ES2335592T3 - Sistema de almacenamiento y dispensacion de fluidos. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo (10, 110, 300) de almacenamiento y dispensación de fluidos que comprende: un recipiente (12, 112, 302) de almacenamiento y dispensación de fluidos para contener fluido a presión y que tiene una boca de salida; y un regulador de presión (26, 232) que incluye una válvula montada en dicho recipiente aguas arriba de, y en comunicación con, dicha boca, caracterizado porque: dicha válvula se mantiene cerrada para impedir que el fluido sea dispensado por dicha boca hasta que dicho regulador de presión reciba gas a presión subatmosférica a través de dicha boca desde aguas abajo del mismo, y se abre en respuesta a la recepción de dicho gas a presión subatmosférica.
Description
Sistema de almacenamiento y dispensación de
fluidos.
La presente invención se refiere a un sistema de
almacenamiento de fluidos y dispensación de gases, que puede
utilizarse para almacenar un líquido u otro fluido a alta presión,
para dispensar gas desde el sistema y usar el gas dispensado en una
aplicación tal como la fabricación de dispositivos y materiales
semiconductores.
En una amplia variedad de procesos y
aplicaciones industriales, existe la necesidad de una fuente fiable
de fluido(s)
de proceso.
de proceso.
Tales campos de proceso y aplicación incluyen la
fabricación de semiconductores, implantación de iones, fabricación
de monitores de pantalla plana, intervención y terapia médicas,
tratamiento de aguas, equipos para respiración de emergencia,
operaciones de soldadura, suministro de líquidos y gases basado en
el espacio, etc.
La Patente Estadounidense 4.744.221 concedida el
17 de Mayo de 1988 a Karl O. Knollmueller describe un procedimiento
para almacenar y posteriormente dispensar arsina, poniendo en
contacto la arsina a una temperatura de entre unos -30ºC y unos
+30ºC con una zeolita con tamaño de poro comprendido entre unos 5 y
unos 15 Angstroms para la adsorción de la arsina por la zeolita.
Posteriormente se dispensa la arsina calentando la zeolita, a una
temperatura elevada de hasta 175ºC, durante un tiempo suficiente
para liberar la arsina del material de zeolita.
El procedimiento descrito en la patente de
Knollmueller tiene el inconveniente de precisar la provisión de
medios de calentamiento del material de zeolita, para calentar la
zeolita a una temperatura suficiente para desorber de la zeolita la
cantidad deseada de la arsina previamente adsorbida.
El uso de una camisa calefactora u otros medios
externos al recipiente que contiene la zeolita que soporta la
arsina es problemático, ya que el recipiente tiene típicamente una
capacidad de calentamiento significativa y, por lo tanto, introduce
un retardo temporal significativo en la operación de dispensación.
Adicionalmente, el calentamiento de la arsina hace que se
descomponga, resultando en la formación de gas hidrógeno, el cual
introduce un riesgo de explosión en el sistema de proceso.
Adicionalmente, tal descomposición de la arsina provocada
térmicamente produce un aumento sustancial de la presión de gas en
el sistema de proceso, que puede ser extremadamente desventajoso
para la vida útil del sistema y la eficiencia de funcionamiento, así
como en lo relativo a la seguridad.
La provisión de bobinas calefactoras u otros
elementos calefactores dispuestos interiormente en el propio lecho
de zeolita es problemático, ya que con tales medios es difícil
calentar uniformemente el lecho de zeolita para conseguir la
uniformidad deseada en la liberación del gas arsina.
El uso de corrientes de un gas portador caliente
que pasen a través del lecho de zeolita en su recipiente de
contención puede superar las anteriores deficiencias, pero las
temperaturas necesarias para conseguir la desorción de la arsina
por el gas portador caliente pueden ser indeseablemente elevadas o,
en todo caso, inadecuadas para el uso final del gas arsina, por lo
que se precisa un subsiguiente enfriamiento u otro tratamiento para
acondicionar el gas dispensado para su uso final.
La Patente Estadounidense 5.518.528, concedida
el 21 de Mayo de 1996 a nombre de Glenn M. Tom y James V. McManus,
describe un sistema de almacenamiento y dispensación de gas, para el
almacenamiento y la dispensación de gases, que supera las
desventajas mencionadas anteriormente del proceso de dispensación de
gas descrito en la patente de Knollmueller. El sistema de
almacenamiento y dispensación de gas de la Patente de Tom y otros
comprende un aparato de adsorción/desorción para el almacenamiento
y dispensación de un gas, p.ej., un gas hidruro, un gas haluro, un
compuesto organometálico del grupo V, etc. El recipiente de
almacenamiento y dispensación de gas de la patente de Tom y otros
reduce la presión de los gases sorbato almacenados, adsorbiéndolos
reversiblemente en un medio portador sorbente tal como un material
de zeolita o de carbón activado.
Más específicamente, tal sistema de
almacenamiento y dispensación de gas comprende: un recipiente de
almacenamiento y dispensación de gas construido y dispuesto para
contener un medio sorbente físico en fase sólida, y para hacer
fluir gas de manera selectiva hacia y desde dicho recipiente;
estando dispuesto un medio sorbente físico en fase sólida en dicho
recipiente de almacenamiento y dispensación de gas a una presión de
gas interior; un gas sorbato físicamente adsorbido en el medio
sorbente físico en fase sólida; un conjunto de dispensación
acoplado en comunicación de flujo de gas con el recipiente de
almacenamiento y dispensación, y construido y dispuesto para
proporcionar, exteriormente al recipiente de almacenamiento y
dispensación, una presión inferior a dicha presión interior para
producir la desorción del gas sorbato del medio sorbente físico en
fase sólida, y el flujo del gas desorbido a través del conjunto de
dispensación; en el cual el medio sorbente físico en fase sólida
carece de oligoelementos tales como agua, metales, y elementos
oxídicos de metales de transición (p.ej., óxidos, sulfatos y/o
nitratos) que de otra manera descompondrían el gas sorbato en el
recipiente de almacenamiento y dispensación.
Eliminando tales oligoelementos del medio
sorbente físico en fase sólida, la descomposición del gas sorbato
tras 1 año a 25ºC y a las condiciones de presión interior se
mantiene a niveles extremadamente bajos, p.ej., de tal modo que no
se descompone más de un 1-5% en peso del gas
sorbato.
El recipiente de almacenamiento y dispensación
de la patente de Tom y otros constituye por lo tanto un avance
sustancial en la técnica, con respecto al uso de cilindros de gas a
alta presión de la técnica anterior. Los cilindros convencionales
de gas a alta presión son susceptibles de fugas por los conjuntos
reguladores dañados o defectuosos, así como de roturas u otros
escapes masivos no deseados del gas del cilindro si la
descomposición interna del gas conduce a un rápido incremento de la
presión interior del gas en el cilindro.
Existe por lo tanto en la técnica una necesidad
de proporcionar sistemas perfeccionados de almacenamiento y
suministro de fluidos, para la dispensación selectiva de gases, que
superen las diversas deficiencias descritas anteriormente.
