TW202212624A - 材料供應系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種氣體供應和分配系統及其操作方法，其包含第一在線容器(on-stream vessel)和第一備用容器(standby vessel)，其中該系統係用於以預設的氣體流速分配氣體；與控制器通訊的感測器，其感測該第一在線容器的預定義終點，從而使該控制器啟動從該第一在線容器到具有氣體的組列中的第一備用容器之自動跨接(auto-crossing)，以便隨後分配來自該第一備用容器的氣體；其中該控制器在感測到該預定義終點之後啟動來自該第一備用容器的氣流，該第一備用容器從而在終止來自該第一在線容器的氣流之前成為與該第一在線容器同時分配氣體的第二在線容器。

Description

材料供應系統
相關申請案之相互參照
本專利申請案請求2020年9月18日申請的美國臨時申請案第63/080,481號之優先權。
本發明大體上關於儲存於分配容器中並且以氣體的方式從該分配容器供應的任何材料(固體、液體或氣體)，特別是關於需要連續轉換以提供持續供應的氣體給氣體消耗製程單元多容器組列。在指定態樣中，本發明可關於含有多重儲存和分配容器的氣體櫃或大容量供應系統，其提供氣體給半導體製造設施中的半導體製造設備，並且關於用於容器的跨接以保持氣體分配的連續性之自動跨接系統。
材料係提供給，特別是在半導體製造中的，許多製程。一些材料係儲存於容器中並且以氣體的方式分配到半導體製造裝備或設備，例如，沉積艙、蝕刻艙及離子植入機之氣體、液體或固體。通常，將該製程材料儲存於氣瓶中，但是也可儲存於任何儲存容器中，例如Y氣瓶、安瓿、ISO容器或罐。該材料可於提高的或低於大氣壓的壓力下儲存於該容器中。
在半導體製造之一應用中，上述類型的氣體儲存和分配容器經常配置於氣體櫃中，其中多數容器藉由歧管連接到適當的流動迴路或歧管，例如，包括管道、閥、限流孔元件、流量調節器、質流控制器、吹掃迴路、儀表及監控裝備等等。此流動迴路可與自動跨接系統相關聯，該系統允許儲存和分配容器在氣體耗盡或接近排空狀態時，例如，藉由適當的閥從打開到關閉的跨接，使得該耗盡的或實質上耗盡的容器與與該流動迴路的氣體供給關係隔離，以促成該容器的更換。其後或同時地，例如藉由在歧管中從關閉到打開的流量控制閥的適當跨接動作跨接到滿的氣體儲存和分配容器以將此新鮮的容器置於與該流動迴路的氣體供給關係中。該隔離的耗盡容器接著可與該流動迴路斷開連接並且從該氣體櫃中移出，以便能在先前跨接的容器已經耗盡時安裝裝滿的容器，既而在隨後操作的期間跨接運用此容器。
當第一容器到達其不再能夠維持該預設壓力的耗盡點時，該氣體分配硬體及電子設備可經可編程地配置為於預設壓力下實現自動容器轉換。為此目的，可建構並佈置該氣體分配硬體及電子設備以用於該氣體流動路徑的自動或手動抽空、吹掃及洩漏檢測。該系統中可使用可編程的邏輯控制器(PLC)來監測閥狀態、系統壓力、容器重量及溫度，並且提供用於控制以下功能的預編程序列：容器更換、啟動氣流、自動轉換容器、吹掃氣體控制、製程/吹掃氣體排空、確保製程氣流隨後關閉及容器加熱器(例如，加熱毯)的溫度控制。
因此，多種容器，舉例來說標準氣瓶或以吸附劑為基礎的及/或配備內部壓力調節器的類型，皆可配置於多容器組列中，其中容器的自動跨接，從耗盡的容器到滿的容器，在到達現用(在線)容器的終點時發生。該終點可以多種方式測定—其可藉由指示該容器內容物耗盡的分配氣體壓力及/或流速的下降來測定，或其可藉由持續分配氣體的容器的重量損失，或藉由分配氣體的累積體積流量，或藉由預定的操作時間，或以其他合適的方式來測定。
不管測定該容器終點的方式或模式如何，從耗盡的容器到滿容器的自動跨接涉及壓力的大幅下降及該氣體流動的中斷。在轉換期間的這種壓降可能會造成該壓力降至設定點(預設壓力)限值以下，從而觸發響應。此壓力中斷可能造成警報被啟動，並且在極端壓力變化的情況下，該氣體輸送系統的安全監控元件可能造成該氣體流動的關閉及下游氣體消耗製程的不期望的停止。或者，若該系統的製程控制經校準以允許此壓力的大降，則該系統可能對造成大壓降並且需要修復的實際問題反應緩慢。
在典型的先前技藝氣體輸送系統，例如Versum Materials的GASGUARD®氣體輸送櫃中，在轉換期間的壓力變化如圖1所示。圖1顯示氣瓶轉換之間的壓力實質下降。該壓力的變化是可變的，並且可能對舉例來說流往沉積設備的氣體流及由此產生的所得膜具有不可預測的影響。對該氣體流動的影響將對所討論的製程的可變性具有負面影響。
因此，此領域的進步之處在於提供一種用於氣體輸送系統(用於分配氣體)的自動跨接設備及方法，其使得容器跨接時發生的壓力擾動最小化。
本發明大體上關於材料儲存和分配容器，特別是關於多容器組列，其需要從耗盡的一或更多容器連續轉換到該組列中含有新鮮材料的一或更多容器，以提供持續供應的氣體給氣體消耗製程。
