。在純化器中，選用的材料、純化器介質、或介質混合物係被放置於容器或容器罐中，或是以其他方式被支撐於流體的流動路徑中。裝配純化器以於選擇的純化溫度下冷卻容器或容器罐以及其內容物，而且在一個示範性的具體實例中，提供一個將純化容器罐/容器的外壁冷卻至預設低於室溫的溫度之冷卻器，其可使得純化材料、介質、介質們、或機制維持在純化溫度(如接近容器罐溫度的溫度)，藉以增強純化器的純化效力。

圖1圖示純化器的一個具體實例，其於此份文件中可稱為減溫純化器、低溫純化器、和/或冰凍純化器。如上所論，裝配純化器100係為了降低用以從基質流體，像是化學氣體中移除雜質的純化器材料或介質140的溫度，化學氣體係用於作為製造半導體元件或其同類的製程氣體。為此目的，純化器100係顯示為包含有預冷器110，其具有用以於第一溫度T₁接收輸入流體的入口112，以及用以輸出冷卻的或”預冷卻”至第二較低溫度T₂的流體的出口114，典型地，出口114與至容器罐130的入口132處於流體互通， 容器罐130係用以容納(假使使用純化器材料，像是小珠子或其同類)或支撐(假使使用機械介質)純化器材料、介質們、或介質(而且這些名稱在此可以替換地使用，而無限制其描述或發明之意)。

在純化器100中預冷器110顯示為分離的裝置，而且其顯示包含有引導輸入流體流經足夠長的路徑之管路118，以提供至第二溫度T₂所需的冷卻，典型地，第二溫度係選擇為等於或靠近材料140的純化溫度。預冷卻輸入流體或進入的基質流體是典型上較佳的，以使輸入容器罐130入口132的流體不會加熱接觸的純化器材料140，因其可能會影響對於冷卻的純化器材料140的純化效率上所需的改良。

之後，將預冷的流體經由容器罐入口132或純化材料、介質們、和/或介質140的支撐機制輸入純化器的冷卻器部分。藉由材料140從基質流體清除雜質，藉由冷卻器120將材料140保持在純化溫度，然後將純化流體以第三溫度T₃輸出，典型地，第三溫度等於或靠近純化溫度(但在實施本發明時可以是有些較低或較高)。冷卻器120顯示為沿著容器罐壁136與容器罐130接觸，而且在例示的具體實例中，冷卻器120扮演將容器罐壁136的溫度降低至預設溫度的角色，之後其可使得容器130中的純化材料140降低至所需的純化溫度。

由於材料140中無效率的熱傳導，純化溫度或材料140的溫度典型上將會高於壁136的溫度，而且在容器罐130 內可能會有些變化(如鄰接壁136的材料140的溫度可能會比遠離壁136的材料140，像是位於容器罐130中心的材料140更接近壁136的溫度)。因此，在純化器100的操作過程中，將容器罐130冷卻至低於材料140所需的溫度可能是有用的，而這樣的溫度差係隨著容器罐130的架構、容器罐壁136的材料、以及材料140而變化的。在以下的討論中，為了方便討論與實驗測量，可將純化溫度指定為容器罐壁136的溫度，且吾人瞭解材料140可能具有高一點的溫度。在某些具體實例中(未顯示)，可以提供延伸進入容器罐內部的熱交換器裝置，以改善材料140的熱交換，而得以更有效地將材料140控制在所需的純化溫度。

本發明人將冷凍純化器100想像為可獨立活動或併入較大裝置的緊密單元，可以將容器罐130裝入含有冷卻器120的冷卻機制之絕緣套中。可將冷凍純化器100與傳統純化單元串聯使用，如圖7所示，或是將其自身單獨使用，如圖8所示。

在本發明典型的具體實例中，將所選用的材料、純化器介質、或介質混合物140裝入冷卻器120冷卻的容器或容器罐130內。為實施本發明，110,120所用的冷卻方法或機制可以差不多是任何習知的方法或機制。舉例來說，預冷器110和冷卻器120(其可使用相同的或不同的冷卻機制或方法)可以使用一個冷藏系統、熱電的冷卻器(Stirling、Peltier、及其同類)、固體或流體冷浴、渦流冷卻、Venturi冷卻、或任何其他的冷卻機制或方法，本 發明的重要特徵並非使用一個特殊的冷卻技巧，而事實上是裝配並操作冷卻器100來使用純化器材料、介質們、和/或介質140純化輸入流體或基質流體，將純化器材料、介質們、和/或介質140維持在低於室溫且典型上為遠低於室溫的溫度，其可使得材料140在移除流經純化器容器罐或容器130的基質流體內的雜質上有明顯加強的效力。

