專利名稱：低釋放率的氣瓶組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于將高毒性的和/或可燃的化合物輸送至半導體制造工具的高壓氣瓶組件(package)。
背景技術：
諸如半導體制造的工業處理及制造應用需要對高毒性的或可燃的氫化物氣體和
鹵化物氣體的安全的儲存和處理。半導體工業尤其依賴于用于晶片處理的硅烷(SiH4)的氣態氫化物和諸如三氫化砷(AsH3)和三氫化磷(PH3)的液態壓縮氣體。各種半導體工藝系統通常使用處于高達1，500磅/平方英寸的壓力下的SiH4, AsH3和PH3。由于它們的極度毒性和高蒸汽壓，故由于輸送系統構件的失效或在氣瓶更換(change out)過程期間的人為差錯所造成的不受控制的釋放可導致災難性的后果。例如，諸如硅烷的可燃氣體的釋放可導致火災和系統損壞，并且可能造成人身傷害。另一方面，諸如三氫化砷的高毒性氣體的泄漏可導致人身傷害甚至死亡。參考作為極度毒性氣體如何用于半導體工業的更加具體的示例的硅烷處理，硅烷通常在大約250磅/平方英寸或更高壓力下儲存在加壓容器中。氣瓶在生產環境中的處理存在各種各樣的危險情況。一個140克硅烷氣瓶的泄漏可將具有10英尺高度的30，000平方英尺的建筑的整個體積污染至立即危及生命和健康(IDLH)水平。如果泄漏率較大，則這可能僅僅在一分鐘或兩分鐘內發生，這將意味著在漏失源附近區域中將存在極其致命的濃度達數個小時。用于硅烷等的標準高壓氣瓶通常具有500毫升或更多的容積，并且包括氣體在使用點通過其排出的閥出口。硅烷在高壓下填充直到氣瓶達到大約20%的容積。一旦填充，關閉氣瓶閥并且將安全帽安裝在閥出口上。氣瓶隨后輸送至半導體工廠(fab)，在半導體工廠處終端用戶將在通風良好區域中移開安全帽，將容器放置在豎直位置，將氣瓶附連至分配歧管，對新形成的連接進行吹洗并檢漏，并且打開氣瓶閥。該氣瓶然后分配氣態產品。鑒于與這些流體從高壓氣瓶中非故意的釋放相關的危險，本領域已提出多種提議來防止毒性流體/可燃流體的災難性釋放。—種這樣的提議是使用安裝在高壓氣瓶外部的出口或流體流徑中的限流孔口(RF0)。至少兩種RFO可在當前被獲得并使用。第一種是包括小直徑孔(大約O. 010英寸或254ΜΠ1的直徑)的金屬襯墊，該小直徑孔被鉆通穿過具有大約O. 5-0. 7毫米厚度的墊圈狀盤或襯墊的中心。第二種RFO設計是螺旋式連接至氣瓶閥使用端口的插塞型孔口。這種RFO同樣具有尺寸與上述RFO相似的直徑孔。在高壓(例如，1，500磅/平方英寸)下，這些RFO能夠將最大流率限制為上千或上萬標準立方厘米每分鐘(seem)。然而，這通常是不可接受的高流率。例如，當使用硅烷時，為了獲得大約21，500 sccm的釋放率，氣瓶壓力必須降低至800磅/平方英寸。這種降低的填充壓力又嚴格地限制了每個氣瓶的總容積。這種容積限制需要更加頻繁地更換氣瓶，這又增加了氣體泄漏、暴露和/或火災的危險。稱為SEMATECH(半導體制造技術)的半導體協會估計大約35%的與氣體相關的事件發生在氣瓶更換期間。其它可選的系統已經在美國專利No. 6，089, 027和No. 6，343，476 BI中提出。在這些系統中，一個或多個設定壓力調節器沿著氣體的流徑順序地布置，該流徑與氣瓶的出口相連通。利用該調節器以將壓力逐漸降低至大約100磅/平方英寸并且降低氣瓶出口處的流率。此外，在稱為VAC 并由Advanced Technology Materials, Inc.銷售的商業實例中，采用諸如上述RFO的標準RF0，以將最大流量進一步降低至大約5，000 sccm。美國專利No. 5，937，895 ;6，007，609 ;6，045，115公開了具有接通/斷開閥的高壓氣瓶，這些專利轉讓給Praxair Technology, Inc.,并且通過引用而全部結合于本發明中。