本發明提供一種氣體供應和分配系統，其包含：至少二氣體儲存和分配容器的組列，其係經佈置用於涉及從該組列中的第一一或更多在線容器轉換到第一一或更多備用容器之依序在線分配，前述系統用於以預設的氣體流速分配氣體；至少一控制器；及與該控制器通訊的一或更多感測器，其中前述一或更多感測器感測該第一一或更多在線容器的一或更多預定義終點，從而使該控制器從該第一一或更多在線容器啟動自動跨接到該組列中具有氣體的第一一或更多備用容器，用於其後從前述第一一或更多備用容器分配氣體；其中該控制器在感測到該一或更多預定義終點之後啟動來自前述第一一或更多備用容器的氣體流，前述第一一或更多備用容器從而在終止來自該第一一或更多在線容器的氣體流之前成為與前述第一一或更多在線容器同時分配氣體一時段的第二一或更多在線容器。
本發明另外提供一種使從氣體供應和分配系統分配的氣體的壓力變化實質上降低之方法，該系統包含：至少二氣體儲存和分配容器的組列，其係經佈置用於涉及從該組列中的第一一或更多在線容器轉換到第一一或更多備用容器之依序在線分配，前述系統用於以預設的氣體流速分配氣體，該方法包含以下步驟：從前述第一一或更多在線容器供應該製程氣體；從前述第一一或更多在線容器消耗該製程氣體；感測前述一或更多第一在線容器的一或更多預定義終點；打開一或更多閥以開始從前述第一一或更多備用容器供應該製程氣體，前述第一一或更多備用容器從而成為與前述第一一或更多在線容器同時分配該製程氣體的第二一或更多在線容器；將來自該第二一或更多在線容器的製程氣體的流速提高到預設流速以上；檢測來自該第二一或更多在線容器的提高流速；
將來自該第二一或更多在線容器的氣流返回到該預設流速；及關閉一或更多閥以將該第一一或更多在線容器與該系統隔離。
本發明提供使氣體輸送系統中的一或更多容器供應氣體轉換為另一或更多容器供應氣體所引起的大壓力變化減少的益處。
本發明的其他態樣、特徵及具體實例從隨後的揭示內容及後附申請專利範圍將中更加明顯。
本發明提供一種用於多容器組列的氣體輸送或分配系統之自動跨接裝置及方法。該氣體的輸送可從二氣體供應容器到單一出口連接件，如圖2及3的具體實例所示。如示，該系統係經建構及佈置以在該在線氣體供應容器耗盡時控制從該在線氣體供應容器到該備用氣體供應容器的自動轉換。更換該耗盡的氣體容器之後，該系統可復歸或將自動復歸以自動跨接回到如今已重新填充或更換的備用氣體容器。在替代具體實例中，多於二容器可被連接到單一出口，多於一容器可能在在線狀態及/或多於一容器可能在備用狀態，並且各容器可單獨地通過歧管連接到出口並且單獨地受控。在此具體實例中，通常該系統包含與在線容器相同數量的備用容器；然而，在系統中任何數量的容器皆可能在在線狀態並且任何數量的容器可能在備用狀態。
注意該措辭輸送和分配在本文中可互換使用，並且該措辭在線在本文中也可互換使用。此外，儘管將使用該措辭轉換(cross-over)，但是該轉換可不限於僅在一或更多在線容器與一或更多備用容器之間來回，這意指可有任意數量的一或更多在線容器的群組及任意數量的一或更多備用容器的群組。舉例來說，該容器組列可包含二或更多容器或二或更多容器群組，其全處於在線狀態並且僅一容器或一組一或更多容器處於備用狀態分開地受控(各容器通常具有含至少一流量調節器、至少一閥及至少一感測器的單獨歧管)，反之亦然，也就是說，該容器組列可包含二或更多容器或二或更多容器群組，其全處於備用狀態並且僅一容器或一組一或更多容器處於在線狀態分開地受控(各容器通常具有含至少一流量調節器、至少一閥及至少一感測器的單獨歧管)。該措辭“終點”或“預定義終點”用以描述觸發該系統開始轉換的感測設置點。咸能理解該預定義終點可能是一值，舉例來說對於一些具體實例來說，在氣體壓力大於可能的最低值(也就是說，其並非實際結束)但是實質上小於，舉例來說，該氣體壓力的期望預設設定值。該措辭耗盡係相對詞並且不一定意指完全空。由於對該系統的製程氣體要求的變化或其他原因，該預設氣體流速及測得或感測到的其他值可能會不時變化。在說明書及申請專利範圍中使用開放式語言(open language)，例如“包含”及“具有”包括部分封閉及封閉的過渡語言：“基本上由…組成”及“由…組成”，因此，該語言可被取代以便包含其出現的任何地方。類似地，任何“選自”的清單也包括“選自由…所組成的群組”並且可相應地予以取代。
本發明係基於以下發現：多容器組列中材料儲存和分配容器的轉換之不利壓力影響可藉由以下方式來消除：使該一或更多在線容器及該一或更多備用容器同時提供氣體，直到滿足以下一或多項要求：達到由該系統中的一或更多壓力傳感器測得的設定點壓力(通常低於期望的預設氣體流速)，或實測的時段已達到通過，或在該自動轉換系統中達到設定流速或在線氣瓶的重量已降至設定點重量以下，或已達到不同於預設溫度的高溫或低溫設定點。一旦滿足這些標準中的其一或多者，該在線的一或更多容器被關閉，並且先前備用(新鮮供應)的一或更多容器供應該製程氣體。藉由本發明，使關閉該在線的一或更多容器並且使該備用的一或更多容器在線所引起的壓降基本上或完全被消除。 圖2係結合本發明之一具體實例的容器轉換能力的氣體輸送系統100之一具體實例的前視圖。
