TWI416007B - 低蒸氣壓氣體系統 - Google Patents

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Martin L Timm
Kenneth Leroy Burgers
Jessica Anne Tworek
Keith Randall Pace
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Description

低蒸氣壓氣體系統
本發明有關一用於製造欠缺低揮發性汙染物之低蒸氣壓噴流的系統及設備。特別地是，本發明有關一來自液體的蒸氣相、或二相、以非空氣為基礎之氣體來源的低蒸氣壓氣體噴流之形成，該氣體噴流可被運送至使用地點，諸如半導體、發光二極體(LED)或液晶顯示器(LCD)製造工具。
半導體裝置、LEDs及LCDs之製造涉及若干離散之處理步驟，其中以非空氣為基礎之氣體被使用。如在此所界定，“以非空氣為基礎之氣體”意指任何非源自空氣及其構成成份之氣體。此等以非空氣為基礎之氣體的範例包含、但不限於矽烷、三氟化氮及阿摩尼亞。
供給至該半導體、LED或LCD製造廠(亦稱為最後使用者或使用地點)之以非空氣為基礎的氣體，典型必需包含一致之低程度汙染物，特別是那些比該非空氣之氣體較少揮發性的汙染物。這些汙染物包含水、金屬及微粒。此外，該等以非空氣為基礎之氣體必需於蒸氣相中，在升高之壓力(例如大於50磅/每平方英吋)下、及在高度可變之流量下運送至該最後使用者。
數種以非空氣為基礎之氣體係在蒸氣相中由該氣體發生爐運送至該最後使用者。此等以非空氣為基礎之氣體包含矽烷及三氟化氮。以蒸氣相運送的以非空氣為基礎之氣體典型係能夠滿足該最後製造廠之使用地點的純度需求，因為該汙染物程度係穩定的及當以非空氣為基礎之氣體係取自該運送容器時不會改變。此外，該蒸氣不須被調節(例如蒸發、唧取、加熱)。藉著僅只在高壓(例如大於1000磅/每平方英吋)供給蒸氣可滿足該壓力需求。在適當之情況下藉著僅只依該管道、閥門等之尺寸製作可容納高可變之流速。既然不調節該蒸氣，該運送容器或儲存容器不需要修改。
其它以非空氣為基礎之氣體被當作液體或液體/蒸氣二相流體由該氣體製造廠運送至最後使用者。此等氣體係已知為低蒸氣壓氣體及包含阿摩尼亞、氯化氫、二氧化碳及二氯矽烷。低蒸氣壓氣體在華氏70度的溫度下典型具有一少於1500磅/每平方英吋之蒸氣壓。因為這些氣體於蒸氣相中在升高之壓力及周圍之溫度下係非立即可得的，需要特別精巧之系統，以運送一在使用地點滿足所有該等需求之蒸氣相噴流。
一種此系統係敘述在發給Udischas等人之美國專利第6,363,728號中，其中一運送容器裝盛大量之液化氣體，且該運送容器具有一設置在其上面之熱交換器，以提供能量或由該液化氣體移去能量。一壓力控制器監視該壓力及調整運送至容器之能量。該系統據稱允許用於在預定流速下控制蒸氣相氣體之運送。
美國專利第6,581,412號揭示一用於在高流速下由液化壓縮氣體儲存容器運送蒸氣相氣體之方法。一加熱機構係提供緊接至該儲存容器，且一溫度測量裝置係設置於該容器壁面上。視該容器壁面溫度而定，該加熱機構之能量輸出係改變至加熱在其中之液化壓縮氣體。
美國專利第6,614,009號有關一高流速、超高純度氣體之蒸發及供給系統，其中該儲存容器係適合用於運送大量之液化氣體。此系統包括複數閥門，其被設計成適於與液體或氣體相一起操作；一裝載/卸載單元，用於處理該液化氣體；及一加熱器，其包含永久地定位在該容器上以供給能量進入該液化氣體之元件。
