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TWI220445B - Method and system for delivering a vapor component product to an end user from a storage system - Google Patents

Method and system for delivering a vapor component product to an end user from a storage system Download PDF

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Publication number
TWI220445B
TWI220445B TW091135612A TW91135612A TWI220445B TW I220445 B TWI220445 B TW I220445B TW 091135612 A TW091135612 A TW 091135612A TW 91135612 A TW91135612 A TW 91135612A TW I220445 B TWI220445 B TW I220445B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
component
vapor
storage
outlet
liquid
Prior art date
Application number
TW091135612A
Other languages
English (en)
Other versions
TW200300834A (en
Inventor
Alexandre De Almeida Botelho
Ali Fouad El-Agha
Original Assignee
Air Prod & Chem
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Prod & Chem filed Critical Air Prod & Chem
Publication of TW200300834A publication Critical patent/TW200300834A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI220445B publication Critical patent/TWI220445B/zh

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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45561—Gas plumbing upstream of the reaction chamber
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

1220445 發明所屬之技術領域 少量至中量使用的工業氣體係於室溫下儲存於加壓鋼 瓶中，氣體係依所需而由鋼瓶取出。壓力調節器通常作用 於在定壓下將氣體輸送至使用者。臨界溫度低於室溫的氣 體係以鋼瓶之設計壓力等級所決定的最大壓力儲存爲超臨 界流體。這些氣體的實例包含有諸如氮氣、氧氣、氫氣、 氦氣及甲烷等低沸點氣體，其係於未產生相變化的情況下 由儲存鋼瓶抽出。臨界溫度高於室溫的氣體係於其個別的 蒸氣壓下，以飽和液體儲存於鋼瓶中；以及這些液體蒸發 成爲飽和蒸氣，再由鋼瓶取出。液化壓縮氣體的常見實例 爲氯、氨，以及諸如丙烷與丁烷等輕的碳氫化物。 先前技術 部分液化壓縮氣體在室溫下具有非遠高於大氣壓力的 蒸氣壓。諸多的該氣體爲半導體及光纖裝置製造之電子業 所使用的特殊氣體。該特殊氣體的實例包含有六氟化鎢、 二矽烷、二氯矽烷、三甲基矽烷、氟化氫及三氯化硼。這 些氣體必須在小心控制的條件下，以高純度由儲存鋼瓶輸 送至製程設備。 