在一具體實例中，該氣體輸送系統100可包含作為主外殼的主機櫃12及電子設備外殼26，其中該主機櫃及該電氣外殼用螺栓連接在一起以形成集成氣體輸送系統。氣體供應歧管及該氣體供應容器可收納於該主機櫃12內，其可舉例來說由12號冷軋鋼(12-gauge cold rolled steel)構成。如示，該主機櫃12的特徵為帶有閂鎖18和觀察窗22的左側門14及帶有閂鎖20和觀察窗24的右側門16。該電子設備外殼26的特徵為螢幕界面30並且開/關按鈕28安裝於該主機櫃12的頂部，如圖所示。該窗22、24可為防火安全玻璃窗以允許在打開門之前目視檢查該歧管的狀況。在替代具體實例中，該氣體輸送系統可以遠程控制及/或氣瓶的移除可由機器人執行，因此該氣體輸送系統可不具有觸控螢幕、按鈕或甚至如圖1所示的金屬機櫃。在替代具體實例中，若需要，該電子設備例如該控制器及所有相關佈線可位於該主機櫃內。在又其他具體實例中，該主機櫃及該電子設備外殼可為視需要的及/或替換為舉例來說沒收納該一或更多容器的閥歧管箱或閥歧管面板及/或位於遠離該歧管及該一或更多容器的單獨控制器。
如示，該電子設備外殼26包括可編程邏輯控制器(PLC)，用於經由該觸控螢幕界面30控制該集成氣體輸送系統，該PLC單元與該觸控螢幕之間的通訊經由該PLC單元上的序列埠連接件實現。該螢幕具有與文本及圖形相對應的觸敏網格(touch sensitive grid)，並且對該 PLC 單元傳達指令。該觸控螢幕顯示使用者菜單、操作及資訊螢幕及安全螢障以便僅經過授權的系統才能進入。
該系統中可使用可編程邏輯控制器(PLC)來監控閥狀態、系統壓力、容器重量和溫度、其他感測器，並且提供用於控制以下功能的預編程順序：容器更換、啟動氣流、容器的自動轉換、視需要的吹掃氣體控制、視需要的製程/吹掃氣體抽真空、確保製程氣流動緊接著關閉及視需要的容器加熱器(例如加熱毯)的溫度控制。在替代具體實例中，本發明的氣體輸送系統可由用於半導體製造廠的主要總控制器及/或位於遠程位置的控制器控制。因此咸理解用於本發明的輸送系統的控制器可包含任何類型的控制器，其根據具有預設變量或操作範圍及觸發動作的設定點的程式算法打開及關閉閥並且發出警報等，並且由該輸送系統中的感測器接收輸入量，該輸送系統包括壓力傳感器、閥位、計時器、流量控制器、秤或熱電耦等中的其一或多者。
在所示的具體實例中，該主機櫃12含有一對氣體儲存和分配容器及連接到各容器的歧管；其歧管包括用於氣體流動、吹掃及排氣的管道、閥等等。
該氣體供應容器，有時候在下文中稱為氣瓶，但不限於氣瓶，可為任何合適的類型。在替代具體實例中，該容器可為一或更多Y形氣瓶、安瓿、ISO容器或罐。該材料可在提高或低於大氣壓的壓力下儲存於該容器中。該氣體供應容器可在高於大氣壓的壓力下儲存該材料或可在低於大氣壓的壓力下儲存該材料，例如，在使氣體以吸附的方式留在固相物理吸附劑上的含固相物理吸附劑的容器之情況下。該固相物理吸附劑包括，舉例來說，分子篩、活性碳、二氧化矽、氧化鋁、吸附性黏土、大網狀聚合物(macroreticulate polymer)、金屬有機骨幹(MOF)等等，咸應明白該供氣容器可為任何其他合適的類型，裝於其中的材料用於分配來自該容器的氣體。該氣體供應容器可含有處於固相、液相或呈氣體、壓縮氣體或超臨界流體形式的製程材料。該內含物的蒸氣壓可變化於0托耳至3000 psig之間，甚至更高。
圖3為圖2的氣體輸送系統100的流動迴路或歧管80之示意圖，包括與包括歧管氣體流動管線58、58A、58B、60、60A、60B、62、62A和62B的流動迴路互連的左氣體儲存和分配容器70A及右氣體儲存和分配容器70B。該系統的歧管80的A側(如圖所示的左側)包含標示帶有下標A、a或aa的數字之管道及氣瓶。該歧管80的A側部分另外包含在該管道中的至少一閥、至少一控制閥及至少一壓力傳感器，更佳地，在該管道中的至少二閥、至少一控制閥及至少一壓力傳感器。該系統的歧管80的B側部分包含管道及標示帶有下標B、b或bb的數字之氣瓶。B側另外較佳地包含在該管道中的至少一閥、至少一控制閥及至少一壓力傳感器，更佳地在該管道中的至少二閥、至少一控制閥及至少一壓力傳感器。在替代具體實例中，連接到容器的各歧管可包含至少一閥及至少一控制來自該容器的氣體在該歧管中的流動之調節器。該調節器可為在該管道中的控制閥及與其間接或直接通訊的至少一壓力傳感器。該措辭歧管可以指該系統中的所有管道及閥，也可用以描述連接到該系統中的一或更多在線容器(或一或更多備用容器)的管道、閥及感測器部分。
沒有下標的管道與該系統的A側和B側(歧管和氣瓶)流體連通。此佈置的流動迴路被設計用於可能具有低內部體積和最小死體積(dead volume)的加壓氣體的流動。在所示的具體實例中，該氣體歧管流動迴路有四類的連接件：(i) 製程氣體出口 - 歧管連接件，(ii) 視需要的吹掃氣體 - 歧管連接件，(iii) 供氣容器 - 歧管連接件，及 (iv) 排氣 - 歧管連接性。下文將逐一討論這些。