發明人相信使用低溫表面來加強從流體，像是半導體製程氣體中移除雜質的概念是新的，而且在未來幾年將會提供許多有益的使用。在流體純化器介質(像是材料或介質140)中，其係藉由微量雜質的初步表面吸附來操作，給定介質的純化效率是由來自基質的目標物種之平衡表面吸附所決定的，降低表面溫度通常可藉由降低脫附速率來加強物理吸附與化學吸附的平衡(例如請見A.Adamson”表面的物理化學”)第五版，紐約：Wiley Interscience,1990年)，此現象顯示於遍及表面科學文獻和工業技術中許多的範例，這個現象的一個範例是在高真空的冷凍真空幫浦中使用冷凍的溫度來加強分子篩清除微量氣體相物種的能力以達到加強的真空度。雖然在本發明之前，使用低溫表面來改善純化器材料從流體中移除雜質的能力的概念並不被瞭解或知道，但發明人相信這個概念是可以被用來處理許多化學氣體和其他流體的。利用本發明將可容許終端使用者達到傳統方法無法得到的純度，此外，此處所說明之發明亦使以傳統物理吸附和化學吸附無法有效移除的特定雜質，其移除變得可能。

在依據本發明的冷凍純化器(像是純化器100)之操作過程中，有幾個要達成加強的純化結果應該考慮的情況或操作參數，首先，純化器100的操作溫度或純化溫度(如材料140接近或到達的容器130的壁136之溫度)在基質或輸入流體的特定操作壓力和流速下，應該維持在基質流體的任何相變化點之上(亦即此相變化點可作為純化溫度範圍的下限)。舉例來說，假使基質流體是氣體，則較佳可將操作溫度維持在冷凝點以上，而假使基質流體是溶液，則較佳可將操作溫度維持在溶質的飽和點以上。

其次，給定雜質(亦即欲從基質或輸入流體移除之目標雜質)在純化器介質，像是容器罐130的元件140，上的吸附平衡常數較佳係為可在高於基質流體的相變化點的溫度下達成目標移除量。第三，純化器介質(如元件140)應選擇為在純化器的操作溫度或純化溫度下，對於基質流體是穩定的。

當使用一般的純化器材料作為元件140時，典型上會選擇純化器材料，因為已知是要在室溫下從基質流體中移除目標雜質或雜質們。之後，在純化器100的操作過程中，將純化器溫度(或是在容器罐130的壁136的溫度)降低至選擇的溫度，選擇的溫度在純化器100內的基質流體的壓力和流動條件下比基質或輸入流體的冷凝點高，但足夠低以加強雜質於純化器表面上的吸附。在一些案例中，操作或純化溫度可以是任何低於室溫的溫度，更典型地，還是將純化器的操作溫度選擇為遠低於室溫，像是較室溫低 攝氏20至220度或更多，因為這些溫度相當容易獲得，而且可以藉由純化器材料或介質提供在吸附上更大的改良。

在一些具體實例中，吸附或純化器材料140可以是任意的高表面積材料，因為當流體與其表面接觸時，這些材料可以扮演藉由一個或更多的機制移除基質流體中的雜質的角色。舉例來說，純化器材料140可以是由傳統純化材料所組成的基材材料，傳統純化材料像是這些用於半導體製造工業的，包括絲光沸石、和/或U.S.專利Nos.6,110,258、6,733,734、6,461,411、6,425,946、6,783,577、6,783,576、以及6,790,358中詳細描述的基材或純化器材料，於此將這些專利中的每一個整體列為參考資料。基材材料140可以是由金屬、有機和/或無機材料、和/或碳所組成，除了吸附之外，可以藉由純化器材料140將基質流體中的雜質移除，藉由將純化溫度降低至雜質變得不可溶於基質流體中的點而產生沈澱，並以過濾方法移除之(如，除了材料140之外可以提供過濾器，或甚至在某些特定環境下，可以取代材料140作為介質140)。當降低純化溫度時，預期對於雜質移除的改善(亦即經由出口134輸出純化器的純化過的流體中所得到的改善純度)以及示範性溫度範圍提供於圖4-6做為參考，其在以下有詳細的描述。