Con respecto al estado de la técnica y a la
invención tal como se describe en su totalidad a continuación, la
técnica pertinente incluye las siguientes referencias: Patente
Estadounidense 3.590.860 concedida a Stenner (una válvula
reguladora de ajuste manual para un cartucho de propano líquido, que
incluye un diafragma regulador y un conjunto de muelle actuador);
Patente Estadounidense 4.836.242 concedida a Coffre y otros (un
reductor de presión para suministrar gas de grado electrónico, que
incluye un fuelle y una válvula de entrada, con un filtro de
partículas solidas dispuesto entre el fuelle y una salida de baja
presión); Patente Estadounidense 5.230.359 concedida a Ollivier (un
regulador de presión basado en un diafragma para un cilindro de gas
a alta presión, en el cual una válvula está dispuesta en el
regulador para estrangular de manera ajustable el flujo del fluido
a presión); Patente Estadounidense 3.699.998 concedida a Baranowski,
Jr. (un regulador de presión calibrable en el cual se utilizan unas
fijaciones de muelle de lámina para retener los componentes del
regulador en su posición); Patente Estadounidense 3.791.412
concedida a Mays (una válvula reductora de presión para recipientes
de gas a alta presión, que incluye un par de elementos de válvula
para dispensar fluido estrangulado a baja presión); Patente
Estadounidense 3.972.346 concedida a Wormser (regulador de presión
que presenta un conjunto de válvula de seta con un retén de anillo
en U); Patente Estadounidense 4.793.379 concedida a Eidsmore
(válvula operada por botones para el cierre principal y el control
de flujo de un cilindro de gas a presión, que utiliza actuación
magnética de los componentes de la válvula) considerada como la
técnica anterior más cercana; Patente Estadounidense 2.615.287
concedida a Seneski (un regulador de presión de gas que incluye un
diafragma y elementos de fijación del diafragma): Patente
Estadounidense 4.173.986 concedida a Martin (válvula de control de
flujo de gas a presión que incluye un regulador de presión y una
correspondiente estructura de válvula de seta); Patente
Estadounidense 3.388.962 concedida a Baumann y otros (dispositivo
medidor de combustible gaseoso a presión que incluye un elemento de
flujo de pastillas metálicas sinterizadas); Patente Estadounidense
1.679.826 concedida a Jenkins (regulador de presión de fluido para
recipiente de alta presión, que utiliza un elemento de diafragma y
un medio de filtración de gas que comprende una tira de fieltro);
Patente Estadounidense 2.354.283 concedida a St. Clair (regulador
de presión de fluido para tanques de gases licuados del petróleo,
que comprende un diafragma actuado por presión con una estructura de
restricción de flujo para minimizar la vibración); Patente
Estadounidense 5.566.713 concedida a Lhomer y otros (conjunto
dispensador de gas con control de flujo que incluye un regulador de
presión de tipo pistón y un medio reductor/regulador en bloque);
Patente Estadounidense 5.645.192 concedida a Amidzich (conjunto de
válvula para liberar el exceso de presión de gas en un recipiente,
que comprende un conjunto de muelle y anillo de estanqueidad);
Patente Estadounidense 5.678.602 concedida a Cannet y otros
(conjunto de dispensación y control de gas para un tanque de gas a
presión, que incluye medios reductores y reguladores con válvula
medidora de flujo calibrada); Patente Estadounidense 2.793.504
concedida a Webster (válvula para recipiente de fluido a presión,
que incluye un reductor de presión y medios de regulación y de
cierre por muelle); Patente Estadounidense 1.659.263 concedida a
Harris (regulador para cilindro de gas a presión, que incluye un
diafragma y una arandela antifricción entre el diafragma y el
asiento anular de un regulador); Patente Estadounidense 2.047.339
concedida a Thomas (aparato de almacenamiento de gases licuados del
petróleo, que incluye una unidad de control de flujo y una válvula
de prevención de fugas); y Patente Estadounidense 3.994.674
concedida a Baumann y otros (conjunto quemador desmontable para
recipiente de gas combustible licuado a presión, que incluye un
conjunto de válvula reguladora).
El documento
EP-A-0 792 671 describe un sistema
de distribución a granel para gases de pureza ultra alta, que
incluye un recipiente sellado con una tapa y que contiene gas en
forma licuada para especialidades electrónicas. El recipiente está
provisto de un intercambiador interno de calor y de una porción
superior del recipiente situada por encima de la interfaz
gas-líquido del gas licuado. El vapor procedente del
gas licuado sale del recipiente y fluye a través de un conducto que
dispone de un medio de reducción de presión y una válvula de control
de flujo.
La Patente Francesa Nº 1.575.424 describe un
aparato reductor de presión para dispensar gases licuados del
petróleo (butano o propano) contenidos en una botella. El gas es
dispensado por una salida después de haber pasado por una primera
etapa de reducción de presión hasta una segunda etapa que cuenta con
una válvula Venturi controlable. La válvula Venturi está controlada
por un diafragma solicitado por un muelle para regular la presión
del gas que sale por la salida a un nivel sustancialmente constante
por encima de la presión atmosférica.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar un sistema perfeccionado de almacenamiento y
dispensación de fluidos, para la dispensación selectiva de gases,
que supere las mencionadas deficiencias de la práctica anterior.
Es otro objetivo de la invención proporcionar un
sistema perfeccionado de almacenamiento y dispensación de fluidos,
para la dispensación selectiva de gases, caracterizado por unas
significativas ventajas de coste, facilidad de empleo, y
prestaciones.
Otros objetivos y ventajas de la invención se
harán totalmente aparentes gracias a la siguiente descripción y a
las reivindicaciones adjuntas.
De acuerdo a un primer aspecto de la invención,
se proporciona un dispositivo de almacenamiento y dispensación de
fluidos que comprende: un recipiente de almacenamiento y
dispensación de fluidos para contener fluido a presión y que tiene
una boca de salida; y un regulador de presión que incluye una
válvula montada en dicho recipiente aguas arriba de, y en
comunicación con, dicha boca, caracterizado porque: dicha válvula se
mantiene cerrada para impedir que el fluido sea dispensado por
dicha boca hasta que dicho regulador de presión reciba gas a
presión subatmosférica a través de dicha boca desde aguas abajo del
mismo, y se abre en respuesta a la recepción de dicho gas a presión
subatmosférica.
De acuerdo a un primer aspecto de la invención,
se proporciona un procedimiento para dispensar un fluido contenido
en un recipiente a presión caracterizado porque: dicho fluido está
confinado en dicho recipiente por un regulador de presión, situado
en dicho recipiente, en un camino de flujo de fluido cerrado por
dicho regulador de presión para que el fluido fluya aguas abajo de
dicho regulador de presión, y dispensar selectivamente el fluido
confinado abriendo el camino de flujo de fluido hacia aguas abajo
de dicho regulador de presión, y comprendiendo dicha etapa de
dispensación suministrar gas a dicho regulador de presión a presión
subatmosférica a través de dicho camino de flujo de fluido desde
aguas abajo del mismo, estando ajustado dicho regulador de presión
para regular la presión del fluido que se esté dispensando a dicha
presión subatmosférica.
Para que se comprenda mejor la invención y
mostrar cómo puede ponerse en práctica la misma, se hará referencia,
sólo a título de ejemplo, a los siguientes dibujos, en los
cuales:
La Figura 1 es una vista esquemática seccionada
en alzado de un sistema de almacenamiento y dispensación de fluidos
de acuerdo a una realización de la presente invención;
La Figura 2 es una representación esquemática de
una instalación de fabricación de semiconductores que utiliza un
fluido dispensado por un sistema de almacenamiento y dispensación de
fluidos del tipo que se muestra en la Figura 1, de acuerdo a una
realización adicional de la invención;
La Figura 3 es una vista esquemática seccionada
en alzado de un sistema de almacenamiento y dispensación de fluidos
de acuerdo a otra realización de la presente invención;
La Figura 4 es una vista en perspectiva del
conjunto cabezal de válvula del sistema de almacenamiento y
dispensación de fluidos de la Figura 3;
La Figura 5 es una vista en alzado de la unidad
difusora empleada en el sistema de almacenamiento y dispensación de
fluidos de la Figura 3;
La Figura 6 es una vista parcialmente recortada
del regulador del sistema de almacenamiento y dispensación de
fluidos de la Figura 3; y
La Figura 7 es una vista seccionada en alzado de
una sección superior del recipiente de almacenamiento y dispensación
de fluidos del sistema de almacenamiento y dispensación de fluidos
de la Figura 3.
Lo que sigue describe un sistema para el
almacenamiento y dispensación de un fluido, para el uso en
aplicaciones tales como la fabricación de productos
semiconductores.
El sistema de almacenamiento de fluidos y
dispensación de gases que se describe a continuación comprende un
recipiente de almacenamiento y dispensación construido y dispuesto
para contener un líquido cuyo vapor constituye el fluido que va a
dispensarse. El fluido se mantiene en el recipiente de
almacenamiento y dispensación, por ejemplo, a una presión a la cual
el fluido esté en estado líquido. El recipiente de almacenamiento y
dispensación incluye una boca de salida y está equipado con un
conjunto dispensador, acoplado a la boca de salida, que puede
comprender, por ejemplo, un conjunto cabezal de válvula que incluye
una válvula dispensadora y una salida para la descarga selectiva
del gas derivado del líquido del recipiente.
Un regulador de la presión del fluido está
asociado a la boca de salida y puede formar parte de un conjunto
regulador de presión y separador de fases asociado a la boca de
salida, por ejemplo, en el cuello del recipiente, para retener el
fluido en el recipiente y, cuando el fluido está en forma de
líquido, impedir que el líquido se fugue hasta la válvula
dispensadora y la salida.
El regulador de presión y el separador de fases
incluido opcionalmente están dispuestos para que se encuentren en
el camino de flujo del fluido dispensado desde el recipiente a
través de la boca de salida. El regulador de presión y el separador
de fases incluido opcionalmente están dispuestos en el interior del
recipiente. Tales elementos están dispuestos interiormente para
minimizar la posibilidad de impacto y exposición ambiental durante
el uso, y para minimizar el camino de fugas del fluido contenido en
el recipiente. Puesto que el regulador de presión y el separador de
fases incluido opcionalmente están dispuestos interiormente, el
recipiente puede utilizar una única soldadura o costura en la boca
de salida para sellar el recipiente.
El separador de fases puede comprender
adecuadamente una membrana porosa que sea permeable al vapor o gas
derivado del líquido, pero que no sea permeable al líquido, y el
separador de fases está preferiblemente dispuesto de manera
protegida aguas arriba del regulador de presión para que, cuando el
fluido contenido en el recipiente sea un líquido, el líquido no
pueda penetrar en el regulador de presión e interferir con la
función del mismo de mantener el líquido en el recipiente e impedir
el escape de líquido del recipiente.
