專(zhuān)利名稱(chēng)：用于控制輸送來(lái)自主體源的液化氣體的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制輸送來(lái)自液化狀態(tài)的氣體的系統(tǒng)和方法。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于輸送來(lái)自主體源的氣體的系統(tǒng)和方法。
在半導(dǎo)體生產(chǎn)工業(yè)中，貯存于主體輸送容器中的高純氣體，要供料到用來(lái)實(shí)施多種不同半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的加工工廠中。這些生產(chǎn)工藝包括擴(kuò)散、化學(xué)蒸發(fā)沉積(CVD)、蝕刻、濺射和離子注入。
在用于半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中的多種氣體中，許多是以液化狀態(tài)貯存在主體輸送容器中的。以這種方式貯存的化學(xué)品的部分名單，以及它們通常貯存的壓力，如下表1中所示:
表1
所述主體輸送容器和系統(tǒng)的主要目的，是貯存上述所列的電子特性氣體(ESG)，并為輸送氣體從所述容器到所述加工工廠提供一種安全的輸送工具。
在集成電路的生產(chǎn)中，所采用的電子特性氣體必須要以超高純度形式輸送到使用地點(diǎn)。超高純度，在此定義為任一揮發(fā)分子的雜質(zhì)濃度是低于100ppb(十億分之一)，具體地說(shuō)，尺寸大于0.3微米的微粒濃度，在通常條件下是低于1/升氣體，金屬雜質(zhì)是低于1ppb(十億分之一原子單體)每種元素。
在通常的氣體輸送系統(tǒng)中，如在Mostowy，Jr等人的US5673562中所公開(kāi)的，電子特性氣體是通過(guò)應(yīng)用蒸發(fā)熱動(dòng)力學(xué)原理而被傳送到使用地點(diǎn)的。貯存在所述主體輸送容器中的氣體，維持在氣-液相平衡狀態(tài)，在所述容器的上部區(qū)域所形成的超純蒸氣在其自身蒸氣壓下被傳送到使用的地點(diǎn)。
但是，一個(gè)與這些類(lèi)型系統(tǒng)有關(guān)的問(wèn)題是，必須維持需要的相平衡性質(zhì)從而以期望的流速輸送所述的氣相物質(zhì)。在所述主體輸送容器中的受壓氣-液系統(tǒng)的溫度和壓力，會(huì)由于流出所述容器氣體流速的變化而發(fā)生改變。這種現(xiàn)象是由于在實(shí)際條件下所用的蒸發(fā)熱不能被外部熱量所補(bǔ)償?shù)氖聦?shí)所引起的。換句話說(shuō)，存在于所述主體容器中的受壓氣-液系統(tǒng)可能會(huì)明顯地變涼，這會(huì)影響氣-液相平衡的條件，并從而影響氣體傳送到使用地點(diǎn)的流速。
而且，以高流速流出的蒸氣相ESG，可能會(huì)帶走所述氣體的小液滴，從而對(duì)于所述方法和裝置產(chǎn)生有害的影響。例如，對(duì)于HCl來(lái)說(shuō)，會(huì)由于Joule-Thompson效應(yīng)發(fā)生冷凝[參見(jiàn)“HCl系統(tǒng)中Joule-Thompson膨脹和腐蝕”(Joule-Thompson Expansion and Corrosion in HCl System，Solid State Technology，July 1992，pp.53-57)]。液態(tài)HCl較其蒸氣形式更具有腐蝕性。同樣地，對(duì)于上述表1中所列舉的大多數(shù)化學(xué)品來(lái)說(shuō)，其液態(tài)形式較它們各自的蒸氣形式具有更強(qiáng)的腐蝕性。因此，在氣體輸送系統(tǒng)中的這些物質(zhì)的冷凝，會(huì)引起腐蝕，它對(duì)于所述氣體輸送系統(tǒng)的部件是有害的。而且，腐蝕的產(chǎn)物會(huì)污染高純的工藝氣體。這種污染作用對(duì)于正在進(jìn)行的工藝產(chǎn)生有害的影響，最終會(huì)對(duì)生產(chǎn)出的半導(dǎo)體器件產(chǎn)生有害的影響。
