專利名稱：低蒸氣壓力的氣體系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于制造缺乏低揮發(fā)性雜質的低蒸氣壓力流的 系統和設備。尤其是，本發(fā)明涉及從液體或兩相的、非空氣基氣體源中形成可傳送至諸如半導體、發(fā)光二極管(LED)或液晶顯示器(LCD) 制造工具的使用點的蒸氣相低蒸氣壓力氣體流。相關技術說明半導體裝置、LED和LCD的制造涉及許多不連續(xù)的利用了非空 氣基氣體的工藝步驟。如本文中所限定的那樣，"非空氣氣體"意思是 指非來源于空氣的任何氣體及它們的組成成分。這種非空氣氣體的示 例包括但不限于硅烷、三氟化氮和氨。通常，提供給半導體、LED或LCD制造商(也稱為最終用戶或使 用點)的非空氣氣體必須包含一致的低水平的雜質、尤其是那些較非空 氣氣體不易揮發(fā)的雜質。這些雜質包括水、金屬和粒子。此外，非空 氣氣體必須以高壓(例如大于50 psig)和高度地可變的流動的蒸氣相傳 送給最終用戶。若干非空氣氣體以蒸氣相從氣體生產者處被傳送給最終用戶。這 些非空氣氣體包括硅烷和三氟4b氮。通常，以蒸氣相傳送的非空氣氣 體能夠滿足最終制造商使用點的純度要求，這是因為當非空氣氣體從 運送容器中取出時雜質水平穩(wěn)定且不變化。此外，不必調節(jié)蒸氣(例如 氣化、泵送、加熱)。壓力要求通過簡單地供給處于高壓(例如大于1000 psig)的蒸氣而滿足。高度地可變的流動速率通過簡單地設置正常環(huán)境 下的管道、閥的大小而調節(jié)。由于不調節(jié)蒸氣，所以不需要改變運送 容器或存儲容器。其它的非空氣氣體作為液體或液體/蒸氣的兩相流體從氣體制造 商處被傳送給最終用戶。這種氣體稱為低蒸氣壓力氣體且包括氨、氯化氫、二氧化碳和二氯曱硅烷。低蒸氣壓力氣體通常在70。 F的溫度 下具有低于1500psig的蒸氣壓力。因為在高壓和環(huán)境溫度時不能得到 5.這些氣體的蒸氣相，所以特別要求復雜的系統，以便傳送滿足使用點 全部要求的蒸氣相流。在授予給Udischas等人的美國專利第6,363,728號中描述了這樣 的一種系統，其中運送容器容納大量的液化氣，且運送容器在其上方 設置有熱交換器，以便給液化氣提供能量或從液化氣中除去能量。壓10 力控制器監(jiān)控壓力并調整傳送給容器的能量。該系統據稱允許以預定 的流動速率受控地傳送蒸氣相氣體。美國專利第6,581,412號公開了以高的流動速率從液化的壓縮氣 體存儲容器中傳送蒸氣相氣體的方法。加熱裝置提供在鄰近存儲容器 處并在容器壁上設置了溫度測量裝置。根據容器壁溫度，改變加熱裝15置的能量輸出，以便加熱在其中的液化的壓縮氣體。美國專利第6,614,009號涉及高流動速率、超高純度的氣體氣化 和供給系統，其中存儲容器適于傳送大量的液化氣體。該系統包含多 個適于操作液體相或氣體相的閥、用于處理液化氣體的加載/卸載單元 和加熱器，該加熱器含有永久地安置在容器上以便將能量供給到液化20 氣體內的元4牛。以上討論到的文件公開了其中低蒸氣壓力氣體從加熱液體傳送/ 存儲容器中取出的配置。具有揮發(fā)性低于低蒸氣壓力氣體的雜質保持 為液相，從而產生缺乏低揮發(fā)性雜質的蒸氣。然而，由于從容器中取 出蒸氣，低揮發(fā)性雜質水平在液相和氣相中都有所累積。當蒸氣相中25 的低揮發(fā)性雜質達到某一水平時，中斷蒸氣的取出。有時稱為"殘余料 (heel)"的剩余液體富含比低蒸氣壓力更不易揮發(fā)的雜質。該"殘余料" 隨后被丟棄。