CN1109128C - 液化气的受控输送系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用来从液态输送气体的新型系统和方法。该系统包括：(a)一压缩液化气罐，其上连接有一输气管，前述气体通过该输气管被输出；(b)一前述气罐被置于其中的供气柜；和(c)提高环境和前述气罐间的传热速率，但不把前述气罐内的液体温度升高到环境温度以上的装置。前述设备和方法允许从供气柜中以高流速受控输送液化气。本发明尤其可应用于向半导体加工工具输送气体。

Description

液化气的受控输送系统及方法
本申请是对1996年11月25日所提交的顺序号为08/753413的共同未决申请的部分继续，在此引用该申请以作参考。
本发明涉及一种用于从液化状态受控输送气体的系统，并涉及一种包含前述系统的半导体加工系统。本发明还涉及一种从液化状态受控输送气体的方法。
在半导体制造工业中，储在气罐中的高纯度气体被供给完成各种半导体制造过程的加工工具。例如，这些过程包括扩散、化学气相沉积(CVD)、蚀刻、溅镀和离子注入。前述气罐一般放置于供气柜内。这些供气柜还装有通过一歧管将前述气罐与各个工序输气管线安全地连接起来的装置。前述工序输气管线为将气体引入各加工工具提供导管。
在半导体制造过程中所利用的多种气体，其中许多种以液化状态储放于气罐中。以这种状态储放的化学物及其储放压强的部分列表如表1所示：
                           表1
化学物   分子式  20℃蒸气绝对压强(磅/英寸2) 化学物  分子式 20℃蒸气绝对压强(磅/英寸2)
溴化氢  HBr 335
氨   NH3     129 氯化氢  HCl 628
砷化三氢   AsH3     220 氟化氢  HF 16
三氯化硼   BCl3     19 氧化亚氮  N2O 760
二氧化碳   CO2     845 过氟代丙烷  C3F8 115
氯 Cl2     100 六氟化硫   SF6     335
二氯甲硅烷 SiH2Cl2     24 磷化氢   PH3     607
乙硅烷 Si2H6     48 六氟化钨   WF6     16
前述供气柜的首要目的是提供一个安全的输送装置，以将一种或多种气体从前述气罐输送到前述加工工具。前述供气柜一般包括一带有各种流量控制装置和阀门等的气罐座，其结构允许气罐的安全更换或/和部件的安全替换。
前述供气柜按常规包括一个用一种惰性气体(比如氮或氩)在开启任何封口之前吹洗前述气体输送系统的系统。吹洗操作的控制和自动化在现有技术中是已知的，比如，公开于美国专利4989160中(专利权人为Garrett及其合作者)的技术。该专利指出不同类型的气体需要不同的吹洗方法，但未对液化气罐加以任何特别地考虑。
在HCl的情况下，由于焦耳-汤普森效应(Joule-Thompsoneffect)而发生冷凝(见《HCl体系中的焦耳-汤普森蒸发和腐蚀》〔Joule-Thompson Expansion and Corrosion in HCl System〕，《固态技术》〔Solid State Technology〕，1992年7月，53-57页)。液态HCl的腐蚀性比其蒸气态更强。类似地，对于上述表1中所列的多数化学物而言，其液态的腐蚀性都分别比其蒸气态更强。这要归因于杂质的存在，比如被捕获于气体液相中并存在于气体分配系统表面的水分。这样，这些物质在前述气体输送系统中的凝结就能够导致腐蚀，这对该系统的各部件是有害的。而且，前述腐蚀的产物会导致前述工序中的高纯度气体的污染。这种污染会对正在进行的加工产生有害的影响，并最终影响制造出的半导体元件。
液体在前述气体输送系统中的存在还必然导致流量控制的不精确。也就是说，液体在各个流量控制装置中的累积会产生流速和压强控制方面的问题和零件失灵的问题，从而导致误操作。这种情况的一个例子是，液态氯使阀座膨胀而使得阀门被永久关闭。
在一般的气体输送系统中，气体在离开前述气罐后所通过的第一个部件是一个减压装置，比如压力调节器或喷嘴。然而，对于储放蒸气压相对较低的物质(比如WF6、BCl3、HF和SiH2Cl2)的气罐而言，压力调节器可能不合适，在这种情况下上述第一个部件可以是阀门。这些压力调节器或阀门经常在使用中失灵而需要更换。这种部件的前述失灵常常可以归因于该部件中液体的存在。这种失灵可能需要在失灵部件更换时和在随后的渗漏检测中终止加工过程。由此可能导致大量的加工停工时间。
在授予Mostowy Jr.及其合作者的美国专利5359787中描述了一种从一气体源(比如一管的尾部)向一用气点输送HCl之类的吸湿的并具有腐蚀性的化学物的装置。该专利公开了惰性气体吹洗和真空循环的使用，以及在前述储气容器下游的一个受热净化器。通过在减压的同时加热，就可以阻止腐蚀性气体在输气管线系统中的凝结。美国专利5359787是针对这样的大容量储气系统的：其中，所储放的化学物体积显著大于置于供气柜中的气罐的一般容积。这种与大容量储气系统相联系的大容积的一个结果是，在大容量储气容器中的温度和压强通常是恒定的，直到该容器中的液体基本上被消耗。在这种容器中的压强基本上受环境温度的季节性变化的控制。
相反，置于供气柜中的容积相对较小的气罐中的压强变化依赖于从该气罐中的出气速率(和带走的必要的蒸发热)，以及环境向该气罐的能传递。这种效应一般不出现在大容量储气系统中。在大容量储气系统中，所储化学物的热容足够大，从而使液体的温度变化相对缓慢。大容量系统中的气压受前述液体温度的控制。也就是说，容器内的气压等于该化学物在该容器内的液体温度下的蒸气压。在基于气罐的气体输送系统中，通过控制液体和气罐温度来控制气罐压强的需要在现有技术中已被认识。已有人提出了气体加热/冷却套，用以通过气罐温度的控制而控制气罐压强。在这种情况下，一个加热/冷却套可被安装得与气罐直接接触。通过一循环流体，该套被维持在受一外部加热/冷却单元控制的一恒定温度。该种加热/冷却套在市场上可以买到，比如，气体精密控制系统公司(Accurate GasControl Systems，Inc.)有售。