El regulador es un dispositivo de control de
flujo, que puede ser ajustado a un nivel de presión predeterminado,
para dispensar gas o vapor desde el cilindro a dicho nivel de
presión. El punto de ajuste del nivel de presión es subatmosférico,
a un nivel que depende de las condiciones de dispensación y del modo
de descarga del gas del recipiente.
El recipiente de almacenamiento y dispensación
de fluidos puede estar formado a la manera de un cilindro
convencional de gas de alta presión, con una porción de cuerpo
principal alargada que tiene un cuello con una sección transversal
de menor área que la sección transversal del cuerpo principal del
recipiente. El recipiente puede tener una conformación tal que
permita una fabricación convencional en la cual se limpia el
recipiente y se le instala después un conjunto cabezal de válvula
que incluye una válvula (manual o automática) y unos
correspondientes elementos de control de presión y flujo,
dispuestos como un colector.
Aunque es preferible un líquido como medio
fluido contenido y usado en el sistema de almacenamiento de fluidos
y dispensación de gases que se describe a continuación, también es
posible utilizar un gas a alta presión como medio fluido para
almacenar y dispensar selectivamente.
El recipiente de almacenamiento y dispensación
puede llenarse fácilmente ajustando el regulador de presión de
fluido a un nivel de presión adecuadamente bajo, de manera que el
gas o vapor esté a una presión inferior al punto de ajuste del
regulador de presión, usando un regulador de presión convencional
que incluye un elemento de válvula de seta que puede estar
solicitado por un elemento de solicitación, tal como un elemento de
solicitación por muelle, hacia una posición cerrada, y que responde
a una presión superior a la presión de ajuste permaneciendo
cerrado, pero que responde a una presión inferior a la presión de
ajuste abriéndose y permitiendo el flujo de fluido a su través.
En consecuencia, la operación de llenado, para
cargar el recipiente con el fluido que va a ser almacenado y
subsiguientemente dispensado, puede llevarse a cabo estableciendo en
el recipiente un nivel de presión interior a la cual el elemento de
válvula de seta del regulador de presión se desencaje de su asiento,
permitiendo así que el gas fluya al interior del recipiente, con
una forma de flujo inversa al modo de dispensación del sistema. De
esta manera, el recipiente puede fabricarse con una sola boca que
funciona para permitir el escape de gas del recipiente para la
dispensación, pero también permite llenar el recipiente con el
fluido en primera instancia, a través de la única boca.
Alternativamente, el recipiente podrá estar
configurado con una doble boca para el flujo de fluido, que pueda
acomodar líneas diferentes para llenado y dispensación. Por ejemplo,
la boca de dispensación puede estar situada en el cuello del
recipiente y estar asociada a un conjunto cabezal de válvula
convencional, mientras que la boca de llenado puede estar situada
en otra localización de la estructura del recipiente.
El recipiente puede utilizarse para el
almacenamiento y dispensación de cualquier fluido adecuado, tal
como, por ejemplo, fluidos de hidruros (por ejemplo, arsina,
fosfina, estibina, silano, etc.) y gases ácidos (por ejemplo,
fluoruro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, cloro, tricloruro
bórico, trifluoruro bórico, silanos halogenados y disilanos, etc.)
para el uso en operaciones de fabricación de semiconductores.
Para el uso, puede proveerse una válvula
dispensadora como parte del conjunto dispensador asociado a la boca
del recipiente, y tal válvula puede ser abierta, manual o
automáticamente, para que el gas pueda fluir a través de la
membrana porosa o del elemento separador de fases, cuando exista, y
subsiguientemente fluir hasta un sistema de proceso situado aguas
abajo, tal como un aparato de implantación de iones, una cámara de
deposición de vapores químicos, una estación de limpieza de equipos
semiconductores, etc.
El recipiente puede contener adicionalmente un
material adsorbente físico que haya adsorbido un gas a una presión
interna del recipiente comprendida entre unos 3,5 kg/cm^{2} y
unos 351,5 kg/cm^{2} (50-5.000 psig), y un
conjunto dispensador de gas acoplado al recipiente y selectivamente
operable para dispensar gas del recipiente.
En un aspecto adicional, el dispositivo
dispensador puede formar parte de un sistema de fabricación de
semiconductores que comprende un aparato de fabricación de
semiconductores que utiliza un gas, y una fuente de dicho gas, en
el cual dicha fuente comprende un recipiente que contiene un
material adsorbente físico que ha adsorbido un gas a una presión
interna del recipiente comprendida entre unos 3,5 kg/cm^{2} y unos
351,5 kg/cm^{2} (50-5.000 psig), y un conjunto
dispensador de gas acoplado al recipiente y selectivamente operable
para dispensar gas del recipiente.
Otro aspecto adicional se refiere a un
procedimiento para almacenamiento y dispensación de un fluido, que
comprende:
contener el fluido en un estado al menos
parcialmente adsorbido a una presión comprendida entre unos 3,5
kg/cm^{2} y unos 351,5 kg/cm^{2} (50-5.000
psig); y
dispensar selectivamente el fluido desorbiendo
el mismo desde el estado adsorbido y liberando el mismo desde la
contención.
Otro aspecto se refiere a un sistema de
almacenamiento y dispensación de fluidos, que comprende:
un recipiente de almacenamiento y dispensación
de fluidos que encierra un volumen interior de menos de unos 50
litros y que tiene una abertura de entrada mayor de 2,54 cm (1
pulgada NGT);
un conjunto dispensador de fluidos dispuesto
para selectivamente dispensar fluido desde el recipiente; y
un regulador de presión de fluido en el volumen
interior del recipiente, dispuesto para mantener una presión
predeterminada en el mismo.
El recipiente puede tener un volumen interno
inferior a unos 20 litros, y más preferiblemente inferior a unos 10
litros, por ejemplo, comprendido aproximadamente entre 1 y 10
litros. Tal recipiente puede estar configurado y dimensionado según
se describe más detalladamente a continuación. El recipiente tiene
preferiblemente una capacidad de presión, es decir, un nivel de
presión en servicio continuo que pueda ser soportado sin efectos
adversos (rotura del recipiente o fuga del fluido del mismo), de al
menos hasta 70,3 kg/cm^{2} (1.000 libras por pulgada cuadrada), y
más preferiblemente de al menos hasta 351,5 kg/cm^{2} (5.000
libras por pulgada cuadrada). El recipiente puede estar dispuesto
para dispensar selectivamente a una instalación consumidora de gas
situada aguas abajo, por ejemplo, una instalación para la
fabricación de semiconductores.
En otro aspecto, el recipiente de almacenamiento
y dispensación de fluidos puede comprender un cilindro DOT 3AA 2015
de 2,0-2,25 litros con una abertura de 3,81 cm (1,5
pulgadas NGT) con una rosca NGT de 3,81-4,528 hilos
por cm (1½-11½), un diámetro exterior de 10,63 a 10,80 cm (4,187-
4,25 pulgadas), un espesor nominal de pared de 0,239 a 0,318 cm
(0,094-0,125 pulgadas), y una longitud de 32,39 a
34,93 cm (12,75-13,75 pulgadas).
El conjunto de almacenamiento y dispensación de
fluidos puede comprender un recipiente con un volumen interior
inferior a 50 litros y una abertura de cuello mayor de 2,54 cm (1
pulgada NGT), un conjunto dispensador acoplado a la abertura del
cuello, y un regulador acoplado al conjunto dispensador y dispuesto
en el volumen interior del recipiente.
La presente invención está en parte basada en el
descubrimiento de que un sistema de almacenamiento y dispensación
de fluidos, de un tipo que presenta una alternativa al sistema de
almacenamiento y dispensación de fluidos de Tom y otros, Patente
Estadounidense 5.518.528, puede ser fabricado fácilmente disponiendo
un regulador de presión de fluido entre un volumen de líquido
confinado y un conjunto dispensador de gas que incluye un elemento
de control de flujo de gas tal como una válvula de cierre del flujo
de gas, un controlador de flujo másico, o similar.
Subordinado a este descubrimiento está el
hallazgo de que el regulador de presión de fluido puede estar
ventajosamente dispuesto en el interior del recipiente de
almacenamiento y dispensación de fluidos, por lo que queda protegido
por el recipiente, por ejemplo, la carcasa o caja del cilindro,
frente a impactos, exposición ambiental, y daños.
El regulador de presión de fluido puede ser de
cualquier tipo adecuado, por ejemplo, el regulador de presión serie
SR4 comercializado por Integrated Flow Systems, Inc. El regulador de
presión de fluido puede ser de un tipo de válvula de seta, que
comprende un elemento de seta que es solicitado hacia una estructura
de asiento para impedir el flujo a una presión superior a un valor
de ajuste.
El punto de ajuste puede ser un dispositivo de
punto de ajuste "nativo" o fijo, o el dispositivo puede
comprender un dispositivo de punto de ajuste variable (graduable).