作為示例，提供至用戶場所的液氨含有通常處于0.5至10ppm的濃度范圍的水。該水分含量(moisture levd)對于通常要求1 ppb至0.2 ppm水分含量的最終制造商而言通常是不受歡迎的。由于蒸氣氨從該 供給系統中取出，故提高了剩余液相中的水的含量(waterlevel)。與最 終"殘佘料"相關聯的水的含量通常自50至1000 ppm的范圍內變動。 5 與所描述的系統相關聯的缺點之一在于，由于液化氣體在相同容器中運送、儲存和氣化，故限制了可獲得的用以容納加熱器的容器表 面面積。因此，限制了可獲得的最大取出速率。另外的缺點是，這些系統未提供穩(wěn)定的產品純度，這是因為蒸氣 流中的低揮發(fā)性雜質水平隨著容器中液體數量的降低而提高。 10 授予給Torres, Jr.等人的美國專利第6,637,212號描述了 一種用于自液化氣體源至終點傳送具有恒定雜質水平的系統和處理過程。該系 全Si將化設備，'和用以完全氣化液化氣體的加熱裝置，其中蒸氣相產品中的 雜質水平大致等于液化氣體中的水平。 15 授予給Friedt的美國專利第5,894,742號涉及一種用于將在室溫下通過高于大氣壓力的蒸氣壓力而液化的超高純氣體傳送至半導體工 具和其它使用點的方法和系統。授予給Murakami等人的美國專利第5,690,743號涉及一種用于供 給低蒸氣壓力液體材料進行沉積的設備，其中通過加壓氣體排出壓力 20輸送通道中的低蒸氣壓力液體材料給壓力液體供給系統。有關后一文件所描述的系統的缺點之一在于，它們未提供用于除 去揮發(fā)性低于該低蒸氣壓力氣體的雜質的機構。這些雜質隨同低蒸氣 壓力氣體一起自運送/存儲設備中取出并傳送給最終制造商。為滿足最終制造商的需要并克服相關技術的缺點，本發(fā)明的一個 25 目的是從液化的壓縮氣體中以高容量和高度地可變的流動提供蒸氣相的非空氣氣體。本發(fā)明的另 一個目的是提供含有比源液化壓縮氣體更低水平的 低揮發(fā)性雜質的蒸氣相非空氣氣體。本發(fā)明的另外的目的是提供具有純度穩(wěn)定性(即大致恒定的雜質 類型和水平)的蒸氣相非空氣氣體。本發(fā)明的又一個目的是提供在運送容器中的液化的非空氣氣體， 該運送容器無需為了氣化該氣體而改變，從而促進運送容器的轉出5 (changeout)。對于本領域普通技術人員中的 一 員而言，在閱讀了本文中的說明 書、附圖和所附權利要求時將會明白本發(fā)明的其它目的和方面。發(fā)明內容io 根據本發(fā)明的第一個方面，提供了一種用于制造低蒸氣壓力的蒸 氣流的系統。該蒸氣流缺乏低揮發(fā)性雜質并被傳送^M吏用點。該系統 提供了在其中容納液體或兩相流體的運送容器。該液體和/或兩相流體 從運送容器傳輸到氣化容器中，其中至少蒸發(fā)了該液體的一部分。富 含低揮發(fā)性雜質的液流從氣化容器中取出，且缺乏低揮發(fā)性雜質的低15 蒸氣壓力的蒸氣流從氣化容器中取出并被傳送給使用點。低蒸氣壓力 蒸氣流的純度保持在所需范圍內。根據本發(fā)明的另 一個方面，提供了 一種用于制造低蒸氣壓力蒸氣 流的設備，該低蒸氣壓力蒸氣流缺乏低揮發(fā)性雜質。該設備包括在其 中具有液體或兩相流體的運送容器，和氣化容器，該液體或兩相流體20傳輸給該氣化容器并至少部分蒸發(fā)。該氣化容器包括用于控制傳送給 該氣化容器的能量的裝置。第一導管連接到氣化容器的下半部分上， 富含低揮發(fā)性雜質的液流通過該第一導管取出。傳送面板經由第二導 管連接到氣化容器的上半部分上，低蒸氣壓力蒸氣流通過該第二導管 取出并被引向使用點，其中低蒸氣壓力蒸氣的純度保持在所需范圍25 內。附圖簡要說明根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例并結合附圖將更好地理解本發(fā)明的目的和優(yōu)點，其中相同的數字在全文中表示相同的部件，且在附圖中


