用以降低高壓氣體存儲和輸送帶來的危險的壓力氣體輸送系統和方法

2023-09-10 07:16:15 3

專利名稱：用以降低高壓氣體存儲和輸送帶來的危險的壓力氣體輸送系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及一種用以減少因高壓壓縮氣體存儲和輸送而帶來的危險的壓力氣體輸送系統和方法。
背景技術：
縱觀半導體工業的發展，需要可靠的高純度氣體源。在半導體製造廠中，這種高純度氣體輸送包括流路，用以將供氣容器和半導體加工工具和/或其他氣體消耗室或者工廠內其他區域相連。
從上世紀七十年代開始，高純度氣體輸送集成管得以開發並改良，氣櫃也根據標準設計製造，高強焊接和改進的控制系統也進入通用用途。同時，通風規範，電氣規定，警報器和元件排列都變得更加標準化。氣體流路已經發展為相關壓力傳感器、氣壓閥、調節器、高流量閥、連接件和供氣容器轉換方法的通用認可設置。
在八十年代，引入了限流孔(RFO)概念，並將其標準化，使之成為氣體輸送集成管和流路的一個通用認可組件。
上述發展已經使半導體工業採用了相應的標準和規範。今天，聯邦防火法案和一些工業管理局都規定了在半導體加工操作中使用的有毒、有腐蝕性和易燃氣體的存儲和運輸的方法。
美國運輸部(DOT)推薦在半導體加工廠內使用供氣的容器。這種運輸部推薦使用的氣缸通常運輸或輸送用於半導體製造的有害氣體且由自身確定安全性。這種DOT推薦的氣缸發生故障的概率很低，大約每操作10,000年一次。
氣缸脹裂壓力通常被設定在氣缸最大工作壓力的5/3倍。氣缸的脹裂壓力最好是至少大約4000psig，通常情況下脹裂壓力在5000psig以上。目前這種氣缸所使用的不鏽鋼閥相當可靠，沒有報導過該閥被剪斷的實例。氣缸在初始製造和再填充過程中都要進行規定的壓力測試，以保證結構可靠性。通過對比，氣缸閥需要持續的維修且使用壽命也很短。
半導體加工業中的氣體輸送方法是一種既定的常規方法。高壓氣缸和輸送集成氣管相連，高壓氣體被供給到配氣板內。安裝在該配氣板內的氣體調節器將氣壓減小，使調壓氣體傳送給加工廠。利用靠近半導體加工設備設置的集成管閥箱(VMB)拆分該氣流，以便氣體可分配給各個加工設備。在VMB和/或加工設備上還可以設置有其他的氣體調節器。
美國專利5,518,528中對所公開的吸附式氣體源的研發，已經稍微改變了這種方法。利用SDS氣體源(可從ATMI，Inc.，Danbury，CT購得)，可以將氣體存儲在低於大氣壓下，這通常用於離子種入，所使用的壓力範圍從650torr到10-20torr。使用低於大氣壓的氣體源需要和加工廠周圍的壓力環境相符合。例如，諸如RPMTM氣櫃(可從ATMI，Inc.，Danbury，CT購得)的專用氣櫃產品經開發能夠保證加工系統在大氣壓下進行操作，而不會受被吸入低於大氣壓的氣缸和集成管的周圍空氣影響。這種氣櫃設置有監控和控制元件，用於比較上述氣體輸送系統內的壓差，且能夠將氣缸隔開，阻止產生「高壓波流」。
美國專利6,089,027和6,101,816中描述有對預調壓氣體源的研發，闡述了使用傳統高壓氣缸的基本缺陷，和利用壓縮氣體來減小危險的可能性。在這種預調壓氣體源中，在氣缸內或閥頭上，還設置有氣體調節元件或機構，從而可使氣體在升壓下保存在氣缸內，且可由調節器確定的壓力所分配。上述可以控制氣壓的調節器低於容器內氣壓的容納壓力，因此氣體能夠以高於大氣壓、接近大氣壓或者甚至低於大氣壓的適當壓力進行分配。
然而在利用壓縮氣缸的傳統實踐中，只能輸送滿氣缸壓力例如2000psig的氣體到氣體輸送集成管中，但是目前利用預調壓氣體源，就能輸送正向氣體就位，例如20-100psig或低於大氣壓壓力的氣體。因此預調壓氣體源就是半導體工業的一大顯著進步，且提供了用於操作安全氣體輸送系統的基礎。
該進步的結果是顯著的。由於在更換氣缸過程中或者氣體輸送系統中元件所產生的故障，氣缸內所具有的減壓能力就可以抑制事故或故障的發生。預調壓氣體源還具有另一主要優點。如果壓力超過氣體輸送系統內的預設極限，系統內就會出現異常，系統控制器會迅速啟動自動切斷程序，該程序包括閉合氣缸上的氣壓閥，閉合集成管上的高壓隔離閥，並啟動系統警報。
通常，由於半導體加工所使用的氣體都是有毒或有害氣體，所以有必要保持氣缸中安全限定的高壓氣缸內的容量，以高效方式控制分配氣體安全輸送。
現有技術一直都在尋求氣體源及其使用方法在安全性和可靠性上的改進。

發明內容
本發明通常涉及在諸如半導體製造的工業加工中分配氣體的裝置和方法。
在有關裝置的一個方面，本發明涉及一種用於分配氣體的氣體分配裝置，包括(a)調壓氣體源容器，其容納高於大氣壓的氣體且設置成在低壓下排氣；(b)集成氣管，其被設置用來接收來自上述調壓氣體源容器的排氣且包括用以分配所述氣體的氣體流路；(c)用於可選擇地將集成氣管的流路和上述調壓氣體源容器相隔開的裝置；(d)用於從上述氣體流路中去掉氣體、以能夠在上述容器內氣體耗盡時可更換氣體源容器的裝置。
在有關裝置的另一個方面，本發明涉及一種將氣體分配到用氣區域的氣體分配裝置。該氣體分配裝置包括(a)調壓氣體源容器，其容納高於大氣壓的氣體，在該容器上或容器裡具有至少一個壓力調節器，該容器和流量控制閥相連，其中上述至少一個壓力調節器和流量控制閥可設置成使從該氣體源容器排出的氣體在流入流量控制閥之前，流經至少一個壓力調節器；(b)集成氣管，其設置用來接收來自上述調壓氣體源容器的排氣且包括用以分配該排氣的氣體流路；(c)用於從上述氣體流路中去掉氣體、以能夠在上述容器內氣體耗盡時可更換氣體源容器的裝置。
在有關方法的一個方面，本發明涉及一種操作氣體分配裝置的方法，包括氣體源以可選流通的方式和集成氣管相連，其中集成氣管包括用於將氣體排到用氣區域的流路，上述方法包括利用作為氣體源的調壓氣體源容器容納高於大氣壓的氣體，其中壓力調節器設置成使在集成氣管內的氣壓低於氣體源容器內高於大氣壓氣體的壓力。
在有關方法的另一個方面，本發明涉及一種操作以可選流通方式和集成氣管相連的氣體源的方法，其中集成氣管包括用於將氣體排到用氣區域的流路，所述方法包括利用作為氣體源的氣體源容器容納高於大氣壓的氣體，並在上述容器內具有壓力調節器，該容器和流量控制閥相流體聯通，其中上述壓力調節器和流量控制閥可設置成使從該氣體源容器排出的氣體在流入流量控制閥之前，流經上述壓力調節器，再流入上述集成氣管，其中壓力調節器設置得使在集成氣管內的氣壓低於氣體源容器內高於大氣壓氣體的壓力(低於至少25％，較好是至少40％，更好是至少60％，最好是至少80％)。
本發明的有關裝置的又一個方面涉及一種氣體分配系統，包括調壓氣體源容器，其以供氣方式和集成氣管相連，用於將氣體分配給半導體加工設備，其中集成氣管內的氣壓要比調壓氣體源容器內的氣壓低至少40％，調壓氣體源容器包括限定用於保持上述氣體的內部容積的外殼，安裝在上述外殼上的頭部裝置，其中調壓氣體源容器包括內置在上述外殼內部容積內的氣壓調節器，上述頭部裝置包括流量控制閥，從而從上述調壓氣體源容器流到集成氣管的氣體在流經上述頭部裝置內的流量控制閥之前，流經上述氣壓調節器，其中上述氣體分配系統相對於具有並不調壓的氣體源容器的相應氣體分配系統來說，具有下列至少一個特點(I)氣體源容器尺寸小；(II)降低了通氣要求；(III)提高了在線分配能力；以及(IV)提高使用壽命。
如此後詳細的描述，本發明可由不同模式和形式來實施，包括高於大氣壓氣體的分配，低於大氣壓氣體的分配，以及涉及在高於大氣壓壓力下分配氣體並可進而被下調到低於大氣壓壓力的合成操作，此後將詳細敘述。
在本發明的實踐中，上述氣體源容器和集成氣管可設置在氣櫃內，或者作為單獨裝置設置在「露天」的集成管系統中，其中集成氣管安裝在單樁壁，齒條，配氣板或者其他支承結構上，而氣體源容器與此相連。
在本發明的其他方面，上述氣體分配系統可使用能夠壓力調節分配氣體的氣體源容器，其中氣體源容器具有相連的閥頭裝置，該裝置包括氣壓調節器，即在作為集成閥頭裝置的初級閥之後利用調節器的容器，且可選擇地具有在調節器之後的手動隔離閥，以便氣體依次流經上述初級閥，壓力調節器和手動隔離閥。在該裝置內的上述手動隔離閥可集成在上述氣體源容器上的閥頭裝置內。
本發明實踐中使用氣體源容器的其他替換實例在美國專利6,314,986；5,937,895和6,007,609以及歐洲專利EP1180638 A2都有所公開。
本發明的其他方面，特點和實施例都將從下列公開和隨後的權利要求中變得更加顯而易見。


圖1是根據本發明的諸如經調整可提高安全操作的高壓氣櫃的簡圖。
圖2是根據本發明一個實施例中相應減壓氣櫃的簡圖，該氣櫃利用了由壓力調節容器供應的低於大氣壓的分配氣體。
圖3是根據本發明另一個實施例中減壓氣櫃的簡圖，該氣櫃利用由壓力調節容器供應的低壓分配氣體，而且進一步在氣櫃的配氣板內由低於大氣壓壓力的下遊調節器進行調節。
具體實施例方式
