KR101484791B1 - 저증기압 고순도 가스 송출 시스템 - Google Patents

저증기압 고순도 가스 송출 시스템 Download PDF

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크리스토스 사리지안니디스
토마스 존 버그만
마이클 클린톤 존슨
슈리카 샤크라바티
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 목표로 하는 최종 사용처로 기상의 유체를 송출하는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로서, 제1 공급 용기로부터의 증기 유동을 중단시키고 제2 공급 용기로부터의 증기 유동을 기동시킴으로써 제1 공급 용기의 작동을 중단시키기 위하여, 언제 물 농도 또는 공급 용기 표면 온도가 특정 값을 초과하는지 또는 언제 저증기압 유체 압력이 특정 값 아래로 떨어지는지 결정하기 위해 시스템의 상태가 모니터링된다.
기상 유체 송출 시스템, 공급 용기, 저증기압 유체, 증기 유동

Description

저증기압 고순도 가스 송출 시스템{LOW VAPOR PRESSURE HIGH PURITY GAS DELIVERY SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 송출 용기로부터의 저증기압 고순도 가스의 효율적 송출에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 복수의 가열된 공급 용기로부터 저증기압 고순도 가스를 효율적으로 송출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
비공기 가스(non-air gas)(즉, 공기로부터 유도되지 않은 가스)가 통상적으로 반도체, LCD, LED 및 태양 전지(solar cell)와 같은 제품을 제조하는데 사용된다. 예를 들어, 삼불화질소(nitrogen trifluoride)는 챔버 정화 가스로서 사용되는 반면, 화학 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 공정 동안 실란(silane)과 암모니아는 각각 규소(silicon)와 질화규소(silicon nitride)의 증착에 사용된다.
종종 반도체, LCD, LED 및 태양 전지 제조자는, 비연속적 유동 패턴에서 기상(vapor phase)으로 가스를 공급할 수 있으면서 높은 유동 속도에서 고순도 또는 초고순도로 기상의 비공기 가스를 공급하는 것을 필요로 한다. 이러한 가스 내의 저휘발성(low-volatility) 오염물(즉, 비공기 가스보다 낮은 휘발성을 가진 오염물)의 존재는, 이들이 제품 기판에 증착하여 제품 성능을 저하시키거나 기타 해로 운 효과를 줄 수 있기 때문에 특히 바람직하지 못하다. 예를 들어, 물은 통상적인 저휘발성 암모니아 오염물로서 LED 사파이어 기판에 증착하여 LED 휘도를 감소시키고 수율 손실(yield loss)을 가져온다. 이러한 용도에서 암모니아 내에 기상 수분 레벨이 1ppb를 초과하면 공정 상에 해를 끼칠 수 있으며, 따라서 생산되는 제품에도 해를 끼칠 수 있다.
신규 반도체 제품은 처리량이 많아서 많은 양의 비공기 가스를 필요로 한다. 또한, 반도체 공정 공구 작업의 배치(batch) 성질로 인해 종종 비공기 가스의 사용 패턴은 비연속적이다.
많은 비공기 가스가 액체 또는 증기/액체 혼합물로서 수송되고 저장된다. 이러한 가스는 저증기압 가스(low vapor pressure gas)로 알려져 있으며, 예를 들어, 암모니아, 염화 수소, 이산화탄소 및 디클로로실란(dichlorosilane)을 포함한다. 저증기압 가스는 전형적으로 약 70℉(21.1℃)의 온도에서 약 1500 psig(10.3MPaG) 미만의 증기압을 가진다. 공지된 방법에 따르면, 저증기압 가스는 액체나 증기/액체 혼합물로서 공급되기 때문에, 예를 들어, 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조 공정과 같은 목표로 하는 최종 사용처에 기상의 제품이 공급될 수 있도록 저증기압 가스를 가열/비등하는 장치가 필요하다. 이러한 비등(boiling)은, 예를 들어, 미국 특허 제6,025,576호 또는 제6,614,412호에 기술된 바와 같이 통상적으로 공급 용기 외부 벽에 열을 가함으로써 달성된다. 이러한 시스템에서 기상의 저증기압 가스는 공급 용기로부터 인출된다. 기상의 저증기압 가스가 공급 용기로부터 인출되는 속도로 액상의 저증기압 가스가 비등되도록 충분한 열이 가해 지고, 따라서 이론적으로 공급 용기 압력이 유지된다.
미국 특허 제6,025,576호는 기상의 저증기압 가스가 가열된 수송 용기로부터 인출되는 구조를 기술하는데, 상기 가열된 수송 용기는 수송 용기에 비영구적으로 접촉하여 텐션(tension)되기만 하는 히터를 사용한다. 저증기압 가스보다 낮은 휘발성을 갖는 오염물은 우선적으로 액체에 남아 낮은 오염물 레벨 증기를 만든다. 증기는 액화 가스가 실린더의 약 10% 체적만을 차지할 때까지 용기로부터 인출되어 액화 가스의 접촉면이 히터 레벨보다 낮아지게 된다.
