TWI468612B - 小型氣櫃 - Google Patents

Description

小型氣櫃

本發明係關於用於輸送特殊氣體(ESG)之裝置，適用於發生在矽工業且特定言之發生在微電子學、光電、光電子學或半導體工業中之特定局部化應用。根據本發明之裝置亦可由使用毒性或易燃氣體等氣體的實驗室，尤其與矽工業相關之實驗室所使用。

許多工業設施都要求有一件能夠自動地控制某些設備的氣體及流體供應之設備。積體電路之製造通常包括數種製程，諸如將多種氣體饋入反應室之氣相沈積，其中反應室中安置侷限有一半導體基板。在此反應室中小心控制溫度及壓力，用以沈積為建立積體電路之三維模型的各種材料層。

由於構成蒸汽環境的各種反應物之比例最終決定元件之外形尺寸，其在極小矽件(尤其電晶體、電容器及電阻器)上共同構成簡單但大量的電路，因此必須持續監控輸入及輸出反應室之所有物質。積體電路誤操作的最大原因之一可歸於污染製造電路的工作區之微小的塵粒。極小外來體可能損壞極昂貴的電路且使其無法使用。為避免所述特定污染，半導體製造者可在受保護的「無塵室(clean room)」環境中製造其產品。

首先過濾進入無塵室之空氣，由此移除幾乎所有討厭的塵粒。在此類環境中工作之操作者穿戴專用服裝及專用面具，防止會損壞其精細工作之物質進入。與此高度專門環境之維護及適當操作相關的成本相當大。因此，無塵室之整個空間必須儘可能有效地使用。

除此關鍵要求以外，所用化學品必須極小心地輸送。用於半導體工業之專用液體化學品及氣體通常有毒。輸送此等潛在有害產品所選之裝置必須確保其使用係可靠且避免腐蝕或洩漏。

在習知的氣體輸送系統中，需被沖洗之大量潛在有害氣體產生安全問題。所有精密配件及管路在使用期間亦容易發生洩漏或嚴重損壞。因此，此等設施不適合要求頻繁斷開及沖洗進而增加操作者暴露於有害氣體之風險的局部化使用。

迄今為止，使用氣櫃裝置輸送特殊氣體顯示控制之安全性、成本及停止時間對局部化應用而言並未完美。此等標準氣櫃可尤其地以可靠方式用於長期間生產及輸送應用。此等系統被整體地安裝在專用室之大櫃中，其可被安置與其所連接之設備相距數十公尺。當必須對現有製程的新ESG源進行維護、校準、測試、鑑定，對包括在現有機器上使用ESG的新製程進行評估，或進行修理時，可能必需長時間斷開氣櫃之輸送管線。

就實驗室而言，標準氣櫃極其昂貴之事實意謂通常在無抽氣櫃(extracting cabinet)之情況下進行潛在有害氣體之輸送，從而增加了操作者之風險，尤其當連接/斷開瓶時。

沒有一種輸送裝置特別針對上述特定應用且包括能夠在不經任何改進之情況下適合於任何瓶的系統。專利申請案EP 1 316 755、EP 0 916 891及EP 1 180 638提供安裝在瓶的標準分接頭(standard tap)上之小型氣體輸送系統，此意謂此類型之系統為特定於安裝該系統之瓶，且因此不能用於其他瓶。在此意義上，其不符合本發明預期之應用所需要之靈活性、移動性、最小尺寸及低成本要求。

目前用於實驗室中輸送特殊氣體或用於上述應用之解決方案係使用標準氣櫃。此氣櫃可能已被用於為某件指定設備輸送氣體或者可能被特別投資。

標準氣櫃之使用不適合於上述特定應用，且尤其因潛在的沖洗及斷開而可能承擔風險。此係由於標準氣櫃的成本、尺寸、複雜性及實施限制(諸如彼等將其耦接至設備)，使得其尤其不適合於此類應用。在微電子學工業中，可以用於生產中的、與進行測試之機器相連接的氣櫃，進行此等類型之測試。然而，標準氣櫃(通常位於生產工廠之特定區域)之使用(例如)要求長管線在沖洗之後方能連接待測試之新氣瓶。此外，在微電子學工業中，一個輸送裝置可能潛在地由數件設備使用。使輸送裝置用於局部化應用可能包括不必要地停止與測試無關之設備。

另一解決方案可能在於購買針對此測試之標準氣櫃。而輸送裝置之成本加上將其連接至機器之成本使得此解決方案極其昂貴。另外，標準氣櫃係處於固定位置上，此意謂要將管線連接至所有可能進行測試之設備或者增加氣櫃之數目。在兩種情況下，操作成本均過高。

