KR101118701B1 - 고순도 가스 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 가스 공급장치에 관한 것으로, 안정화가스를 포함하는 공정가스가 상부측으로 유입되고, 저면측에서 응축된 안정화가스를 배출하는 실린더와, 상기 실린더의 외측에 냉매를 순환시켜 상기 안정화가스를 응축시키는 냉매관과, 상기 실린더의 상면에서 내측으로 삽입 설치되어 상기 안정화가스가 응축 분리된 공정가스를 공급장치로 배출하는 공정가스배출관과, 상기 실린더의 저면측 드레인라인에 연결되어 상기 응축된 안정화가스의 배출속도를 조절하여 배출하는 드레인부를 포함한다. 이와 같은 구성의 본 발명은 공정가스에 포함된 안정화가스를 응축시켜 분리하고, 그 공정가스와 응축된 안정화가스의 배출경로를 다르게 하여 순수한 공정가스를 공정장치로 공급할 수 있어 공정의 균일성을 확보하고, 수율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

고순도 가스 공급장치{Supply device for high purity gas}

본 발명은 고순도 가스 공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 제조공정 등에 사용되는 공정가스로부터 그 공정가스를 안정화하는 안정화물질을 분리하여 공급할 수 있는 고순도 가스 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제조공정에서 사용하는 플라즈마 화학기상증착장치에 사용되는 공정가스의 대표적인 예로는 아세틸렌(C₂H₂)이 있다. 널리 알려진 바와 같이 아세틸렌은 15psig보다 큰 압력으로 가압되는 경우 폭발성을 가지는 기체이며 저장과 수송에 각별한 주의가 필요하다.

이와 같이 위험 물질로 분류될 수 있는 공정가스를 안정적으로 저장하기 위하여 그 공정가스를 용해시켜 저장하는 방법이 개발되었으며, 아세틸렌의 경우에는 그 아세틸렌의 용해성이 매우 우수한 아세톤용액을 사용한다.

상기 안정화용매로서의 아세톤용액은 아세틸렌이 추가적으로 받는 1기압의 압력마다 25부피의 아세틸렌을 더 흡수할 수 있기 때문에 15psig를 초과하는 경우에도 아세틸렌의 폭발을 방지할 수 있게 된다.

그러나, 이와 같이 안정화용매에 용해된 공정가스를 플라즈마 화학기상증착장치 등의 공정장치로 공급할 때, 그 공정가스의 스트림에 의해 안정화용매의 일부가 그 공정가스 스트림에 포함되어 공정장치로 이송된다.

이처럼 공정장치에 공정가스 이외의 안정화용매의 기체상이 함께 공급되면 불순물로 작용하게 되어 공정의 균일성을 저하시키고, 수율을 감소시키는 원인이 될 수 있다.

특히 공정가스 스트림의 공정장치로의 공급시간이 길어질수록 그 공정가스 스트림에 포함되는 안정화용매의 기체상은 증가하는 것으로 알려져 있어, 공정불량을 유발하게 된다.

이와 같은 문제점을 감안하여 그 공정가스 스트림으로부터 안정화용매 및 안정화용매의 기체상을 제거하는 방법들이 제안되었으나, 공정가스 스트림으로부터 안정화용매 및 그 안정화용매의 기체상인 안정화가스를 완전하게 제거할 수 없었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공정가스로부터 안정화가스를 완전하게 제거할 수 있는 고순도 가스 공급장치를 제공함에 있다.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 공정가스로부터 분리된 안정화가스를 배출을 보다 용이하게 하며, 안정화가스의 배출시 공정가스로부터 안정화가스를 분리하는 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 고순도 가스 공급장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 안정화가스를 포함하는 공정가스가 상부측으로 유입되고, 저면측에서 응축된 안정화가스를 배출하는 실린더와, 상기 실린더의 외측에 냉매를 순환시켜 상기 안정화가스를 응축시키는 냉매관과, 상기 실린더의 상면에서 내측으로 삽입 설치되어 상기 안정화가스가 응축 분리된 공정가스를 공급장치로 배출하는 공정가스배출관과, 상기 실린더의 저면측 드레인라인에 연결되어 상기 응축된 안정화가스의 배출속도를 조절하여 배출하는 드레인부를 포함한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 고순도 가스 공급장치는, 공정가스에 포함된 안정화가스를 응축시켜 분리하고, 그 공정가스와 응축된 안정화가스의 배출경로를 다르게 하여 순수한 공정가스를 공정장치로 공급할 수 있어 공정의 균일성을 확보하고, 수율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명 고순도 가스 공급장치는, 상기 공정가스로부터 분리된 응축 안정화가스의 배출시 실린더 내의 가스이동 속도의 증가를 방지함으로써, 상기 안정화가스의 응축저하를 방지할 수 있으며, 이와 같이 안정화가스의 배출시에도 공정가스로부터 안정화가스를 효과적으로 분리하여 공정장치에 안정화가스가 공급되는 것을 방지하여, 공정의 균일성을 확보하고, 수율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

