具有单块碳吸附剂的气体储存和分配系统的制作方法

专利名称：具有单块碳吸附剂的气体储存和分配系统的制作方法
具有单块碳吸附剂的气体储存和分配系统本申请是申请日为2003年12月4日、申请号为200380105594.2的中国国家申请的分案申请。发明领域本发明总体上涉及气体储存和分配系统，具体涉及利用单块碳吸 附剂作为气体储存介质的这类系统。相关技术描述Tom等美国专利5,518,528中公开的基于物理吸附剂的气体储存 和分配系统已使半导体工业彻底改变了有毒气体的运输，供应和使用。 该系统包括容器，用于储存诸如分子筛或活性碳等的物理吸附剂，对 气体具有吸着亲和性，所述气体一定储存在容器中并从中选择性分配。相对于以"自由"(未吸附)状态储存等量气体的相应空(吸附剂) 容器，气体以吸附状态、减压下储存在容器中的吸附介质上。通过这样的减压储存，气体储存和分配操作的安全性基本上得以 提高，这是因为任何泄漏都会导致气体相对于常规高压气体储存气缸 以非常低的速率向周围环境外漏。此外，由于减压降低了对诸如阀门， 流量控制器，连结器，接头等的系统组件的压力和磨损，基于吸附剂 的系统的低压操作与这种气体泄漏事件的更低可能性相关。在这种基于吸附剂的气体储存和分配系统中，物理吸附剂介质的 工作容量在操作中是限制条件。工作容量为可储存("负载")在吸 附介质上并且从这种吸附介质脱吸附性去除备用的气体量。工作容量 为含吸附介质的气体储存容器中气体储存压力，吸附气体的分配条件 (例如，当压差用于实现解吸附时的脱吸附气体的分配压力，以及当 气体的热脱吸附用作分配形式时的各自储存和分配条件的温度)，与 吸附介质自身的类型和特征(例如，包括诸如吸附介质大小，形状， 孔隙度，孔径分布以及内孔通道的曲率)的函数。本领域继续寻求对基于物理吸附剂的气体储存和分配系统的工作 容量进行改进。发明概述本发明涉及基于物理吸附剂的气体储存和分配系统，以及涉及工 作容量改进的这种系统。一方面，本发明涉及流体储存和分配装置，包括具有内部容积的 流体储存和分配容器，其中内部容积含有物理吸附剂，其上吸附性保 持流体并从中可脱吸附流体用于自容器分配，以及含有与容器耦合的 分配组件，用于自容器分配脱吸附的流体，其中物理吸附剂包括单块 碳物理吸附剂，其特征在于至少一种如下特征:(a) 25'C和650托压力下对胂气测量的填充密度大于400 g胂/升吸 附剂；(b) 所述吸附剂中至少30%的总孔隙包含裂缝形状的孔，孔径范围 为约0.3到约0.72 nm，以及至少20%的总孔隙包含直径<2 nm的微孔； 以及(c) 已在温度低于IOO(TC下，通过热解和任选活化形成，并且容积 密度为约0.80到约2.0 g/cm3。本发明的另一方面涉及用于气体储存和分配系统中的单块吸附剂的制备方法，所述方法包括将可热解材料铸模成单块形状；以及在 产生单块吸附剂的热解条件下，热解可热解材料，所述单块吸附剂的 特征在于至少一种如下特征(a)25'C和650托压力下对胂气测量的填充密度大于400 g胂/升吸 附剂； (b) 所述吸附剂中至少30%的总孔隙包含裂缝形状的孔，孔径范围为约0.3到约0.72 nm，以及至少20%的总孔隙包含直径<2 nm的微孔； 以及(c) 容积密度为约0.80到约2.0 g/cm3，其中上述热解条件包括温度 低于IOO(TC。本发明进一步方面涉及储存和分配气体的方法，包括制作气体 储存和分配容器；在容器中布置对所述气体具有吸附亲和性的物理吸 附剂；向所述容器中充气以吸附于物理吸附剂上；用含有可致动阀的 阀头密封容器，以装入物理吸附剂和吸附的气体并将它们与容器的外 部环境隔离；从物理吸附剂中脱吸附吸附的气体，并且致动阀头中的 可致动阀门，以使气体从容器中流出，并穿过可致动阀门，用于气体 分配；其中物理吸附剂的特征在于至少一种如下特征(a) 25t:和650托压力下对胂气测量的填充密度大于400 g胂/升吸 附剂；(b) 所述吸附剂中至少30%的总孔隙包含裂缝形状的孔，孔径范围 为约0.3到约0.72 nm，以及至少20%的总孔隙包含直径<2 rnn的微孔； 以及(c) 容积密度为约0.80到约2.0g/cm3，其中所述热解条件包括温度 低于IOOO'C。本发明的其他方面，特征和实施方案从随后的公开内容和所附的 权利要求书中会变得一目了然。附图简述