Preferiblemente, el regulador de presión de fluido es un
dispositivo variable y graduable en lo que respecta a su presión de
punto de ajuste. El regulador de presión de fluido puede ajustarse,
a título de ejemplo, a un nivel apropiado, por ejemplo, 700 Torr,
para que proporcione un flujo de fluido dispensado desde el
recipiente de almacenamiento y dispensación a dicho nivel de
presión de ajuste cuando se abra al flujo el conjunto dispensador
asociado a la boca de flujo de fluido del recipiente, tal como
abriendo una válvula de control de flujo del conjunto
dispensador.
El medio fluido en el recipiente de
almacenamiento y dispensación de fluidos puede ser cualquier medio
fluido adecuado, en cualquier condición apropiada de almacenamiento
de fluidos, por ejemplo, un gas a alta presión, o alternativamente
un líquido, a la presión de punto de ajuste determinada por el
regulador de presión de fluido, como fuente del gas que va a ser
dispensado. Así pues, la fuente de gas del sistema puede ser un gas
a alta presión o un gas licuado.
Opcional y deseablemente, se utiliza un
separador de fases para evitar las fugas de líquido a través del
asiento de la válvula del regulador cuando la fuente de gas es un
líquido a alta presión. El separador de fases puede ser de
cualquier forma adecuada, pero preferiblemente comprende una
membrana porosa que es permeable al gas o vapor del líquido
contenido, pero es impermeable a la fase líquida. Los materiales
adecuados para tal membrana permeable del separador de fases
incluyen diversas películas de material polimérico de apropiadas
características de porosidad y permeabilidad, y los denominados
tejidos "transpirables" tales como los fabricados por W.L.
Gore & Associates, Inc. (Elkton, MD) bajo las marcas comerciales
"GoreTex", "Activent", "DryLoft" y "Gore
Windstopper".
El regulador de presión y el separador de fases
pueden utilizarse combinados el uno con el otro en un conjunto
dispuesto interiormente en el recipiente de almacenamiento y
dispensación de fluidos.
El fluido utilizado en el recipiente de
almacenamiento y dispensación de fluidos puede comprender cualquier
fluido adecuado, tal como, por ejemplo, un fluido de hidruro para
operaciones de fabricación de semiconductores. Ejemplos de fluidos
de hidruro de este tipo incluyen arsina, fosfina, estibina, silano,
clorosilano y diborano. Pueden emplearse otros fluidos útiles para
las operaciones de fabricación de semiconductores, incluyendo gases
ácidos tales como fluoruro de hidrógeno, tricloruro bórico,
trifluoruro bórico, cloruro de hidrógeno, silanos halogenados (p.
ej., SiF4) y disilanos (p. ej., Si2F6), etc., que tengan utilidad en
operaciones de fabricación de semiconductores como soluciones de
ataque con haluros, agentes limpiadores, reactivos fuente, etc.
El recipiente de almacenamiento y dispensación
de fluidos puede construirse fácilmente utilizando dispositivos
reguladores de presión de fluido convencionales. Con respecto al
sistema de almacenamiento y dispensación de gas a base de sorbentes
descrito en la Patente Estadounidense 5.518.528, el recipiente de
almacenamiento y dispensación de fluidos que aquí se describe
proporciona una capacidad de almacenamiento de fluido
significativamente mayor, cuando el fluido está en fase
líquida.
A título de ejemplo, un sistema de
almacenamiento y dispensación de gas a base de sorbentes del tipo
descrito y representado en la Patente Estadounidense 5.518.528, que
usa un cilindro "JY" como recipiente de almacenamiento y
dispensación y que contiene un material sorbente físico que tiene
afinidad de sorción para el gas que va a ser dispensado, suministra
típicamente, en el caso del gas arsina, del orden de unos 0,5
kilogramos de gas.
El recipiente correspondiente del sistema de
almacenamiento de fluidos y dispensación de gas que aquí se
describe, puede almacenar un litro de arsina líquida y puede
dispensar 1,8 kilogramos de gas arsina.
El sistema de almacenamiento y dispensación de
fluidos permite dispensar un fluido de alta pureza, libre de los
potenciales contaminantes o impurezas que se encuentran de manera
característica en los materiales sorbentes utilizados en los
sistemas de almacenamiento y dispensación a base de sorbentes de la
técnica anterior.
Adicionalmente, el sistema de almacenamiento y
dispensación de fluidos alcanza un alto nivel de seguridad en el
despliegue de fluidos, ya que el recipiente de almacenamiento y
dispensación puede fabricarse con un regulador de presión y un
separador de fases opcional dispuestos interiormente, y la costura
asociada a la boca de flujo de fluido del recipiente constituirá el
único camino de fugas en una construcción por lo demás libre de
costuras. Adicionalmente, en el caso de un cilindro para fluidos
convencional, debido al tamaño relativamente pequeño del cuello del
cilindro con respecto a la sección transversal del cuerpo del
recipiente, el camino de las fugas de entrada o escape de gas es
mínimo, y es fácil hacerlo estanco mediante cobresoldeo, soldadura,
sellado adhesivo con un sellador altamente impermeable a los
fluidos, etc.
Adicionalmente, según se ha mencionado, es
factible construir el recipiente de almacenamiento y dispensación
de fluidos con sólo una única boca de flujo de fluido. Si el
regulador de presión de fluido se ajusta a un nivel de presión
adecuado, p. ej. 700 Torr, puede bajarse la temperatura del
recipiente hasta el punto en el que la presión de vapor del gas
(del fluido que va a ser dispensado) quede por debajo del punto de
ajuste del regulador. En estas condiciones el elemento de seta del
regulador se desencajará de su asiento y dejará entrar en el
recipiente de almacenamiento el gas procedente de una fuente
exterior.
Refiriéndose ahora a los dibujos con mayor
detalle, la Figura 1 es una vista esquemática en alzado, seccionada
transversalmente, de un sistema 10 de almacenamiento de fluidos y
dispensación de gases de acuerdo a una realización de la presente
invención.
El sistema 10 de almacenamiento de fluidos y
dispensación de gases incluye un recipiente 12 de almacenamiento y
dispensación que incluye una pared lateral cilíndrica 14, un fondo
16 y una porción superior de cuello 18, que definen un volumen
interior cerrado 15 que contiene el líquido 17. El líquido 17 puede
comprender cualquier líquido adecuado tal como un hidruro líquido
para usar en operaciones de fabricación de semiconductores. Los
hidruros ilustrativos incluyen arsina, fosfina, estibina, silano,
diborano, etc. El líquido 17 se mantiene en el recipiente 12 a una
presión suficiente para que permanezca en fase líquida.
Dispuesto en la porción superior de cuello 18
del recipiente 12 se encuentra un conjunto cabezal de válvula que
comprende una válvula 20, que está comunicada con una salida 22 de
la válvula desde la cual se dispensa el vapor del recipiente en la
dirección indicada por la flecha A.
La válvula 20 está representada con un actuador
24 asociado, que puede ser de cualquier tipo adecuado (eléctrico,
neumático, etc.) según se desee en la determinada aplicación final
de esta invención. Alternativamente, la válvula 20 puede ser
accionada manualmente o estar provista de otro medio de control de
flujo.
La válvula 20 está unida con comunicación del
flujo de gas al regulador de presión 26, que es de un tipo
convencional que emplea un elemento de seta que puede estar, por
ejemplo, solicitado por un muelle hacia una condición cerrada, y en
el cual la seta es sometida a un desplazamiento cuando la presión
diferencial a través del elemento de seta sobrepasa un cierto
nivel. El regulador de presión 26 puede ser ajustado, por ejemplo, a
un valor de presión subatmosférico, atmosférico o superatmosférico,
por ejemplo, 700 Torr. El nivel específico de presión se elige en
función del líquido u otro fluido contenido en el recipiente, para
que sea adecuado a la operación de almacenamiento y
dispensación.
Acoplado con el regulador de presión 26 hay un
separador de fases 28 que incluye un elemento de membrana 30, que es
permeable al gas o vapor derivado del líquido 17, pero impermeable
al propio líquido.
La membrana permeable al gas/vapor e impermeable
al líquido puede estar formada por cualquier material que sólo
transmita el gas o vapor procedente del líquido pero que impida el
flujo de líquido a través del mismo. En la práctica la membrana
puede estar formada por una amplia variedad de materiales
potencialmente útiles que incluyen, por ejemplo, polipropileno,
fluoruro de polivinilideno, politetrafluoroetileno,
polifluoracetato, silicona, y tejidos de vidrio con tratamiento
superficial. Un material útil preferido comprende tejidos
"transpirables" de fluoruro de polivinilideno tales como los
comercializados con la marca "Gore-Tex®"
(Goretex Corporation). Otros materiales disponibles en el mercado
para usar como materiales del separador de fases de membrana
incluyen la película Noryl (General Electric Company, Pittsfield,
MA).