아울러 본 발명 고순도 가스 공급장치는, 응축된 안정화가스를 일시 저장하여 그 응축된 안정화가스에 포함될 수 있는 공정가스가 다시 기화되어 공정장치로 재공급될 수 있도록 하여 공정가스의 낭비를 방지하여, 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명 고순도 가스 공급장치는, 간단한 구조의 드레인부를 사용하여 안정적으로 응축된 안정화가스를 외부로 배출할 수 있으며, 따라서 제어가 용이하고, 설비비를 절감하고, 유지 보수 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고순도 가스 공급장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 차단판의 작용을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고순도 가스 공급장치의 드레인부의 구성도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 적용되는 드레인부의 작용을 설명하기 위한 밸브 제어 동작 수순도이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 고순도 가스 공급장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고순도 가스 공급장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고순도 가스 공급장치는, 상부측에 안정화가스를 포함하는 공정가스가 공급되는 공급라인(11)이 연결되고, 저면부에서 드레인라인(12)이 연결되는 수직형의 실린더(10)와, 상기 실린더(10)의 외면에 냉매를 접촉순환시켜, 상기 안정화가스를 응축시키는 냉매관(20)과, 상기 실린더(10)의 상부측으로부터 소정 깊이로 내삽되어 상기 안정화가스의 응축으로 안정화가스가 분리된 공정가스를 유도하여 공정장치(미도시)로 공급하는 공정가스배출관(30)을 포함하여 구성된다.

상기 실린더(10)에 내삽된 공정가스배출관(30)의 하부끝단에는 응축된 안정화가스가 상기 실린더(10)의 내벽에 접촉되어 응축이 보다 용이하게 되며, 공정가스배출관(30)으로 유입되는 것을 방지하는 차단판(31)이 마련되어 있으며, 그 실린더(10)의 하부 일부에는 상기 응축된 안정화가스가 수집되는 저장부(13)가 마련되어 있다.

상기 저장부(13)에 저장된 응축 안정화가스는 드레인부(40)에 의해 주기적으로 배출된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고순도 가스 공급장치의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 실린더(10)는 상부에 상기 공정가스배출관(30)이 가스의 누설 없이 삽입 설치될 수 있도록 통공이 마련되고, 그 상부의 측면에 저장용기로부터 공정가스가 공급되는 공급라인(11)이 마련되어 있다. 앞서 상세히 설명한 바와 같이 저장용기 내에서 공정가스를 안정화하는 안정화용매의 기체상인 안정화가스가 그 공정가스에 포함되어 상기 공급라인(11)을 통해 공급된다.

상기 실린더(10)는 높이가 높은 원통형의 구조를 가지고 있으며, 상기 공정가스배출관(30)과 대향하는 저면부에는 드레인라인(12)이 연결되어 있다.

상기 실린더(10)의 외면에는 냉매가 순환되면서 그 실린더(10)의 온도를 낮출 수 있는 냉매관(20)이 마련되어 있으며, 이 냉매관(20)에 의해 실린더(10)의 온도는 안정화가스만이 선택적으로 응축될 수 있는 온도를 유지하게 된다.

도면에 도시되지는 않았지만 상기 냉매관(20)과 실린더(10)의 온도가 유지될 수 있도록 그 냉매관(20)의 외측에는 단열재가 마련될 수 있다.

상기 냉매관(20)은 하부측면에 냉매공급라인(21)이 마련되고, 상부측면에 냉매배출라인(22)이 마련되어 열교환된 냉매를 순환시킬 수 있는 구조를 가지고 있다.

또한 냉매관(20)은 그 실린더(10)의 외면 전체를 감싸는 형태이거나, 상기 저장부(13)의 외측을 노출시키도록 일부에 위치할 수 있다.