所述氣體輸送系統(tǒng)中液體的存在已經(jīng)證明會(huì)引起流量控制的錯(cuò)誤。就是說(shuō)，液體在各種流量裝置中的積聚，會(huì)引起流速和壓力控制問(wèn)題以及元件失效，從而導(dǎo)致加工失敗。這種情形的一個(gè)實(shí)例是液態(tài)氯溢過(guò)一個(gè)閥所在位置，它會(huì)使得該閥變得永久地關(guān)閉。這類(lèi)失效需要在更新失效部件和隨后的滲漏檢查過(guò)程停止工藝過(guò)程。導(dǎo)致大量的停工時(shí)間。
因此，為了滿足半導(dǎo)體加工工業(yè)的需要，和為了克服相關(guān)技術(shù)的不足，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新型系統(tǒng)，用來(lái)控制輸送來(lái)自液化狀態(tài)的氣體，它可允許對(duì)流速進(jìn)行精確的控制。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用來(lái)輸送來(lái)自主體輸送容器氣體的方法，可以不同的流速按照可控的方式進(jìn)行。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種系統(tǒng)，其中由壓力控制來(lái)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)輸送到主體源容器的能量輸入。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種具有能量傳遞裝置的系統(tǒng)，所述能量傳遞裝置是設(shè)置用來(lái)集中所述能量到某一需要能量的地方。
本發(fā)明的其它目的和方面，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，通過(guò)考察隨后的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)、附圖
和權(quán)利要求書(shū)，將會(huì)變得清楚明了。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，可由下述優(yōu)選的實(shí)施例的描述及相應(yīng)附圖變得清楚明了，其中所述附圖為按照本發(fā)明輸送來(lái)自液化狀態(tài)氣體系統(tǒng)的示意圖。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，蒸氣相氣體可以期望的流速?gòu)闹黧w輸送容器中取出，這是由壓力測(cè)量和控制裝置通過(guò)維持和控制對(duì)所述容器中的能量輸入而實(shí)現(xiàn)的。而且，由于所述主體容器外部溫度不能表示將要由那里進(jìn)行分配的產(chǎn)物情況，所以能量傳遞裝置是安裝在一個(gè)盛裝有液相氣體的區(qū)域。這樣，就可以快速和便利的方法實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定化。此處所述“主體”表示任何具有容積大于標(biāo)準(zhǔn)氣缸(約20升)的容器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用來(lái)輸送來(lái)自液化狀態(tài)氣體的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括(a)一個(gè)輸送容器，其中盛裝有主體數(shù)量的液化氣體；(b)一個(gè)熱交換器，安裝在所述輸送容器上，用來(lái)專(zhuān)門(mén)提供能量或從所述液化氣體移走能量和(c)一個(gè)壓力控制器，用來(lái)測(cè)壓力和調(diào)節(jié)輸送到所述液化氣體的能量。優(yōu)選地，所述控制器監(jiān)測(cè)壓力以推導(dǎo)得到輸送容器的溫度，并調(diào)節(jié)其中的能量交換。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種以控制方式輸送來(lái)自液化狀態(tài)氣體的方法。所述方法包括(a)提供一個(gè)輸送容器，其中盛裝有主體數(shù)量的液化氣體；(b)以壓力控制方式，經(jīng)由一個(gè)熱交換器，提供能量到所述的主體輸送容器中；和(c)以可控的流速?gòu)乃鋈萜鬏斔退鲆夯瘹怏w到使用地點(diǎn)。