미국 특허 제6,614,009호는 영구적으로 위치된 히터를 포함하는 가열된 대형 수송 용기[예를 들어, 아이소테이너(isotainer)]로부터 기상의 저증기압 가스가 인출되는 시스템 구조를 기재한다. 이러한 히터는 바람직하게는 순도를 최대화하기 위한 최저 예정 액체 레벨 위로의 직접적 가열을 최소화하도록 위치된다. 그러나, '009 특허는 수분 레벨이 일부 값을 초과할 때까지 공급 용기의 작동을 유지함으로써 저증기압 가스의 사용을 최대화하는 수단에 대해 기술하지 않는다.
미국 특허 제6,581,412호는 수송 용기와 접촉하는 히터를 채용한 가열된 수송 용기로부터 기상의 저증기압 가스가 인출되는 시스템에 대해 기술한다. 이 특허는 공급 용기 내의 액화된 압축 가스의 온도를 제어하기 위한 방법으로서, 압축 가스 공급 용기의 벽에 온도 측정 수단을 위치시키는 단계와, 공급 용기의 온도를 모니터링하는 단계와, 공급 용기 내의 액화 가스를 가열하는 히터 수단을 제어하는 단계를 포함하는 방법에 대해 기술한다. 그러나, '412 특허는 공급 용기의 작동을 중단할 적절한 시기를 나타내는 수단에 대해 기술하지 않는다.
미국 특허 제6,363,728호는 가열된 수송 용기에 내장된 저증기압 가스에 대한 열 입력을 제어하는 수단에 대해 기술한다. 이 시스템은 액화 가스에 에너지를 공급하거나 제거하는 송출 용기에 배치된 열교환기와, 압력을 모니터링하는 압력 제어기와, 용기의 내용물에 전달된 에너지를 조정하는 수단을 포함한다. 그러나, '728 특허는 공급 용기의 작동을 중단할 적절한 시기를 나타내는 수단에 대해 기술하지 않는다.
본 산업에서 현재 작동의 문제점을 해결하는 전형적인 공지된 방법은, 공급 용기 내에 남아 있는 저증기압 가스의 질량이 미리 세팅된 값(전형적으로는 초기 질량의 약 10% 내지 약 20%)까지 떨어질 시 공급 용기 작동을 중단하는 것이다. 그러나, 이러한 접근 방법은 선택되는 키 인자(key parameter)(용기 압력, 벽 온도 또는 물 레벨)에 따라 키 액체 레벨(key liquid level)(즉, 용기가 작동 중단되어야 하는 액체 레벨)이 달라질 것이라는 것을 인지하지 못한다.
본 기술 분야의 중요한 문제점은 저증기압 가스 공급 용기가 언제 작동 중단되어야 할지를 효율적으로 결정하기 위한 유용한 수단이 존재하지 않는다는 것이다. 현행의 공지된 시스템은 공급 용기를 너무 일찍 또는 너무 늦게 작동 중단시킬 위험이 있다. 그 결과, 공급 용기가 너무 일찍 작동 중단되면 저증기압 가스가 낭비될 것이다. 공급 용기가 너무 늦게 작동 중단되면 몇 가지 악영향이 발생할 수 있다. 예를 들어, 오염물 레벨이 허용 한계 넘게 되어, 예컨데, 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조 공정과 같은 최종 사용처에 역효과를 발생시킬 수 있다. 그러한 잠재적 역효과로, 예를 들어, 수율 손실이 있다.
본 발명의 일 실시예는 목표 최종 사용처에 기상 유체를 송출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 제1 공급 용기로부터 증기 유동을 끊고 제2 공급 용기로부터 증기 유동을 기동시킴으로써 제1 공급 용기의 작동을 중단시키기 위하여, 물 농도 또는 공급 용기 표면 온도가 특정 값을 초과할 때나 저증기압 유체 압력이 특정 값 밑으로 떨어질 때를 측정하기 위해 시스템의 상태가 모니터링된다. 바람직하게는, 이와 같은 일이 발생하는 액체 레벨은 히터의 상부 연부에 의해 결정되는 평면 근처에 위치한다.