在該製程氣體出口-歧管連接件中，下游氣體消耗製程單元(圖3中未示出)與製程氣體出口管線58的第一端流體連通並且可直接連接至彼。在所示的具體實例中，氣體管線58可為半導體晶圓廠的室內管線並且包含視需要的壓力傳感器PT50。或者，該氣體管線58可直接連接到單一設備或一或更多設備。視需要地，該氣體管線58可另外含有手動及/或自動閥，例如氣動閥，未示出。該製程氣體出口管線58也具有連接到彼的製程氣體供給管線58A和58B，其各自連接到並且分別將來自容器70A和70B的製程氣體提供到該製程氣體出口管線58。各製程氣體供給管線包含至少一自動或手動閥，並且視需要地包含一或更多自動或手動閥、一或更多壓力傳感器及/或一或更多調節器。在圖2所示的具體實例中，製程氣體供給管線58A包含多數與容器70A流體連通的自動閥V12、V13、V14、V15及V16，並且製程氣體供給管線58B包含多數與容器70B流體連通的自動閥V22、 V23、V24、V25及V26。該系統的較佳至少二閥係氣瓶閥及將該歧管(及該氣瓶)的一部分與該製程氣體出口管線隔離的閥。如該歧管的A側所示，那些閥包括氣瓶閥V11及將該歧管的A側和該氣瓶70A與該製程氣體出口管線58隔離的閥V16。再者，該歧管較佳地包含用於該歧管80的A側之控制閥PCV31及壓力傳感器PT32，其中該壓力傳感器PT32可用以控制該控制閥PCV31。
如圖3所示，該閥V12、V13及V15係通常對吹掃和排氣管線關閉的三通閥，這意指其通常對該製程氣體供給管線58A中的製程氣體流打開。這同樣適用於V22、V23及V25對該製程氣體供給管線58B中的製程氣體流的情況。該閥必須被啟動以將其打開到吹掃及排氣管線。然而，替代具體實例中可使用不同閥，所以就圖 3 所示的閥來說，當這些閥被描述為打開時，咸理解這意指對該製程氣體供給管線58A、58B或所述吹掃和排氣管線中的流動打開，但是對於普通熟悉此技藝者那些三通閥的閥位可被認為是“關閉的”。
在圖3所示的具體實例中，製程氣體供給管線58A包含與容器70A流體連通的壓力傳感器PT30和PT32及調節器PCV31，並且製程氣體供給管線58B包含與容器 70B流體連通的壓力傳感器PT40和PT42及調節器PCV41。壓力傳感器PT30和PT40分別監測該容器70A和70B的壓力。而且，該容器70A和70B各自具有結合或連接到各容器的閥，分別為V11和V21，以致於該容器可在連接到該系統100時與該系統隔離並且在不連接到該系統時與該系統隔離，例如在將空容器更換為滿容器時的期間。在該氣體供應容器-歧管連接件中，該氣體儲存和分配容器70A係經由容器閥V11下游的可釋放管連接件63A連接到該製程氣體供給管線58A。該氣體儲存和分配容器70B係經由容器閥V21下游的可釋放管連接件63B連接到該製程氣體供給管線58B。
在圖 3 中，二壓力傳感器位於各製程氣體供給管線58A、58B的歧管上，並且一壓力傳感器位於製程氣體出口管線58中。壓力傳感器PT30監測與氣體存儲和分配容器70A相關的壓力，並且壓力傳感器PT40監測與氣體儲存和分配容器70B相關的壓力。壓力傳感器PT50監測流至該下游氣體消耗製程單元的製程氣體的出口壓力，或流至連到該氣體消耗製程單元的室內管線或其他氣體中間體的製程氣體的出口壓力。
在該視需要的吹掃氣體-歧管連接件中，吹掃氣體源(圖3中未顯示)係於其第一端連接到吹掃氣體供給管線62。在該吹掃氣體供給管線62的第二端分流成吹掃氣體管線62A和62B，其各自在遠離該分流的相對端處接到該製程氣體供給管線58A和58B各者。如示，該吹掃氣體管線分別經由閥V12和V22連接到該製程氣體供給管線58A和58B各者。閥V12和V22係用於隔離在容器更換期間或在其他需要或期望的情況下使用的吹掃氣體。該吹掃氣體係視需要的並且可為於0 psig與3000 psig之間的壓力下供應的惰性氣體的任意組合。在氣體容器更換之前及之後供應吹掃氣體以清潔該製程氣體供給管線對於保持所供應氣體的純度及防止該製造設施內的有毒或自燃氣體逸出特別重要。
如示，該吹掃氣體可通過閥V12被引入製程氣體供給管線58A，並且可在該吹掃氣體進入該製程氣體供給管線的引入點下游的閥處離開該製程氣體供給管線58A。舉例來說，該吹掃氣體可通過閥V12進入製程氣體供給管線58A並且通過閥V15離開該製程氣體供給管線58A到達第二吹掃氣體出口管線60aa，該第二吹掃氣體出口管線60aa將吹掃氣體出口管線60A連接到排氣管線60。可替代地或附帶地，該吹掃氣體可通過閥V12進入製程氣體供給管線58A並且通過閥V13離開該製程氣體供給管線58A到達第一吹掃氣體出口管線60a，該第一吹掃氣體出口管線60a將吹掃氣體出口管線60A連接到排氣管線60。閥的打開位置V12、V13、V14及/或V15自動及/或手動操作以提供所述的吹掃氣體及排氣。
連到該吹掃氣體供給管線62以構成該吹掃氣體-歧管連接件的吹掃氣體源可為任何合適的吹掃氣體源，例如吹掃氣體的供應罐，例如超高純度氮或超高高純度氮/氦混合物，或對於該歧管管線及相關組件的流道之吹掃有效的其他合適的單組分或多組分氣體介質。所謂的“室內氮氣”(即，可從該半導體製造設施中的一般供應設施獲得的氮氣)或來自其合適來源的清潔乾燥空氣(CDA)皆可用於此目的。