这些加热/冷却套一般用以控制热不稳定气体，比如乙硼烷(B2H6)的温度控制。该种加热/冷却套的另一用途是加热装有低蒸气压气体，比如WF6、BCl3、HF和SiH2Cl2的气罐。因为这些气体的气罐压强低，由于液体温度下降而导致的任何进一步的降压都会造成流量控制问题。
对于低蒸气压的气体，为阻止在气体输送系统中的再凝结，也提出了伴随整个气体管线系统的热控制的气罐温度控制。前述管线系统热控制的需求是前述加热/冷却套使前述气罐温度高于环境温度的结果。如果不对前述输气管线进行热控制，在其中流动的气体当从被加热区流进低温区时就会发生再冷凝。然而，伴随着热控制的加热/冷却套不很受欢迎，这是因为其与系统维护(例如，在更换气罐时)相关联的复杂性以及额外的费用。另外，加热/冷却套很有可能加热过头，因为该套系绑在气罐的周围，整个系统都被加热至加热温度。这种过热会在处于该气罐下游的气体分配系统中因为较低的温度而导致再冷凝。这样，为阻止这种再冷凝，就需要对从前述气罐到气体使用位置的整个配气系统进行加热。
而且，气罐加热/冷却套的热效率不高。例如，一般的气罐加热/冷却套的加热和冷却功率为1500W。表2概括了为了使以10slm的流速从一气罐中流出的各种气体持续蒸发所需的能量。这些数据表明，持续蒸发所需的能量显著小于前述气罐套的加热/冷却额定功率。
                         表2
化学物    10slm时所需能量(W)   化学物    10slm时所需能量(W)
氨    133.8   氯化氢    61.8
砷化氢    115.1   氟化氢    60
三氯化硼    156.4   氧化亚氮    55.7
氯    122.4   过氟代丙烷    111.5
二氯甲硅烷     153.2 六氟化硫     107.7
溴化氢     85.7 六氟化钨     179
上面所述的与加热/冷却套的使用及气体分配系统严格的热控制相伴随的缺点使得它们的使用不理想。
为了满足半导体加工工业的需求，并克服前述有关技术的缺点，本发明的一个目的是提供一种新的从液化状态受控输送气体的系统，该系统允许精确控制储放液化气体的气罐的压强，同时将从前述气罐输出的气体所携带的液滴最少化。这样，就可以获得流速大大提高的单相加工气流。结果是，许多加工工具可以只由单个供气柜供气。或者，更高流速的气体可被输送到单个的加工工具。而且，可以避免使用不方便的加热/冷却套及加工输气管线的严格的热控制。
本发明进一步的目的是提供一种半导体加工系统，该系统含有本发明的前述从液化状态受控输送气体的系统。
本发明进一步的目的是提供一种从液化状态受控输送气体的方法。
本发明进一步的目的是提供一种调节气体流速的受热阀，该受热阀能与本发明的系统和方法一起使用。
本发明进一步的目的是提供一种能在本发明的系统和方法中使用的受热称盘盖。
对于本技术领域的普通技术人员而言，在阅读完后面的说明书、附图和权利要求后，本发明的其它目的和方面就会显现出来。
前述目的是由本发明的系统和方法所达到的。根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种新的从液化状态输送气体的系统。该系统包括：(a)一个压缩液化气罐，其上连接有一输气管，气体由之输出；(b)一个供气柜，前述气罐置于其中；和(c)提高环境和前述气罐之间的传热速率但不使气罐中的液体温度升到环境温度以上的装置，其中，该装置或者包括前述供气柜的一个或多个通道，以及一个迫使传热气体从该个或该些通道通过的装置，或者包括一个或多个辐射板加热器，或者包括一个置于前述气罐下方的加热器。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种半导体加工系统。该系统包括一半导体加工装置和本发明的从液化状态输送气体的系统。
本发明的第三个方面是一种从液化状态输送气体的方法。该方法包括：(a)提供一种储于一气罐中的压缩液化气体，该气罐连有一输气导管，并置于一供气柜中；和(b)提高环境和前述气罐之间的传热速率，但不使前述气罐中液体温度升到环境温度以上。
从下面的对本发明的最佳实施方式结合附图所作的详细描述中，本发明的目的和优点将更加明晰。附图中：
图1是一曲线图，该图描述了对于一Cl2气罐，沿气罐不同位置所测量的气罐外壁温度对时间的函数，以及气罐内蒸气压对时间的函数；
图2是一曲线图，该图描述了作为气罐内液体温度的函数的气罐蒸气压，以及各种流速下的对应于最冷气罐外壁温度的理论蒸气压；
图3是在一供气柜内的第一平面上的空气速度矢量图解；
图4是前述供气柜内在前述第一平面的基础上垂直位移而得的第二平面上的空气速度矢量图解；
图5是一等值线图，示出了沿气罐外表面的外部传热系数的变化；
图6图解了气罐内部传热系数的定性变化，该系数是前述气罐和气罐内液体间温度差的函数；
图7是一曲线图，该图描述了在以3slm从一Cl2气罐输出的气流中探测到的液体微滴密度对时间的函数；
图8是一曲线图，该图描述了在以1slm从一Cl2气罐输出的气流中探测到的液体微滴密度对时间的函数；
图9是无水HCl的相图；
图10是根据本发明的一个方面的一供气柜和一用以提高环境和气罐间的传热速率的装置的简图；
图11A和B分别图示了根据本发明的一气罐加热器的侧剖面图和俯视图；