본 발명의 다른 실시예는 용기로부터 가압된 기상 유체를 송출하는 방법에 관한 것이며, 용기 벽을 갖는 적어도 제1 용기와 제2 용기를 제공하는 단계와, 제1 용기 또는 제2 용기로부터 기상 유체를 제공하는 단계와, 제1 용기 벽과 연통하는 적어도 하나의 히터 및 제2 용기 벽과 연통하는 적어도 하나의 히터를 제공하는 단계를 포함한다. 각 용기는 라인 상에 도입되기 전에 가열되어 필요로 하는 제1 용기와 제2 용기 내의 미리 정해진 압력을 달성한다. 제1 용기 벽과 제2 용기 벽 및 제1 용기와 제2 용기에 내장된 액상 유체로 전달되는 열을 제어하기 위해 히터와 통신하는 적어도 하나의 열 제어기가 제공된다. 기상 유체 압력, 용기 벽 온도 및 제1 용기와 제2 용기 내의 기상 유체 물 농도를 포함하는 그룹으로부터 선택된 상태를 모니터링하는 장치는, 제1 용기와 제2 용기 내의 키 유체 레벨을 측정하기 위해 기상 유체 압력, 용기 벽 온도 및 제1 용기와 제2 용기 내의 기상 유체 물 농도를 포함하는 그룹으로부터 선택된 상태를 모니터링하기 위하여 제공된다. 상기 장치 및 온/오프 위치를 갖는 적어도 하나의 밸브와 통신하는 제2 제어기가 제공된다. 상기 밸브는, 키 유체 레벨이 용기 내의 미리 정해진 레벨에 이를 시 밸브의 온/오프 위치를 작동시켜 밸브를 오프 위치로 작동시키는 제2 제어기로 용기로부터 최종 사용처로 유동을 유도하고, 밸브를 개방시켜 제2 용기로부터 최종 사용처로 기상 유체를 유도한다.
본 발명의 다른 실시예는 기상 유체를 최종 사용처로 효율적으로 송출하기 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 적어도 제1 용기와 제2 용기를 포함하되, 각 용기는 용기 벽을 구비하고 기상 유체를 내장한다. 제1 용기와 제2 용기와 연통하는 히터가 놓여진다. 열 제어기는 히터 제어기를 통해 히터와 통신하는데, 히터 제어기는 제1 용기와 제2 용기 및 제1 용기와 제2 용기에 내장된 액상 유체로 전달되는 열을 제어한다. 기상 유체 압력, 용기 벽 온도 및 제1 용기 및 제2 용기 내의 기상 유체 물 농도를 포함하는 그룹으로부터 선택된 상태를 모니터링하는 장치는 기상 유체와 연통하도록 놓여진다. 제2 제어기는 상기 장치 및 온/오프 위치를 갖는 밸브와 통신한다. 상기 밸브는, 키 유체 레벨이 미리 정해진 레벨에 이를 시 밸브의 온/오프 위치를 오프 위치로 작동시키는 제2 제어기를 통해 용기로부터 최종 사용처로 유동을 유도하고, 밸브를 개방하여 제2 용기로부터 최종 사용처로 기상 유체를 유도한다.
다음의 바람직한 실시예에 대한 설명과 첨부하는 도면으로부터 다른 목적, 특징, 실시예 및 장점들이 본 기술 분야의 당업자에게 제공될 것이다.
도 1의 (a) 및 도 1의 (b)는 외부 용기 벽 부근에 위치한 가열 특징부를 갖춘 통상의 공급 용기의 단면 개략도이다.
도 2는 가열 유닛에 대한 용기 내의 액체 레벨의 함수로서의 증기압을 보여주는 그래프이다.
도 3은 가열 유닛에 대한 액체 레벨의 함수로서의 용기 벽 온도를 보여주는 그래프이다.
도 4는 히터에 대한 액체 레벨의 함수로서의 기상 물 농도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 통상의 저증기압 유체 공급 시스템의 개략도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 저증기압 유체 공급 시스템의 바람직한 실시예의 개략도이다.
저증기압 고순도 가스 송출 시스템 분야의 공지된 기술은 압력 강하, 용기 벽 온도 상승 또는 물 레벨 상승이 가장 중요한지 아닌지에 따라 키 액체 레벨이 변화할 것이라는 것을 인지하지 못했다. 미국 특허 제6,025,576호에 인용된 예시에서, 액체 레벨이 히터 밑으로 떨어지게 하는 것은 용기가 작동 중단되기 전에 물 레벨의 증가와 압력 강하를 일으킬 수 있다. 또한, '576 특허는 히터 구조와 증기 드로율(vapor draw rate)과 같은 선택적 인자와 장비에 따라 키 액체 레벨이 변화할 것이라는 것을 인지하지 못했다.
공통으로 양도되어 동시 계류 중인 2006년 6월 28일에 출원된 미국 특허 출 원 번호 제11/476,042호는 일 실시예에 따라 저증기압 가스를 내장한 공급 용기의 하부에 히터를 부착하는 수단을 기술한다. 이러한 응용은 공지된 저증기압 가스 공급 시스템이 "핫 스팟(hot spot)"과 강한 저증기압 가스 비등을 생성하여 오염물을 소비자에게 전달하게 될 수 있다는 것을 기재한다. 또한, 이러한 응용은 단순 증기/액체 평형으로 인한 수분의 축적에 대해 기술하며, 수분 축적에 기초한 이러한 평형 때문에 저증기압 가스의 비율이 (전형적으로는 10% 내지 20%) 낮아져야 한다는 것을 기술한다. 이러한 공통으로 양도되어 동시 계류 중인 미국 특허 출원의 내용은 본 응용의 일부로서 본 명세서에서 전체적으로 참조된다.