En el uso del sistema de almacenamiento de
fluidos y dispensación de gases de la Figura 1, el líquido es
almacenado a una presión predeterminada que asegure su liquidez.
Para este propósito, se ajusta el regulador de presión 26 a un
nivel predeterminado que asegure la presión interior apropiada en el
volumen interior 15 del recipiente. La membrana 30 impermeable al
líquido y permeable al gas/vapor asegura que no fluya líquido alguno
hasta el interior del regulador 26 de gas, aunque se incline con
respecto a la postura vertical representada en la Figura 1, siempre
que permanezca generalmente erguido.
Cuando se desea dispensar gas desde el
recipiente 12, se acciona el actuador 24 de la válvula para abrir la
válvula 20, permitiendo así que el gas o vapor derivado del líquido
fluya a través de la membrana permeable 30, el regulador de presión
26 y la válvula 20, para escapar del conjunto dispensador con
cabezal de válvula a través de la salida 22.
La apertura de la válvula 20 efectúa una
reducción de la presión en el lado de descarga de la membrana
permeable 30 y provoca la permeabilidad a través de la membrana del
vapor derivado del líquido, para su descarga. Al mismo tiempo, el
regulador de la presión del fluido mantendrá la presión del gas que
se está dispensando al nivel de presión del punto de ajuste.
El recipiente 12 de la realización de la Figura
1 puede estar equipado, según se muestra, con una boca de llenado 42
independiente (con respecto a la boca de flujo de fluido existente
en el cuello del recipiente), y esta boca de llenado independiente
puede ser acoplada a una fuente de líquido para llenar el
recipiente.
Alternativamente, el recipiente puede estar
provisto simplemente de una abertura en el cuello, con el regulador
de presión ajustado a un nivel de temperatura apropiado para el
llenado. Durante la operación de llenado puede enfriarse el
recipiente, colocándolo en un criostato o baño refrigerante, para
reducir la temperatura del recipiente por debajo del punto de
presión predeterminado por el regulador de presión. El regulador de
presión de fluido tendrá entonces una presión de gas en el volumen
interior 15 del recipiente que será inferior al punto de ajuste del
regulador, permitiendo así que el elemento de seta del regulador de
presión se desencaje de su asiento y permita la entrada de fluido
en el recipiente, para el subsiguiente almacenamiento del líquido en
el mismo.
La Figura 2 es una representación esquemática de
un sistema de fabricación de semiconductores que utiliza un sistema
110 de almacenamiento y dispensación de fluidos. El sistema 110 de
almacenamiento y dispensación de fluidos incluye un recipiente 112
generalmente cilíndrico construido generalmente en la línea del
recipiente 12 de la Figura 1. El recipiente contiene líquido a una
presión predeterminada. El conjunto cabezal de válvula comprende
una válvula 120 con un actuador 124 que está dispuesto para accionar
selectivamente la válvula y efectuar la descarga de gas desde el
recipiente por la línea 142.
El actuador 124 de la válvula está controlado
por una unidad procesadora central 210, que puede comprender un
aparato de control informatizado o microprocesado, acoplado con una
relación de control al actuador 124 de la válvula por medio de una
línea 212 de transmisión de señales.
La unidad procesadora central 210 puede estar
construida y dispuesta para accionar la válvula de acuerdo a un
programa temporal cíclico. Alternativamente, la unidad procesadora
central 210 puede monitorizar una condición de proceso en la
instalación 200 de fabricación de semiconductores, por medio de una
línea 216 de transmisión de señales de condiciones del proceso que
conduce hasta la unidad procesadora central una señal indicativa de
una determinada condición del proceso, haciendo que la unidad
responda accionando el actuador 124 de la válvula en un grado
correspondiente, para modular el flujo de gas en la línea 142 en
proporción a las necesidades de la instalación de fabricación de
semiconductores.
La unidad procesadora central 210 puede recibir
también una señal correlativa de la temperatura del recipiente por
la línea 214 de transmisión de señales, que puede estar unida a un
sensor térmico o un termopar embebido, asociado al recipiente 112,
para compensar el flujo de fluido por la línea 142 en función de la
temperatura del recipiente 112.
La instalación 200 de fabricación de
semiconductores puede comprender cualquier disposición adecuada de
equipos de proceso para la producción de materiales o dispositivos
semiconductores, o productos que contengan tales materiales o
dispositivos.
\newpage
Por ejemplo, la instalación 200 de fabricación
de semiconductores puede comprender un sistema de implantación de
iones, unos litógrafos, un reactor de deposición de vapor químico y
los correspondientes equipos de suministro y vaporización de
reactivos (incluyendo equipos de alimentación de líquido,
burbujeadores, etc.), una unidad de grabado químico, un aparato de
limpieza, etc.
En una realización particular de la presente
invención, se mantiene a presión en el recipiente 112 un fluido de
hidruro líquido, y el gas derivado del mismo se dispensa
selectivamente por la línea 142 hacia la instalación 200 de
fabricación de semiconductores que comprende una cámara de
implantación de iones. El gas dispensado, junto con uno o varios
gases portadores y/o diluyentes adecuados, es sometido a ionización,
y los resultantes elementos iónicos son implantados en un sustrato
tal como una estructura o subconjunto precursor del dispositivo
semiconductor.
Subsiguientemente al uso del gas dispensado, la
instalación 200 de fabricación de semiconductores descarga por la
línea 202 una corriente de gas efluente que puede ser conducida
hasta un sistema 204 de tratamiento de gases efluentes, para su
tratamiento y descarga del efluente final purificado por la línea
206.
Se reconocerá que la instalación de fabricación
de semiconductores puede ser ampliamente variada y configurada, por
ejemplo, para emplear una multiplicidad de gases de proceso que
pueden ser dispensados desde unos correspondientes recipientes
individuales de almacenamiento y dispensación de fluido construidos
y operados de acuerdo con la presente invención.
Se reconocerá también que el aparato de
almacenamiento y dispensación de fluidos proporciona unos medios de
alta eficacia y fácil fabricación para el almacenamiento de alta
capacidad y la dispensación de fluidos tales como la arsina, que
pueden ser licuados a presión sin esfuerzos o gastos indebidos.
Adicionalmente, al disponer interiormente un
regulador de presión en el volumen interior de un recipiente de
almacenamiento y dispensación de fluidos, el recipiente puede ser
fabricado con sólo una costura única en la porción del cuello como
potencial camino de fugas para la entrada o el escape del elemento
fluido. En consecuencia, el recipiente puede fabricarse fácilmente
y, durante el uso, el regulador de presión de gas dispuesto
interiormente está protegido frente a los impactos así como frente a
la exposición ambiental, que de otro modo podría afectar
negativamente a la integridad estructural o al funcionamiento del
recipiente, así como constituir un potencial camino de fugas
adicionales para el recipiente de almacenamiento y dispensación.
Aunque el enfoque del sistema descrito con
relación a la Figura 1 es generalmente satisfactorio, es posible
que, en condiciones de un prolongado almacenamiento del recipiente
de fluido, se produzca condensación de líquido en el lado de guas
abajo de la membrana. Por ejemplo, si el recipiente reposa sobre su
costado y en esa posición el volumen de líquido se extiende por
encima de la altura de la membrana permeable del separador de
fases, se produce un pequeño gradiente de potencial que es igual al
potencial gravitatorio asociado a dicha "altura" de líquido.
Para equilibrar este potencial de la altura de líquido, el líquido
se condensará en el lado de la membrana que da hacia la válvula
hasta que se hayan igualado los respectivos niveles de líquido en
los lados opuestos de la membrana.
Adicionalmente, en los recipientes de
almacenamiento y dispensación de gases del tipo de cilindro de alta
presión, tales como los empleados convencionalmente para el
trifluoruro bórico (BF_{3}), la capacidad de almacenamiento de
gas en el sistema está normalmente determinada y limitada por las
presiones en el cilindro. Las presiones que serían necesarias para
la licuación del gas en tales casos pueden ser prohibitivas.
Adicionalmente a lo anterior, los recipientes
cilíndricos de gas que se usan convencionalmente para el servicio
de gas comprimido utilizan típicamente unas entradas de válvula,
según miden las normas National Gas Taper (NGT), de 1,905 cm (3/4
pulgada NGT), 1,27 (1/2 pulgada NGT), y menores. Para explotar de
manera útil el enfoque del "regulador en la botella", se
requieren unas entradas al cilindro mayores que las disponibles
convencionalmente en la actualidad. La mayor entrada a un cilindro
de gas comprimido recomendada por la Compressed Gas Association
(CGA) es una abertura de 3,81 cm con 4,528 hilos por cm (1,5
pulgadas NGT – 11½ tpi (hilos por pulgada)) que tiene un diámetro
mínimo de 4,55 cm (1,79 pulgadas). Las aberturas mayores de 1,905 cm
(3/4 pulgada NGT) están típicamente diseñadas para aplicaciones en
las que se requieran flujos elevados y cilindros mayores (volumen
interno > 50 litros). Los inventores no conocen ningún cilindro
con volumen inferior a 50 litros que tenga aberturas mayores de 2,54
cm (1 pulgada NGT), y es muy improbable que se hayan empleado
aberturas superiores a 2,54 cm (1 pulgada NGT) en cilindros con
volúmenes inferiores a 20 litros.
