فرایند لایه نشانی و افزایش خلوص گازهای نجیب

مطابق با علم شیمی، ۶ گاز نجیب وجود دارند که عبارتند از هلیوم، نئون، آرگون، زنون، کریپتون و رادون. این گازها که به آن ها گازهای بی اثر نیز می گویند، از نظر شیمیایی واکنش پذیر نیستند و فقط این خاصیت “بی اثر بودن“ شیمیایی است که باعث می شود این گازها برای سیستم های بسیار واکنشی با ارزش باشند. در مقابل، گازهایی وجود دارند مثل هیدروژن(H)، اکسیژن(O) و نیتروژن(N) که به راحتی با عناصر دیگر واکنش نشان می دهند و فقط در دمای اتاق بی اثر هستند زیرا مولکول های دیاتومیک پایدار O۲،H۲ و N۲ را تشکیل می دهند.

در اغلب سیستم های لایه نشانی، کاربر بدون اطلاع از حضور گازهای پس زمینه (اکسیژن، بخار آب و هیدروژن) اقدام به لایه نشانی مواد مختلف می نماید و ممکن است به نتیجه دلخواه خود از لایه نشانی دست پیدا نکند. در صورتی که از پمپ های توربومولکولار یا کرایو استفاده شود این مشکلات در فرآیند لایه نشانی کمتر می شوند اما از بین نمی روند.

حتی با استفاده از گازهای با خلوص فوق العاده بالا، ممکن است آلودگی هایی وجود داشته باشد که اثر منفی بر عملکرد کروماتوگرافی گاز، خواص لایه نشانده شده و در نهایت لایه نشانی، می گذارد. برای جلوگیری از این امر، سیستم های مدیریت/ تحویل گاز باید دارای مؤلفه هایی باشند که برای از بین بردن این آلاینده های آسیب زا طراحی شده باشند تا در مصارفی چون فرآیند لایه نشانی مورد استفاده قرار گیرند. نصب دستگاه های تصفیه گاز، تنها روش مطمئن برای تضمین عدم وجود آلودگی در گاز مورد استفاده، می باشد. دستگاه های تصفیه گاز برای حل مشکل آلودگی های موجود در گازهای نجیب، به صورت متنوعی در بخش های مختلف صنعتی گسترش یافته اند. تصفیه گازها با استفاده از فن آوری کاتالیزوری و جذب روی غربال مولکولی انجام می پذیرد. غربال های مولکولی، مواد بلوری با منافذ و ابعاد ملکولی هستند که امکان عبور ملکول های با اندازه کمتر از ابعاد مشخص را فراهم می آورند. تصفیه کننده های ستونی گازهای نجیب دسته ای از سیستم های تصفیه گاز هستند که برای حذف ناخالصی ها در حد PPM طراحی و ساخته شده اند.

نمونه ای از تصفیه کننده های گاز های نجیب

استفاده از این تصفیه کننده ها قبل از ورود گاز آرگون به محفظه خلاء در فرایند لایه نشانی، موجب بهبود کیفیت لایه نشانده شده و لایه نشانی، خواهد شد. در شکل زیر تاثیر استفاده از تصفیه کننده در فرایند جوشکاری نشان داده شده است.

این سیستم ها معمولا گاز ورودی با خلوص ۹۹.۹ درصد (ناخالصی ۱۰۰۰ PPM) را دریافت می کنند و مقدار ناخالصی ها را به کمتر از ۱۰ PPM می رسانند یعنی خلوص ۹۹.۹۹۹%.

قیمت این سیستم ها که معمولا دو ستونی(برای حذف چند آلاینده) یا تک ستونی هستند حدود ۳۹۶ تا ۸۹۶ دلار است.