下列專利申請和專利的內容作為參考整體包含在這裡2000年10月17日授權的美國專利US6,132,492；1999年08月10日授權的美國專利US5,935,305；
1996年05月16日授權的美國專利US5,518,528；1998年01月06日授權的美國專利US5,704,965；1998年01月06日授權的美國專利US5,704,967；1998年01月13日授權的美國專利US5,707,424；1999年06月29日授權的美國專利US5,917,140；2000年08月15日授權的美國專利US6,101,816；2000年12月05日授權美國專利US6,155,289；2000年07月18日授權的美國專利US6,089,027；2000年04月19日提交的美國專利申請09/522,347；和2001年06月05日提交的美國專利申請09/874,084。
本發明提供一種低高壓或低於大氣壓的存儲和輸送系統裝置，作為供氣源機構，用於半導體加工，舉例來說用滷化物氣體來刻蝕清潔加工設備，利用氣態原始化合物進行化學氣相澱積，用以氣體摻雜劑類的摻雜劑氣體或前體的摻雜劑輸送，氫化物和滷化物氣體的離子種入，以及有機金屬V族合成物，諸如三氫化砷，磷化氫，氯，Nf3，BF3，BCl3，乙硼烷(B2H6及其氘類似物，B2D6)，HCl，HBr，HF，HI，六氟化鎢，和(CH3)2Sb。
根據本發明，減小分配氣體的氣壓就可使得用於從氣體源(存儲和分配)容器輸送氣體的閥和調節器的壽命得以延長。在壓力減小時，連接件更易於防止洩漏，減小或甚至消除壓力驟增，閥能夠更有效密封，從而減小洩漏和粒子產生。而且，還提高了通風/清除循環性能，因而減少了在清除或通風操作中去除的氣體量。
氣體分配設備通過減少壓力來提高工作壽命，而工作安全性的提高不僅要靠減少氣壓，從而萬一發生洩漏，減少向外界洩漏的氣體量，而且還要靠提高設備的可靠性，在供氣系統內由自身最小化這種洩漏或故障。
本發明中使用的上述氣體存儲和分配容器可以為任何合適的形式，包括傳統的高壓缸，其在高壓下容納氣體的厚度和餘量設計都增加了操作的可靠性。在低壓或低於大氣壓下保持待分配氣體(即「工作氣體」)。上述氣體存儲和分配容器可設置有閥頭裝置，該閥頭裝置包括進入和排出口，諸如緊急閥、同步盤或者氣體過壓安全機構的過壓安全機構，諸如手動或自動閥的流體調節器和流量控制元件，以及連接到流路或其他分配機構上、用於將分配氣體輸送到用氣區域的連接件。
在本發明的實踐中，用於供給工作氣體的容器為一種調壓容器。當在這裡使用時，參考氣體源容器，術語「調壓」是指一種包括外殼部和埠的容器，該外殼部封裝容納分配氣體的內部容積，上述埠從上述內部容積排氣。該容器設有氣體調節裝置，即該氣體調節裝置可設置在上述容器的內部容積內，也可設置上述外殼部的埠上(例如上述調節裝置可部分設置在內部容積內，部分設置在上述容器的頸部開口內，或者從該頸部開口內突出)，或者設置在安裝於該容器上的頭部裝置內。上述頭部裝置包括容納流路的單獨模塊或其他結構、以及在此處構成調節器和上述頭部裝置閥元件的輔助部件。上述調節結構在本發明的優選實施例中可設置使得從上述容器分配的氣體在流經流量控制元件之前，流經上述調節器。這些流量控制元件可以是閥，質量流控制器，排出器，噴射器等等。
這種容器已在美國專利6,101,816和6,089,027中公開，且經濟可用，用於各種半導體加工氣體，並由ATMI公司製造(Danbury，CT)。
上述氣體源容器還可替換的是這樣一種形式，即在調節器上遊設置容器關閉閥，該調節器又依次在容器流量控制閥的上遊，該控制閥可被調節來改變氣體的流量，通過這種關閉閥/調節器/流量控制閥設置，這些元器件均可集成在該氣體源容器的閥頭裝置內，或者與該容器相連。
上述容器具有在和該氣體源容器相連的閥頭裝置上設置的出口端，在優選實施例中的氣體出口端設置有限流孔(RFO)，用以提高容器操作的安全性。
在本發明中單個的氣體源容器可和集成管相連，或者多個這種容器並排使用，從而可利於在氣體耗盡時更換舊容器，利用並排設置的備用容器進行不間斷操作。出於這個目的，多個容器可安裝在氣櫃內或連接到氣體集成管上，通過一個自動切換系統，在最前面的容器內氣體耗盡時，自動切換上述容器，保證氣體分配系統的連續操作。
在本發明中上述氣體源容器上的流量控制閥(以及上述所探討的關閉閥/調節器/流量控制閥裝置中的關閉閥)最好是氣壓閥，以便利用壓縮空氣或其他分配系統中的其他工作氣體進行自動操作。這種閥還能夠在系統中雙點分離(two-point isolation)，一點由氣體源容器閥所形成，而另一點由用於流路中的集成管分離閥形成，而氣體源容器分配管線則和上述氣體集成管相連。
本發明中的上述供氣系統通常用於輸送合適的半導體加工氣體，包括用於半導體裝置和初始結構的製造，以及用於清潔或處理室和流路內的氣體，以及用於減少在半導體製造過程中起排水作用的氣體。儘管這裡是主要參考半導體加工應用的氣體輸送，但本發明並不局限於此，本發明的供氣系統還可用於耗氣的其他應用。這些可替換應用的示意性實例可以是但不局限於焊接系統，水下呼吸系統，反恐建築排氣系統，油井防火系統，氫動力車輛，化學存儲和分配設施(例如存儲化學製劑，神經氣體和空運材料)和農業果實催熟系統等。
因此本發明可用於輸送下列這些氣體，即氟化硼，矽烷，甲基矽烷，三甲基矽烷，三氫化砷，磷化氫，氯，BCl3，B2D6，六氟化鎢，氟化氫，氯化氫，碘化氫，溴化氫，鍺烷，氨水，銻化氫，硫化氫，硒化氫，碲化氫和相應其他的滷化物(氟、氯、溴、碘)氣態合成物例如NF3，和有機合成物，即V族合成物，例如半導體加工操作中的(CH3)3Sb，以及碳化氫氣體、氫氣、甲烷、氮氣、一氧化碳等氣體，還包括其他應用中的稀有氣體滷化物。
儘管本發明在這裡主要是結合半導體加工進行敘述，其中存儲單種氣體並從氣體源容器進行分配，但是可以理解本發明並不局限於此，還可延伸包括多重組分氣體混合物的存儲和分配。
本發明提高了供氣系統的安全性，利用包括氣缸或其他流體存儲和分配容器的氣體源，其內流體由氣缸內的壓力調節器或裝置在升壓下被調壓，由於氣缸內的這種壓力調節並不是對高壓氣體的常規操作設置，所以本發明中的供氣系統和現有技術有所不同，其中高壓氣體在使用該氣體的半導體加工設備或室或者在氣體源的下遊被節流或者調節。
本發明的優選實施例利用在分配集成氣管上的另一調節器，作為和氣體源容器相連的壓力調節器的備用部分，且還設置次級壓力調節以滿足用氣加工的需要，該氣體從上述供氣系統中的氣體源容器供給。當氣體源容器內氣體在使用中耗盡時，這樣的「次級」調節器就會減小「供壓影響」。
用在上下文的術語「另一」是相對集成氣管上的氣壓調節器來說，指除了上述至少一個壓力調節器以外，該氣體源容器上還整體設置有其他的這種集成管調節器。而術語「集成」和「整體設置」是相對和上述氣體源容器相連的壓力調節器來說，表示這些調節器至少部分地內置於上述容器內部容積和/或設置在該容器的頭部裝置內，該頭部裝置安裝在該容器的外殼部上，以便於頭部裝置的閥和壓力調節器可以和該容器外殼部的內部容積相氣體聯通。
本發明在一個實施例中使用了一個具有壓力調節器的氣體源容器，使分配氣體可在流經氣流控制元件例如氣體分配閥之前，流入該調節器。因此本發明的氣體源容器具有減壓功能，這種供氣系統能夠以新穎而又有效的方式利用壓力作為切斷和控制方法的一部分，這將在後面詳細敘述。本發明的優點還包括能夠減小利用矽烷、矽烷混合物、磷化氫、三氫化砷、一氧化碳、四氟化矽等有害氣體的危險性。相對於目前的高壓供氣系統來說，本發明中供氣集成管內氣體的體積和質量直接同減小的氣壓成比例地減小，因而存留在集成管內和如果發生洩漏時分散到周圍環境中的氣體量就會減小。通過嚴格限制最大工作壓力即供氣系統操作的允許壓力，本發明的供氣系統以目前尚未使用的方式來控制壓力，從而可以限制潛在和/或洩漏氣體量。
當本發明的供氣系統在低於大氣壓模式操作時，可用其他的安全控制方法。這種低於大氣壓操作的好處就是系統內如果產生洩漏，也會「進入」或流入到流路中去，直到周圍氣壓(例如大氣壓)和流路氣壓相等時為止，因而就從根本上大大放緩了分配氣體向外界擴散。
本發明的供氣系統在一個實施例中，如果供氣集成管的壓力超過一個預定值，可將供氣缸隔開，即在系統中表壓變為正向，例如5psig，其中氣體在低於大氣壓下從供氣缸分配。這種氣缸隔開特性，大大減小氣缸內氣體和外界相接觸的危險，保證人員的健康和/或安全。在另一個實施例中，該系統可設置成使氣缸上的氣壓閥除非在供氣集成管內為負壓時，不會向分配氣體打開。這就保證除有安全機構以外，有害氣體都能夠被保存在氣缸內。
在本發明的不同實施例中，利用多個壓力感應元件例如壓力傳感器或壓力開關，在氣體流路上還可提供有冗餘(redundancy)保護。一個變形實施例中，在氣櫃殼體內，可在靠近集成管的加工氣體出口的流路上設置有和氣體源相連的調節器或者其他形式的調節器。如果和氣體源容器相連的調節器發生故障，這種額外的調節器就能夠在氣櫃以外，為在氣體源容器內部升壓下引入氣體提供更多的保護。