결과적으로, 공지된 시스템에서 공급 용기는 너무 일찍(즉, 전술한 문제점이 시작되기 전에) 또는 너무 늦게 (공급 용기 벽 온도 또는 물 레벨이 허용 한계를 초과한 후) 작동 중단되는 경향이 있다. 공급 용기가 너무 일찍 작동 중단되면 사용 가능한 저증기압 가스 중 일부가 낭비될 것이다. 공급 용기가 너무 늦게 작동 중단되면 키 인자 중 하나가 허용 한계를 초과할 수 있다. 예를 들어, 물 레벨이 너무 높으면 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조 공정 상에 역효과를 주어 제품의 질을 떨어뜨리거나 제품 손실을 가져온다. 또한, 물 레벨이 허용 한계를 초과하면 암모니아 세정(purification) 시스템이 사용되는 곳에서 공급 용기의 암모니아 세정 하류부의 비용을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템과 장치는 이러한 편차를 인지하고 사용하여 반도체, LCD, LED 또는 태양 전지 제조 공정에 부정적 영향을 주지 않고 저증기압 제품 사용을 최대화한다.
통상의 저증기압 가스 공급 시스템은 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조자 요구사항을 완벽하게 만족시키기 어렵다. 예를 들어, 열의 상당 부분이 액상 저증기압 가스와 접촉하지 않는 공급 용기 벽의 부분에 가해지면 열 전달이 무효해진다. 액체 레벨이 떨어짐에 따라 액상 암모니아와 접촉하는 공급 용기 벽의 부분이 감소될 때 액상 암모니아에 열을 전달하는 능력을 측정하기 위해 실험이 수행되었다. 암모니아는 예시적인 목적을 위해 선택되었으며, 본 발명의 방법과 장치는, 또한, 삼염화붕소(boron trichloride), 이산화탄소, 염소, 디클로로실란, 할로카본(halocarbons), 브롬화수소(hydrogen bromide), 염화수소(hydrogen chloride), 불화수소(hydrogen fluoride), 메틸실란(methylsilane), 아산화질소(nitrous oxide), 삼불화질소(nitrogen trifluoride), 트라이클로로실란(trichlorosilane) 및 이들의 혼합물을 포함하되 이들에 제한되지 않는 가스를 처리하는데 상당한 장점을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기상 암모니아는 도관(4 및 13)을 통해 일정한 속도로 공급 용기로부터 인출되었다. 인출된 증기를 보충하고 공급 용기 압력을 유지하기 위해, 표면 장착된 히터(3 및 12)를 사용하여 공급 용기의 바닥면 외부에 열이 가해졌다. 액상 암모니아에 열을 전달하는 능력은 압력 측정 장치(6 및 15)를 사용하여 용기 압력을 모니터링함으로써 측정되었다. 열 전달이 무효하다면 공급 용기 압력은 떨어질 것이다.
도 2는 액체 레벨의 함수로서 측정된 압력을 도시한다(x-축 양의 값은 액체 레벨이 히터 위에 있다는 것을 나타내며, 그 역도 또한 같음). 액체 레벨이 히터 위에 있을 시 공급 용기 압력은 일반적으로 유지된다(열 전달이 유효함)는 것을 알 수 있다. 액체 레벨이 히터에 접근할 시 공급 용기 압력은 유지되지 않는다(열 전달이 무효함). 그러므로, "키 압력 엑체 레벨"로 일컬어지는 일부 액체 레벨에서 공급 용기 압력은 더 이상 유지될 수 없을 것이다. 이러한 키 압력 액체 레벨은 시스템별로 변화할 것이며, 증기 드로율, 히터 구조, 히터 온도, 및 히터와 공급 용기 벽 사이의 접촉 긴밀성과 같은 다수의 변수에 의존할 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 키 압력 액체 레벨은 히터 레벨보다 위에 위치할 수도 있지만, 액체 레벨과 히터 레벨이 동일한 지점보다 낮은 경향이 있다.
또한, 키 액체 레벨은, 예를 들어, 증기 드로율, 히터 구조, 히터 온도, 및 히터와 공급 용기 벽 사이의 접촉 긴밀성에 기초하여 시스템별로 변화할 것이다. 예를 들어, 공급 용기 압력을 유지하는데 필요한 히터 영역은 낮은 증기 드로율에서 더 낮기 때문에 낮은 증기 드로율에서의 키 압력 액체 레벨은 높은 증기 드로율에서보다 낮을 것이다.
