JP2008505297A - Method and system for supplying carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
種々の二酸化炭素流量を必要とするアプリケーションに高圧二酸化炭素を供給する新規な方法及びシステムが提供される。この方法は、高圧二酸化炭素供給流をバッファーボリューム(80)に供給すること、及びアプリケーションツール(100)に送られる二酸化炭素量を決めることを包含する。バッファーボリューム(80)内の圧力は、アプリケーションツール(100)が必要とする圧力を超える圧力に維持される。更に、バッファーボリューム(80)内の温度を調節して、二酸化炭素の密度を変更し、それに基づいてバッファーボリューム(80)のサイズを修正する。その後、二酸化炭素は、アプリケーションツール(100)が必要とする種々の流量で、バッファーボリューム(80)から送り出される。 Novel methods and systems are provided for supplying high pressure carbon dioxide to applications requiring various carbon dioxide flow rates. The method includes supplying a high pressure carbon dioxide feed stream to the buffer volume (80) and determining the amount of carbon dioxide delivered to the application tool (100). The pressure in the buffer volume (80) is maintained at a pressure that exceeds the pressure required by the application tool (100). Further, the temperature in the buffer volume (80) is adjusted to change the density of carbon dioxide, and the size of the buffer volume (80) is corrected based on the change. Carbon dioxide is then pumped out of the buffer volume (80) at various flow rates required by the application tool (100).
Description
本発明は、多様な二酸化炭素流動条件を必要とするアプリケーション(application)に、高圧二酸化炭素を供給する方法に関する。具体的には、本発明は、平均的な要求より著しく高い瞬間的要求をもつ、半導体アプリケーションツールに二酸化炭素を供給することに関係する。 The present invention relates to a method for supplying high pressure carbon dioxide to applications requiring various carbon dioxide flow conditions. Specifically, the present invention relates to supplying carbon dioxide to semiconductor application tools that have instantaneous demands that are significantly higher than average demands.
流体の瞬間的送り出しに対するニーズが、長期間にわたって知られている。流体に対する瞬間的要求を必要とする関連した用途において、高圧ガス源が利用されていた。例えば、Knightらの米国特許第4,977,921号は、高圧空気又は窒素を貯蔵するように改良したチューブトレーラーを使用して、ガスをきわめて瞬間的に流動させ、大規模なラインを洗浄することを論じている。Beardの米国特許第5,417,615号は、遊園地の乗り物を推進するために用いる、高圧空気を貯蔵する加圧ガス源の利用に関係する。 The need for instantaneous delivery of fluid has been known for a long time. High pressure gas sources have been utilized in related applications requiring instantaneous demands on the fluid. For example, Knight et al., U.S. Pat. No. 4,977,921, uses a tube trailer modified to store high pressure air or nitrogen to flow gas very instantaneously and clean large lines. Arguing. Beard US Pat. No. 5,417,615 relates to the use of a pressurized gas source for storing high pressure air used to propel amusement park rides.
Bishopの米国特許第6,725,671号は、天然ガス貯蔵システムのキャパシティに与える温度及び圧力の影響を開示している。温度及び圧力、並びに貯蔵容器の壁厚は、天然ガスを貯蔵するコストを最小にするように選択される。 Bishop US Pat. No. 6,725,671 discloses the effect of temperature and pressure on the capacity of a natural gas storage system. The temperature and pressure, as well as the wall thickness of the storage container, are selected to minimize the cost of storing natural gas.
半導体産業界には、高度な要求の流体を、洗浄ツールなどのアプリケーションに提供するニーズがあった。この関連で、Batonの米国特許第6,085,762号及びDavenhallらの米国特許第6,403,544号B1は、半導体ウエハ処理アプリケーションに超臨界流体を供給するためにバッファーボリューム(buffer volume)又はバラストタンクを使用することを開示している。この方法は、アプリケーションに超臨界流体の圧力パルスを送ることを含んでいる。 There was a need in the semiconductor industry to provide highly demanded fluids for applications such as cleaning tools. In this regard, Baton US Pat. No. 6,085,762 and Davenhall et al. US Pat. No. 6,403,544 B1 provide a buffer volume for supplying supercritical fluids to semiconductor wafer processing applications. Alternatively, the use of a ballast tank is disclosed. The method includes sending a supercritical fluid pressure pulse to the application.
Costantiniらの米国特許第6,612,317号B2は、半導体ウエハ処理アプリケーションに超臨界流体を供給するためにバッファーボリューム又はバラストタンクを使用することを開示している。バッファーボリューム中の流体の圧力を変更することが、アプリケーションツールに送られる流体を制御する手段として開示されており、かつバッファーボリュームの流体をウエハ処理室に急速放出することが示されている。本明細書及び特許請求の範囲の全体で用いられるように、用語「バッファーボリューム」は、半導体アプリケーションに流体を送り出すために利用されるバラストタンクなどの加圧容器を言うことが理解されるであろう。 Costantini et al., US Pat. No. 6,612,317 B2, discloses the use of a buffer volume or ballast tank to provide supercritical fluid for semiconductor wafer processing applications. Changing the pressure of the fluid in the buffer volume has been disclosed as a means of controlling the fluid sent to the application tool and has been shown to rapidly release the fluid in the buffer volume into the wafer processing chamber. As used throughout this specification and claims, it is understood that the term “buffer volume” refers to a pressurized vessel, such as a ballast tank, that is utilized to deliver fluid to a semiconductor application. Let's go.
関連技術システムに関係する欠点の一つは、半導体アプリケーションツールに送り出すために役立つ二酸化炭素量の制御で重要な因子として、バッファーボリュームの温度を選択することを認識していないことである。別の欠点は、関連技術が、バッファー容器中の圧力の開放を制御する手段を提供しないことである。 One drawback associated with related art systems is that they are not aware of selecting the temperature of the buffer volume as an important factor in controlling the amount of carbon dioxide that is useful for delivery to semiconductor application tools. Another drawback is that the related art does not provide a means to control the release of pressure in the buffer vessel.
