電子級氫氟酸制備及配套技術

周 偉，李冬永

（湖南有色湘鄉氟化學有限公司，湖南湘鄉 411400）

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電子級氫氟酸制備及配套技術

周 偉，李冬永

（湖南有色湘鄉氟化學有限公司，湖南湘鄉 411400）

介紹了電子級氫氟酸的用途和國內外發展背景、電子級氫氟酸各種制備提純技術及配套技術，認為加強電子級氫氟酸先進技術的開發研究和應用，促進我國氟化工產業發展，正當其時。

電子級氫氟酸；制備技術；配套技術

電子級氫氟酸主要是作為清洗劑和蝕刻劑用于光伏、集成電路和玻璃減薄等行業，是這些行業的關鍵輔助材料之一。其還可作分析試劑及制備高純含氟化學品。國外20世紀60年代便開始生產電子工業用試劑，并為微細加工技術的發展而不斷開發新的產品。目前世界上能生產LCD、IC、LED工業用的電子級氫氟酸也不多，有Merck－Kanto、Solvay、Honeywell、Avantor Performance Materials（原名Mallinckrodt Baker）、Arkema、Ashland、RASA（日本）、Stella、Kanto、Dongwoo Fing chem、Dongjin Semi chem、Samyoungfine、Minersa、墨西哥化學等公司及臺灣地區的臺塑、臺硝、僑力、長新化學等。其關鍵技術過去較長時間壟斷在美國、德國、日本等發達國家的跨國企業集團手中，近年來我國通過引進、合作開發和自主研發有了較大的發展。隨著世界半導體制造業向中國大陸的逐步轉移，國內（不包括臺灣）電子級氫氟酸需求量年增長約10%，已有不少企業開始涉足這一產業，如凱圣、藍蘇、永飛等公司。隨著我國微電子工業的高速發展，中國大陸逐步成為全球較大的液晶顯示器（LCD）、光伏電池產業基地，用于清洗和蝕刻劑的電子化學品的需求越來越大，“十一五”期間我國電子化學品年均增長率超過20%，2015年保守估計市場銷售總額將達到400～450億元，國內優勢企業的競爭力正在不斷增強，長期成長空間巨大，巳成為化工行業中發展速度最快、最具活力的行業之一。據不完全最新統計，國內外高純氫氟酸產能約184.7 kt／a，其中國外約42 kt／a，中國大陸125 kt／a，中國臺灣地區17.7 kt／a。從發展趨勢來看，國外產能在萎縮，中國電子氫氟酸產能增長較快。

1 電子級氫氟酸提純技術

目前，國內外制備電子級高純氫氟酸的常用提純技術有精餾、蒸餾、亞沸蒸餾、減壓蒸餾、氣體吸收等，這些提純技術各有特點及所長，生產制備應根據實際情況進行選擇。電子級氫氟酸屬于精細氟化工領域，其提純制備的關鍵在于控制所要求的堿金屬、重金屬與非金屬雜質離子的含量和潔凈度。

電子級氫氟酸生產工藝：對原料進行物理、化學預處理，對原料酸進行精餾、蒸餾、冷卻、吸收、吸附等操作，通過一級或多級膜過濾去粒子，潔凈灌裝。原料來源可是無水氟化氫（AHF）氣體或液體，甚或粗氟化氫氣體。操作處理多工序過程組合或結合進行。裝置設計與工藝流程布置密切相關，一般以垂直流向布置為主，原料（無水氟化氫或氫氟酸）在上層，氫氟酸提純在中層，過濾、包裝及貯存在底層。這樣原料（AHF或氫氟酸和高純水）與中間產物可以依靠重力自上而下流動，減少泵輸送，同時可避免泵對產品的二次污染，節省能耗，降低生產成本［1，2］。

