專利名稱：：提供乙炔的工藝和裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明描述的是一種提供乙炔的系統(tǒng)(或裝置)和工藝，尤其是高純度水平的(例如，含有百萬分之100("卯m")，或者10卯m，或者l卯m，或者十億分之100("卯b")，或者10ppb，或者lppb或者更少的溶劑)，可用于使用。更具體地說，本發(fā)明描述的是一種傳輸系統(tǒng)(或裝置)，其提供一種可用于半導體生產(chǎn)的連續(xù)的幾乎不含溶劑(例如，含有100ppm或者以下的溶劑)的乙炔流。
背景技術：
：半導體制造商當前在某些工藝中使用乙炔(C2H2)，例如，硬(富含碳)掩模涂層工藝。通常乙炔被裝入可運送給廠商的鋼瓶中，然后被移出和重新填充。然而，乙炔在操作和運輸過程中會產(chǎn)生很多問題。乙炔是熱力學最不穩(wěn)定的普通氣體，高度易燃，有非常寬的爆炸范圍(在空氣中的含量從2%到80%)，在壓力和特定條件下會爆炸分解。由此，在特定的條件下，純乙炔在6psig的壓力下會劇烈的分解。為了避免上述分解和易燃的問題，乙炔鋼瓶設計成具有被可溶解乙炔的丙酮或者另外適當?shù)娜軇╋柡偷亩嗫撞牧稀６嗫撞牧虾腿軇┑慕M合使得乙炔能夠在大約250psig的壓力下安全的貯存在鋼瓶中。然而，溶劑丙酮會產(chǎn)生高達10%的丙酮蒸氣，在生產(chǎn)過程或/和終產(chǎn)物中造成污染。因此，技術上需要提供一種能夠安全的處理和輸送乙炔的系統(tǒng)(或裝置)和方法，且乙炔以高純度傳輸，尤其是用于半導體生產(chǎn)工藝中。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明描述的是一種提供乙炔到使用地點的工藝和系統(tǒng)(或裝置)，所述乙炔尤其是高純度水平的(例如，含有百萬分之("ppm")100，或者10卯m，或者l卯m，或者十億分之("卯b")IOO，或者10卯b，或者l卯b或者更少的溶劑)。一方面，提供一種含有100卯m或者更少溶劑的高純度乙炔的使用工藝，包含提供一種含有乙炔和溶劑的溫度為20°C到-5(TC的乙炔原料流；將此乙炔原料流在_501:到301:的溫度范圍導入純化器中，以除去至少一部分其中含有的溶劑，得到高純度的乙炔。在特定的實施方式中，原料流進入純化器的溫度為室溫(例如大約25°C)。在另一方面，提供一種將含有100ppm或者更少的含有二甲基甲酰胺的溶劑的高純度乙炔的提供到使用地點的工藝，包含降低含有乙炔和該溶劑的原料流的溫度到20°C到-5(rc的范圍內(nèi)以提供高純度的乙炔；將此高純度的乙炔引導到使用地點。進一步，本發(fā)明涉及一種提供純化的乙炔流體流的到使用地點例如半導體生產(chǎn)的系統(tǒng)(或裝置)。一方面，提供含有100ppm或者更少溶劑的高純度乙炔到使用點的系統(tǒng)(或裝置)包含儲存含有乙炔和溶劑的乙炔原料流的貯存容器；保持貯存容器和提供溫度為2(TC到-50°〇的乙炔原料流的冷卻系統(tǒng)；和與所述貯存容器流體連接的純化器，其中在-5(TC到3(TC的溫度范圍乙炔原料流被引入到所述純化器中，以除去其中所含的至少一部分溶劑并提供高純度的乙炔。圖1是本發(fā)明描述的提供高純度乙炔的系統(tǒng)(或裝置)的實例。圖2是9個示例性的含乙炔鋼瓶(或稱貯罐(cylinder))在3個不同溫度條件下(例如-2(TC，(TC，和2(rC)的丙酮濃度和鋼瓶壓力關系的比較圖。