因爲這些特殊氣體具有低蒸氣壓，亦即蒸氣壓非遠高 於大氣壓力，所以在氣體由儲存鋼瓶輸送至製程設備期 間，在某些作業條件下可能會發生凝結。此爲不希冀的， 因爲凝結可能會干擾諸如流量控制器之順流設備的作業， 6 1220445 可能會造成氣體輸送系統中的壓力波動’以及在某些狀況 下可能會因金屬成分由輸送系統管線溶出’而在輸送氣體 中產生雜質。 業界普遍的作法爲將輸送管線加熱並絕熱’以避免產 生不希冀的凝結。雖然該作法對於避免產生不希冀的凝結 爲有效的，但是熱追蹤可能爲易於發生故障的高維護項 目。該故障可能對製程設備的作業造成負面衝擊’並影響 整體製程的效率。定期的熱追蹤系統監控可能費用昂貴， 所以通常並不實用。此外，熱追蹤的需要通常會使氣體儲 存鋼瓶與使用者間的距離縮到最小。 降低或消除對熱追蹤及管線絕熱的需要爲所希冀，其 中該管線係用於將特殊氣體由儲存鋼瓶輸送至製程設備。 以下所述及申請專利範圍所定義之本發明係提出一種用於 輸送該特殊氣體的方法，其可在無須使用熱追縱的情況下 避免凝結。 發明內容 本發明係關於一種用於由儲存系統將蒸氣成分輸送至 終端使用者的方法，其中該儲存系統包含液相與氣相共存 的成分。該方法包含有： (a) 由該儲存系統抽出成分流，該成分流包含具有 第一總壓與第一溫度的蒸氣； (b ) 將該成分流穿經輸送管線而到達具有入口與 出口的儲備槽，並於該儲備槽中將蒸氣凝結，而 7 1220445 在該儲備槽的出口提供具有第二總壓與第二溫度 的液態成分；以及 (C) 將該液態成分由該儲備槽的出口抽出，將該液 態成分蒸發而產生該蒸氣成分，並將該蒸氣成分 提供於終端使用者。 該儲存系統中液相與氣相共存的成分可容納於儲存容 器中，且當液體在其中進行蒸發時，蒸氣氣流可由該儲存 容器抽出。藉由調節來自該儲存容器之蒸氣氣流的壓力， 以提供具有第一總壓的成分流，便可提供（a)中由該儲存 系統抽出的成分蒸氣。必要時，則可將該儲存容器加熱。 由第一總壓與第二總壓間之差異所定義的動壓差可爲 至少約1.25 psi。第一溫度與第二溫度間之差異可爲至少 約15 °F。輸送管線中之成分流基本上可全爲蒸氣。 該成分基本上可爲由六氟化鎢、二矽烷、二氯矽烷、 三氯矽烷、三甲基矽烷、過氟丁二烯及氯組成之族群中所 選擇的純化合物。輸送管線中任一點的總壓可低於在等於 輸送管線的該點溫度的化合物蒸氣壓。在儲備槽出口的第 二總壓可大於在儲備槽入口之成分流的總壓。 本發明亦關於一種用於控制由儲存系統將蒸氣成分輸 送至終端使用者的方法，該儲存系統包含液相與氣相共存 的成分，其中該方法包含有： (a) 由該儲存系統抽出成分流，該成分流包含具有 第一總壓與第一溫度的蒸氣； (b) 將該成分流穿經輸送管線而到達具有入口與 8 1220445 出口的儲備槽，並將該儲備槽中的蒸氣凝結，而 在該儲備槽的出口提供具有第二總壓與第二溫度 的液體； (C ) 將該液態成分由該儲備槽抽出，將該液態成分 蒸發而產生該蒸氣成分，並將該蒸氣成分提供於 終端使用者；以及 (d ) 控制該第一總壓與該第二溫度，以使得該輸送 管線中的成分流基本上全爲蒸氣。 本發明亦包含一種用於由儲存系統將蒸氣成分輸 送至終端使用者的系統，該儲存系統包含液相 與氣相共存的成分，其中該系統包含有： (a) 包含液相與氣相共存之成分的儲存容器，其中 該儲存容器具有用於由該容器抽出蒸氣的出口； (b) 具有入口與出口的儲備槽； (c) 輸送管線，用於將含有蒸氣的成分流由該儲存 容器輸送至該儲備槽入口； (d) 冷卻裝置，用於冷卻該儲備槽，並將蒸氣凝結 於其中而形成凝結成分； ^ e) 管線裝置，用於由該儲備槽出口端抽出該凝結 成分；以及
Cf) 加熱裝置，用於將該凝結成分蒸發，而提供該 蒸氣成分於終端使用者。 本系統更可包含有安裝於儲存容器與輸送管線間的壓 力調節裝置。該儲存容器可以包含至少99.9重量％鎳的金 9 1220445 屬製做。 該儲備槽可爲具有一上端部與一下端部的直立式圓柱 形容器’其中該出口位於下端部，且其中該容器的高度對 直徑比例至少約爲5。該圓柱形容器可以包含至少99.9重 量％鎳的金屬製做。儲備槽中的凝結成分通常在儲備槽出 口上方形成高度至少約12英吋的液柱。 實施方式 本發明係關於一種經改良之用於將低沸點氣體由加壓 液體儲存鋼瓶輸送至終端使用者，並同時將輸送管線中的 凝結降至最低或消除的方法。