本發(fā)明用來(lái)維持氣-液相平衡的控制條件，從而以期望的流速，輸送來(lái)自盛裝有主體數(shù)量呈液化狀態(tài)氣體的輸送容器的氣體。
本發(fā)明將通過(guò)參見(jiàn)附圖進(jìn)行說(shuō)明，它圖示地說(shuō)明了按照本發(fā)明一個(gè)具有代表性的方面用來(lái)輸送來(lái)自主體源氣體的示意系統(tǒng)100。但是，要指出的是，具體的配置通常取決于諸如費(fèi)用、安全性要求等因素。
一種化學(xué)品，如一種液化電子特性氣體(ESG)，在其自身的蒸氣壓下貯存在主體容器110中。所述主體容器可由如304型和316型不銹鋼、哈司特鎳合金、鎳或一種涂層金屬(例如，涂有鋯的炭)的材料建造而成。這些材料絕對(duì)不會(huì)與所述的ESG發(fā)生反應(yīng)，并能夠承受真空和高壓。存在于所述主體容器中的具體原料沒(méi)有特別的限定，它隨工藝而定。常用的原料包括這些列于表1中的物質(zhì)，例如，NH3，BCl3，CO2，SiH2Cl2，HBr，HCl，HF，N2O，C3F8，SF6和WF6。
典型地，主體容器110是全部地輸送到現(xiàn)場(chǎng)的。另一種替代方案是，主體容器110是現(xiàn)場(chǎng)填充的。在引入ESG之前，要采用高純度惰性氣體的交替真空-高壓循環(huán)，對(duì)其進(jìn)行吹掃。優(yōu)選地，所述主體容器是加熱到約80-120℃的溫度范圍，并且它能夠在吹掃過(guò)程中承受真空和高達(dá)100巴的壓力。
所述ESG可以氣態(tài)或液相形式輸送填充到主體容器中。所述的輸送填充在其引入到主體容器110之前，為所述的ESG凈化提供了又一次的測(cè)量。所述的輸送，如果需要的話，優(yōu)選是采外部和或內(nèi)部的熱交換器，在通過(guò)低溫下冷卻主體容器的幫助下進(jìn)行的。
所述的主體容器是安裝在“現(xiàn)場(chǎng)”的，它是處于非常鄰近所述半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的地點(diǎn)，在該處的外部溫度可低至-30℃，或者是安裝在所述設(shè)置的內(nèi)部，由該處所述的ESG可以安全便利的方式輸送到使用地點(diǎn)。所述設(shè)備優(yōu)選是配置有自動(dòng)氣體傳感器和應(yīng)急消除系統(tǒng)，以防止意外滲漏或其它的系統(tǒng)故障。
容器110經(jīng)由管道120連接到使用地點(diǎn)，如半導(dǎo)體加工廠。盡管起始時(shí)是處于平衡狀態(tài)，但是，當(dāng)所述氣體在其蒸氣壓下被輸送到使用地點(diǎn)時(shí)，在主體容器110中的液-氣相熱動(dòng)力學(xué)平衡是非平衡的。這樣，當(dāng)氣體以高的流速被取出時(shí)或是溫度低至易于氣體輸送到使用地點(diǎn)時(shí)，能量就會(huì)從周?chē)h(huán)境發(fā)生傳遞，為了恢復(fù)到平衡狀態(tài)，能量從主體容器110傳遞到周?chē)h(huán)境，使所述液體和蒸氣的溫度降低，自容器110中取出和輸送的蒸氣，其中可能會(huì)攜帶最小量的小液滴。自然地，管道120優(yōu)選是由一種耐腐蝕材料制成。如上述關(guān)于主體容器110所述。