在這些文獻中公開的系統只有當在出口上施加真空(即小于760托)時才能由終端用戶打開。本發明提供超過現有技術的若干優點，包括當高壓氣瓶的出口暴露于大氣狀態或者另外工作于超大氣狀態時，降低高毒性氣體和/或可燃氣體的流率。本發明的另一個目的是提供一種裝置，其不需要內部壓力調節器、止回閥、限流孔口或其它機械操作特征，從而降低與高壓氣瓶和/或機械裝置相關的成本和故障概率。本發明的另一個目的是消除與使用外部RFO相關的可能誤差。外部RFO可能在墊圈型RFO的情況下在密封表面周圍泄漏，或者可能在插塞型RFO的情況下在螺紋周圍泄漏。另外，操作者可能忘記安裝RFO或可能安裝尺寸不恰當的RF0。在附連氣瓶之后或在移開氣瓶之前的期間，去除夾帶在RFO裝置和氣瓶閥座之間的所有空氣或產品將非常關鍵。通過設計，RFO構造成用于在使用期間急劇地限制流過該裝置的流量，但是在吹洗和抽空該連接的情況下，這種限制嚴格地限制了吹洗/抽空過程的速率和效率，從而增加了氣體釋放和/或人體暴露的可能性。通過將降低流量裝置定位在氣瓶內部或氣瓶隔離閥的上游，消除了上述的差錯。又一目的是相比于傳統的高壓硅烷氣體氣瓶增大了可從氣瓶獲得的產品量。如上所述，當前提供的外部RFO使硅烷的最大填充壓力通常限制為最大800磅/平方英寸。另一方面，本發明允許氣瓶壓力增加至高達1，500磅/平方英寸，并且相應增加的容積轉化為更少的氣瓶更換，從而改善了終端用戶的安全性和生產率。另一個目的是關于通風。壓縮氣體的所需的氣體箱或氣體柜的通風通常基于組件的更壞情況的預期釋放率。具有O. 010英寸RFO的800磅/平方英寸壓力的硅烷氣瓶的通常的排放速率處于300至350CFM的數量級。壓縮氣體協會(Compressed Gas Association)的出版物G-13-2006 Storage and Handling of Silane and Silane Mixtures 的第 13節描述了硅烷在各種位置的通風需求。具體而言，第13. 2. 3. I. I節描述了用于確定最小通風率的計算方法。基于參考的計算方法，本發明可允許通風率從300-350CFM降低至50-100CFM，即3. 5至6倍的降低。降低的通風率與降低的功率消耗和設備維修直接相關。在閱讀說明書、附圖和所附的權利要求之后，本發明的其它的目的和方面將對本領域技術人員變得顯而易見。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用于控制加壓流體從高壓氣瓶的出口排出的裝置，該高壓氣瓶容納毒性的氫化物或可燃化合物。該裝置包括用于保持處于至少部分氣相的加壓流體的氣瓶；在密封位置螺紋式連接至氣瓶的上部的氣瓶端口主體；布置在氣瓶端口主體內的雙端口閥頭組件，其中，第一端口用于利用加壓流體填充氣瓶，第二端口與氣瓶的出口流體連通，以排出加壓流體；氣流排出路徑，其由第二端口主體和出口部分地限定，并且還包括布置在第二端口主體上游的限流路徑和流道，但是，其中，該氣流排出路徑不包括選自壓力調節器、止回閥和限流孔口的限制元件；并且當氣瓶的出口暴露于大氣狀態時，該限流路徑將從氣瓶排出的氣體的流率限制為5，000 sccm.根據本發明的另一個方面，提供了一種用于控制加壓流體從高壓氣瓶的出口排出的裝置，該高壓氣瓶容納毒性的氫化物或可燃化合物，其中，限流路徑為超流閥，其當通過閥的預設流率被超過時限制和/或停止流體的流出。預設流率是通過該裝置的流體的最大