上面所討論之文件揭示諸架構，其中低蒸氣壓氣體係由一加熱液體之運送/儲存容器取回。具有一比該低蒸氣壓氣體較低揮發性之汙染物保留於該液相中，產生一欠缺低揮發性汙染物之蒸氣。然而，當該蒸氣係取自該容器時，在該液相及蒸氣相中建立該低揮發性汙染物程度。當在該蒸氣相中抵達低揮發性汙染物程度之某一程度時，該蒸氣收回係中止。該剩餘液體、有時候稱為“尾部(heel)”係富含汙染物，該等汙染物係比低蒸氣壓氣體較少揮發性。此“尾部”隨後被拋棄。
當作一範例，供給至顧客位置之液體阿摩尼亞包含一些水份，典型在由百萬分之0.5分佈至百萬分之10的濃度。此濕氣程度對該最後製造廠通常係無法接受的，該製造廠典型需要由十億分之1分佈至百萬分之0.2的濕氣程度。當蒸氣阿摩尼亞係取自此供給系統時，該剩餘液相中之水位增加。與該最後“尾部”有關之水位典型由百萬分之50－1000分佈。
與所敘述系統有關的缺點之一係既然液化氣體在相同之容器中被運送、儲存及蒸發，可用於容納加熱器之容器表面積係受限制的。因此，可達成之最大抽取速率係受限制的。
一進一步缺點係這些系統未提供一穩定之產品純度，因為當該容器中之液體數量減少時，該蒸氣噴流中之低揮發性汙染物程度增加。
發給Torres,Jr等人之美國專利第6,637,212號敘述一用於運送蒸氣相產物之系統及製程，該產物由一液化氣體來源至一終點具有一恆定之雜質程度。該系統尤其包含一蒸發機構，用於將具有可溶解雜質之濃度的液化氣體轉換至該蒸氣相；及一加熱機構，以完全蒸發該液化氣體，在此該蒸氣相產物中之雜質程度大體上係等同於該液化氣體中之程度。
發給Friedt之美國專利第5,894,742號有關一運送超純淨氣體至半導體工具及其他使用地點之方法及系統，該等氣體係在室溫以一高於大氣壓力之蒸氣壓液化。
發給Murakami等人之美國專利第5,690,743號有關一供給用於沈積之低蒸氣壓液體材料至壓力液體供給系統的設備，其中該低蒸氣壓液體材料係藉著一加壓氣體被推出一加壓通道。
有關該等後來敘述文件之系統的諸缺點之一係它們未提供一用於移去汙染物之機件，該等汙染物具有一比該低蒸氣壓氣體較低之揮發性。這些汙染物係隨著該低蒸氣壓氣體由該運送/儲存機構取回，且被運送至該最後之製造廠。
為了滿足該最後製造廠之要求及克服該相關技藝之缺點，本發明之一目的係由一液化壓縮氣體來源在高體積及高可變之流動下提供一蒸氣相非空氣之氣體。
本發明之另一目的係提供一蒸氣相非空氣之氣體，該氣體包含一比該來源液化壓縮氣體較低程度之低揮發性汙染物。
本發明之進一步目的係提供一蒸氣相非空氣之氣體，該氣體具有純度穩定性(亦即，大約恆定之汙染物型式及程度)。
本發明之又另一目的係於一運送容器中提供一液化非空氣之氣體，該運送容器不需修改，以便蒸發此氣體，而有利於運送容器更換。
對於一普通嫻熟該技藝者，於回顧該說明書、圖面及所附申請專利範圍時，本發明之其它目的及態樣將變得明顯。
根據本發明之第一態樣，提供一用於製造低蒸氣壓蒸氣噴流之系統。該蒸氣噴流係欠缺低揮發性汙染物，且係運送至使用地點。該系統提供一在其中裝盛有液體或二相流體之運送容器。該液體及/或二相流體係由該運送容器傳送至一蒸發容器，其中至少部份該液體係蒸發。由該蒸發容器取回一富含低揮發性汙染物的液體噴流，及由該蒸發容器取回一欠缺低揮發性汙染物之低蒸氣壓蒸氣噴流，且該低蒸氣壓噴流被運送至一使用地點。該低蒸氣壓蒸氣噴流之純度係維持在一預定之範圍內。