공급 용기 벽 온도는 액상 저증기압 가스와 접촉하지 않는 공급 용기 벽의 부분에 열의 상당 부분이 가해질 시 국부적으로 설계 한계를 넘어 증가될 수 있다. 공급 용기 벽 온도에 대한 액체 레벨의 효과를 측정하기 위해 실험이 수행되었다. 결과는 도 3에 도시된다(x-축의 양의 값은 액체 레벨이 히터 위에 있음을 나타내며, 그 역도 또한 같음). 액체 레벨이 키 온도 액체 레벨 밑으로 떨어질 시 공급 용기 벽 온도는 액상 저증기압 가스와 접촉하지 않는 공급 용기 벽의 부분에서 증가하기 시작한다는 것이 측정되었다. 공급 용기는 대기 온도 근처에서 작동하도록 설계되며, 전형적으로는 매우 낮은 최대 허용 작동 온도를 갖는다. 전형적인 최대 허용 작동 온도는 약 125℉(51.7℃)이다. 최대 허용 작동 온도를 초과한 온도에서 작동하는 것은 안전 문제이며 용기 파손을 가져올 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 이러한 온도는 액체 레벨이 키 온도 액체 레벨 밑으로 떨어짐에 따라 한계에 다다른다. 키 온도 액체 레벨[히터 밑으로 -0.7 인치(-17.8mm)인 액체 레벨]은 키 압력 액체 레벨[히터 위로 0.35 인치(8.89mm)인 액체 레벨]과 상이하다.
열의 상당 부분이 액상 저증기압 가스와 접촉하지 않는 공급 용기 벽의 부분에 가해질 시 기상의 저휘발성 오염물 레벨은 실질적으로 평형 레벨(equilibrium level)을 초과한다. 저휘발성 오염물은 즉시 증발하지 않기 때문에 기상 저증기압 가스가 공급 용기로부터 인출될 때 저휘발성 오염물은 우선 액상으로 유지된다. 그 결과, 전술한 바와 같이, 기상 저휘발성 오염물 농도와 액상 저휘발성 오염물 농도 모두 시간이 지남에 따라 증가한다.
이러한 현상으로부터 결과되는 저휘발성 오염물 레벨은 평형 오염물 레벨이라 일컬어진다. 액체 레벨이 떨어짐에 따라 액상 암모니아와 접촉하는 공급 용기의 부분이 감소될 시 공급 용기로부터 인출된 증기 암모니아에서 관찰되는 저휘발성 오염물 레벨을 측정하기 위해 실험이 수행되었다. 이러한 실험에서 저휘발성 오염물은 물이었다. 결과는 도 4에 도시되었다. 액체 레벨이 감소함에 따라 관찰된 물 농도는 키 물 액체 레벨에 다다를 때까지 예측된 평형 농도를 반영한다. 이러한 키 물 액체 레벨에서 물 농도는 실질적으로 예상된 평형 값을 초과한다. 이러한 실험에서 키 물 액체 레벨은 액체 레벨이 대략 히터 레벨과 실질적으로 등가인 레벨까지 떨어질 시 발생한다.
전술한 바와 같이 종래에 공지된 시스템은 압력 강하, 용기 벽 온도 상승 또는 물 레벨 상승이 가장 중요한지 여부에 따라 키 액체 레벨이 변화할 것이라는 것을 인지하지 못했다. 액체 레벨이 히터 밑으로 떨어지게 하는 것은 용기가 작동 중단되기 전에 물 레벨 상승과 압력 강하를 일으킬 수 있다. 또한, 종래의 시스템은 히터 구조와 증기 드로율과 같은 선택적 인자와 장비에 의존하여 키 액체 레벨이 변화할 것이라는 것을 인지하지 못했다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명은 이러한 편차를 인지하고 사용하여 반도체, LCD, LED 또는 태양 전지 제조 공정에 부정적 영향을 끼치지 않고 저증기압 제품 사용을 최대화한다.
또한, 현재 공지된 방법과 시스템은, 수분 레벨, 벽 온도 또는 압력이 일부 값을 초과할 때까지 공급 용기 작동을 유지함으로써 저증기압 가스 사용을 최대화하는 수단에 대해 기술하지 않으며, 또한, 공급 용기를 작동 중단할 적절한 시간을 나타내는 수단을 제공하지 못한다.
물 농도 또는 공급 용기 표면 온도가 특정 값을 초과할 때나 저증기압 유체 압력이 특정 값 밑으로 떨어질 때, 제1 공급 용기로부터의 증기 유동을 중단하고 제2 공급 용기로부터의 증기 유동을 기동함으로써 공급 용기의 작동이 중단된다. 이러한 현상이 발생하는 액체 레벨은 히터의 상부 연부에 의해 결정되는 평면 부근에 위치한다.