图12是一曲线图，该图描述了在液体微滴存在时加热器温度效果对时间的函数；
图13是根据本发明的一个方面的从液化状态受控输送气体的系统的一个原理图；
图14A和B图解了根据本发明的一个方面的一气流过热装置；
图15A和B是两个曲线图，示出了一过热器在减少气流中的液体微滴的存在方面的效果；
图16是根据本发明的一个方面的从液化状态受控输送气体的系统的一最佳实施方式的原理图；
图17示出了根据本发明的一个方面的用以控制一加热器的控制算法；和
图18是图17的控制算法的一个程序方框图。
本发明提供了一种不利用气罐加热/冷却套而控制一气罐内的压强的有效途径，同时又将从该气罐中输出的气流所携带的液体微滴减少到最低程度。该方案中确保了气流的单相性。
令人意想不到的是，(发明人)已经确定了，环境和一气罐间的传热速率的提高-这种提高将降低前述环境和气罐间的温差-不需要前述严格的热控制，这种严格的热控制在使用一气罐加热/冷却套时于气体管线系统中需要。之所以不需要这种严格的热控制，是因为前述气罐温度并不随传热速率的提高而升高。
在这里，术语“环境”是指环绕前述气罐的空气。
为了说明被携带的液体微滴如何能在通常的气罐使用中从加工气体中被发现，下面参照图1和图2描述了一气罐内的热力学变化。
图1描述了一7L的Cl2气罐当气体流速为31/m时在该气罐上几个位置的气罐外壁温度对时间的函数。该图还描述了作为时间的函数的该气罐中的蒸气压。在该气罐工作过程中，气罐外壁温度显著低于环境温度。气罐表面最低的温度对应于液-气界面位置，因为蒸发过程发生于该区域。
基于Cl2的蒸气压曲线，前述气罐内的压强表征了一低于最低外壁温度的液体温度。这种效应可在图2中清楚地看出来。该图描述了作为前述气罐内液体温度的函数的氯气蒸气压(实线)，以及气罐压强，后者是当流速分别为0.16、1和3L/m时所测量的气罐外壁温度的函数(分散点)。因为前述液体温度必须低于最低的外壁温度，就引起了自然的对流。这些自然对流帮助液相温度的均一化。
气罐温度和压强的变化速率是前述向该气罐的传热速率、由前述流速所确定的能量需求及前述气罐热容的平衡。前述环境和气罐间的传热速率受下列因素影响：(1)综合传热系数；(2)可用于传热的表面面积；和(3)前述环境和气罐间的温差。将前述气罐近似为无限长的气罐，前述传热系数由下述公式(I)计算而得： U = 1 r 0 r 1 h 1 + r o ln ( r o / r i ) k + 1 h o - - - ( I )
其中，U是前述综合传热系数(W/m2K)；ro是前述气罐的外径(m)；ri是前述气罐的内径(m)；hi是前述气罐和前述液体间的内部传热系数(W/m2K)；k是前述气罐材料的导热率(W/m2K)；ho是前述气罐和环境间的外部传热系数(W/m2K)。
前述综合传热系数U小于前述各个传热热阻中的最小值(也就是说，小于公式(I)分母中的每一项)。对于惯常使用的气罐尺寸(比如内部容积为55l或更少)而言，前述综合传热系数主要受前述外部传热系数ho的控制。这可以由下面的例子来说明。该例中：ri＝3英寸；ro＝3.2英寸；k＝40W/m2K；hi＝890W/m2K；ho＝4.5W/m2K。前述传热系数的值是基于J.P.Holman的 传热(Heat Transfer)表1-2的，该表将自然对流作为内部和外部传热的主要机制。前述综合传热系数U等于4.47W/m2K，非常接近前述外部传热系数ho。
下面的例子表明，在强制对流的情况下，前述外部传热系数ho也控制前述综合传热系数公式。一般，供气柜通过将空气抽进该柜的底部进行吹洗并从比如其顶部排出空气。结果是，空气连续不断的沿前述气罐的表面流动。假定一12W/m2K的强制对流传热系数(代表在一方形板上的2m/s的空气流)，这样的一个系统的前述综合传热系数是11.8W/m2K。可以看出，传热的主要热阻发生于前述环境和气罐之间。
前述外部传热系数ho沿前述气罐的整个表面不是恒定的。因为空气从前述供气柜底部附近进入，其流动方向在前述供气柜的该区域是横向越过前述气罐(也就是说，横截前述气罐纵轴的方向)。在前述供气柜顶部附近的区域，空气主要在竖直方向(平行于前述气罐纵轴的方向)上运动。
图3和图4图示了一供气柜内在横截前述气罐的纵轴301、401的两个不同平面300、400上的空气速度矢量分布。图3中的平面300位于前述供气柜吸入空气的地方，在距前述供气柜底部大约0.15m处，图4中的平面400则位于距气罐底大约1m的位置。如图3所示，气流主要越过前述气罐，横穿前述供气柜底部附近的气罐纵轴301。相反，图4表明，在前述供气柜顶部附近，空气流主要平行于前述气罐的纵轴401。
已经确定，在前述供气柜内的空气流线谱影响前述外部传热系数ho的局部值。图5提供了一沿前述气罐长度方向的外部传热系数等值线图。这些外部传热系数ho均为负值，表明能量从环境流向前述气罐。但是，在计算前述综合传热系数U时用的是绝对值。相应，传热系数之间的比较也是基于各自的绝对值。这样，一个-50W/m2K的传热系数被认为大于一-25W/m2K的传热系数。前述外部传热系数的值从-36W/m2K到-2W/m2K不等，其平均值为-10.5W/m2K。基于图5所示的结果，前述外部传热系数在正对环境空气被吸进前述供气柜位置的一点处确定为最大。这是该区域的空气流向和速度大小所确定的。
提高前述外部传热系数ho，从而提高传热速率，前述气罐的外部温度也升高(假设是同一种加工气体流速)。另一方面，可以利用更高的加工气体流速，借以维持前述环境和气罐间的温差。但是，又不希望从与环境间的温差过大(类似地，前述气罐和储于其中的液体间的温差)的气罐中输出物质。原因是，由于不同的沸腾现象，从前述气罐中输出的气体可能携带液体微滴。随着前述气罐和液体间的温差提高，前述蒸发过程从界面蒸发变成气泡状汽化。
