专利名称：用于控制输送来自主体源的液化气体的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制输送来自液化状态的气体的系统和方法。具体地说，本发明涉及一种用于输送来自主体源的气体的系统和方法。
在半导体生产工业中，贮存于主体输送容器中的高纯气体，要供料到用来实施多种不同半导体生产工艺的加工工厂中。这些生产工艺包括扩散、化学蒸发沉积(CVD)、蚀刻、溅射和离子注入。
在用于半导体生产工艺中的多种气体中，许多是以液化状态贮存在主体输送容器中的。以这种方式贮存的化学品的部分名单，以及它们通常贮存的压力，如下表1中所示:
表1
所述主体输送容器和系统的主要目的，是贮存上述所列的电子特性气体(ESG)，并为输送气体从所述容器到所述加工工厂提供一种安全的输送工具。
在集成电路的生产中，所采用的电子特性气体必须要以超高纯度形式输送到使用地点。超高纯度，在此定义为任一挥发分子的杂质浓度是低于100ppb(十亿分之一)，具体地说，尺寸大于0.3微米的微粒浓度，在通常条件下是低于1/升气体，金属杂质是低于1ppb(十亿分之一原子单体)每种元素。
在通常的气体输送系统中，如在Mostowy，Jr等人的US5673562中所公开的，电子特性气体是通过应用蒸发热动力学原理而被传送到使用地点的。贮存在所述主体输送容器中的气体，维持在气-液相平衡状态，在所述容器的上部区域所形成的超纯蒸气在其自身蒸气压下被传送到使用的地点。
但是，一个与这些类型系统有关的问题是，必须维持需要的相平衡性质从而以期望的流速输送所述的气相物质。在所述主体输送容器中的受压气-液系统的温度和压力，会由于流出所述容器气体流速的变化而发生改变。这种现象是由于在实际条件下所用的蒸发热不能被外部热量所补偿的事实所引起的。换句话说，存在于所述主体容器中的受压气-液系统可能会明显地变凉，这会影响气-液相平衡的条件，并从而影响气体传送到使用地点的流速。
而且，以高流速流出的蒸气相ESG，可能会带走所述气体的小液滴，从而对于所述方法和装置产生有害的影响。例如，对于HCl来说，会由于Joule-Thompson效应发生冷凝[参见“HCl系统中Joule-Thompson膨胀和腐蚀”(Joule-Thompson Expansion and Corrosion in HCl System，Solid State Technology，July 1992，pp.53-57)]。液态HCl较其蒸气形式更具有腐蚀性。同样地，对于上述表1中所列举的大多数化学品来说，其液态形式较它们各自的蒸气形式具有更强的腐蚀性。因此，在气体输送系统中的这些物质的冷凝，会引起腐蚀，它对于所述气体输送系统的部件是有害的。而且，腐蚀的产物会污染高纯的工艺气体。这种污染作用对于正在进行的工艺产生有害的影响，最终会对生产出的半导体器件产生有害的影响。
所述气体输送系统中液体的存在已经证明会引起流量控制的错误。就是说，液体在各种流量装置中的积聚，会引起流速和压力控制问题以及元件失效，从而导致加工失败。这种情形的一个实例是液态氯溢过一个阀所在位置，它会使得该阀变得永久地关闭。这类失效需要在更新失效部件和随后的渗漏检查过程停止工艺过程。导致大量的停工时间。
因此，为了满足半导体加工工业的需要，和为了克服相关技术的不足，本发明的一个目的是提供一种新型系统，用来控制输送来自液化状态的气体，它可允许对流速进行精确的控制。
本发明的另一个目的是提供一种用来输送来自主体输送容器气体的方法，可以不同的流速按照可控的方式进行。
本发明的另一个目的是提供一种系统，其中由压力控制来监测和调节输送到主体源容器的能量输入。
本发明的又一个目的是提供一种具有能量传递装置的系统，所述能量传递装置是设置用来集中所述能量到某一需要能量的地方。
本发明的其它目的和方面，对本领域的普通技术人员来说，通过考察随后的详细说明书、附图
和权利要求书，将会变得清楚明了。
本发明的目的和优点，可由下述优选的实施例的描述及相应附图变得清楚明了，其中所述附图为按照本发明输送来自液化状态气体系统的示意图。