現在將描述該排氣歧管連接件。分別位於該歧管80的A側和B側之閥V13和V23，當相應側在線時，分別為該調節器PCV31和PCV41上游之製程氣體供給管線58A和58B的預調節或高壓側的製程氣體提供排氣通路。位於該歧管80的A側和B側之閥V15和V25分別提供通往分別在該調節器PCV31和PCV41的下游之製程氣體供給管線58A和58B的後調節器或低壓側的排氣通路。藉由打開剛剛描述的閥並且較佳地也關閉V16或V26，可分別將製程氣體引導至管線 60a (60b)或60aa (60bb)、60A (60B)及60到來自製程氣體供給管線58A (58B)的排氣口。該排氣口可在大氣壓下或通往真空源(未顯示)例如文丘里真空發生器(Venturi vacuum generator)或真空泵。此外，若需要或希望，閥V14和V24可用以將該製程氣體供給管線58A和58B的高壓側(分別位於該調節器PCV31和PCV41的上游)與低壓側(分別位於該調節器PCV31和PCV41的上游)隔離。在緊急情況下、關閉期間或就在用吹掃氣體吹掃該歧管之前(舉例來說當氣瓶的部件更換時)可能需要將該歧管中的製程氣體引導至排氣口。
在正常操作條件下，容器70A或容器70B將供應製程氣體，而相對的容器將處於備用狀態。若容器70A正在供應該製程，容器閥V11、調節器隔離閥V14、調節器PCV31及製程隔離閥V16皆打開。若容器70B正在供應該製程，容器閥V21、調節器隔離閥V24、調節器PCV41及製程隔離閥V26皆打開；並且，若容器70B不以最低限度供應該製程，製程隔離閥V26關閉。該製程隔離閥V26較佳地位於該歧管80的B側的製程氣體供給管線58B中的一或更多壓力傳感器PT40、PT42及控制閥PCV41的下游(並且都位於該氣瓶70B的下游)。注意，轉換後在該歧管的A側執行的任何步驟或閥位及製程步驟與該歧管的B側的相應閥等等相同，反之亦然。當容器70A正在供應時，打開閥V12、V13及V15以供管線58A中的流動進行。當容器70B正在供應時，打開閥V22、V23及V25以供管線58B中的流動進行。
該調節器PCV31和PCV41的各個輸出皆根據來自分別位於該製程出口供給管線58A和58B中的出口壓力傳感器PT32和PT42，或者，藉由該製程氣體出口管線中的壓力傳感器PT50，或該壓力傳感器組合的反饋進行控制。為此，該系統中存有PT32和PT42或PT50中之至少其一。壓力傳感器PT32控制來自氣瓶70A的歧管80的A側之流量，並且壓力傳感器PT42控制來自氣瓶或容器70B的歧管B側之流量。此控制係經由比例積分微分控制器(PID)，用使用者決定的壓力傳感器PT32、PT42及/或PT50設定值作為輸出目標達成。該壓力傳感器測量該管線中的實際壓力，然後將其與該設定點壓力進行比較，並且在控制迴路中用以控制該調節器中的閥開度。該調節器PCV31和PCV41的輸出設定點在正常供應情況下通常是一致的。
現在將參照圖3和圖4描述在轉換期間該氣體供應系統的運作。
在圖3和圖4所示的具體實例中，在步驟1中，容器70A和A側歧管80在線並供應該製程氣體，並且容器70B係連接到該歧管的B側，準備在需要時輸送氣體並處於備用模式。使B側與A側隔離，而A側供應氣體直到啟動轉換。(先前的空容器或在該歧管B側耗盡到所需程度的容器可能已被含有所需材料的容器70B替換，較佳為裝滿的容器，以提供該製程氣體。) 隨著容器70A耗盡或達到另一更換氣瓶(開始轉換)預定義的一或更多終點，在步驟2中，低壓源通知或更換氣瓶信號由低壓相關的PT30及/或低重量相關的秤19A或其他感測預定義的終點，例如分配的累積時間，之指示器產生。作為又另一替代方案，該空的/預定義的終點可藉由壓力感測器測得的分配氣體的流速減小、該分配氣體的一或更多特性(舉例來說相變或從溶劑或固體吸附劑中去除所需的製程氣體)的變化率減小及/或其他可用以建立或檢測涉及該在線氣體供應容器的氣體分配的末期極限(一或更多預定義的終點)之指示器確定。
無論如何確定，由於適合於確定該預定義終點(極制點)的特定模式，使該預定義終點到達時皆能感測到(圖 4 中的步驟2)，例如，藉由重量感測器、壓力傳感器、流量感測器、體積(累積)流量計、循環計時器、溫度感測器或其組合等等，並且在該系統的電子電路中產生預定義終點或極限感測信號，該電子電路以可編程的方式佈置該氣體輸送系統的電子電路(控制器)以引起該自動轉換序列。該預定義終點感測信號(極限感測信號)使該系統進入步驟3，檢查該系統B側氣瓶是否存在及其狀態。若該秤19B及/或其他檢測裝置，例如一或更多壓力傳感器(PT40及/或 PT42)及/或由操作員手動輸入，指示該氣瓶70B已經準備好使用並且處於備用模式，則該自動轉換製程將繼續。若否，該系統會發出警報。
在步驟4中，若確定步驟3中的容器70B處於備用狀態並因此準備支援其製程氣體流，則容器70B經由容器閥V21的致動而打開，若之前沒有打開的話。若V21是手動閥，則該閥必需在進入備用模式之前由操作員打開。若V21是用氣動，此時其會被該系統控制器自動打開。同時，製程隔離閥V26也會被該系統控制器自動打開。在所示的具體實例中，若閥V22、V23、V24及V25中有任何一者關閉，它們也會被打開。在打開那些閥時，製程氣體開始從氣瓶70B通過製程出口供給管線58B流到製程氣體出口管線58，並且啟動該自動轉換程序。
在步驟5中，打開該容器閥V21時，啟動該系統及該電子電路中的計時器，該計時器計數到設定的時間，不然就在設定的時間開始並倒數計時到0。該時期係完成該製程氣體的供應從用完的氣瓶70A轉換到新鮮氣瓶70B之設定時間。該轉換的設定時間通常為大於0秒至1小時，或5秒至30分鐘，或5秒至10分鐘。