これらの欠点を克服するために、本発明の目的の一つは、高度な瞬間的要求の時間内に、アプリケーションに送り出すために役立つ二酸化炭素量を制御する手段を提供することである。 To overcome these shortcomings, one of the objectives of the present invention is to provide a means of controlling the amount of carbon dioxide that is useful for delivery to an application within the time of a high instantaneous demand.
本発明の別な目的は、バッファーボリュームの物理的寸法を変更することなく、バッファーボリュームのキャパシティを調節することである。 Another object of the present invention is to adjust the capacity of the buffer volume without changing the physical dimensions of the buffer volume.
本発明の更なる目的は、ひとたび、半導体アプリケーションツールに送り出される二酸化炭素の最大量が確認された後は、二酸化炭素の温度を操作することによりバッファーボリュームの寸法を合わせることである。 A further object of the present invention is to size the buffer volume by manipulating the carbon dioxide temperature once the maximum amount of carbon dioxide delivered to the semiconductor application tool has been identified.
本発明の別な目的は、半導体洗浄ツールに高流量を送り出すために必要とされる高価な、かつ過大なポンプを交換することである。 Another object of the present invention is to replace the expensive and excessive pumps required to deliver high flow rates to semiconductor cleaning tools.
本発明の更なる目的は、必要な二酸化炭素の流量を瞬間的に送り出すこと、そのために、必要な流量を供給するためにポンプを利用する時に必要とされる遅れを排除することである。 A further object of the present invention is to instantaneously deliver the required carbon dioxide flow rate, thus eliminating the delay required when utilizing a pump to provide the required flow rate.
本発明のその他の目的及び利点は、明細書、図面、及び添付の特許請求の範囲を参照する時に、当業者に明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon review of the specification, drawings, and appended claims.
上記の目的は、本発明の方法により達成される。 The above objective is accomplished by the method of the present invention.
本発明の一つの観点に従えば、多様な二酸化炭素流動条件を必要とするアプリケーションツールに、高圧二酸化炭素を供給する方法が提供される。本方法は、バッファーボリュームに、高圧の二酸化炭素供給流を供給すること、バッファーボリュームの圧力を、アプリケーションツールが必要とする圧力を超えた最小圧力と、最小圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度が、最大圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度と異なるような最大圧力との間に維持することを包含する。 According to one aspect of the present invention, a method is provided for supplying high pressure carbon dioxide to an application tool that requires a variety of carbon dioxide flow conditions. The method involves supplying a high pressure carbon dioxide feed stream to the buffer volume, the pressure of the buffer volume to a minimum pressure that exceeds the pressure required by the application tool, and the carbon dioxide stored in the buffer volume at the minimum pressure. Maintaining an average density between the maximum pressure such that the maximum density differs from the average density of carbon dioxide stored in the buffer volume.
バッファーボリュームの平均温度を調節して、アプリケーションツールに関係する流動条件が満たされるように、最小圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度と、最大圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度との間の差異を修正する。高圧の二酸化炭素供給流は、アプリケーションツールが必要とするような多様な流量で、バッファーボリュームから送り出される。 Adjust the average temperature of the buffer volume so that the flow conditions related to the application tool are met, the average density of carbon dioxide stored in the buffer volume at the minimum pressure and carbon dioxide stored in the buffer volume at the maximum pressure Correct the difference between the average density of. The high pressure carbon dioxide feed stream is pumped out of the buffer volume at various flow rates as required by the application tool.
本発明の別の観点に従えば、多様な二酸化炭素の流動条件を必要とするアプリケーションに高圧二酸化炭素を供給するシステムが提供される。本システムは、高圧二酸化炭素供給流を受け入れるバッファーボリュームを包含し、その際、バッファーボリューム内の圧力は、アプリケーションツールが必要とする圧力を超えた最小圧力と、最小圧力における二酸化炭素の密度が、最大圧力における二酸化炭素の密度と異なるような最大圧力との間に維持され、かつバッファーボリューム内の温度が調節される。 In accordance with another aspect of the present invention, a system is provided for supplying high pressure carbon dioxide to applications requiring various carbon dioxide flow conditions. The system includes a buffer volume that accepts a high pressure carbon dioxide feed stream, where the pressure in the buffer volume is the minimum pressure above the pressure required by the application tool and the density of carbon dioxide at the minimum pressure. Maintained between a maximum pressure, such as different from the density of carbon dioxide at the maximum pressure, and the temperature in the buffer volume is adjusted.
二酸化炭素精製装置が、高圧二酸化炭素供給流を送り出す、バッファーボリュームの上流に配置され、かつアプリケーションツールが、アプリケーションツールが必要とするような多様な流量でバッファーボリュームから二酸化炭素を受け入れる、バッファーボリュームの下流に配置されている。 A carbon dioxide purification unit is placed upstream of the buffer volume that delivers a high pressure carbon dioxide feed stream, and the application tool receives carbon dioxide from the buffer volume at various flow rates as required by the application tool. It is arranged downstream.
本発明は、図面を参照することによって、より良く理解される。図面中、同じ数字は、全体を通して同一機能を示す。 The invention can be better understood with reference to the following drawings. In the drawings, the same numerals indicate the same functions throughout.
図1は、多様な流動条件を必要とする半導体アプリケーションツールに二酸化炭素を送り出すための全体システムの略図を表す。 FIG. 1 represents a schematic diagram of an overall system for delivering carbon dioxide to a semiconductor application tool that requires various flow conditions.
図2は、本発明に従って、二酸化炭素を送り出すための代表的5分操作サイクルを説明する。 FIG. 2 illustrates an exemplary 5-minute operating cycle for delivering carbon dioxide in accordance with the present invention.
図3は、単一コア熱交換器をもつ全体システムの略図を説明する。 FIG. 3 illustrates a schematic diagram of the overall system with a single core heat exchanger.
図4は、加圧手段の上流にある装置が改良された別の実施形態に従った、全体システムの略図を説明する。 FIG. 4 illustrates a schematic diagram of the overall system according to another embodiment in which the apparatus upstream of the pressurizing means is modified.