按照本发明的系统，蒸气相气体可以期望的流速从主体输送容器中取出，这是由压力测量和控制装置通过维持和控制对所述容器中的能量输入而实现的。而且，由于所述主体容器外部温度不能表示将要由那里进行分配的产物情况，所以能量传递装置是安装在一个盛装有液相气体的区域。这样，就可以快速和便利的方法实现温度的稳定化。此处所述“主体”表示任何具有容积大于标准气缸(约20升)的容器。
根据本发明的一个方面，提供了一种用来输送来自液化状态气体的系统。所述系统包括(a)一个输送容器，其中盛装有主体数量的液化气体；(b)一个热交换器，安装在所述输送容器上，用来专门提供能量或从所述液化气体移走能量和(c)一个压力控制器，用来测压力和调节输送到所述液化气体的能量。优选地，所述控制器监测压力以推导得到输送容器的温度，并调节其中的能量交换。
根据本发明的另一个方面，提供了一种以控制方式输送来自液化状态气体的方法。所述方法包括(a)提供一个输送容器，其中盛装有主体数量的液化气体；(b)以压力控制方式，经由一个热交换器，提供能量到所述的主体输送容器中；和(c)以可控的流速从所述容器输送所述液化气体到使用地点。
本发明用来维持气-液相平衡的控制条件，从而以期望的流速，输送来自盛装有主体数量呈液化状态气体的输送容器的气体。
本发明将通过参见附图进行说明，它图示地说明了按照本发明一个具有代表性的方面用来输送来自主体源气体的示意系统100。但是，要指出的是，具体的配置通常取决于诸如费用、安全性要求等因素。
一种化学品，如一种液化电子特性气体(ESG)，在其自身的蒸气压下贮存在主体容器110中。所述主体容器可由如304型和316型不锈钢、哈司特镍合金、镍或一种涂层金属(例如，涂有锆的炭)的材料建造而成。这些材料绝对不会与所述的ESG发生反应，并能够承受真空和高压。存在于所述主体容器中的具体原料没有特别的限定，它随工艺而定。常用的原料包括这些列于表1中的物质，例如，NH3，BCl3，CO2，SiH2Cl2，HBr，HCl，HF，N2O，C3F8，SF6和WF6。
典型地，主体容器110是全部地输送到现场的。另一种替代方案是，主体容器110是现场填充的。在引入ESG之前，要采用高纯度惰性气体的交替真空-高压循环，对其进行吹扫。优选地，所述主体容器是加热到约80-120℃的温度范围，并且它能够在吹扫过程中承受真空和高达100巴的压力。
所述ESG可以气态或液相形式输送填充到主体容器中。所述的输送填充在其引入到主体容器110之前，为所述的ESG净化提供了又一次的测量。所述的输送，如果需要的话，优选是采外部和或内部的热交换器，在通过低温下冷却主体容器的帮助下进行的。
所述的主体容器是安装在“现场”的，它是处于非常邻近所述半导体生产设备的地点，在该处的外部温度可低至-30℃，或者是安装在所述设置的内部，由该处所述的ESG可以安全便利的方式输送到使用地点。所述设备优选是配置有自动气体传感器和应急消除系统，以防止意外渗漏或其它的系统故障。
容器110经由管道120连接到使用地点，如半导体加工厂。尽管起始时是处于平衡状态，但是，当所述气体在其蒸气压下被输送到使用地点时，在主体容器110中的液-气相热动力学平衡是非平衡的。这样，当气体以高的流速被取出时或是温度低至易于气体输送到使用地点时，能量就会从周围环境发生传递，为了恢复到平衡状态，能量从主体容器110传递到周围环境，使所述液体和蒸气的温度降低，自容器110中取出和输送的蒸气，其中可能会携带最小量的小液滴。自然地，管道120优选是由一种耐腐蚀材料制成。如上述关于主体容器110所述。
为了维持所述主体容器的温度和压力，热量必须要传递到所述液体主体容器110中。热传递到主体容器110的速率平衡，是由流速和主体容器110的热质量具体限定的能量需要所确定的。在周围环境与主体容器110之间的热传递速率取决于(1)整体热传递系数；(2)可用于热传递的表面积；和(3)周围环境和主体容器110内容物之间的温差。计算热传递速率的方法，在美国专利US5761911和美国申请序列号08/893499中有更为详细的解释，它们可以全部并入本文以供参考。