در فرآیندهای مختلف شیمیایی و متالورژی و همچنین در زمینه های الکترونیکی و هسته ای از جمله سیستم های لایه نشانی، نیاز در حال رشدی، به گازهای بی اثر(نجیب) با خلوص بالا شکل گرفته است. در تحقیقات آکادمیک استفاده از مواد سمی با واکنش پذیری بالا مثل فلز اورانیوم و کاربیدهای اورانیوم، نیاز به استفاده از گازهای نجیب با درجه خلوص بالا را افزایش داده است. آلاینده های اصلی که باید در گازهای نجیب تجاری مورد توجه قرار گیرد عبارتند از: اکسیژن، نیتروژن و بخار آب. در موارد نادری هیدروژن، بخارهای آلی یا بخارهای اسیدی نیز باید در نظر گرفته شوند. روش های مختلفی برای از بین بردن این آلودگی ها تاکنون به کار برده شده است. فرآیندهای متداول برای تصفیه گازهای نجیب به طور کلی در دو دسته تقسیم می شوند: فرایندهای شیمیایی و فیزیکی.

در روش شیمیایی واکنش های شیمیایی جامد-گاز مانند استفاده از گیرنده فلزی، برای از بین بردن اکسیژن یا نیتروژن، و فرآیندهای کاتالیزوری مانند ترکیب کاتالیزوری اکسیژن و هیدروژن روی آزبست پالادیزه، مورد استفاده قرار می گیرند. فرآیندهای فیزیکی شامل جذب فیزیکی، تبرید و تقطیر دمای پایین است. در اولین تولید واقعی گاز آرگون توسط Ramsay در سال ۱۸۹۴ از مس گرم شده برای از بین بردن اکسیژن و سپس منیزیم گرم شده برای از بین بردن نیتروژن استفاده شد. از آن زمان مطالعات زیادی انجام شده است، و روشی که برای از بین بردن اکسیژن و نیتروژن استفاده می شود، استفاده از واکنش های جذب فلز است. جدول زیر مطالعات گذشته در مورد تصفیه گازهای نجیب با استفاده از گیرنده های مختلف فلزی را به صورت خلاصه نمایش می دهد. اثر بخشی فلزات مختلف برای از بین بردن ناخالصی ها در شرایط فیزیکی کنترل شده مانند اندازه ذرات، دمای واکنش و سرعت جریان گاز، موضوعات اصلی بسیاری از تحقیقات بوده است.

از جمله روش های فیزیکی تصفیه گازهای نجیب، روش تقطیر کنترل شده، است. از لحاظ عملکرد این روش نیاز به کنترل دقیق دمای واحد تقطیر دارد که بخش بزرگی از واحد پردازش شرکت های تولید کننده گازهای نجیب را به خود اختصاص می دهد و سیستم های مورد نیاز این روش بسیار حجیم و جاگیر هستند.

روش فیزیکی بعدی، روش نفوذ است. نفوذ و عبور از طریق یک سد مثل کوارتز گرم شده،  به شدت برای گازهای با جرم اتمی کم توسعه یافته است و در نتیجه این روش تقریبا فقط در مورد هلیوم انجام می شود که برای حذف هیدروژن از آن استفاده می شود. هزینه این فرایند کم است. این فرایند به علت اینکه فقط به هلیوم محدود می شود خیلی مناسب نمی باشد.

روش جذب شیمیایی که جهت تصفیه گازهای نجیب انجام می پذیرد، روش ساده ای است که شامل واکنش شیمیایی یک گاز با سطح یک جامد است و با نفوذ گاز به درون جامد و همچنین تخلخل جامد تقویت می شود. جذب شیمیایی به دو کلاس سنتی تقسیم می شود: فرآیند جذب فیزیکی، که در آن پیوند شیمیایی گاز به دیواره های سطح جاذب، ضعیف و منظم، است و جذب شیمیایی با معنی متداول.

