JP2009500866A - 低蒸気圧ガスシステム - Google Patents

Abstract

低揮発性汚染物質が希薄な低蒸気圧蒸気流を製造し且つそれを使用点へ送出するためのシステムおよび装置（１００）。このシステムは、中に液体または二相の流体を保持する運搬容器（１０）を備える。この液体および／または二相を上記運搬容器（１０）から気化容器（４０）へ移し替え、そこでこの流体の少なくとも一部を気化する。低揮発性汚染物質が濃い液体流をこの気化容器（４０）から引出し、および低揮発性汚染物質が希薄な流れをこの気化容器（１０）から引出す。低蒸気圧蒸気流は使用点へ送出され、その純度を所望の範囲内に維持する。

Description

本発明は、低揮発性汚染物質が希薄な低蒸気圧流を製造するためのシステムおよび装置に関する。特に、この発明は、液体または二相の、非空気ベースのガス源から半導体、発光ダイオード（ＬＥＤ）または液晶ディプレイ（ＬＣＤ）製造用具のような使用点へ送出できる気相の低蒸気圧ガス流を生成することに関する。

半導体装置、ＬＥＤおよびＬＣＤの製造は、非空気ベースのガスを使用する、多数の個別処理工程を必要とする。ここで定義する限り、“非空気ガス”とは、空気およびその構成要素から派生したのではないあらゆるガスを意味する。その様な非空気ガスの例には、シラン、三弗化窒素およびアンモニアがあるがそれに限定されない。

典型的に、半導体、ＬＥＤまたはＬＣＤ製造業者（最終ユーザまたは使用点とも呼ぶ）へ供給する非空気ガスは、汚染物質、特にこの非空気ガスより揮発性が低い汚染物質の含有量が一貫して低レベルでなければならない。これらの汚染物質には、水分、金属および粒子がある。その上、この非空気ガスは、最終ユーザに気相で、高圧（例えば、０．３５ＭＰａ（ゲージ圧力）以上）で、および高可変流量で送出しなければならない。

幾つかの非空気ガスをガス発生器から最終ユーザへ気相で運搬する。その様な非空気ガスには、シランおよび三弗化窒素がある。典型的に、気相で運搬する非空気ガスは、汚染物質レベルが安定で非空気ガスを運搬容器から出すときに変らないので、最終製造業者使用点の純度要件を満たすことができる。その上、この蒸気は、状態調節（例えば、気化、押出し、加熱）する必要がない。この圧力要件は、単純に蒸気を高圧（例えば、６．９０ＭＰａ（ゲージ圧力）以上）で供給することによって満たされる。高可変流量は、単純に適正な状況下で配管、弁等の寸法決定をすることによって達成する。この蒸気は、状態調節しないので、運搬容器または貯蔵容器を修正する必要がない。

他の非空気ガスは、このガス製造業者から最終ユーザへ液体または液体／蒸気二相の流体として運搬する。その様なガスは、低蒸気圧ガスとして知られ、アンモニア、塩化水素、二酸化炭素およびジクロロシランがある。低蒸気圧ガスは、典型的に蒸気圧が２１°Ｃで１０．３４ＭＰａ（ゲージ圧力）未満である。これらのガスは高圧および大気温度で入手できないので、使用点での全ての要件を満たす気相流を送出するためには、特に複雑なシステムを要する。

その様なシステムの一つは、ウディシェス外の米国特許第６，３６３，７２８号に記載してあり、それは、配送容器が大量の液化ガスを保持し、およびこの配送容器に熱交換器が配置してあり、この液化ガスにエネルギーを供給または除去する。圧力調整器がこの圧力を監視し、この容器に伝えるエネルギーを調整する。このシステムは、表向きは所定の流量での気相ガスの管理した送出を可能にする。

米国特許第６，５８１，４１２号は、液化圧縮ガス貯蔵容器から高流量で気相ガスを送出するための方法を開示する。加熱手段がこの貯蔵容器に隣接して設けてあり、温度測定装置がこの容器壁に配置してある。この容器壁温度に依って、この加熱手段のエネルギー出力を変えてその中の液化圧縮ガスを加熱する。