图1对Kureha 578-66-6珠活性碳(数据点以实体菱形标记)， TakachihoABF 14-03微粒活性碳(数据点以实体方形标记)，以及形 成自聚偏二乙烯氯聚合物的碳(Saran A， Dow Chemical Co.)(数据点以空心三角形标记)示出每升碳吸附的磷化氢(PH3)的重量克作为压力值(托)的函数。
图2对Kureha 578-66-6珠活性碳(数据点以实体菱形标记)以及 形成自聚偏二乙烯氯聚合物的碳(Saran A， Dow Chemical Co.)(数据点 以空心三角形标记)示出每升碳吸附的胂(AsH3)的容积(cm"作为压力值 (托)的函数。图3示意性表示本发明一个实施方案的利用单块吸附剂的储存和 传递系统。图4为本发明另一实施方案的利用单块吸附剂的长方体流体储存 和分配容器的透视图。图5对Kureha 578-66-6珠活性碳(数据点以实体菱形标记)以及 形成自聚偏二乙烯氯聚合物的碳(Saran A, Dow Chemical Co.)(数据点 以实体方形标记)示出每升碳吸附的三氟化硼(BF3)的重量(g)作为压力 值(托)的函数。发明详述及其优选实施方案本发明基于下列发现基于物理吸附剂的流体储存和分配装置可 以利用其中具有单块碳吸附材料的流体储存和分配容器进行制作，令人惊奇和预料之外的效果是气体在吸附剂上的吸附和脱吸附的性质和 程度，物理吸附剂介质在容器中可实现的填充密度，以及包含这种容 器的流体储存和分配装置在半导体制作过程中的效用。由此，本发明相对于Tom等在美国专利No. 5,518,528中所述类型 的基于吸附剂的气体储存和分配系统取得了实质性进展，所述系统在 Tom以前一直使用细分形式的物理吸附剂介质，诸如所谓的珠活性碳。 根据本发明，当活性碳不是以珠形或微粒形，而是以单块形式的特征 提供时，气体储存和分配系统可显著改进其工作容量。通过使用单块形式的活性碳，相对于现有技术中使用的细分形式， 可实现的改进水平是高度预料之外的，并且当气体储存和分配容器的 形状与单块吸附剂相符时，甚至是令人惊奇地提高。
例如，当容器优选为立方体或其他长方体形状，与共同提交的美国专利申请No.10/314,777的公开内容一致，该申请于200年12月以 Dennis Brestovansky, Michael J. Wodjenski, Jose I. Arno 禾口 J. D, Carruthers的名义提交，发明名称为"长方体流体储存和分配系统"， 使用形状相符的单块相对于现有技术使用同样"覆盖区"和容器内容 积的气体储存气缸、填充有珠活性碳的系统可增加基于物理吸附剂的 气体储存和分配系统的工作容量至少85%。通过背景途径解释在基于物理吸附剂的流体储存和分配装置的长 方体构型容器中，优选包装本发明的单块物理吸附剂带来不曾预料到 的效果，最初认为对基于物理吸附剂的流体储存和分配系统采用长方 体构型似乎是高度不利的，这是因为(i)长方体容器有六个面，如果 容器的各个面都是单独部件，则需要制作12条焊缝线(与之相反，圆 柱容器形成自管状轧制钢料无需接缝)；(ii)与(i)一致，长方体构型容 器的制作成本预计大大高于相应的圆柱容器；(iii)长方体构型在相邻垂直取向的壁的接合处包括"尖"角，这可能在接合线处形成空隙，其 中相对于对应的圆柱几何容器(无这样的角落，相反是最小横截面的 形状，在容器内容积中环绕物理吸附材料的床)，吸附剂床将不"填 充"角落；以及(iv)相对于"无缝"圆柱容器，两个垂直壁彼此间的交 叉线产生接缝，易于受到指向其上压力或力的破坏。然而，现已确定长方体构型导致容器在相邻壁的交叉线处靠近接 缝的地方的确具有填充较不紧密的吸附剂床区域，但是这种较低密度 吸附剂床区域与其说是个缺点，实际上还不如说是优点，因为有气流 传导更高的通道用于间隙脱吸附或未吸附的气体流出吸附剂床的填充 容禾只(bulk volume)。进一步，恰好由于圆柱容器的横截面面积构型最小，外接壁面的 围周程度最小，从而使"呈递"给圆柱容器壁的吸附剂的量最大化。 