CN104772008A - 用于气体回收和再利用的系统和方法 - Google Patents

Abstract

工艺气体，例如但不限于氦气，可用于制造各种物品。本文中描述了收集、再利用和再循环在生产过程中使用的工艺气体，而不是将这些物料作为废弃物处理。

Description

用于气体回收和再利用的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年1月13日提交的美国临时申请No.61/926,649的优先权权益。本临时申请的公开内容在此以其全部内容通过引用并入。

发明领域

本文中描述了回收用于制造物品的工艺气体例如氦气(He)的系统和方法。本文中还描述了回收和然后再利用用于制造物品的工艺气体的系统和方法。

发明背景

氦气(He)是用于制造各种物品的工艺气体。因为该气体是惰性的、具有极端的熔点和沸点、并具有高导热性，它适合用于制造各种物品例如光纤、高能加速器和硅片制造以及用于某些工艺例如电弧焊。虽然He是地球大气中第二最丰富元素，但大气中的大部分He逸出到太空中。用于工业用途的氦气作为天然气生产的副产物得到。

因为在20世纪中叶，氦气对军事侦察和空间探索至关重要，所以国会要求政府在全国范围内鼓励私人氦气生产商将他们的氦气销售给政府，作为联邦氦气计划(Federal helium Program)的一部分。美国自己生产了世界氦气的75％。该总数的几乎一半、或世界氦气供应的大致30％，来自美国联邦氦气储备(U.S.Federal HeliumReserve)。制定氦气价格的联邦政府在4月宣布，氦气价格将从FY2012的$75.75/千立方英尺(Mcf)飙升到FY 2013的$84/Mcf。这种价格飙升、连同不确定的联邦政策一起，预示会产生短缺。

因此，需要提供用于捕集工艺气体例如但不限于氦气、和/或其他工艺气体的方法、系统、设备或其组合，以在生产过程中再利用和/或再循环。本领域中需要降低运送至生产工具的工艺气体的成本。本领域还需要减少用于生产过程中的工艺气体的浪费。

发明内容

本文中描述的方法、系统和设备满足了本领域中的至少一种需要。在一个方面，提供了从使用所述工艺气体的至少一个生产工具捕集和回收工艺气体的设备，所述设备包括：

(a)至少一个生产工具，其包含用于引入工艺气体的输入管线，其中所述至少一个生产工具与工艺控制器电连通；

(b)流出物管线，其与至少一个生产工具流动连通并在所述至少一个生产工具中加工物品之后移出用过的工艺气体；

(c)在所述流出物管线中的阀，其允许从所述生产工具移出所述用过的工艺气体；

(d)所述阀上游的回收管线，其将所述用过的工艺气体引向处理管线；和

(e)所述处理管线，其包含净化器，其中所述用过的工艺气体在所述净化器中被处理以提供回收的工艺气体。

在一个方面中，本文中描述的设备还包括与所述处理管线流动连通的回收容器，其中所述回收容器包含所述回收的工艺气体。在这个方面或替代方面，本文中描述的设备还包括将所述回收的工艺气体通过所述输入管线引入所述至少一个生产工具中。

在另一个方面，提供了从使用所述工艺气体的至少一个生产工具捕集和回收工艺气体的系统，所述系统包括：

(a)具有用于引入所述工艺气体的一个或多个管线的至少一个生产工具，其与工艺控制器电连通；

(b)出自所述至少一个生产工具的流出物管线，其能够移出引入所述生产工具中的工艺气体；

(c)在所述流出物管线中的阀，其允许从所述生产工具移出所述工艺气体和防止至少一部分流出物返回到所述至少一个生产工具；

(d)与所述至少一个生产工具、或流出物管线具有连接的位于所述阀上游的回收管线，其能够从所述生产工具或流出物管线中移出所述工艺气体并将它送至处理管线；

(e)工艺控制器；和，

(f)回收容器，其与所述工艺控制器电连通并能够容纳所述回收的工艺气体。在一种具体实施方式中，所述工艺气体包含氦气。

在另一方面，提供了捕集和回收工艺气体的方法，所述步骤包括：

向其中具有待加工的物品的加工工具提供工艺气体；

用所述工艺气体加工所述物品以提供用过的工艺气体；

通过流出物管线从所述加工工具移出所述用过的工艺气体；和

处理所述用过的工艺气体以提供回收的工艺气体。

在一个方面，本文中描述的方法还将所述回收的工艺气体引入回收容器、例如但不限于储瓶或罐中以容纳所述回收的工艺气体。在这个方面或替代的方面，本文中描述的方法还包括将所述回收的工艺气体通过所述输入管线引入所述至少一个生产工具中。