在另一具體實例中，當將基質氣體儲存並溶於離子液體中時，可使用此處所描述的發明，在這樣的案例中，將感興趣的氣體儲存於高分子量和離子性的、且處於液體的 物理形式的材料中，之後藉由施加真空或加熱儲存容器將基質氣體從離子液體中移除，當從儲存容器中移除基質氣體時，由於離子液體的蒸汽壓不是零，也會從儲存容器中散發出小濃度的離子液體，顯然地，如圖1和後面的圖所示，可使用本發明從基質氣體中移除微量的離子液體(亦即移除的雜質是離子液體)。離子液體的特徵為低熔點、高分子量、具有陽離子和陰離子成分的低蒸汽壓材料。這樣的離子液體已被詳細描述於U.S.專利Nos.6,579,343以及U.S.專利申請案US2004/0206241 A1中，於此將這些專利中的每一個整體列為參考資料。典型地，基質氣體中將存在有微量的離子液體，如100 ppb至1000 ppb、且時常為更高的量，但是在經過依據本發明的各種具體實例的低溫純化器(像是圖2的純化器200)處理之後，存在純化過的基質氣體中的離子液體為低於100 ppb的量，在一些案例中甚至為低於10 ppb，因而可產出實質上不含離子液體的超純基質氣體。

圖2圖示依據本發明的低溫純化器200之另一具體實例。純化器200與純化器100類似，但其有助於顯示可以提供預冷器作為相同單元或裝置的一部份，並藉由相同的冷卻器或冷卻機制來冷卻預冷器。純化器200還進一步顯示純化過的流體可使在輸送到製造程序或其他使用點之前藉由例如加熱器而使其自身溫度回復到所需的製程流體溫度。再進一步，純化器200有助於說明可以在適當的地方再生純化器材料，以加強純化結果。

如同顯示的，純化器200包括冷卻器210，其係用以提供預冷器階段220和純化階段230兩者之冷卻。以第一溫度T₁(如室溫，使用程序或點的入口溫度，或其同類)提供輸入流體或基質流體至預冷器階段220，冷卻器210係用以提供預冷器階段220冷卻，以使基質流體自身的溫度下降至第二溫度T₂，第二溫度較佳約為純化溫度和/或純化介質/機制238的溫度。在這個純化器200的具體實例中，將進入流體預冷卻(但此預冷卻在所有案例中並非必須的，如圖7所示)至純化器的操作溫度(或是至介於高於和低於操作溫度的溫度範圍中的溫度，但是在基質流體的相變化點之上)。舉例來說，冷卻器210可以以定義路徑(如歪曲的路徑)的管路提供熱交換，在預冷器階段220中，基質流體被強迫流經此路徑。預冷器階段220的目的是為了要在基質流體進入純化階段230之前冷卻基質流體，以在純化器200的操作過程中最小化或控制純化器腔室或容器罐234內的溫度震盪。當純化介質238是不良熱導體時，那是許多純化器材料或基材的實例，這尤其是重要的。

之後，將處於第二溫度T₂的預冷的流體引導至純化單元或階段230，其包括容器或容器罐234(亦即一個或多個支撐純化材料或機制238的裝置，且用以引導流體基質流經那樣的元件238)，容器或容器罐234含有設計用以捕捉預冷的基質流體中感興趣的雜質或雜質們之純化介質或機制238。純化容器罐234使其自身溫度受冷卻器210控制(亦即降低至所需的、低於室溫的純化溫度)，並且藉由小心 地與選擇性地控制容器罐234的溫度，以控制內含的純化材料、介質、和/或機制238，而可辨別地且有效地像是藉由吸附和/或凝結從基質流體中移除目標的雜質。在藉由純化材料238移除雜質之後，將純化的流體從純化階段230以第三溫度T₃輸出，第三溫度可以與預冷流體的溫度T₂相同或大體相同，或是稍微高一些或低一些，視材料238的溫度與雜質移除的效應而定。

如同所示，於純化器200提供加熱器240。使來自純化階段230的純化流體通過或引導使其流經加熱器240，以提供處於第四溫度T₄的製程流體，其可符合製造程序或使用點之所需輸入。在一些案例中，純化介質238為可再生的材料或純化器介質，而且在這樣的案例中，純化器200可能需要含有與容器罐或容器234互通的再生系統或裝置250。再生系統250可以採用種種的形式，且在流體和氣體純化工業裡再生系統是眾所周知的。再生系統或機制250的功用是為了在原處或不從容器罐移出地再生純化器介質238。在其他案例中，裝配純化器200和純化階段230可能有助於清洗容器罐234和/或管路系統以及純化器200的其他元件。較佳地，亦可將純化器200裝配成可即時插入和取代純化器介質/機制238，以利純化器200的維護。在閥、壓力控制、真空源、及有助於操作和維護純化器200的同類之外，也可以一起提供真空源，此為習知技藝之人士所瞭解的。