图6图解了气罐内部传热系数hi随前述气罐温度Tw和气罐内液体温度Tsat间的差值ΔTx的定性变化。对于小的温差，前述蒸发过程发生于前述液-气界面。在较大的温差下，即使是提高少数几度，蒸发过程就通过在液体中形成气泡来进行。当前述气泡升到前述液-气界面上时，就有可能使少量极细的液滴被携带到前述气流中。这种液滴的携带已在以3slm输出气流的一Cl2气罐中观测过，并被量化于图7之中，该图示出了在3slm的一Cl2气流中的液体微滴密度对时间的函数。开始有一液滴密度的衰减，这与在前述气罐的头部空间进行的液体微滴吹洗有关。在该衰减过后，一段时间内液滴统计数降到零。当前述Cl2气罐的温度继续下降时，沸腾现象最终发生改变。这个改变的证据是液滴统计数目的急剧上升。
图8示出了当使用前已举例的节流阀时在1slm流速的Cl2气流中探测到的液体微滴密度对时间的函数。最开始在打开前述气罐阀时在从前述头部空间流出的气流中存在大量的液体微滴。这些微滴在过饱和状态下存在于前述头部空间。当气体继续流动时，前述微滴最终被从该头部空间吹洗出去。这样前述气流中的微滴数就减少了。在早期探测到的微滴确信是由一局部膨胀过程引起的，该过程当前述气罐阀打开时发生，还/或确信：前述微滴可归因于悬浮在前述气罐头部空间的许多动态平衡微滴。不管前述微滴的形成机制如何，这些液体微滴在现存气体中存在的时间长短与前述气罐中的液面(或者换句话说，与头部空间容积)及前述气体从前述气罐输出的流速有关。已被证实，如果前述包含夹带的液滴的气体在恒压下加热，前述液滴可以被蒸发。
液体在前述气体输送系统中的存在可以是下述原因的结果：从前述气罐输出气体的过程、由于环境波动而产生的局部降温、或在前述膨胀过程中的液滴形成。参图9，HCl从295K饱和蒸气的等焓降压使其进入两相区。列于表1和2中的其它气体不因等焓降压而进入前述两相区。但是，在膨胀中所循的热力学路径并非等焓的(由于内能向动能的转换，实际的膨胀过程是近似等熵的)，并有可能进入前述两相区，如果下述不等式(II)被满足的话： ( &PartialD; p &PartialD; T ) s < dP sat dT - - - ( II )
其中，上述不等式的左边代表在熵恒定的情况下压强随温度的变化，上述不等式的右边则代表作为温度的函数的前述蒸气压的导数。
上述关系对列于表1和2中的每一种气体都满足。既然难以对前述膨胀过程进行局部控制，就有必要在膨胀之前加热前述气体，以阻止上述膨胀路径进入前述两相区。如果前述气体在从前述气罐中输出后才被加热，前述压强就不升高，从而避免了要求严格的热控制的困难。
导致在上面所述的体系中的流动气体内液相的存在的三种机制(即：从前述气罐中产生的液体微滴，在前述气罐下游第一个部件中的膨胀过程中形成液相，以及存在于初始流动期间的液滴的吹洗)的综合大大限制了能够可靠地由单个供气柜歧管供气的气体流速。目前，如果持续不断地测量，这些限制加起来是几个标准升每分钟。已经确定，在前述加工气体中的液体微滴的减少将允许大量的加工工具连接到单个供气柜上，或者，向单个加工工具的供气流速可以显著提高。
参照图10，下面将描述一个根据本发明的从液化状态输送气体的系统和方法的最佳实施方式。但要注意到，该系统的具体配置通常要取决于诸如成本、前述供气柜的安全性要求和流速要求等因素。
该系统包括一个或多个置于一供气柜003中的压缩液化气罐002。前述液化气罐内所储放的物质不受限制但与工序有关。一般，这些物质包括列于表1和2中的物质，例如NH3、AsH3、BCl3、CO2、Cl2、SiH2Cl2、Si2H6、HBr、HCl、HF、N2O、C3F8、SF6、PH3和WF6。供气柜003包括一个格栅004，吹洗空气由之进入前述供气柜。该吹洗空气最好是干的，通过排出管005从前述供气柜中排出。
前述环境和气罐间的传热速率被提高，以使前述气罐中的液体温度不上升到高于环境温度的值。用以提高前述传热速率的合适的装置的例子包括供气柜上的一个或多个压力通风板或者一组缝隙006，通过它们空气可以被强制横向越过前述气罐。一鼓风机或风扇007可以用来强制空气从前述压力通风板或缝隙流入。鼓风机或风扇最好能以不同的速度工作。
在给定压力降(由前述鼓风机或风扇的性能决定)的条件下具有一最大传热系数的合适的压力通风板可从Holger Martin公司买到。这种部件可以容易地装配到一供气柜上，而使后者的大小只有最小的增加或根本不增加。
前述压力通风板或风扇可以选择性地通过加上可引导空气流向的导向叶片而得到改进。最好，前述导向叶片首先将空气流导向前述气罐液-气界面附近。
前述称盘盖/加热器尤其有用，因为它可以被装入已有的供气柜中而只使前述气罐发生微不足道的位移。因此，就没有必要改型或改进已有的供气柜或输气管线系统。
前述压力通风板或缝隙的温度也可以通过电子控制控制于一稍高于环境温度的值，以进一步提高前述传热速率。但是，前述压力通风板或缝隙的温度应限制在这样的范围内，使得蒸发只发生在前述液-气界面，以避免将前述气罐内的液体加热到高于环境的温度。
附加地，或者替换地，辐射板加热器或者一置于前述气罐下方的加热器可以被用来提高前述环境和气罐间的传热速率。特别地在本发明的一最佳实施方式中，前述传热速率的提高是使用一热板型加热器。
图11A和B分别图示了一典型的热板型加热器的侧剖面图和俯视图。加热器100是一重量称盘盖的形式，该称盘可被该加热器封闭。这种称盘在现有技术中是已知的，惯常置于供气柜的底板上。储有液化气的气罐一般直接放在该称盘上，通过该称盘测量前述气罐中尚余的物质量。当使用图11A和B中所示的受热称盘盖时，前述气罐直接放在前述被盖住的称盘上。