일 실시예에 따르면, 본 발명은 공급 용기 압력 강하, 공급 용기 과열 없이, 또는 반도체, LCD, LED 또는 태양 전지 제조자에게 높은 물 레벨의 제품을 전달함 없이 저증기압 가스 사용을 최대화하는 수단을 제공한다. 공급 용기 과열은 안전 작동에 관한 문제점이다. 압력 강하와 높은 수분 레벨은 반도체, LCD, LED 또는 태양 전지 분야에 관한 문제점이다.
도 5는 통상의 저증기압 유체 공급 구조를 도시한다. 일반적으로, 이러한 시스템의 목적은, 공급 용기에 내장된 액상 또는 2가지 상의 저증기압 유체를 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조 설비에 송출하여 기상 저증기압 유체로 변화시키는 것이다. 예를 들어, 기상 및 액상 암모니아를 내장한 공급 용기(20 및 30)는, 하나의 용기가 소모될 시 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조자에게 공급 중단 없이 다른 용기가 작동될 수 있도록 병렬식으로 설치된다. 기상 암모니아는 도관(21 또는 31)을 통해 작동 중인 어떤 용기로부터도 인출된다. 그리고 나서, 상기 암모니아는 가스 패널(40)로 전달되어, 도관(41)을 통해 반도체, LED, LCD 또는 태양 전지 제조 설비에 송출되기 전에 암모니아 압력과 온도가 조절된다.
기상 암모니아가 공급 용기(20 또는 30)로부터 인출될 때 하나 이상의 히터 시스템(22 및 32)과 폐쇄 루프 히터 제어 수단을 사용하여 공급 용기 압력이 유지된다. 전형적으로 압력 변환기(23 또는 33)는 공급 용기 압력을 모니터링하고 프로그램 가능한 논리 제어기(24 또는 34)에 신호를 송신하여 신호를 세트 포인트 값과 비교한다. 이러한 값들 사이의 차에 기초하여 히터 시스템(22 또는 32)으로부터 공급 용기(20 또는 30)에 전달된 에너지가 조정된다. 이는 요구되는 공급 용기 압력을 유지하기 위한 암모니아의 기화를 용이하게 한다.
다수의 히터 형식이 채용될 수 있지만, 통상의 히터 형식은 실리콘 고무 블랭킷 히터(silicone rubber blanket heater)이다. 이러한 실리콘 고무 블랭킷 히 터는 다양한 방법으로 용기에 부착될 수 있다. 전형적인 실리콘 고무 히터는 왓로우 일렉트릭 메뉴팩처링 컴퍼니(Watlow Electric Manufacturing Company; 미국 미주리주 세인트루이스 소재)로부터 입수 가능하다. 히터는 바람직하게는 히터의 열이 용기의 바닥부에 균일하게 분포되고 용기 상에 너무 높은 레벨까지 올라가지 않도록 설치된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기로부터 유동을 중단하는 방법이 사용된다. 히터가 용기 상에 너무 높은 레벨까지 올라가면 암모니아의 상당 부분이 낭비될 것이다. 히터는 전형적으로 용기 주연의 약 5% 내지 약 50%를 덮으며, 바람직하게는 용기 주연의 약 10% 내지 약 40%를 덮고, 가장 바람직하게는 용기 주연의 약 20% 내지 35%를 덮는다. 실리콘 고무 히터는 전형적으로 약 100℉(37.8℃) 내지 약 500℉(260℃)의 범위의 온도에서 작동하며, 바람직하게는 약 120℉(48.9℃) 내지 약 300℉(149℃), 가장 바람직하게는 약 130℉(54.4℃) 내지 약 200℉(93.3℃)의 범위의 온도에서 작동한다. 이러한 가열 구조는 바람직하게는 다수의 공급 용기 형식으로 사용된다. 예를 들어, 초기에 대략 500lbs(227kg)의 암모니아를 내장하는 횡방향으로 장착된 Y-실린더가 사용될 수 있다.