在低於大氣壓下分配氣體的供氣系統操作還具有其他的好處。舉例來說，傳統高壓缸供氣系統通常使用專用清除氣體氣缸，這種清除氣體可以是氮氣。而通過低壓操作，在很多場合下就不再需要這種專用N2清除氣體氣缸。含有待分配半導體加工氣體的氣缸上的氣壓閥在清除過程中保持關閉，在本發明的實踐中在調壓氣體源容器中使用設定點調節器(SPRs)，即使外界壓力再高也不會打開(例如＞2000psig)，因此從工作氣缸流入清除氮氣系統的有害氣體可以忽略。結果，供氣系統不但可利用尺寸小而又結構簡單的氣櫃，而且在正常操作中，還比使用傳統高壓氣缸的氣櫃所需的通風率要低，傳統高壓氣缸中沒有本發明系統中的壓力調節特徵。
本發明供氣系統的另一個好處就是除了減少上述通風率要求以相對相應的傳統高壓氣缸系統減小氣櫃尺寸以外，還可以成比例於「最壞情況期望操作洩漏量」，來減小氣櫃通風率。
此外，由於本發明中系統提高了操作安全性，所以就減小了加工廠的安全保障率，而且因高壓危險性減小，所以氣室相距半導體加工設備的距離及其設置都可得以更加優化。
本發明中在減壓下的操作還具有其他優點，即相對傳統高壓操作，能夠消除壓力驟增而給流路元件帶來的不利影響。而這種壓力驟增會大大縮短元件的使用壽命。
在本發明的另一個實施例中，通過將調壓氣缸(即設定或調節這種調節器的設定點)設定為額定正壓例如10-100psig，輸送調壓氣體，同時將系統中高壓警報的壓力設定點設置在所選工作壓力之上的10-20psig壓力處，來啟動切斷系統。
作為特定示意性實例，本發明可用在半導體加工廠，用於從氣櫃內的VAC調壓容器輸送矽烷，其中氣櫃可經調節在流路內的壓力達到10psig時觸發警報。
本發明的另一個實施例除了氣缸內的調節器以外，還可利用輸送配氣板內的另一個調節器，作為進一步調節輸送到加工廠氣體壓力的裝置。通過這種方式，上述配氣板上的調節器可作為氣體分配的次級調節器，如果上述氣缸內的調節器發生故障時還能夠提供備用安全特性。
本發明還能夠實施不同的實施例，在氣缸上使用氣壓閥。這些應用還可以是離子種入氣箱，標準氣櫃，沒有利用氣櫃的自由選定集成氣管，大體積輸送系統例如450公升氣缸和承載管等。
本發明中的氣體存儲和分配系統可設置用以在所需低於大氣壓或者高於大氣壓下，以固定流率，利用和分配氣體加工要求相匹配的限流孔分配氣體，該限流孔設置在氣體分配流路上。該容器內的調節器通常關閉，僅在氣體存儲和分配容器內的集成氣管流路達到極限工作壓力時才打開。
本發明中的調節器可為單調節器，或者為雙或多調節器的組合，每一調節器的設定點可以是固定的，也可以是可調的。在低於大氣壓的氣體從集成氣管流路分配到下遊加工設備時，由於氣體源容器和集成氣管流路相連，使用這種設定點調節器就能夠防止清除氣體意外回流到氣體源容器內。如果和氣體源容器相連的設定點調節器被設定用以高於大氣壓的氣體分配，例如在100psig，清除氣體的壓力就應該高於該氣體源容器的調節器的設定壓力，以保證設定點調節器保持關閉，從而避免意外的回流。
所述類型的定壓調節器利用壓力感應裝置[PSA]例如焊接波紋膜片，來調節氣流，而該PSA感應於下遊輸送壓力，並調節錐形提升件或者氣體流路內相應元件的位置，在調節器裝置的製造過程中，按需校準和密封該PSA單元。
因此上述氣體存儲和分配容器利用單級或雙級內置調節器，使分配氣體在進入閥頭之前流經這些調節器，隨後流入閥內。調壓容器可和含有該氣體存儲和分配容器的氣櫃內其他的調節器相結合，在該容器的下遊，在氣櫃的集成氣管流路內，至少設置有一個額外的調節器，從而在該容器內外提供多級調節器性能和壓力控制。
可以理解，在流量控制閥的上遊，將調節器設置在該容器閥頭內或內部容積的頸部或其他部分上，可調整該氣體存儲和分配系統。在實踐中，可優選地使調節器至少部分設置在上述氣體源容器內部容積內，從而保護調節器在存儲、運輸和使用過程中免受衝擊和振動，而且還能夠實現將該調節器安全地設置在流量控制閥的上遊。
本發明中所使用的氣壓調節器可以是任何合適形式。優選的調節器可以是SwagelokHF系列定壓調節器(可從Swagelok公司購得，www.swagelok.com)，設定壓力範圍從真空到2550psig。使用高精度調節器能夠在所需的設定壓力可靠地將氣體從調壓容器進行分配。
通常該氣壓調節器最好是由提升件構成的提升閥，該提升件被偏壓在密封件上，防止在高於設定壓力下流出。這種調節器使用響應出口壓力變化的氣動壓力感應裝置，通過上述壓力感應裝置的伸縮和提升閥的平移，保持設定壓力。
根據本發明，為了模擬氣體存儲和分配系統的長時間操作，由BF3作為工作氣體，四個調節器(SwagelokHF系列定壓調節器，可從Swagelok公司購得)同時測試750,000個工作循環。由矽烷作為工作氣體，另一系列的四個調節器測試350,000個工作循環。每一循環都氣體流動大約5-10秒到10分鐘，要求調節器隨後關閉且被密封。調節器控制的平均變量為6％，且沒有發現顯著問題。這些調節器的洩漏率低於7×10-6atm-cc/hr。
優選的，調節器內置在氣體源容器內可避免很多洩漏問題，以免引發調節器故障，例如可避免PSA中膜片故障。這些故障會導致校準氣體的損失，由於PSA中沒有補償力，調節器在「關閉」狀態會發生失效，導致氣流損失，因此元件的故障出現在氣缸內，從該容器內就不會損失或洩漏氣體。
下面來參考附圖，圖1是根據本發明的諸如經調整可用於改善安全操作的高壓氣櫃的簡圖。
該氣櫃由短劃線框100圍住，包括高壓氣缸102，和相連的流路、閥、流量調節開關，以及相關儀表和控制機構，其中流路和至少上述一些元器件可被安裝在氣櫃的配氣板上，作為設置在氣櫃100內部的結構性裝置。
上述高壓氣缸102為常用形式，具有閥頭104及其相連的閥旋鈕106和出口端108。上述旋鈕106可由自動閥執行機構所替換，為閥頭104內的閥提供自動控制來分配高壓氣體。在優選實施例中，氣缸閥最好是氣壓閥，相對其他形式的閥能夠提供更多的控制，可由壓力開關打開和關閉。由於技術人員和設備操作人員需要操作氣缸上的手動控制閥，所以不優選為手動閥。
在分配過程中，高壓氣體從上述高壓氣缸流經閥頭104內的閥，打開旋鈕106，因而氣體流經排氣管線110，該管線包括閥112、116，調節器114和流量限制開關118。
上述排氣管線110還和集成管線126和120相連。該排氣管線110包括集成隔離閥111，可操作的將上述集成氣管和容器102彼此相隔開。集成管線126包括流量控制閥128，集成管線120包括清除氣體調節器122和閥124。
上述集成管線還包括旁路管線142，該旁路包括閥144。上述集成管進一步包括真空文丘裡裝置，該裝置包括和文丘裡管132相連的真空發生器工作氣體入口134。該文丘裡管132又依次經由真空管線130和集成管線126相連。該文丘裡管132在出口端和包括閥138的排氣管線136相連。
壓力開關140可操作地和集成管線126相連。
如前所述，在圖1的氣櫃系統中，在正常操作下當閥頭104內的閥打開時，處於高於大氣壓的壓力下從氣體源容器102中分配。排氣管線110包括調節器114，用於將氣體在調節器114設定點所確定的預定壓力下，分配到下遊處理單元(圖1未示出)。排氣管線110內的流量控制閥112、116在氣體分配期間打開。該分配管線110進一步包括流量限制開關118，當分配氣體的體積流率超過定值時，用以切斷高於大氣壓氣體的供應。流量限制開關118可基於壓力或分配氣體其他性質操作，而不是體積流率。當集成管流路內出現系統故障時，該流量限制開關可提供中斷分配氣體從氣櫃100的流動。
由於在集成管下遊從氣體源容器102配置有調節器114，所以在氣櫃集成管內的高壓氣體在根據該調節器設定點的預定減壓下被分配。
該集成管包括流線和相連的閥以及其他元件，具有真空發生器迴路，該迴路包括氣體入口管線134，文丘裡管132，排氣管線136，和相連真空吸氣管線130。在操作中，空氣、氮氣或者其他氣體等工作氣體流經上述入口管線134和文丘裡管132，利用上述集成管，通過適當開閉閥124、128、144和116，在管線130內產生吸氣，從而能夠在耗盡氣體源容器102內的高壓氣體而進行更換之前被抽空。
上述氣櫃還可以包括清除能力，藉助於清除氣體供給線120，通過適當開閉閥124、128、112、116、144和138，清除氣體可流經集成氣管，從集成氣管的管路和閥中除去殘留的工作氣體。
該集成氣管包括壓力開關140，該開關可根據集成管內的感應壓力，切斷操作或隔開集成管部分。
在更換氣體源容器102或在保養或維修集成氣管或其元件過程中，該氣櫃100的集成氣管還包括用於抽空集成管空氣和清除氣體的合適機構。
圖2是根據本發明一個實施例中減壓氣櫃的簡圖，從調壓容器內提供低於大氣壓的分配氣體。
如圖2所示，氣櫃200包括調壓氣體源容器202，該氣體源設有閥頭204，該閥頭包括可與閥操作元件206相連的閥，該元件206可有選擇地開閉上述閥，從而可啟動或終止氣體流出出口端208。上述閥可和閥操作元件206簡要示出，在實踐中，閥頭204內的閥為和氣動執行機構和操作機構(圖2未示出)相連的氣壓閥。