附图说明

本发明在下文中将结合附图描述。

图1提供了用于从至少一个生产工具捕集和回收工艺气体例如氦气的所述设备、系统和方法的实施方式，其显示了在所述回收的工艺气体运送到所述至少一个生产工具之前所述系统的元件。

图2显示了本文中描述的所述系统设备、系统和方法的实施方式，描绘了从多个生产工具回收用过的工艺气体和与生产工具相连的流出物管线，其然后引导到另外的系统进行处理。

图3显示了本文中描述的系统设备、系统和方法的实施方式，描绘了所述用过的工艺气体经受一种或多种处理。

图4显示了本文中描述的系统设备、系统和方法的实施方式，描绘了图3的处理工艺气体经受一种或多种附加处理例如净化。

图5显示了本文中描述的系统设备、系统和方法的实施方式，描绘了所述处理和净化方法或者图4的回收气体经受一种或多种附加处理例如压缩。

图6显示了本文中描述的系统设备、系统和方法的实施方式，描绘了图5的回收工艺气体被引导到与多个加工工具流动连通的歧管。

图7是本文中描述的系统设备、系统和方法的实施方式，描绘了至少一个生产工具和所述工艺气体的输入管线和所述用过的工艺气体的流出物管线。

具体实施方式

物料回收提供了减少由生产过程产生的废弃物的成本和量的机会。半导体工艺的流出物，例如氦气或其他工艺气体，可回收再利用而不是像当前所做的那样作为废弃物处理。物料回收提高了物品制造的利用效率、节省了有限的资源、和/或减少了所产生的废弃物的量。虽然本文中描述的方法、系统和/或设备用于捕集和再利用在物品生产中使用的氦气(He)，但相信本文中描述的方法、系统和/或设备可以扩展到其他工艺气体，例如但不限于氢气或以下稀有气体之一：氖气，氩气，氪气，氙气，和/或其组合。然而，在本文中描述的之外、可通过膜技术进行净化的其他工艺气体也可以用于本文中描述的系统、方法和设备。

本文中描述了回收想要的工艺气体例如但不限于He的机构，其回收收率使生产废弃物最小化并允许被捕集的用过的工艺气体在所述制造工艺中再利用。术语“用过的工艺气体”在本文中使用时是指物品生产中使用过的工艺气体。在本文中描述的方法、系统和设备的一种实施方式中，所述用过的工艺气体被捕集并然后经受一种或多种以下处理：干燥、净化、压缩、储存和/或冷凝以符合所述工艺气体的工艺要求，例如纯度、湿度、微粒、压力、体积或其他要求，从而提供回收的工艺气体。在一种实施方式中，这种回收的工艺气体然后可再引回到所述生产过程中。在替代性实施方式中，所述回收工艺气体可储存供用于相同或不同的生产过程中。

以前，工艺气体例如He被运送到包含在一个或多个生产工具内的气氛中供物品加工，并被引到生产工具废气和作为生产废弃物抛弃。本文中描述的方法、系统和系统允许包含工艺气体的生产废弃物、或包含He的用过的工艺气体捕集到储存容器例如气瓶中，然后为将来生产的其它用途和/或再利用而取用。所述捕集方法将所述工艺气体或He储存在容器或回收容器中供处理例如净化(如果需要)和随后的再利用。本文中描述的方法还可以移出所述至少一个生产工具的流出物，使其受到一种或多种处理，然后在所述至少一个生产工具中再利用所述处理的工艺气体。所述用过的He或工艺气体利用所描述的方法进行再利用以提供回收的工艺气体可达到的示例性收率包括一个或多个以下端点：基于总物料供应，10vol％或更高，20vol％或更高，30vol％或更高，40vol％或更高，50vol％或更高，55vol％或更高，60vol％或更高，65vol％或更高，70vol％或更高，75vol％或更高，80vol％或更高，或90vol％或更高。本文中还描述了有效捕集所述工艺气体或He供生产中再利用的设备、方法和系统。