提高到所述主体容器的能量输入，反过来会提高热传递速率。因此，从主体容器110中取出主体容器与周围环境之间(类似地，贮存的液体与主体容器之间)温差过大的物质，是不希望的，这是由于在气体流出主体容器时可能会携带有小液滴，它源于不同的沸腾现象。当主体容器和液体间的温差提高时，蒸发过程就会由一种界面蒸发变为一种起泡现象。
结合导致在流动气体中液相存在的三种机理(即，自主体容器中流出的蒸气中携带有液滴杂质；在主体容器下游第一构件的膨胀过程中形成；和吹扫在流动起动过程中存在的液滴)，可有效地限制气体的流速，由单独的主体容器可靠地供给。业已确定，这些存在于工艺气体中小液滴的消除和维持主体容器的温度和/或压力在某一预定的范围之内，可允许流速具有更大的连续性。
在一个代表性实施例中，蒸气相ESG是以可变速率和可控方式，自主体容器110中取出的。所述蒸气相是自主体容器110的顶部或顶部附近取出的，以液态存在的气体还保留在所述容器中。这样，主体容器中的气体在操作过程中是处于受压状态，从中取出的蒸气由于在输送的蒸气中没有携带小液滴，所以具有低的杂质浓度。
当蒸气自主体容器110中以提高的速率取出时，主体容器110和管道120中的压力会降低，从而实际上会降低维持半导体设备所需要的流速的能力。为了维持输送蒸气的期望流速，可采用一个压力控制装置用于对主体容器110的能量输入。能量源是一个热交换器130，它具有一种液体传递介质在金属线圈中循环，或者是采用埋入在金属线圈的加热器通过电加热，例如一种可购得的商标名称为THERMOCOAX的线圈。所述的金属线圈，对于考虑过的具体的ESG，是由耐腐蚀材料制造而成的，如上述提到的耐腐蚀材料。对于液体提供能量的情形，所述的液体热传递介质的选择，不仅要考虑到其热性质，而且还要考虑到安全性，以防止系统100中的意外渗漏。合适的能源在美国专利US5673562有更为具体的描述，其全文可并入本文以供参考。
热交换器130，优选是安装在主体容器110的底部或底部的邻近位置，更优选是安装在所述主体容器的下部四分之一位置，以确保在ESG以液体形式存在的区域发生能量传递。因此，主体容器110的压力的调节，是以这样一种方式进行的，可使得所述主体容器中的液体处于室温的大约5℃范围之内。热交换器位于液体形式ESG邻近位置的结果，使得有效的能量输入能够发生。
在操作过程中，半导体设备需要的ESG蒸气使得流量控制阀140打开。蒸发的ESG流出主体容器110，并流经具有一个流量控制阀140的管道120。根据所采用的ESG的类型，主体容器内的操作压力在约2-100巴范围内变化，优选是维持在6-60巴。尽管如此，为了确保能够以需要的流速取出蒸气相ESG，在容器110下游的管道120中安装有一个压力传感器150如转换器。
输送系统100包括一个闭环控制元件，以监测所述ESG经由管道130被取出之处的压力，并补偿利用的蒸发能量以便以期望的流速输送所述的ESG。合适的控制元件是本领域公知的，作为范例，它包括一个可程序化的逻辑控制器(PLG)或微处理器160。
在所给出的作为范例的实施例中，压力传感器150传送测量信号到控制器160中，从而记录管道120中蒸气相ESG的压力。采用一种运算法则，根据所测量的压力，结合所采用的特定ESG的压力与温度关系曲线，确定主体容器中液相ESG的温度。根据得到的温度，与温度设定值范围进行比较。如果该温度低于所述范围的下限，则要以热量的形式供给能量。相反地，如果该温度高于所述范围，则需要采用热交换器移走能量。
另一种替代方案是，所测量的压力与可接受温度的压力设定值范围进行比较。如果压力低于环境温度时所预期的压力，例如，就会有信号从控制器160传送到热交换器130中，以输送能量到主体容器110中。这样，热能用来恢复必需的压力，以维持输送到使用地点所需要的蒸气流速。
尽管本发明已经通过一个具体实施例作了详细的描述，但是，对于本领域的技术人员来说，不离开权利要求书的范围而对其作各种更改和改进及采用等同代换，都是显而易见的。
权利要求