米国特許第６，６１４，００９号は、高流量、超高純度ガス気化および供給システムに関し、その貯蔵容器は、大量の液化ガスを運搬するのに適する。このシステムは、液相または気相で作動するようにした複数の弁、この液化ガスを扱うための積み／卸しユニット、およびこの液化ガスにエネルギーを供給するためにこの容器に永久的に位置する素子を含むヒータから成る。

上に議論した文書は、低蒸気圧ガスを加熱した液体運搬／貯蔵容器から引出す構成を開示する。この低蒸気圧ガスより低揮発性の汚染物質は、液相のままであって、低揮発性汚染物質の希薄な蒸気を作る。しかし、この蒸気を容器から引出すと、この低揮発性汚染物質レベルは、液相および気相の両方で徐々に上がる。この気相で低揮発性汚染物質レベルがあるレベルに達すると、この蒸気引出しを中断する。残りの液体は、時には“ヒール”と呼び、低蒸気圧ガスより揮発性が低い汚染物質が濃い。この“ヒール”を後に捨てる。

一例として、顧客現場へ供給する液体アンモニアが幾らかの水分を、典型的には０．５ないし１０ｐｐｍに及ぶ濃度で含む。この水分レベルは、典型的に１ｐｐｂないし０．２ｐｐｍに及ぶ水分レベルを要求する、最終製造業者には屡々許容できない。蒸気アンモニアをこの供給システムから引出すと、残りの液相の水分レベルが増加する。この最終“ヒール”に関連する水分レベルは、典型的に５０ないし１０００ｐｐｍに及ぶ。

説明したシステムに関連する欠点の一つは、液化ガスを同じ容器で運搬し、貯蔵しおよび気化するので、ヒータを収容するために利用できる容器表面が限られることである。従って、達成できる最大引出し流量が限られる。

更なる欠点は、これらのシステムは、この容器の中の液体量が減ると、この蒸気流の低揮発性汚染物質レベルが増すので、安定な製品純度が得られないことである。

トーレス Jr.外の米国特許第６，６３６，２１２号は、液化ガス源から終末点まで一定不純度レベルの気相製品を送出するためのシステムおよびプロセスを記載する。このシステムは、とりわけ、ある濃度の可溶性不純物を含む液化ガスを気相に変換するための気化手段、およびこの液化ガスを完全に気化するための加熱手段を含み、この気相製品の不純物レベルが実質的に液化ガスの中のレベルに等しい。

フリッツの米国特許第５，８９４，７４２号は、室温で液化する超純粋ガスを大気圧を超える蒸気圧で半導体用具およびその他の使用点へ送出するための方法およびシステムに関する。

ムラカミ外の米国特許第５，６９０，７４３号は、低蒸気圧液体材料を加圧通路から加圧ガスによって圧力液体供給システムへ押出す、蒸着用低蒸気圧液体材料を供給するための装置に関する。

後に説明した文書のシステムに関する欠点の一つは、それらがこの低蒸気圧ガスより低揮発性の汚染物質を除去するための機構を備えないことである。これらの汚染物質は、運搬／貯蔵手段からこの低蒸気圧ガスと共に引出され、最終製造業者へ送出される。

この最終製造業者の要件を満たし且つ関連技術の欠点を克服するために、本発明の目的は、液化圧縮ガス源から高容量且つ高可変流量で気相の非空気ガスを提供することである。

この発明のもう一つの目的は、低揮発性汚染物質の含有レベルが液化圧縮ガス源より低い、気相の非空気ガスを提供することである。

この発明の更なる目的は、純度安定性のある（即ち、汚染物質種類およびレベルがほぼ一定の）気相の空気ガスを提供することである。

この発明の更にもう一つの目的は、このガスを気化するために修正する必要のない運搬容器で液化した非空気ガスを提供し、運搬容器の取替えを容易にすることである。

本発明の他の目的および態様は、この明細書、図面およびそれに添付する請求項を検討すれば当業者に明白となろう。

この発明の第１態様によれば、低蒸気圧蒸気流を製造するためのシステムが提供される。この蒸気流は、低揮発性汚染物質が希薄で且つ使用点へ送出される。このシステムは、中に液体または二相の流体を保持する運搬容器を備える。この液体および／または二相の流体をこの運搬容器から気化容器へ移し替え、そこでこの流体の少なくとも一部を気化する。低揮発性汚染物質が濃い液体流をこの気化容器から引出し、および低揮発性汚染物質が希薄な低蒸気圧蒸気流をこの気化容器から引出し、且つ使用点へ送出する。この低蒸気圧蒸気流の純度は、所望の範囲内に維持する。