下面介紹電子級高純氫氟酸的一些生產制備方法。

李典等2011年提出“氫氟酸制造方法”［3］。將未處理的氟化氫及其含的雜質（即粗氟化氫）通入水溶液中，持續通入至呈飽和狀態，繼續通入，易溶于水的部分雜質溶留在飽和的氫氟酸水溶液中，不溶于飽和水溶液的氟化氫便會離開，形成處理后的氟化氫氣體，隨同離開的還有不溶于水溶液及氫氟酸的氣態雜質，再將此氣體通入純水中生成純度提高的氫氟酸水溶液，取出即成為成品酸，氣態雜質不溶于純水及純度提高的氫氟酸水溶液而離開。該法粗氟化氫原料是液態或氣態的工業級氟化氫，若為液態要增加一道加熱氣化工序。優點：（1）制造步驟簡單，生產速度提高；（2）不易利用蒸餾去除的未處理雜質，可通過水溶液及氫氟酸吸收；（3）制造過程中最多僅需進行一次加熱處理，能減少能源消耗，節省降溫時間及降溫設備，節省投資。

何浩明等2011年提出“一種制備電子級氫氟酸的方法”［4］。工藝步驟：（1）HF原料氣化除去其中的非揮發性和高沸點雜質；（2）氟氣氧化和脫輕組份；（3）高沸精餾除高沸物；（4）水洗精餾進一步除雜，HF溶于高純水得到成品酸。該方法簡單可靠，雜質含量低于SEMI－C2標準。優點：（1）把氟氣氧化反應和脫輕組份過程合二為一，工藝簡化，設備簡單，同時氟氣得到充分利用；（2）把洗滌和精餾兩個過程由一個精餾塔完成，洗滌效率高，設備簡單，可以節省設備投資；（3）考慮了陰離子及金屬離子脫除。

劉兵等2011年提出了“一種制備電子級超高純氫氟酸的方法”［5］，工藝步驟：（1）通入AHF之前預置氫氟酸稀溶液、過氧化氫溶液、檸檬酸鈉螯合劑溶液的混合溶液進行預處理；（2）再沸器內氧化、螯合處理，并形成純化的氟化氫氣液混合物；（3）經氣液分離后蒸餾氣體入蒸餾塔中蒸餾，液體重回再沸器中循環處理；（4）氣體冷卻；（5）噴淋吸收；（6）離子交換吸附進一步深度去除金屬離子和雜質；（7）二級循環過濾（0.2μm、0.05μm）。該法可進行規模化生產，工藝穩定、易控制，適于推廣。

2010年戈士勇提出“高收率超凈高純氫氟酸的提純方法”［6］。工藝步驟：（1）將AHF通入氧化處理器一，加入高錳酸鉀溶液進行氧化處理，再經過濾器一入氧化處理器二，加入過氧化氫溶液進行二次氧化處理；（2）預處理后液經過濾器二入精餾塔精餾；（3）冷卻過濾，含雜質液相回流至精餾釜，氣體進入吸收塔；（4）去離子高純水吸收成氫氟酸半成品；（5）二級過濾（0.05～0.2μm）。該法特點：（1）解決了三價砷等雜質去除難題，氫氟酸純度達到SEMIC12標準；（2）吸收塔內合理設置布氣盤管充分吸收效率高，提高產量同時符合環保節能要求。

侯紅軍等2008年提出“一種生產電子級氫氟酸的方法”［7］，其制備步驟：（1）粗餾除低沸點物質和氧化劑氧化除雜；（2）氟化氫粗餾后超純水吸收成48%～49%氫氟酸半成品；（3）亞沸精餾為48%～49%的有水氫氟酸溶液，高沸點物質與重金屬留存在亞沸蒸餾器底部；（4）冷凝后的酸液經兩級微孔膜過濾（0.2μm、0.05μm）后灌裝成48%的酸成品。該方法特點：（1）解決了除硅、砷難題；（2）采用亞沸蒸餾提純，產品達SEMI－C8標準；（3）產生廢酸為50%～60%的氫氟酸、氟硅酸等，可用于生產冰晶石；（4）二次膜過濾顆粒數達到0.2μm≤50個；（5）亞沸蒸餾為二次精餾，減少了設備投資及占地，同時增加了產量，從而降本增效。與侯紅軍等同公司的李世江等人2008年還提出“一種生產超凈高純氫氟酸的方法”［8］，該法在粗餾、氧化除雜和汽化及噴淋吸收較［7］方法控制更好，經二次精餾產品純度達到SEMI－C12標準，產生濃度為50%～60%的廢酸可用于冰晶石等生產，可進行規模化生產，效率高、工藝過程易控制、安全環保、可實施性強。