圖3是在溫度為20°C，流速為10標準升每分鐘(SPLM)的熱力學模型下的3個示例性的含乙炔鋼瓶的丙酮濃度和乙炔壓力的關系圖。圖4是在溫度為0°C，流速為10標準升每分鐘(SPLM)的熱力學模型下的3個示例性的含乙炔鋼瓶的丙酮濃度和乙炔壓力的關系圖。圖5是在溫度為_20°C，流速為10標準升每分鐘(SPLM)的熱力學模型下的3個示例性的含乙炔鋼瓶的丙酮濃度和乙炔壓力的關系圖。圖6是以ppm為溶劑濃度，溫度為20°C，乙炔鋼瓶中的溶劑為丙酮和在相同溫度下，乙炔鋼瓶中的溶劑為二甲基甲酰胺(DMF)時的熱力學模型的溶劑濃度的比較圖。圖7是以ppm為溶劑濃度，溫度為0t:，乙炔鋼瓶中的溶劑為丙酮和在相同溫度下，乙炔鋼瓶中的溶劑為二甲基甲酰胺(DMF)時的熱力學模型的溶劑濃度的比較圖。圖8是以ppm為溶劑濃度，溫度為_20°C，乙炔鋼瓶中的溶劑為丙酮和在相同溫度下，乙炔鋼瓶中的溶劑為二甲基甲酰胺(DMF)時的熱力學模型的溶劑濃度的比較圖。圖9是冷卻到-201:時，通過或者沒有通過純化器的乙炔鋼瓶中的丙酮容積的濃度分數(shù)的比較圖。發(fā)明詳述本發(fā)明描述的是一種將高純度乙炔(C2H2)(例如，含有百萬分之100("卯m")，或者10卯m，或者l卯m，或者十億分之100("卯b")，或者10卯b，或者l卯b或者更少的溶劑)提供到使用點的系統(tǒng)(或裝置)和方法，所述使用點例如半導體生產(chǎn)設備，舉例但不限于離子注入機、蝕刻室、化學氣相沉積反應器或原子層沉積反應器。如前所述，乙炔貯存鋼瓶或容器設計使用被可溶解乙炔的丙酮和/或者其它適當溶劑飽和的多孔材料來避免分解和易燃的問題。乙炔貯存鋼瓶或容器中使用的溶劑例如但不限于丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮和它們的混合物。本發(fā)明描述的系統(tǒng)(或裝置)和工藝通過使用冷卻系統(tǒng)或者其它方法在貯存源頭冷卻貯存容器或者鋼瓶來提供溫度范圍從2(TC到_501:的乙炔原料流，避免了現(xiàn)有技術中的問題。提供乙炔原料流的2(TC到-5(TC的溫度范圍可以包括下面任何一個或多個端點20°C，15°C，10°C，5°C，(rC，-5°C，-10°C，-15°C，-20°C，-25°C，-30°C，-35°C，-40°C，-45°C或者-50°C。某些乙炔貯存容器的溫度范圍的例子包括但不限于，(TC到-35t:，2(rc到-5t:，或者1(TC到-15t:。提供的乙炔原料流的溫度范圍可以隨著貯存器中的一種或者多種溶劑的蒸氣壓變化。隨著溫度的降低，溶劑的蒸氣壓將會降低，以至于將會使乙炔原料流中攜帶的溶劑量最低。例如，在一些實施方式中，乙炔溶解在丙酮溶劑中，當乙炔原料流在-201:的溫度下從貯存容器中傳輸時，由于丙酮的蒸氣壓是O.02654巴，更多的丙酮溶劑仍舊在貯存容器中。在其它一些實施方式中，乙炔被溶解在溶劑DMF中，當乙炔原料流在_201:的溫度下從貯存容器中傳輸時，由于DMF的蒸氣壓是0.00019巴，更多的溶劑DMF仍舊在貯存容器中。在后的實施方式，含有溶劑DMF的乙炔原料流的溫度被降低到例如_201:時，其純度足以使用，而不再必需通過一個或者多個純化器。下表1給出了從含有DMF的貯存容器中分出乙炔的溫度和在這個分離溫度范圍內(nèi)用巴表示的蒸氣壓力。