圖3圖示依據本發明之概念更為明確的具體實例純化 器300。如其所示，冷凍純化器300包含導管312(如不銹鋼管/導管，像是316L SS管)，其具有接收輸入氣體或流體的入口，並在處理以移除雜質之後將純化的流體或氣體導出。將流體或氣體流導入含有純化材料或介質324的容器罐320(或導管312的容器/純化階段)，純化材料或介質324在一個具體實例中為Ni過濾器熔塊。純化材料324也可以是高表面積的材料，像是沸石、絲光沸石、碳、礬土、矽土、金屬、和其他有機和/或無機基材或這些種材料之組合。另外，在一些具體實例中，高表面積的材料也可以塗覆有反應性金屬或其他設計和/或選擇用以移除特定雜質的物種。舉例來說，反應性物種可以選自鹼金屬、鹼土金屬、或過渡金屬，其中做這樣的選擇是為了移除特定的雜質。

提供一個固態冷卻器330，以將材料或機制324的溫度從室溫降低至所需的純化溫度。為達此目的，固態冷卻器330包括控制器336，其可回應感測器338在容器罐320外壁或表面(或是選擇性地以探針感測器在材料/介質324內部的點)測得的溫度來操作冷卻器330。在本具體實例中，冷卻器330包含與熱膏334連接的熱傳導器332，但是，當然也可使用其他的冷卻機制和技巧來冷卻材料324。純化容器罐320與冷卻器330、熱傳導器332、和熱膏334所提供的熱電裝置有直接熱接觸，以使純化器材料或介質324的溫度可被小心地控制。選擇性地，可於純化器容器罐320的上游提供一個預冷器，或是可以控制材料324的溫度， 以於冷卻輸入流體時計算從基質氣體或流體轉移至材料324的熱。使基質流體或輸入氣體流經純化器材料324，並捕捉感興趣的雜質或雜質們，而且將純化的流體或氣體輸出純化器導管312，像是到使用點或儲存供以後使用。

本發明基本原理的具體實例牽涉到純化器中純化器介質或介質混合物的冷卻，以改善純化器的效力。這種純化器內含物或材料的冷卻可以將基質氣體或流體中雜質的吸附平衡往表面吸附方向驅動。類似的原理可見於在高真空低溫幫浦的設計中藉由分子篩以改善水氣和空氣物種的吸附之相關事物。有了純化器材料、介質、或介質混合物的低溫冷卻，發明人相信分子篩吸附劑的吸附平衡可被移動好幾個大小等級，而且產生的”冷凍幫浦”可以創造E-10陶爾等級的真空。

除了理論數據之外，發明人已經得到顯示溫度影響在吸附機制下操作的純化材料的效率之經驗數據。特別地，圖4圖示一組發明人所收集的以吸附為基礎的純化器材料之經驗數據。圖4的圖表400以曲線410說明傳統用於室溫和較高溫度的純化器材料之水氣移除效率對溫度的相關性。曲線410中的所有數據點是從1 slpm和612 psig、帶有約18 ppm水氣挑戰含量的HCl氣體收集到的。如其所示，以吸附為基礎的純化器材料之效率水準隨著溫度上升至高於室溫(亦即約為或有些高於20℃)而降低。相反地，可將效率水準想成隨著溫度下降而升高，如曲線410所示。

藉由確認曲線410中所示隨著溫度降低改善的效率以 及進一步將冷凍幫浦的概念應用到流動的基質流體中雜質的移除可以得到本發明之改良結果。因此可以藉由使用低於室溫的溫度，而且典型上是使用遠低於室溫的溫度來加強給定的純化器材料的效能，像是0至-20℃或更低的溫度，或者像是低於室溫20至60℃或更多的溫度。冷卻純化材料已經被證實在作為表面吸附加強技巧時是尤其有效的。