فرآیند جذب فیزیکی، اثربخشی زائولیت، ذغال فعال و سایر مواد به اصطلاح الک مولکولی را شامل می شود. این ترکیبات به دلیل داشتن ساختار مشبک کریستالی باز، دارای تخلخل زیاد و کانال های طولانی هستند. این ترکیبات متخلخل مساحت زیادی را برای پیوند شیمیایی ضعیف گاز واکنش پذیر فراهم می کنند. به دلیل پیوند شیمیایی ضعیف، ماده جذب شده باید تا دمای کرایوژنیک سرد شود تا قدرت جاذب آن بهبود یابد. در نتیجه، گازهای بی اثر نیز غالباً “پمپ“ می شوند، زیرا گاز در سطح ماده مایع می شود. از آنجا که گاز بی اثر “پمپ می شود“ راندمان حذف گازهای واکنشی کاهش می یابد. علاوه بر این، پیوند شیمیایی ضعیف به آلاینده ها اجازه می دهد تا در محیط دما بالا یا خلاء بالا دچار “Out Gassing” شده و مجدد به محیط باز گردند.

به طور کلی فرایند جذب فیزیکی یا الک مولکولی، نوعی از فرایند تقطیر است با این تفاوت که سیستم های تصفیه کننده ای که از این مکانیزم استفاده می کنند نسبت به سیستم هایی که فرایند تقطیر را انجام می دهند، حجم کمتری اشغال می کنند اما با بالا رفتن دمای فرایندی که گاز در آن دخیل است، خلوص کمتری نسبت به گاز تصفیه شده به روش تقطیر دارند.

دسته آخر سیستم هایی هستند که از فرایند جذب شیمیایی استفاده می کنند. که در آن ها بین آلاینده ها و سطح جامد، پیوند شیمیایی قوی شکل می گیرد. بزرگ ترین اشکال در فرایند جذب شیمیایی این است که مخصوص گازهای واکنش پذیر متفاوت است. هر جاذب شیمیایی به خوبی با بعضی از گازها واکنش نشان می دهد و با دیگر گازها واکنش خوبی ندارد. علاوه بر این، برای بعضی از گازها نسبت به سایرین “برگشت پذیر“ است.

پایان عمر مفید جاذب های شیمیایی تحت عنوان نقطه شکست بیان می شود. این نقطه معمولا در شرایطی که فشار ناخالصی ها از یک حد مجاز فراتر می رود تعیین می شود.

عمر مفید جاذب بخار آب مورد استفاده در تصفیه کننده گاز نجیب

عمر مفید جاذب اکسیژن  مورد استفاده در تصفیه کننده گاز نجیب

جاذب های شیمیایی که به صورت متداول استفاده می شوند عبارتند از فلزات قلیایی، اورانیوم، مس، تیتانیوم و دیگر فلزات واسطه. فلزات قلیایی مثل کلسیم از مدت ها قبل در سیستم های Glove box استفاده می شده اند. آن ها در دمای اتاق واکنش پذیری خوبی با O۲، Co۲ ، H۲O و Co دارند اما راه اندازی واکنش کار سختی است.

همانطور که در بالا نیز به آن اشاره شد، افزایش خلوص گازهای نجیب در سیستم های لایه نشانی و فرآیند لایه نشانی بسیار حائز اهمیت است. در سیستم های لایه نشانی در خلاء، به منظور کاهش میزان اکسیژن موجود در محفظه خلاء می توان گاز آرگون شامل ۵ درصد هیدروژن استفاده کرد تا پس از ترکیب با اکسیژن موجود در محفظه به صورت بخار آب پمپ شود.

در صورت تمایل به مطالعه بیشتر در این زمینه به منابع زیر مراجعه نمایید:

1. THE PURIFICATION OF INERT GASES TO HIGH PURITY, R. T. Payne, Ph. D., R. D. MATHIS COMPANY.
2. Purification of Inert Gas, Keiji NAITO , Toshihide TSUJI , Tsuneo MATSUI & Katsumi UNE, ۱۰.۱۰۸۰/۱۸۸۱۱۲۴۸.۱۹۷۴.۹۷۳۰۶۰۸.
3. https://shop.pall.com/us/en/microelectronics/semiconductor/process–gas–purification/gaskleen–ii–gas–purifier–zidgri۷۸m۰۰