為了維持所述主體容器的溫度和壓力，熱量必須要傳遞到所述液體主體容器110中。熱傳遞到主體容器110的速率平衡，是由流速和主體容器110的熱質(zhì)量具體限定的能量需要所確定的。在周?chē)h(huán)境與主體容器110之間的熱傳遞速率取決于(1)整體熱傳遞系數(shù)；(2)可用于熱傳遞的表面積；和(3)周?chē)h(huán)境和主體容器110內(nèi)容物之間的溫差。計(jì)算熱傳遞速率的方法，在美國(guó)專(zhuān)利US5761911和美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)08/893499中有更為詳細(xì)的解釋?zhuān)鼈兛梢匀坎⑷氡疚囊怨﹨⒖肌?br> 提高到所述主體容器的能量輸入，反過(guò)來(lái)會(huì)提高熱傳遞速率。因此，從主體容器110中取出主體容器與周?chē)h(huán)境之間(類(lèi)似地，貯存的液體與主體容器之間)溫差過(guò)大的物質(zhì)，是不希望的，這是由于在氣體流出主體容器時(shí)可能會(huì)攜帶有小液滴，它源于不同的沸騰現(xiàn)象。當(dāng)主體容器和液體間的溫差提高時(shí)，蒸發(fā)過(guò)程就會(huì)由一種界面蒸發(fā)變?yōu)橐环N起泡現(xiàn)象。
結(jié)合導(dǎo)致在流動(dòng)氣體中液相存在的三種機(jī)理(即，自主體容器中流出的蒸氣中攜帶有液滴雜質(zhì)；在主體容器下游第一構(gòu)件的膨脹過(guò)程中形成；和吹掃在流動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中存在的液滴)，可有效地限制氣體的流速，由單獨(dú)的主體容器可靠地供給。業(yè)已確定，這些存在于工藝氣體中小液滴的消除和維持主體容器的溫度和/或壓力在某一預(yù)定的范圍之內(nèi)，可允許流速具有更大的連續(xù)性。
在一個(gè)代表性實(shí)施例中，蒸氣相ESG是以可變速率和可控方式，自主體容器110中取出的。所述蒸氣相是自主體容器110的頂部或頂部附近取出的，以液態(tài)存在的氣體還保留在所述容器中。這樣，主體容器中的氣體在操作過(guò)程中是處于受壓狀態(tài)，從中取出的蒸氣由于在輸送的蒸氣中沒(méi)有攜帶小液滴，所以具有低的雜質(zhì)濃度。
當(dāng)蒸氣自主體容器110中以提高的速率取出時(shí)，主體容器110和管道120中的壓力會(huì)降低，從而實(shí)際上會(huì)降低維持半導(dǎo)體設(shè)備所需要的流速的能力。為了維持輸送蒸氣的期望流速，可采用一個(gè)壓力控制裝置用于對(duì)主體容器110的能量輸入。能量源是一個(gè)熱交換器130，它具有一種液體傳遞介質(zhì)在金屬線圈中循環(huán)，或者是采用埋入在金屬線圈的加熱器通過(guò)電加熱，例如一種可購(gòu)得的商標(biāo)名稱(chēng)為T(mén)HERMOCOAX的線圈。所述的金屬線圈，對(duì)于考慮過(guò)的具體的ESG，是由耐腐蝕材料制造而成的，如上述提到的耐腐蝕材料。對(duì)于液體提供能量的情形，所述的液體熱傳遞介質(zhì)的選擇，不僅要考慮到其熱性質(zhì)，而且還要考慮到安全性，以防止系統(tǒng)100中的意外滲漏。合適的能源在美國(guó)專(zhuān)利US5673562有更為具體的描述，其全文可并入本文以供參考。
熱交換器130，優(yōu)選是安裝在主體容器110的底部或底部的鄰近位置，更優(yōu)選是安裝在所述主體容器的下部四分之一位置，以確保在ESG以液體形式存在的區(qū)域發(fā)生能量傳遞。因此，主體容器110的壓力的調(diào)節(jié)，是以這樣一種方式進(jìn)行的，可使得所述主體容器中的液體處于室溫的大約5℃范圍之內(nèi)。熱交換器位于液體形式ESG鄰近位置的結(jié)果，使得有效的能量輸入能夠發(fā)生。
在操作過(guò)程中，半導(dǎo)體設(shè)備需要的ESG蒸氣使得流量控制閥140打開(kāi)。蒸發(fā)的ESG流出主體容器110，并流經(jīng)具有一個(gè)流量控制閥140的管道120。根據(jù)所采用的ESG的類(lèi)型，主體容器內(nèi)的操作壓力在約2-100巴范圍內(nèi)變化，優(yōu)選是維持在6-60巴。盡管如此，為了確保能夠以需要的流速取出蒸氣相ESG，在容器110下游的管道120中安裝有一個(gè)壓力傳感器150如轉(zhuǎn)換器。