在氣缸出口閥的管口從處，閥頭204的出口端208包括限流孔(FRO)。這就在氣缸閥打開時提供有安全性的保證，而不和分配集成管相連。RFO還可用於該集成氣管，作為配氣板的一部分提供提高安全性，和/或使分配氣流和供氣系統的下遊供氣要求相匹配。
氣體源容器202的側壁所包圍的內部容積內設置有調節器裝置。該實施例中的該調節器裝置包括串連調節單元201、203，高壓氣體流到閥頭204，流經閥操作元件206所操作的上述閥，從而在分配模式，氣體從分配埠208流入加工氣體分配管線210。該氣體分配管線210包括集成管隔離閥207，可操作的將集成氣管和容器202彼此相隔開。
上述調壓氣體源容器202包括高壓氣體，調節器201、203的設定點被設定為在預定低壓例如低於大氣壓下分配氣體。
上述氣體分配管線210包括壓力開關211，以及在流量控制閥216每一側的壓力傳感器213、215。
該氣體分配管線210和包括流量控制閥224、228的集成管線226相連。壓力開關240和集成管線226相聯通。集成管線226和具有清除氣體調節器的清除氣體供給管線220相連，在預定壓力下從清除氣體源(圖2中未示出)向集成管提供清除氣體。
在圖2中示出的氣櫃200內還可設置有真空發生迴路。該真空發生迴路包括將工作氣體源(未示出)和文丘裡管232的文丘裡進給管線231相連的工作氣體進給管線234。文丘裡管232在包括流量控制閥238的管線236中排出工作氣體，從而將工作氣體排出在氣櫃外部。
文丘裡管232和吸氣管線230相連，將集成管線226抽真空。隨後抽空該真空迴路，利用清除氣體源(圖2中未示出)對該集成管線除氣。該清除氣體源和具有清除氣體調節器222的清除氣體供給管線220相連，從而將預定壓力的引入到集成管線226內。
通過適當開閉集成管閥224、228、216和238，該系統可以從加工氣體分配(1)過渡到抽空集成管流路(2)，過渡到利用清除氣體清除集成管(3)。該清除氣體可為惰性氣體，例如氮氣、氬氣、氦氣等。當上述氣體源內消耗到一定程度後，結束該氣體源容器的有效操作，進行這些操作步驟(1)-(3)。隨後該容器從氣櫃200內的集成管流路斷開，並在抽空和清除集成管步驟完成後進行更換。
上述加工氣體分配管線210內的壓力傳感器213、215用於監控分配氣體的壓力。分配氣體的流速可由流量控制閥216來調節。上述壓力傳感器也可以和加工控制機構(圖2中未示出)相連，來控制氣櫃操作，從而控制氣流的變化和氣櫃中分配氣體的操作壓力。
壓力開關211、240根據加工氣體分配管線210和集成管線226內的壓力標準，可分別用於警報和/或切斷目的。
當圖2中的調節器可示意性示出，包括兩個串連相接的調節單元，在本發明中，在上述氣體源容器的內部容積或者在氣體源容器的閥頭或分配埠內的調節器的數量和設置，都可以各有不同，從而為調壓氣體源容器提供不同的設置。
圖2所示的氣櫃系統比圖1所示的系統更有優勢，原因在於後者將高壓氣體直接分配到集成管內，隨後調節下遊的壓力和流速，從而在所需條件下提供分配氣體。當調節器設置在閥頭204的分配閥上遊，以便將氣體從預調節氣體源容器202在低於大氣壓的低壓下分配時，圖2中系統利用氣體源容器202內的高壓氣體，提供必需的工作氣體容量(容器202的容量隨氣壓的增高而增大)。
隨後，圖2中的系統相對於圖1中的系統，在安全性上得以改善且減小相應的危險性。
圖3是本發明另一個實施例中減壓氣櫃系統的簡圖，利用由調壓容器供氣的低壓分配氣體，進而在氣櫃的配氣板內由低於大氣壓壓力的下遊調節器進行調節。
所示的氣櫃300包括配氣板350，集成氣管流路和相連的元件安裝在該配氣板上。
氣櫃包括調壓氣體源容器302，該容器又包括具有調節單元301和303的調節器。氣體源容器302還設置有閥頭304，閥304包括由閥旋鈕306所操作的閥。該旋鈕和閥執行機構362相連。該閥執行機構362由信號傳輸線364連接到電子模塊352的中央處理器(CPU)354上。
該CPU可由計算機、微處理器、邏輯程序控制器，或其他微電子處理單元構成，且可設置在氣櫃內或與其相連，用以監控和/或控制氣櫃內氣體的加工條件(氣壓、溫度、流率和/或成分)。
儘管圖3所示的氣櫃具有單獨的高壓氣體源容器302，但可以認識到該氣櫃還可以具有不止一個這樣的容器，氣櫃內的集成管也可相應構造為進行切換操作，以便於在和該集成管相連的一個氣體源容器內氣體耗盡時或達到設定的低殘留量時，可通過集成管內的閥操作來隔開上述用過的容器(關閉將上述容器和集成管相連的氣體進給管線內的閥，同時打開氣體進給管線內的其他閥，和另外的閥相連，使新容器和集成管流路相連)，從而在新容器上線之後去掉用過的容器。
圖3所示的氣體源容器302的閥頭304具有和加工氣體分配管線310相連的排氣口308。該閥頭304的排氣口308包括在氣缸出口閥管口內的限流孔(RFO)。另外，如圖2所示，集成氣管內還可設置RFO。
氣體分配管線310包括集成管分離閥307，可操作地將集成氣管和容器302彼此相隔開。該加工氣體分配管線310包括壓力開關311和壓力傳感器313、315。在該管線的中間設置有流量控制閥316，並依次連接和閥執行機構382，該閥執行機構藉助於信號傳輸線384和CPU 354信號相連。
加工氣體分配管線310還包括調節器321，該調節器在相對於從氣體源容器302排氣(即從埠308到加工氣體分配管線310)的氣壓標準的減壓水平下分配氣體。上述調節器321通過信號傳輸線380和CPU354相連，用於調節該調節器的設定點。可選地，該調節器321可以是手動可調的設定調節器，或者固定的設定調節器。
就這裡的氣體源302和調節單元301、303而言，圖3所示的調節器響應於CPU 354且由短劃線358、360所簡略表示。這表示相對調節單元的設定點，CPU和調節單元301、303之間相連的操作關係。調節器設定點可由CPU獨立調節，該CPU可產生傳遞到調節單元的信號，用於壓力設定點的調節。該調節器和CPU相連還包括經過容器302內部容積的信號傳輸線，用於設定點調節。而且該CPU可產生調節每一調節單元的調節器的信號，以非侵入方式改變容器內調節器的設定點。
在配氣板350上還安裝有包括流量控制閥324和328的集成管線326。閥324和閥執行機構388相連，該閥執行機構又依次通過信號傳輸線390和CPU 354相連。以類似的方式，流量控制閥328和閥執行機構370相連，而該閥執行機構又通過信號傳輸線372和CPU 354相連。集成管線326和壓力開關340相連，該開關又依次通過信號傳輸線366和CPU 354相連。集成管線326還經由吸氣管線330和文丘裡管332相連。文丘裡管332和工作氣體進給管線334、工作氣體排氣管線336相連，該排氣管線包括流量控制閥338。上述排氣管線336用於將工作氣體排出到氣櫃300的外部。管線336內的閥338和閥執行機構374相連，該閥執行機構又依次通過信號傳輸線376和CPU 354相連。
集成管線326和具有清除氣體調節器322的清除氣體進給管線320相連。該清除氣體進給管線320和設置閥頭406的清除氣體源404相連，該閥頭包括由信號傳輸線408和CPU 354相連的閥執行機構。
氣櫃300具有通風能力，其可以例如包括空氣或其他通風氣體可通過的氣櫃百葉門，並由此從氣櫃的通氣管線378流出。該氣櫃可由傳統方式通風，包括在半導體加工廠的屋頂設置鼓風機/風扇，用於從氣櫃門從氣櫃的內部容積內抽取建築物內空氣排到排氣管線378，廢氣通過工廠屋頂的管道，流經潮溼清洗劑，從而去除其中的有毒或有害成分。
可選地，該氣櫃可由通氣管線420進行通氣，該管線包括閥422。閥422和閥執行機構424相連，來操作閥422，從而控制流經氣櫃的通氣空氣的流率。上述閥執行機構424又依次經由信號傳輸線426和CPU354相連，因而閥424可通過CPU響應於氣櫃內的監控條件，以控制方式進行調節，從而改變通氣氣體的流率。該通氣管線420可和鼓風機相連，從而作用流經氣櫃的氣流，且可利用清潔的乾燥空氣作為通氣氣體。
本發明中的調壓容器相比沒有調壓的相應尺寸容器，能夠容納更多的氣體量，而同時可從氣櫃向下遊的半導體加工提供更安全的低壓分配氣體(相對存儲和分配容器內的高壓氣體)。這就顯著提高每氣缸的輸送量並減少氣缸的更換時間。
而且，由於保持相同氣體量的相同低壓容器在尺寸上更大，因而需要相應更大的氣櫃，從而增大的氣櫃體積需要更大的通氣氣流來通風，而上述氣櫃尺寸相對較小。因此本發明具有可減小/最小化廢氣的好處。氣櫃通風要求通常基於規定(例如在分配矽烷時，可以限定經由氣櫃的通風氣體流率和線性速度)或基於所容納氣體洩漏性質，工作人員靠近氣櫃時不會暴露於所分配的特定濃度氣體中，例如為極限值(TLV)的25％。對於有毒氣體作為分配流體時，可利用Semi F-15跟蹤氣體測試這樣的測試來設定通氣標準，其中例如SF6等待用氣體在最壞情況洩漏(WCR)率下洩漏，隨後調節氣櫃通風率，以保持氣櫃前的有害氣體的濃度在TLV的25％範圍內。