流率。例如，超流閥可設置為允許流體流的輸送從O至5，000 sccm，但是如果由于任何原因通過該裝置的流率超過5，000 sccm(諸如構件失效或裝置下游的泄漏)，超流閥將關閉并防止流體的任何的進一步釋放。如果發生構件失效或泄漏，該裝置將防止氣體的進一步逃逸，從而將剩余流體保持在氣瓶或儲存容器內。單獨地或與毛細管流限制器相組合，這種特征極大地提高了氣瓶組件的安全特性、環境特性和健康特性。
通過本發明的優選實施例的詳細說明并結合附圖，將更好地理解本發明的目的和優點，在附圖中相同的標號始終表示相同的特征，在附圖中
圖I示出了用于控制加壓流體從高壓氣瓶的出口排出的裝置的示意性截面 圖2示出了毛細管流限制器的截面 圖3示出了連接至半導體工具的本發明裝置的示意圖；和
圖4示出了用于控制加壓流體從高壓氣瓶的出口排出的裝置的示意性截面圖，該裝置具有在其中的超流閥。
具體實施例方式半導體器件的制造需要多個工藝步驟，例如包括影響器件的導電率的某些襯底的摻雜、外延生長或金屬有機物的化學氣相沉積。通常，高毒性的或可燃的氫化物流體和鹵化物流體在氣相下被儲存并分配至這些半導體制造工具。為了進行說明，本發明將關于硅烷氣體進行描述。然而，本領域技術人員應理解的是，可使用其它毒性的氫化物氣體或鹵化物氣體，諸如三氫化砷、三氫化磷和乙硼烷。參考圖1，描述了根據本發明的示范性實施例的用于控制加壓流體的排出的裝置100。裝置100包括流體儲存及分配氣瓶110，其限定并圍繞內部體積112，如圖所示。在容器的頸部處，包括雙端口閥頭組件116的氣瓶端口主體114與套環118的內部螺紋開口螺紋式接合。雙端口閥頭組件116包括流體流排出通道120，其與閥頭組件中的中心工作體積空腔形成流體流連通。中心工作體積空腔又與出口 122連通，該出口 122可在外部具有螺紋，或者另外構造成用于將連接器和相關管道和導管等聯接至出口 122。
閥元件124布置在中心工作體積空腔中，閥元件124在所示實施例中連接至手輪126，但是閥元件124可以可選地連接至自動閥促動器或其它控制器，諸如氣動促動裝置或電子促動裝置。閥頭組件116還具有如下特征，即，在閥塊中，填充通道128與填充閥130 (和端口，其未示出但三維地定位在閥體后方)和容器的內部體積112相連通。因此，容器110可被加壓氣體填充，并且其后關閉并蓋上填充端口。這種雙端口閥在市場上可從位于Luxembourg 的 Ceodeux Ultra Pure Equipment Company 獲得。閥頭組件114中的中心流體流排出通道120在其下端處連接至限流路徑130，該限流路徑130包括位于限流路徑的進口處的過濾器132。該進口布置在氣體空間中，并且在液態壓縮氣體的情況下位于保持在氣瓶110中的液態流體的上方。限流路徑130的使用增加了在閥頭組件114被剪斷或者高壓氣瓶的出口另外地打開至大氣狀態的情況下的安全性。
尤其，限流路徑的優選結構為尺寸均勻的毛細管，其提供了靈活性和可靠性。限流路徑的毛細管將氣體從氣瓶排出的流率限制為不超過5，000 Sccm0然而，限流路徑和作為一個整體的裝置都不包括選自壓力調節器、止回閥或限流孔口的限制元件。具體而言，參考圖1，導管限定至少兩個毛細管通道，其中毛細管的內徑將處于大約126微米或更小的數量級。對于兩個毛細管通道，這種直徑將氣瓶的釋放率限制為小于5，000 sccm(或5 LPM)，該氣瓶具有可被迫使通過管道的1，500磅/平方英寸飽和壓力的硅烷。通常的終端用戶需要在大約O. 2至5 LPM的范圍內的流率。以5 LPM的速率，將花費39個小時使容器變空。這將花費8. 5個小時使具有10英尺高度的30乘30英尺的房間達到1%的硅烷爆炸下限水平。八個半小時將為警報提供充裕的時間，以警示人員離開并使響應小組采取必要的行動。因此，多個毛細管的直徑通常將小于126微米。