圖1示出了用于制造缺乏低揮發(fā)性雜質并被傳送給使用點的低蒸 氣流的系統的示意流程圖；和
圖2描繪了用于制造和傳送低蒸氣壓力蒸氣流的系統的另 一個 5實施例的示意圖，該系統包括j氐蒸氣壓力流體循環(huán)回路。
發(fā)明的詳細說明
半導體裝置、LED和LCD的制造要求向使用點傳送蒸氣相的、 低蒸氣壓力的氣體。這些氣體必須滿足用戶純度和流動要求。本發(fā)明
10 提供了從氣體制造商處運送壓縮的、液化的低蒸氣壓力的氣體，并處 理該非空氣氣體以便將缺乏低揮發(fā)性雜質的低蒸氣壓力的蒸氣流傳 送給使用點的裝置。如本文中所使用的那樣，用語"缺乏"意指在其中 具有比氣體制造商所提供的液體或兩相流體更低水平的低揮發(fā)性雜 質的蒸氣流。該系統在一致的基礎上提供了必要的純度并在實施例中
15 保持純度水平的穩(wěn)定。此外，由于在截然不同的容器中執(zhí)行運送功能 和氣化功能，故氣化該液化氣體不需要修改供給容器(下文中稱作運送 容器)。另外，該系統為高模塊化的，從而允許簡單的、經濟有效的能 力擴充。
參照圖1，描述了本發(fā)明的其中一個實施例，其根據本發(fā)明的一 20 個示范性方面說明了氨從液體存儲到LED處理工具的傳輸。盡管在此 描述的實施例有關于氨的使用，但本領域技術人員應當理解的是，可 應用于作為液體或二相的蒸氣/液態(tài)流體傳送的任何非空氣氣體。
一些LED處理工具要求高純度的氨蒸氣流，以便在藍寶石基片上 沉積氮化鎵的外延層。在該處理工具中，蒸氣氨與在基片上的諸如三 25 甲基鎵的鎵源反應，以便形成和立即沉積氮化鎵。 一組這樣的若千處 理工具可要求處于50 psig壓力和環(huán)境溫度的平均1000 slpm(標準的公 升每分鐘)的氨蒸氣。該工具實際的氨使用率可能是高度地可變的，從 0 slpm至超過2000 slpm的范圍內變動。為了滿足氨的平均需求，可要求能容納例如23,000加侖液氨的大運送容器。
參照圖1，優(yōu)選地，在室內或在允許以環(huán)境溫度運行的殼體內提 供了系統100。氨從非空氣氣體制造商處被運送至諸如isotainer的運 送容器10中。運送容器經由導管20與氣化容器40流體連通。通過 5 將高壓惰性氣體注入運送容器10中從而對運送容器加壓，可促進氨 從運送容器至氣化容器的傳輸。例如，可通過提供從氦氣供應系統30 至運送容器IO的氣態(tài)氦而實現加壓。為了在運送容器10中保持大約 100 psig至350 psig的壓力水平，通常在缸體中供給大約2000 psig至 6000psig壓力的惰性氣體。然而，如果惰性氣體的注入因純度關系而
10 不受歡迎，則可通過利用加熱逸(heating blanket)或任何其它適當的加 熱裝置向運送容器IO提供能量而對運送容器IO加壓。此外，泵可被 用來從運送容器向氣化容器傳輸液體。
氨可分批地或以半連續(xù)的方式從運送容器10傳輸到氣化容器。 在分批傳輸中，液體或兩相的氨從運送容器傳輸到氣化容器40，直到
15 氣化容器40中獲得所需的氨體積為止。蒸氣氨然后從氣化容器40中 取出，直到液位(liquid level)下降到預定值為止(即直到保持某一"殘余 料"體積為止)。當獲得該"殘余料"體積時，"殘余料"被丟棄而氣化容器 40從運送容器10中^l再次填充。