在步驟6中，此時啟動均衡計時器(equalization timer) (計時到設定時間，或者從設定時間開始倒數計時)，並且該系統等待預設的均衡時段，該時段可能從大於0秒到1小時，或 5 秒至30分鐘，或5秒至10分鐘，以便平衡來自該系統兩側的氣瓶，來自A側的氣瓶70A及來自B側的氣瓶70B，之氣體流量。在此均衡時段期間，該容器70A供應仍處於“領先”位置，因為該調節器PCV31的輸出仍處於比該“滯後”調節器PCV41更高的壓力。
在步驟7中，在該均衡計時器到期並且從氣瓶70A和70B流出的製程氣體實質平衡後，提高該壓力傳感器PT42或PT50 (以控制調節器PCV41為準)中的設定點壓力。已由使用者預先設定(通過該控制器(PLC))以在正常供應條件下由該氣體輸送系統供應該製程氣體之壓力傳感器PT42或PT50中的設定點壓力暫時地提高了0.01 psi至10 psi到暫時轉換設定點壓力(temporary crossover setpoint pressure)。這導致該調節器PCV41允許來自容器70B及該歧管B側的製程氣體流量增加，最終達成比來自該歧管A側的製程氣體流量更高的設定點壓力值。此步驟將容器70B置於領先位置，並且將70A置於滯後位置。該增加的流量一直保持到該製程的步驟9。
在步驟8中，該壓力傳感器PT42或PT50測量該壓力以確認該壓力已達到該暫時轉換設定點壓力。一旦在PT42或PT50處測得的壓力超過正常供應條件的設定點壓力，當下便將該容器 70B視為處於“領先”位置，並且容器70A處於“滯後”位置。
在步驟9中，在藉由壓力傳感器PT42或PT50確認達到該暫時轉換設定點壓力後，該系統返回在壓力傳感器PT42或PT50的正常供應條件下之設定點壓力，並且該歧管的B側返回到該調節器的正常供應設定點壓力PID。換句話說，此時該暫時PCV41輸出設定點提高的情況去除了，並且重新建立原先使用者決定的設定值。
在步驟10中，在開始測量以上步驟5中轉換完成時間的計時器經過預先指定的時間之後，該系統(若是自動的)或操作員(若是手動的)關閉氣瓶70A，藉由關閉以下一或多者：該氣瓶或容器閥V11、調節器隔離閥V14 (若該系統中存有)及製程隔離閥V16的任意組合，並且該製程氣體繼續由包括氣瓶70B的系統的B側提供。在向操作員指示問題的警報響起之前完成轉換的時間介於1秒與1小時之間，或5秒至30分鐘，或5秒至10分鐘，以於步驟4中打開V21和V26之後完成該製程。完成該轉換的時間允許控制閥PCV41的穩定化以及在該轉換製程期間該系統的容器70B側發生錯誤的情況下容錯。可能的錯誤包括氣動閥故障或操作員未打開手動隔離閥(若該系統中存有)。一旦該轉換警報延遲計時器到期並且在該歧管B側的當前在線的新鮮容器70B上沒有檢測到錯誤，就關閉在該歧管A側的耗盡容器70A上的容器隔離閥V11及製程隔離閥V16。容器70B現在正在為該製程供應該調節器 PCV41輸出，該調節器 PCV41輸出受到使用正常的供應設定點壓力的PT42或PT50的反饋控制。容器 70A被視為到期並且該系統的A側則閒置或離線。
在步驟11中，將該空氣瓶70A替換為新鮮氣瓶。此步驟11可包含本發明製程中的一或更多附加步驟。在移除空氣瓶70A之前，該歧管的A側可在移除該空氣瓶70A之前及之後進行多重視需要的排氣及吹掃步驟，並且手動或自動地將空氣瓶A替換為全新氣瓶70A。在該歧管A側管道與新鮮氣瓶70A之間進行必要的連接後，可執行視需要的洩漏檢查，並且氣瓶70A可以該控制器(PLC)手動或自動設定為準備就緒並且處於備用模式。
重複步驟1至11以視需要將該製程氣體從該一或更多在線容器連續供應到該單一製程氣體出口管線。 實施例
在根據本發明改進及操作的2氣瓶測試系統中使用剛剛描述的製程。產生圖 5 所示的轉換製程及該壓力變化隨時間變化的曲線圖。圖5顯示本發明的系統已經消除或顯著降低如圖1所示的先前技藝系統的操作的大壓降特性。咸信最終的製程變異性降低之益處為藉由該製程氣體向需要該製程氣體的設備之一致性流動改善整體製程控制及提高半導體設施的產品生產量。
上文已經參照特定具體實例說明性地描述了上述發明。然而，咸應明白本發明並不因此受到限制，而是可以用任何多容器組列來實踐，其中氣體供應從該多容器組列中的一容器轉換到另一容器。再者，儘管本發明已經參照二容器組列進行說明性地描述，但是咸應明白本發明適於以包括多於二氣體供應容器的多容器組列實施。此外，儘管已參照圖3顯示並且描述該氣體櫃，但是本發明也可用於該氣體容器沒有收納在如圖 2 所示的櫃子中之大型氣體供應系統。而且，儘管本發明已經參照本文的特定迴路和控制元件以及關聯進行描述，但是咸能明白如參照本文圖式說明性地闡述和描述的本發明的一般方法可以眾多硬體/軟體配置及格式中的任何一者來實現。
咸能明白本發明的設備及方法可以廣泛變化的方式實施，與本文的廣泛揭示內容一致。因此，儘管文本已經參照特定特徵、態樣及具體實例描述了本發明，但是咸能明白本發明並不因此受到限制，而是允許以其他變化例、修飾例及具體實例來實施。因此，本發明旨在被廣泛地解釋為包含所有此類其他變化例、修飾例及具體實例，將視為在下文請求保護的發明範疇以內。