可調節毛細管的長度和直徑，以提供通過該限制的最大期望流率5，000 sccm.在以上述速率輸送硅烷的情況下，毛細管通常為6. 35厘米長。對于該長度，將需要兩個具有大約126微米直徑的并行的毛細管，以提供大致相同的流動容積。本發明的導管中的多個毛細管通道可小到2微米。然而，毛細管通道的尺寸通常將設置為使用不超過八個且不少于兩個的毛細管通道，以提供眾多通道并且同時仍然允許氣體以適當的流率釋放。本發明的有益特征是提供管道的基本圓形的外部截面，該管道具有較均勻的內部毛細管通道。通過該管道的內部打開的流動區域將幾乎完全由規則的毛細管限定(即，這些毛細管具有采用相同的規則性重復形狀的形式的截面)。這些規則的毛細管優選地具有圓形截面。各個毛細管通道的圓度可由直徑的變化所限定，直徑的變化沿跨過每個毛細管通道的基本圓形截面的任何兩條直線方向獲得，并且不超過15%。不同的均勻毛細管通道的一致性可由毛細管之間的平均直徑的變化所限定，該平均直徑的變化不超過15%。通過該管道的所有剩余的流動區域通常采用尺寸不規則的毛細管通道的形式，該尺寸不規則的毛細管通道具有小于規則的毛細管通道的各個橫截面積的各個橫截面積。通常，不規則毛細管將具有等于規則毛細管的平均流動面積的50%或更小的平均橫截面積。不規則毛細管的較小的直徑減小了不規則毛細管的存在可能對通過限制器的流率調節的不利影響。限流路徑的優選結構是均勻的多毛細管組件，其中毛細管可為了額外的強度而被卷繞，或者另外以基本直線的平行通道而構成。毛細管可采用細長的軸或桿的形式，導管的外壁以及毛細管本身可由合適形成這種結構的任何材料制成。因此，獲得的毛細管結構具有由限定毛細管的材料的穩定性或轉變溫度所限制的工作溫度。這種尺寸的毛細管可由各種玻璃材料制成。用于形成玻璃纖維和管道本身的拉制技術非常容易用于生產本發明的管道結構。合適的玻璃材料包括硅酸鉛、硅酸硼、傳統的玻璃(鈉鈣硅酸鹽玻璃)和其它形式的高純度二氧化硅，諸如石英或熔融二氧化硅。特別優選的玻璃材料是石英。參考圖2，玻璃壁的厚度可相對于毛細管直徑制造得相當大，以克服玻璃的易碎性。恰當的包圍可進一步克服玻璃的所有易碎性。如圖2中的截面圖所示，在該實施例中，管道200優選地限定圍繞中心毛細管通道240的六個毛細管通道220的六邊形布置，其中所有的毛細管具有相同的相對直徑。管道可由外套筒圍繞，以提供額外的支承和結構完整性。這種套筒可由金屬材料構成。通常由不銹鋼構成的可選的金屬管道260可保護性地圍繞玻璃管道200。金屬管道260當可選地圍繞結構200收縮時進一步增加了剛性和耐用性，并且提供了加強單元。利用金屬管道260的可選的加強，玻璃管道的破碎將再次使通過毛細管裝置130的限制流徑的
運行基本不發生變化。特別有利的裝置可縮小圍繞玻璃的多毛細管組件的金屬套筒，以將管道壓縮至套筒內。諸如這種裝置的裝置可提供所需的結構支承，用于施加推動許多流體通過直徑接近126微米的毛細管所需的必要的超高壓力。毛細管裝置可利用成型方法制成，該成型方法容易提供本發明的組件結構，尤其是均勻的多毛細管組件。該方法形成具有基本圓形的周邊的多毛細管管道或導管，該周邊圍繞由外壁內的內壁所限定的多個規則的毛細管通道。該方法起始于將多個較小的導管插入圍繞管道以形成管道和導管組件。該導管可通過將管道坯料變小地拉制為所期望的導管尺寸而形成。插入導管的數量將與由成型方法獲得的規則毛細管的數量相符合。導管的共同開口圍繞管道和導管組件的一端密封，以形成具有封閉端和相對的打開端的拉制坯料，所有導管圍繞該封閉端相對流體流密封，所有導管圍繞該打開端針對流體流打開。然后在合適的拉制裝置中將拉制坯料加熱到軟化溫度。當限制來自拉制坯料的敞開導管端的流體流時同時拉制受熱的拉制坯料，這將使導管的內部縮小至毛細管尺寸，并且同時防止導管內部的塌縮式封閉。