因此，購買標準氣櫃與使用現有氣櫃均非適合於此類應用之解決方案。此外，用於無塵室中之所有設備必須儘可能佔據小的體積。

發展能可靠地、以智能自動控制用於任何氣瓶、能用於矽工業且尤其微電子學、光電、光電子學或半導體工業、或能用於實驗室中之輸送特殊氣體之小型化裝置，將構成一項重大的技術進步。該創新裝置之實施將滿足該等工業之長時間需要。

本發明之目的在於減輕上述先前技術之所有或部分缺陷。

以上應用列表當然並不詳盡無疑且本發明亦可能滿足結構(諸如實驗室)對於不需要安裝過於昂貴且更為壓縮的習知氣櫃之應用的要求。此外，根據本發明之裝置可用於以上所述直接在無塵室中之應用且儘可能靠近待測試設備。

爲了此目的，本發明之標的為在不改進氣瓶(無論任何氣瓶)之情況下可安裝在該瓶上之特殊氣體輸送裝置，其包含一容納流體迴路之多功能區塊，該多功能區塊包含：

-一單一高壓調節器；

-一包含三個低壓閥之沖洗系統；

-一用於連接至瓶之內容物的流體連接構件；及

-一用於將氣體供應給一件設備之出口；

其特徵在於該高壓調節器位於該沖洗系統之上游。整個氣體輸送系統位於覆蓋瓶之分接頭的外殼內部，且能夠連接至一抽氣系統以便保護操作者遠離有害氣體之潛在洩漏。將輸送裝置之易於洩漏，且因此使操作者暴露於有害氣體的元件置於抽氣外殼中以便限制暴露風險。抽氣外殼之體積極小，亦即小於27000立方公分。

抽氣系統為用於輸送有毒、腐蝕性或易燃特殊氣體或甚至惰性氣體之裝置。

一抽氣系統包括在位於本發明之裝置之部分上的抽氣聯結器處與該裝置連接的管線中產生部分真空之泵。其使得小型櫃內部之空氣能夠得以補充(歸因於部分真空及泵抽吸)，瓶及輸送裝置(閥門、管路、感測器等)係在此設置。

此具有在輸送氣體時發生系統洩漏之情況下保護操作者之優勢。此係由於若輸送系統洩漏，則氣體係被抽吸並送至合適的處理系統。計算抽氣流速以便滿足操作者安全建議。因此在洩漏情況下，氣體不能停滯在櫃中或由此逃逸，停滯或逃逸將對操作者有害。

應理解術語「特殊氣體(specialty gases)」意謂一般用於半導體工業之所有氣體。此等氣體可能為惰性、毒性、腐蝕性或發火性氣體。此等特殊氣體可能選自以液化形式含於瓶B中之HF、WF₆ 、BCl₃ 、ClF₃ 、DCS、₃ MS、C₄ F₆ 、C₄ F₈ O、C₄ F₈ 、丁烷(butane)、SO₂ 、Cl₂ 、C₃ F₈ 、NH₃ 、丙烷(propane)、SF₆ 、HBr、C₂ F₆ 、CH₃ F、HCl、CHF₃ 、N₂ O，或選自以壓縮形式含於瓶B中之F₂ 、PH₃ 、B₂ H₆ 、NO、NF₃ 、SiH₄ 、CF₄ 、CH₄ 、CO。因此，根據待輸送氣體之性質及其狀態一液化或壓縮，瓶B內部之壓力在0巴與200巴之間。

本發明意欲用於特定局部化應用，但可能不能隨時間連續，亦即除生產應用以外，牽涉可能為液化或壓縮之氣體。因此，本發明之基本特徵為具移動性及小型尺寸的裝置，包含多功能區塊，以及與諸如氣櫃之標準設施相比，排列根據本發明之裝置之組件亦較為簡易。

此外，本發明之具體實例可包含一或多種以下特徵：

-以上所述之裝置可進一步包括真空產生器。該真空產生器為文氏管(venturi)或小型電泵。此外，根據本發明之裝置可包括一安全開關；

-根據本發明之一具體實例，該裝置之特徵在於沖洗系統為所謂的交叉配置(cross-configured)沖洗系統，其包含加壓第一管線；一輸出第二管線，其使得以產生一真空；及用於將待輸送氣體傳送至一件設備之抽氣第三管線，該三個管線接合於位於調節器下游之A點處；