この発明のもう一つの態様によれば、低揮発性汚染物質が希薄な、低蒸気圧蒸気流を製造するための装置が提供される。この装置は、中に液体または二相の流体を保持する運搬容器、および気化容器を含み、その気化容器にこの液体または二相の流体を移して少なくとも部分的に気化する。この気化容器は、それに伝えるエネルギーを制御するための手段を含む。第１導管がこの気化容器の下部に結合してあり、それを通して低揮発性汚染物質が濃い液体流を引出す。送出パネルが第２導管を介してこの気化容器の上部に結合してあり、それを通して低蒸気圧蒸気流を引出し且つ使用点へ回送し、そこでこの低蒸気圧蒸気の純度は、所望の範囲内に維持する。

この発明の目的および利点は、その好適実施例の、添付の図面に関連する以下の詳細な説明からより良く理解できよう。これらの図面で類似の数字は、全体を通じて同じ形態を表す。

半導体装置、ＬＥＤおよびＬＣＤの製造は、気相の、低蒸気圧ガスを使用点へ送出する必要がある。これらのガスは、顧客の純度および流れ要件を満足しなければならない。本発明は、圧縮した、液化低蒸気圧ガスをこのガス製造業者から運搬し、および低揮発性汚染物質が希薄な低蒸気圧蒸気流をこの使用点へ送出するようにこの非空気ガスを処理するための手段を提供する。ここで利用するように、“希薄”という用語は、中の低揮発性汚染物質のレベルがこのガス製造業者が提供する液体または二相の流体より低い蒸気流を意味する。このシステムは、必要な純度を首尾一貫した関係でもたらし、且つこれらの実施例で安定な純度レベルを維持する。更に、この供給容器（以下では、運搬容器と称する）は、運搬および気化機能を別個の容器で行うので、液化ガスを気化するために修正する必要がない。その上、このシステムは、高度にモジュール式であり、単純なコスト効果のよい容量拡大を可能にする。

図１を参照して、この発明の実施例の一つを説明し、この図は、この発明の一例示態様による、液体貯蔵所からＬＥＤ処理用具へのアンモニアの移動を示す。ここで説明する実施例は、アンモニアを使うことに関するが、当業者には、液体または二相の蒸気／液体流体として運搬するどんな非空気ガスを使用してもよいことが分るだろう。

幾つかのＬＥＤ処理用具は、サファイヤ基板上に窒化ガリウムのエピタキシャル層を蒸着するために高純度アンモニア蒸気流を要する。この処理用具で、蒸気アンモニアは、この基板に直面して、トリメチルゲルマニウムのようなガリウム源と反応して窒化ガリウムを形成し、直ちに蒸着する。その様な処理用具の一団は、０．３５ＭＰａ（ゲージ圧力）の圧力および大気温度で、平均的に、１０００ｓｌｐｍ（標準ｌ／ｍｉｎ）のアンモニア蒸気を要するかも知れない。この用具での実際のアンモニア使用率は、非常に変りやすく、０ｓｌｐｍから２０００ｓｌｐｍ以上までに及ぶかも知れない。この平均的アンモニア要件を満たすためには、例えば、８１ｍ^３の液体アンモニアが入る大型運搬容器が必要かも知れない。