具有基本等于導管數量的多個毛細管通道的多毛細管管道可通過拉伸并冷卻拉制坯料而獲得。在許多情況下，導管直徑在拉制受熱的拉制坯料期間的減小在其敞開端處提供足夠的直徑減小，以將流出導管內部的氣體流合適地限制到維持由導管形成的毛細管通道的期望最終直徑的速率。在本發明的另一個實施例中，并且重新參考圖1，在限流路徑130的上游，具有管狀安裝部分的過濾器單元132用于移除污染顆粒，該管狀安裝部分螺紋式地或另外地接合至限流路徑128，用于可配合的接合。該過濾器可以是可耐受氣瓶內的高壓的任何合適的膜、網或燒結金屬過濾器，該燒結金屬過濾器在本領域已知作為熔塊過濾器。在另一實施例中，如圖3所示，氣瓶100與諸如化學氣相沉積工具300的半導體工具形成流體連通。質量流量控制器310布置在氣瓶和工具之間的管線上，該質量流量控制器310控制輸送至工具的氣體的流率。通常，該工具需要從大約200至5，000 sccm的流率。因此，來自氣瓶100的最大流率為大約5，000 sccm是比較理想的，而不管該流體流是否到達工具或者出口是否簡單地暴露于大氣狀態。在可選實施例中，如圖4所示，毛細管裝置130可與超流閥組件400組合地使用，或者由超流閥組件400替代,該超流閥組件400位于中心流體流排出通道120的上游或者位于閥124的上游。超流閥組件設置為當超過預設流率時阻止來自氣瓶110的氣體流。預設流率是通過該裝置的流體的最大流率。例如，超流閥可設置為允許流體流的輸送可從O至5，000 sccm,但是如果由于任何原因通過該裝置的流率超過5，000 sccm(諸如構件失效或裝置下游的泄漏)，超流閥將關閉并防止流體的任何的進一步釋放。如果發生構件失效或泄漏，該裝置將防止氣體的進一步逃逸，從而將剩余流體保持在氣瓶或儲存容器內。單獨地或與毛細管流限制器相組合，這種特征極大地提高了氣瓶組件的安全特性、環境特性和健康特性。因此，在促動輪126并打開閥124或另外地剪斷閥頭128之后，超流閥組件400將氣體流率限制為大約O sccm。另外地，另一個超流閥400可附連至流徑128或與流徑128連通，并且在閥130的上游，在存在完全的閥剪斷的情況下通過端口 128的氣體流也將被阻塞，從而防止流體通過128或120從容器逃逸。超流閥(在操作上)是一種機械裝置，該機械裝置檢測在該裝置上的壓差并且當超過預設的壓差或最大流率時停止通過該裝置的流。這種裝置在市場上可從Lee Company或其它制造商處獲得。將參考以下示例進一步詳細描述根據本發明的低釋放率組件，但是以下示例不被
視為限制本發明。示例
制備用于控制加壓流體的排出的裝置。該氣瓶尤其包括通過在其中具有毛細管通道組件而部分限定的氣流排出路徑。該氣瓶省略了壓力調節器、止回閥和限流孔口。該氣瓶填充有加壓硅烷，并且連接至諸如金屬有機物的氣相沉積的半導體工具。同樣，不具有毛細管通道的傳統的高壓硅烷組件連接至需要1，300 sccm的半導體工具。結果在下表I中列出。表I
本發明的裝置~ 艦獅 (68 μω毛翻管)(高座氣胤)
翁送的產爲^li5 ^Si
最太釋致季(sccm)5J0021,460
—輸現的產爲(總量的育 比)—...............................................鉍$........................................................................................................3'4'g.........................................................