在本發明較佳的具體實例中，例如藉由在預冷器階段或純化階段使用熱電的冷卻器，將進入的流體冷卻，而冷卻的或冷的純化介質是一個捕捉器或高表面積金屬基材。冷的捕捉器可以是不銹鋼、鎳、或其他金屬的捕捉器，像是線圈或顆粒過濾器。高表面積金屬基材或捕捉器可以接近任何形狀或有助於典型氣體分佈系統的設計。此外，高表面積材料可以是燒結的或擠壓的材料之形式，而且可以採用熔塊、圓筒、圓盤、圓錐、或是其他有助於純化器插入的形狀之形狀。為了得到所需的冷卻，提供冷卻器來使高表面積材料的溫度下降至所需的、低於室溫的純化溫度。舉例來說，如圖3所示，基材可與熱電裝置有直接熱接觸，以容許得以小心地控制金屬基材或純化元件(亦即純化材料、介質、介質們、或其同類)的溫度。

圖5和6圖示圖表500和600，其藉由小心地並選擇性地控制金屬基材的純化溫度(亦即創造並使用冷捕捉器)而得以可辨別地經由吸附、凝聚、和/或過濾從基質流體中移除目標雜質。以圖表500和600顯示的測試結果是藉由 測量從HCl氣體移除的水氣所得到的(亦即HCl氣體作為基質流體，而水氣作為目標雜質)。此結果是藉由操作類似圖3所示的純化器300之低溫純化器、並以高表面積鎳材料作為純化器介質而得到的。參照圖5，圖表500一開始顯示以室溫純化器純化HCl，其具有0.1 ppm含量的水氣。在此試驗中15小時的時候提供使用冷捕捉器，而圖表500中所提供的結果說明純化介質或材料的效率是視冷捕捉器的操作溫度而定的。

關於本發明，當溫度從室溫降低時純化材料或介質的效率改善了，而且當溫度降低至-20℃以及之後進一步降低至約-80℃時，可以看到明顯的改善。如其所示，使用在低溫操作的冷捕捉器可以產生HCl中水氣接近0.01 ppm的結果或含量，此為藉由使用類似的、在室溫或20℃(於本案例)操作的純化材料的純化器所獲得之0.1 ppm含量的一大改善。

請注意，在一些應用中使用與室溫純化器串聯或結合的冷捕捉器可能是有利於有效移除雜質的(如圖7中所示)，或者有時室溫純化器可以被完全取代(如圖8中所示)。進一步於圖6的曲線600中顯示使用傳統在20℃操作的純化材料來移除HCl中的水氣，而這樣傳統的純化器係顯示為可以達到0.1 ppm的最終水氣效率。當將冷捕捉器與此純化器結合使用時，像是串聯地，如圖7中所示為在下游，水氣含量降低至約0.01至0 ppm。

使用低溫的或冰凍的純化器可以有許多的應用。舉例 來說，如圖7和8中所示，低溫純化器可用於半導體積體電路製造工業，於此其可作為使用點製程氣體輸送系統或管線的一部分，以純化電子級製程氣體，如此以提供超純氣體，如帶有十億分之幾或更低雜質含量的氣體。低溫純化器具有許多其他的應用，包括這些需要非常高純度流體的，以及使用傳統純化(像是在室溫或更高溫度操作純化器)很難達成目標純度的應用。

以下列表提供發明人所想像的基質流體範例，其可以本發明的低溫純化器來純化，且其帶有可被有效地從這樣的基質流體中移除之潛在雜質。

除了這些特別列出的基質氣體或流體，在此所描述的程序也傾向於從更多的基質流體中移除一個或更多的雜質：稀有氣體(像是氪、氖、和氙)、二氧化碳、二氧化氮、羰基硫、三氟化氯、鹵化的化合物包括但不限於CF₄、NF₃、CHClF₂、CClF₂CF₃、CClF₃、CHCl₂F、CH₂F₂、和CH₃F、以及胺包括但不限於三乙基胺、二甲基胺、和單乙基胺。可以此處所描述的技術處理的碳氫化合物包括但不限於丁 二烯、乙烷、乙烯、丁烷、丁烯、異丁烷、丙烷、丙烯、甲基乙炔-丙二烯(”MAP”)、以及以烷烴和烯烴安定的甲基乙炔-丙二烯混合物。有機金屬可包含三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦、及其同類。

圖7圖示裝配有依據本發明之低溫純化器750之半導體製造加工線或系統700。低溫純化器750顯示為位於線700中半導體反應器760之上游，半導體反應器760具有腔室766，像是晶圓製造腔室，而來自純化器750的純化氣體在移除雜質之後便供應或輸出至此。純化器750可以採用本描述中所討論的任一形式，像是圖1-3所示的純化器100、200、或300，如其所示，一個額外的純化器740，如由Matheson Tri-Gas,Inc.或其同類所分配的NANOCHEM® MTX^TM純化器係被裝置於純化器750的上游，而且典型地，此純化器740為傳統在室溫下操作以移除與低溫純化器750相同目標雜質的純化器。當然，也可以針對在系統700中流動的基質流體或氣體中不同的雜質來操作純化器740、750。