그리고, 상기 실린더(10)의 상면을 통해 실린더(10)의 내부로 삽입되는 공정가스배출관(30)은 실린더(10)의 내면에 접촉되지 않도록 실린더(10) 내면의 중앙부에 설치되며, 그 하단부는 상기 저장부(13)와는 소정거리 이격되어 위치하도록 삽입된다.

이와 같은 구조에서 상기 공급라인(11)을 통해 공정가스와 그 공정가스에 혼합된 안정화가스가 유입된다. 이때 공정가스는 아세틸렌, 안정화가스는 아세톤일 수 있으나 본 발명은 공정가스를 용해시키는 안정화용매를 사용하며, 안정화용매의 기체상인 안정화가스의 응축온도가 공정가스의 응축온도에 비해 더 높은 경우에 모두 적용될 수 있다.

상기 유입된 공정가스와 안정화가스는 압력에 의해 상기 실린더(10)와 공정가스배출관(30) 사이의 공간을 통해 하향이동하며, 냉매관(20)에 접한 실린더(10)를 통과하면서 더 높은 온도에서 응축되는 안정화가스가 응축되어 공정가스로부터 분리된다.

상기 응축된 안정화가스는 액체상으로 그 실린더(10)의 내벽을 타고 흘러내려 실린더(10)의 하부측 저장부(13)에 모이게 된다.

상기 공정가스배출관(30)의 하단부 외경에 마련된 차단판(31)은 공정가스에 혼합된 응축되지 않은 안정화가스의 응축효율을 높이기 위하여 실린더(10)의 내벽으로 유도하는 역할을 한다.

도 2는 상기 안정화가스의 응축효율을 높이기 위한 차단판(31)의 기능을 설명하는 모식도이다.

이에 도시한 바와 같이 상기 차단판(31)의 상면은 외측으로 갈수록 두께가 얇아지는 형태로 경사져 있으며, 상기 공급라인(11)을 통해 실린더(10)의 내부로 공급된 공정가스 및 안정화가스가 차단판(31)의 경사면을 따라 냉매관(20)에 직접 접촉되는 실린더(10)의 내벽측으로 이동하도록 유도한다.

이는 실린더(10)의 내벽의 온도가 상기 공정가스배출관(30)의 온도에 비하여 더 낮은 것을 고려하여, 안정화가스의 응축률을 보다 높일 수 있게 한다.

상기 냉매관(20)의 열교환에 의해 온도가 낮아진 상태에서도 기체상태를 유지하는 공정가스는 상기 공정가스배출관(30)을 통해 상향 이동하여 공정장치로 공급된다.

이때 상기 안정화가스의 응축률을 높이는 차단판(31)은 공정가스 스트림에 의해 응축된 안정화가스가 함께 상기 공정가스배출관(30)으로 유입되는 것을 방지하는 역할도 하게 된다.

상기 차단판(31)의 상부 경사면을 따라 흘러내리는 응축된 안정화가스는 그 공정가스배출관(30)의 입구측과는 거리가 이격된 위치에서 상기 저장부(13)로 낙하하며, 응축되지 않은 안정화가스는 실린더(10)의 내벽측으로 유도되기 때문에 공정가스배출관(30)으로 유입되는 것이 방지될 수 있다.

상기 차단판(31)은 공정가스와의 반응을 방지할 수 있도록 테프론과 같이 비반응성 재질로 제조하는 것이 바람직하다.

이처럼 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고순도 가스 공급장치는 냉매를 사용하여 공정장치에서 불순물로 작용하는 안정화가스를 응축시켜 공정가스와 분리함과 아울러 그 공정가스가 공급될 때 분리된 안정화가스가 재공급되는 것을 차단하여 보다 순도 높은 공정가스를 공급할 수 있게 된다.

상기 저장부(13)에 저장된 응축된 안정화가스는 드레인부(40)에 의해 바로 배출되지 않고, 소정시간 저장부(13)에 저장된 상태를 유지한다. 이와 같은 저장 유지 시간동안 상기 응축된 안정화가스에 포함될 수 있는 공정가스는 다시 기화되어 상기 공정가스배출관(30)을 통해 공정장치로 공급되어, 그 공정가스의 낭비를 방지할 수 있게 된다.

상기 저장부(13)에 저장되어 있는 응축된 안정화가스는 약간의 공정가스를 포함할 수도 있으며, 공정가스(아세틸렌)에 비하여 응축 안정화가스(아세톤)의 비중이 높기 때문에 안정화가스의 상부에 공정가스가 위치하는 형태가 되며, 그 공정가스는 대부분 기화되어 상기 공정가스배출관(30)을 통해 배출된다.