Para validar comercialmente el enfoque del
"regulador en la botella", es necesario proporcionar un
cilindro que satisfaga las normas de envasado del United States
Department of Transportation (USDOT), que tenga la mayor abertura
de entrada convencionalmente disponible, y que pueda soportar
presiones comprendidas aproximadamente entre 70,3 y 351,5
kg/cm^{2} (1.000 y 5.000 libras por pulgada cuadrada). Ningún
recipiente así ha sido propuesto o fabricado por la técnica
anterior, y ninguno está disponible en el mercado.
En el sistema de almacenamiento y dispensación
de fluidos, que incluye un recipiente de almacenamiento y
dispensación de fluidos que presenta una boca de flujo de fluido,
con un conjunto dispensador de fluidos acoplado a la boca con
comunicación del flujo de fluido, el regulador que está asociado a
la boca puede comprender adecuadamente un regulador de doble etapa
para resolver el problema de separación de fases descrito
anteriormente.
Según se ha mencionado, si el recipiente de
almacenamiento y dispensación utiliza un regulador de etapa única
en combinación con una unidad separadora de fases, si el recipiente
reposa sobre un costado puede contener suficiente líquido para que
el volumen de líquido sobrepase la altura de la membrana permeable
del separador de fases. En esta condición, el líquido se condensará
en el lado de la membrana que da hacia la válvula hasta que se
hayan igualado los respectivos niveles de líquido en lados opuestos
de la membrana.
El uso de un regulador de doble etapa evita este
inconveniente. Si el líquido del volumen interior principal del
recipiente se desplaza entre la primera y la segunda etapas del
regulador de doble etapa, el elemento sensible a la presión de la
etapa de alta presión del regulador de doble etapa será forzado
hacia una posición cerrada (siendo la etapa de alta presión la
etapa del regulador que inicialmente está en comunicación de flujo
de fluido con el líquido del recipiente, y siendo la etapa de baja
presión la etapa del regulador que subsiguientemente está en
comunicación de flujo de fluido con la primera etapa). Típicamente,
el elemento sensible a la presión de las respectivas etapas del
regulador es una válvula de seta. Cuando la etapa de alta presión es
forzada a cerrar y se eleva la presión en la región entre etapas
(entre la etapa de alta presión y la etapa de baja presión), dicho
aumento de la presión entre etapas tendrá poco impacto sobre la
presión final del fluido descargado por la segunda etapa.
El punto de ajuste de la presión para la etapa
de alta presión del regulador de doble etapa puede fijarse a
cualquier nivel adecuado de presión por encima de la presión de la
etapa final (etapa de baja presión) del regulador de doble etapa.
Mediante esta disposición se resuelve el problema de condensación de
líquido de la disposición con un regulador de etapa única, sin
impacto sobre el funcionamiento general del sistema de
almacenamiento y dispensación de fluidos, incluyendo la operación de
llenado (carga de fluido) de tal sistema.
En consecuencia, el sistema de almacenamiento y
dispensación de fluidos que utiliza un regulador de doble etapa
puede estar configurado como el que se muestra generalmente en la
Figura 1, descrita anteriormente, pero en el cual el regulador de
presión 26 es un regulador de doble etapa en lugar de un regulador
de etapa única. El regulador presión de fluido de doble etapa está
pues asociado a la boca del recipiente, y está dispuesto para
mantener una presión predeterminada en el volumen interior del
recipiente.
Es más, el sistema de almacenamiento y
dispensación de fluidos puede comprender un recipiente que contenga
un material adsorbente físico con afinidad de sorción para un gas,
por ejemplo, un gas seleccionado dentro del grupo formado por gases
de hidruros, gases de haluros y gases de compuestos organometálicos.
Un gas de este tipo (es decir, uno para el cual el material
adsorbente físico tenga una afinidad de sorción) está contenido en
el recipiente a una presión interna en el recipiente de entre unos
3,5 kg/cm^{2} y unos 351,5 kg/cm^{2} manométricos
(50-5.000 psig (libras por pulgada cuadrada
manométricas)). Preferiblemente, entre aprox. 5% y aprox. 40% de
este gas se encuentra en un estado libre (no adsorbido) y entre
aprox. 40% y aprox. 95% de este gas se encuentra en un estado
adsorbido en el material sorbente físico.
El recipiente que contiene el material
adsorbente puede construirse, y disponerse con un conjunto
dispensador u otro medio de descarga, según se describe en la
Patente Estadounidense 5.528.518, concedida el 21 de Mayo de 1996 a
nombre de Glenn M. Tom y James V. McManus, cuya descripción se
incorpora aquí en su totalidad por referencia. El recipiente puede
construirse alternativamente según se muestra en la Figura 1 de este
documento, pero en el cual el líquido 17 es sustituido por un lecho
de material adsorbente físico que retiene de modo sorbente un
elemento de gas que también se encuentra presente en los
intersticios del lecho de adsorbente físico así como en el espacio
de cabeza del volumen interior del recipiente.
Aunque la técnica anterior ha descrito que los
sistemas de almacenamiento y dispensación de gases a base de
sorbentes, del tipo referido y descrito en la Patente Estadounidense
5.528.518, tienen utilidad para el almacenamiento y dispensación de
gases a presiones superiores a la presión atmosférica, por ejemplo,
la Patente Estadounidense 5.704.967 concedida el 6 de Enero de 1998
a Glenn M. Tom y otros (que describe presión superatmosférica "por
debajo de unos 1200 Torr"), la técnica anterior no ha
contemplado que tales sistemas de almacenamiento y suministro de
gases a base de sorbentes podrían emplearse con utilidad como fuente
de gas a presiones significativamente mayores, por ejemplo, por
encima de unos 3,5 kg/cm^{2} (50 psig), y más preferiblemente por
encima de unos 7,0 kg/cm^{2} (100 psig). La razón de esta
circunstancia es que, a primera vista, parecería que la oclusión de
volumen por la masa física del material sorbente sería desventajosa,
creando un "volumen perdido" que reduciría la cantidad neta de
gas que podría almacenarse en el recipiente.
Frente a esta circunstancia, se ha descubierto
sorpresiva e inesperadamente que el despliegue de un sistema de
almacenamiento y dispensación de gases a base de sorbentes, que
utilice unas condiciones de almacenamiento a alta presión en el
volumen interior del recipiente, proporciona un asombroso aumento de
la capacidad de almacenamiento del recipiente que contiene el
sorbente. Llenando el cilindro con un material adsorbente físico en
fase sólida, preferiblemente en forma dividida, según se describe en
la anteriormente mencionada Patente Estadounidense 5.528.518 de Tom
y otros, el gas adsorbible puede ser almacenado en el cilindro en un
estado físico análogo a una fase líquida, con una capacidad de
almacenamiento de gas muy superior a la de los cilindros
convencionales de gas a alta
presión.
presión.
Esta mejora inesperada de la capacidad de
almacenamiento de gas se demuestra ilustrativamente por los datos
de la siguiente Tabla I, en la cual se compara la capacidad de
almacenamiento de BF_{3} en un cilindro de gas relleno de
adsorbente y en un cilindro de gas convencional a temperatura
ambiente (20ºC). La capacidad de adsorción de BF_{3} en la Tabla
I se determina mediante un modelo informático que tiene una
fiabilidad predictiva de \pm20%, para un recipiente de
almacenamiento y dispensación de gas de 2,2 litros de volumen
interno (equivalente a un cilindro "JY" disponible en el
comercio), siendo el adsorbente un material sorbente de carbono
activado, en bolas, del tipo descrito en la Patente Estadounidense
5.704.965 de Tom y otros, cuya descripción se incorpora aquí en su
totalidad por referencia.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Según se muestra por los datos de la Tabla I, la
cantidad total de trifluoruro bórico contenida en el cilindro
relleno de adsorbente es consistentemente mayor que la cantidad de
trifluoruro bórico contenida en el cilindro de gas convencional
(libre de adsorbente). Por ejemplo, a 7,0 kg/cm^{2} (100 psig), la
cantidad total de trifluoruro bórico contenida en el cilindro
relleno de adsorbente es 12,35 veces mayor que la cantidad de
trifluoruro bórico contenida en el cilindro de gas convencional
(libre de adsorbente). A 105,5 kg/cm^{2} (1.500 psig), la
cantidad total de trifluoruro bórico contenida en el cilindro
relleno de adsorbente es 1,94 veces mayor que la cantidad de
trifluoruro bórico contenida en el cilindro de gas convencional
(libre de adsorbente).