由純化器740、750依序處理的基質流體是由氣體櫃或供給源710所供應的。基質流體流經管路720至閥歧管箱(VMB)730，於此其以選擇的流速和壓力被提供或引導至純化器740、750。典型地，基質流體是以室溫或接近室溫從閥歧管箱730輸出。低溫純化器750包含純化介質、介質們、或材料(如參考圖1-3所討論的)，其係被選擇來移除基質流體中的一個或更多目標雜質。純化器750係操 作於低於室溫的溫度，此溫度是為了增進所含純化材料、介質、或介質們的效能而選擇的，以及為了流速和壓力與為了基質流體和目標雜質所選擇的(亦即高於基質流體於該壓力和流速下的相變化點)。

圖8圖示依據本發明裝配之另一半導體製造加工線或系統800。如其所示，系統800包括氣體櫃或供給810，用以經由管路820提供輸入的基質流體或氣體至閥歧管箱(VMB)830。VMB 830係操作來控制輸入半導體反應器860及其腔室866的基質流體流速和壓力。系統800和系統700不同之處在於其提供依據本發明之低溫純化器854作為獨立的單元或獨立的純化器，而於低於室溫操作時用以移除雜質，並輸出純化的氣體供反應器860(或其他使用點)使用。

系統800和系統700不同之處還有在於其進一步以裝置於低溫冷卻器854上游的預冷器852來控制基質流體的溫度。如參考圖1和2所討論的，預冷器852係裝置用以將來自VMB 830的基質或輸入流體從室溫(或更高溫)冷卻至等於或接近低溫純化器854的操作溫度或純化溫度之溫度。預冷的流體可處於有些高於或低於實施本發明的操作溫度之溫度(但不低於基質流體的相變化溫度點)，且預冷器852可提供純化器854中的純化介質們介質或材料很難達到的熱傳功能。於低溫純化器854下游裝置加熱器856，以使純化的氣體/流體適應輸入反應器860的腔室866的製程流體/氣體可接受之溫度，而此溫度可以是室溫，或 是另一個對反應器860(或是對於另一個使用點)的製程氣體有用的溫度。

如同習知冷藏/冷卻工業之技藝者將體會到的，本發明低溫或冷凍純化器之冷卻可以藉由許多的技術來達成，像是市面上可買到的冷卻器。冷卻技術或所選擇的冷卻器可視將流動的基質流體冷卻至目標溫度或溫度範圍所需的熱負載而定。冷卻器可以是簡單的冷藏室、或是採用Stirling冷卻器、Peltier冷卻器、渦流冷卻器、Venturi冷卻器、冷凍的冷浴、和/或其他的技藝中習知的或為此特殊使用/功能所發展的形式。一般來說，較佳地冷卻器是一個簡單的、自身包含的單元，其僅需要電能或其他即時可得的能量來以低的能量消耗驅動冷卻器，小尺寸的也時常是較佳的或需要的。在一些具體實例中，改變冷凍溫度的能力可能有助於讓不同的目標雜質、不同的基質流體(與流速和壓力)、和/或不同的純化材料、介質、或介質們(與這種冷卻純化元件之不同架構)設定純化溫度變為可能。冷卻器較佳為可將純化容器罐或容器及其內容物保持在設定的純化溫度，像是經由熱電偶或其他反饋迴路。

前面的描述僅被認為是在說明本發明的原理，此外，由於習知此項技藝之人士可立即做出各種的修飾和變化，故不需要將本發明限制於如上所述的確切結構和程序。因此，可將所有適當的修飾和等同物訴諸為落入隨後之申請專利範圍所定義之本發明的範疇。舉例來說，此論述已經強調藉由冷卻純化介質可加強的物理吸附所可能增加的功 效，但是冷卻的或低溫純化器的概念也可應用於其他雜質移除機制，其包括但不限於化學吸附、不可逆反應、沈澱、凝聚、過濾、和/或這些機制之組合。