上述氣體的最壞情況洩漏率取決於所容納氣體的壓力和容器上所用限流孔(例如在上述容器閥頭的排氣口處)的尺寸。本發明中的調壓容器由於壓力調節可具有較低的WCR率，因此氣櫃可在較小速率下排氣，而不是在高壓下釋放氣體。因此，本發明中排出空氣(或其他通氣空氣)的成本減少。
根據最小稀釋濃度要保持在氣體爆燃下限(LEL)的25％內，Cleanroom 2000的NFPA 318準則設定了用於矽烷或其他易燃氣體的標準。舉例來說，對於高壓矽烷氣缸，在上述容器閥頭的排氣口，利用0.010英寸限流孔，上述所推薦的最小排氣流率通常在缸內壓力為800psig時，為每分鐘340立方尺(CFM)；在缸內壓力為600psig時，為600CFM；在缸內壓力為1500psig時，為765CFM。關於最小排氣標準的壓縮天然氣協會(CGA)準則[P-32-2000]也相類似。
相對於沒有本發明中調壓特性的相應氣體分配系統，本發明通過調壓氣體存儲和分配容器，能夠簡化主要的排氣要求。
作為進一步可選地，上述通氣管線420可和氮氣源相連，例如半導體加工廠內的「室內氣體」氮氣管線，從而可將氮氣流經氣櫃作為通氣氣體。
該氣櫃300還有氣體引入能力，通過外部氣體源392，該氣體源由具有有用氣體的容器構成。該外部氣體源設置有閥頭394。該閥頭包括由閥旋鈕396所操作的內部閥。該閥旋鈕和閥執行機構398相連。上述閥執行機構398由信號傳輸線400和CPU 354相連。
外部氣體源392設置用於從上述容器內將所容納氣體經由排氣口的閥頭394分配到排氣管線401內。排氣管線401和氣泵402相連，可將入口管線403內的氣體泵送到氣櫃300中。以這種方式，上述外部供氣進入到氣櫃中，並流經氣櫃的內部容積例如經由排氣管線378，從此處流出。泵402由信號傳輸線410和CPU 354相連。
外部氣體源392可提供定期維護氣櫃內部的特定氣體，例如用以清潔或消毒。可選地上述特定氣體可為活性氣體，當在氣櫃300內的周圍環境檢測到從容器302洩漏的分配氣體時，該活性氣體可和容器302產生的任何洩漏物質相反應，例如從上述容器的閥頭或者氣櫃內的固定件和安裝件等洩漏的物質。而且作為進一步可替換的方式，當在氣櫃內分配易燃氣體並檢測出產生洩漏時，特定氣體可由安全氣體構成，例如防火氣體。
上述加工氣體分配管線310包括由信號傳輸線368而和CPU 354相連的壓力開關311。該分配管線還包括可分別藉助於信號傳輸線386、317和CPU相連的壓力傳感器313、315。
可以理解，圖3所示的系統為集成的，可操作地和電子模塊352的CPU 354相連，用以系統的集成控制。該電子模塊352包括可操作地和CPU 354相連的警報單元356，以便通過CPU將設定點限制之外的操作轉換成警報單元356輸出的音頻和/或視頻警報。
CPU 354可程控設置進行循環操作，這包括在加工分配管線310內從氣櫃內分配氣體。這種分配可在內部調節器301、303的預定條件下進行，從而向分配管線310提供減壓氣體。上述調節單元的設定點可由CPU 354調節。上述操作循環可包括根據氣體源容器內的氣體是否耗盡，結束分配功能，隨後由文丘裡管332抽空集成管，此後利用清除氣體源404內的清除氣體清除上述集成管。因此上述循環操作可由CPU程控開閉閥和實施氣體氣櫃操作的各個操作步驟來進行調節。上述壓力傳感器313、315分別由信號傳輸線386、317可操作地和CPU相連，從而在流量控制閥316的上遊和調節器321的下遊，可連續地監控分配管線310內的壓力條件。流量控制閥自身可由CPU調節，以向半導體加工工具或其他用氣設備或位置提供加工氣體的所需流率。調節器321的設定點可由CPU 354利用適當的控制信號，經由信號傳輸線380進行調節，因而從氣櫃分配的加工氣體具有所需的壓力特性。
壓力開關311、340通過信號傳輸和CPU相連，因此如果操作使集成管線或加工氣體分配管線內的壓力超出設定限制之外，氣櫃系統就會自動切斷。
在集成管抽真空的過程中，通過相應操作流量控制閥338的閥執行機構374，可有選擇地調節集成管線326和吸氣管線330上的文丘裡管332吸氣。閥執行機構374經由信號傳輸線376以信號控制的方式和CPU 354相連。
相類似的，清除氣體的供給可由CPU的信號進行調節，該信號被發送到在信號傳輸線408中的閥頭裝置406的閥執行機構。在清除氣體進給管線320內，清除氣體被調節器322調節到所需的壓力標準。儘管沒有示出，將調節器322和CPU 354相連，可有選擇地調節清除氣體調節器322的設定點，並以相對應方式將CPU 354和調節器321相連。
在CPU控制下，通過調節泵402的速度和/或調節通氣氣體源容器392的分配閥，可有選擇地調節通風氣體引入到氣櫃300並從排氣管線378排出的流率。
例如，CPU可響應於加工氣體分配管線內壓力的突然減小，即由於集成氣管流路內上遊的洩漏而產生壓力減小，這由壓力傳感器315所感應，並經由信號傳輸線317向CPU 354發送信號，以增加通過氣櫃的通風氣體的流率。通過這種方式，利用上述通氣氣體「吹掃」氣櫃的內部容積，就可減小洩漏氣體濃度在有毒或有害氣體濃度以下。
可以看出，圖3中氣櫃系統可在特徵上進行變化，即有不同的構造和操作，通過各種構形和操作模式提供高安全性的操作。例如，可通過信號傳輸線366促動壓力開關340，來感應上述集成管壓力，以使得氣體源容器302的閥頭304內的分配閥關閉。通過在信號傳輸線364內的控制信號從CPU 354傳遞到閥執行機構362，從而使閥執行機構關閉閥旋鈕306。通過這種方式，當供氣集成管壓力超過設定壓力極限，氣體源容器302就被隔開。上述閥頭304內的閥還受控使得除非分配管線310內由壓力傳感器313或壓力傳感器315所檢測的壓力處於特定值，否則不會進行分配。
因而圖3中的系統具有加工氣體分配設置，其中氣體高壓地容納在容器302中，因而可擴大容器中氣體的容量，壓力調節器在低壓下將分配氣體從容器分配到分配管線，該氣體可進一步由分配管線調節器321進行調節(減小)。
高壓氣體源容器302內的氣體可為高於大氣壓的壓力，例如從20psig到2000psig，而從調壓容器排出的分配氣體卻處於低壓(相對氣體源容器內部容積的壓力標準，減小至少25％，較好是至少40％，更好是至少60％，最好是至少80％)。
從調壓容器排出分配氣體的壓力可從20Torr到1200psig，在氣體源容器的外殼部內氣壓之下。低於大氣壓分配操作的分配氣體的氣壓範圍可從大約20Torr到大約750Torr，較好是從大約400到大約600Torr。從氣體源容器分配到集成氣管的氣壓範圍較好是在大約20Torr到大約200psig，更好是從大約20Torr到100psig。從調壓容器分配的氣壓的壓力範圍可從大約20Torr到大約200psig，更好是從大約400Torr到大約100psig，CPU可程控設置，警報單元356內用以觸發系統切斷的高壓警報壓力設定點在分配氣體的所選操作壓力之上，從大約10到大約20psig。
在另一個實施例中，氣體源容器302內的高壓氣體可由和該容器相連的調節器(在容器分配閥的上遊，設置在內部或者頸部或閥頭)調節為中壓水平。隨後該中壓進一步由分配管線內壓力調節器321減小，從而使分配管線310內傳遞到下遊加工工具或者用氣區域的最終壓力為適合末端使用的所需壓力水平。
因此本發明可提高氣櫃系統的安全特性，減小高壓氣體分配所連帶的危險和故障。
如此所述，歸納本發明，本發明可由不同模式實施，包括(1)分配高於大氣壓壓力的氣體，(2)分配低於大氣壓壓力的氣體，(3)合成操作，涉及在高於大氣壓壓力下分配氣體，並可進而如上所述，被下調到低於大氣壓壓力。下面依次討論這些模式中的每一個，在每一模式的示意性實施例中就優選操作條件進行探討。
在涉及高於大氣壓分配操作的模式(1)中，調壓氣體源容器被設置成可在100psig下輸送氣體，並在容器閥頭的出口端設置有限流孔，可選擇與(下遊半導體加工)的加工要求相匹配為最大流率的1.5倍。在上述容器上還設置有氣壓閥，該容器和具有可變設定點式調節器的配氣板相連，其中該設定點被設定為和工廠輸送條件相匹配，通常30-70psig。還設置有警報和控制裝置，用於關閉容器上的氣壓閥以及集成管隔離閥且發出警報。上述警報和控制系統還可設置成可促動雙位置氣櫃阻尼器，以增加流經氣櫃的排氣通量。在多氣體源容器配置中還可以使用自動切換系統，用以當操作中的氣體源容器內氣體耗盡時可提供備用氣體源容器。
在涉及低於大氣壓壓力分配操作的模式(2)中，調壓氣體源容器設置成在650Torr下輸送氣體，並在容器閥頭的出口端設置有限流孔，可選擇與(下遊半導體加工)的加工要求相匹配為最大流率的1.5倍。在上述容器上還設置有氣壓閥，該容器和具有可變設定點式調節器的配氣板相連，其中該配氣板調節器的設定點被設定為大約400-600Torr。還設置有警報和控制裝置，用於關閉容器上的氣壓閥以及集成管隔離閥且發出警報。上述警報和控制系統還可設置成可促動雙位置氣櫃阻尼器，以增加流經氣櫃的排氣通量。在多氣體源容器配置中還可以使用自動切換系統，用以當操作中的氣體源容器內氣體耗盡時可提供備用氣體源容器。