接下来的详细描述只提供优选的示例性实施方式，并且不打算限制本发明的范围、适用性或构造。相反地，接下来的优选示例性实施方式的详细描述将为本领域技术人员提供实施本发明的优选示例性实施方式的可行性描述。在不背离所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围下，可以对要素的功能和排列做出各种改变。

术语“管道”，用于说明书和权利要求书中时，是指一种或多种结构，流体通过所述结构可在系统的两个或更多个部件之间输送。例如，管道可包括输送液体、蒸气、气体及其组合的管、导管、沟槽、通路及其组合。

术语“流动连通(flow communication)”，用于说明书和权利要求书中时，是指在两个或更多个部件之间连通性的性质，使得液体、蒸气、气体或其组合能够以受控的方式(即不渗漏)在部件之间输送。联接两个或更多个部件致使它们彼此流动连通可包括本领域已知的任何合适的方法，例如利用配件、焊接、有法兰的管道、密封垫和螺栓。两个或更多个部件还可以通过所述系统中可以分开它们的其他部件联接在一起。

术语“电连通”用于说明书和权利要求书中时，是指本文中描述的设备、系统或方法的两个或更多个部件之间连通性的性质。在一种实施方式中，一个部件可以是CPU中央处理器(CPU)、工艺控制器、计算机、无线电信号接收器或可从本文中描述的设备、系统或方法内的一个或多个部件引导、接受电信号或兼具二者以启动或停用本文中描述的一个或多个部件的其他机构。所述CPU、工艺控制器等还可以监测所述系统、设备和/或方法符合某些预定标准或工艺要求。例如，在图1至7显示的实施方式中，例如，使用CPU 15监测设备5的某些方面，例如压力、纯度、He的百分率、和/或其他参数。

为了帮助描述本发明，可以在说明书和权利要求书中使用方向性术语来描述本发明的部分(例如，上，下，左，右等等)。这些方向性术语仅仅打算帮助描述和主张本发明，而不打算以任何方式限制本发明。另外，在说明书中结合附图引入的参考数字可以在一个或多个随后的图中重复，而在说明书中不再描述，以提供其他特征的内容。

图1提供了本文中描述的方法、系统和设备的一种实施方式，其中所述工艺气体包含氦气。工艺气体或He提供到所述至少一个生产工具中以加工包含在在其中的物品(其在图7中显示为260A)。在向所述工具引入He之前，内部容积任选利用真空系统抽空(真空系统未显示)。如图1所示，He作为工艺气体从纯He的供应室或供应舱(图1未显示)提供并显示为工艺气体输入10。工艺气体输入10沿着进料管线20行进，进料管线20还可以包括压力传感器22。压力传感器22与工艺控制器或中央处理器(CPU)15电连通，后者引导和/或监测工艺气体通过所述系统的流动。如图1中所示，CPU 15与压力传感器22和质量流量控制器25电连通。进料管线20包括粒子过滤器28并还可以包括一个或多个任选的止回阀(未显示)，以防止所述工艺气体流回所述供应舱。质量流量控制器25将运送给所述至少一个生产工具的工艺气体流控制到某个流率，例如，130标准立方厘米(sccm)。然而，所述工艺气体的流率和其他属性可经由最终用户根据系统要求进行调节。图1中还显示了纯度补偿(make-up)工艺管线30，具有与CPU 15电连通的阀33，如果进料管线20中所述气体的浓度在受到一种或多种处理之后超出了工艺规格，则所述纯度补偿工艺管线起到增加所述工艺气体纯度的作用。进料管线20的工艺气体被引入所述系统，如本文中包含的图5所示。回到参考图1，阀23在所述系统供电故障的情况下，提供自动援助(back up)。工艺管线40具有与CPU 15电连通的阀43，其提供了向所述至少一个生产工具提供起始填充/吹扫(purge)的另一条工艺管线，以避免例如任何生产停工时间。任选的起始填充或吹扫管线40还包括质量流量控制器45并与回收歧管/He吹扫管线50流动连通。回收歧管/He吹扫管线50在图2中显示的元件处被引入所述系统。

