基于TRIZ 的高純電子級(jí)溴化氫防腐純化裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬建修 靖 宇 孫加臣*

（1、天津綠菱氣體有限公司，天津300457 2、天津市科學(xué)學(xué)研究所，天津300011）

隨著2017 年《“十三五”國家先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》以及2020 年《“十四五”科技創(chuàng)新規(guī)劃（征集）》的頒布與實(shí)施，我國集成電路市場(chǎng)將繼續(xù)成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)增長的引擎，超高純電子特氣成為國家重點(diǎn)研發(fā)戰(zhàn)略材料。在半導(dǎo)體制造中，電子特氣在半導(dǎo)體整個(gè)制程中至關(guān)重要。以溴化氫[1，2]作為特色電子特氣的等離子刻蝕技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)芯片先進(jìn)制造工藝中高選擇性多晶硅柵極刻蝕，是芯片先進(jìn)制程的核心氣體之一。

國內(nèi)高純電子級(jí)HBr 需求量在300 噸/年以上，然而國內(nèi)自給率幾乎為零。由于溴化氫氣體的強(qiáng)腐蝕性[3]，目前高純電子級(jí)溴化氫產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目面臨的主要問題是溴化氫氣體對(duì)設(shè)備材質(zhì)的腐蝕，亟待提高設(shè)備（如精餾塔、吸附柱、管道閥門等）的耐腐蝕性，以確保安全穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)高純分離任務(wù)。

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）[4]的核心是消除矛盾及技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的原理，并建立基于知識(shí)消除矛盾的邏輯化方法，用系統(tǒng)化的解題流程來解決矛盾。因此，本文擬采用TRIZ 理論，對(duì)高純電子級(jí)溴化氫的產(chǎn)業(yè)化面臨的設(shè)備腐蝕技術(shù)難題進(jìn)行求解，總體目標(biāo)為擬實(shí)現(xiàn)高純電子級(jí)溴化氫生產(chǎn)線100 噸/年的安全運(yùn)行，產(chǎn)品純度為99.999%（5N）。

1 發(fā)明問題解決理論（TRIZ）

TRIZ 理論中可采用的解決工具包括40 條發(fā)明原理、76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)數(shù)據(jù)庫等。TRIZ 理論作為一種發(fā)明創(chuàng)新問題的有效理論工具[5]，在各領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)和管理等方面都有著廣泛的成功應(yīng)用。

TRIZ 的核心策略是對(duì)問題進(jìn)行合理系統(tǒng)分析，科學(xué)解決系統(tǒng)中的沖突，針對(duì)不同的問題采用相應(yīng)的工具分析解決，最終來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。

2 高純電子級(jí)溴化氫防腐純化設(shè)備創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)狀背景

高純電子級(jí)溴化氫的分離純化工藝主要采用精餾與吸附的方法。其中涉及的純化設(shè)備有精餾塔、吸附柱、分析儀器、管道、閥門、儀表等。溴化氫的pKa=-9，具有極強(qiáng)的腐蝕性，是同系列氯化氫腐蝕性的100 倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]表明，溴化氫中的雜質(zhì)水含量在1ppm 以上時(shí)，可以迅速形成水合物，并加速電離，對(duì)常用的碳鋼、不銹鋼等設(shè)備材質(zhì)加速腐蝕，工藝裝置的安全性與可靠性面臨極大的威脅。此外，設(shè)備的腐蝕也會(huì)帶來金屬離子被吹至高純溴化氫中，使下游芯片制造過程中造成芯片損傷與缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)臺(tái)污染和生產(chǎn)停線。

2.2 問題分析

針對(duì)高純電子級(jí)溴化氫純化系統(tǒng)，利用TRIZ 分析方法進(jìn)行元件、功能模塊的識(shí)別。為了確保耐腐蝕裝置的穩(wěn)定安全，將設(shè)備材質(zhì)作為重點(diǎn)分析對(duì)象，系統(tǒng)中直接接觸溴化氫的各元件都需要采取耐腐蝕措施，具體包括減壓器、吸附器、過濾器、精餾塔、接觸式傳感器（如溫度計(jì)）、汽化器、成品罐、壓縮機(jī)與相應(yīng)的輸送管道，如圖1 所示。

針對(duì)高純溴化氫純化裝置的腐蝕問題，采用TRIZ 理論中的重要工具——沖突解決理論。按傳統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中的折衷法，沖突并沒有徹底解決，而是在沖突雙方取得折衷方案，或稱降低沖突的程度。TRIZ 理論認(rèn)為，技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志是解決或移走技術(shù)設(shè)計(jì)中的沖突，而產(chǎn)生新的有競(jìng)爭(zhēng)力的解[6]。具體的沖突分析歸納如下：