根據本發明之另一態樣，提供一用於製造低蒸氣壓蒸氣噴流的設備，該蒸氣噴流係欠缺低揮發性汙染物。該設備包含一運送容器，在其中具有一液相或二相流體；及一蒸發容器，該液相或二相流體係傳送至該蒸發容器，且至少局部蒸發。該蒸發容器包含用於控制運送至該蒸發容器的能量之機構。第一導管係連接至該蒸發容器的一下部，一富含低揮發性汙染物的液體噴流係經過該第一導管取回。一運送面板係經由第二導管連接至該蒸發容器的一上部，一低蒸氣壓蒸氣噴流係經過該第二導管取回，且該運送面板給定至一使用地點之路線，其中該低蒸氣壓蒸氣的純度係維持在一預定之範圍內。
半導體裝置、LEDs及LCD之製造需要將蒸氣相、低蒸氣壓氣體運送至使用地點。這些氣體必需滿足顧客純度及流量需求。本發明提供一由該氣體製造廠運送已壓縮、液化之低蒸氣壓氣體的機構，及處理此非空氣之氣體，以便運送一欠缺低揮發性汙染物之低蒸氣壓蒸氣噴流至使用地點。如在此所利用，該“欠缺”一詞將意指一在其中具有比由該氣體製造廠所提供的液相或二相流體較低程度之低揮發性汙染物的蒸氣噴流。該系統在一致之基礎上提供該需要之純度，且於該等具體實施例中維持穩定之純度程度。再者，該供給容器(下面稱為該運送容器)不需要修改，以蒸發該液化氣體，因為該運送及蒸發功能係於不同容器中施行。此外，該系統係高度模組化，允許簡單之具成本效益的容量擴展。
參考圖1，按照本發明之一示範態樣敘述本發明的具體實施例之一，其說明由液體儲存至一LED處理工具的阿摩尼亞之傳送。雖然在此所敘述之具體實施例係關於阿摩尼亞之使用，熟練該技藝者應了解可採用任何非空氣之氣體，其運送當作液相或二相蒸氣/液體流體。
一些LED處理工具需要一高純度阿摩尼亞蒸氣噴流，用於在一藍寶石基板上沈積氮化鎵之一外延層。於該處理工具中，蒸氣阿摩尼亞與諸如三甲基鎵之鎵來源在該基板前面中起反應，以形成及馬上沈積氮化鎵。在50磅/每平方英吋之壓力及周遭溫度下，一群數個此等處理工具平均可需要1000slpm(標準公升/分鐘)之阿摩尼亞蒸氣。在該工具之實際阿摩尼亞使用比率可為高度可變的，由0slpm分佈至超過2000slpm。為滿足該平均之阿摩尼亞需求，可能需要一大運送容器，譬如能夠裝盛23,000加侖之液體阿摩尼亞。
參考圖1，提供一系統100，較佳地是在室內或在一封閉體(未示出)內，並允許在周遭溫度下操作。阿摩尼亞係於諸如貨櫃(isotainer)之運送容器10中由該非空氣之氣體製造廠運送至該最後使用者。該運送容器係經由導管20與一蒸發容器40流體相通。藉著經過一高壓、惰性氣體之注入進入該運送容器10而加壓該運送容器，可促進由該運送容器傳送阿摩尼亞至該蒸發容器。譬如，能藉著由一氦供給系統30提供氣體氦至運送容器10完成加壓。該惰性氣體典型係在圓柱體中於大約2000磅/每平方英吋及6000磅/每平方英吋間之壓力下供給，以便將運送容器10中之壓力程度維持於大約100磅/每平方英吋及350磅/每平方英吋之間。然而，如果由於純度關係不想要惰性氣體注入，可藉著利用一加熱毯、或任何其他合適之加熱裝置提供能量至運送容器10加壓運送容器10。再者，能利用一幫浦，以由該運送容器傳送液體至該蒸發容器。
阿摩尼亞可分批或以半連續之方式由運送容器10傳送至該蒸發容器。於分批傳送中，液相或二相阿摩尼亞係由該運送容器傳送至該蒸發容器40，直至在該蒸發容器40中獲得該想要之阿摩尼亞體積。然後自該蒸發容器40抽取蒸氣阿摩尼亞，直至該液位降落至一預定值(亦即，直至剩下某一“尾部”體積)。當獲得此“尾部”體積時，拋棄該“尾部”及由運送容器10再注滿該蒸發容器40。