在涉及高於大氣壓壓力下分配氣體的合成操作的模式(3)中，可進而由配氣板調節器產生低於大氣壓的氣體以便進行分配，調壓氣體源容器設置成在10-100pisg下輸送氣體，並在容器閥頭的出口端設置有限流孔，可選擇與(下遊半導體加工)的加工要求相匹配為最大流率的1.5倍。在上述容器上還設置有氣壓閥，該容器和具有可變設定點式調節器的配氣板相連，其中該設定點被設定為大約600Torr。還設置有警報和控制裝置，用於關閉容器上的氣壓閥以及集成管隔離閥且發出警報。上述警報和控制系統還可設置成可促動雙位置氣櫃阻尼器，以增加流經氣櫃的排氣通量。在多氣體源容器配置中還可以使用自動切換系統，用以當操作中的氣體源容器內氣體耗盡時可提供備用氣體源容器。
上述合成模式(3)可在集成管內進行限壓操作，用於克服關聯於氣體清除裝置利用點(POU)的壓降，從氣櫃向半導體加工設備輸送氣體且在低於大氣壓壓力下利用VMB。
本發明的特性和優點由下列非限定實例示出更加顯而易見。
實例1利用故障樹方法論，將具有內置調節器的「預調」VAC氣缸(ATMI，Inc.，Danbury，CT)和矽烷應用中的標準高壓氣缸進行比較。氣櫃安裝都相同，構建相應的故障樹並進行風險分析。潛在洩漏率方案[Si]為每一比較結果都計算超過20次，產生多個涉及多重故障的洩漏率。通過這種方式，就可以確定整體的發生概率，從而計算出風險分析並根據相對基礎得出輸送方法。
事件的似然性可由氣缸置換頻率和輸送壓力來確定。操作事件或者最壞情況洩漏率[WCR]由表1示出，範圍從30.5到70.8每分鐘標準公升(slpm)(Cleanrooms Protection的NFPA 318標準，2000年版)。上述預調氣缸以及所有填充壓力的WCR都被限定在8.2slpm。
表1經由0.010」限流孔的矽烷流率作為氣缸壓力的函數

實例2矽烷輸送-比較實例對於預調氣體源容器，預調壓力被設定為恆定的輸送壓力，和填充壓力無關。矽烷填充濃度為風險極限的函數；該測試中填充物的大約一半為5kg填充氣體，其餘的填充氣體分別為10kg、12kg到15kg。下面，表2在800psig和100psig下設定矽烷最壞情況洩漏率，其中VAC是指可從ATMI，Inc.(Danbury，CT)購得的預調氣體存儲和分配容器。
表2在800psig和100psig下的矽烷最壞情況洩漏率

下面，表3設定矽烷輸送的相對風險分析的結果。
表3

就相對的風險基礎而言，可以預計上述VAC輸送系統[100psig]比具有0.010」限流孔(RFO)的標準矽烷氣缸要安全穩定12到23倍。在給定事件中，上述低洩漏率[結果]術語，即輸送壓力的函數可證明這個預計。
儘管本發明參考示意性實施例和特徵在這裡以不同形式的公開，但可以理解上述這些實施例和特性並不是用於限定本發明，對於本領域的普通技術人員，還可進行其他變化或修改，或者實施其他實施例。因此本發明由隨後的權利要求所廣泛限定。
權利要求
1.一種用於分配氣體的氣體分配裝置，包括(a)調壓氣體源容器，其容納高於大氣壓的氣體且設置成在基本低壓下排氣；(b)集成氣管，其設置用來接收來自調壓氣體源容器的排氣且包括用以分配該排氣的氣體流路；(c)用於可選擇地將集成氣管的流路和調壓氣體源容器相隔開的裝置；(d)用於從氣體流路中去掉氣體、以能夠在容器內氣體耗盡時可更換氣體源容器的裝置。
2.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述從氣體流路中去掉氣體的裝置包括連接於所述集成氣管的真空迴路。
3.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述從氣體流路中去掉氣體的裝置包括連接於所述集成氣管的清除氣體源。
4.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，具有至少一個內置在氣體源容器內的氣壓調節器。
5.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，具有至少一個設置在氣體源容器上的氣壓調節器。
6.如權利要求5所述的氣體分配裝置，其特徵在於，氣體源容器包括外殼部，該外殼部封裝保持所述氣體的內部容積且具有用於將所述氣體從內部容積中排出的外殼埠，其中所述至少一個所述氣壓調節器位於所述外殼埠上。
7.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述容器包括具有至少一個閥的頭部裝置。
8.如權利要求7所述的氣體分配裝置，其特徵在於，包括設置在氣體源容器的容納氣體的內部容積內的至少一個氣壓調節器。
9.如權利要求8所述的氣體分配裝置，其特徵在於，包括兩個串聯連接在氣體源容器的所述容納氣體的內部容積內的壓力調節器。
10.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，包括至少一個氣壓調節器，且設置成使來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力比所述氣體源容器內的氣壓低至少40％。
11.如權利要求10所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述氣體源容器內的所述的氣壓範圍從大約20psig到大約2000psig。
12.如權利要求11所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從低於大氣壓到大約1200psig。
13.如權利要求11所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從低於大氣壓到大約200psig。
14.如權利要求11所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從低於大氣壓到大約100psig。
15.如權利要求11所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力為低於大氣壓。
16.如權利要求15所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從大約20Torr到大約750Torr。
17.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，包括至少一個氣壓調節器，且設置成使來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力比所述氣體源容器內的氣壓低至少60％。
18.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，包括至少一個氣壓調節器，且設置成使來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力比所述氣體源容器內的氣壓低至少80％。
19.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述氣體源容器內的所述高於大氣壓的氣體的氣壓範圍從大約20psig到大約2000psig。
20.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從大約20Torr到大約200psig。
21.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，來自所述氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從大約20Torr到大約100psig。
22.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述氣體源容器內的所述氣壓範圍從大約20psig到大約2000psig，並且來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路內的壓力範圍從大約20Torr到大約200psig。
23.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括警報裝置，設置得當來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力高於設定值時產生警報輸出。