加热器100包括一顶面，也就是顶板102，与一底面，也就是底板104通过一中央撑档106、若干侧撑档108和螺钉110相连。前述加热器还包括一孔腔112，其中容纳一加热元件(图中未示出)。合适的加热元件包括但不限于：电阻型加热器比如电加热带，或者最好是自调型加热器比如伴随加热器(heat trace)。前述加热器最好能盘绕在空腔112内。该加热器应能在从室温到约220°F的温度下工作。
为了固定前述加热元件的一端，该端可固定到中央撑档106内的一切口114上。这样，前述加热元件能被盘绕在前述中央撑档周围，也可以盘绕在前述侧撑档的周围，直到盖满所希望的区域。最好，前述加热元件盖满前述气罐和前述称盘相接触的区域。相当长，比如直到16英尺或更长的前述加热元件可被盘绕在前述加热器内。如果是16英尺长的20W/英尺的加热元件，从该加热器就可得到320W的热功率。
空腔112的底部最好用一绝热层116绝热，以确保前述加热元件的热向上向前述气罐底部传送。该绝热层还用来维持前述加热元件和前述底板102的接触。前述加热器还包括前板和后板118、侧板120和桥122，它们使得前述加热器可装在前述气罐称盘的正上方。
制造加热器100的材料应允许向前述气罐底部的有效的热传递。顶板102最好由不锈钢制成，而前述前板、后板、侧板和桥最好由铝或者碳钢制成。
取决于所应用的加热器的具体的类型，前述温度可用各种不同的方法控制。根据本发明的一最佳的实施方式，基于前述气罐的能量需求，前述加热器的电力可被开关。为此目的的一种优选的控制方法及算法将在下面描述。
根据本发明的进一步的方面，加热器100可以包括一可装在前述加热器顶板102上的凹形或杯形件。该凹形件最好与前述气罐底部的形状相吻合，以使得向该气罐的热传递可以更有效。该凹形件应该用与前述气罐接触时能抗变形的，且能向该气罐有效传热的相对较硬的材料制成。这种材料包括，例如，碳钢和不锈钢。
图12是一曲线图，该图描述了在液体微滴存在于气流中时加热器温度的效果对时间的函数。该测试是用C3F8在5slm的流速下进行的，前述加热器温度在78°F和112°F间变化。所使用的加热器是上面所描述的热板型加热器。随着加热器温度的升高，获得了液体微滴密度的显著降低。
上面所描述的提高传热速率的装置的组合在本发明中也是可以想见的。例如，一辐射加热器或一热板型加热器可与一鼓风机或风扇结合使用，也可与上面所描述的压力通风板或缝隙结合使用。
下面参照图13描述根据本发明的前述系统的运行。气体从气罐302通过一与其相连的气管输出。由于前述气体的腐蚀性，制造前述气管的优选材料包括电解抛光的不锈钢、耐蚀耐热镍基合金或者蒙乃尔高强度耐蚀镍铜锰铁合金。
前述输气管线还包括对从前述气罐中输出的前述气体降压的装置304。如上面所描述的，对这一降压步骤，一压力调节器或阀门是合适的装置。这种部件在市场上可以买到，比如从AP Tech公司。
前述系统还可与包括将从前述气罐中输出的前述气体过热的装置306，该过热装置装在前述减压装置的上游。将前述气体过热能阻止由从前述气罐头部空间输出的液体微滴或者液雾引起的有害杂质效应，这种效应是从前述气罐流出的初始气流的特性。前述过热装置通过将所有夹杂的液体微滴均蒸发掉而确保前述流体完全处于蒸气状态。而且，前述过热装置也确保前述蒸气的最低限度的过热，以避免在下一步的膨胀过程中形成液体微滴的可能性。
前述过热装置可以是任何能够从前述气流中有效消除夹杂的液体微滴的设备，比如受热的输气管线。该管线可以由，例如，沿前述输气管线长度分布的电阻型加热器，象电热带加热，或者由一自调型加热器比如伴随加热器加热。
根据本发明的一最佳实施方式，前述过热装置可以采用一种改进型节流阀的形式。参图14A和14B，前述节流阀400通过合适的输气管线和连接件(图中未示出)连接到前述气罐上。前述输气管线连接在前述节流阀的进气接口402上。前述节流阀还包括吹洗气体进气接口404，通过该接口，一种惰性气体，比如氮或者氩，可被引入该节流阀。前述通过进气接口402被引入的加工气体从出气接口406排出前述节流阀，该出气接口通过合适的输气管线、连接件、阀门等被连接到工作点，例如，一加工工具。前述节流阀由调节器408和410操作，后者可开关前述节流阀内的气流通路。前述节流阀内的气体压强由一压强测量装置，比如压力传感器412监测。
节流阀400可以由一个或多个与其相连或插入其中的加热元件414供热。该加热元件应该能够向前述节流阀提供恒定的热流。合适的加热元件包括但不限于：一自调型加热器比如伴随加热器，一电阻型加热器比如电热带，或者一筒式加热器。如所图解的实施例所示，为前述目的，一个或多个伴随加热器条414可被连接在前述节流阀的侧面。在自调型加热器比如伴随加热器的情况下，该加热器可以永久打开。相反，如果使用的是筒式加热器，它就可以被，例如，在位置416插入前述节流阀内。
为了改善传热效率，前述节流阀最好包括一附加在出气接口406上的烧结金属盘418。该金属盘418可采用带有一细孔的过滤器的形式。该细孔的大小，例如，可以从大约1μm到60μm，最好是从大约5μm到30μm。由于该金属盘418被前述加热元件加热，它就提供了额外的受热表面积以供前述气体接触。从而，该金属盘就可以帮助提供所需的能量，以确保存在于前述气流中的任何液体都被蒸发掉。
前述金属盘可被焊接固定在前述出气接口内。组成前述金属盘的材料是基于流过该节流阀的加工气体而选择的。也就是说，该组成材料应该与前述加工气体相容以阻止对该加工气体的污染，并阻止对前述各个输气管线部件的损害。该金属盘常用的材料包括但不限于不锈钢(例如316L的)、耐蚀耐热镍基合金和镍。
除了上面所描述的结构，前述过热装置可以是一个加热空气或惰性气体的设备。前述空气和惰性气体最好是干的，由一鼓风机或风扇吹到前述输气管线的一个区段上。前述热空气或热的惰性气体也可以通过一共轴管线结构用来加热前述气流。