反过来考虑，以吸附剂床为界(与吸附剂床相邻)的壁的围周程度在 横截面上，长方体构型比圆柱容器大得多。由此，长方体构型能从该 容器中比从相应大小的圆柱容器中泄漏出更高体积的气体，这是因为 以吸附剂床为界的壁表面其特征是非吸附性的，并且按比例在吸附剂 床的外缘，长方形构型容器比圆柱容器有更多的壁表面。结果，在其 从吸附剂介质中首先脱吸附释放之后，壁区域处脱吸附气体比吸附剂 床的内部部分中脱吸附气体的重吸收更少。为此，长方体容器构型对保持本发明单块形式的物理吸附剂具有 特殊的效用。如本发明所用的"单块"表示吸附剂介质为单式，块样形式，例 如，块，砖，盘，宝石等形式，与此对比不同的是，常规细分形式诸 如珠，微粒，细粒，小球等， 一般采用床的形式，包括多个这样的珠， 微粒，细粒，小球等。因此，在多个细分物理吸附剂成分的床形式中， 活性吸附剂的空隙体积随着吸附剂粒子的尺寸，形状和填充密度而在 主要部分间隙或粒间特征上相应发生变化。相比之下，在单块形式中， 活性吸附剂的空隙体积处于吸附材料固有的孔隙度和空隙形式，所述空隙在其加工过程中也许己形成于散粒吸附剂体(bulk sorbent body) 中。本发明一方面涉及流体储存和分配装置，包括具有内部容积的流 体储存和分配容器，其中内部容积含有物理吸附剂，其上吸附性保持 流体并从中可脱吸附流体用于自容器分配，以及含有与容器耦合的分 配组件，用于自容器分配脱吸附的流体，其中物理吸附剂包括单块碳 物理吸附剂，其特征在于至少一种如下特征(a) 25。C和650托压力下对胂气测量的填充密度大于400 g胂/升吸 附剂；(b) 所述吸附剂中至少30%的总孔隙包含裂缝形状的孔，孔径范围 为约0.3到约0.72 nm，以及至少20%的总孔隙包含直径<2 nm的微孔； 以及 (c)已在温度低于iooor下，通过热解和任选活化形成，并且容积密度为约0.80到约2.0 g/cm3。单块吸附剂的形式可为单个单块吸附剂物件，也可为多个单块吸 附剂物件。吸附剂被合适地成型与容器的内部容积相符，在所述容器 中布置有吸附剂，并且吸附剂优选占至少60%的容器内部容积，例如， 75-95%的内部容积。尽管本发明下文将更充分讨论单块吸附剂保持在 优选的长方体形状的容器中，但应理解的是，本发明并不限于此，其 他容器形状和构型也可利用，例如，圆柱形容器，桶形容器，截头圆 锥体形容器等。 '单块吸附剂可制备成有机树脂的热解产物，更通常形成自任何合 适的可热解材料，诸如，聚偏二乙烯氯，酚甲醛树脂，聚糠基醇，椰 子壳，花生壳，桃核，橄榄石，聚丙烯腈，和聚丙烯酰胺。吸附剂形 成在流体储存和分配容器中，其中流体被原位保存用于随后的分配， 或者吸附剂形成后再导入流体储存和分配容器中。在一个实施方案中， 吸附剂中有至少20%的孔隙孔径小于2 nm。吸附剂提供在流体储存和分配容器中作为多个单块吸附剂物件， 其聚集在一起构成吸附剂团。在这种多个单块物件安排中，多个离散 单块吸附剂物件各自具有的长度为容器内部容积高度的0.3-1.0倍，而 横截面面积为容器长方形横截面面积的0.1-0.5倍。多个离散单块物件 各自具有长方体形状或替代的圆柱形状或其他合适的形状。在流体储存和分配容器的内部容积中，离散单块物件可横向和/或纵向邻接以表 面接触于附近的单块构件。在一个实施方案中，多个离散单块物件各 自的长度与横截面面积之比L/D为约2至约20，例如，在约4至约15 的范围内，其中L为单块碳吸附剂物件的长度或长轴尺寸，而D为横 向或短轴尺寸。在另一实施方案中，单块吸附剂物件具有圆盘形状， 高度与直径之比H/D为约0.10至约0.80。