備選地，氨可以半連續(xù)的方式從運送容器10向氣化容器40中流
20 動。在該實施例中，自運送容器10至氣化容器40的流動由設置在導 管20上的控制閥50控制，以便將氣化容器中的液位維持在相對恒定 的值。第二容納容器20中的液位通常維持在大約1%至95%的容器高 度。液位選擇成優(yōu)化蒸氣相流中的液體霧沫和接觸加熱容器內表面的 液體之間的平衡。經由導管45進入和離開控制閥50的流可以是液體
25或兩相的。優(yōu)選地，控制閥上游的流為液相。
備選地，從運送容器10取出的液流可處理成防止其在導入氣化 容器40之前變成兩相混合物。這對于防止從氣化容器取出的蒸氣流 攜帶液滴或會是合乎需要的。這些液滴可攜帶較氨不易揮發(fā)的雜質，這將對氨純度具有有害影響。這種處理方法包括通過熱交換器或通過 加壓而低溫冷卻從運送容器10中取出的液流，并將液流引向設置在 氣化容器上游的分離器(未示出)。
在氣化容器40中，蒸氣和液相氨以處于或接近平衡狀態(tài)存在。
5 比低蒸氣壓力氣體不易揮發(fā)的雜質(例如水、金屬和粒子)，優(yōu)先保持
為液相，而氨優(yōu)先保持為蒸氣相。因此，離開氣化容器40的蒸氣流 60的低揮發(fā)性雜質含量低于進入氣化容器20的液體或兩相流45中 的。例如，如果氣化容器40以半連續(xù)的方式運行在100psig的壓力和 液位以便在摩爾基礎(molar basis)上的容器含量的75%處于液相，且進 10 入氣化容器的兩相流在摩爾基礎上將具有1 ppm(百萬分之一)的含水 量，則從氣化容器中取出的蒸氣的含水量將大致為10 ppb(十億分之一)。
氣化容器包括用于蒸發(fā)在其中傳輸的低蒸氣壓力流體的裝置。當 從氣化容器40中取出蒸氣流時，其中的壓力開始減少。為了抵消該
15 影響并保持壓力處于運行范圍內，通過利用加熱器160部分地蒸發(fā)該 容器中的液氨。通常，氣化容器中的壓力保持在50psig至300psig的 范圍內。對應溫度從大約32。 F到125。 F的范圍內變動。
氣化裝置可包括諸如殼管式換熱器的常規(guī)熱交換器，其中液態(tài)的 低蒸氣壓力流體沸騰成為(boiledagainst)第二流體。備選地，通過利用
20 位于容器表面上或容器內部的加熱器可加熱容器。各種加熱器都可使 用。這些加熱器包括諸如加熱逸、加熱纟奉的電阻加熱器，或如美國專 利第6,363,728號所描述并通過引用整體并入本文的加熱器。加熱器 的其它示例包括輻射式加熱器和感應式加熱器以及如美國專利申請 公開第2004/0035533號所描述的基于微波的加熱器。
25 氣化容器中的蒸氣氣體空間可以是過熱的并且流通以便蒸發(fā)容
納在該容器中的液體，從而消除對基于容器的加熱器的需要并且消除 形成液滴的可能性。在該實施例中，蒸氣將從容器中取出并加熱至例 如10至1000° F，隨后通過利用吹風機(未示出)返回容器。為了促進和/或提高氣化容器中的熱交換，容器內表面可加工成用 以增加流體的表面接觸面積，或備選地可提供緊固在容器內部的開槽
襯里(groovedliner)材料來增加表面面積。結果，隨著較大百分比的加 熱壁接觸液體氨，容器在給定壁溫時可以較大的氣化能力運行。備選 5地，如果該能力將保持恒定，則可降低壁溫。
