JP2009526651A - 正確な制御を用いて液体をディスペンスする方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力容器及び遠心ポンプとを兼ね備え、液体ディスペンスシステムにおいて、液体の圧力及び流量を正確且つ効率的に制御する方法及び装置を提供する。本発明は、特には、半導体製造プロセスにおいて使用される高純度の薬品又はスラリーなどの液体の圧力及び流量の正確且つ効率的な制御に関する。
【選択図】 図２

Description

発明の分野
本願は、圧力又は流量の非常に正確な制御を必要とする条件下で液体を配送する方法及び装置を提供する。特には、本発明は、高純度の薬品又はスラリーを、半導体製造プロセスにおける１つ以上の使用場所へと配送する方法であって、薬品又はスラリーの流量が、使用場所への一定の流量で提供される方法を提供する。

発明の背景
液体ディスペンスシステム（dispensing system）の終点へと提供される液体の量を正確に制御することが多くの場合に望ましい。更には、有害な効果を有し得るスパイク（spiking）を避けるべく、提供される液体の量ができるだけ一定であることが重要である。これは、提供される液体の量が、成膜、エッチング、洗浄などのプロセスに大いに影響を与え得る半導体製造プロセスにとりわけ当てはまる。圧力のばらつきは、非再現性及び、究極的には、収量の低下をもたらし得る。フロー制御も重要である。スラリーを必要とする半導体プロセスなどの或るプロセスにとっては、流量を、粒子をスラリー中に懸濁させておくのに必要な速度に維持することが重要である。或いは、高純度の薬品用途にとっては、最適な濾過を確実にするのに、一貫した流量を維持することが重要である。流量の変化も、配管又は濾過カートリッジにおける摩擦損失（例えば水頭損失）などによって、供給システム（distribution system）内の圧力に影響を与え得る。

それ故に、正確で、制御が可能で、一定な流量の液体を、使用場所又はディスペンスシステムの終点へと提供することが望ましい。しかしながら、これは、需要のばらつき、稼働中の供給システム内の圧力変化、フィルタの目詰まりによって引き起こされる圧力変化、ポンプサイクル効果及びその他などを含む多くの理由のために達成するのが難しいはずである。解消されなくてはならない問題をより十分に説明すべく、図１を挙げて、従来技術で知られている基本的な液体ディスペンスシステムを例証する。

図１は、液体ディスペンスタンク１０とポンプ２０と使用場所３０とを含んだ基本的なシステム１００を示している。システム１００では、ポンプが、液体を、タンク１０から使用場所３０へと配送する。タンク１０は、典型的には、必要に応じて液体を液体ソース４０から補給され得る標準的なベント式タンク（vented tank）である。ポンプ２０は、容積形ポンプ又はインペラーポンプなど、任意の標準的なタイプのポンプでも良い。しかしながら、より最近では、バルクの薬品及びスラリー用途のために、遠心ポンプが使用されている。純度の懸念から限られた数の遠心ポンプしか使用に受け入れられていない半導体産業において、この傾向はさらに最近である。

遠心ポンプは、小さな液体需要のための安定した圧力を維持するのに有能である。しかしながら、大きな消費需要、又は、空のフィルタハウジングへの装填などの供給システムにおける中断（disruption）は、フローの過渡状態（flow transients）をもたらし、これは、遠心ポンプの出力圧力を著しく低下させ、それにより供給システム内の圧力に多大な影響を与え得る。更には、遠心ポンプは、多量の電力を必要とし、吐出圧についての制限を有している。より高圧に達するのに、より多くの電力と、高圧動作に必要とされる高い毎分回転数（RPMs）で作動する遠心ポンプとを必要とし、幾つかのプロセスに負の影響を与え得る熱をシステム内に導入し得る。