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>與去除丙酮的氣相冷卻法不同，本發(fā)明描述的系統(tǒng)(或裝置)和工藝也可以降低生成液態(tài)乙炔的可能性，同時用戶也不必處理在乙炔貯存容器中含有的溶劑。本發(fā)明描述的系統(tǒng)(或裝置)和工藝也提供了一種或者多種在得到純化的乙炔流體流之前所使用的純化器。這里使用的術語"流體"指液體和氣體，升華了的固體，和一種物質(zhì)的上述多種改變。在這種系統(tǒng)(或裝置)和工藝中可以使用的純化器的實例包括但不限于活性炭、分子篩、硅膠、沸石和上述的組合物。一種或者多種純化器用來除去乙炔原料流中存在的殘余溶劑。因為進入純化器的乙炔原料流在一個較低的溫度，純化器上的"裝載量"會減少，這是因為進入純化器的乙炔原料流中的溶劑減少，所以需要被除去的溶劑也減少。因為溶劑的攜帶量減少，從而可以減少純化器的尺寸和容量，這樣可以降低整個費用。進一步，本發(fā)明描述的系統(tǒng)(或裝置)和方法中的純化器能夠在從大約-5(TC到3(TC的溫度范圍內(nèi)操作。乙炔原料流進入純化器的-S(TC到3(TC的溫度范圍可以包括下面的任何一個或者多個端點值30。C，25。C，20。C，15。C，l(TC，5。C，(rC，-5°C，-10°C，_15°C，_20°C，-25°C，_30°C，_35°C，_40°C，_45"或者_50°C。乙炔貯存容器的特定溫度范圍的實例包括但不限于(TC到-15t:，2(rC到-5t:，或者1(TC到3(TC。在一個實施方式中，乙炔原料流進入純化器的溫度是室溫(例如25tO。在另一個實施方式中，例如，當乙炔原料流中含有溶劑DMF時，其被降低到一個特定的溫度從而可以不需要被引入一個或多個純化器。圖1是本發(fā)明描述的將高純度乙炔流體提供到使用點的系統(tǒng)(或裝置)實施方式。在這個實施方式中，本系統(tǒng)(或裝置)和工藝通過包含至少2個被設計成完全充足的鋼瓶10和20來提供穩(wěn)定和不間斷的不含溶劑的乙炔到半導體生產(chǎn)工藝中。第一或者初始鋼瓶或貯存容器10提供乙炔原料流到下游工藝中，而第二或者次級鋼瓶或貯存容器20作為支援或備用。例如，如果第一鋼瓶由于例如體積降低，設備故障等等導致乙炔原料流中斷，乙炔原料流自動切換(自動轉換)到第二鋼瓶。在其它的實施方式中，多數(shù)量的乙炔貯存鋼瓶可以被用來提供不間斷的乙炔原料流。本系統(tǒng)(或裝置)還包含一個中央處理器("CPU")100，其與一個或者多個下述的系統(tǒng)組成部分通過電子通信的方式連接，例如各種壓力控制閥("PCV")，液位傳感器，熱傳感器，安全閥，冷卻系統(tǒng)等等。CPU100也能夠控制初始鋼瓶10和次級鋼瓶20的溫度，監(jiān)控輸送壓力，鋼瓶壓力和鋼瓶的重量。例如，在CPU100監(jiān)控的預先設定點，初級鋼瓶10中的鋼瓶重量和壓力低時可以觸發(fā)自動轉換到備用或者次級鋼瓶20。在這種情況下，到半導體工藝中的氣體流量不會被中斷，因為操作者能夠更換空的第一鋼瓶10，同時第二個鋼瓶20提供氣體流量到生產(chǎn)工藝中。鋼瓶10和20中的乙炔原料流含有乙炔和至少一種溶劑，選自但不限于丙酮，二甲基甲酰胺(匿F)，N-甲基吡咯烷酮，和上述的混合物。乙炔溶解到這種溶劑中。在特定的實施方式中，鋼瓶中也包含一種多孔介質(zhì)，例如但不限于，硅酸鈣，用來吸收其中的溶劑。鋼瓶在壓力可高達250磅每平方英寸(psi)下貯存。由于安全的原因，輸送壓力不能超過15psig。