本方法可應用於諸如將特殊 氣體由氣體櫃中的液體儲存鋼瓶輸送至半導體製造業所使 用的製程設備。本方法係使用熱虹吸系統，該系統維持某 一溫差，而促使儲存鋼瓶與冷儲備槽間的氣體傳輸。凝結 發生於提供靜液柱頭的冷儲備槽中，而液體係由其抽出並 蒸發。該氣體可以高於來自氣體儲存鋼瓶之輸送管線中的 氣壓的壓力，以過熱蒸氣輸送至流量控制器。 本方法係舉例說明於該單一圖式的典型示意流程圖 中。鋼瓶1包含液體3’該液體3通常與蒸氣5爲熱平衡 或接近熱平衡。鋼瓶1內的總壓基本上爲在鋼瓶1溫度下 的液體3蒸氣壓。鋼瓶1可由鎳或高鎳合金所組成’以便 將與某些內容液體的反應降至最低。通常’液體3基本上 爲純的組成（其可能包含低濃度的某些雜質）。雜質與雜質 濃度可取決於液體3中的特定組成。在此所使用的術語 10 1220445 “基本上爲純的”意指總雜質濃度低於約0.5莫耳％。 鋼瓶1通常裝配有截流閥7與壓力調節器9,並可安裝 於氣體櫃11中，該氣體櫃11提供鋼瓶安全且可控的位置。 氣體櫃11可包含連接至氣體歧管的多數個鋼瓶。加熱器 13可用於加熱鋼瓶1，而在諸如高氣體排出速率下，促使 液體3蒸發。輸送管線15可延伸相當長的距離，並將氣體 由壓力調節器9輸送至儲備槽17。輸送管線15可爲雙壁 管材，並可由316型不鏽鋼製做。 儲備槽17爲直立式，且通常爲高度對直徑比例在約5 至約500範圍的一截管材或小型容器。儲備槽17係以冷卻 系統1 9充分冷卻，而將經由輸送管線1 5所提供的氣相組 成凝結，以使高度h的凝結液體存貨累積在儲備槽中。高 度h可爲約1.0英吋至約60英吋之間。儲備槽17中凝結 液體之靜壓頭所施加的壓力最好等於或大於儲備槽17出 口與反應器系統33入口間之流體的動壓降。該液柱頭提供 緩衝於正常系統作業期間所發生之可變動壓降或動壓差。 該動壓降或動壓差係定義爲系統中任二點間之流體的壓降 或壓差。 儲備槽17可以鎳或高鎳合金製做，以便將與某些內容 液體的反應降至最低。儲備槽17之希冀溫度的選擇主要取 決於成分的蒸氣壓特性、壓力調節器9正出口的總壓、成 分的流速，以及輸送管線1 5的室溫。儲備槽溫度的下限爲 成分的凝固點。 在此所使用的術語“壓力”與“總壓”爲可交替使用 11 1220445 的，並具有慣用的意思，其中密閉容積中的壓力爲容積壁 上之氣體在每單位面積上所施加的力量。術語“蒸氣壓” 具有慣用的熱力學意義。對於特定壓力下之密閉系統中的 純成分而言，成分的蒸氣壓基本上等於系統中的總壓。 冷卻系統19可使用機械冷凍系統所提供的循環冷凍 劑、冷卻水、諸如液態氮之汽化低溫液體，或任何其他已 知的冷卻方法，以獲得希冀的溫度。冷卻系統1 9所提供的 製冷量通常取決於所凝結之氣體的流速與潛熱，亦可取決 於儲備槽1 7的熱傳性質及系統的絕熱設計。 液體穿經管線21而由儲備槽17抽出，該液體總壓約 等於液柱頭h加上儲備槽1 7入口處的氣體總壓。所抽出的 液體在加熱器23中蒸發並視需要而過熱；以及所蒸發的成 分可穿經過濾器25，以移除可能存在的任何微粒物質或液 態油霧。氣相成分穿經管線27進入質量流量控制器29， 並穿經管線31進入反應器系統或沈積腔33，其中該成分 係使用於特定的反應中，以生產諸如半導體之所製造的電 子元件。排出氣體穿經管線3 5而抽出，以進行再生利用或 廢棄。 元件17，19, 23, 25, 29, 31及連接管線可視爲一般製程 設備37的一部分。該製程設備可置於離氣體櫃11相當遠 的距離。 儲備槽17·中之液體的容積與高度在本發明中提供二個 用途。首先，儲備槽容量提供成分存貨’以確保可對質量 流量控制器29的不同需求皆能有適當的輸送。其次，液柱 12 1220445 頭h將使質量流量控制器29的入口壓力增加，此將提升整 體製程作業。例如，倘若該液態成分爲六氟化鎢，則儲備 槽17底部可具有每英吋液柱頭0.125 psia的靜壓。 ， 壓力調節器9出口與儲備槽17入口間的動壓差可爲至 少約l.Opsi。壓力調節器9出口與具有18英吋液柱高（諸 如具有液態六氟化鎢）之儲備槽1 7出口間的動壓差可爲至 少約1.25 psi。壓力調節器9出口與儲備槽17出口間的溫 度差可爲至少約1 5 °F。 