図5は、加圧手段の上流に配置された単一コア熱交換器をもつ別の実施形態に従った、全体システムの略図を説明する。 FIG. 5 illustrates a schematic diagram of the overall system according to another embodiment with a single core heat exchanger located upstream of the pressurizing means.
図6は、再循環が再設計された別の実施形態に従った、全体システムの略図を説明する。 FIG. 6 illustrates a schematic diagram of the overall system according to another embodiment in which recirculation is redesigned.
集積回路デバイスの製造は、ウエハ基板上に種々の機能を形成するために必要な、多くの複雑なステップを必要としている。ステップの幾つかは、高圧二酸化炭素による基板の洗浄を包含している。本明細書で用いる場合、用語「高圧二酸化炭素」は、二酸化炭素の臨界圧力である1,060psigを超える圧力の二酸化炭素を言う。二酸化炭素に関係する温度がその臨界温度88°F未満であり、かつ高圧である場合、流体は液体相であることが判るであろう。一方で、二酸化炭素に関係する温度が88°Fを超えるならば、流体は超臨界相になるであろう。それ故、1,060psigを超える圧力では、二酸化炭素は単に一相であり、二酸化炭素は液体であるか又は超臨界である(即ち、非不連続相転移)。 The manufacture of integrated circuit devices requires many complex steps that are necessary to form various functions on a wafer substrate. Some of the steps include cleaning the substrate with high pressure carbon dioxide. As used herein, the term “high pressure carbon dioxide” refers to carbon dioxide at a pressure above 1,060 psig, which is the critical pressure of carbon dioxide. If the temperature associated with carbon dioxide is below its critical temperature of 88 ° F. and high pressure, it will be seen that the fluid is in the liquid phase. On the other hand, if the temperature associated with carbon dioxide exceeds 88 ° F., the fluid will be in a supercritical phase. Therefore, at pressures above 1,060 psig, carbon dioxide is only one phase, and carbon dioxide is liquid or supercritical (ie, non-discontinuous phase transition).
本発明の半導体洗浄方法は、高圧二酸化炭素に対して極めて高い瞬間的要求を示すが、所定の操作サイクルでは高圧二酸化炭素に対してかなり低い平均的要求しか示さない半導体洗浄アプリケーションに、高圧二酸化炭素を供給する効果的手段を提供する。典型的には、ウエハ洗浄アプリケーションは、サイクル当たり1個のウエハを処理し、このサイクルで二酸化炭素の要求は、極めて高い量から実質的にゼロに変動する。 The semiconductor cleaning method of the present invention exhibits very high instantaneous demands on high pressure carbon dioxide, but for semiconductor cleaning applications that exhibit a fairly low average demand for high pressure carbon dioxide in a given operating cycle. Provides an effective means of supplying Typically, wafer cleaning applications process one wafer per cycle, where the carbon dioxide requirement varies from a very high amount to substantially zero.
図1で説明するように、供給システムは、半導体アプリケーションツール100に送り出す二酸化炭素を保持するための二酸化炭素バルクタンク10を包含する。バルクタンク10から出た二酸化炭素は、熱交換器29、30を通り、二酸化炭素精製装置40に移動する。これは、特別な実施形態を参考にして、以下で詳細に説明する。高圧二酸化炭素流75が発生させられ、バッファーボリュームタンク/容器80に送り出される。これは、高圧二酸化炭素に対するツールの瞬間的要求を満たすために用いられる。
As illustrated in FIG. 1, the delivery system includes a carbon
説明すれば、アプリケーションツール100は、或る設定圧力水準(P)で二酸化炭素の最大瞬間的流量(Smax)を必要とする。バッファーボリューム80中の圧力(Pbv)は、常に、少なくとも設定圧力と同等でなければならない(即ち、Pbv≧P)。しかし、バッファーボリューム80からアプリケーションツール100に導くラインでおきる若干の圧力低下を補償するために、バッファーボリューム80中の圧力(Pbv)は、アプリケーションツール100が必要とする圧力を超える最小必要圧力(Pmin)より下に落ちることはあり得ない(即ち、Pbv≧Pmin≧P)。
To illustrate, the
バッファーボリューム80に送り出される高圧二酸化炭素供給流75(Fi)の平均流量(Favg)は、アプリケーションツール100に送り出される高圧二酸化炭素供給流85(Si)の平均流量(Savg)以上でなければならない。したがって、FiがSiより大きい時、バッファーボリューム80内の圧力が上昇する。これに反して、SiがFiより大きい時、バッファーボリューム80内の圧力が下降する。したがって、処理サイクルの過程を通じて、アプリケーションツール100への流量が、高圧二酸化炭素供給流75の流量を超える時には、アプリケーションツール100が必要とする追加の二酸化炭素は、バッファーボリューム80に貯蔵された二酸化炭素から送り出されなければならない。
The average flow rate (F avg ) of the high pressure carbon dioxide feed stream 75 (F i ) delivered to the buffer volume 80 is greater than or equal to the average flow rate (S avg ) of the high pressure carbon dioxide feed stream 85 (S i ) delivered to the
本発明に従って、出願人らは、バッファーボリューム80の大きさを適切に調節することにより、それを交換することなく又はその物理的特性を改良することなく、操作サイクルを通じて、二酸化炭素の必要量をアプリケーションツールに送り出すことができることを発見した。バッファーボリューム80の大きさを適切に調節するために、バッファーボリューム及びアプリケーションツール100への二酸化炭素の流量を時間について積分して、バッファーボリュームの二酸化炭素の正味変化量を測定することができる。アプリケーションが二酸化炭素を必要とした時、バッファーボリュームは、最大圧力から最小圧力への圧力変化を受けることにより、二酸化炭素の正味変化量を供給する。最大及び最小圧力下のバッファーボリューム内の温度が、バッファーボリューム内の二酸化炭素の密度を決めるであろう。このように、二酸化炭素の正味変化量を補充するために必要なバッファーボリュームの大きさが決められる。ひとたび、バッファーボリュームが制御されると、ボリュームの温度を変更することにより、その物理的特性を変化させることなく、バッファーボリュームからアプリケーションツールに供給される二酸化炭素の量を変化させることができる。