戈士勇2007年提出“超高純氫氟酸的提純方法”［9］，工藝步驟：將AHF通入精餾釜，加入高錳酸鉀和雙氧水，攪拌，靜止；升溫至60～80℃，氟化氫液體氣化成氣體；將純化后氟化氫氣體經冷卻器冷卻及過濾；吸收塔內注入去離子水，塔底部設置布氣盤管，氣體在此由離子水吸收制成氫氟酸半成品；再將該半成品經0.05μm過濾器得到成品酸。該法特點：（1）解決三價砷等雜質去除難題；（2）產品純度達到SEMI－C12標準；（3）吸收塔氣體吸收充分，在提高吸收效率的同時大大提高產量，符合環保節能要求。

戰玉柏、馮留啟2007年提出“制備超凈高純氫氟酸的方法及其裝置”［10］，其步驟及內容：先對液態氟化氫以蒸餾塔進行連續式蒸餾，蒸餾塔配有相應的加熱蒸餾釜及塔頂1＃水冷凝器，凈化后的氟化氫氣體從底部進入噴淋吸收塔，進行逆向水吸收，并具有帶水冷卻器的噴淋液的循環裝置，噴淋吸收液達一定濃度后，即為中間產品貯于高位貯罐內，再對中間產品以精餾塔進行精餾，精餾塔配有相應的塔釜及2＃水冷凝器，控制塔釜及塔頂餾出溫度即可得到超凈高純氫氟酸。該方法有益的特征：（1）解決連續式規模化生產制備問題，生產成本低，易實施，操作簡單方便，效率高、收率高、安全環保，產品質量穩定可靠，多套并聯，并配套自控系統；（2）可用于回收微電子行業的廢氫氟酸，減少對環境的污染；（3）精餾塔釜內裝的管束式換熱器，高效節能，并且易安裝、維護，使用壽命長。

殷福華2006年提出“高純級氫氟酸的制備方法”［11］，工藝步驟：（1）用AHF液體進行精餾純化，加入高錳酸鉀除雜劑溶液除雜；（2）用超純水對精餾純化出的氟化氫氣體進行吸收，制成氫氟酸半成品；（3）對半成品進行超凈過濾得到高純級氫氟酸。該法特點：（1）采用除雜劑除砷，符合SEMI－C8標準；（2）直接用AHF液體進行精餾純化，精餾釜為鈦釜，利用了純的氟化氫液體對鈦釜的惰性原理，不需要貴金屬或特氟龍制造，制造成本降低，降低了生產成本；（3）精餾釜成本降低，容積可增大，從而可提高產量。

美國的J·G·霍夫曼和R·S·克拉克1996年在中國申請了“用于半導體加工的超高純氫氟酸的現場制造”的專利［12］，其涉及現場提供半導體制造用的超高純HF和氫氟酸的系統和方法：HF的處理流程包括間歇的除砷和蒸發階段、精餾除雜階段、離子提純器階段、HF供給器（HFS）。該法把HF引入到間歇蒸發器中，攪拌條件下用氧化劑以合適反應時間進行處理，然后在精餾塔內精餾進入的HF，塔中裝有冷凝器，冷凝液回流，以除去大部分金屬雜質，然后將提純的HF送入離子提純器塔，以除去不能通過精餾塔除去的污染物，最后是HF供給器（HFS）。通過現場制備的高純水與純化后的氟化氫混合可實現現場供給。

2 電子級氫氟酸配套技術

2.1 清洗技術

清洗有初步清洗、中級清洗、高純水清洗幾種方式，通常是結合或組合使用。清洗可按照化工設備清洗規程進行。衡量清洗效果的方法是在最后一遍用高純水沖洗后，測定洗后水中微粒的含量是否達到原高純水的指標。

2.2 分析控制與產品檢測［13，14］

電子級氫氟酸所需控制的顆粒粒徑越來越小，金屬及非金屬雜質含量極低，一般分析檢測儀器的靈敏度、檢出限、精密度很難達到檢測要求，因此必須配備高度精密的分析檢測設備。分析高純氫氟酸時，必須注意不能在產品提純后立刻取樣分析，也不能在分析合格后立即裝瓶供用戶使用，因為此時得到的結果并沒有把容器在存貯過程中對產品帶來的污染物加以分析。因此，必須分裝后經過存貯試驗或強化試驗（例如提高溫度以減少存貯時間）后再進行分析得出結果。