図１を参照して、好ましくは屋内または大気温度での作動を可能にする囲い（図示せず）内に、システム１００が設けてある。アンモニアを、イソテナ(isotainer)のような、運搬容器１０で非空気ガス製造業者から最終ユーザへ運搬する。この運搬容器は、導管２０を経て気化容器４０と流体連通している。この運搬容器から気化容器へのアンモニアの移し替えは、この運搬容器への高圧、不活性ガスの注入でこの運搬容器を加圧することによって容易になるかも知れない。例えば、加圧は、ヘリウム供給システム３０から運搬容器１０へ気体ヘリウムを提供することによって達成できる。この不活性ガスは、典型的には運搬容器１０の中に約０．６９ＭＰａ（ゲージ圧力）と２．４１ＭＰａ（ゲージ圧力）の間の圧力レベルを維持するように、約１３．７９ＭＰａ（ゲージ圧力）と４１．３７ＭＰａ（ゲージ圧力）の間の圧力でボンベに入れて供給する。しかし、もし純度問題で不活性ガス注入が望ましくないなら、運搬容器１０は、加熱毛布、または何か他の適当な加熱装置を使って、運搬容器１０にエネルギーを供給することによって加圧してもよい。更に、この運搬容器から気化容器へ液体を移し替えるためにポンプを利用できる。

アンモニアは、運搬容器１０から気化容器へバッチ式にまたは半連続様式で移し替えてもよい。バッチ式移し替えでは、液状または二相のアンモニアをこの運搬容器から気化容器４０へ、この気化容器４０の中に所望のアンモニア量を得るまで移し替える。次に、蒸気アンモニアをこの気化容器４０からこの液体レベルが所定の値に低下するまで（即ち、ある“ヒール”量が残るまで）引出す。この“ヒール”量に達すると、この“ヒール”を捨てて、気化容器４０を運搬容器１０から再補充する。

その代りに、アンモニアが運搬容器１０から気化容器４０へ半連続様式で流れてもよい。この実施例では、運搬容器１０から気化容器４０への流れを導管２０に配置した制御弁５０によって、気化容器内の液体レベルを比較的一定値に維持するように制御する。この第２格納容器２０内の液体レベルは、典型的にこの容器高さの約１％ないし９５％の範囲に維持する。この液体レベルは、この気相流の液体同伴と加熱した容器内面との液体接触の間のバランスを最適化するように選択する。導管４５を経て制御弁５０に出入りする流れは、液体でも二相でもよい。この制御弁の上流の流れは、液相であるのが好ましい。

その代りに、運搬容器１０から引出す液体流は、それを気化容器４０に導入する前に二相の混合物になるのを防ぐように処理できる。これは、この気化容器から出る蒸気流が液滴を運搬するのを防ぐために望ましいかも知れない。これらの液滴は、このアンモニア純度に悪影響するであろう、アンモニアより揮発性が劣る汚染物質を運べるかも知れない。そのような処理手段には、運搬容器１０から引出した液体流を熱交換器に通すか加圧によって過冷却し、およびこの液体流を気化容器の上流に配置した分離器（図示せず）へ回送することを含む。

この気化容器４０では、気相および液相アンモニア並びに汚染物質が平衡状態またはその近くで出る。水分、金属、および粒子のような、この低蒸気圧ガスより揮発性が劣る汚染物質は、液相のままであるのが好ましく、一方アンモニアは、気相のままであるのが好ましい。従って、この気化容器４０を出る蒸気流６０の低揮発性汚染物質含有量は、気化容器２０に入る液体または二相の流れ４５の中にあるより低い。例えば、もし気化容器４０が０．６９ＭＰａ（ゲージ圧力）の圧力でおよびこのタンク内容物の７５％がモルベースで液相であるような液体レベルで半連続様式で作動し、並びにこの気化容器に入る二相の流れがモルベースで１ｐｐｍの水分含有量を持つことになっているなら、この気化容器から引出す蒸気の水分含有量は、約１０ｐｐｂだろう。

この気化容器は、その中へ移し替えた低蒸気圧流体を気化するための手段を含む。この蒸気流を気化容器４０から引出すとき、その中の圧力が下がり始める。この影響を相殺し、この圧力を機能する範囲内に維持するために、ヒータ１６０を使ってこの容器内の液体アンモニアを部分的に気化する。典型的にこの気化容器内の圧力は、０．３５ＭＰａ（ゲージ圧力）ないし２．０７ＭＰａ（ゲージ圧力）の範囲に維持する。対応する温度は、約０°Ｃないし５２°Ｃに及ぶ。