In accordance with the present invention, Applicants have reduced the required amount of carbon dioxide throughout the operating cycle by appropriately adjusting the size of the buffer volume 80 without replacing it or improving its physical properties. I found that I could send it to the application tool. In order to properly adjust the size of the buffer volume 80, the flow rate of carbon dioxide to the buffer volume and
図2を参照すると、アプリケーションツール100が、5分サイクルをもつものとして示される。このツールは、サイクルの第一番目の分では14ポンド/分の高圧二酸化炭素を、サイクルの第三番目の分では11ポンド/分の高圧二酸化炭素を必要とし、5分サイクルの別の時間では二酸化炭素を必要としない。アプリケーションツール100の平均二酸化炭素要求量、Savgは、5ポンド/分である。高圧二酸化炭素供給流の流量75、Fiは、サイクルを通して5ポンド/分で一定である。バッファーボリューム80が補わなければならない最大の二酸化炭素不足は、サイクルの第三番目の分の終わりにおきる。不足量は、サイクル全体について、FiとSiの間の差異を積分することにより、又はこれに代わって、グラフ上の可視表現を記録することにより計算できる。
Referring to FIG. 2, the
図2に示すように、第三番目の分において、高圧二酸化炭素供給流75を通してバッファーボリュームに入るより、余分な10ポンドの二酸化炭素が、高圧二酸化炭素供給流85でアプリケーションに送られた。したがって、バッファーボリューム80は、10ポンドの二酸化炭素バッファーキャパシティをもたなければならない。
As shown in FIG. 2, in the third minute, an extra 10 pounds of carbon dioxide was sent to the application in high pressure carbon
任意のアプリケーションツール100が必要とするバッファーキャパシティは、図2に示すように、同様な手法で計算できる。ひとたび、バッファーボリューム80に対する必要なバッファーキャパシティが判ると、バッファーボリューム80は、大きさを合わせて作ることができる。必要なバッファーキャパシティに加えて、バッファーボリューム80の最大及び最小圧力負荷における二酸化炭素の密度を調べる必要がある。図2に表したサイクルに戻って、バッファーボリューム80の最大圧力負荷は、0秒及び300秒で発生する。バッファーボリューム80の最小圧力負荷は、180秒で発生する。最小負荷におけるバッファーボリューム80内の圧力はPminである。バッファーボリューム80内の温度が判っている場合、二酸化炭素の密度が決められる。
The buffer capacity required by any
好ましくは、バッファーボリュームは、特別な操作サイクル時には、等温条件に維持される。それ故、最大及び最小負荷圧力におけるバッファーボリュームの温度は、ほぼ同じである。前述のように、最小圧力負荷(Pmin)は、アプリケーションツール100が必要とするラインの圧力(P)を超えなければならない。好ましい実施形態において、最大負荷圧力は、バッファーボリューム80の最大許容操作圧力の90%以下になるように選択される。これらの条件下でバッファーボリュームを操作することは、安全問題を考慮しているので、システムに組み込まれた安全救済装置が活性化される必要がなく、予見不可能な緊急場面を救済する。
Preferably, the buffer volume is maintained at isothermal conditions during special operating cycles. Therefore, the temperature of the buffer volume at the maximum and minimum load pressure is approximately the same. As mentioned above, the minimum pressure load (P min ) must exceed the line pressure (P) required by the
最大負荷圧力を選択することにより、この特別な圧力における二酸化炭素密度、及び最小負荷圧力における二酸化炭素密度を測定することができる。これは、バッファーボリュームのキャパシティを、最大及び最小負荷圧力における密度差で割ることにより、バッファーボリュームの計算をすることができる。ひとたび、バッファーボリュームが構成されると、瞬間的に送り出し可能な二酸化炭素量は、バッファーボリュームの温度を変更することにより調節できる。 By selecting the maximum load pressure, the carbon dioxide density at this particular pressure and the carbon dioxide density at the minimum load pressure can be measured. This allows the buffer volume to be calculated by dividing the buffer volume capacity by the density difference at the maximum and minimum load pressures. Once the buffer volume is configured, the amount of carbon dioxide that can be delivered instantaneously can be adjusted by changing the temperature of the buffer volume.
例えば、アプリケーションツール100が2,850psigの圧力で瞬間的な1.35ポンドを必要とするような場合、システム演算器は、5分の処理サイクルが望ましいことを示唆する。1.35ポンドの二酸化炭素要求が、瞬間的であるから、抜き取り(draw)時、高圧二酸化炭素流75はバッファーボリューム80に連続的に送り出される。しかし、送り出される量は、アプリケーションツールにより取り込まれる量に比較すれば微小である。図2に示し、解説したものと同様な分析が、異なる温度点で実施された。バッファーボリュームからアプリケーションツールに導くラインに、50psiの圧力降下が存在すると仮定するならば、最小負荷圧力は2,900psigとなる。バッファーボリュームに対する最大負荷圧力は、110°Fの温度で3,100psigとなるよう選択される。3,100psig、110°Fにおける二酸化炭素の密度は、52.238ポンド/ft3となる。2,900psig、110°Fにおける二酸化炭素の密度は、51.418ポンド/ft3となる。このように、必要とされるバッファーボリュームキャパシティの1.35を密度差(即ち、52.238−51.418)ポンド/ft3で割ることにより、バッファーボリュームが1.65ft3となる。この温度の変更は、アプリケーションツールに送り出される二酸化炭素の量を変える。
For example, if the
以下の表に説明するように、バッファーボリューム80に関係する温度が、110°F以外の温度に変更され、上に説明した方法で計算された。
表に示したように、バッファーボリューム温度が上昇するに従い、二酸化炭素の密度が低下し、バッファーボリューム80に収納される二酸化炭素の総量がより少なくなる。バッファーボリューム温度が上昇することに伴う、最大及び最小負荷圧力間の密度差が与えられる。バッファーボリュームの温度が上昇するに従い、バッファーボリューム80の必要とされるサイズが減少する。同様に、温度が上昇するに従い、所定のバッファーボリュームについて、アプリケーションツールに送り出すために利用される二酸化炭素の量は増加するが、一方で、最大圧力でバッファーボリュームに収納される二酸化炭素量はより少なくなる。これは予期しなかったことであり、何故ならば、通常は、そこに収納される二酸化炭素の量を増加させるために、所定の圧力でバッファーボリューム温度を低下させている。それは、貯蔵でき、かつアプリケーションツール100に送り出すことができる二酸化炭素の容量が増加するので、本発明にとって有用である。