流体储存和分配容器中的流体吸附性保留于吸附剂上，并在合适 的脱吸附条件下脱吸附用于分配流体，其可以是任何合适类型的流体, 例如，在半导体制作中具有效用的流体，诸如，氢化物，卣化物以及气相有机金属试剂，例如，硅烷，锗烷(germane)，胂，磷化氢，光气， 乙硼垸，锗垸，氨，锑化氢，硫化氢，硒化氢，碲化氢，氧化氮，氰 化氢，环氧乙烷，氘化氢化物，卤(氯，溴，氟，和碘)化合物，以 及有机金属化合物。容器中的流体可储存在任何合适的大气压，亚大气压或超大气压 下，例如低于2500托的压力，诸如约20托至约1200托的范围，或压 力范围约20托至约750托，以亚大气压供应离子注入用气体，或其他 亚大气压应用。保持流体吸附其上的吸附剂的容器形成自任何合适的容器构建材 料，诸如金属(例如，钢，不锈钢，铝，铜，黄铜，青铜，及其合金)， 玻璃，陶瓷，玻璃质材料，聚合物，以及复合材料。容器可为任何合适的形状和大小，如适于特定的流体储存和分配 应用。容器例如为长方体形状，细长的垂直直立形式，具有方形横截 面，或者容器为带有圆形横截面的圆柱体，或者以任何其他合适的形 状，大小和形式等。在一个实施方案中，本发明在长方体容器中利用单块形式的物理 吸附剂，所述容器形成密封的内部容积并具有端口，气体分配组件与 所述端口连接，用于选择性从容器中排放气体。本发明单块形式的吸 附剂介质提供了以所需数量用于吸附性保持吸着物气体的足够容量， 在脱吸附条件下良好的脱吸附释放气体，以及良好的工作容量和良好 的尾随行为(即，高程度地脱吸附初始吸附的气体)，并且对目的气 体具有合适的吸附亲和性，以便在其中储存气体的过程中将低气压维 持在容器的内部容积中。
本发明的物理吸附剂有任何合适的单块形式，例如以大小与流体 储存和分配容器相称的吸附材料的块，砖，宝石或类似形式，以便容 器含有一个或少量，例如小于75,更优选小于20个离散单块物件。在进一步优选的方面，容器含有不超过8个这样的离散单块物件，甚至 更优选不超过4个这样的物件，以及最优选容器含有单个单块物理吸附剂物件。配置在流体储存和分配容器中的单块物件提供聚集的吸附剂团， 其优选在大小和形状上符合流体储存和分配容器的内部容积，以便单块物件的吸附剂团占容器内部容积的至少60%，优选在这种容器的内 部容积的约75%至约95%的范围内。如果提供成单个单块吸附剂物件，为此目的，例如，通过热解液 体形式或可流动形式的有机树脂，吸附剂介质可原位形成在容器中， 在容器中热解有机树脂之前，用此填充容器至所需的程度。如果替代地提供在多个单块物件的形式中，各个这类物件的长度 都为容器内部容积高度的0.3-1.0倍，而横截面面积为容器长方形横截 面面积的0.1-0.5倍。各个单块构件具有长方体形状，当容器为长方体 形状时使容器内部容积的利用率最大化，其中各个单块构件在容器内 部容积中可横向和/或纵向邻接以表面接触于附近的单块构件。或者， 在一些场合下，吸附剂单块构件理想的形式为立体圆柱体，各自圆柱 体构件装载到内部容积内，以沿其面层面表面(facing side surface)相 切性彼此邻接，以及至少部分彼此邻接，在其圆形横截面端表面处面 对面接触。在除了立方体或其他长方体之外形状的流体储存和分配容 器中，为了与容器内部容积的形状相符，可相应地形成单块吸附剂物 件。例如，流体储存和分配容器的形状为圆柱体，其中的单块吸附剂 物件含有垂直堆叠的吸附剂的盘形体，每个具有的直径在它的外围使其符合容器的形状，紧临于容器的面层内壁表面。
伴随使用单块形式的活性碳相对于现有技术的细分微粒形式的水 平提高是预料之外的，这是因为物理吸附材料一般根据其可用于吸附 性保持工作气体(吸附物)的表面积进行分类，因而，具有高的表面 与体积之比的微粒形式已被视为固有地优于具有更低的表观表面与体 积之比的散粒形式，诸如块和砖(即，单块形式)。由此，人们会直 观地预期，吸附剂的单块形式将是低效形式，具有降低的吸附性容量 和工作容量。然而，现已发现，可形成单块碳，其具有与相应的碳珠相似的微 孔体积，但是密度实际上更高，例如，密度高于相应碳珠的压实密度的约25%至约80%，以及这样高密度单块当用在基于物理吸附剂的气体储存和分配系统中时与碳珠的床比较在每单位体积的吸附剂吸附的 气体质量上有显著的改进。在广泛实施本发明中有益的单块碳包括粗制的砖，块和锭形式，作为散粒形式，优选具有三维(x， y， z)特征，其中各个这样的尺寸 大于1.5，以及优选大于2cm。