做為選擇地，阿摩尼亞能以半連續之方式由該運送容器10流動至該蒸發容器40。於此具體實施例中，由該運送容器10流動至該蒸發容器40係藉著一設置在導管20上之控制閥50所控制，使得蒸發容器中之液位被維持在一相當恆定之值。該第二包含容器20中之液位典型係維持在該容器高度之大約百分之1至百分之95的範圍中。選擇該液位，以最佳化該蒸氣相噴流中所夾帶之液體及與該已加熱容器內表面接觸的液體間之平衡。經由導管45進入及離開控制閥50之噴流可為液相或二相。較佳地是，該控制閥上游之噴流係液相。
做為選擇地，可處理由運送容器10取回之液體噴流，以防止在其引導進入蒸發容器40之前變成二相混合物。這可為想要的，以防止由該蒸發容器離開之蒸氣噴流載送液滴。這些液滴能載送比阿摩尼亞較少揮發性之汙染物，而將在該阿摩尼亞純度上具有一有害效果。此處理機構包含低溫冷卻經過一熱交換器或經過加壓由運送容器10取回之液體噴流，並確定該液體噴流至一設置在該蒸發容器上游的分離器(未示出)之路線。
於該蒸發容器40中，蒸氣及液相阿摩尼亞及汙染物存在或接近平衡。比諸如水、金屬、及微粒之低蒸氣壓氣體較少揮發性的汙染物優先停留於液相，而阿摩尼亞優先停留於蒸氣相中。因此，離開該蒸發容器40之蒸氣噴流60的低揮發性汙染物含有含量係低於進入該蒸發容器20之液相或二相噴流45。譬如，如果該蒸發容器40以半連續之方式中在100磅/每平方英吋之壓力及一液位下操作，使得該槽內容物在一莫耳基礎下的百分之75係於該液相中，且進入該蒸發容器之二相噴流在一莫耳基礎下將具有百萬分之一(ppm)的水含量，取自該蒸發容器之蒸氣的水含量將大約是十億分之10。
該蒸發容器包含一用於蒸發在其中所傳送之低蒸氣壓流體的機構。當該蒸氣噴流係由蒸發容器40取回時，在其中之高壓開始變小。為抵消此效果，及在一有效運作範圍內維持該壓力，該容器中之液體阿摩尼亞係使用加熱器160局部地蒸發。該蒸發容器中之壓力典型被維持在50磅/每平方英吋至300磅/每平方英吋之範圍中。該對應溫度範圍約由大約華氏32度至華氏125度。
該蒸發機構可包含一傳統熱交換器，諸如一管殼式交換器，其中液體之低蒸氣壓流體係靠著第二流體而沸騰。另一選擇係，可使用一位在該容器之表面上或在該容器內之加熱器加熱該容器。能使用各種加熱器。這些加熱器包含諸如加熱毯、加熱棒、或加熱胚料之電阻加熱器，如在美國專利第6,363,728號中所敘述者，且其全部以引用的方式併入本文中。加熱器之進一步範例包含輻射與誘導性加熱器、以及以微波為基礎之加熱器，如在美國專利申請案公告第2004/0035533號中所敘述者。
該蒸發容器中之蒸氣空間可為過熱及流通的，以蒸發此容器中所包含之液體，消除以容器為基礎之加熱器的需要及消除點滴形成之潛在性。於此具體實施例中，蒸氣將取自該蒸發容器，及譬如加熱達華氏10至100度，並使用一鼓風機(未示出)返回至該容器。
為了有利於及/或增加該蒸發容器中之熱交換，該容 器之內表面能切削加工至增加該流體對表面接觸之面積，或另一選擇係可提供一繫緊至該容器內部的設有溝槽之襯裡材料，以增加表面積。其結果是，以該加熱壁面接觸該液體阿摩尼亞之較大百分比，該容器能於一給定之壁面溫度在一較大蒸發容量下操作。另一選擇係，如果該容量將維持恆定，可減少該壁面溫度。
導管60中之蒸氣噴流係在使用地點上游輸送至運送面板70，該運送面板控制及調節該流動、壓力及溫度，該低蒸氣壓蒸氣噴流係在該流動、壓力及溫度於預定流速下運送至使用地點。大致上，該流速範圍由大約10slpm至2000slpm。