図１には、１つの使用場所３０しか示されていないが、複数の使用場所が同じディスペンスシステム１００から液体を供給され得ることは、当業者によって認識されるであろう。しかしながら、認識されるであろうが、使用場所の追加は、システムの複雑さを高め、システムの圧力と流量とを維持するのをより難しくさせる。図１において気付かれるであろうが、使用場所３０での流量と圧力とを安定化させるのを助けるために、余剰液体が供給システム１００に提供される。特には、液体が、タンク１０から送り出されて、システム１００を流れ、必要とされる量で使用場所３０へと供給され、余剰液体は、再使用のために、タンク１０へと流れる。システムの圧力又は流量をよりよく制御するために、フィードバックループが提供され得る。特には、図１に示されているように、圧力センサ又は流量計などのセンサ５０が流量を示す情報を提供し、この情報は、ポンプ２０の速度を制御するのに、又は、タンク１０に付随した流量制限器６０の動作によってシステム１００についての背圧制御を提供するのに使用され得る。これらの部材もまた、システムに複雑さを加える。

上で述べたように、タンク１０は、通常、標準的なベント式タンクである。しかしながら、圧力容器も、より安定な圧力制御を供給システムへと提供するのに使用されている。圧力容器ディスペンスシステムには多くの変形があるが、これら全てが或る欠点を有している。例えば、連続して動作する複数の圧力容器は、このシステムに最も安定な圧力を提供することができるが、液体はこのシステムを循環しているため、連続的に、加圧し、空にし、排気し、補給する必要があるせいで、システムの複雑さに悩まされる。単一の圧力容器が使用される場合、この容器に戻る液体は、まず、ディスペンス容器に必要とされる圧力よりも低圧にある容器へと送られ、次に、ポンプによってディスペンス容器中へと戻される。液体の需要が低い場合でも、再循環するフローを維持する必要性のため、多大なエネルギーが消費される。

この技術には、上述の問題を解消する必要が残っている。

発明の概要
本願は、圧力又は流量の非常に正確な制御を必要とする条件下で液体を配送する方法及び装置を提供する。特には、本発明は、高純度の薬品又はスラリーを、半導体製造プロセスにおける１つ以上の使用場所へと配送する方法であって、薬品又はスラリーの流量が、使用場所への一定の流量で提供される方法を提供する。

本発明の目的は、圧力容器と遠心ポンプとを、同じ供給システム内で併用することによって達成される。圧力容器と遠心ポンプとの双方を共に使用することによって、各々の部材によって提供される利点を最適化することができ、システム全体の性能を高めることができる。

発明の詳細な説明
本発明の好ましい実施形態が示されている添付の図面を参照しながら、本発明を、下で、より十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されても良く、ここで述べられる実施形態に限定されるように解釈されるべきでない。むしろ、これら実施形態は、この開示が完全且つ徹底的となり且つ本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。

図２は、本発明の或る実施形態に従う基本的なシステムの概略図である。特には、図２は、液体ソース２４０から補給され得る圧力容器２１０と、遠心ポンプ２２０と、使用場所２３０とを具備した液体供給システム２００を示している。１つの使用場所２３０しか示されていないが、複数の使用場所が同じ供給システム２００を使用して液体の供給を受けても良いことは、当業者によって認識されるであろう。また、圧力容器２１０内に適切な圧力を確立し且つこれを維持するのに使用され得る圧力調節手段２５０も示されている。例えば、調節手段２５０は、窒素ガス供給装置（feed）を具備していても良い。遠心ポンプ２２０は、Levitronix（登録商標）、LLCによって製造されたポンプなどの任意の耐蝕性遠心ポンプであり得る。

動作中、液体が、遠心ポンプ２２０によって、システム２００に流される。液体は、圧力容器２１０から配送されて、使用場所２３０へと提供される。余剰液体は、圧力容器２１０へと戻される。好ましくは、リターンラインは、圧力容器２１０内の液体レベルより下に沈められるであろう。システム２００内の圧力は、例えば調節手段２５０を使用して加圧することで適切な圧力を圧力容器２１０内に確立することによって維持される。また、遠心ポンプ２２０の速度は、システム２００の圧力を所望のレベルに維持するために、適切に設定される。

遠心ポンプ２２０と組み合わせて圧力容器２１０を使用することにより、重要な利点が達成される。特には、加圧容器２１０を使用することにより、遠心ポンプ２２０は、低速で動作しつつも、必要とされるシステム２００の圧力を生じさせることができる。このように、本発明に従うシステム２００は、標準的なベント式タンクを利用する従来技術のシステムよりも、ずっと少ないエネルギーしか必要としない。更には、圧力容器２１０と遠心ポンプ２２０とを使用することによって、ベント式タンクを使用した場合よりも高いシステムの圧力を達成することができる。