導管60中的蒸氣流被輸送到使用點上游的傳送面板70，該傳送 面板70控制和調節(jié)低蒸氣壓力的蒸氣流以所需流動速率被傳送至該 使用點的流動、壓力和溫度。通常，流動速率從大約10slpm到2000 slpm的范圍內變動。
10 為了在通過導管60取出和傳輸的蒸氣流中保持所需的雜質水平，
富含低揮發(fā)性雜質的液流可從氣化容器經由導管100取出，并流向純 度控制閥110。與液流相關聯的流動根據氣化容器中的液體純度而變 化，并通常在流向氣化容器的液體或兩相流體的流動速率的0%至90 %的范圍間變動。由于在氣化容器中維持了大致恒定的液位，與主要
15含有蒸氣的氣體流相關聯的雜質水平保持恒定，從而滿足了半導體、 LED和LCD制造商對于恒定純度的要求。
低蒸氣壓力蒸氣流中的雜質水平可進行測量并且通過調整液體 從氣化容器40中取出的速率來控制。優(yōu)選地，液體被這樣取出，使 得固定了液體流到低蒸氣壓力蒸氣流的比率 液體流對蒸氣流的比率
20 通常在從0:1到2:1的范圍內變動。
參照圖2，說明了另一個實施例。在這個系統200中，富含低揮 發(fā)性雜質的液流被引向廢物貯存器/容器225。廢物貯存器/容器225中 的壓力通過經由導管250泄^C蒸氣而受控。廢物貯存器225通常以從 大約1 psig至100psig的范圍內變動的壓力運行。廢物貯存器225中
25 的壓力通常低于氣化容器40中的壓力，從而啟動了通向廢物貯存器 225的流動。當廢物貯存器225被充滿或幾乎裝滿液體時，該廢物貯 存器225可能為了進一步處理而返回給低蒸氣壓力的氣體制造商。備 選地，含雜質的液體可循環(huán)至第一容納容器10,或任選地經由導管230引向最終制造商的廢物處理系統(未示出)。
從氣化容器40中取出的J氐蒸氣壓力流，可通過引導蒸氣經過設 置在傳送面板70上游的吸附裝置、過濾裝置或蒸餾裝置290而進一 步凈化。上述的凈化裝置例如可包括部分冷凝器290，該部分冷凝器 5 290通過制冷劑流而冷卻，以便冷凝較氨不易揮發(fā)的雜質。制冷流可 包括任何市場上可買到的制冷劑或通過廢液經由導管240離開廢物貯 存器225的蒸發(fā)而提供。任選地，部分冷凝器290可作為氣化容器40 的一部分并入。離開部分冷凝器290的蒸氣#_引向傳送面板70，而部 分冷凝器中的液體成分則返回到氣化容器40中。備選地，可將離開 10 氣化容器40的蒸氣引向除霧器(未示出)，以便除去任何液相成分并使 其返回氣化容器。
諸如過濾器的附加的凈化系統210可設置在傳送面板的下游，以 便確保缺乏低揮發(fā)性雜質的低蒸氣壓力流在其傳送給使用點之前被 更進一步凈化。
15 盡管本發(fā)明已參照其具體實施例進行了詳細地描述，但本領域技
術人員將會明白可做出各種改變和修改，以及利用其等同物，這均未 脫離所附權利要求的范圍。
權利要求
1.一種用于運送低蒸氣壓力流體和制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力流的系統，其中，所述主要含有蒸氣的流缺乏低揮發(fā)性雜質，所述系統并且向使用點傳送所述主要含有蒸氣的流，所述系統包括提供在其中含有液相或兩相低蒸氣壓力流體的運送容器；從所述運送容器向氣化容器傳輸所述液體和/或兩相低蒸氣壓力流體的一部分，在所述氣化容器中至少蒸發(fā)了所述液體的一部分；從所述氣化容器中取出主要含有富含低揮發(fā)性雜質的液體的流；和從所述氣化容器中取出主要含有缺乏低揮發(fā)性雜質的流并將所述主要含有蒸氣的流傳送給使用點，其中，所述主要含有蒸氣的流的低揮發(fā)性雜質水平保持在所需范圍內。
2. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述系統還包括通過在其中注入高壓惰性氣體而對所述運送容器加壓，以便將所 述液體和/或兩相流體傳輸到所述氣化容器中。
3. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述系統還包括從所述氣化容器中以分批 的方式或不連續(xù)的方式耳又出所述液相流或兩相流。
4. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述系統還包括將從所述氣化容器中取出的蒸氣引向傳送面板，所述傳送面板控 制傳送給所述使用點的所述低蒸氣壓力蒸氣流的流動速率、壓力和溫 度。
5. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有所述蒸氣的低蒸氣 壓力流的系統，其特征在于，所述使用點為半導體、發(fā)光二極管或液 晶顯示器制造工具。
6. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述系統還包括經由對其施加的少量能量使所述運送容器加壓。
7. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述系統還包^":經由熱交換器對容納在所迷氣化容器中的所述液體加熱，所述液 體在所述熱交換器中沸騰成為第二液態(tài)流體。
8. 根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述液相或兩相流體為選自氨、氯化氫、二 氧化碳、二氯甲硅烷或它們的混合物的非空氣基流體。
9.根據權利要求1所述的用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力 流的系統，其特征在于，所述氣化容器中的液位保持在所述氣化容器 高度的大約1%至95%的范圍內。
10. —種用于制造主要含有蒸氣的低蒸氣壓力流的設備，其中， 所述主要含有蒸氣的流缺乏低揮發(fā)性雜質，所述設備包括在其中具有液相或兩相流體的運送容器；氣化容器，所述液相或兩相流體傳輸到所述氣化容器中并至少部 分地蒸發(fā)；用于控制傳送至所述氣化容器的能量的裝置；第一導管，所述第一導管連接到所述氣化容器的下半部分上，主 要含有富含低揮發(fā)性雜質的液體的流通過所述第 一導管取出；和經由笫二導管連接至所述氣化容器的上半部分上的傳送面板，主 要含有蒸氣的低蒸氣壓力流通過所述第二導管取出并被引向使用點，其中，所述主要含有蒸氣的流的純度保持在所需范圍內。
全文摘要
一種系統和設備(100)，其用于制造缺乏低揮發(fā)性雜質的低蒸氣壓力蒸氣流，并將其傳送給使用點。該系統提供了在其中容納液相或兩相流體的運送容器(10)。液體和/或兩相流體從所述運送容器(10)傳輸到氣化容器(40)中，其中至少蒸發(fā)了液體的一部分。富含低揮發(fā)性雜質的液流從氣化容器(40)中取出，且缺乏低揮發(fā)性雜質的流從氣化容器(10)中取出。低蒸氣壓力流被傳送給使用點且純度保持在所需范圍內。
文檔編號F17C9/02GK101243285SQ200680029368
公開日2008年8月13日 申請日期2006年7月10日 優(yōu)先權日2005年7月11日
發(fā)明者J·A·托雷克, K·L·伯格爾斯, K·R·佩斯, M·L·蒂姆, S·查克拉瓦蒂, T·J·伯格曼 申請人:普萊克斯技術有限公司