為了於取回及運送經過導管60之蒸氣噴流中維持該預定之汙染物程度，富含低揮發性汙染物之液體噴流能由該蒸發容器經由導管100至一純度控制閥110取回。與該液體噴流有關之流動視該蒸發容器中之液體純度而定變化，且典型範圍係於該液相或二相流體至該蒸發容器之流速的百分之0及90之間。既然在該蒸發容器中維持一大約恆定之液位，與主要包括蒸氣的氣體噴流有關之汙染物程度保持恆定，滿足該半導體、LED及LCD製造廠對於一恆定純度之需求。
可藉著調整液體由該蒸發容器40取回的速率測量及控制該低蒸氣壓蒸氣噴流中之汙染物的程度。較佳地是，取回液體，使得液體流量對低蒸氣壓蒸氣流量之比率係固定的。液體流量對蒸氣流量之比率範圍典型由0：1至2：1。
參考圖2，說明另一具體實施例。於此系統200中，富含低揮發性汙染物之液體噴流係按規定路線發送至一廢料貯存器/容器225。廢料貯存器/容器225中之壓力係藉著經過導管250排出蒸氣所控制。廢料容器225典型係在一由大約1磅/每平方英吋分佈至100磅/每平方英吋之壓力下操作。廢料容器225中之壓力典型是低於蒸發容器40中之壓力，藉此能夠流至該廢料容器225。當該廢料容器225係充滿或幾乎變得充滿液體時，其可被送回至該低蒸氣壓氣體製造廠供進一步處理。另一選擇係，該污染之液體可再循環至第一裝盛容器10，或選擇性地經由導管230按規定路線發送至該最後製造廠之廢料處理系統(未示出)。
由該蒸發容器40取回之低蒸氣壓噴流可進一步藉著按規定路線發送該蒸氣經過一設置在該運送面板70上游之吸附、過濾或蒸餾裝置290淨化。該前述淨化裝置可譬如包含一局部凝結器290，其係被一冷卻劑噴流所冷卻，以凝結比阿摩尼亞較少揮發性之汙染物。該冷卻噴流可包含任何市售冷卻劑，或可藉著經由導管240離開廢料容器225的廢料噴流之蒸發所提供。視情況，局部凝結器290可當作該蒸發容器40之零件併入。離開該局部凝結器290之蒸氣係按規定路線發送至該運送面板70，而該局部凝結器中之液體成份係返回至該蒸發容器40。另一選擇係，離開該蒸發容器40之蒸氣可按規定路線發送至一除霧器(未示出)，以移去任何液相成份及將其送回至該蒸發容器。
另外之淨化系統210、諸如過濾器可設置在該運送面板下游，以確保欠缺低揮發性汙染物之低蒸氣壓噴流係於其運送至使用地點之前進一步淨化。
雖然己參考其特定之具體實施例詳細敘述本發明，對於熟諳此技藝者將變得明顯的是可作各種變化及修改，及採用同等項，卻未由所附申請專利之範圍脫離。
10．．．運送容器
20．．．導管
30．．．氦供給系統
40．．．蒸發容器
45．．．導管
50．．．控制閥
60．．．蒸氣噴流
70．．．運送面板
100．．．系統
110．．．控制閥
160．．．加熱器
200．．．系統
210．．．淨化系統
225．．．廢料貯存器/容器
230．．．導管
240．．．導管
250．．．導管
290．．．凝結器
本發明之目的與優點將由其較佳具體實施例之以下詳細敘述會同所附圖面而更佳了解，其中類似數字始終標以相同部件，且其中：圖1說明一用於製造低蒸氣壓蒸氣噴流之系統的概要流程圖，該蒸氣噴流係欠缺低揮發性汙染物及被傳送至一使用地點；及圖2描述用於製造及運送低蒸氣壓蒸氣噴流的系統之另一具體實施例的概要圖，該系統包含一低蒸氣壓流體再循環迴路。
10．．．運送容器
20．．．導管
30．．．氦供給系統
40．．．蒸發容器
45．．．導管
50．．．控制閥
60．．．蒸氣噴流
70．．．運送面板
100．．．系統
110．．．控制閥
160．．．加熱器

Claims (10)