本発明の更なる利点は、圧力容器２２０の調節された圧力が、動作の過渡期（transient period）中の圧力ゆらぎを抑制するのに役立つことである。例えば、圧力容器２１０内の圧力が高いほど、戻りフローをより制限して、それにより摩擦水頭損失を低減させるであろう。これは、システム２００の全体に亘って圧力に対する安定化効果を提供する。

図３は、システムの任意の部材及び配置を示した本発明の更なる実施形態の概略図である。特には、図３は、液体ソース３４０から補給され得る圧力容器３１０と、遠心ポンプ３２０と、使用場所３３０とを具備した液体供給システム３００を示している。１つの使用場所３３０しか示されていないが、複数の使用場所が同じ供給システム３００を使用して液体の供給を受けても良いことは、当業者によって認識されるであろう。圧力容器３１０内に適切な圧力を確立し且つこれを維持するのに使用され得る圧力調節手段３５０も示されている。例えば、調節手段３５０は、窒素ガス供給装置を具備しても良い。また、圧力と流量とのループフィードバック制御を提供するために、追加の部材がシステム３００内に含まれている。センサ３６０は、システム３００内の液体の状態を測定するために提供されている。例えば、センサ３６０は、液体の圧力を測定する圧力センサであっても良いし、又は、液体の流量を測定する流量計であっても良い。センサ３６０は、測定結果を示す信号をコントローラ３７０へと提供し、次に、このコントローラ３７０は、信号をシステム３００の他の部材へと送って、システム３００内の圧力又は流量をより正確に制御する。例えば、コントローラ３７０は、信号をポンプ３２０へと送って、センサ３６０による測定結果を一定にしておくようにポンプ３２０の速度を調節し得る。言い換えると、センサ３６０が圧力センサである場合、システム３００内の液体の圧力を示す信号が、コントローラ３７０へと送られる。この測定結果に基づき、コントローラは、システム３００内の一定圧力を維持するのに調節が必要であるかを判定し、仮にそうであれば、次に、信号を送って、ポンプ３２０の速度を適切に調節する。センサ３６０が流量計である場合、ポンプ３２０の速度は、同じく、必要に応じて流量を増減して、使用場所３３０への一定の流量を維持するように調節され得る。

或いは、コントローラ３７０は、信号を調節手段３５０へと送り、必要に応じて圧力容器３１０内の圧力を調節して、一定の圧力又は使用場所３３０へのフローを維持させ得る。この選択肢の１つの利点は、圧力容器３１０の圧力を調節してシステム３００の動作を制御しながら、遠心ポンプ３２０を一定の速度で動作させることができることである。

更なる選択肢は、コントローラ３７０にポンプ３２０と調節手段３５０との双方へと信号を提供させて、一定の圧力と使用場所３３０への一定の流量とを維持することである。

図３は１つのセンサ３６０しか含んでいないが、本発明は、１つより多くのセンサを有する実施形態も含んでいる。例えば、２つの圧力センサを利用することができ、双方が信号をコントローラ３７０へと提供するであろう。これら信号に基づき、コントローラ３７０は、一方の出力信号を調節手段３５０へ提供して、圧力容器３１０内の圧力を設定し且つ第１センサの位置における圧力を制御することができるし、他方の出力信号をポンプ３２０へ提供して、ポンプの速度を制御し且つ第２センサの位置における圧力を制御することができる。圧力センサの代わりに流量計を使用するかこれらを組み合わせて使用する他の選択肢も含まれている。例えば、圧力容器３１０の圧力を調節して、圧力センサの位置における圧力を維持することができるし、ポンプ３２０の速度を調節して、流量計の位置における流量を維持することができる。

他の選択肢及び実施形態が、本発明に含まれている。例えば、システムにバックアップ及び冗長構成を提供するために、追加の遠心ポンプをシステムに追加することができる。更には、バックアップ及び冗長構成のためか、又は、或る圧力容器における液体混合を他の容器がこのシステムに液体を供給している間に行うためかの何れかを目的として、複数の圧力容器を利用することができる。修理（servicing）を可能にするために、遮断バルブをシステムに追加することができる。更に、圧力調節手段の故障から保護するために、圧力解放バルブを提供することができる。必要であれば、例えば、加圧のために使用される窒素ガス流を加湿することによって、加湿を行うこともできる。