附加地，或者替换地，前述过热装置可以在前述管线内包括一热气过滤器或者热气净化器。上面所描述的烧结金属盘就是这样的一种过滤器。该热气过滤器可以滤掉气体中的粒子并提供一大的传热表面积。前述热气净化器可以清除掉从前述气罐中输出的气体中不希望有的杂质，并且也提供一大的传热表面积。
图15A和15B示出了一过热器在减少气流中的液体微滴的数目方面的效果。前述液体微滴数是在最初打开一气罐阀时观测的。测试进行了两个，一个是5slm流速的C3F8气流，不带过热器(图15A)，另一个是5slm流速的C3F8气流，带过热器(图15B)。所使用的过热器是如上面所描述的受热节流阀。没有过热器时，在前述气流中观测到的液体微滴数为约3800每升到19000每升。而当使用过热器时，这些液体微滴被有效消除。
现在回到前面图13的原理图。该系统还可以包括综合控制前述传热速率提高装置308和前述过热装置306的装置。这个控制装置可以对气罐压强和温度进行精确控制，也可精确控制从前述减压装置304上游的气罐输出的气体的过热程度。这样，就可以获得一恒定的气罐压强，一处于或稍低于环境温度的气罐温度，以及在膨胀之前的理想的气体过热程度。
现有技术中合适的控制装置是已知的，包括，例如，一个或多个可编程逻辑控制器(PLCs)或微处理器。压力传感器310监测气罐312出口处的压强。由该压力传感器测出的压强值指出了(罐内)蒸发过程所处的压强，并作为一调节前述传热速率提高装置的控制器314的输入。前述调节可以基于，例如，瞬时压强值及其过去的变化。也可以提供一个供选用的气罐过热传感器316，当预定的温度限制被超过时，它重设前述控制器。
前述过热装置306，以及紧接前述减压装置304的其上游的气体温度，也以与上述相似的方式被控制。
前述过热装置的控制系统包括位于前述过热装置306和前述减压装置310上游的温度传感器318。基于前述温度传感器的输出，控制器314向过热器306发出控制信号，借以调节前述气体温度。
前述过热控制温度的设定值依赖于，例如，前述气罐当时的压强和罐壁温度。当前述罐壁温度和前述液体温度间的温差(由前述蒸气压曲线确定)上升时，由于大量液体微滴被输出，前述过热器所需的能量也增加。
过热程度可作为能量输出或温度的函数而被控制。当希望将前述过热程度作为能量输出的函数而控制时，下述方程决定前述过热器的能量输出：
      q＝A(Tliq(Pcytinder)-Twall)+B                     (II)其中，A和B是恒量，依赖于有关的具体气体的蒸气压曲线；Tliq是从气罐压强测量值通过前述蒸气压曲线得到的。在前述过热程度被作为温度的函数控制时，适用一相似的方程。对某些气体而言，前述过热器设定值可能不随气罐压强而改变，尤其对于低压气体可能性最大。
参图16，下面将描述根据本发明的用来输送液化气的进一步的控制系统。不局限于任何特定的加热元件，下面的控制系统的例子与一气体输送系统配合使用，后者包括一称盘602和一底部加热器/称盘盖604，以及一个上面已描述的节流阀过热器606。
最好，前述节流阀由一自调型加热元件加热，比如伴随加热器。这样，无需进一步的控制，能量可以持续不断地作用于前述节流阀加热器。前述控制系统确定前述气罐所需的能量，并根据气罐的能量需求开关前述底部加热器。前述控制系统的例子系基于一个或多个可编程逻辑控制器(PLCs)608，但其它已知的计算机控制形式也是可以预见的。
为了确保只有气相从前述气罐610中输出，写了一供前述PLC使用的算法，以确定前述气罐的能量需求。该算法的各个步骤示于图17中，并以程序方框图的形式示于图18中。
在各个变量中，该算法要求气罐压强P及气罐质量(即皮重)Mt作为输入变量。前述气罐压强由前述受热节流阀中的一压强测量装置，比如压强传感器测量。前述气罐质量由前述被下部加热器(即底部加热器)盖住的称盘测量，前述气罐被置于前述供气柜内，在前述加热器之上。前述气罐压强和质量由前述PLC读入，从而使气罐的能量需求与该气罐的利用率直接联系起来。
具体地，前述气罐中剩余的物质重量Mp可从前述称盘所测得的气罐总重M中减去前述皮重(即空气罐的重量，该量为输入变量)而得。所有质量均以磅为单位。
然后，将Mp与不等量(ρg/1000.0*V*s)*2.2相比较。在后者中，ρg是在室温和气罐压强下的气体蒸气密度，单位是kg/m3。ρg以表格形式提供并被输入前述PLC。V(一输入变量)是前述气罐以升为单位的容积，s是一安全因子。该安全因子用来阻止前述气罐中的液体的完全用尽，因为杂质倾向于富集于前述气罐底部残余的液体中。这些杂质对于前述气体输送系统及所制造的半导体器件非常有害。在没有任何限制的情况下，该安全因子s的一般值为从1.1到1.3。
在Mp小于上述不等量的情况下，Output函数被赋予零值。在这种情况下，前述加热器不打开，因为函数Fraction On也等于零(FractionOn＝Output/Maxoutput)。
相反，如果Mp大于上述不等量，则从方程Tldk＝B/(ln(P)-A)计算出前述液体的开氏温度。前述方程中，A和B是由特定物质的蒸气压曲线所确定的常量。A是前述蒸气压曲线的y截距，而B则是前述蒸气压曲线的斜率。一个A和B的值表被预先编入前述PLC。前述绝对压强P由压力传感器测量。
然后，前述液体温度Tldk通过等式Tld＝1.8*Tldk被转换成华氏温度Tld。该温度Tld与一华氏温度设定值Tsp(是一输入值)相比较，其温度差(“Error”)通过等式Error＝Tsp-Tld计算出来。
然后，函数值“sume”由等式sume＝sume+Error*dt计算出来。其中，dt是取样时间(该sume函数在前述控制算法被初始化后最初被置为零值)。“sume”代表error的总和，即温度差的总和。