鋼瓶10和20也安裝了回火防止器130，其被設計用來防止壓力的快速釋放，例如如果鋼瓶10或者20傾倒或者被損壞時。在特定的實施方式中，鋼瓶10和20也安裝了一個壓力調(diào)節(jié)器140，例如轉讓給本申請受讓人的申請?zhí)枮?16891的歐洲專利申請所描述的。圖1的實施方式表明，鋼瓶10和20被循環(huán)冷卻器30冷卻到Ot:到-20°C。在一個具體的實施方式中，鋼瓶10和20被通過管線110連接到一個冷卻器上的鋼瓶冷卻夾套15進行冷卻。然而維持鋼瓶10，20或者兩者在需要的溫度范圍內(nèi)的其它方式也是可以預見的。圖l中描述的系統(tǒng)(或裝置)包含了可以在上述提及的溫度和壓力范圍內(nèi)，安全貯存和處理含有乙炔的流體的調(diào)節(jié)器、流量計、閥門、軟管和管道。圖1描述的系統(tǒng)(或裝置)也被設計成自動的凈化和通風以進行高純度的操作。凈化管線80通過V490連接，通風口通過V540和V650連接。自動凈化的周期是由CPUIOO控制器啟動和監(jiān)控，在正壓的吹掃用氣體流和通過真空文氏管排空到負壓的兩個時期之間切換。圖l系統(tǒng)(或裝置)中的壓力傳感器和超額流量開關監(jiān)控工藝條件，在系統(tǒng)不正常的狀態(tài)下進行報警和關閉系統(tǒng)。圖l的系統(tǒng)(或裝置)中，來自鋼瓶10或者20的乙炔原料流在大約-5(TC到3(rC，或者大約25t:和至高15psi壓力下通過一個純化器60，產(chǎn)生純化的乙炔流體流。在圖1描述的系統(tǒng)(或裝置)的實施方式中，乙炔原料流到達純化器時候的溫度一直是室溫，因為其從系統(tǒng)(或裝置)通過管道傳輸?shù)绞褂玫倪^程中沒有被隔熱。進一步，在圖1描述的系統(tǒng)(或裝置)的實施方式中，輸送的乙炔的溫度對于最終使用過程而言不是關鍵性的。然而，在管道運輸中進行隔熱或者用其它方式控制乙炔原料流在進入純化器之前或者進入純化器時的溫度是可以預見的。雖然，圖1中描述的是使用一個純化器，但是也可以理解為本系統(tǒng)(或裝置)可以被修改成使用多個純化器(例如2個或更多個純化器)。進一步，本發(fā)明描述的系統(tǒng)(或裝置)和工藝也允許對純化器中被除去的殘留溶劑進行回收。在本系統(tǒng)(或裝置)和工藝中使用的純化器的實例包括但是不限于活性炭，分子篩，硅膠，沸石，和上述的組合物。所述的系統(tǒng)(或裝置)和工藝所使用的一種特定的純化器的例子是加利福尼亞的圣路易斯奧比斯波的SAESPureGas公司提供的MICR0T00R@MC4500。乙炔原料流在大約-5(TC到3(TC的溫度下，或者在大約25t:或者室溫，至高15psig的壓力下通過純化器60，以除去乙炔原料中的任何殘留的溶劑。純化過的乙炔流體流含有百萬分之100("卯m")，或者10卯m，或者l卯m，或者十億分之100("卯b")，或者10卯b，或者lppb或者更少的溶劑。通過純化器60后，純化的乙炔流體流流出使用。在本發(fā)明描述的工藝和系統(tǒng)(或裝置)的另外一個實施方式中，裝有乙炔和溶劑的貯存容器被降低到一個足夠低的溫度以使溶劑由于其低蒸氣壓而保持在貯存容器中，從而能夠從容器中直接分離出高純度的乙炔流體流，而不需要將其引入一個或多個純化器中。本發(fā)明的系統(tǒng)(或裝置)和工藝有至少一個如下所述的優(yōu)點。本發(fā)明的系統(tǒng)(或裝置)和工藝可以更大的利用乙炔鋼瓶的容量。在室溫(例如25tO，乙炔可利用的大概是鋼瓶中乙炔總體積的50%。