  1. 一種用於運送低蒸氣壓流體及製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，其中該主要包括蒸氣之噴流係欠缺低揮發性汙染物，並將該主要包括蒸氣之噴流運送至一使用地點，該系統包含：提供一運送容器，在其中包含有一液相或二相低蒸氣壓流體；由該運送容器傳送該液體及/或二相低蒸氣壓流體的一部份至一蒸發容器，其中至少部份該液體被蒸發；由該蒸發容器取回一主要包括富含低揮發性汙染物的液體之噴流；及由該蒸發容器取回一主要包括欠缺低揮發性汙染物的蒸氣之噴流，並將該主要包括蒸氣之噴流運送至一使用地點，其中該主要包括蒸氣之噴流的低揮發性汙染物程度係維持在一預定之範圍內；其中在該蒸發容器內維持大致恆定的液位。
  2. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，更包含：藉由將高壓惰性氣體注入該運送容器內來加壓該運送容器，以將該液體及/或二相流體傳送至該蒸發容器。
  3. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，更包含： 以一分批或不連續之方式由該蒸發容器取回該液相或二相噴流。
  4. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，更包含：將由該蒸發容器取回之蒸氣引導至一運送面板，其控制待運送至該使用地點之低蒸氣壓蒸氣噴流的流速、壓力及溫度。
  5. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，其中該使用地點係半導體、發光二極體(LED)或液晶顯示器(LCD)製造工具。
  6. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，更包含：經由供給至該運送容器之少量能量加壓該運送容器。
  7. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，更包含：經由一熱交換器加熱該蒸發容器中所包含之液體，其中該液體係靠著第二液體之流體而沸騰。
  8. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，其中該液相或二相流體係一以非空氣為基礎之流體，該流體選自由阿摩尼亞、氯化氫、二氧化碳、二氯矽烷、或其一混合物所組成之族群。
  9. 申請專利範圍第1項用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的系統，其中該蒸發容器中之液位係維持在該容器高度的大約百分之1至百分之95的範圍內。
  10. 一種用於製造主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的設備，其中該主要包括蒸氣之噴流係欠缺低揮發性汙染物，該設備包含：一運送容器，在其中具有一液相或二相流體；一蒸發容器，該液相或二相流體係傳送至該蒸發容器，且至少局部蒸發；用於控制運送至該蒸發容器的能量之機構；第一導管，其連接至該蒸發容器的一下部，一主要包括富含低揮發性汙染物的液體之噴流係經過該第一導管取回；及一運送面板，其經由第二導管連接至該蒸發容器的一上部，一主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流係經過該第二導管取回，且該運送面板給定至一使用地點之路線，其中該主要包括蒸氣之低蒸氣壓噴流的純度係維持在一預定之範圍內；其中在該蒸發容器內維持大致恆定的液位。
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