然后，检测函数“Error”的值。如果该值小于零，“Output”函数就被赋予零值。但是，如果该值不小于零，一个值Kc就由等式Kc＝Tgain*M计算出来，其中Tgain代表前述气罐和其中储放的液体以W/°F-lb为单位的每秒钟的热容。在不受任何限制的情况下，Tgain可以有，例如，从10到100W/°F-lb的值。在这个系统例子中，Tgain约等于30W/°F-lb。Kc代表将系统(气罐和液体)温度升高1°F所需的能量，单位为W/°F。
然后，通过等式Output＝Kc*Error+Kc/tau*sume计算出函数“Output”的值。Tau是基于前述加热器对前述控制系统的反应迟延时间的常量。
然后，从等式Fraction On＝Output/Maxoutput确定“Fraction On”函数的值。该函数“Fraction On”代表前述加热器应打开的时间。“Maxoutput”代表前述加热器以瓦为单位的最大功率。通过前述控制系统，前述加热器在由前述函数Fraction On计算出的时间内以该功率打开。
控制循环一直持续，直到不等式Mp＜ρg/1000.0*V*s)*2.2被满足，此时，前述气罐应该被更换，前述算法要重新初始化。
除了将从前述气罐中输出纯粹气相的输送能量最大化而外，上面所描述的算法和控制系统还能最大化气体流速，以及一个气罐能以这样高的流速输送气体的持续时间。
上面所描述的控制系统的一个尤其有利的方面是使得可以将该系统按比例扩大，以确保可以从任何比气罐大得多的液化气源，比如从大容量储气罐或拖车，输送纯粹气相的任何气体。
本发明的一个效果是，从气罐中的液化气输出加工气体的流速被显著提高，而在气流中只夹杂最少的或根本不夹杂液体微滴。从前述气罐中带出的液体微滴波有效消除，在膨胀过程中形成液体微滴的可能性也被最小化或被消除了。
因为与罐壁温度相等的罐内液体温度被维持在一等于或略小于环境温度的温度值，在前述加热器下游的严格的热控制就不必要了。还有，由于缺乏与本发明的系统和方法相联系的热动力，供气柜下游的管线系统中的凝结现象可被避免。
通过本发明的系统和方法，估计可使外部传热效率Ho提高约100W/m2K。这表现在，在不把前述液体温度提高到环境温度之上的情况下，前述环境和气罐间传热效率的显著提高。结果是，气体流速可被提高约10倍。
尽管参照特定的实施方式详细描述了本发明，但显然，对于本技术领域的技术人员而言，可作各种变化和修改，还可使用等同替换物，而并不超出所附权利要求的范围。

Claims (51)

1.一种从液态输送气体的系统，包括：
(a).一压缩液化气罐，其上连接有一输气管，前述气体通过该输气管被输出；
(b).一前述气罐被置于其中的供气柜；和
(c).提高环境和前述气罐间的传热速率，不把前述气罐内的液体温度
升高到环境温度以上的装置，其中，该装置或者包括前述供气柜的一个或多个通道，以及一个迫使传热气体从该个或该些通道通过的装置，或者包括一个或多个辐射板加热器，或者包括一个置于前述气罐下方的加热器。
2.如权利要求1所述的输气系统，它还包括：
(d).从前述气罐中输出的气体的减压装置；和
(e).将前述从气罐中输出的气体过热的装置，该过热装置安装在前述减压装置的上游。
3.如权利要求1所述的输气系统，它还包括：
(f).综合控制前述传热速率提高装置和前述过热装置的装置，以使前述气罐的压强和温度，以及从位于前述减压装置上游的气罐输出的气体的过热程度得以控制。
4.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述传热气体是空气或者一种惰性气体。
5.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述供气柜中的前述一个或多个通道包括一个或多个压力通风板(plenum plate)或缝隙。
6.如权利要求5所述的输气系统，其中，前述一个或多个压力通风板或缝隙包括引导前述传热气体流向的叶片(fin)。
7.如权利要求5所述的输气系统，其中，前述传热速率提高装置还包括对前述一个或多个压力通风板或缝隙的温度加以电子控制的装置，以将前述温度控制于一稍高于环境温度的值。
8.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述传热速率提高装置可以将一空气流主要引向前述气罐对应于液-汽界面的位置。
9.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述置于气罐下方的加热器是一受热称盘盖，该称盘盖包括一顶面，一底面和一个置于由前述顶底面所形成的空腔内的加热元件，该系统还包括一个用来测量前述气罐的质量的称盘。
10.如权利要求9所述的输气系统，其中，前述称盘盖还包括一个附在前述顶面上的凹形件。
11.如权利要求1所述的输气系统，它还包括基于气罐压强和质量输入值来控制前述受热称盘盖的热输出的装置。
12.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述过热装置包括一个热气过滤器或者一热气净化器。
13.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述过热装置包括一个与前述管线相接触的加热器。
14.如权利要求13所述的输气系统，其中，前述与管线相接触的加热器包括电热带。
15.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述过热装置包括加热空气的装置和将前述热空气吹到一段气体在其中流动的管线上的装置。