図４は、本発明の更なる実施形態の概略図である。特には、図４は、ソースドラム又はデイタンクなどの液体ソース４４０から補給され得る圧力容器４１０と、２つの遠心ポンプ４２０、４２５と、使用場所４３０とを具備した液体ディスペンスシステム４００を示している。図４には複数の使用場所４３０が示されているが、ただ１つの使用場所がシステム４００から供給を受け得ることは、当業者によって認識されるであろう。遠心ポンプ４２０及び４２５は、冗長性をもっている。即ち、一方のポンプが他方のバックアップとして振舞う。システム４００には、圧力容器４１０内の圧力を制御する調節手段４５０と、システム４００内の液体の状態を測定し、遠心ポンプ４２０又は４２５の速度を制御するための信号を生じる第１センサ４６０と、システム４００内の液体の状態を測定し、圧力容器４１０内の圧力を制御するための信号を生じる第２センサ４７０とが更に含まれている。例えば、第１センサ４６０は、圧力センサ又は流量計であっても良く、図３に関して上で述べたのと同じように、遠心ポンプ４２０又は４２５の速度を制御するのに利用され得る。第２センサ４７０も、圧力センサ又は流量計であっても良く、図３に関して上で述べたのと同じように、圧力容器４１０内の圧力を制御するのに利用され得る。

図４に示された実施形態に関する選択肢は、図３に関して上で述べたものと同じである。特には、システムに更なるバックアップ及び冗長構成を提供するために、追加の遠心ポンプをシステムに追加することができる。バックアップ及び冗長構成のためか、又は、或る圧力容器での液体混合を他の容器がこのシステムに液体を供給している間に行うためかの何れかを目的として、複数の圧力容器を利用することができる。或る特定の実施形態では、圧力容器は、圧力容器内の液体レベルを動作中の任意の時間に測定することができるように、ロードセル（load cell）でも良い。修理を可能にするために、遮断バルブをシステムに追加することができる。更に、圧力調節手段の故障から保護するために、圧力解放バルブを提供することができる。必要であれば、例えば、加圧のために使用される窒素ガス流を加湿することによって、加湿を行うこともできる。

本発明は、圧力容器と遠心ポンプとの双方の好適な特性を兼ね備えることによって、従来技術を上回る多くの利点を提供する。特には、本発明に従うシステムの遠心ポンプは、低速で動作しつつも、必要とされるシステム圧力を生じさせることができる。それ故に、本発明に従うシステムは、標準的なベント式タンクを利用する従来技術のシステムよりも、ずっと少ないエネルギーしか必要としない。更に、圧力容器と遠心ポンプとを共に使用することにより、ベント式タンクを使用した場合よりも高いシステム圧力を達成できる。本発明の更なる利点は、動作の過渡期中の圧力ゆらぎを抑制することと、システム２００の全体に亘って圧力に対する安定化効果を提供することとに役立つことである。

本発明の多くの変更及び他の実施形態は、本発明が属する技術分野の当業者であって、前述の説明及び添付の図面に示された教示の利点を持った当業者によって想起されるであろう。それ故に、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、変更及び他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれるべきことが意図されていることを理解すべきである。ここでは特定の用語が採用されているが、それらは、一般的及び説明的なものでしかなく、限定を目的としたものではない。

当技術分野で知られている基本的なシステムの概略図。 本発明の１つの実施形態に従う基本的なシステムの概略図。 システムの任意の部材及び配置を示した本発明の更なる実施形態の概略図。 本発明の更なる実施形態の概略図。

Claims (28)