1.一种用来输送来自液化状态气体的系统，所述系统包括(a)一个输送容器，其中盛装有主体数量的液化气体；(b)一个热交换器，安装在所述输送容器上，用来提供能量或从所述液化气体移走能量；和(c)一个压力控制器，用来测压力和调节输送到所述液化气体的能量。
2.权利要求1所述的气体输送系统，还包括一个管道，它具有连接到所述的输送容器上的第一端，和安装用来输送所述主要呈气态形式的液化气体到使用地点的第二端。
3.权利要求2所述的气体输送系统，还包括一个连接在所述管道和/或所述容器上的压力传感器。
4.权利要求2所述的气体输送系统，其中所述的压力传感器测量所述液化气体的压力，并传送信号到所述的控制器。
5.权利要求4所述的气体输送系统，其中所述的控制器可推导得出所述容器中液化气体的温度，并根据编入所述控制器的可接受温度范围，开启所述的热交换器。
6.权利要求1所述的气体输送系统，其中所述的控制器是可编程的逻辑控制器或微处理器。
7.权利要求1所述的气体输送系统，其中所述的热交换器是安装在所述容器的下部邻近所述液化气体所在位置。
8.权利要求7所述的气体输送系统，其中所述的热交换器是安装所述容器下部的四分之一处。
9.权利要求1所述的气体输送系统，其中所述的输送容器是位于加工厂内部或其外部。
10.权利要求2所述的气体输送系统，还包括一个阀，它位于所述的管道之中，用来控制液化气体到使用地点的输送
11.一种以可控方式输送来自液化状态气体的方法，所述方法包括(a)提供一个输送容器，其中盛装有主体数量的液化气体；(b)以压力可控方式，经由一个热交换器，提供能量或从所述的输送容器中移走能量；和(c)以可控的流速从所述容器输送所述液化气体到使用地点。
12.权利要求11所述的气体输送方法，还包括提供一个控制器，并根据所采用的气体设定一个高压力值和一个低压力值。以控制其流速。
13.权利要求12所述的气体输送方法，还包括当压力低于环境温度的设定压力时，传送来自所述控制器的信号到所述的热交换器，以供给能量到所述的输送容器中。
14.权利要求11所述的气体输送方法，其中所述的液化气体是以主要呈气态的形式输送到使用地点的。
15.权利要求11所述的气体输送方法，还包括提供一个控制器，并根据所采用的气体设定一个高温值和一个低温值，以控制其流速。
16.权利要求15所述的气体输送方法，还包括测量输送到使用地点的液化气体的压力，并传送信号到所述的控制器，其中采用一种运算法则，以推导得出所述液化气体的温度。
17.权利要求16所述的气体输送方法，还包括当所述液化气体的温度低于特定气体的设定温度时，传送来自所述控制器的信号到所述的热交换器，以供给能量到所述的输送容器中。
18.权利要求16所述的气体输送方法，还包括当所述液化气体的温度高于特定气体的设定温度时，传送来自所述控制器的信号到所述的热交换器，以便从所述的输送容器中移走能量。
19.权利要求11所述的气体输送方法，其中所述的能量供给到所述容器的下部。
20.权利要求19所述的气体输送方法，其中，所述的能量供给到所述容器下部的四分之一处，其中所述气体呈液体形式。
21.权利要求11所述的气体输送方法，其中，所述的气体选自NH3、BCl3、CO2、SiH2Cl2、HBr、HCl、HF、N2O、C3F8、SF6和WF6。
全文摘要
提供了一种新型的用来输送来自液化状态气体的系统和方法。所述系统包括(a)一个输送容器,其中盛装有主体数量的液化气体;(b)一个热交换器,安装在所述输送容器上,用来专门提供能量或从所述液化气体移走能量;和(c)一个压力控制器,用来测压力和调节输送到所述液化气体的能量。该系统和方法可允许来自输送容器的液化气体以预定的流速进行可控的输送。它特别适合用于输送气体到半导体加工工厂中。
文档编号F17C13/00GK1338586SQ01123270
公开日2002年3月6日 申请日期2001年6月20日 优先权日2000年6月20日
发明者R·J·尤迪查斯, B·J·朱希克, H-C·王, R·G·欧文 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司