輸送系統(tǒng)100包括一個(gè)閉環(huán)控制元件，以監(jiān)測(cè)所述ESG經(jīng)由管道130被取出之處的壓力，并補(bǔ)償利用的蒸發(fā)能量以便以期望的流速輸送所述的ESG。合適的控制元件是本領(lǐng)域公知的，作為范例，它包括一個(gè)可程序化的邏輯控制器(PLG)或微處理器160。
在所給出的作為范例的實(shí)施例中，壓力傳感器150傳送測(cè)量信號(hào)到控制器160中，從而記錄管道120中蒸氣相ESG的壓力。采用一種運(yùn)算法則，根據(jù)所測(cè)量的壓力，結(jié)合所采用的特定ESG的壓力與溫度關(guān)系曲線，確定主體容器中液相ESG的溫度。根據(jù)得到的溫度，與溫度設(shè)定值范圍進(jìn)行比較。如果該溫度低于所述范圍的下限，則要以熱量的形式供給能量。相反地，如果該溫度高于所述范圍，則需要采用熱交換器移走能量。
另一種替代方案是，所測(cè)量的壓力與可接受溫度的壓力設(shè)定值范圍進(jìn)行比較。如果壓力低于環(huán)境溫度時(shí)所預(yù)期的壓力，例如，就會(huì)有信號(hào)從控制器160傳送到熱交換器130中，以輸送能量到主體容器110中。這樣，熱能用來(lái)恢復(fù)必需的壓力，以維持輸送到使用地點(diǎn)所需要的蒸氣流速。
盡管本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)一個(gè)具體實(shí)施例作了詳細(xì)的描述，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，不離開(kāi)權(quán)利要求書(shū)的范圍而對(duì)其作各種更改和改進(jìn)及采用等同代換，都是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)輸送來(lái)自液化狀態(tài)氣體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)一個(gè)輸送容器，其中盛裝有主體數(shù)量的液化氣體；(b)一個(gè)熱交換器，安裝在所述輸送容器上，用來(lái)提供能量或從所述液化氣體移走能量；和(c)一個(gè)壓力控制器，用來(lái)測(cè)壓力和調(diào)節(jié)輸送到所述液化氣體的能量。
2.權(quán)利要求1所述的氣體輸送系統(tǒng)，還包括一個(gè)管道，它具有連接到所述的輸送容器上的第一端，和安裝用來(lái)輸送所述主要呈氣態(tài)形式的液化氣體到使用地點(diǎn)的第二端。
3.權(quán)利要求2所述的氣體輸送系統(tǒng)，還包括一個(gè)連接在所述管道和/或所述容器上的壓力傳感器。
4.權(quán)利要求2所述的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述的壓力傳感器測(cè)量所述液化氣體的壓力，并傳送信號(hào)到所述的控制器。
5.權(quán)利要求4所述的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述的控制器可推導(dǎo)得出所述容器中液化氣體的溫度，并根據(jù)編入所述控制器的可接受溫度范圍，開(kāi)啟所述的熱交換器。
6.權(quán)利要求1所述的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述的控制器是可編程的邏輯控制器或微處理器。
7.權(quán)利要求1所述的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述的熱交換器是安裝在所述容器的下部鄰近所述液化氣體所在位置。
8.權(quán)利要求7所述的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述的熱交換器是安裝所述容器下部的四分之一處。