100‧‧‧純化器或低溫純化器

110‧‧‧預冷器

112‧‧‧入口

114‧‧‧出口

118‧‧‧管路

120‧‧‧冷卻器

130‧‧‧容器罐或支撐機制

132‧‧‧入口

136‧‧‧容器罐壁

140‧‧‧純化器材料或介質

200‧‧‧純化器

210‧‧‧冷卻器

220‧‧‧預冷器階段

230‧‧‧純化階段

234‧‧‧純化器腔室或容器罐

238‧‧‧純化介質/機制

240‧‧‧加熱器

250‧‧‧再生系統或裝置

300‧‧‧純化器或冷凍純化器

312‧‧‧導管

320‧‧‧容器罐

324‧‧‧純化材料或介質

330‧‧‧冷卻器

332‧‧‧熱傳導器

334‧‧‧熱膏

336‧‧‧控制器

338‧‧‧感測器

400‧‧‧圖4的圖表

410‧‧‧曲線

500‧‧‧圖5的圖表

600‧‧‧圖6的圖表

700‧‧‧製造加工線或系統

710‧‧‧氣體櫃或供給源

720‧‧‧管路

730‧‧‧閥歧管箱

740‧‧‧純化器

750‧‧‧純化器

760‧‧‧半導體反應器

766‧‧‧腔室

800‧‧‧系統

810‧‧‧氣體櫃或供給源

820‧‧‧管路

830‧‧‧閥歧管箱

852‧‧‧預冷器

854‧‧‧低溫純化器

860‧‧‧半導體反應器

866‧‧‧腔室

圖1為本發明之純化系統或裝置之示意圖，其包含用以降低純化器容器及其內容物，例如純化器材料和機械過濾器或其同類之溫度之冷卻器；圖2為依據本發明之另一純化系統之示意圖，其與圖1類似，但具有預冷器階段，其中以與用於冷卻純化階段相同之裝置或系統提供冷卻；圖3圖示依據本發明之純化系統，其顯示用以將純化器材料之純化或過濾溫度維持在低於室溫所需的點的冷卻器之一個具體實例；圖4為說明特定純化器介質對於溫度的依賴關係之圖；圖5和6圖示關於以純化器介質在室溫和降低的或低的純化溫度下，或以冷捕捉器從HCl氣體移除水氣之測試結果；圖7圖示包括依據本發明之低溫純化器之半導體生產系統；以及圖8圖示另一與圖7所示類似之半導體生產系統，但其不具額外的純化器，而且包含一個位於低溫純化器上游的預冷器，以及一個位於低溫純化器下游的加熱器。

100‧‧‧純化器或冰凍純化器

110‧‧‧預冷器

112‧‧‧入口

114‧‧‧出口

118‧‧‧管路

120‧‧‧冷卻器

130‧‧‧容器罐或支撐機制

132‧‧‧入口

134‧‧‧出口

136‧‧‧容器罐壁

140‧‧‧純化器材料或介質

Claims (24)