在室溫和超過50%的利用時，夾雜的溶劑量會很高以致于其不適用于半導體生產(chǎn)工藝中。因此，在溶劑量達到不再適用的程度之前，降低鋼瓶的溫度可以降低溶劑的蒸氣壓到一個能夠更大的利用乙炔鋼瓶容量的程度。本發(fā)明的系統(tǒng)(或裝置)和工藝可以減少離開鋼瓶的溶劑量，從而在必須向鋼瓶中加入更多的丙酮之前，可以增加鋼瓶再灌裝的次數(shù)。這樣也會降低用戶的總成本，因為客戶將可以使用他們購買氣體的更多部分。并且，更高的利用可以減少必須的鋼瓶更換次數(shù)，降低了和提供乙炔相關的勞動力成本。下面的實施例進一步說明本發(fā)明公開的系統(tǒng)(或裝置)和方法，但并不是限于這些實施例。實施例實施例中使用的乙炔原料流是商業(yè)上可以獲得的乙炔鋼瓶提供的，其標明的乙炔填充量是5kg，使用丙酮作為溶解乙炔的溶劑。乙炔原料流以5到15標準升每分鐘(SPLM)的供給速率持續(xù)供給，但是平均流速是IOSPLM。根據(jù)溫度條件，鋼瓶配置了一個鋼瓶夾套，和使用ThermoScientificNeslab制造的冷卻器進行冷卻。來自每個鋼瓶的乙炔原料流通過一個SAESGetters,lianate，意大利制造的純化器。采集進入純化器之前和之后的乙炔原料流的樣品并且分析丙酮的濃度，在此使用的是德爾格管(DraegerSafety，盧貝克公司制造)，無彌散紅外線(NDIR)(ADCGasAnalysisLtd.Ofhoddesdon，英國制造)或者帶有熱傳導檢測器(TCD)的氣相色譜(GC)(AglientTechnologiesofSantaClara，加拿大制造)。實驗一直進行到鋼瓶中全部的乙炔被除去，從而不可能維持一個平均IOSPLM的流速。實驗使用三個不同的鋼瓶，每一個鋼瓶在三個不同的溫度條件下(例如20°C，0°C和-20°C)有相同的貯存體積。為了研究不同鋼瓶工作情況的變化性，實驗在三個溫度的每一個溫度下使用了三個不同的鋼瓶。實驗結果顯示在圖2中。圖2顯示出相同溫度下的不同鋼瓶的結果會有一些變化。這種變化來自于鋼瓶中丙酮數(shù)量的變化。通常，在每4或者5次灌裝乙炔后，乙炔鋼瓶中要加入丙酮。在重新加入丙酮的次數(shù)之間，乙炔鋼瓶中的丙酮數(shù)量是可變的。當丙酮從鋼瓶中分配出去后，鋼瓶中的壓力降低，丙酮在乙炔中的濃度分數(shù)增加。圖2中的數(shù)據(jù)也表明隨著鋼瓶溫度降低，在其釋放出來的乙炔中的丙酮的濃度分數(shù)變小。利用乙炔在丙酮中的溶解度系數(shù)的溫度相關性的熱力學模型預測出分配的乙炔中的丙酮的濃度分數(shù)，以及對不同鋼瓶溫度下(例如-2(TC，(TC，和20°C)獲得的實驗數(shù)據(jù)進行比較，分析的結果見圖3，4和5。乙炔在丙酮和DMF中的溶解度參數(shù)通過查閱文獻獲得，和使用內(nèi)部的CAPP計算機模擬程序計算濃度分數(shù)。圖3，4和5顯示模擬預測的結果和得到的實驗數(shù)據(jù)相吻合。7也可利用二甲基甲酰胺(DMF)而非丙酮作為溶劑的溫度相關性的熱力學模型。乙炔在丙酮和DMF中的溶解度參數(shù)可通過查閱文獻獲得，和使用內(nèi)部的CAPP計算機模擬程序計算濃度分數(shù)。鋼瓶溫度為2(TC，(TC，_201:的熱力學模型的結果見圖6，7和8，并與丙酮的模型預測結果進行比較。模型預測表明，DMF的低蒸氣壓或者在分配的乙炔中DMF溶劑的濃度分數(shù)比使用丙酮作為溶劑時要低。純化器的使用進一步降低了乙炔中溶劑的濃度分數(shù)。