9.權(quán)利要求1所述的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述的輸送容器是位于加工廠內(nèi)部或其外部。
10.權(quán)利要求2所述的氣體輸送系統(tǒng)，還包括一個(gè)閥，它位于所述的管道之中，用來(lái)控制液化氣體到使用地點(diǎn)的輸送
11.一種以可控方式輸送來(lái)自液化狀態(tài)氣體的方法，所述方法包括(a)提供一個(gè)輸送容器，其中盛裝有主體數(shù)量的液化氣體；(b)以壓力可控方式，經(jīng)由一個(gè)熱交換器，提供能量或從所述的輸送容器中移走能量；和(c)以可控的流速?gòu)乃鋈萜鬏斔退鲆夯瘹怏w到使用地點(diǎn)。
12.權(quán)利要求11所述的氣體輸送方法，還包括提供一個(gè)控制器，并根據(jù)所采用的氣體設(shè)定一個(gè)高壓力值和一個(gè)低壓力值。以控制其流速。
13.權(quán)利要求12所述的氣體輸送方法，還包括當(dāng)壓力低于環(huán)境溫度的設(shè)定壓力時(shí)，傳送來(lái)自所述控制器的信號(hào)到所述的熱交換器，以供給能量到所述的輸送容器中。
14.權(quán)利要求11所述的氣體輸送方法，其中所述的液化氣體是以主要呈氣態(tài)的形式輸送到使用地點(diǎn)的。
15.權(quán)利要求11所述的氣體輸送方法，還包括提供一個(gè)控制器，并根據(jù)所采用的氣體設(shè)定一個(gè)高溫值和一個(gè)低溫值，以控制其流速。
16.權(quán)利要求15所述的氣體輸送方法，還包括測(cè)量輸送到使用地點(diǎn)的液化氣體的壓力，并傳送信號(hào)到所述的控制器，其中采用一種運(yùn)算法則，以推導(dǎo)得出所述液化氣體的溫度。
17.權(quán)利要求16所述的氣體輸送方法，還包括當(dāng)所述液化氣體的溫度低于特定氣體的設(shè)定溫度時(shí)，傳送來(lái)自所述控制器的信號(hào)到所述的熱交換器，以供給能量到所述的輸送容器中。
18.權(quán)利要求16所述的氣體輸送方法，還包括當(dāng)所述液化氣體的溫度高于特定氣體的設(shè)定溫度時(shí)，傳送來(lái)自所述控制器的信號(hào)到所述的熱交換器，以便從所述的輸送容器中移走能量。
19.權(quán)利要求11所述的氣體輸送方法，其中所述的能量供給到所述容器的下部。
20.權(quán)利要求19所述的氣體輸送方法，其中，所述的能量供給到所述容器下部的四分之一處，其中所述氣體呈液體形式。
21.權(quán)利要求11所述的氣體輸送方法，其中，所述的氣體選自NH3、BCl3、CO2、SiH2Cl2、HBr、HCl、HF、N2O、C3F8、SF6和WF6。
全文摘要
提供了一種新型的用來(lái)輸送來(lái)自液化狀態(tài)氣體的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括(a)一個(gè)輸送容器,其中盛裝有主體數(shù)量的液化氣體;(b)一個(gè)熱交換器,安裝在所述輸送容器上,用來(lái)專(zhuān)門(mén)提供能量或從所述液化氣體移走能量;和(c)一個(gè)壓力控制器,用來(lái)測(cè)壓力和調(diào)節(jié)輸送到所述液化氣體的能量。該系統(tǒng)和方法可允許來(lái)自輸送容器的液化氣體以預(yù)定的流速進(jìn)行可控的輸送。它特別適合用于輸送氣體到半導(dǎo)體加工工廠中。
文檔編號(hào)F17C13/00GK1338586SQ01123270
公開(kāi)日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2001年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月20日
發(fā)明者R·J·尤迪查斯, B·J·朱?？? H-C·王, R·G·歐文 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司