16.如权利要求1所述的输气系统，其中，前述过热装置包括一受热阀，后者包括一进气接口、一出气接口、用来开关前述阀门的调节器和一个与前述阀门热接触的加热器。
17.如权利要求16所述的输气系统，其中，前述受热阀是一节流阀(blockvalve)。
18.如权利要求16所述的输气系统，其中，前述受热阀还包括一个第二进气接口，通过它，一吹洗气流可进入该阀门。
19.如权利要求16所述的输气系统，其中，前述受热阀还包括一个与之相连的压强测量装置。
20.如权利要求16所述的受热阀，其中，前述加热器从自调型加热器、电阻型加热器和筒式加热器中选择。
21.如权利要求20所述的受热阀，其中，前述加热器是一伴随加热器。
22.一种半导体加工系统，包括一半导体加工设备和如权利要求1所述的输气系统。
23.一种从液态输送气体的方法，该方法包括：
(g).提供储于一气罐内的压缩液化气，该气罐上连接有一输气管，并被置于一供气柜中；和
(h)提高环境和前述气罐间的传热速率，不把前述气罐内的液体温度升高到环境温度以上。
24.如权利要求23所述的输气方法，它还包括：
(c).在前述从气罐中输出的气体膨胀之前，将前述气体过热。
25.如权利要求23所述的输气方法，它还包括：
(d).综合控制提高前述传热速率的步骤和前述过热步骤，以使前述气罐的压强和温度，以及从前述气罐输出的气体在其膨胀之前的过热程度得以控制。
26.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述气体选自NH3、AsH3、BCl3、CO2、Cl2、SiH2Cl2、Si2H6、HBr、HCl、HF、N2O、C3F8、SF6、PH3和WF6。
27.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述传热速率通过迫使一种传热气体通过前述供气柜的一个或多个通道而得以提高。
28.如权利要求27所述的输气方法，其中，前述传热气体是空气或者一种惰性气体。
29.如权利要求27所述的输气方法，其中，前述一个或多个通道包括一个或多个压力通风板或缝隙。
30.如权利要求29所述的输气方法，其中，提高传热速率的步骤还包括对前述一个或多个压力通风板或缝隙的温度加以电子控制，使其稍高于环境温度。
31.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述传热速率提高步骤包括：将一空气流主要引向前述气罐对应于液-汽界面的位置。
32.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述传热速率提高步骤包括在前述供气柜上安装一个或多个压力通风板或缝隙，该个或该些压力通风板或缝隙进一步还包括导引空气流向的叶片。
33.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述传热速率提高步骤包括用一个或多个辐射板加热器加热前述气罐。
34.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述传热速率提高步骤包括用一个置于前述气罐下方的加热器加热前述气罐。
35.如权利要求34所述的输气方法，其中，前述置于气罐下方的加热器是一受热称盘盖，该称盘盖包括一顶面，一底面和一个置于由前述顶底面所形成的空腔内的加热元件，该方法还包括用一个称盘测量前述气罐的质量。
36.如权利要求35所述的输气方法，还包括一个基于气罐压强和质量输入值来控制前述受热称盘盖的热输出的步骤。
37.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述过热从气罐中输出的气体的步骤包括用一个热气过滤器或者一热气净化器过热前述气体。
38.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述过热从气罐中输出的气体的步骤包括用一个与前述管线相接触的加热器来过热前述气体。
39.如权利要求38所述的输气方法，其中，前述与管线相接触的加热器包括电热带。
40.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述过热从气罐中输出的气体的步骤包括：加热空气，并将前述热空气吹到一段前述气体在其中流动的管子上。
41.如权利要求23所述的输气方法，其中，前述过热从气罐中输出的气体的步骤包括：在一阀门中加热前述气流，该阀门包括一个与之热接触的加热器。
42.如权利要求41所述的输气方法，其中，前述受热阀是一节流阀。
43.如权利要求41所述的输气方法，其中，前述加热器从自调型加热器、电阻型加热器和筒式加热器中选择。
44.如权利要求43所述的输气方法，其中，前述加热器是一伴随加热器。
45.一种调节气体流动的受热阀，包括一气体由之进入阀门的进气接口、一气体由之排出阀门的出气接口、用来开关前述阀门的调节器和一个与前述阀门热接触的加热器。
46.如权利要求45所述的受热阀，其中，前述受热阀是一节流阀。
47.如权利要求45所述的受热阀，它还包括一个第二进气接口，通过它，一吹洗气流可进入前述阀门。
48.如权利要求45所述的受热阀，它还包括一个与之相连的压强测量装置。
49.如权利要求45所述的受热阀，其中，前述加热器从自调型加热器、电阻型加热器和筒式加热器中选择。
50.如权利要求49所述的受热阀，其中，前述加热器是一伴随加热器。
51.如权利要求45所述的受热阀，它还包括一个与前述加热器热接触的烧结金属盘，该金属盘为其接触的气体提供额外的受热表面积。
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