암모니아는 남은 질량이 원래 레벨의 약 10% 내지 30%까지 떨어질 때까지 공급 용기(20 또는 30)로부터 인출된다. 이 레벨에 다다르면 공급 용기는 작동 중단되고 힐(heel)이라 불리는 남은 액체는 폐기된다. 힐은 암모니아보다 낮은 증기압을 갖는 오염물, 예컨데 물을 많이 함유한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 본 시스템과 장치는 공급 용기(20 또는 30)가 작 동 중단되어야 하는 지점을 결정한다. 더 구체적으로, 도 6은 공급 용기(20 또는 30)가 압력에 기초하여 작동 중단되어야 하는 지점을 결정하는 수단을 도시한다. 각 공급 용기(20 및 30)의 출구에서의 압력은 압력 변환기(23 및 33) 각각을 사용하여 모니터링된다. 이러한 압력은 전형적으로 약 50psig(0.345MPaG) 내지 약 250psig(1.72MPaG)의 범위 내에서 유지되며, 바람직하게는 약 100psig(0.689MPaG) 내지 약 200psig(1.38MPaG)의 범위 내에서, 가장 바람직하게는 약 120psig(0.827MPaG) 내지 약 180psig(1.24MPaG)의 범위에서 유지된다. 목표 압력이 유지될 수 없는 레벨까지 공급 용기(20 또는 30)의 액체 내용물이 없어져 일부 미리 정해진 값 밑으로 떨어지면, 제어기(64)는 작동 중인 용기가 어느 것이냐에 따라 밸브(25) 또는 밸브(35)를 폐쇄함으로써 사용 중인 공급 용기로부터의 증기 유동을 멈추게 할 것이다. 전환 압력(switch-over pressure)은 전형적으로 압력이 약 1psi(6.89kPa) 내지 약 100psi(689kPa)만큼 감소할 때 발생하며, 바람직하게는 압력이 약 5psi(34.5kPa) 내지 약 50psi(345kPa)만큼 감소할 때, 더욱 바람직하게는 압력이 약 5psi(34.5kPa) 내지 약 20psi(138kPa)만큼 감소할 때 발생한다. 그리고 나서, 밸브(25 또는 35)를 개방함으로써 작동 중단되었던 공급 용기로부터 유동이 기동된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예로서 공급 용기 벽 온도에 기초하여 공급 용기(20 또는 30)가 작동 중단되어야 하는 지점을 결정하는 수단을 도시한다. 용기 벽 온도는 온도 요소들(74, 76) 각각을 사용하여 모니터링된다. 이 온도는 전형적으로 약 0℉(-17.8℃) 내지 약 125℉(51.7℃)의 범위 내에 있으며, 바람직하게는 약 30℉(-1.11℃) 내지 약 125℉(51.7℃)의 범위 내에 있고, 가장 바람직하게는 약 60℉(15.6℃) 내지 약 125℉(51.7℃)의 범위 내에 있다. 전형적으로 약 70℉(21.1℃) 내지 약 125℉(51.7℃), 바람직하게는 약 100℉(37.8℃) 내지 약 125℉(51.7℃)의 범위 내에 있고, 가장 바람직하게는 약 115℉(46.1℃) 내지 약 125℉(51.7℃)의 범위 내에 있는 세트 포인트 범위에 표면 온도가 접근하는 레벨까지 공급 용기의 액체 내용물이 없어지면, 제어기(78)는 어느 공급 용기가 작동 중인지에 따라 밸브(25) 또는 밸브(35)를 폐쇄함으로써 사용 중인 공급 용기로부터의 증기 유동을 멈추게할 것이다. 그리고 나서, 밸브(25 또는 35)를 개방함으로써 작동 중단되었던 공급 용기로부터 유동이 기동된다.
도 8은 물 농도에 기초하여 공급 용기(20 또는 30)가 작동 중단되어야 하는 지점을 결정하는 수단을 도시한다. 각 공급 용기(20 및 30)의 출구에서의 물 농도는 수분 분석기(80)를 사용하여 모니터링된다. 물 농도는 전형적으로 약 0.001ppm 내지 약 10ppm의 범위 내에 있으며, 바람직하게는 약 0.01ppm 내지 약 5ppm의 범위 내에 있고, 가장 바람직하게는 약 0.1ppm 내지 약 2ppm의 범위 내에 있다. 물 농도가 증기/액체 평형에 의해 예상되는 레벨을 넘어 증가하는 레벨까지 공급 용기(20 또는 30)의 액체 내용물이 없어지면, 제어기(90)는 작동 중인 공급 용기가 어느 것인가에 따라 밸브(25) 또는 밸브(35)를 폐쇄함으로써 사용 중인 공급 용기로부터의 증기 유동을 멈추게 할 것이다. 그리고 나서, 밸브(25 또는 35)를 개방함으로써 작동이 중단되었던 공급 용기로부터 유동이 기동된다.
제안된 제어 기구는 모든 사이즈의 용기에 적용될 수 있는데, 모든 필요로 하는 액체 또는 2가지 상의 저증기압 가스, 예컨데, 암모니아와 같은 가스를 내장하는 탱커(tanker) 또는 튜브 트레일러(tube trailer), T-실린더, Y-실린더[톤 컨테이너(ton container)] 또는 ISO 컨테이너와 같은 용기에 적용되어 기상 저증기압 가스 스트림을 생성한다. 예를 들어, 톤 컨테이너는 전형적으로 횡방향으로 배향되고 4130X 합금 강으로 만들어지며, 예를 들어, 수용량까지 채워질 때 510 파운드(231kg)의 암모니아를 내장할 수 있다. 용기는 미리 채워지고 자가 내장되거나(self-contained), 가스 송출 시스템 분야의 숙련자에게 이미 알려진 바와 같이 소스로부터 채워질 수 있다.