As shown in the table, as the buffer volume temperature rises, the density of carbon dioxide decreases and the total amount of carbon dioxide stored in the buffer volume 80 becomes smaller. The density difference between the maximum and minimum load pressure is given as the buffer volume temperature increases. As the temperature of the buffer volume increases, the required size of the buffer volume 80 decreases. Similarly, as the temperature increases, for a given buffer volume, the amount of carbon dioxide that is used to pump out to the application tool increases, while at the maximum pressure, the amount of carbon dioxide that is stored in the buffer volume increases. Less. This is unexpected, because usually the buffer volume temperature is lowered at a given pressure in order to increase the amount of carbon dioxide stored therein. It is useful for the present invention because it increases the volume of carbon dioxide that can be stored and delivered to the
バッファーボリューム温度の上昇は、大量の二酸化炭素を瞬間的に送り出すためのバッファーボリュームの能力を増大することになる。したがって、バッファーボリューム温度は、個々の基準で選択され、かつより低温を暗示するその他の因子に対して均衡を図らなければならない。これらの因子は、下記の項目を包含する:(a)バッファーボリューム温度が上昇すると、壁材料の強度が弱くなるので、バッファーボリューム/容器は、より厚い壁を必要とする;(b)追加の加熱が環境に散逸し、かつバッファーボリューム温度を維持するためのコストが、温度と共に増大する;(c)バッファーボリューム80内の二酸化炭素の温度を所望の温度に上昇させるためには、より多くのエネルギーが必要になるかもしれない。 Increasing the buffer volume temperature will increase the ability of the buffer volume to momentarily deliver large amounts of carbon dioxide. Thus, the buffer volume temperature is selected on an individual basis and must be balanced against other factors that imply a lower temperature. These factors include the following items: (a) The buffer volume / container requires thicker walls because the strength of the wall material decreases with increasing buffer volume temperature; (b) additional Heat dissipates into the environment and the cost to maintain the buffer volume temperature increases with temperature; (c) to increase the temperature of carbon dioxide in the buffer volume 80 to the desired temperature, more May need energy.
バッファーボリューム温度の選択には、アプリケーション100で所望される二酸化炭素の温度も考慮されなければならない。好ましい実施形態では、バッファーボリューム温度は、周囲より幾分高い、約110から120°Fに維持されなければならない。
The choice of buffer volume temperature must also take into account the carbon dioxide temperature desired in the
図1に戻って、一つの実施形態に従った二酸化炭素供給システム全体を、詳細に説明する。このシステムのための二酸化炭素(CO2)源は、CO2バルクタンク10である。このタンクは、200Lジュワーから300トンのCO2を保持するタンクのサイズ範囲である。典型的には、バルクタンクのキャパシティは、6トンから100トンの範囲である。例えば、CO2バルクタンク10は、CO2供給システムの操作を中断させることなく、CO2デリバリトレーラーから補給することができる。 Returning to FIG. 1, the entire carbon dioxide supply system according to one embodiment will be described in detail. The carbon dioxide (CO 2 ) source for this system is the CO 2 bulk tank 10. This tank is the size range of a tank that holds 300 tons of CO 2 from 200 L dewar. Typically, the capacity of the bulk tank is in the range of 6 to 100 tons. For example, the CO 2 bulk tank 10 can be replenished from a CO 2 delivery trailer without interrupting the operation of the CO 2 supply system.
CO2バルクタンク10は、通常、250から350psigの圧力及び−9から10°Fの温度に維持された蒸気ヘッドスペースと共に液体CO2を包含する。飽和した液体二酸化炭素は、バルクタンク10の下部から抜き取られて、CO2ブースターポンプ15に送られる。ポンプは、CO2の圧力を約50から120psiだけ上昇させ、温度は高まる傾向である。ブースターポンプ15内に存在する過冷却された液体は、一部が、加圧手段20に運ばれる。加圧手段は、ダイアフラムポンプ、金属ダイアフラムポンプ、ピストンポンプ、又はその他のポンプ手段から選ばれたポンプであってもよい。
The CO 2 bulk tank 10 typically contains liquid CO 2 with a vapor headspace maintained at a pressure of 250 to 350 psig and a temperature of −9 to 10 ° F. The saturated liquid carbon dioxide is extracted from the lower part of the
CO2加圧手段20では、CO2は、バッファーボリューム80内の最大負荷圧力+ライン圧力が、CO2加圧手段20とバッファーボリューム80の間に降下するような高さの圧力に加圧される。通常、CO2は、CO2を横切って約20°Fだけ温度上昇した、約10から30°Fの範囲の温度になる。 In the CO 2 pressurizing means 20, the CO 2 is pressurized to such a high pressure that the maximum load pressure in the buffer volume 80 + line pressure drops between the CO 2 pressurizing means 20 and the buffer volume 80. The Typically, CO 2 will be at a temperature in the range of about 10 to 30 ° F. with a temperature increase of about 20 ° F. across CO 2 .