24.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括用於當來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力高於設定值時將氣體源容器和集成氣管相隔開的裝置。
25.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，用於當來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力高於設定值時將氣體源容器和集成氣管相隔開的裝置包括集成氣管內的可選擇性地致動的閥。
26.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，選擇性地將集成氣管的流路和調壓氣體源容器相隔開的裝置包括當來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力高於設定值時將氣體源容器和集成氣管相隔開的裝置。
27.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括用於當來自氣體源容器的氣體在所述氣體流路中的壓力高於設定值時終止氣體分配的裝置。
28.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括集成氣管內的氣壓調節器，其中(i)所述氣體源容器內氣體處於第一高於大氣壓壓力，(ii)由所述集成氣管和集成氣管內所述氣壓調節器的上遊所接收的氣體處於低於所述第一升壓的第二壓力，以及(iii)集成氣管內所述氣壓調節器下遊的集成氣管的氣體處於低於所述第二壓力的第三壓力。
29.如權利要求28所述的氣體分配裝置，其特徵在於，第一高於大氣壓壓力的範圍從大約10psig到大約2000psig。
30.如權利要求28所述的氣體分配裝置，其特徵在於，第二壓力的範圍從大約0psig到大約200psig。
31.如權利要求28所述的氣體分配裝置，其特徵在於，第三壓力的範圍從大約20Torr到大約100psig。
32.如權利要求28所述的氣體分配裝置，其特徵在於，第三壓力處於低於大氣壓壓力。
33.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，容器包括設置在其排氣口內的限流孔。
34.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括電子模塊，該電子模塊包括中央處理器(CPU)，用以控制所述氣櫃內氣體的至少一個加工條件。
35.如權利要求34所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述至少一個加工條件選自氣體的壓力、溫度、流率和成分。
36.如權利要求34所述的氣體分配裝置，其特徵在於，所述至少一個加工條件包括壓力。
37.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括電子模塊，該電子模塊包括中央處理器(CPU)，其中所述集成氣管裝有閥，包括可選擇性地調節的閥，並且至少一個所述閥操作上和所述CPU相連，以在所述氣櫃的操作中調節所述閥。
38.如權利要求1所述的氣體分配裝置，包括氣櫃，其中容納有所述氣體源容器和集成氣管。
39.如權利要求1所述的氣體分配裝置，進一步包括電子模塊，該電子模塊包括中央處理器(CPU)，並且其中所述從氣體流路中去掉氣體、以能夠在容器內氣體耗盡時可更換氣體源容器的裝置可響應地連接於所述CPU，從而根據設定程序或響應於CPU所監控的至少一個加工變量從氣體流路中去除氣體。
40.如權利要求1所述的氣體分配裝置，包括下列組件中的至少一個(i)可操作得抽空所述集成氣管的至少部分流路的真空迴路，作為所述裝置(d)的至少一部分；(ii)可操作得清除所述集成氣管的至少部分流路的清除氣體迴路，作為所述裝置(d)的至少一部分；(iii)至少一個在所述集成氣管內的流量控制閥；(iv)在所述集成氣管內的壓力傳感器；(v)在所述集成氣管內的壓力開關；和(vi)在所述集成氣管內的調節器；以及包括中央處理器(CPU)的電子模塊，用於控制所述組件(i)-(vi)中的至少一個。
41.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，包括至少一個具有可調設定點的壓力調節器和用於調節所述設定點的裝置。
42.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，氣體源容器包含半導體加工氣體。
43.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，氣體源容器包含的氣體選自氟化硼，矽烷，甲基矽烷，三甲基矽烷，三氫化砷，磷化氫，乙硼烷，氯，BCl3，B2D6，六氟化鎢，氟化氫，氯化氫，碘化氫，溴化氫，鍺烷，氨水，銻化氫，硫化氫，硒化氫，碲化氫，氟，溴，碘，NF3，(CH3)3Sb，和有機金屬合成物，碳化氫氣體、氫氣、氮氣、一氧化碳，和稀有氣體滷化物。
44.如權利要求1所述的氣體分配裝置，其特徵在於，氣體源容器包含的氣體選自三氫化砷，磷化氫，氯，NF3，BF3，BCl3，B2H6，B2D6，HCl，HBr，HF，HI，六氟化鎢，和(CH3)3Sb。
45.一種操作氣體分配裝置的方法，其中該氣體分配裝置內包括氣體源，該氣體源以可選流通的方式與集成氣管相連，其中集成氣管包括用於將氣體排到用氣區域的流路，所述方法包括利用調壓氣體源容器作為氣體源容納高於大氣壓的氣體，其中壓力調節器設置成使在集成氣管內的氣壓低於氣體源容器內高於大氣壓氣體的壓力。
46.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，一個真空迴路連接於所述集成氣管，進一步包括在氣體源容器內氣體耗盡到預定程度後，致動該真空迴路從集成氣管內抽氣。
47.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，一個清除氣體源連接於所述集成氣管，進一步包括使清除氣體從清除氣體源流經該集成氣管，以去除從氣體源容器分配的氣體。
48.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，調壓氣體源容器包括內置在氣體源容器內的氣壓調節器。
49.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，調壓氣體源容器包括設置在其頭部裝置內的氣體源容器上的氣壓調節器。
50.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，調壓氣體源容器包括保持所述氣體且具有排氣埠的外殼部，其中所述排氣埠上設置有壓力調節器。
51.如權利要求45所述的方法，包括固定於氣體源容器的頭部裝置內的流量控制閥。
52.如權利要求51所述的方法，其特徵在於，壓力調節器設置在氣體源容器的內部容積內，使得從該容器排出的氣體在流經所述流量控制閥之前流入該壓力調節器。
53.如權利要求52所述的方法，其特徵在於，串連的壓力調節器設置在氣體源的內部容積內。
54.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，包括在氣體源容器內或其上設置壓力調節器，使得來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力比所述氣體源容器內的氣壓低至少40％。
55.如權利要求54所述的方法，其特徵在於，所述氣體源容器內的所述氣壓範圍從大約20psig到大約2000psig。
56.如權利要求55所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從低於大氣壓到大約1200psig。
57.如權利要求55所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從低於大氣壓到大約200psig。
58.如權利要求55所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從低於大氣壓到大約100psig。
59.如權利要求55所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力為低於大氣壓。
60.如權利要求59所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從大約20Torr到大約750Torr。
61.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，包括在氣體源容器內或其上設置壓力調節器，使得來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力比所述氣體源容器內的氣壓低至少60％。