图2描绘了多条流出物管线，确定为60a、60b和60c，本文中描述的方法、系统和设备在所述工艺气体已经在物品制造中在多个生产工具(在图7中显示为生产工具260A)中用过之后，从所述生产工具再捕集所述用过的工艺气体。来自多个生产工具的工具流出物管线60a至60c的工艺气体流或用过的工艺气体合并成流出物管线主集管65(main headereffluent line 65)。纯工艺气体从图1显示的系统通过工艺管线(例如回收歧管He吹扫)50运送到主流出物管线65(main effluent line 65)中。所述工艺气体用于所述一个或多个生产工具之后，用过的工艺气体通过工具流出物管线60a-60c引回，并合并到主流出物管线65，通过处理管线70，以通过一种或多种方法例如但不限于净化加以处理。在图2显示的实施方式中，传感器80提供了对于出自所述至少一个生产工具的用过的回收工艺气体的纯度的实时测量。在一种实施方式中，传感器80与工艺控制器例如显示的CPU 15电连通。在一种具体实施方式中，所述系统在低于亚大气压(例如-2psig或700托)下运行以最小化所述工艺气体的损失。在其他实施方式中，真空泵(未显示)可用于从至少一个工艺工具抽取所述用过的工艺气体。主流出物管线65与处理管线70流动连通。

图3描绘了所述系统中主流出物管线65中的用过的工艺气体通过处理管线70被送去处理的方面。处理管线70还包含过滤器90以除去在其中包含的任何微粒，和压力传感器93。过滤器90和压力传感器93还可以与工艺控制器例如所显示的CPU 15电连通，以允许最终用户监测工艺气体在整个系统中的流动和其他状况。在图3显示的实施方式中，压力传感器93与压力控制管线98中的阀96电连通。图3还显示了描绘为净化再循环管线100的工艺气体输入(其来自图4显示的净化系统)，其中不符合一种或多种系统要求的所述处理工艺气体被再引回到所述处理循环中。处理管线70包含净化调节罐(purification turndown tank)110，其包含液位传感器113和将任何溢出的水引至冷凝排水117的自动放泄阀115。净化调节罐110收集从处理管线70除去的水。处理管线70还包含压缩器97和冷却器99。压缩器97通过再循环所述气体的一部分以确保处理管线70保持一致的压力而起到管理输入压力的作用。冷却器99从所述工艺气体除去热和水并任选可以包含湿度控制阀(未显示)。处理管线70还包含净化旁路管线83(其包含阀85)。净化旁路管线83允许最终用户补充去往所述至少一个生产工具(图7中显示)的主输入集管，以达到至少一个生产工具的所述输入的工艺要求。例如，通过所述工艺控制器测量和分析的系统监测的输出数据确定了所述处理的用过的工艺气体的纯度是足够的，所述净化旁路允许该气体无需净化被引导到所述至少一个产物工具。这提高了所述系统的总效率。在所述用过的工艺气体被压缩和随后干燥之后，它然后通过阀119被引入净化管线120中。如图3显示，阀119、阀115、液位传感器113、过滤器90、和压力传感器93，与CPU 15电连通。

图4显示了用过的工艺气体经受净化的处理。在图4显示的系统中，所述用过的工艺气体经由一个或多个膜受到净化。其他净化方法也可使用，例如吸收、吸附、蒸馏或类似的手段。设想根据系统要求，可采用一种或多种替代或补充的处理方法。图3的净化管线120根据生产需要被引入一个或多个净化器125。根据所选择的净化方法，净化管线120包含压力传感器137和阀135。在图4显示的实施方式中，所述系统在净化器125中利用膜净化，其需要在整个系统的各个点处保持和计算所述工艺气体的流量。这种状况可利用显示为CPU 15的工艺控制器来控制，CPU15与一种或多种以下元件电连通：净化器125，传感器133，传感器137，和调节器135。图4描绘了净化旁路管线83(其显示在图3中)，其与纯化的最终产物掺合，显示为最终产物管线130。净化旁路管线83当所述工艺气体的纯度足够而不需要净化时使用。图4还描绘了排气管线131，其通过排气139排放所述工艺气体内包含的污染物，排气139经由主流出物管线65(图2中显示)被引入所述系统。最后，图4显示了再循环流100，其将不符合规格的工艺气体100(例如，不符合一种或多种工艺要求的工艺气体)引出净化器125、通过调节器137、并将所述处理的工艺气体再引回到图3显示的处理系统中。