この気化手段は、シェルアンドチューブ形交換器のような、従来の熱交換器を含んでもよく、その中で液体の低蒸気圧流体を第２流体に当てて沸立たせる。その代りに、この容器をこの容器の表面上または容器内に位置するヒータを使って加熱してもよい。多種多様なヒータを使うことができる。これらには、加熱毛布、加熱ロッドのような、抵抗ヒータ、または米国特許第６，３６３，７２８号に記載してあり且つ参考までにその全体をここに援用する加熱毛布がある。ヒータの更なる例には、米国特許出願公報第２００４／００３５５３３号に記載してあるような、マイクロウエーブベースのヒータは勿論、輻射及び誘導ヒータがある。

この気化容器内の蒸気ガススペースを過熱し、循環してこの容器内に入っている液体を気化し、容器に基づくヒータの必要性をなくし、および液滴形成の可能性をなくすることができる。この実施例では、蒸気をこの気化容器から引出し、例えば、−１２ないし３８°Ｃにまで加熱し、ブロワー（図示せず）を使ってこの容器へ戻す。

気化容器の中の熱交換を容易にしおよび／または向上するため、この容器の内面を機械加工して流体と表面の接触面積を増すことができ、またはその代りにこの容器の内部に固定した溝付ライナ材料を設けて表面積を増すことができる。その結果、この加熱した壁の大部分が液体アンモニアと接触し、この容器を与えられた壁温度で大きい気化容量で作動できる。その代りに、もしこの容量を一定に維持すべきなら、この壁温を下げることができる。

導管６０内の蒸気流を使用点の上流の送出パネル７０へ運び、そのパネルは、この低蒸気圧蒸気流を所望の流量で使用点へ送出する、この流量、圧力及び温度を制御および調整する。一般的に、この流量は、約１０ｓｌｐｍないし２０００ｓｌｐｍで変動する。

引出して導管６０を通して運んだ蒸気流に所望の汚染物質レベルを維持するために、低揮発性汚染物質が濃い液体流をこの気化容器から導管１００を介して純度制御弁１１０へ引出すことができる。この液体流に関連する流れは、この気化容器内の液体の純度に依って変動し、典型的にはこの気化容器への液体または二相の流体の流量の０と９０％の間に及ぶ。この気化容器内にほぼ一定の液体レベルを維持するので、主として蒸気を含むこのガス流に関連する汚染物質レベルは、一定のままで、一定純度に対する半導体、ＬＥＤおよびＬＣＤ製造業者の要件を満足する。

この低蒸気圧蒸気流の汚染物質レベルは、気化容器４０から液体を引出す割合を調節することによって測定および制御できる。液体は、低蒸気圧蒸気流に対する液体流の比を固定するように引出すのが好ましい。この蒸気流に対する液体流の比は、典型的には０：１から２：１まで変動する。

図２を参照すると、もう一つの実施例が示してある。このシステム２００では、低揮発性汚染物質が濃い液体流を廃棄物コンテナ／容器２２５へ回送する。この廃棄物コンテナ／容器２２５内の圧力は、蒸気を導管２５０から排出することによって制御する。廃棄物コンテナ２２５は、典型的に約０．０１ＭＰａ（ゲージ圧力）ないし０．６９ＭＰａ（ゲージ圧力）に及ぶ圧力で作動する。廃棄物コンテナ２２５内の圧力は、典型的に気化容器４０内の圧力より低く、それによってこの廃棄物コンテナ２２５への流れを可能にする。この廃棄物コンテナ２２５が液体で一杯になるかまたは一杯に近くなるとき、それを更なる処理のためにこの低蒸気圧ガス製造業者へ戻してもよい。その代りに、この汚染した液体を第１汚染物質容器１０へリサイクルするか、または随意に導管２３０を経て最終製造業者の廃棄物処理システム（図示せず）へ回送してもよい。

気化容器４０から引出したこの低蒸気圧流は、この蒸気を送出パネル７０の上流に配置した吸着、濾過または蒸留装置２９０を通して送ることによって更に浄化してもよい。前述の浄化装置は、例えば、アンモニアより揮発性が低い汚染物質を凝縮するために冷媒流によって冷却される分縮器２９０を含んでもよい。この冷凍システムは、市販の冷媒のどれを含んでもよく、または導管２４０を経て、廃棄物コンテナ２２５を出る廃水流の蒸発によって賄ってもよい。随意に、分縮器２９０を気化容器４０の一部として組込むことができる。この分縮器２９０を出る蒸気を送出パネル７０へ送り、一方この分縮器の液体成分を気化容器４０へ戻す。その代りに、気化容器４０を出る蒸気をミスト分離器（図示せず）へ送ってあらゆる液相成分を除去し、それをこの気化容器へ戻すことができる。