이처럼 공정가스가 제거된 응축 안정화가스는 드레인부(40)를 통해 주기적으로 드레인 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 드레인부(40)의 상세 구성도이고, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 적용되는 드레인부의 작용을 설명하기 위한 밸브 제어 동작 수순도이다.

먼저, 도 3을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 드레인부(40)는, 상기 실린더(10)의 드레인라인(12)에 연결되어 배출유량을 조절할 수 있도록 진공압력을 조절하는 오리피스(41)와, 배출을 제어하는 제1 및 제2밸브(42,43)와, 제1밸브(42)와 제2밸브(43) 사이의 압력을 측정하는 압력센서(44)와, 진공압을 발생시켜 상기 응축된 안정화가스를 배출하는 진공발생부(45)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 드레인부(40)의 응축 안정화가스 배출작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 상기 저장부(13)에 응축 안정화가스가 저장되는 상태에서는 제1밸브(42)가 닫힌 상태이고, 제2밸브(42)가 열린 상태이며, 질소가스 등의 비반응성 가스가 진공발생부(45)를 지날 때, 그 닫힌 제1밸브(42)의 후단측은 진공상태가 된다.

즉, 상기 진공발생부(45)는 벤튜리관의 형상을 가지는 것으로, 상기 질소가스가 관을 지날 때의 압력에 의하여 상기 오픈된 제2밸브(43)와 닫힌 제1밸브(42) 사이의 공기를 외부로 배출시켜 진공상태를 만든다.

그 다음, 도 4b에 도시한 바와 같이 상기와 같이 제2밸브(43)가 열린 상태에서 진공발생부(45)의 작용에 의해 상기 제1밸브(42)의 후단부가 진공상태가 된 후에, 상기 제2밸브(43)를 닫아 상기 제1밸브(42)와 제2밸브(43) 사이의 진공상태를 유지한다.

그 다음, 도 4c에 도시한 바와 같이, 제1밸브(42)와 제2밸브(43)의 사이를 진공상태로 만든 후, 상기 저장부(13)에 저장된 응축 안정화가스를 배출하기 위하여 제1밸브(42)를 열어 그 응축 안정화가스가 오리피스(41)를 통해 배출되도록 한다.

이때, 상기 드레인라인(12)에 직접 설치된 오리피스(41)를 통해 배출되는 안정화가스는 급격하게 빠른 속도로 배출되는 것이 방지되며, 따라서 상기 실린더(10)의 내부에서 이동하는 공정가스 및 안정화가스의 이동속도가 증가되는 것을 방지할 수 있다.

이처럼 열교환이 이루어지는 실린더(10) 내의 이동속도의 증가를 방지하여 안정화가스의 응축률이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

즉, 상기 실린더(10) 내에서의 공정가스 및 안정화가스의 유속이 증가하는 경우 그 공정가스에 포함된 안정화가스가 응축될 수 있는 충분한 열교환이 이루어지지 않은 상태, 즉 안정화가스가 분리되지 않은 상태로 상기 공정가스배출관(30)을 통해 공정장치로 공급될 수 있으며, 본 발명은 오리피스(41)를 통해 응축 안정화가스의 배출속도의 급격한 증가를 방지하여 안정적인 안정화가스의 분리가 이루어질 수 있게 된다.

다시 말해서 응축 안정화가스를 드레인시키는 동안에도, 안정적으로 공정가스와 안정화가스를 분리할 수 있게 된다.

상기 응축 안정화가스가 배출되면서 상기 제1밸브(42)와 제2밸브(43) 사이의 압력을 측정하는 압력센서(44)에서 검출되는 압력은 증가하게 된다. 이 압력센서(44)에서 검출되는 압력은 배출되는 응축 안정화가스의 유량에 비례하는 것이며, 상기 제1밸브(42)와 제2밸브(43) 사이의 체적을 알고 있기 때문에 압력을 통해 배출되는 응축 안정화가스의 유량을 산출할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명은 압력센서(44)를 사용하여 응축 안정화가스의 배출 유량을 결정하고, 주기적으로 배출할 응축 안정화가스의 유량을 제한하여, 상기 저장부(13)에 비중에 의해 상하 구분되어 위치하는 응축 공정가스와 응축 안정화가스가 혼합되어 배출되지 않도록 할 수 있다.