本發明之方法可根據需要而藉由增加冷卻系統19的冷 卻速率及藉由使用鋼瓶1上的加熱器13,而增加質量流量 容量。氣體流量係由壓力調節器9出口與儲備槽17入口間 的壓差所造成，且該壓差可經控制，而使成分流量變最大， 並同時使輸送管線15中的凝結降至最低或消除。儲備槽 1 7的溫度可藉由設定冷卻系統1 9的溫度而進行控制，且 儲備槽17入口的壓力係取決於在該溫度下之成分的蒸氣 壓。壓力調節器9通常爲彈簧加壓或充氣隔膜式調節器， 且藉由調整隔膜負載便可設定調節器正出口的壓力。壓力 調節器9之輸送壓力與儲備槽17之溫度的選擇爲控制輸送 管線15中之壓差的二個合適的參數，且適當地選擇這些參 數可使輸送管線15中的凝結降至最低或消除。 反應器系統或沈積腔33的氣體需求通常以週期性的方 式變化，因爲其中的加工係以分批模式進行。該不同的氣 體需求會限制習知的氣體輸送系統，並可能促進凝結，因 爲系統中會有非穩態流動及壓力降。藉由儲備槽17中的液 13 1220445 體存貨’本發明之方法可容許週期性氣體需求，並將輸送 管線中的凝結降至最低或消除。 下列實例舉例說明本發明，但本發明並不僅限於在此 所述的任何特定細節。 實例1 鋼瓶K見圖式）包含有70°F且鋼瓶壓力17.1psia(884 torr )的六氟化鎢（WF6 )。經蒸發的WF6係穿經截流閥7 而抽出’並流經壓力調節器9，該壓力調節器9設定以將 調節器出口的壓力控制在10 psia( 517 torr)。蒸氣在室溫 70°F下流經輸送管線15，並在儲備槽17中凝結。將儲備 槽17冷卻並維持在40°F，在該溫度下之WF6的飽和蒸氣 壓爲8.7psia(450torr)。壓力調節器9出口與儲備槽17 中之凝結液體頂端間的靜壓差爲1.3 psi( 67 torr)。只要該 靜壓差大於在壓力調節器9與儲備槽17入口間之輸送管線 15中的流動蒸氣的動壓降，則輸送管線中便不會發生凝 結。在本實例中，在壓力調節器9與儲備槽17入口間之輸 送管線15中的流動蒸氣的動壓降爲1.0 psi。 由使用循環冷卻水的冷卻系統19提供冷凍作用。儲備 槽17中維持18英吋的平均液高h，其提供2.25 psi的液柱 頭差。儲備槽17出口的總壓爲11.25 psia。液體流經管線 21，並在加熱器23中完全蒸發，而提供80°F的蒸氣至質 量流量控制器29。質量流量控制器29係以5·〇 psia的壓力 將WF6蒸氣提供至製程設備33。 14 1220445 實例2 反應系統3 3需要不同流速的WF6，以提供反應性氣體 於在其中進行的預定週期性分批製程步驟。單一週期的_ 體流速與輸送計畫歸納於以下的表1中。 表1 實例2之氣體流涑铤调期時證 消耗時間，秒 WF6 流速，seem 0- 100 0 100- 130 40 130-150 0 150- 200 300 200- 250 0 因此，本發明提供一種經改良之用於將低沸點氣體由加壓 液體儲存鋼瓶輸送至終端使用者，並同時將輸送管線中的 凝結降至最低或消除的方法。本方法特別可使用於將特殊 氣體由氣體櫃中的液體儲存鋼瓶輸送至半導體製造業所使 用的製程設備。該方法可容許週期性氣體需求，改良製程 設備的整體效率，以及允許加壓液體儲存鋼瓶與製程設備 間具有較長的距離。 圖式簡單說明 圖1爲本發明之典型實施例的示意流程圖。 15 1220445 主要元件之代表圖號 1 . ·鋼瓶； 3 . ·液體； 5 · ·蒸氣； 7 · ·截流閥 9··壓力調節器； 11··氣體櫃； 1 3、2 3 ..加熱器； 1 5 ··輸送管線； 17.. 儲備槽； 19..冷卻系統； 21、27、31、35··管線； 25··過濾器； 29.. 質量流量控制器； 33反應器系統； 37.. 製程設備
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Claims (1)