2.2.1 顆粒分析測試技術

顆粒的測試技術從早期的顯微鏡法、庫爾特法、光阻擋法發展到目前的激光光散射法。為了能夠盡快地反映IC工藝過程中顆粒的真實變化，把原來的離線分析（取樣在實驗室分析）逐步過渡到在線分析。在線檢測中，由于樣品夾帶氣泡（主要源于其中所溶解的氣體、振蕩或攪拌產生的氣泡、溫度高使樣品揮發產生的氣泡及管線不嚴而引起的氣泡等）在檢測器內均可被當做顆粒而記錄下來，所以需消除氣泡干擾。目前在線測定采用間斷在線取樣，在加壓狀態進樣，進行顆粒測定，較好地解決了氣泡的干擾問題。顆粒在線檢測傳感器采用了固態激光二極管技術，密封在線布置，檢出限可達0.1μm。傳感器的電學系統采用低壓直流電源，能在潮濕和易燃環境中進行顆粒測定。

2.2.2 金屬雜質分析測試技術

隨著IC技術的不斷發展，對金屬及非金屬雜質含量的要求越來越高，從原來控制的ppm級，發展到超大規模集成電路控制的ppb級及到極大規模集成電路的ppt級。目前常用的痕量元素的分析測試方法主要有發射光譜法、原子吸收分光光度法、火焰發射光譜法、石墨爐原子吸收光譜、等離子發射光譜法（ICP）、電感耦合等離子體－質譜（ICP－MS）法等。隨著IC技術向亞微米及深亞微米方向的發展，ICP－MS法將成為金屬雜質分析測試的主要手段。

2.2.3 非金屬雜質分析測試技術

非金屬雜質的分析測試主要是指陰離子的測試，最為常用的方法就是離子色譜法。離子色譜法是根據離子交換的原理，由于被測陰離子水合離子半徑和所帶電荷不同，在陰離子交換樹脂上造成分配系數不同，使陰離子在分離柱上得到分離，然后經過抑制柱去除洗脫液的導電性，采用電導檢測器測定Cl－、NO3－、SO2－4、PO3－4等離子。

2.3 高純水技術

電子級氫氟酸的制備離不開高純水，它既直接用于電子級氫氟酸的生產，又用于包裝容器的超凈清洗，其純度的高低直接決定著電子級氫氟酸產品質量。高純水已有成套設備可供選用，水處理技術已可將水提純至接近理論純水，水電阻率可達18.25 MΩ·cm（25℃），完全能滿足電子級氫氟酸工藝用水要求。高純水的主要控制指標是電阻率和固體顆粒，其它輔助指標有可氧化的總碳量（TOC）、細菌、被溶解的二氧化硅、離子濃度等。目前，高純水的生產工藝已比較成熟，較常見的是先通過離子交換柱和微過濾器，得到普通純水，然后可以采用反滲透、電滲析等各類膜技術進一步處理，最后配合殺菌和超微過濾便可得到高純水。

我國于1997年制定了電子行業用電子級超純水國家標準GB／T11446.1－1997，分為四級，Ⅰ級水相當于美國半導體行業Ⅱ級純水標準，技術指標見表1。

表1 電子級超純水技術指標［2］

水電阻率隨測定時溫度不同而變化，而且變化十分顯著，因此溫度的測定準確性往往是容易忽略的關鍵，在室溫（25℃）下理論電阻率為18.3 MΩ· cm，因此水電阻率越接近此值就越純。

2.4 包裝技術［2，13，14］

超凈高純試劑大多屬于易燃、易爆、強腐蝕的危險品，且隨著微電子技術向深亞微米技術水平的發展，對其產品的質量提出了越來越高的要求，即不僅要求產品在貯存的有效期內雜質及顆粒不能有明顯的增加，而且要求包裝后的產品在運輸及使用過程中對環境不能有泄漏的危險。另外，必須使用方便且成本低廉，所有這些都對包裝技術提出了更高的要求。用于超凈高純試劑包裝容器的材質首先必須耐腐蝕，其次不能有顆粒及金屬雜質的溶出，這樣才能確保容器在使用點上不構成對超凈高純試劑質量的沾污。