例如，单块碳的形式为整体压块，如制 自聚合炭，诸如聚偏二乙烯氯(PVDC)或其他合适的聚合物，具有高 的容积密度(以空隙测量)，例如，以约0.80至约2.0 g/ci^的量级， 具有高的工作容量(高微孔性和低渣(heel))和足够低的孔曲度以确 保迅速地吸附和脱吸附。在一个实施方案中，本发明的单块碳吸附剂包括活性碳上的掺杂 剂，以在延长的储存过程中使吸着物的分解最小化。在广泛实施本发 明中有用的示例性掺杂剂为硼酸(H3B03)，四硼酸钠(Na2B407)，硅酸钠 (Na2Si03)和磷酸氢二钠(Na2HP04)。在另一方面，单块碳吸附剂物件的长度与横截面面积之比L/D为 约2至约20，以及更优选约4至约15，其中L为单块碳吸附剂物件的 长度或长轴尺寸，而D为横向或短轴尺寸。在特定的实施方案中，单块碳吸附剂提供以r'Xl"方形横截面PVDC炭整体压块，高度近6"的形式。优选的单块碳吸附剂包含Saran A, Saran MC-10S或Saran XPR-1367-D-01452-050 PVDC均聚物或共聚物的热解产物，作为具有 高比例的小尺寸，例如约0.3至约0.75 rmi范围的裂缝型孔的超微孔碳。当单块碳吸附剂的孔径为小于约2 nm时，单块碳吸附剂在气体临 界温度之上能够吸收气体，例如，三氟化硼，至一定程度，该程度与 吸附材料的微孔体积成比例。为此目的，优选的单块碳吸附材料中具 有高比例的孔，例如，至少50%的孔隙度为小微孔，例如超微孔大小 范围中。该效果参见图5,对(i) Kureha珠活性碳(数据点以实体菱 形标记)以及(ii)形成自聚偏二乙烯氯聚合物的碳(Saran A， Dow Chemical Co.)(数据点以实体方形标记)示出每升碳吸附的三氟化硼(BF3) 的重量(g)作为压力值(托)的函数。虽然微孔体积是选择本发明单块碳吸附剂系统中所用的碳的重要 标准，以及微孔体积理想地最大化，但是保存于固定体积容器中的气 体以每升吸附剂的体积为基础适当地进行比较。这样距离中的吸附剂 填充密度变成极其重要。为此，单块碳消除了在流体储存和分配容器 中使用的空隙容积。在优选的实施方案中，本发明的流体储存和分配容器中的空隙体 积不超过约40%的总容器内部容积，更优选尽可能低。单块碳吸附剂 的填充密度理想地尽可能高，以每体积的吸附剂的体积为基础，具有 最大的微孔体积，以及高比例的孔容积存在于超微孔中。微孔的构型 也是重要的，孔理想地是裂缝型以提供高吸附水平，但是不太小，以 致在脱吸附条件下，裂缝构型干扰气体的迅速释放，例如，压力水平 在40托量级的脱吸附。
在碳活化形成活性碳过程中，在诸如氮的非氧化气体存在下，孔 在高温时被扩大，接着接触诸如氧或蒸汽的氧化气体持续短的时间， 然后在非氧化大气下冷却。在这样的活化中，材料蒸发的水平小心得 以控制，这是因为高水平的蒸发导致孔扩大，同时微孔体积增加并伴 随着粒子密度减少。本发明的单块碳吸附剂可以任何合适的方式形成。在一个实施方案中，单块碳形成自聚合物材料，诸如可商购自Dow Chemical Company (Midland, MI)以Saran A或Saran MC-10S聚合物的聚偏二乙烯氯聚合 物，在合适压力下，例如每平方英寸约10千磅至约20千磅的压力进 行压模，然后在氮气流和约600'C至约900°C，例如约700'C的温度下 热解。该方法生产填充密度大大增加的碳吸附材料(即，例如每升碳 吸附的气体重，克)，如图1和2中所示。本发明的单块碳吸附剂显著背离于现有技术的实施，现有技术利 用细分粒子，诸如粒径为0.1-1.0 cm，通常为0.25-2.0 mm的珠活性碳， 或者在散粒微孔碳材料的情形下(参见，Wojtowicz等美国专利申请公 布US2002/0020292 Al， 2002年2月21日公布)，利用高温，例如， 〉100(TC以及优选M100'C，以诱导高石墨化水平，与包括反复进行多 至76次的化学吸附/脱吸附步骤的活化组合(参见，Quinn等美国专利 5,071,820)以实现合适的微孔体积、表面积和每单位体积的碳吸附剂的 微孔体积，这是一种获得高压气体储存用的合适吸附材料的费时和昂 贵的途径(Wojtowicz等美国专利申请公布US2002/0020292 Al公开了吸 着物气体的最适储存容量要求气体"以约500 psi至约3500 psi的压力 范围导入储存容器"，第2页，第0013段，最后l句)。