-根據本發明之一具體實例，該裝置之特徵在於多功能區塊進一步包括調節器上游之壓力感測器；

-根據本發明之一具體實例，該裝置之特徵在於多功能區塊進一步包括調節器下游且沖洗系統上游之壓力感測器；

-根據本發明之一具體實例，該裝置之特徵在於其包括位於其外壁之一且能夠連接至一抽氣系統之聯結器；

-根據本發明之一具體實例，該裝置包括用於致動氣動閥且用於控制壓力感測器及沖洗循環之電子控制系統；

-根據本發明之一具體實例，該裝置包括一具備有諸如內螺紋之扣緊元件的夾具，意欲與瓶分接頭上之互補扣緊元件協同作用，藉此使輸送裝置能夠固定至任何瓶；及

-根據本發明之一具體實例，該氣體輸送裝置之體積在1000立方公分與27000立方公分之間。比較而言，迄今用於以上所說明之應用類型的標準氣櫃具有約600 000至700 000立方公分之體積。

多功能區塊之體積在根據本發明之裝置之體積的1/4與4/5之間，尤其在1/3與4/5之間且較佳在2/5與4/5之間。更特別地係，多功能區塊之體積等於約根據本發明之輸送裝置的體積之一半。

本發明之另一標的為用於輸送特殊氣體之總成，其由含有壓力為P1的氣體之瓶及如上所述用於輸送特殊氣體之裝置組成，其特徵在於在垂直使用位置中，該總成之佔據範圍(footprint)等於瓶之直徑。瓶中氣體之壓力P1在0巴與200巴之間。

根據本發明之一特定具體實例，調節器出口處之壓力小於10巴。

更特別，當P1小於8巴且當該設備允許如此被供應時，多功能區塊不包括高壓調節器。

本發明之另一標的為鑑定特殊氣體來源之方法，其包含：

-自瓶抽取氣體之步驟；及

-藉助於如上所述之輸送裝置輸送氣體之步驟。

本發明之另一標的為如上所述之裝置用於鑑定新特殊氣體來源之用途。

本發明之另一標的為如上所述之裝置用於評估在現有機器上使用特殊氣體之新製程的用途。

具體而言在半導體工業中，可使用各種類型之機器，尤其沈積機器，例如化學氣相沈積(CVD)機器，或蝕刻機器。此等各種機器以選自ESGs之某一氣體操作。因此，若新氣體欲用於此等機器，則其需要進行鑑定測試。

此測試意欲鑑定新氣體來源與機器之相容性。舉例而言，新氣體之純度可能未遵守必需的某些規定，而就所沈積之薄膜而言，將會引起重大缺陷。此外，此等現有機器係針對一種類型之沈積的預定製程操作。然而，對於新應用(例如以另一氣體或以其他流速)通常需要改變沈積類型，但仍使用同一機器。使用現有裝置的情況下，必須斷開氣櫃且因此暫停生產線以進行任何新應用之相容性測試。以此方式使用根據本發明之裝置避免購買新機器或停止整個生產線，而購買新機器或停止生產線均將必然招致過高成本。

本發明之另一標的為容納一流體迴路之多功能區塊，該流體來自瓶且意欲由如上所述之輸送裝置輸送，該多功能區塊包含：

-一單一高壓調節器；

-一包含三個低壓閥之沖洗系統；及

-一用於連接至瓶之內容物的流體連接構件；

其特徵在於該高壓調節器位於該沖洗系統之上游。

視情況，適當時，可將過濾器整合至調節器之上游及/或下游，藉此保護調節器且確保所輸送氣體之純度。此為優於使用標準氣櫃的另一優勢。

在參考圖1閱讀以下描述時，其他特別的特徵及優勢將變得明顯。

圖1顯示特殊氣體輸送總成1，由一氣瓶B及可裝配在該瓶B上之特殊氣體輸送裝置2組成。

該裝置2包含一真空產生器5及一多功能區塊3，該多功能區塊3包含一單一高壓調節器4；一包含三個閥門V1、V2及V3之沖洗系統及用於連接至瓶B之內容物的連接構件6。

調節器4位於沖洗系統之上游，以使來自瓶B、壓力為P1之氣體以此壓力P1到達調節器4。在調節器4之出口處，氣體以約數巴之壓力(亦即在低壓下)流動。

因此，使該等閥門V1、V2及V3及可能包括於多功能區塊3中之所有其他組件係被暴露於一低壓氣體。就可靠性、安全性及組件壽命而言，此為相當大的優勢。此外，此降低了洩漏風險。

而且，此特徵使得組件(諸如隔膜閥致動器、氣體管線及密封件)能夠得以小型化且其布置得以簡化，由此導致小型氣櫃，亦即裝置2或小型氣櫃之體積大大縮減，例如達到1000立方公分與27000立方公分之間，此尤其歸功於此小型氣櫃2中多功能區塊3的小型化。