電子級氫氟酸具有強腐蝕性，首先，包裝容器必須具有抗腐蝕性，其次要防止產品出現二次污染。目前最廣泛使用的材料是高密度聚乙烯（HDPE）、四氟乙烯和氟烷基乙烯基醚共聚物（PFA）、聚四氟乙烯（PTFE）。包裝容器首選材料為HDPE，但要經過嚴格的試驗考核，因為不同級別的聚乙烯材料具有不同的顆粒脫落特性。對于使用周期較長的管線、貯罐、周轉罐等，可采用PFA或PTFE材料做內襯。

目前國際上用于電子級氫氟酸包裝的容器的規格一般為加侖瓶、200 L桶、1 t級方桶及噸級貯罐等，國內則以500 mL瓶、加侖瓶、25 L桶為主。對于超大規模集成電路及極大規模集成電路生產線來說，小包裝試劑已經無法滿足生產的需求，主要原因是二次污染的引入而導致成品率的降低。小型容器都是用特殊的聚乙烯樹脂制成，能保證不受氫氟酸腐蝕，并有足夠的強度。200 L以上的大型容器和壓力容器都是鋼制內襯（或復合）聚乙烯或氟樹脂。大型容器外有便于吊裝運輸和保護容器的金屬框架。

電子級氫氟酸產品包裝采用非接觸式超凈灌裝系統，每個灌裝頭都帶流量計，可達到極高精度。包裝環境必須絕對潔凈，必須在凈化室內進行，通過超凈罐裝設備將電子級氫氟酸密封到潔凈的容器中。設備本身帶有一體式封閉防護罩。

2.5 環境控制［2，14］

環境控制是電子級氫氟酸產品質量保障體系之一，其作用十分重要。電子級氫氟酸廠房、操作間、工作臺、實驗室和分析室、甚至倉庫、過道等都必須十分清潔。通常用潔凈度來表示沾污程度，即在單位體積的空氣中塵埃等固體微粒含有數量多少。電子級氫氟酸廠房應按工業企業潔凈廠房設計規范要求進行設計，對空氣進行初效、中效、高效三級過濾，有必要還需對空氣進行化學方法凈化，使生產車間、輔助車間、實驗室、分析室等達到所需一定的潔凈度，一般為10 000級（ISO4），具體生產操作地點、工作臺等“小區”其潔凈度應在100級（ISO2）以下，隨高純物質產品等級要求而提高。現在某些特殊工序“小區”要求微粒控制到0.1μm。對潔凈區溫度和濕度還有一定的要求，一般室溫控制在（22.2± 2.5）℃，具體操作部位控制在（22.2±0.11）℃、空氣濕度40%左右，不得低于30%（易吸塵并產生靜電），不得高于50%（易引起設備生銹、木材料變形）。因此，在建廠選址時應對風向、氣候、周邊環境等因素通盤考慮，以免造成不必要影響。

廠房的結構必須嚴密與外界隔離，設置雙層門窗，整個廠房分層設置排風系統，通入的新鮮空氣必須經過嚴格的多重過濾和殺菌，在一些關鍵的工作場所，可用塑料板或薄膜隔斷成相對獨立的“小區”內可設置局部凈化空氣的系統。對清潔度有極高要求的廠房，所有墻面、天花板、窗戶等盡可能用完整的材料施工，減少接縫、拼接。表面要光滑，避免不必要的重疊和凹凸、各拐角、轉角處都要便于打掃和清洗。所有內部裝修材料，包括工作臺、隔層、器具等都要使用防靜電的材料，防止因靜電吸附的塵埃進入生產系統。

潔凈室是一個超級潔凈的環境，它不但要對室內空氣的潔凈度、溫度、濕度、氣壓等進行控制，同時還要對環境內的材料和其它參數進行控制。潔凈室級別劃分最為通行使用的方法來自ISO14644－1標準，以每立方米空氣中0.1μm的微粒來劃分潔凈室級別。GB50073－2001亦照此定級。