圖9顯示了在使用冷卻到-20°C的乙炔鋼瓶，丙酮作為溶劑，純化和沒有進行純化的條件下進行實驗的比較結果。圖9說明通過純化器后的乙炔中的丙酮的濃度分數(shù)是10ppm或者更低。圖9也顯示出在沒有純化器的情況下，鋼瓶中消耗的乙炔越多，丙酮的濃度分數(shù)會增加。因此，純化器消除了工藝的易變性，維持丙酮的濃度分數(shù)在一個更低的值。權利要求一種將含有100ppm或更少溶劑的高純度乙炔提供到使用點的工藝，包括提供含有乙炔和溶劑的溫度范圍為20℃到-50℃的乙炔原料流；在-50℃到30℃的溫度范圍將乙炔原料流引導到純化器，以除去至少一部分其中含有的溶劑，并提供高純度的乙炔。2.權利要求l的工藝，還包括再生所述純化器以除去至少一部分溶劑。3.權利要求l的工藝，其中所述溶劑為選自由丙酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和它們的組合所構成組的至少一種。4.權利要求l的工藝，其中所述引導步驟在室溫下進行。5.—種將含有100ppm或更少的含二甲基甲酰胺溶劑的高純度乙炔提供到使用點的工藝，包括降低含有乙炔和所述溶劑的乙炔原料流的溫度到2(TC到-S(TC的范圍，以提供高純度的乙炔；和將所述高純度的乙炔弓I導到使用點。6.權利要求5的工藝，還包括在引導步驟前使乙炔原料流通過純化器。7.—種將含有100ppm或更少溶劑的高純度乙炔提供到使用點的系統(tǒng)，包括儲存含有乙炔和溶劑的乙炔原料流的貯存容器；保持所述貯存容器和提供溫度為2(TC到_501:的乙炔原料流的冷卻系統(tǒng)；禾口與貯存容器流體連接的純化器，其中在-5(TC到3(TC的溫度范圍，乙炔原料流被引導到所述純化器中，以除去其中所含的至少一部分溶劑并提供高純度的乙炔。8.權利要求7的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括額外的貯存容器。9.權利要求7的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括電子通信連接到所述冷卻系統(tǒng)的中央處理器。10.權利要求7的系統(tǒng)，其中所述貯存容器還包括調(diào)節(jié)器和回火防止器。11.權利要求7的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括多個純化器。全文摘要本發(fā)明涉及一種提供乙炔到使用點的系統(tǒng)和工藝，所述乙炔尤其是高純度水平的(例如，含有百萬分之100(“ppm”)，或者10ppm，或者1ppm，或者十億分之100(“ppb”)，或者10ppb，或者1ppb或者更少的溶劑)，用于例如半導體生產(chǎn)工藝。一方面，提供一種含有100ppm或更少溶劑的高純度乙炔的到使用點的工藝過程包括提供一種含有乙炔和溶劑的溫度從20℃到-50℃的乙炔原料流；在溫度為-50℃到30℃下，引入乙炔原料流到純化器中以除去其中含有的至少一部分溶劑，從而得到高純度的乙炔。文檔編號F17D1/04GK101737624SQ200910211629公開日2010年6月16日申請日期2009年9月16日優(yōu)先權日2008年9月16日發(fā)明者B·J·A·英曼,E·J·小卡瓦基,J·歐文,N·A·唐尼,S·N·凱特卡,T·J·梅庫特申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司