沖洗系統包括置放有閥門V1之第一管線7，該管線意欲在閥門V1打開時，接收對迴路加壓之沖洗氣體G。該沖洗氣體G可選自氮氣、氬氣及氦氣。較佳，使用氮氣進行沖洗。具有閥門V2之第二管線8意欲將第一管線7連接至真空產生器5，真空產生器5可為文氏管或小型電泵。亦可使該連接鬆動以便可連接至外部真空系統。

前兩個管線7及8接合於位於調節器4下游之點A處，通向含有閥門V3之管線9，管線9意欲在閥門V3打開時供應該設備E。

一般而言，習知沖洗系統亦包括調節器上游之隔離閥。原則上在系統出現故障後可能發生的事故危害所造成的洩漏或警告之情況下，必需使用此隔離閥。具體而言，此閥門之功能為在此情況下關閉輸送系統。在此處此舉為不必要的，因為區塊3之體積如此之低，使得瓶B與調節器4之間的洩漏風險大大降低。此外，由於根據本發明之系統的應用高度局部化，要求操作者一直處在裝置旁邊且若發生警告事件能夠讓本人停止應用，因此具有此閥門變得無意義。當瓶具有氣動閥時，此亦可藉由根據本發明之裝置控制。因此，根據本發明之裝置不含有與高壓氣體接觸之敏感組件。

根據本發明之輸送裝置2亦可包括洩漏時用於抽除氣體之排氣孔10。此係由於用於半導體工業之特殊氣體為有害的。正是出於此原因，將標準的特殊氣體輸送裝置封裝於氣櫃中。此處，裝置之小型化能夠使所存在有限數目之組件以簡化方式封裝且置於小體積之多功能區塊3中，提供必然要求之保護。

輸送裝置2在其多功能區塊3中亦可包括置於(例如)調節器上游及/或下游之壓力感測器11。

本發明亦可包含經由一夾具14用於將輸送裝置2附接至瓶B上之螺紋13的創新機構(此處未圖示)，此夾具係被旋於瓶B之螺紋上。

因此，此扣緊系統能夠使根據本發明之輸送裝置2裝配在任何習知氣瓶上。此舉在本發明之相關應用中提供空前優勢。

藉助於電子系統15控制輸送裝置2，用於控制該等氣動閥V1、V2與V3及用於自動化該沖洗工序。

此電子系統15包含(例如)電源、用於致動氣動閥之電磁閥、邏輯控制器、緊急停機按鈕及用於顯示系統狀態之螢幕(例如LCD螢幕)。

該控制機構由(例如)可程式化邏輯控制器組成。該邏輯控制器可選自市售控制器。因此，根據本發明之系統除具有上述優勢之外，還可適用於商業控制機構。較佳地，所選之控制機構係最簡單且因而可能花費最低。由於根據本發明之系統之小型化係歸因於極大簡化其組成元件及簡化其排列，因此不同於通常具有高複雜性之標準氣櫃，使用簡化之控制機構為高度可信的。

與連同更長輸送管線之習知氣櫃中所容納的氣體之量相比較，該單元之體積大大縮減降低裝置中、在任何時點工作氣體之量。此總體體積縮減使排空裝置之時間減至最小且能以更可靠的控制系統獲得更好結果。本發明保證可安全且迅速地處理毒性、腐蝕性、易燃及發火性氣體。

本發明能夠使陷在多功能區塊3中之微粒數目減少。本發明採用具有快速及簡易地操作、故障排除、改良機構之裝置。運輸與操作該輕型單元實際上係很簡單。

所述發明具有適合於預期應用之簡化結構，藉此最小化產品成本及其尺寸。根據本發明之小型氣櫃之主要組件，亦即特別為此應用而開發之整合了調節器4及三個閥門V1、V2及V3之區塊3，其為能夠達成明顯的空間節省之新穎特徵。

由於具有移動性，本發明亦可使氣體及其輸送裝置在諸如來源鑑定或製程評估之局部化測試期間儘可能靠近設備置放。由此產生之優勢為，例如降低將其連接至設備之成本，較短之管線長度(尤其使沖洗更簡便)，及其移動性，使得輸送系統能移動至多件設備。