62.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，包括在氣體源容器內或其上設置壓力調節器，使得來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力比所述氣體源容器內的氣壓低至少80％。
63.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，所述氣體源容器內的所述氣壓範圍從大約20psig到大約2000psig。
64.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從大約20Torr到大約200psig。
65.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從大約20Torr到大約100psig。
66.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，所述氣體源容器內的所述氣壓範圍從大約20psig到大約200psig；並且來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管內的壓力範圍從大約20Torr到大約200psig。
67.如權利要求45所述的方法，進一步包括當來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力高於設定值時輸出警報。
68.如權利要求45所述的方法，進一步包括當來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力高於設定值時將氣體源容器和集成氣管相隔開。
69.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，所述集成氣管在其內包括閥，並且當來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力高於設定值時將氣體源容器和集成氣管相隔開的步驟包括選擇性地致動集成氣管內的閥。
70.如權利要求45所述的方法，進一步包括當來自氣體源容器的氣體在所述集成氣管中的壓力高於設定值時終止氣體分配。
71.如權利要求45所述的方法，進一步包括在集成氣管內設置氣壓調節器，其中(i)所述調壓氣體源容器內的氣體處於第一高於大氣壓壓力，(ii)由所述集成氣管和集成氣管內的所述氣壓調節器的上遊所接收的氣體處於低於所述第一升壓的第二壓力，以及(iii)集成氣管內所述氣壓調節器的下遊的集成氣管內的氣體處於低於所述第二壓力的第三壓力。
72.如權利要求71所述的方法，其特徵在於，第一高於大氣壓壓力的範圍從大約10psig到大約2000psig。
73.如權利要求71所述的方法，其特徵在於，第二壓力的範圍從大約0psig到大約200psig。
74.如權利要求71所述的方法，其特徵在於，第三壓力的範圍從大約20Torr到大約100psig。
75.如權利要求71所述的方法，其特徵在於，第三壓力為低於大氣壓壓力。
76.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，容器包括設置在其排氣埠內的限流孔。
77.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，進一步包括控制所述集成氣管內氣體的至少一個加工條件。
78.如權利要求77所述的方法，其特徵在於，所述至少一個加工條件選自氣體的壓力、溫度、流率和成分。
79.如權利要求77所述的方法，其特徵在於，所述至少一個加工條件包括壓力。
80.如權利要求45所述的方法，進一步包括在所述集成氣管內設置至少一個閥，並且在所述氣體分配裝置的操作中調節所述閥。
82.如權利要求45所述的方法，進一步包括在氣櫃內設置所述調壓氣體源容器和集成氣管。
83.如權利要求45所述的方法，進一步包括根據設定程序或響應於至少一個加工變量從集成氣管去除氣體。
84.如權利要求45所述的方法，進一步包括為所述氣體分配裝置提供下列組件中的至少一個(i)可操作得抽空所述集成氣管中至少部分流路的真空迴路；(ii)可操作得清除所述集成氣管中至少部分流路的清除氣體迴路；(iii)至少一個在所述集成氣管內的流量控制閥；(iv)在所述集成氣管內的壓力傳感器；(v)在所述集成氣管內的壓力開關；和(vi)在所述集成氣管內的調節器；並且根據設定程序或者響應於至少一個加工條件，控制所包括的所述組件(i)-(vi)中的至少一個。
85.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，包括在所述氣體源容器內或其上設置具有可調設定點的壓力調節器，並且調節該壓力調節器的可調設定點以獲得預定的氣體分配率。
86.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，所述氣體源容器包含半導體加工氣體。
87.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，氣體源容器包含的氣體選自氟化硼，矽烷，甲基矽烷，三甲基矽烷，三氫化砷，磷化氫，乙硼烷，氯，BCl3，B2D6，六氟化鎢，氟化氫，氯化氫，碘化氫，溴化氫，鍺烷，氨水，銻化氫，硫化氫，硒化氫，碲化氫，氟，溴，碘，NF3，(CH3)3Sb，和有機金屬合成物，碳化氫氣體、氫氣、氮氣、一氧化碳，和稀有氣體滷化物。
88.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，氣體源容器包含的氣體選自三氫化砷，磷化氫，氯，NF3，BF3，BCl3，B2H6，B2D6，HCl，HBr，HF，HI，六氟化鎢，和(CH3)3Sb。
89.一種氣體分配裝置，包括(a)調壓氣體源容器，其容納高於大氣壓的氣體，在該容器上或其內具有至少一個壓力調節器以及連接於該容器的流量控制閥，其中該至少一個壓力調節器和流量控制閥設置成使得從該氣體源容器排出的氣體在流入流量控制閥之前流經該至少一個壓力調節器；(b)集成氣管，其設置用來接收來自調壓氣體源容器的排氣且包括用以分配氣體的氣體流路；(c)用於從氣體流路中去掉氣體、以能夠在容器內氣體耗盡時可更換氣體源容器的裝置。
90.一種操作以可選流通方式和集成氣管相連的氣體源的方法，其中集成氣管包括用於將氣體排到用氣區域的流路，所述方法包括利用氣體源容器作為氣體源容納高於大氣壓的氣體，該容器內或其上具有壓力調節器流體連通於容器的流量控制閥，其中壓力調節器和流量控制閥設置成使得從該氣體源容器排出的氣體在流入所述流量控制閥之前流經所述壓力調節器，並流入所述集成氣管，其中壓力調節器設置為使得在所述集成氣管內的氣壓低於氣體源容器內高於大氣壓氣體的壓力。
91.一種氣體分配系統，包括以供氣方式和集成氣管相連的調壓氣體源容器，用於將氣體分配給半導體加工設備，其中集成氣管內的氣壓比調壓氣體源容器內的氣壓低至少40％，並且調壓氣體源容器包括限定用於在其內保持所述氣體的內部容積的外殼，和安裝在外殼上的頭部裝置，其中調壓氣體源容器包括內置在外殼內部容積內的氣壓調節器，並且頭部裝置包括流量控制閥，從而從調壓氣體源容器流到集成氣管的氣體在流經所述頭部裝置內的流量控制閥之前，流經所述氣壓調節器，並且其中所述氣體分配系統相對於具有不調壓的氣體源容器的相應氣體分配系統來說，具有下列特徵中的至少一個(V)氣體源容器尺寸小；(VI)降低了通氣要求；(VII)提高了在線分配能力；和(VIII)提高使用壽命。
92.如權利要求91所述的氣體分配系統，其特徵在於，集成氣管包括氣壓調節器。
93.如權利要求92所述的氣體分配系統，其特徵在於，集成氣管內的氣壓調節器可調節來提供範圍從大約30到大約70psig的設定點壓力。
94.如權利要求92所述的氣體分配系統，其特徵在於，集成氣管內的氣壓調節器可調節來提供範圍從大約400到大約600Torr的設定點壓力。
95.如權利要求92所述的氣體分配系統，其特徵在於，集成氣管包括集成管隔離閥，它可被選擇性地致動從而將調壓氣體源容器和集成氣管彼此相隔開。
全文摘要
利用和集成氣管(126)可選擇流體連通的氣體源(102)進行氣體分配的裝置和方法。該集成氣管(126)包括用於將氣體排放到用氣區域的流路(110)，並且該氣體源(126)包括容納高於大氣壓的氣體的調壓氣體源容器(126)。
文檔編號F17C7/00GK1668393SQ03816992
公開日2005年9月14日 申請日期2003年5月29日 優先權日2002年6月10日
發明者卡爾·W·奧蘭德, 馬修·B·多納圖奇, 王錄平, 麥可·J·沃德延斯基 申請人:高級技術材料公司