ブースターポンプ15を出て、かつCO2加圧手段20の最大キャパシティを超えている、過冷却CO2の一部は、バックプレッシャー調節器16を通って循環され、CO2バルクタンク10に戻される。この過冷却液体であるCO2の小量部分は、バックプレッシャー調節器16を通過する時に、瞬間的に蒸発する。規定時間を超えて、この蒸気は、CO2バルクタンク10内の圧力を上昇させるであろう。この現象を防ぐために、冷凍システム12は、冷却コイル11を通してCO2バルクタンク10に冷媒を運び、バックプレッシャー調節器16にわたって瞬間的蒸発から生成するCO2蒸気を凝縮させる。また、この冷却は、周囲からCO2バルクタンク10に入る熱リークが原因となって生成するCO2蒸気を凝縮させる。
Exits the
加圧手段20から流出する加圧CO2は、熱交換器29及び30を通って運ばれ、そこでCO2精製装置40から戻ってきたCO2の一部又は全体と間接的熱交換を行う。熱交換器29及び30は、CO2加圧手段20から流出するCO2の温度より高い温度で起きる、CO2精製装置40の熱回収を可能にする。CO2は、ヒーター35を通って流動し、このヒーターはCO2の温度をCO2精製装置40が必要とする温度に上昇させる。熱交換器29及び30における熱回収が総体として効率的でないので、ヒーター35は不可欠である。
Pressurized CO 2 flowing out from the pressurizing means 20 is conveyed through the
CO2精製装置40は、加圧手段20から流出するCO2の温度より高い温度で操作できる任意の精製装置から選択できる。好ましくは、この装置は、100°Fと1,000°Fの間の温度で作用し、最も好ましくは、200°Fと700°Fの間の温度で作用する。代表的精製装置は吸着、吸収、化学反応、接触酸化、及びろ過を包含する。 The CO 2 purification apparatus 40 can be selected from any purification apparatus that can be operated at a temperature higher than the temperature of CO 2 flowing out from the pressurizing means 20. Preferably, the device operates at a temperature between 100 ° F and 1,000 ° F, and most preferably at a temperature between 200 ° F and 700 ° F. Typical purification equipment includes adsorption, absorption, chemical reaction, catalytic oxidation, and filtration.
高められた温度での濾過は、CO2精製装置が有する機能の一部になることができる。電子産業で通常用いられる焼結金属フィルターなどのフィルターが知られており、液相アプリケーションより気相アプリケーションにおいてよりよく機能する。これは、気相中で粒子の拡散率及びブラウン運動が高まっていることに大いに原因している。超臨界条件(即ち、1,060psig超の圧力、かつ88°F超の温度)におけるフィルターの特性は、十分に研究されていない。しかし、超臨界流体の温度が高くなるに従い、その拡散率も含めて、気体の特性に類似してくることが知られている。 Filtration at elevated temperatures, can be part of the function of CO 2 purification apparatus. Filters such as sintered metal filters commonly used in the electronics industry are known and perform better in gas phase applications than in liquid phase applications. This is largely due to the increase in particle diffusivity and Brownian motion in the gas phase. The characteristics of filters in supercritical conditions (ie pressures above 1,060 psig and temperatures above 88 ° F.) have not been well studied. However, it is known that as the temperature of the supercritical fluid increases, the characteristics of the gas, including its diffusivity, become similar.
CO2精製装置40が、バッファーボリューム80より高い温度で操作される時、CO2は一層気体状になる。それ故、濾過がより有効であろう。フィルターがCO2精製装置40の一部として包含されるならば、それは、吸着及び接触酸化などの精製に関する任意の粒子発生手段の下流に配置されなければならない。 When the CO 2 purification device 40 is operated at a temperature higher than the buffer volume 80, the CO 2 becomes more gaseous. Therefore, filtration will be more effective. If a filter is included as part of the CO 2 purification unit 40, it must be placed downstream of any particle generation means for purification such as adsorption and catalytic oxidation.
CO2精製装置40から除かれたCO2は、熱交換器30を通して再び送られ、そこでCO2は、CO2加圧手段20から熱交換器に向かったCO2と間接的に熱交換する。バッファーボリューム80で必要とされるCO2は、高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74に流入する。バッファーボリューム80内で検知される圧力に基づいて、バルブ60において、所定の水準を超えるCO2が、バルクタンク10に再循環される。バッファーボリューム80で必要でないCO2が、熱交換器29を通して送られ、そこで追加の熱が回収される。熱交換器29を出たCO2は、バルブ60を通って再循環流59として流動する。このバルブは、CO2の圧力を開放して、CO2バルクタンク10の圧力に近づける。CO2の一部はバルブ60を横切って瞬時に蒸発するが、この蒸気は、冷凍システム12により冷却コイル11に供給される冷媒によって、CO2バルクタンク10内で再凝縮される。
CO 2 was removed from the CO 2 purification apparatus 40 is again sent through the
アプリケーション100の平均的要求、Savgを超える流量であって、CO2加圧手段20及びCO2精製装置40を通る平均的流量をもつことが望ましい場合があるので、バルクタンク10へのCO2の再循環は任意選択である。例えば、平均流量を維持する理由で、アプリケーション100が二酸化炭素の抜き取りを中断する場合は、二酸化炭素供給システムの操作を継続して、CO2加圧手段20からCO2精製装置40へのエネルギー/熱の回収を維持することが望ましい。
Since it may be desirable to have a flow rate that exceeds the average demand of the
この実施形態において、CO2精製装置40からの熱回収は、単一の熱交換器よりはむしろ2つの熱交換器29及び30を用いて実施される。さもなければ、精製装置40からのCO2の全てが、加圧手段20からのCO2とエネルギー/熱を交換するならば、そのCO2は、バッファーボリューム80内の所望される温度未満の温度にまで冷却されるであろう。2つの熱交換器29及び30の使用は、CO2が熱交換器30を出る時に、バッファーボリューム80内の所望される温度に近い温度で、CO2が高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74に送られるようにする。したがって、再循環流59は熱交換器29内で更に冷却され、その後でこの流をバルクタンク10に戻す。
In this embodiment, heat recovery from the CO 2 purification unit 40 is performed using two
高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74を通して送られたCO2の温度は、流入CO2の温度に応じて、バッファーボリューム80内の所望される温度に調節される。加熱又は冷却手段74として利用できる代表的装置は、空気冷却コイル、水冷却式又は冷媒冷却式の熱交換器、及びヒーターを包含する。高圧二酸化炭素供給流75は、高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74を出て、バッファーボリューム80に送られる。 The temperature of CO 2 sent through the high pressure carbon dioxide feed stream heating or cooling means 74 is adjusted to the desired temperature in the buffer volume 80 depending on the temperature of the incoming CO 2 . Exemplary devices that can be used as the heating or cooling means 74 include air cooling coils, water-cooled or refrigerant-cooled heat exchangers, and heaters. The high pressure carbon dioxide feed stream 75 exits the high pressure carbon dioxide feed stream heating or cooling means 74 and is sent to the buffer volume 80.