De acuerdo a un ejemplo particular, un sistema
de almacenamiento y dispensación de fluidos que incluye un
recipiente de almacenamiento y dispensación de fluidos con una boca
de flujo de fluidos, un conjunto dispensador de fluidos en
comunicación con flujo de fluido con la boca, y un regulador de
presión de fluidos asociado a la boca, puede estar configurado con
las siguientes características:
(i) un volumen interno inferior a unos 50
litros, más preferiblemente inferior a unos 20 litros, y aún más
preferiblemente inferior a unos 10 litros, por ejemplo, comprendido
aproximadamente entre 1 y 10 litros; y
(ii) una abertura de entrada mayor de 2,54 cm (1
pulgada)
\vskip1.000000\baselineskip
Tal recipiente tiene preferiblemente una
capacidad de presión, es decir, un nivel de presión que puede
soportar en servicio continuo sin efectos adversos (rotura del
recipiente o fugas de fluido desde el mismo), de al menos hasta
unos 70,3 kg/cm^{2} (1.000 libras por pulgada cuadrada), y más
preferiblemente hasta 351,5 kg/cm^{2} (5.000 libras por pulgada
cuadrada).
En una realización, tal recipiente puede tener
un volumen interno de 2,0 litros con una entrada de válvula al
cilindro de 3,81 cm (1,5 pulgadas NGT), de manera que la abertura de
entrada sea suficientemente grande para alojar un dispositivo
regulador tal como un regulador de punto de ajuste IFS.
Para la configuración de "regulador en la
botella" es necesaria una abertura de entrada de ese tamaño
(>2,54 cm (1 pulgada NGT)), ya que (1) el diámetro de un
regulador tal como el regulador de punto de ajuste IFS es
típicamente mayor de 3,81 cm (1,5 pulgadas) y menor de 4,064 cm (1,6
pulgadas), lo cual requiere una abertura del orden de 3,81 cm (1,5
pulgadas) para que el regulador encaje dentro del cilindro, y (2)
una abertura NGT es la única entrada al cilindro aceptada y
aprobada por USDOT para aplicaciones que impliquen el almacenamiento
y dispensación de gases tales como BF_{3}, AsH_{3}, F_{2},
PH_{3}, SiH_{4}, etc. Cualquier otro tipo de entrada de válvula
al cilindro, tal como una conexión exteriormente roscada o una rosca
recta no está actualmente aceptada por USDOT como conexión
legalmente permitida para tales gases.
\newpage
En la fabricación de recipientes de este tipo
con una abertura de entrada de 2,54 cm (1 pulgada NGT), las etapas
de fabricación incluyen típicamente:
(1) embutir en frio un disco metálico en una
copa cilíndrica;
(2) formar el cuello del cilindro mediante
centrifugación del metal en caliente; y
(3) fabricar la abertura del cilindro en el
cuello del recipiente utilizando un procedimiento de mecanizado
manual o automatizado.
\vskip1.000000\baselineskip
Una realización específica del recipiente de
este tipo comprende un cilindro DOT 3AA 2015 de
2,2-2,5 litros con una abertura de 3,81 cm (1,5
pulgadas NGT) con una rosca 1½-11½ NGT, teniendo el recipiente un
diámetro exterior de 10,63 a 10,80 cm (4,187-4,25
pulgadas), un espesor nominal de pared de 0,239 a 0,318 cm
(0,094-0,125 pulgadas), un diámetro exterior nominal
del cuello de 6,35 cm (2,5 pulgadas), un diámetro interior máximo
del cuello de 3,81 cm (1,5 pulgadas) según centrifugado, y una
longitud de 32,39 a 34,93 cm (12,75- 13,75 pulgadas). Tal
recipiente es adecuado para el uso con trifluoruro bórico como
elemento gaseoso almacenado y dispensado por el recipiente.
La Figura 3 es una vista esquemática en alzado y
seccionada transversalmente de un sistema 300 de almacenamiento y
dispensación de fluidos de acuerdo a una realización ilustrativa de
la presente invención. El sistema 300 incluye un recipiente 302 de
almacenamiento y dispensación de fluidos de forma generalmente
cilíndrica, con una pared lateral cilíndrica 304 cerrada por su
extremo inferior mediante un elemento de fondo 306. En el extremo
superior del recipiente hay un cuello 308 que incluye un collarín
cilíndrico 310 que define y circunscribe una abertura superior del
recipiente. La pared del recipiente, el elemento de fondo y el
cuello encierran así un volumen interior 328, según se muestra.
En el cuello del recipiente, un tapón roscado
312 del conjunto 314 de cabezal con válvula está enroscado en la
abertura roscada interiormente del collarín 310. El conjunto 314 de
cabezal con válvula incluye un paso central 320 de flujo de fluido
unido con comunicación de flujo de fluido con una cavidad central de
volumen útil en el conjunto cabezal con válvula. La cavidad central
de volumen útil está a su vez unida a la salida 324, que puede
estar roscada exteriormente o construida de algún otro modo para la
sujeción a la misma de un conector y su correspondiente tubo,
conducto, etc.
En la cavidad central de volumen útil está
dispuesto un elemento de válvula 322 que en la realización
representada está unido a un volante manual 326, pero que
alternativamente puede estar unido a un actuador automático de
válvula u otro controlador o medio de actuación.
El conjunto 314 de cabezal con válvula presenta
también en el bloque de válvula un paso 316 de flujo de venteo
unido a una válvula 318 de alivio de sobrepresión, comunicada con el
volumen interior 328 del recipiente, para aliviar las condiciones
de grandes sobrepresiones en el recipiente.
El paso central 320 de flujo de fluido en el
conjunto 314 de cabezal con válvula está unido por su extremo
inferior a un tubo conector de flujo 330, que a su vez está unido al
regulador 332. El regulador se ajusta para mantener una presión
seleccionada del fluido descargado del recipiente. Al extremo
inferior del regulador está unido un accesorio tubular 336 que a su
vez está unido, por ejemplo, por soldadura a tope, a una unidad
difusora 334 que tiene en su extremidad inferior una tapa final 331
del difusor. La unidad difusora puede estar formada de acero
inoxidable, con la pared del difusor formada de un acero inoxidable
sinterizado, tal como acero inoxidable 316L. La unidad difusora
tiene una porosidad de pared que permite la eliminación de todas
las partículas superiores a un diámetro predeterminado, por ejemplo,
mayores de 0,003 micrómetros a 30 litros estándar por minuto de
caudal de gas desde el sistema. Millipore Corporation (Bedford, MA)
comercializa unidades difusoras filtrantes de este tipo bajo la
marca WAFERGUARD.
En uso, el volumen interior 328 del recipiente
302 contiene un reactivo fluido adecuado, por ejemplo, un gas a
alta presión o un gas licuado, o alternativamente un gas sorbible
retenido de modo adsorbido por un sorbente físico que tenga una
afinidad de sorción para el gas, en el cual el volumen interior
contiene un lecho de un material sorbente físico adecuado en fase
sólida. El regulador 332 de presión de fluido se ajusta a un punto
de ajuste seleccionado para proporcionar un flujo de fluido
dispensado cuando se abra la válvula del conjunto 314 de cabezal
con válvula, con el fluido fluyendo a través de la unidad difusora
334, el accesorio 336, el regulador 332, el tubo conector de flujo
330, el paso central 320 de flujo de fluido en el conjunto 314 de
cabezal con válvula, la cavidad central de volumen útil, y la salida
324. El conjunto cabezal con válvula puede estar unido a otros
conductos de tuberías, controladores de flujo, medios de
monitorización, etc., según pueda ser deseable o necesario en una
determinada aplicación final de la invención.
La Figura 4 es una vista en perspectiva del
conjunto 314 de cabezal con válvula del sistema de almacenamiento y
dispensación de fluidos de la Figura 3. En la Figura 4, en la cual
los elementos correspondientes a los de la Figura 3 tienen la misma
numeración, el tapón 312 aparece provisto de una rosca 313
complementaria de la rosca de la superficie interna del collarín
310, con lo cual el tapón del conjunto cabezal con válvula y el
recipiente pueden encajar complementariamente el uno con el otro de
manera estanca.
La Figura 5 es una vista en alzado de la unidad
difusora 334 empleada en el sistema 300 de almacenamiento y
dispensación de fluidos de la Figura 3. La unidad difusora 334 está
representada como una porción de accesorio tubular que se enrosca
en la rosca 337 para que encaje coincidentemente con la carcasa del
regulador 332 que se muestra en la Figura 3.
La Figura 6 es una vista parcialmente recortada
del regulador 332 del sistema 300 de almacenamiento y dispensación
de fluidos de la Figura 3. El regulador 332 ilustrado tiene una
entrada inferior 333 para el fluido, a la cual puede unirse a rosca
el accesorio tubular de la unidad difusora. El regulador 332 está
provisto en su extremo superior de una salida 335 para el fluido
que está unida al tubo conector de flujo 330 representado en la
Figura 3. El regulador puede ser un regulador de etapa única o un
regulador de etapas múltiples. Según se ha mencionado, un regulador
de doble etapa tiene la ventaja de superar los problemas de
condensación de fluido que implica el uso de separadores de fases
por membrana, con relación al volcado o a la inclinación del
recipiente, y el recipiente puede emplear un regulador de etapa
única o múltiple, sin dicha unidad separadora de fases por
membrana, y con o sin la unidad difusora con filtrado de partículas,
según sea deseable en una determinada aplicación final de la
presente invención.