与这些现有技术途径相反，本发明的单块碳吸附剂形成自合适的 聚合物材料，例如，选自下列的聚合物聚偏二乙烯氯，酚甲醛树脂， 聚糠基醇，椰子壳，花生壳，桃核，橄榄石，聚丙烯腈，聚丙烯酰胺等，这些聚合物在例如高达约20,000 psi或更高的铸模压力下可模压成 在温度低于100(TC，优选不超过约90(TC，例如在约50(TC至约900°C 的范围内，以及更优选在约60(TC至约90(TC的范围内可热解的压模的 "生树脂"体，从而为预定气体储存和分配用途生成合适的高填充密 度值的单块碳材料。在实施本发明中有用的单块碳吸附剂包括那些填 充密度为每升碳吸附剂超过400 g胂以及优选大于450 g胂的吸附剂， 所述填充密度在25'C和压力650托下对胂气测量。热解产物可用作本发明的单块吸附剂体，但是正如这样的热解产 物优选以生产单块碳吸附剂产品的方式被活化，所述单块碳吸附剂产 品的超微孔性具有高比例，例如至少30%的孔隙度，以及优选至少60% 的孔隙度的裂缝形孔，孔径约0.3至约0.72 nm和显著的孔隙度，例如 至少20%,以及优选至少30。/。的包括微孔的总孔隙的直径〈2inn。活化 方法包括任何合适的加工步骤，用于提高目的吸着物气体用材料的吸 附亲和性，或者用于改进吸附/脱吸附负载用吸附剂介质的特性。例如， 活化方法包括在例如氮气，氩气，氦气或其他非氧化气体的非氧化气 氛下加热，接着在转换成非氧化气氛并冷却至环境温度(例如，室温) 之前，将该气氛转化成氧化气氛，诸如二氧化碳，或蒸汽，持续短暂 的时间。活化方法的细节，例如，连续步骤的温度和持续时间通过简 单地改变各自方法条件，以及分析确定所得吸附剂性能，诸如填充密 度，孔隙率计特征等，本领域技术人员无需过多的实验就可容易地确 定。图1对Kureha 578-66-6珠活性碳(数据点以实体菱形标记)， Takachiho ABF 14-03微粒活性碳(Takachiho Kabushiku Kogyo, Ltd.， Tokyo, Japan)(数据点以实体方形标记)，以及形成自聚偏二乙烯氯 聚合物的碳(Saran A， Dow Chemical Co.)(数据点以空心三角形标记)示 出每升碳吸附的磷化氢(PH3)的重量克作为压力值(托)的函数。图1中的数据示出，形成自PVDC聚合物的单块碳比珠活性炭吸
附剂或Takachiho粒子活性碳吸附剂，具有实质上更高重量的吸附的磷 化氢/升碳，通常在0-750托的压力范围下是磷化氢吸附载量的两倍以 上。图2对Kureha 578-66-6珠活性碳(数据点以实体菱形标记)以及 形成自聚偏二乙烯氯聚合物的碳(Saran A， Dow Chemical Co.)(数据点 以空心三角形标记)示出每升碳吸附的胂(AsH3)的容积(cn^)作为压力值 (托)的函数。图2证明单块碳吸附剂对胂负载优于珠活性碳。每升碳的胂容积 载量(cm3)在0-770托的压力范围下，单块碳吸附剂要高出50-100%。如下表1中所示为胂在上述图1的三种类型吸附材料上的填充密 度，包括Kureha 578-66-6珠活性碳，Takachiho ABF 14-03粒子活性炭， 以及PVDC炭单块吸附剂。各个材料对两个样品在胂压为650托下进 行评价。填充密度基于重量确定成每克吸附剂吸附胂的克数，以及基 于容积，确定成每升吸附剂吸附胂的克数。表1.非单块活性碳和单块碳吸附剂上的胂容量吸附剂650托压力下的填充密度 (g胂/g吸附剂)650托压力下的填充密度 (g胂/升吸附剂)Kureha 578-66-6 (样品1)0.51301Kureha 578-66-6 (样品2)0.51301Takachiho ABF 14-03(样品1)0.55319Takachiho ABF 14-03(样品2〉0.55319PVDC炭(样品1)0.43486PVDC炭(样品2)0.45504表1中的结果显示，尽管基于重量，单块碳吸附剂的填充密度比非单块活性碳吸附剂约低15-20%，但是基于容积，单块碳吸附剂比非 单块活性碳吸附剂的相应填充密度却要高出50%以上。