バッファーボリューム80内のCO2は、バッファーボリューム温度調節手段81により加熱又は冷却することができる。高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74が、高圧二酸化炭素供給流75の温度を調節して、バッファーボリューム80内で所望される温度に一致させるので、バッファーボリューム温度調節手段81に要求される仕事は最小となる。通常は、バッファーボリューム80と周囲の温度間の熱損失又は熱取得を補うように設計されている。バッファーボリューム温度調節手段81に用いることができる装置は、ヒートトレース、内部ヒーター、外部バンド又はケーブルヒーター、外部冷却コイル及び内部冷却コイルを包含する。通常、バッファーボリューム80は絶縁されていて、外界環境との熱交換量を減少させる。これに代わって、バッファーボリューム/タンク内温度を上部より底部においてより低温になるようにバッファーボリュームを操作することは有利であろう。バッファーボリュームの上部に含有される流体の温度は、バッファーボリュームの下部(図示しない)から流体を回収し、温度調節手段を利用して流体を加熱し、かつこの流をバッファーボリューム80の上部に戻すことにより制御できる。 The CO 2 in the buffer volume 80 can be heated or cooled by the buffer volume temperature adjusting means 81. The high pressure carbon dioxide feed stream heating or cooling means 74 adjusts the temperature of the high pressure carbon dioxide feed stream 75 to match the desired temperature in the buffer volume 80, so that the work required of the buffer volume temperature adjustment means 81 is Is minimal. Typically, it is designed to compensate for heat loss or heat acquisition between the buffer volume 80 and ambient temperature. Devices that can be used for the buffer volume temperature control means 81 include heat traces, internal heaters, external band or cable heaters, external cooling coils and internal cooling coils. Usually, the buffer volume 80 is insulated and reduces the amount of heat exchange with the outside environment. Alternatively, it may be advantageous to operate the buffer volume so that the buffer volume / tank temperature is lower at the bottom than at the top. The temperature of the fluid contained in the upper part of the buffer volume is such that the fluid is recovered from the lower part (not shown) of the buffer volume, the fluid is heated using temperature adjusting means, and this flow is returned to the upper part of the buffer volume 80. Can be controlled.
アプリケーションツール100がCO2を必要とする時、流体がバッファーボリューム80を出て、高圧二酸化炭素供給流85になる。次に、高圧二酸化炭素供給流85は、加熱又は冷却手段86を用いて加熱又は冷却され、アプリケーションツール100で必要とされる温度を生み出すことができる。それが、フィルター88を通り、バルブ90を横切って送られる。フィルター88の利用は、バッファーボリューム80が電気研磨内部表面をもたない場合でも、粒子フリーのCO2の供給を促進する。バルブ90は、高圧二酸化炭素供給流85の流量を制御し、バルブ90の下流の圧力が、アプリケーションツール100で所望される圧力になることを保証する。次に、CO2は、その途上のフィルター92を通ってアプリケーションツール100に送られて、ここで半導体ウエハ処理に使用される。
When the
次に、図3に示す実施形態を参照すると、熱交換器を1個の熱交換器コア31に組み込むことが可能である。この配置は、CO2供給流が必要とする空間を減少させることができ、また2個の熱交換器をもつものに比較してコストを低減できる。この仕事に適する熱交換器の一つのタイプは、Meggitt社(英国)のHeatric部門が供給するPrinted Circuit Heat Exchanger(PCHE、プリント回路熱交換器)などのマイクロチャネル熱交換器であろう。
Next, referring to the embodiment shown in FIG. 3, it is possible to incorporate a heat exchanger into one
図4は、供給システムの別の実施形態を示す。図1に示したCO2ブースターポンプ15及びバックプレッシャー調節器16を、冷却システム13及びサブクーラー熱交換器14で置き換えた。この変更されたシステムは、CO2加圧手段20に過冷却液体の代替供給を行う。CO2バルクポンプ10から送られたCO2は、サブクーラー熱交換器14で20°F以上だけ過冷却された後、CO2加圧手段20に送られる。 FIG. 4 shows another embodiment of the supply system. The CO 2 booster pump 15 and the back pressure regulator 16 shown in FIG. 1 were replaced with a cooling system 13 and a subcooler heat exchanger 14. This modified system provides an alternative supply of supercooled liquid to the CO 2 pressurizing means 20. CO 2 sent from the CO 2 bulk pump 10, after being only supercooled 20 ° F or more subcooler heat exchanger 14, is sent to the CO 2 pressure means 20.
冷凍システム13は、冷媒をコンデンサー熱交換器65に供給するために使用される。冷却コイル11の使用によりバルクタンクに導かれる蒸気を再凝縮する代わりに、バルブ60を横切って圧力降下から生じるCO2蒸気が、コンデンサー熱交換器65で再凝縮された後、CO2バルクタンク10に戻される。 The refrigeration system 13 is used to supply refrigerant to the condenser heat exchanger 65. Instead of recondensing the vapor directed to the bulk tank by use of the cooling coil 11, the CO 2 vapor resulting from the pressure drop across the valve 60 is recondensed in the condenser heat exchanger 65 and then the CO 2 bulk tank 10. Returned to
代わって、図示はしないが、CO2ブースターポンプ15、バックプレッシャー調節器16を包含する供給装置が、コンデンサー熱交換器65及び冷凍システム13と連結するように配置することができる。更に、このシステムは、冷凍システム13及びサブクーラー熱交換器14及び/又はコンデンサー熱交換器65と共に、冷凍システム12及び冷却コイル11の両者を収納することができる。 Alternatively, although not shown, a supply device including the CO 2 booster pump 15 and the back pressure regulator 16 can be arranged to be connected to the condenser heat exchanger 65 and the refrigeration system 13. Further, the system can house both the refrigeration system 12 and the cooling coil 11 along with the refrigeration system 13 and the subcooler heat exchanger 14 and / or the condenser heat exchanger 65.