1. 一種用以從基質流體移除一種或更多雜質之流體純化系統，包括：一預冷器，於第一溫度、壓力、和流速下接收該基質流體，並於低於該第一溫度之第二溫度下輸出該基質流體；一以吸附為基礎的純化器材料；一含有該以吸附為基礎的純化器材料之容器罐，該容器罐具有一用以接收來自該預冷器之基質流體之入口，及在該基質流體經該容器罐引導流經該以吸附為基礎的純化器材料之後，將該經純化之基質流體從該容器罐輸出之出口；以及一與該含有以吸附為基礎的純化器材料之容器罐之外表面熱接觸之冷卻器，藉此將該以吸附為基礎的純化器材料冷卻至0至-200℃的純化溫度。
2. 如申請專利範圍第1項之流體純化系統，其中該系統係操作用以從一基質流體中移除微量的離子液體，該基質流體包含第一含量的離子液體，而且從該容器罐的該出口輸出的該基質流體具有第二含量的離子液體，該第二含量小於該第一含量。
3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該離子液體之該第二含量約小於100ppb。
4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該純化溫度約小於-20℃。
5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該基質流體係 於一壓力與一流速下被接收至進入該容器罐之該入口，而且其中該純化溫度係高於在進入該容器罐之該入口處、該基質流體之該壓力與該流速下、該基質流體之一相變化點。
6. 如申請專利範圍第1或2項之系統，其中該預冷器將該基質流體冷卻至等於或高於該純化溫度之溫度。
7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該冷卻器提供該預冷器冷卻。
8. 如申請專利範圍第1項之系統，其更包括一與該容器罐出口互通流體之加熱器，該加熱器將從該容器罐輸出之該基質流體加熱至至少約等於室溫之溫度。
9. 如申請專利範圍第1或2項之系統，其中該以吸附為基礎的純化器材料為一高表面積材料。
10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該高表面積材料為含有燒結的、擠壓的、和/或電鍍的鎳之金屬、不銹鋼、抗腐蝕合金、和/或選擇用以移除特定一個雜質之合金。
11. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該高表面積材料包含至少一選自由絲光沸石、沸石、礬土、矽土、和碳所組成之群組之材料。
12. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該高表面積材料係塗覆有一選擇用以移除一種特定雜質之反應性物種。
13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該反應性物種為鹼金屬、鹼土金屬、或過渡金屬。
14. 如申請專利範圍第1或2項之系統，其中該基質流體包含一選自由胺、氨、氬、胂、三氯化硼、三氟化硼、 二氧化碳、一氧化碳、羰基硫(carbonyl sulfide)、氯、三氟化氯、二氯矽烷、二矽烷、鍺烷、鹵碳、鹵化化合物、氦、氫、溴化氫、氯化氫、氟化氫、甲基矽烷、氮、二氧化氮、三氟化氮、一氧化二氮、八氟環戊烯、氧、膦、稀有氣體、矽烷、四氯化矽、四氟化矽、六氟化硫、三氯矽烷、WF₆、F₂、NO、二硼烷、碳氫化合物、有機金屬、四氟化鍺、硒化氫、和三氟化磷所組成之氣體群組中之氣體。
15. 一種用以處理基質流體以移除一種或更多雜質之低溫純化器，其包括：一預冷器，於第一溫度、壓力、和流速下接收該基質流體，並於低於該第一溫度之第二溫度下輸出該基質流體；一以吸附為基礎的純化器元件，其包含一定體積之高表面積材料；一用以容納該以吸附為基礎的純化器元件之容器，該容器包含一用以接收來自該預冷器之該基質流體之入口，及一用以在該基質流體流經該以吸附為基礎的純化器元件之後輸出該基質流體之出口；以及；一與該容器之外表面熱接觸之冷卻器，其將該容器之該外表面冷卻至純化溫度，該純化溫度係選擇為低於0℃並高於於該基質流體之該壓力與流速下、該基質流體之相變化點。
16. 如申請專利範圍第15項之純化器，其中該純化溫度係在約0℃至約-200℃之範圍內。
17. 如申請專利範圍第15項之純化器，其中該容器包 含鋼管，且該以吸附為基礎的純化器元件包含一含有燒結的、擠壓的、和/或電鍍的鎳、不銹鋼、抗腐蝕合金、和/或選擇用以移除特定一種雜質之合金之金屬顆粒過濾器。
18. 如申請專利範圍第15項之純化器，其中該高表面積材料包含至少一選自由絲光沸石、沸石、礬土、矽土、和碳所組成之群組之材料。
19. 如申請專利範圍第15項之純化器，其中該冷卻器係與該預冷器熱接觸，以提供冷卻至流經該預冷器之該基質流體。
20. 一種半導體製造系統，包括一位於半導體反應器腔室上游之如申請專利範圍第15項之純化器。
21. 一種純化於特定壓力與流速下流動之基質流體之方法，包括：於該基質流體之流動路徑中提供一以吸附為基礎的純化器材料；將該以吸附為基礎的純化器材料冷卻至純化溫度，該純化溫度係選擇為在約0至-200℃之溫度範圍內並高於該基質流體於該壓力與流速下之相變化點；將該基質流體經第一引導流經預冷器階段，其中該基質流體係經冷卻至該溫度範圍之溫度；且將該基質流體經第二引導流經該以吸附為基礎的純化器材料。
22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該吸附的純化器材料包括含有至少一選自由絲光沸石、沸石、礬土、 矽土、碳、燒結的、擠壓的、和/或電鍍的金屬或金屬合金所組成之群組之材料的高表面積材料。
23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該基質流體於該預冷器階段冷卻到達之溫度約等於該純化溫度，而且其中該吸附的純化器材料之冷卻包含操作一與容納該吸附的純化器材料之容器罐之外部表面熱接觸之冷卻器，以將該容器罐之外部表面冷卻至約等於或低於該純化溫度之容器罐溫度。
24. 如申請專利範圍第21項之方法，其中於該第一引導之前，該基質流體包含大於約10ppb之離子液體量，而於該第二引導之後，該基質流體中之該離子液體量減少為小於約10ppb。