下表2是对磷化氢在上述图1的三种类型吸附材料上的填充密度值进行相应的填充密度制表，包括Kureha 578-66-6珠活性碳，Takachiho ABF 14-03粒子活性碳，以及PVDC炭单块吸附剂。表2.非单块活性碳和单块碳上的磷化氢容量吸附剂650托压力下的填充密度 (g磷化氢/g吸附剂)650托压力下的填充密度 (g磷化氢/升吸附剂)Kureha 578-66-60.16597.4Takachiho ABF 14-030.184107PVDC炭0.188212表2中的结果显示，基于重量和容积，单块碳吸附剂(PVDC炭) 的填充密度都在非单块形式的活性碳吸附剂之上，同时其基于容积的 填充密度比磷化氢在非单块形式的活性碳上的容积填充密度高出 100%。在广泛实施本发明中，保持在单块碳吸附剂上的吸着物流体可有 任何合适的类型，包括，例如，氢化物气体(诸如胂，磷化氢，锗烷， 硅烷，单-，二-和三-取代的硅烷，例如，这些类型的垸基硅垸)，卤化 物气体(诸如，三氟化硼，三氯化硼，卤素取代的硅烷等)以及气相有机 金属合成物。在实施本发明中可用于储存和分配的例证性吸着物气体包括硅 垸，锗垸，胂，磷化氢，光气，乙硼垸，锗烷，氨，锑化氢，硫化氢， 硒化氢，碲化氢，氧化氮，氰化氢，环氧乙烷，氘化氢化物，卤(氯， 溴，氟，和碘)化合物，包括诸如F2， SiF4， Cl2， C1F3， GeF4， SiF4， 卤化硼等化合物，以及诸如铝，钡，锶，镓，铟，钨，锑，银，金， 钯，钆等金属的有机金属化合物。
吸着物气体储存在容器中的压力可以为任何合适的压力，只要适 用于本发明的气体储存和分配系统。本发明实施中通常有用的例证性压力包括压力不超过约2500托，更优选不超过约2000托，例如压力 范围为约20托至约1800托，或更限制性为约20托至约1200托。对 诸如离子注入的应用而言，气体储存和分配容器中的气体压力通常不 超过约800托，储存的气体为大气压，例如压力范围为约20托至约750 托。图3示意性表示本发明一个实施方案的储存和传递系统。如图所示，储存和分配系统200包括储存和分配容器204， 204在 其上部与阀头206连接，206包括部分分配组件，所述分配组件在圆柱 体上包括阀头的手工致动器208。容器可以任何合适的构建材料形成， 例如，包括诸如金属，玻璃，陶瓷，玻璃质材料，聚合物，和复合材 料等材料。为此目的，例证性金属包括钢，不锈钢，铝，铜，黄铜， 青铜，及其合金。阀头通过耦接头210连接于分配导管212， 212中已 布置压力传感器214，惰性吹洗单元216，用于以惰性气体吹洗分配组 件，质量流量控制器220，用于在分配操作过程中维持恒定流速通过分 配导管212，以及过滤器222，用于在分配气体从分配组件排放之前， 去除其中的粒子。分配组件进一步包括耦接头224,用于配对(matably)接合分配 组件与下游管道，阀门，或其他与吸附流体的利用地点有关的结构， 例如，包括半导体制作设施，诸如利用分配气体作为输入物的离子注 入工具。流体储存和分配容器204以部分分解图显示内部单块吸附剂体205。 图4是本发明另一优选方面的利用长方体流体储存和分配容器310的流体储存和分配装置的透视图。长方体流体储存和分配容器310 装备有焊接于容器前刃面的管道阀门连接阀头312和把手314。具体实 施方案中的容器310以焊接的钢壁构造形成，沿容器的垂直(纵向) 轴具有方形横截面。容器的壁为0.100英寸厚碳钢，容器内部容积为 3.62升。把手314为1/4英寸线材坯，制成所示形状，并且焊接在容器 310的相应端。管道阀门连接阀头312的分配阀通过1/2"管螺纹连接以螺丝接合 有容器310。阀头可具有任何合适数量的端口，例如单一端口阀头，双 端口阀头，3-端口阀头等。长方体流体储存和分配容器310在其内部容积中含有单块碳吸附 剂，其中单块团包括一种或多种单块碳体，每个优选为长方体形状， 符合容器内部容积的形状，如上所述。应理解的是，本发明的合成物和方法可以广泛的变体方式实施， 与本文的公开内容一致。因此，尽管本发明在此参照具体特征，方面 和实施方案已加以说明，但公认的是，本发明不限于此，而是易于以其他变体，修饰和实施方案实施。所以，本发明旨在广泛地解释成包 括所有这样的其他变体，修饰和实施方案，正如落入本发明要求保护 的范围内一样。