1. 流体供給システムであって、
   流体を使用場所へとディスペンスする遠心ポンプと、
   前記遠心ポンプに接続された圧力容器であって、前記遠心ポンプが加圧された流体を前記圧力容器から受け取る圧力容器と、
   前記圧力容器内の圧力を調節する圧力調節手段と、
   前記ディスペンスされた流体の一部を前記圧力容器へと戻すリターンラインと
   を具備した流体供給システム。
2. 請求項１記載の流体供給システムであって、前記使用場所に近接して位置しており、前記流体の状態を監視するセンサを更に具備した流体供給システム。
3. 請求項２記載の流体供給システムであって、前記センサが圧力変換器である流体供給システム。
4. 請求項２記載の流体供給システムであって、前記センサが流量計である流体供給システム。
5. 請求項２記載の流体供給システムであって、コントローラを更に具備した流体供給システム。
6. 請求項５記載の流体供給システムであって、前記コントローラは、信号を前記遠心ポンプ及び前記圧力調節手段へと送るように及び信号を前記センサから受け取るように適合されている流体供給システム。
7. 請求項１記載の流体供給システムであって、前記圧力容器に接続された流体ソースを更に具備した流体供給システム。
8. 請求項１記載の流体供給システムであって、前記圧力容器に接続されており、流体を前記使用場所にディスペンスする第２遠心ポンプを更に具備した流体供給システム。
9. 請求項２記載の流体供給システムであって、前記リターンライン中に位置した第２センサを更に具備し、前記第２センサは、信号を前記圧力調節手段へと送るように適合されている流体供給システム。
10. 請求項１記載の流体供給システムであって、前記圧力容器がロードセルである流体供給システム。
11. 請求項１記載の流体供給システムであって、前記使用場所が半導体製造プロセスである流体供給システム。
12. 請求項１記載の流体供給システムであって、前記圧力調節手段に接続されており、前記圧力容器内の圧力を制御する不活性ガスソースを更に具備した流体供給システム。
13. 流体供給システム内の圧力を制御する方法であって、
    遠心ポンプの速度を制御して、所定の圧力を使用場所で維持することと、
    圧力調節手段を制御して、所定の圧力を前記遠心ポンプに接続された圧力容器内で維持することと、
    前記使用場所に近接して位置したセンサを用いて前記流体の状態を測定することであって、前記測定された状態は、前記遠心ポンプの速度及び前記圧力調節手段を制御するために使用されることと
    を含んだ方法。
14. 請求項１３記載の方法であって、前記測定された状態を示す信号を、前記センサからコントローラへと送ることを更に含んだ方法。
15. 請求項１４記載の方法であって、前記コントローラは、前記遠心ポンプの速度を、前記センサからの前記信号に基づいて制御する方法。
16. 請求項１４記載の方法であって、前記コントローラは、前記圧力容器内の圧力を、前記センサからの前記信号に基づいて制御する方法。
17. 請求項１４記載の方法であって、フィードバック制御を使用して前記流体供給システム内の圧力を制御することを更に含み、前記コントローラが、前記送られた信号を受け取り、制御信号を前記遠心ポンプへと送って、前記速度を調節する方法。
18. 請求項１７記載の方法であって、前記コントローラが、第２制御信号を前記圧力調節手段へと送って、前記圧力容器内の圧力を調節する方法。
19. 請求項１４記載の方法であって、フィードバック制御を使用して前記流体供給システム内の圧力を制御することを更に含み、前記コントローラが、前記送られた信号を受け取り、制御信号を前記圧力調節手段へと送って、前記圧力容器内の圧力を調節する方法。
20. 請求項１４記載の方法であって、前記圧力容器に近接して位置した第２センサを用いて前記流体の状態を測定することを更に含んだ方法。
21. 請求項２０記載の方法であって、前記測定された条件を示す信号を、前記第２センサから前記コントローラへと送ることを更に含んだ方法。
22. 請求項２１記載の方法であって、前記コントローラは、前記遠心ポンプの速度を、前記第２センサからの前記信号に基づいて制御する方法。
23. 請求項２１記載の方法であって、前記コントローラは、前記圧力容器内の圧力を、前記第２センサからの前記信号に基づいて制御する方法。
24. 請求項２１記載の方法であって、前記コントローラは、両方の信号に基づいて、前記遠心ポンプの速度と前記圧力容器内の圧力とを制御する方法。
25. 請求項２０記載の方法であって、前記流体の状態を測定する前記工程は、前記流体の圧力を測定することを含んでいる方法。
26. 請求項２０記載の方法であって、前記流体の状態を測定する前記工程は、前記流体の流量を測定することを含んでいる方法。
27. 請求項１３記載の方法であって、第２遠心ポンプの速度を制御することを更に含んだ方法。
28. 請求項１３記載の方法であって、前記圧力容器内の前記流体の重さ又はレベルを示す信号を送ることを更に含み、前記圧力容器がロードセルである方法。

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