圖1 功能性分析模型

對(duì)問題進(jìn)行沖突描述，即為了提高系統(tǒng)的“抗腐蝕能力，減少金屬離子”，我們需要用“金、鉭等貴金屬耐腐蝕材質(zhì)”，但這樣做由于“稀有貴金屬非常稀缺且價(jià)格非常昂貴，系統(tǒng)幾乎無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)”。隨后轉(zhuǎn)換成TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突描述，即改善的參數(shù)：提高抗腐蝕能力，提高耐酸特性；惡化的參數(shù)：成本昂貴，加工制造工藝難度大，強(qiáng)度低。

應(yīng)用TRIZ 的39 個(gè)通用工程參數(shù)[7]來描述技術(shù)沖突的沖突矩陣找到相應(yīng)的發(fā)明原理，列于表1 中。

表1 構(gòu)造的溴化氫腐蝕設(shè)備的問題沖突矩陣分析表

通過沖突矩陣分析，對(duì)沖突描述進(jìn)行優(yōu)化與重新解析，即沖突描述為了“提高純化設(shè)備的抗腐蝕強(qiáng)度”，需要參數(shù)“材質(zhì)”為抗腐蝕能力“強(qiáng)”，但又為了“降低成本”，需要參數(shù)“材質(zhì)用量”為“少”，即設(shè)備材質(zhì)這一參數(shù)既要“強(qiáng)”又要“少”。具體的改善參數(shù)有35 適應(yīng)性及多用型、27 可靠性、11 應(yīng)力或壓強(qiáng)；惡化的參數(shù)有30 物體產(chǎn)生的有害因素、17 溫度、14 強(qiáng)度。通過沖突矩陣分析得到對(duì)應(yīng)的4 條發(fā)明原理進(jìn)行求解，分別是No2 分離、No27 低成本、No7 套裝、No40 復(fù)合材料。

2.3 問題解決

對(duì)應(yīng)沖突解應(yīng)遵循的4 條發(fā)明原理，作者采用技術(shù)沖突和物理沖突的求解方法，也應(yīng)用TRIZ 理論的物質(zhì)- 場(chǎng)分析（并利用76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解）、裁剪工具進(jìn)行了問題求解的補(bǔ)充。

2.3.1 技術(shù)沖突的求解

（1）依據(jù)“No.2 分離”發(fā)明原理，得到解：

含水的溴化氫腐蝕性極強(qiáng)，為了控制（減少）金屬離子含量，降低設(shè)備成本，系統(tǒng)先除去溴化氫中的水分，降低了含水溴化氫對(duì)設(shè)備的腐蝕，控制了金屬離子含量。這里采用吸附劑脫水的辦法，預(yù)先將原料粗溴化氫中的水盡可能脫除，使溴化氫腐蝕性降低再進(jìn)入純化系統(tǒng)，減少對(duì)設(shè)備的腐蝕。

（2）依據(jù)“No.27 低成本”發(fā)明原理，不耐用的物體代替昂貴、耐用的物體，得到解：

溴化氫具有強(qiáng)腐蝕性，為了降低設(shè)備成本，系統(tǒng)針對(duì)不同的部位，針對(duì)不同的設(shè)備、耐壓強(qiáng)度，選用不銹鋼、哈氏合金、純鎳材質(zhì)或者襯氧化鉻、襯鎳復(fù)合材料，降低設(shè)備成本。

（3）依據(jù)“No.7 套裝”發(fā)明原理，得到解：

成品在存放和充裝時(shí)需要不同的溫度，在成品罐內(nèi)部加裝降溫盤管，在成品罐外部加裝加熱夾層，達(dá)到存放和充裝目的。

（4）依據(jù)“No.40 復(fù)合材料”發(fā)明原理，得到解：

為了提高純化設(shè)備材料的耐腐強(qiáng)度，增強(qiáng)設(shè)備耐壓強(qiáng)度，降低材料成本，采用氧化鉻或鎳內(nèi)襯不銹鋼的復(fù)合材料。

圖2 HBr 防腐純化裝置的解決方案——預(yù)先脫水與采用耐腐蝕材質(zhì)

圖3 HBr 防腐純化裝置的解決方案——功能組合與貴金屬作內(nèi)襯

2.3.2 物理沖突的求解

（1）依據(jù)“No3 局部質(zhì)量”發(fā)明原理，得到的解：

為了達(dá)到耐溴化氫的腐蝕設(shè)備內(nèi)部采用襯鎳的復(fù)合材料，但鎳的強(qiáng)度較差，容易發(fā)生應(yīng)力失效，造成承壓后破裂，為了增加設(shè)備的壓力強(qiáng)度復(fù)合材料可同時(shí)鍍鉻，同時(shí)外襯足夠厚的不銹鋼材料。