权利要求
1. 一种吸附剂，其特征在于至少一种下列特征(a) 25'C、 650托压力下对胂气测量的填充密度大于400 g胂/升碳单块；(b) 所述碳单块中至少30%的总孔隙包含裂缝形状的孔，孔径范围 为约0.3到约0.72 nm，以及至少20%的总孔隙包含直径<2 nm的微孔； 以及(c) 约0.80到约2.0 g/cr^的容积密度，其中所述热解条件包括低 于IOO(TC的温度。
2. 权利要求1的吸附剂，其具有吸附于其上的吸附物，其中所述 吸附物选自硅烷，锗垸，胂，磷化氢，光气，乙硼垸，锗烷，氨，锑 化氢，硫化氢，硒化氢，碲化氢，氧化氮，氰化氢，环氧乙烷，氘化 氢化物，卤(氯，溴，氟，和碘)化合物，F2， SiF4， Cl2， C1F3， GeF4， SiF4，卤化硼，金属的有机金属化合物，以及前述两种以上的组合。
3. 权利要求2的吸附剂，其中所述吸附物包括选自如下金属的有 机金属化合物铝，钡，锶，镓，铟，钨，锑，银，金，钯，钆。
4. 权利要求1的吸附剂，其特征在于所述填充密度(a)。
5. 权利要求l的吸附剂，其特征在于所述孔隙特征(b)。
6. 权利要求l的吸附剂，其特征在于所述容积密度特征(c)。
7. 权利要求1的吸附剂，其特征在于所述填充密度(a)和孔隙特征(b)。
8. 权利要求1的吸附剂，其特征在于所述填充密度(a)和容积密度 特征(C)。
9. 权利要求1的吸附剂，其特征在于所述填充密度(a)、所述孔隙 特征(b)和所述容积密度(c)。
10. 权利要求1的吸附剂，其特征在于所述孔隙特征(b)和所述容 积密度(c)。
11. 权利要求l的吸附剂，其具有吸附于其上的磷化氢。
12. 权利要求l的吸附剂，其具有吸附于其上的三氟化硼。
13. 权利要求1的吸附剂，其具有预定的形状并容纳于气体储存 和分配容器中，所述气体储存和分配容器的形状与至少一部分所述预定形状的吸附剂相符。
14. 权利要求13的吸附剂，其占至少60%的容器内部容积。
15. 权利要求l的吸附剂，其为块的形式。
16. 权利要求l的吸附剂，其为盘的形状。
17. 权利要求1的吸附剂，其具有含吸附于其内的吸附物流体的 孔隙，其中所述吸附剂布置成在不需使用所述吸附物流体时储存所述 流体，在需要使用所述吸附物流体时选择性脱吸附所述流体。
18. 权利要求17的吸附剂，其中所述储存包括2500托以下的储 存压力条件。
19. 权利要求17的吸附剂，其中所述储存包括20至1200托范围 的储存压力条件。
20. 权利要求17的吸附剂，其中所述储存包括20至750托范围 的储存压力条件。
21. 权利要求17的吸附剂，其被布置用于所述选择性脱吸附，从 而对半导体制作设施提供脱吸附的吸附物流体。
22. 权利要求17的吸附剂，其被布置用于所述选择性脱吸附，从 而对离子注入工具提供脱吸附的吸附物流体。
全文摘要
本发明公开了一种流体储存和分配装置，所述装置包括具有内部容积的流体储存和分配容器，其中内部容积含有物理吸附剂，所述吸附剂上吸附性保持流体并且从其可脱吸附流体用于自容器分配，以及与容器耦合的分配组件用于从容器中分配脱吸附的流体。物理吸附剂包括单块碳物理吸附剂，所述单块吸附剂的特征在于至少一种如下特征(a)25℃和650托压力下对胂气测量的填充密度大于400g胂/升吸附剂；(b)所述吸附剂中至少30％的总孔隙包含裂缝形状的孔，孔径范围为约0.3到约0.72nm，以及至少20％的总孔隙包含直径＜2nm的微孔；以及(c)在温度低于1000℃，通过热解和任选活化已经形成，并且具有约0.80到约2.0g/cm³的容积密度。
文档编号B01D53/04GK101144566SQ20071015376
公开日2008年3月19日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月10日
发明者唐纳德·J·卡拉瑟斯 申请人:高级技术材料公司