系統之變通性及移動性能使其用於且裝配於大量瓶(不管體積如何)上以及多件設備上。

根據本發明之輸送裝置之另一特徵為，其為具有標準氣櫃之主要功能的小型氣櫃。結構經特別設計以最小化其成本、尺寸及組件數目，而同時獨特地保持所有必要功能性。

所用組件均符合半導體工業之標準。

1．．．特殊氣體輸送總成

2．．．特殊氣體輸送裝置

3．．．多功能區塊

4．．．高壓調節器

5．．．真空產生器

6．．．連接構件

7．．．加壓第一管線

8．．．輸出第二管線

9．．．抽氣第三管線

10．．．排氣孔

11．．．壓力感測器

13．．．螺紋

14．．．夾具

15．．．電子系統

B．．．氣瓶

E．．．待供應氣體之設備

P₁ ．．．氣體壓力

V1/V2/V3．．．閥

圖1顯示根據本發明之裝置之簡圖。

1．．．特殊氣體輸送總成

2．．．特殊氣體輸送裝置

3．．．多功能區塊

4．．．高壓調節器

5．．．真空發生器

6．．．連接構件

7．．．加壓第一管線

8．．．輸出第二管線

9．．．抽氣第三管線

10．．．排氣孔

11．．．壓力感測器

13．．．螺紋

14．．．夾具

15．．．電氣系統

B．．．氣瓶

E．．．待供應氣體之設備

P₁ ．．．氣體壓力

V1/V2/V3．．．閥門

Claims (15)

1. 一種特殊氣體輸送裝置(2)，其可安裝在一氣瓶(B)上，包含一具備有諸如內螺紋之扣緊元件，意欲與一瓶(B)之分接頭上的互補扣緊元件(13)協同作用的夾具(14)；一容納一流體迴路之多功能區塊(3)，該多功能區塊(3)包含：一單一高壓調節器(4)；一包含三個低壓閥(V1、V2、V3)之沖洗系統；一用於連接至一瓶(B)之內容物的流體連接構件(6)；及一用於將氣體供應給一件設備之出口；其特徵在於該高壓調節器(4)位於該沖洗系統之上游且在於該裝置係整合入一能夠在該瓶(B)之分接頭周圍產生一抽氣區的外殼中。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括一真空產生器(5)。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其特徵在於該沖洗系統為一所謂的交叉配置(cross-configured)沖洗系統，其包含一加壓第一管線(7)，一能使真空被產生之輸出第二管線(8)，及一用於將該待輸送氣體傳送至一件設備(E)之抽氣第三管線(9)，該三個管線(7、8及9)接合於位於該調節器(4)下游處。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其特徵在於 該多功能區塊(3)進一步包括一在該調節器(4)上游之壓力感測器(11)。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其特徵在於該多功能區塊(3)進一步包括一在該調節器(4)下游且在該沖洗系統上游之壓力感測器(11)。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其特徵在於其包括一位於其外壁之一且能夠連接至一抽氣系統之聯結器。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其包括一用於致動該等低壓閥(V1、V2、V3)及該等沖洗循環之電子控制系統(15)。
8. 如申請專利範圍第4項之裝置，其包括一用於致動該等低壓閥(V1、V2、V3)及用於控制該等壓力感測器及該等沖洗循環之電子控制系統(15)。
9. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置，其特徵在於其體積在1000立方公分與27000立方公分之間。
10. 如申請專利範圍第1項或第2項之裝置(2)，其特徵在於該多功能區塊(3)之體積在該裝置(2)之體積的1/4與4/5之間，尤其在1/3與4/5之間且較佳在2/5與4/5之間。
11. 一種用於輸送特殊氣體之總成(1)，其由一含有壓力為P1之氣體的瓶(B)及一如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之用於輸送特殊氣體之裝置(2)組成，其特徵在於在垂直使用位置中，該總成(1)之佔據長度(footprint length)等於該瓶(B)之直徑。
12. 一種鑑定特殊氣體來源之方法，其包含：自一瓶(B)抽取一氣體之步驟；及藉助一輸送裝置輸送該氣體之步驟；其特徵在於該輸送裝置係如申請專利範圍第1項至第10項中之任一項之裝置。
13. 一種如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之裝置的用途，其用於鑑定一新的特殊氣體來源。
14. 一種如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之裝置的用途，其用於評估在現有機器上使用特殊氣體的新製程。
15. 一種容納一流體迴路之多功能區塊(3)，該流體來自一瓶(B)且意欲藉由一諸如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所描述之裝置的輸送裝置輸送，該裝置包含一具備有諸如內螺紋之扣緊元件，意欲與一瓶(B)之分接頭上的互補扣緊元件(13)協同作用的夾具(14)，該多功能區塊(3)包含：一單一高壓調節器(4)；一包含三個低壓閥(V1、V2、V3)之沖洗系統；及一用於連接至一瓶(B)之內容物的流體連接構件(6)，其特徵在於該高壓調節器(4)係位於該沖洗系統之上游。