열을 더 큰 용기로 전달하기 위해 다수의 히터 형식이 사용될 수 있다. 가장 일반적인 것은 전기 저항 히터(electrical resistance heater)로서, 블랭킷 히터(blanket heater), 히팅 바(heating bar), 케이블과 코일(cables and coils), 밴드 히터(band heater), 및 히팅 와이어(heating wire)를 포함한다. 히터는 바람직하게는 용기의 하부에 설치되고, 히터 제어기는 바람직하게는 증기 출력을 유지하도록 저증기압 가스에 전달되는 열을 조절한다. 기타 잠재적으로 유용한 히터 형식은, 예를 들어, 배쓰 히터(bath heater), 인턱티브 히터(inductive heater), 및 (예컨데, 실리콘 오일 같은) 열 전달 매체를 내장하는 열교환기 등을 포함한다.
제2 용기에서 나오는 증기 저증기압 비공기 가스는 더욱 순도를 높이기 위해, 예를 들어, 흡착(adsorption), 여과(filtration) 또는 증류(distillation) 수단에 의해 더욱 정제될 수 있다. 또한, 강한 비등으로 인해 공급 용기로부터 넘겨져 온 모든 액상 저증기압 가스 액적을 제거하기 위해 상기 가스 스트림을 미스트 제거기에 보내 것을 고려할 수 있다. 이러한 액적은 미스트 제거기에 의해 모아져, 예를 들어, 중력과 같은 적절한 전달 수단으로 공급 용기에 반송될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예를 참고하여 상세히 기술되었지만, 다양한 변경, 수정 및 치환이 이루어질 수 있으며, 청구항의 범주를 벗어남 없이 채용된 등가물이 청구 범위에 포함된다는 것은 본 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (14)

  1. 기상 유체를 송출하는 시스템이며,
    용기 벽을 구비하고 액상 유체를 내장하는 적어도 제1 용기와 제2 용기와,
    제1 용기 및 제2 용기 각각과 연통하는 히터와,
    상기 히터와 통신하는 제어기와,
    하나 이상의 상태를 모니터링하는 센서와,
    상기 센서 및 온/오프 위치를 갖는 하나 이상의 밸브와 통신하는 제어기와,
    제1 용기로부터의 유동이 감소할 때 제2 용기로부터의 유동이 증가하도록 제1 용기, 제2 용기 및 최종 사용처와 통신하는 기상 유체 송출 제어 루프를 포함하고,
    상기 제어기는 제1 용기와 제2 용기에 전달된 열 및 제1 용기와 제2 용기에 내장된 액상 유체에 전달된 열을 제어하고,
    상기 상태는, 제1 용기와 제2 용기 내의, 기상 유체 압력, 용기 벽 온도, 기상 유체 저증기압 오염물 농도, 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되고,
    상기 밸브는 제1 용기 또는 제2 용기로부터 최종 사용처로의 유동을 유도하고, 상기 센서는 상기 상태가 미리 정해진 레벨에 이를 시 밸브의 온/오프 위치를 오프 위치로 작동시키는
    기상 유체 송출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기상 유체는, 암모니아, 삼염화붕소, 이산화탄소, 염소, 디클로로실란, 할로카본, 브롬화수소, 염화수소, 불화수소, 메틸실란, 아산화질소, 삼불화질소, 트라이클로로실란 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 비공기계 가스인
    기상 유체 송출 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    저증기압 오염물은 물(water)인
    기상 유체 송출 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 용기와 제2 용기는, 304 스테인리스 강, 316 스테인리스 강, 하스텔로이, 탄소 강 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어지는
    기상 유체 송출 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 용기와 제2 용기는, ISO 컨테이너 용기, 톤 컨테이너 용기 및 드럼(drum) 컨테이너 용기를 포함하는 그룹으로부터 선택되는
    기상 유체 송출 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히터는, 실리콘 블랭킷 히터, 밴드 히터, 히팅 바, 히팅 테이프(heating tape) 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 전기 히터인
    기상 유체 송출 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 최종 사용처는, 반도체, 액정 디스플레이(LCD) 및 발광 다이오드(LED)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 제품의 제조인
    기상 유체 송출 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기상 유체는, 고순도 기상 유체, 초고순도 기상 유체 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는,
    기상 유체 송출 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용기 벽 온도 세트 포인트 범위는 0℉ 내지 125℉ 인,
    기상 유체 송출 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용기 벽 온도 세트 포인트 범위는 30℉ 내지 125℉ 인,
    기상 유체 송출 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 용기 벽 온도 세트 포인트 범위는 60℉ 내지 125℉ 인,
    기상 유체 송출 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 히터는, 제1 용기와 제2 용기 각각의 주연의 5% 내지 50%를 덮는,
    기상 유체 송출 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 히터는, 제1 용기와 제2 용기 각각의 주연의 10% 내지 40%를 덮는,
    기상 유체 송출 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 히터는, 제1 용기와 제2 용기 각각의 주연의 20% 내지 35%를 덮는,
    기상 유체 송출 시스템.
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