La Figura 7 es una vista seccionada en alzado de
una sección superior del recipiente 302 de almacenamiento y
dispensación de fluidos del sistema 300 de almacenamiento y
dispensación de fluidos de la Figura 3. La porción ilustrada del
recipiente 302 incluye la pared cilíndrica 304, el cuello 308 y el
collarín 310. La superficie interior del collarín está roscada con
una rosca 309 que es complementaria de la rosca 313 del tapón 312
del conjunto 314 de cabezal con válvula (véase la Figura 4). El
recipiente puede estar formado de un material de acero inoxidable u
otra aleación de metal ferroso, o de otro material de construcción
metálico o no metálico, fabricado según se ha descrito aquí
anteriormente, y provisto de la abertura de cuello de >2,54 cm (1
pulgada NGT) y la rosca NGT apropiada.
Los diversos aspectos y características
ilustrativamente descritos en este documento pueden ser utilizados
por separado o en diversas permutaciones o combinaciones entre las
mismas, para proporcionar un sistema de almacenamiento y
dispensación de fluidos que constituya un útil aparato de suministro
de fluidos para requerimientos de uso específicos.
Así pues, aunque la invención ha sido
ilustrativamente descrita en este documento con referencia a unos
elementos, características y realizaciones específicos, se
reconocerá que la invención no está limitada a los mismos en su
estructura ni operación, y que la invención debe ser interpretada
con amplitud, en consistencia con la descripción de este documento,
incluyendo las variaciones, modificaciones y realizaciones que
podrán sugerir fácilmente los expertos en la técnica, dentro del
alcance de las reivindicaciones adjuntas.
El sistema de almacenamiento y dispensación de
fluidos de la invención puede emplearse industrialmente con ventaja
en la fabricación de dispositivos semiconductores, en la cual se
precisan gases para diversas operaciones tales como grabado
químico, deposición de vapores químicos, implantación de iones, etc.
Muchos de esos gases son peligrosos y/o costosos, y los recipientes
de suministro de gas deben de ser estancos y altamente fiables para
dispensar gases de suministro con precisión, así como tener
preferiblemente una gran capacidad de almacenamiento, ya que las
restricciones de espacio en las instalaciones de fabricación de
semiconductores son muy estrictas. El sistema de almacenamiento y
dispensación de la presente invención es muy eficiente para tales
aplicaciones y cumple tales criterios.
Claims (19)
1. Un dispositivo (10, 110, 300) de
almacenamiento y dispensación de fluidos que comprende:
un recipiente (12, 112, 302) de almacenamiento y
dispensación de fluidos para contener fluido a presión y que tiene
una boca de salida; y
un regulador de presión (26, 232) que incluye
una válvula montada en dicho recipiente aguas arriba de, y en
comunicación con, dicha boca, caracterizado porque:
dicha válvula se mantiene cerrada para impedir
que el fluido sea dispensado por dicha boca hasta que dicho
regulador de presión reciba gas a presión subatmosférica a través de
dicha boca desde aguas abajo del mismo, y se abre en respuesta a la
recepción de dicho gas a presión subatmosférica.
2. Un dispositivo según la Reivindicación 1 en
el cual dicho regulador de presión tiene medios para detectar la
presión en el gas aguas abajo del mismo y medios para abrir dicha
válvula cuando la presión detectada sea igual o inferior a un nivel
preajustado, y cerrar dicha válvula cuando la presión detectada sea
superior a dicho nivel preajustado, para así regular la presión de
dicho gas aguas abajo y evitar escapes indeseados de dicho gas.
3. Un dispositivo según las Reivindicaciones 1 ó
2 caracterizado porque dicho regulador determina el caudal al
cual se dispensa dicho fluido.
4. Un dispositivo de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente, en el cual el recipiente contiene un
fluido seleccionado dentro del grupo consistente en gases
hidruro.
5. Un dispositivo de acuerdo a una cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 3, en el cual el recipiente contiene un
fluido seleccionado dentro del grupo consistente en arsina, fosfina,
estibina, diborano, fluoruro de hidrógeno, tricloruro bórico,
trifluoruro bórico, cloruro de hidrógeno, silanos halogenados y
disilanos.
6. Un dispositivo de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente, en el cual el recipiente está acoplado en
comunicación selectiva de flujo de fluido con una instalación de
fabricación de semiconductores.
7. Un dispositivo de acuerdo a la Reivindicación
1, en el cual una porción (17) del fluido contenido en el recipiente
está licuada, y que incluye un dispositivo (28) separador de fases
que impide el escape de dicho liquido desde dicho recipiente.
8. Un dispositivo de acuerdo a la Reivindicación
1, en el cual el recipiente contiene un fluido para procesos de
fabricación de semiconductores seleccionado dentro del grupo
consistente en fluidos para implantación de iones y deposición de
vapores químicos.
9. Un dispositivo de acuerdo a la Reivindicación
1, en el cual el recipiente contiene un fluido seleccionado dentro
del grupo consistente en fosfina, silano, arsina y BF_{3}, y está
adaptado para dispensar fluido en procesos de deposición de vapores
químicos para la fabricación de semiconductores.
10. Un dispositivo de acuerdo a la
Reivindicación 1, en el cual el recipiente contiene un fluido
seleccionado dentro del grupo consistente en fosfina y arsina, y
está adaptado para dispensar fluido en procesos de deposición de
vapores químicos para la fabricación de semiconductores.
11. Un dispositivo de acuerdo a la
Reivindicación 1, en el cual el recipiente contiene un fluido
seleccionado dentro del grupo consistente en fosfina, arsina y BF3,
y está adaptado para dispensar fluido para procesos de fabricación
de iones.
12. Un dispositivo de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente que comprende adicionalmente un
controlador para accionar selectivamente el dispositivo de
dispensación para efectuar el flujo del gas, derivado del liquido
del recipiente, a través del regulador de presión y de la boca de
salida para la descarga del gas desde el dispositivo.
13. Un dispositivo de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente, en el cual dicho recipiente contiene un
material adsorbente físico que lleva adsorbido en el mismo un gas a
una presión interna del recipiente comprendida entre unos 3,5
kg/cm^{2} y unos 350 kg/cm^{2} (50-5.000
psig).
14. Un dispositivo de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente, en el cual dicho recipiente de
almacenamiento y dispensación de fluidos encierra un volumen
interior inferior a unos 50 litros y tiene una abertura de entrada
mayor de 2,54 cm (1 pulgada NGT).
\newpage
15. Un procedimiento para dispensar un fluido
contenido en un recipiente (12, 112, 323) a presión
caracterizado porque:
dicho fluido está confinado en dicho recipiente
por un regulador de presión (26, 332), situado en dicho recipiente,
en un camino (334, 336, 332, 330, 320) de flujo de fluido cerrado
por dicho regulador de presión para que el fluido fluya aguas abajo
de dicho regulador de presión, y
dispensar selectivamente el fluido confinado
abriendo el camino de flujo de fluido hacia aguas abajo de dicho
regulador de presión, y
comprendiendo dicha etapa de dispensación
suministrar gas a dicho regulador de presión a presión
subatmosférica a través de dicho camino de flujo de fluido desde
aguas abajo del mismo, estando ajustado dicho regulador de presión
para regular la presión del fluido que se esté dispensando a dicha
presión subatmosférica.
16. Un procedimiento de acuerdo a la
Reivindicación 15, en el cual dicho fluido es utilizado en el
proceso de implantación de iones o de deposición de vapores
químicos en la fabricación de semiconductores.
17. Un procedimiento de acuerdo a la
Reivindicación 15, en el cual dicho fluido es seleccionado dentro
del grupo consistente en gases hidruros licuados, gases ácidos
licuados, arsina, fosfina, estibina, silano, diborano, cloruro de
hidrógeno, silanos halogenados y disilanos.
18. Un procedimiento de acuerdo a la
Reivindicación 15, en el cual dicha etapa dispensadora incluye
aplicar gas con una presión subatmosférica a la salida de dicho
regulador de presión para alternativamente abrir y cerrar una
válvula del mismo para dispensar dicho fluido desde dicho
recipiente.
19. Un procedimiento de acuerdo a una cualquiera
de las Reivindicaciones 15 a 18 que comprende adicionalmente:
contener el fluido en un estado al menos
parcialmente adsorbido a una presión comprendida entre unos 3,5
kg/cm^{2} y unos 350 kg/cm^{2} (50-5.000 psig);
y
dispensar selectivamente el fluido desorbiendo
el mismo desde el estado adsorbido liberando al mismo de la
contención.
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