控制靜電荷產生在潔凈室是非常必要的。靜電可能影響生產，也可能使自動化設備受到電磁干擾而失靈，靜電產生的靜電引力（ESA）還會減少表面的粒子粘附數量。靜電荷與產品和工具表面污染密切相關。廣泛使用的絕緣材料，如玻璃、特氟龍（聚四氟乙烯）和高分子聚合物會產生高電位的靜電。解決此問題首先考慮工作站接地，如使用不銹鋼工作臺臺面取代使用靜電耗散材料的工作臺面。但從安全的角度和靜電敏感器件的防護角度看，這樣做是有害的。

3 結束語

隨著光伏產業的光伏電池制造、微電子產業的芯片制造和玻璃減薄產業的液晶顯示器件制造的國際產業向我國的轉移，及我國總量豐富的氟資源，中國大陸電子級氫氟酸的用量將隨之猛增，其市場也具有廣闊的發展前景。近年來我國電子級氫氟酸無論質量、技術都有長足的增長和進步，但相較國外優勢企業仍有差距。機遇與挑戰并存，我國十二五氟化工規劃也已將電子級高純氫氟酸等高附加值產品列入鼓勵發展品種，加強發展電子級氫氟酸先進技術的開發研究和應用，將我國的地域市場優勢、資源優勢轉化為產業優勢，促進我國氟化工產業發展，正當其時。

［1］ 劉飛，邱祖軍，尹峰，等.電子級氫氟酸的純化技術及其發展現狀［J］.硫磷設計與粉體工程，2012，（1）：44－48.

［2］ 洪海江，應振洲，余鋒，等.電子級氫氟酸的純化技術及其配套技術［J］.有機氟工業，2012，（3）：25－29.

［3］ 特力生有限公司.氫氟酸制造方法［P］.中國專利：201110129528，2012－11－14.

［4］ 甕福（集團）有限責任公司，天津大學.一種制備電子級氫氟酸的方法［P］.中國專利：201110276860，2013－04－03.

［5］ 蘇州晶瑞化學有限公司.一種制備電子級超高純氫氟酸的方法［P］.中國專利：201110001607.8，2011－06－15（2013－01－30撤回）.

［6］ 江陰市潤瑪電子材料有限公司.高收率超凈高純氫氟酸的提純方法［P］.中國專利：201010551506.3，2011－04－13.

［7］ 多氟多化工股份有限公司.一種生產電子級氫氟酸的方法［P］.中國專利：200810049661.8，2011－12－14.

［8］ 多氟多化工股份有限公司.一種生產超凈高純氫氟酸的方法［P］.中國專利：200810049663.7，2011－04－06.

［9］ 江陰市潤瑪電子材料有限公司.超高純氫氟酸的提純方法［P］.中國專利：200710025770.1，2009－10－07.

［10］戰玉柏，馮留啟.制備超凈高純氫氟酸的方法及其裝置［P］.中國專利：200710063305.7，2009－06－10.

［11］殷福華.高純級氫氟酸的制備方法［P］.中國專利：200610096593.1，2008－12－17.

［12］斯塔泰克文切斯公司.用于半導體加工的超高純氫氟酸的現場制造［P］.中國專利：96194483.8，1998－08－19.

［13］穆啟道.超凈高純試劑的現狀、應用、制備及配套技術［J］.化學試劑，2002，24（3）：142－145.

［14］陳鴻昌.高純氫氟酸制備的概況［J］.有機氟工業，2000，（3）：25－30.

Preparing and Supporting Technology for Electronic Grade Hydrofluoric Acid

ZHOUWei，LIDong-yong
（Hunan Nonferrous Xiangxiang Fluoride Chemical Co.，Ltd，Xiangxiang 411400，China）

The paper briefly introduced the use of electronic grade hydrofluoric acid and the development background，and recommended the electronic grade hydrofluoric acid preparation and purification technology and supporting technology research and application development.Itwas thought that it’s the right time to strengthen the advanced technology of electronic grade hydrofluoric acid，and promote the development of China＇s fluorine chemical industry.

electronic grade hydrofluoric acid；preparation technology；supporting technology

TG111.1

：A

：1003－5540（2014）01－0040－05

2013－11－13

周 偉（1974－），男，工程師，主要從事氟化工生產技術與管理工作。