PCV31, PCV41:調節器 PT30, PT32, PT40, PT42, PT50:壓力傳感器 V12, V13, V14, V15, V16, V22, V23, V24, V25, V26:自動閥 V11, V21:氣瓶閥 12:主機櫃 14:左側門 16:右側門 18, 20:閂鎖 19A, 19B:秤 22, 24:觀察窗 26:電子設備外殼 28:開/關按鈕 30:觸控螢幕界面 58, 58A, 58B, 60, 60A, 60B, 62, 62A, 62B:歧管氣體流動管線 60a, 60b:第一吹掃氣體出口管線 60aa, 60bb:第二吹掃氣體出口管線 63A, 63B:可釋放管連接件 70A, 70B:氣體儲存和分配容器 80:歧管 100:氣體輸送系統
圖1係於先前技藝的氣體輸送系統轉換期間測得的壓力與時間之關係圖。
圖2係根據本發明之一具體實例的具有容器轉換能力的氣體輸送系統之前視圖。
圖3係本發明之一具體實例的氣體輸送系統的流動歧管之示意圖。
圖4係包括根據本發明之一具體實例的自動轉換序列中涉及的步驟之製程流程圖。
圖5係在根據本發明的氣體輸送系統轉換的期間測得的壓力與時間之關係圖。
PCV31,PCV41:調節器
PT30,PT32,PT40,PT42,PT50:壓力傳感器
V12,V13,V14,V15,V16,V22,V23,V24,V25,V26:自動閥
V11,V21:氣瓶閥
19A,19B:秤
58,58A,58B,60,60A,60B,62,62A,62B:歧管氣體流動管線
60a,60b:第一吹掃氣體出口管線
60aa,60bb:第二吹掃氣體出口管線
63A,63B:可釋放管連接件
70A,70B:氣體儲存和分配容器
80:歧管

Claims (33)

  1. 一種氣體供應和分配系統，其包含： 至少二氣體儲存和分配容器的組列，其係經佈置用於涉及從該組列中的第一一或更多在線容器轉換到第一一或更多備用容器之依序在線分配，前述系統用於以預設的氣體流速分配氣體； 歧管，其包含管道及與該容器組列流體連通的至少二閥； 控制器；及 與該控制器通訊的一或更多感測器，其中前述一或更多感測器感測該第一一或更多在線容器的一或更多預定義終點，從而使該控制器從該第一一或更多在線容器啟動自動跨接到該組列中具有氣體的第一一或更多備用容器，用於其後從前述第一一或更多備用容器分配氣體； 其中該控制器在感測到該一或更多預定義終點之後啟動來自前述第一一或更多備用容器的氣體流，前述第一一或更多備用容器從而在終止來自該第一一或更多在線容器的氣體流之前成為與前述第一一或更多在線容器同時分配氣體一時段的第二一或更多在線容器。
  2. 如請求項1之氣體供應和分配系統，其中該時段為該第一一或更多在線容器及該第二一或更多在線容器提供足夠的時間達到平衡。
  3. 如請求項1或2之氣體供應和分配系統，其中在終止來自該第一一或更多在線容器的氣體流之前的前述時段期間，該控制器將來自該第二一或更多在線容器的氣體流增加到大於該預設氣體流速的流速。
  4. 如請求項1或2之氣體供應和分配系統，其中在終止來自該第一一或更多在線容器的氣體流之前的前述時段期間，該控制器將來自該第二一或更多在線容器的氣體流增加到大於該預設氣體流速的流速，然後在感測到該流速高於該預設流速之後，將該第二一或更多在線容器的流速降低到該預設氣體流速。
  5. 如請求項1或2之氣體供應和分配系統，其中在終止來自該第一一或更多在線容器的氣體流之前的前述時段期間，該控制器將來自該第二一或更多在線容器的氣體流增加到大於該預設氣體流速的流速，然後在感測到該流速高於該預設流速之後，將該第二一或更多在線容器的流速降低到該預設氣體流速，並且終止來自該第一一或更多在線容器的流。
  6. 如請求項1至5中任一項之氣體供應和分配系統，其中該控制器另外包含計時器，當感測到該預定義終點時啟動該計時器以界定該第二一或更多在線容器及該第一一或更多在線容器分配前述氣體的時段，並且觸發該系統在該時段結束時終止從該第一一或更多在線容器的氣體流。
  7. 如請求項3至6中任一項之氣體供應和分配系統，其中該控制器另外包含計時器，該計時器被啟動以界定來自該第二一或更多在線容器的流速大於該預設氣體流速的時段，並且觸發該系統以在該計時器測量的限定時間結束時降低來自該第二一或更多在線容器的氣體流速。
  8. 如請求項1至7中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多感測器係選自壓力傳感器、計時器、計重秤、質流控制器及溫度感測器。
  9. 如請求項1至8中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多預定義終點包含該一或更多在線容器的預定義終點重量。
  10. 如請求項1至9中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多預定義終點包含從該一或更多在線容器分配的氣體的預定義終點壓力。
  11. 如請求項1至10中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多預定義終點包含從該一或更多在線容器分配的氣體的預定義終點流速。