图5显示了来自图4显示的系统的净化的最终产物130被引入压缩器140，其然后可通过图6中的主输入管线165被再引入至少一个生产工具中。压缩器140调节进气压力以符合生产工具要求，以提供显示为150的压缩的最终气体。图5还描绘了止回阀145，其防止来自进料管线20(图1显示)的回流纯氦气回流到所述压缩器中。如果所述处理工艺气体的纯度不符合系统要求，在这个点可以将纯He引入系统中。在某些未显示的实施方式中，所述压缩的最终产物气体可以被后加工，例如引入水化循环中以调节湿度控制。在这种或其他实施方式中，所述最终产物压缩气体还可以在再引入所述至少一个或多个生产工具中之前，根据系统要求与一种或多种气体掺合。

图6显示了压缩的最终产物气体150被引导到至少一个生产工具(在图7显示为260A)。压缩的终产物气体管线150还包含罐167，其捕集任何多余的氦气，然后运送到主气体输入集管或歧管165和控制阀163，所述控制阀163保持所述工具所需要的运送压力。罐167还允许所述生产工具和管线内包含的所有工艺气体在系统故障的情况下被捕集。主集气管165与工具输入管线160A至160C流动连通。所述系统还包含传感器171、173和175，其是监测氧气(O₂)、水(H₂O)和压力流的传感器。这些传感器与工艺控制器例如显示的CPU 15电连通。

图7描绘了所述至少一个生产工具260，其显示了压缩的最终产物气体165从主集气管供应到生产工具输入管线160A中，并且其中用过的工艺气体在物品(未显示)加工之后，通过气体回收管线或工具流出物管线60A从至少一个生产工具260A移出。生产工具输入管线160A还包含阀181。气体回收管线还包括一个或多个阀例如阀71。另外，气体回收管线可以包括任选的背压调节器(未显示)，其防止过量的用过的工艺气体流到所述回收系统。图7还描绘了纯度传感器180，其与工艺控制器例如所显示的CPU 15电连通，其允许所述至少一个生产工具260A在工艺气体不合格和/或系统故障的情况下通过关闭所显示的阀181而被隔离。如图7显示，阀181、阀71、生产工具260和纯度传感器180，与CPU15电连通。

虽然以上已经结合优选的实施方式描述了本发明的原理，但是应该清楚理解，这种描述仅作为举例而不是作为本发明范围的限制。

Claims (10)

1.用于从至少一个生产工具回收用于物品生产的工艺气体的设备，所述设备包括：

(a)至少一个生产工具，其包含用于引入工艺气体的输入管线，其中所述至少一个生产工具与工艺控制器电连通；

(b)流出物管线，其与至少一个生产工具流动连通并在所述至少一个生产工具中加工所述物品之后移出用过的工艺气体；

(c)在所述流出物管线中的阀，其允许从所述生产工具移出所述用过的工艺气体；

(d)回收管线，其将所述用过的工艺气体引向处理管线；和

(e)所述处理管线，其包含净化器，其中所述用过的工艺气体在所述净化器中被处理以提供回收的工艺气体。

2.权利要求1的设备，其还包括与所述处理管线流动连通的回收容器，其中所述回收容器包含所述回收的工艺气体。

3.权利要求1的设备，其还包括将所述回收的工艺气体经由所述输入管线引入所述至少一个生产工具中。

4.权利要求3的设备，其中所述回收的工艺气体在被引入所述至少一个生产工具中之前被压缩。

5.权利要求1的设备，其中所述工艺气体包含氦气。

6.权利要求1的设备，其中所述净化器是膜净化器。

7.用于捕集和回收用于制造物品的工艺气体的方法，所述步骤包括：

向其中具有待加工的物品的加工工具提供工艺气体；

用所述工艺气体加工所述物品以提供用过的工艺气体；

通过流出物管线从所述加工工具移出所述用过的工艺气体；和

处理所述用过的工艺气体以提供回收的工艺气体。

8.权利要求7的方法，其还包括将所述回收的工艺气体引入回收容器，任选地，所述回收容器选自储瓶或储罐。

9.权利要求7的方法，其还包括将所述回收的工艺气体经由所述输入管线引入所述至少一个生产工具中。

10.权利要求7的方法，其中所述用过的工艺气体通过净化器处理。