（2）依據(jù)“No27 低成本”發(fā)明原理，得到的解：

對(duì)設(shè)備不耐腐蝕部分若采用昂貴的鉭、金等貴金屬，成本無法接受。因此，采用內(nèi)襯氧化鉻或鎳加工的辦法，使成本能夠接受。

（3）依據(jù)“No5 合并”發(fā)明原理，得到的解：

在純化系統(tǒng)中，提高抗腐蝕性避免液相聚集，需要汽化和緩沖，但可能同時(shí)帶來對(duì)外污染的可能。為了減少污染，將汽化器和緩沖罐合并，改裝成品罐。（4）依據(jù)“No6 多用性”發(fā)明原理，得到的解：

合并汽化器和緩沖罐改裝為成品罐后，可能對(duì)后續(xù)產(chǎn)品到鋼瓶的充裝造成操作不方便。因此進(jìn)一步對(duì)成品罐進(jìn)行改造，使其具有降壓、升壓的功能，既可以接收成品，又可以存儲(chǔ)成品，還可以充裝成品。

2.3.3 物質(zhì)- 場(chǎng)分析求解

物場(chǎng)分析法是指通過分析技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成要素間相互關(guān)系、相互作用而導(dǎo)致技術(shù)創(chuàng)造的一種方法[8]。

設(shè)備腐蝕的問題中，具有表面處理耐腐蝕晶象結(jié)構(gòu)的材料作為物質(zhì)，溴化氫中起腐蝕決定性因素的雜質(zhì)環(huán)境作為場(chǎng)，根據(jù)所建問題的物質(zhì)- 場(chǎng)模型，如圖4 所示，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為：No. 1.1.2 如果系統(tǒng)中已有的對(duì)象無法按需改變，可以引入一種永久的或者臨時(shí)的內(nèi)部添加物，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。

依據(jù)選定的No. 1.1.2 標(biāo)準(zhǔn)解，溴化氫純化系統(tǒng)不能改變，但允許添加內(nèi)部附加成分（耐腐蝕材質(zhì)）以提高設(shè)備耐腐蝕性能。在關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部添加鍍鉻與鎳（控制物質(zhì)），對(duì)原料中痕量的水預(yù)先進(jìn)行脫除，才能進(jìn)純化設(shè)備（控制場(chǎng)），從而增強(qiáng)純化設(shè)備對(duì)溴化氫的腐蝕，也控制了金屬離子雜質(zhì)的產(chǎn)生。

圖4 HBr 防腐裝置創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的物質(zhì)- 場(chǎng)分析

2.3.4 裁剪工具求解

圖5 利用裁剪工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化

TRIZ 的裁剪法是結(jié)合功能分析、資源分析、物場(chǎng)分析等多種工具，來分析和解決技術(shù)問題，是降低成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)的重要工具[9]。根據(jù)問題的求解過程中的冗余項(xiàng)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到的標(biāo)準(zhǔn)解為：為了減少污染，降低系統(tǒng)成本，運(yùn)用壓差原理充裝溴化氫成品，對(duì)成品罐采用套裝原理進(jìn)行改裝，增加內(nèi)部冷卻和外部加熱裝置，將過剩元件去除，如圖5。

2.4 創(chuàng)新方案

綜合采用技術(shù)沖突、物理沖突、物質(zhì)- 場(chǎng)分析和裁剪工具方法，針對(duì)高純電子級(jí)溴化氫面臨的設(shè)備強(qiáng)腐蝕的難題，獲得了創(chuàng)新性的解決方案列于表2 中，最終優(yōu)化后的高純電子級(jí)溴化氫純化系統(tǒng)如圖6。

表2 基于TRIZ 的溴化氫防腐純化裝置創(chuàng)新方案表

綜上所述，既要提高設(shè)備的腐蝕性，又要考慮企業(yè)投資成本，基于沖突分析和求解，得到的解決方案為采用吸附劑對(duì)溴化氫中的水分離，減少對(duì)設(shè)備的腐蝕；選用比金、鉭價(jià)格便宜的鉻、鎳做為設(shè)備抗腐蝕材料；為了降低成本，提高設(shè)備壓力，采用鉻鎳層不銹鋼復(fù)合材料；運(yùn)用套裝原理對(duì)成品罐改造，使其既可加熱，又可降溫；為了減少污染，將汽化器和緩沖罐合并，改裝成品罐；對(duì)成品罐進(jìn)行改造，使其既可儲(chǔ)存產(chǎn)品，也可充裝產(chǎn)品。

3 結(jié)論

針對(duì)高純電子級(jí)溴化氫對(duì)設(shè)備強(qiáng)腐蝕的難題，運(yùn)用TRIZ 方法，總結(jié)性的得到了6 個(gè)具有強(qiáng)可用性的方案。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了含有抗腐蝕性材質(zhì)的裝置，優(yōu)化了工藝系統(tǒng)，改進(jìn)了純化裝置的結(jié)構(gòu)，使之能夠完成溴化氫體系的大規(guī)模分離任務(wù)。

圖6 最終通過優(yōu)化評(píng)估的系統(tǒng)