  12. 如請求項1至11中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多預定義終點包含從該一或更多在線容器分配的氣體的預定義終點累積體積。
  13. 如請求項1至12中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多預定義終點包含從該一或更多在線容器分配的氣體之特性的預定義終點變化率。
  14. 如請求項1至13中任一項之氣體供應和分配系統，其中該一或更多預定義終點包含從該一或更多在線容器分配氣體的預定義終點分配時間。
  15. 如請求項1至14中任一項之氣體供應和分配系統，其中該歧管包含一或更多壓力傳感器以測量該一或更多在線容器的氣壓。
  16. 如請求項1至15中任一項之氣體供應和分配系統，其中該歧管包含製程氣體供應管線及位於前述製程氣體供應管線中以測量在前述製程氣體供應管線中流動的氣體之壓力的一或更多壓力傳感器。
  17. 如請求項1至16中任一項之氣體供應和分配系統，其中前述歧管包含一或更多控制閥，該控制閥具有比例積分微分(PID)控制迴路以控制該氣體流量。
  18. 如請求項17之氣體供應和分配系統，其中前述具有比例積分微分(PID)控制迴路的一或更多控制閥與壓力傳感器可操作地耦合。
  19. 如請求項1至18中任一項之氣體供應和分配系統，其中該氣體儲存和分配容器係配置於氣體櫃內。
  20. 如請求項1至19中任一項之氣體供應和分配系統，其中前述閥包含製程隔離閥， 其中相對於涉及從前述第一一或更多在線容器轉換到前述第二一或更多備用容器的氣體供應和分配系統，該系統使由該系統分配的氣體的壓力變化實質上降低了。
  21. 一種使從氣體供應和分配系統分配的氣體的壓力變化實質上降低之方法，該系統包含： 至少二氣體儲存和分配容器的組列，其係經佈置用於涉及從該組列中的第一一或更多在線容器轉換到第一一或更多備用容器之依序在線分配，前述系統用於以預設的氣體流速分配氣體，該方法包含以下步驟： 從前述第一一或更多在線容器供應該製程氣體； 從前述第一一或更多在線容器消耗該製程氣體； 感測前述一或更多第一在線容器的一或更多預定義終點； 打開一或更多閥以開始從前述第一一或更多備用容器供應該製程氣體，前述第一一或更多備用容器從而成為與前述第一一或更多在線容器同時分配該製程氣體的第二一或更多在線容器； 將來自該第二一或更多在線容器的製程氣體流提高到預設流速以上； 檢測來自該第二一或更多在線容器的提高流速； 將來自該第二一或更多在線容器的氣流返回到該預設流速；及 關閉一或更多閥以將該第一一或更多在線容器與該系統隔離。
  22. 如請求項21之方法，其另外包含在前述打開步驟時啟動轉換計時器的步驟，其中前述轉換計時器測量預設時段直到關閉前述一或更多閥的前述步驟將該第一一或更多在線容器與該系統隔離。
  23. 如請求項21或22之方法，其中前述系統另外包含選自重量感測器、壓力傳感器、流速感測器、體積(累積)流量計、循環計時器、溫度感測器或其組合的一或更多感測器以執行前述感測步驟。
  24. 如請求項21至23中任一項之方法，其另外包含在前述打開步驟之前檢查該第一一或更多備用容器的存在及狀態的步驟。
  25. 如請求項21至24中任一項之方法，其中前述感測步驟感測由壓力感測器測量的製程氣體的減小流速，或該製程氣體的一或更多特性的減小變化率。
  26. 如請求項21至25中任一項之方法，其另外包含在前述提高步驟之前允許與前述第一一或更多在線容器同時分配氣體的第二一或更多在線容器達到平衡的步驟。
  27. 如請求項26之方法，其中前述允許步驟係藉由在該打開步驟啟動的均衡計時器測量。
  28. 如請求項21至27中任一項之方法，其中若在任何步驟中檢測到錯誤，該系統將發出警報。
  29. 如請求項21至28中任一項之方法，其中在前述關閉步驟之後，該方法另外包含用一或更多新鮮容器替換前述第一一或更多在線容器的步驟。
  30. 如請求項29中任一項之方法，其中前述系統另外包含與該第一一或更多在線容器流體連通的歧管，並且在移除前述第一一或更多在線容器的步驟之前，前述方法另外包含對該歧管進行排氣及吹掃的步驟。
  31. 如請求項21至30中任一項之方法，其中該一或更多預定義終點係選自該第一一或更多在線容器的終點重量、從該第一一或更多在線容器分配的氣體的終點壓力、從該第一一或更多在線容器分配的氣體的終點流速、從該第一一或更多在線容器分配的氣體的終點累積體積、從該第一一或更多在線容器分配的氣體的終點變化率及從該第一一或更多在線容器分配的氣體的終點分配時間。
  32. 如請求項21至31中任一項之方法，其中將來自該第二一或更多在線容器的製程氣體流提高到預設流速以上的步驟係藉由使用與壓力傳感器可操作地耦合的比例積分微分(PID)控制迴路來執行，該壓力傳感器與該第二一或更多在線容器流體連通。
  33. 如請求項29至32中任一項之方法，其中重複請求項21至32的方法步驟，其中該第二一或更多在線容器係該第一一或更多在線容器並且該新鮮的一或更多容器係該第一一或更多備用容器。
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