從上述結果可以看出，用于保持產品的氣瓶的容積增加了 2.4倍達到13. 5kg，并且硅烷的可輸送量高達86. 5%(或者11. 7kg，相比于從傳統氣瓶獲得的5. 4kg)。此外，來自氣瓶的釋放率限制為5，000 sccm，而傳統氣瓶具有21，460 sccm的釋放能力。釋放率的這種四倍的減小改善了在下游泄漏或構件失效的情況下的組件的安全性，并且又允許每個氣瓶的更大的填充體積，這與更少的氣瓶更換相關。基于工具的需求，制備毛細管組件以實現最大輸送5，000 Sccm0在正常的工具操作期間，毛細管不具有除提供流徑以外的預期功能，通過該流徑，流體從容器內移動至出口。然而，在毛細管下游的不受控制的釋放期間(諸如構件失效)，毛細管將來自氣瓶的最大流率限制至5，000 sccm。表2列出了從15. 6kg硅烷氣瓶輸送的基于工具流量需求的氣瓶剩余物(heel)和可用產品。表權利要求
1.一種用于控制加壓流體從高壓氣瓶的出口排出的裝置，所述高壓氣瓶容納毒性的氫化物或可燃化合物，所述裝置包括 氣瓶，其用于保持處于至少部分氣相的加壓流體； 氣瓶端口主體，其在密封位置被螺紋式地連接至所述氣瓶的上部； 雙端口閥頭組件，其被布置在所述氣瓶端口主體內，其中第一端口用于利用加壓流體通過填充端口流徑填充所述氣瓶，并且第二端口與所述氣瓶的出口處于流體連通以排出所述加壓流體； 氣流排出路徑以及流道，所述氣流排出路徑由所述第二端口主體和所述出口來部分地限定，所述流道被布置在所述第二端口的上游； 所述填充端口流徑還包括超流閥，所述超流閥在超過預設流率的情況下隔斷來自所述氣瓶的通過所述填充端口流徑的流體流。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述超流閥將所述流限制為大約Oseem。
3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述填充端口流徑不包括選自于由壓力調節器、止回閥和限流孔口構成的組的限制元件。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述排出流徑包括選自于由壓力調節器、止回閥和限流孔口構成的組的限制元件。
5.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述超流閥被布置在所述氣瓶的內部體積內。
6.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述超流閥將來自所述氣瓶內部的通過所述填充端口流徑的流體流限制為大約O seem。
7.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述超流閥被構造成允許沿著所述排出流徑輸送達到5，OOO sccm的流體。
全文摘要
本發明涉及一種低釋放率的氣瓶組件。提供一種用于控制加壓流體從高壓氣瓶(110)的出口排出的裝置(100)，該高壓氣瓶(110)容納毒性的氫化物或可燃化合物。該裝置(100)包括用于保持處于至少部分氣相的加壓流體的氣瓶(110)；在密封位置螺紋式地連接至氣瓶(110)的上部的氣瓶端口主體(114)；布置在氣瓶端口主體(114)內的雙端口閥頭組件(116)，其中，第一端口(130)用于利用加壓流體填充該氣瓶，第二端口與氣瓶的出口(122)流體連通，以排出加壓流體；氣流排出路徑(120)，其由第二端口主體和出口部分地限定，并且還包括布置在第二端口主體上游的限流路徑(130)和流道，但是，其中，該氣流排出路徑不包括選自壓力調節器、止回閥和限流孔口的限制元件；并且當氣瓶(110)的出口暴露于大氣狀態時，該限流路徑(130)將從該氣瓶排出的氣體的流率限制為5,000sccm。
文檔編號F17C13/04GK102853254SQ201210291779
公開日2013年1月2日 申請日期2007年6月26日 優先權日2006年6月30日
發明者M.L.沃納, D.C.海德曼 申請人:普萊克斯技術有限公司