次に図5を参照すると、代替の熱交換器配置システムを採用した実施形態が示される。図4に示した熱交換器29及び30、サブクーラー熱交換器14及びコンデンサー熱交換器65は、熱交換器21などの、1個の熱交換器コアに置換できる。熱交換器21は、高圧及び低圧の側板を包含するであろう。熱交換器21を採用する利点は、空間を減少させ、システムに対するコストを潜在的に低減させることであろう。この仕事に適する熱交換器の一つのタイプは、Meggitt社(英国)のHeatric部門が供給するPrinted Circuit Heat Exchanger(PCHE、プリント回路熱交換器)などのマイクロチャネル熱交換器であろう。
Referring now to FIG. 5, an embodiment employing an alternative heat exchanger arrangement system is shown. The
図6は代替の実施形態を説明するものであり、そこでは、再循環流59が高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段86及びフィルター88の後で受け入れられる。当業者は、再循環流59が本システムの別の点に取り入れ可能であることを認識するであろう。別の位置は、バルブ90の下流、しかも高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段86の上流、高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74とバッファーボリューム80の間、及びCO2加圧手段と熱交換器33の間を含む。
FIG. 6 illustrates an alternative embodiment in which a
また、CO2加圧手段20などのポンプを使用することに加えて、コンプレッサーを採用することができる。CO2加圧手段20としてコンプレッサーを採用する場合、バルクタンク10からのCO2は、ベーパライザー(vaporizer)を通して運ばれた後に、CO2加圧手段20に送られる必要があるであろう。それ故に、CO2ブースターポンプ15、及びバックプレッシャー調節器16は、このような集成装置では利用されないであろう。
In addition to the use of pump, such as CO 2 pressure means 20, it is possible to adopt a compressor. If a compressor is employed as the CO 2 pressurizing means 20, the CO 2 from the
高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74、及び高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段86は、フィルター88、89及び92のように、任意選択である。
High pressure carbon dioxide feed stream heating or cooling means 74 and high pressure carbon dioxide feed stream heating or cooling means 86 are optional, such as
供給システムの精製部分は、同様に任意選択である。ある場合には、CO2バルクタンク10からのCO2は、アプリケーションツール100で使用するために十分に純粋である。このような場合、熱交換器29及び30、ヒーター35及びCO2精製装置40が除かれる。CO2は、CO2加圧手段20から高圧二酸化炭素供給流加熱又は冷却手段74に直接送られる。
The purification part of the feed system is also optional. In some cases, CO 2 from the CO 2 bulk tank 10 is sufficiently pure for use in the
本発明は、特定の実施形態を参照して詳細に説明したが、添付した「特許請求の範囲」の範囲から逸脱することなく、種々の変更及び改質を行うことができ、かつ同等物を使用できることは、当業者には明白になるであろう。 Although the invention has been described in detail with reference to specific embodiments, various changes and modifications can be made without departing from the scope of the appended claims, and equivalents may be used. It will be apparent to those skilled in the art that it can be used.
Claims (10)
バッファーボリュームに、高圧の二酸化炭素供給流を供給すること、
バッファーボリュームの圧力を、アプリケーションツールが必要とする圧力を超えた最小圧力と、最小圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度が、最大圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度と異なるような最大圧力の間に維持すること、
バッファーボリュームの平均温度を調節して、アプリケーションツールに関係する流動条件が満たされるように、最小圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度と、最大圧力でバッファーボリュームに収納された二酸化炭素の平均密度の間の差異を修正すること、及び
アプリケーションツールが必要とするような多様な流量で、バッファーボリュームから高圧の二酸化炭素供給流を送り出すことを含む方法。 A method of supplying high-pressure carbon dioxide to application tools that require various carbon dioxide flow conditions,
Supplying the buffer volume with a high-pressure carbon dioxide feed stream;
The minimum pressure that exceeds the pressure required by the application tool and the average density of carbon dioxide stored in the buffer volume at the minimum pressure is the average density of carbon dioxide stored in the buffer volume at the maximum pressure. Maintaining between maximum pressures, different from
Adjust the average temperature of the buffer volume so that the flow conditions related to the application tool are met, the average density of carbon dioxide stored in the buffer volume at the minimum pressure and carbon dioxide stored in the buffer volume at the maximum pressure A method comprising correcting a difference between the average densities of the gas and delivering a high pressure carbon dioxide feed stream from the buffer volume at various flow rates as required by the application tool.
高圧二酸化炭素供給流を受け入れるバッファーボリュームであって、バッファーボリューム内の圧力は、アプリケーションツールが必要とする圧力を超えた最小圧力と、最小圧力における二酸化炭素の密度が、最大圧力における二酸化炭素の密度と異なるような最大圧力との間に維持され、かつバッファーボリューム内の温度が調節されるバッファーボリューム、
高圧二酸化炭素供給流を送り出す、バッファーボリュームの上流に配置された二酸化炭素精製装置、及び
アプリケーションツールが必要とするような多様な流量でバッファーボリュームから二酸化炭素を受け入れる、バッファーボリュームの下流に配置されたアプリケーションツールを含むシステム。 A system for supplying high pressure carbon dioxide to applications that require various carbon dioxide flow conditions,
A buffer volume that accepts a high pressure carbon dioxide feed stream, where the pressure in the buffer volume is the minimum pressure above the pressure required by the application tool, and the density of carbon dioxide at the minimum pressure is the density of carbon dioxide at the maximum pressure. A buffer volume, which is maintained between a maximum pressure, such as different from, and the temperature in the buffer volume is adjusted,
A carbon dioxide purifier located upstream of the buffer volume that delivers a high pressure carbon dioxide feed stream, and a downstream of the buffer volume that accepts carbon dioxide from the buffer volume at various flow rates as required by application tools A system that includes application tools.
9. The system of claim 8, further comprising a carbon dioxide pressurizing device disposed upstream of the purifier to provide carbon dioxide supplied from the bulk storage tank.
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