이와 같은 상태에서 상기 압력센서(44)의 검출압력이 설정압력이 되면, 도 4d에 도시한 바와 같이 상기 제1밸브(42)를 닫아 상기 저장부(13)에 저장된 응축 안정화가스의 배출을 정지시키고, 다시 제2밸브(43)를 열어 상기 제1밸브(42)와 제2밸브(43) 사이에 갇혀있던 응축 안정화가스를 배출하게 된다.

이때 배출을 용이하게 하기 위하여 상기 질소가스에 의해 작용하는 진공발생부(45)를 동작시켜 응축 안정화가스를 스크러버 등의 후처리장치로 배출하게 된다.

이와 같은 과정이 완료되면 다시 그 제1밸브(42)와 제2밸브(43) 사이를 진공으로 만드는 상기 도 4a의 상태로 복귀한다.

이처럼 본 발명은 오리피스(41), 두 개의 밸브(42,43)와 압력센서(44) 및 벤튜리관 형식의 진공발생부(45)로 구성되는 간단하고, 저비용의 구성으로 응축 안정화가스를 선택적으로 배출할 수 있게 되며, 상기 저장부(13)가 외부와 직접 연통되지 않은 상태에서 저장부(13)에 저장된 응축 안정화가스를 설정된 유량만큼씩 주기적으로 배출할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 고순도 가스 공급장치에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

10:실린더 11:공급라인
12:드레인라인 13:저장부
20:냉매관 21:냉매공급라인
22:냉매배출라인 30:공정가스배출관
31:차단판 40:드레인부
41:오리피스 42:제1밸브
43:제2밸브 44:압력센서
45:진공발생부

Claims (8)

1. 안정화가스를 포함하는 공정가스가 상부측으로 유입되고, 저면측에서 응축된 안정화가스를 배출하는 실린더;
   상기 실린더의 외측에 냉매를 순환시켜 상기 안정화가스를 응축시키는 냉매관;
   상기 실린더의 상면에서 내측으로 삽입 설치되어 상기 안정화가스가 응축 분리된 공정가스를 공급장치로 배출하는 공정가스배출관; 및
   상기 실린더의 저면측 드레인라인에 연결되어 상기 응축된 안정화가스를 주기적으로 배출하는 드레인부를 포함하는 고순도 가스 공급장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 실린더의 하단부에는 상기 응축 안정화가스가 저장되는 저장부가 마련된 것을 특징으로 하는 고순도 가스 공급장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 공정가스배출관에는,
   상기 공정가스 및 안정화가스를 상기 실린더의 내벽측으로 유도함과 아울러 상기 공정가스의 배출과정에서 상기 안정화가스가 상기 공정가스배출관으로 유입되는 것을 방지하는 차단판이 마련된 것을 특징으로 하는 고순도 가스 공급장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 차단판은,
   외측으로 갈수록 두께가 얇아지도록 상면이 경사진 것을 특징으로 하는 고순도 가스 공급장치.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 드레인부는,
   상기 드레인라인에 직접 연결되어 상기 응축된 안정화가스의 배출속도를 조절하는 오리피스를 포함하는 고순도 가스 공급장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 드레인부는,
   상기 오리피스의 후단에서 드레인되는 상기 응축된 안정화가스를 일시 가두어 두고, 상기 가두어진 응축된 안정화가스를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 고순도 가스 공급장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 드레인부는,
   상기 오리피스의 후단에 직렬연결된 제1밸브 및 제2밸브와,
   상기 제1밸브 및 제2밸브 사이의 압력을 검출하는 압력센서와,
   상기 제1밸브 및 제2밸브 사이 공간을 진공상태로 만들고, 상기 제1밸브 및 제2밸브 사이 공간에 유입된 상기 응축된 안정화가스를 외부로 배출하는 진공발생부를 더 포함하는 고순도 가스 공급장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 드레인부는,
   상기 제1밸브가 닫힌 상태, 상기 제2밸브가 열린 상태에서 상기 진공발생부에 의해 상기 제1밸브와 상기 제2밸브 사이의 공간이 진공상태로 되며,
   상기 제2밸브가 닫혀 상기 진공상태가 유지되는 상태에서 상기 제1밸브가 열려 상기 저장부의 상기 응축 안정화가스가 상기 제1밸브와 제2밸브의 사이로 유입되도록 하며,
   유입된 상기 응축 안정화가스의 압력이 설정압력이 되면, 상기 제1밸브를 닫고, 상기 제2밸브를 열어 상기 진공발생부를 통해 상기 응축 안정화가스를 드레인시키는 것을 특징으로 하는 고순도 가스 공급장치.

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