1220445 申請專利範圍 ι·一種用於由儲存系統將蒸氣成分輸送至終端使用者 法’其中該儲存系統包含液相與氣相共存的成分，該 方法包含有： (a) 由該儲存系統抽出成分流，該成分流包含具有 第一總壓與第一溫度的蒸氣； (b) 將該成分流穿經輸送管線而到達具有入口與 出口的儲備槽，並於該儲備槽將蒸氣凝結，而在 該儲備槽的出口提供具有第二總壓與第二溫度的 液態成分；以及 (c ) 將該液態成分由該儲備槽的出口抽出，將該液 態成分蒸發而產生該蒸氣成分，並將該蒸氣成分 提供給終端使用者。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該儲存系統中的 '液相與氣相共存的成分係容納於儲存容器中，且當液體在 其中進行蒸發時，蒸氣氣流係由該儲存容器抽出。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中藉由調節來自該 儲存容器之蒸氣氣流的壓力，以提供具有第一總壓的成分 流’便可提供（a)中由該儲存系統抽出的該成分流。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其更包含有將該儲存 容器加熱。 17 1220445 5 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中由該第一總壓與 · 該第二總壓間之差異所定義的動壓差爲至少約1.25 psi。 ， 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一溫度與該 第二溫度間之差異爲至少約1 5 °F。 7·如申請專利範圍第1項之方法，其中該輸送管線中之 成分流基本上全爲蒸氣。 8.如申請專利範圍第1項之方法，其中該成分基本上爲 由六氟化鎢、二矽烷、二氯矽烷、三氯矽烷、三甲基矽院、 過氟丁二烯及氯組成之族群中所選擇的純化合物。 9·如申請專利範圍第8項之方法，其中該輸送管線中任 一點的總壓係低於在等於該輸送管線的該點溫度之化合物 蒸氣壓。 10·如申請專利範圍第1項之方法，其中在該儲備槽出 口的第二總壓大於在該儲備槽入口之成分流的總壓。 11. 一種用於控制由儲存系統將蒸氣成分輸送至終端使 用者的方法，該儲存系統包含液相與氣相共存的成分，其 中該方法包含有： (a) 由該儲存系統抽出成分流，該成分流包含具有 18 1220445 第一總壓與第一溫度的蒸氣； (b ) 將該成分流穿經輸送管線而到達具有入口與 出口的儲備槽，並將該儲備槽中的蒸氣凝結，而 在該儲備槽的出口提供具有第二總壓與第二溫度 的液體； (c ) 將該液態成分由該儲備槽抽出，將該液態成分 蒸發而產生該蒸氣成分，並將該蒸氣成分提供給 終端使用者；以及 (e ) 控制該第一總壓與該第二溫度，以使得該輸送 管線中的成分流基本上全爲蒸氣。 12.—種用於由儲存系統將蒸氣成分輸送至終端使 用者的系統，其中該儲存系統包含液相與氣相 共存的成分，該系統包含有： (a) 包含液相與氣相共存之成分的儲存容器，其中 該儲存容器具有用於由該容器抽出蒸氣的出口； (b) 具有入口與出口的儲備槽； (c) 輸送管線，用於將含有蒸氣的成分流由該儲存 容器輸送至該儲備槽入口； (d) 冷卻裝置，用於冷卻該儲備槽，並將蒸氣凝結 於其中形成凝結成分； (e) 管線裝置，用於由該儲備槽出口端抽出該凝結 成分；以及 (f ) 加熱裝置，用於將該凝結成分蒸發，而提供該 蒸氣成分給終端使用者。 19 1220445 13. 如申請專利範圍第12項之系統，更包含有安裝於該 儲存容器與該輸送管線間的壓力調節裝置。 14. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該儲存容器係 以包含至少99.9重量％鎳的金屬製做。 15. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該儲備槽爲具 有一上端部與一下端部的直立式圓柱形容器，其中該出口 位於下端部，且其中該容器的高度對直徑比例至少約爲5。 16. 如申請專利範圍第15項之系統，其中該圓柱形容器 係以包含至少99.9重量％鎳的金屬製做。 1 7 .如申請專利範圍第1 5項之系統，其中該儲備槽中的 凝結成分在該儲備槽出口上方形成高度至少約12英吋的 液柱。 20
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