フィルタのような、付加的な浄化システム２１０をこの送出パネルの下流に配置して、この低揮発性汚染物質が希薄な低蒸気圧流を使用点へ送出する前に更に浄化することができる。

この発明をその特定の実施例を参照して詳細に説明したが、当業者には、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、種々の変更および修正を成すことができ、および等価物を使えることが明白となろう。

低揮発性汚染物質が希薄で且つ使用点へ送出する、低蒸気圧蒸気流を製造するためのシステムの概略流れ図を示す。 低蒸気圧流体リサイクルループを含む、低蒸気圧蒸気流を製造および送出するためのシステムのもう一つの実施例の概略図を示す。

Claims (10)

1. 低蒸気圧流体を運搬しおよび主として蒸気を含む低蒸気圧流を製造し、および主として蒸気を含む流れを使用点へ送出するためのシステムで、主として蒸気を含む流れは低揮発性汚染物質が希薄であるシステムあって、
   液相または二相の低蒸気圧流体が入っている運搬容器を用意する工程、
   前記液相および／または二相の低蒸気圧流体を上記運搬容器から気化容器へ移し替え、そこで液体の少なくとも一部が気化する工程、
   低揮発性汚染物質が濃い液体を主として含む流れをこの気化容器から引出す工程、および
   低揮発性汚染物質が希薄な蒸気を主として含む流れをこの気化容器から引出しかつ前記主として蒸気を含む流れを使用点へ送出し、そこで前記主として蒸気を含む流れのこの低揮発性汚染物質レベルを所望の範囲内に維持する工程を含むシステム。
2. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムであって、更に
   前記液相および／または二相の流体を前記気化容器へ移し替えるために前記運搬容器の中に高圧不活性ガスを注入してそれを加圧する工程を含むシステム。
3. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムであって、更に、前記液相および／または二相の流れを上記気化容器からバッチ式または不連続様式で引出す工程を含むシステム。
4. 請求項１に従って主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムであって、更に：
   上記気化容器から引出した蒸気を、上記使用点へ送出する上記低蒸気圧蒸気流の流量、圧力および温度を制御する送出パネルへ導く工程を含むシステム。
5. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムに於いて、上記使用点が半導体、ＬＥＤまたはＬＣＤ製造用具であるシステム。
6. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムであって、更に
   前記運搬容器をそれに与えた少量のエネルギーによって加圧する工程を含むシステム。
7. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムであって、更に、
   前記気化容器に含まれる液体を、中で前記液体を第２液体流体に当てて沸立たせる熱交換器を介して加熱する工程を含むシステム。
8. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムに於いて、前記液相または二相の流体がアンモニア、塩化水素、二酸化炭素およびジクロロシラン、またはその混合物からなるグループから選択した非空気ベースの流体であるシステム。
9. 請求項１に記載の主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するためのシステムに於いて、前記気化容器の中の液体レベルを上記容器高さの約１％ないし９５％の範囲に維持するシステム。
10. 主として蒸気を含む低蒸気圧流れを製造するための装置で、この主として蒸気を含む流れは低揮発性汚染物質が希薄である装置であって、
    中に液体または二相の流体を有する運搬容器、
    前記液体または二相の流体を移し替えて少なくとも一部を気化する気化容器、
    前記気化容器へ送出するエネルギーを制御するための手段、
    前記気化容器の下部に結合してあり、それを通して低揮発性汚染物質が濃い液体を主として含む流れを引出す第１導管、および
    第２導管を介して前記気化容器の上部に結合してあり、それを通して主として蒸気を含む低蒸気圧流を引出し且つ使用点へ回送し、そこでこの低蒸気圧流の純度を所望の範囲内に維持する送出パネルを含む装置。
    

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