KR102027475B1 - 다성분 용액으로부터의 공정 가스의 전달 방법 - Google Patents
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Abstract
방법 및 화학물질 전달 시스템이 제공된다. 방법은 다성분 액체 소스의 증기상을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 미리 적재된 캐리어 가스를 증기상과 접촉시키되, 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 다성분 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 단계 및 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 가스 스트림을 임계 공정 또는 응용에 전달하는 단계를 더 포함하되, 캐리어 가스 내에서 성분의 양은 다성분 액체 소스 내에서 성분들의 비율을 상대적으로 일정하게 유지하는데 충분하다. 상기 화학물질 전달 시스템은 증기상을 갖는 다성분 액체 소스를 포함한다. 상기 시스템은 상기 증기상과 유체 접촉된 미리-적재된 캐리어 가스 소스로서, 상기 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 상기 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 캐리어 가스 소스 및 상기 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 가스 스트림을 전달하기 위한 장치를 더 포함하되, 상기 미리-적재된 캐리어 가스 내에서 상기 성분의 양은 상기 다성분 액체 소스 내에서 성분들의 비율을 상대적으로 일정하게 유지하는데 충분하다.
Description
본 발명은 마이크로 전자장치 및 다른 임계 공정 응용에서 액체 소스(source)로부터 얻은 고순도 공정 가스, 특히 저휘발성 공정 가스의 증기상 전달을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
다양한 공정 가스들이 마이크로 전자장치의 제작 및 처리에 이용될 수 있다. 또한, 다양한 화학물질들이 고순도 가스들을 요구하는 기타 환경들, 예컨대, 마이크로 전자장치 응용, 웨이퍼 세정, 웨이퍼 접합, 포토리소그래피 마스크 세정, 원자층 증착, 화학 기상 증착, 플랫 패널 디스플레이, 박테리아, 바이러스 및 기타 생물학적 약제로 오염된 표면의 소독, 산업 부품 세정, 약제 제조, 나노-물질의 제조, 발전 및 제어 장치, 연료 전지, 동력 전달 장치 및 공정 제어 및 순도가 임계 고려사항인 기타 응용을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 임계 공정들에 이용될 수 있다. 그러한 공정들에서, 엄격히 제어된 온도, 압력 및 유량 조건 하에서 특정 공정 가스들의 매우 구체적인 양을 전달하는 것이 필요하다.
마이크로 전자장치 응용 및 기타 임계 공정들에서 이용되는 수많은 공정 가스들이 있다. 액체계 접근법들과 달리 마이크로 전자장치 응용 및 기타 임계 공정들에서 공정 가스를 이용하는 것의 하나의 장점은, 가스들은 표면 상에서 높은 종횡비 특징에 접근할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 반도체 국제 기술 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductors; ITRS)에 따르면, 현재 반도체 공정들은 20 내지 22 ㎚ 정도로 작은 하프-피치(half-pitch)와 융합할 수 있어야 한다. 반도체용 차기 기술 노드는 14 내지 16 ㎚의 하프 피치를 가질 것으로 예상되며, ITRS는 가까운 미래에 10 ㎚ 미만의 하프-피치를 요구하고 있다. 이러한 치수에서, 액체계 화학 공정은 실현가능성이 없는데, 이는 공정 액체의 표면 장력으로 인해 공정 액체가 깊은 홀 또는 채널의 바닥 및 고종횡비 특징의 코너들에 접근하지 못하기 때문이다. 그러므로, 공정 가스는 액체계 공정들의 특정한 제한들을 극복하는 일부 예들에서 이용되어 왔는데, 이는 가스가 동일한 표면 장력 제한을 겪지 않기 때문이다.
오존은 반도체의 표면을 세정(예컨대, 포토레지스트 제거)하기 위해 통상적으로 산화제로(예컨대, 산화물 또는 수산화물 층들을 형성하기 위한) 이용되는 가스이다. 또한, 플라즈마계 공정이 액체계 공정의 특정한 제한을 극복하는데 채용되어 왔다. 그러나, 오존계 공정 및 플라즈마계 공정은 특히, 조업비, 불충분한 공정 제어, 바람직하지 않은 부반응 및 비효율적인 세정을 포함하는 이들의 일련의 한계가 있다. 보다 최근에는, 과산화수소는 특정한 응용에서 오존에 대한 대체물로서 모색되어 왔다. 그러나, 몇 가지 이유로 인하여, 과산화수소는 효용이 제한되어 왔다. 고도로 농축된 과산화수소 용액은 안전 및 취급에 관한 심각한 우려를 야기하며, 기존 기술을 이용하여서는 기체상에서 고농도의 과산화수소를 얻을 수가 없다. 유사한 우려로 인해 히드라진과 같은 기타 잠재적으로 유익한 공정 가스를 이용하는 실현가능성에 제한이 있다.
추가적인 이유로 인하여, 공정 화학물질들의 기체상 전달이 액체상 전달보다 선호된다. 공정 화학물질용 저질량 흐름을 요하는 응용에 대해서는, 공정 화학물질들의 액체 전달은 충분히 정확하거나 청결하지 않다. 기체 전달은 전달의 용이성, 정확성 및 순도의 관점에서 바람직할 것이다. 물 및 과산화수소와 같은 낮은 증기 액체는 일반적으로 기체상에서 이용 가능하지 않아서, 기체상은 해당 액체로부터 원 위치에서(in situ) 생성되어야 한다. 하나의 접근법으로는 사용 지점 또는 그 근처에서 직접적으로 공정 화학 성분을 기화시키는 것이다. 액체를 기화시키는 것은 무거운 오염물질들을 남겨서, 공정 화학물질을 정제하는 공정을 제공한다. 액체로부터 기체상으로 변하는 경우 부피가 대략 1000배 증가한다. 가스 흐름 장치는 액체 전달 장치보다 정밀한 제어에 더 적합하다. 추가적으로, 마이크로 전자장치 응용 및 기타 임계 공정은 기체 전달을 액체 전달보다 상당히 더 용이하게 하는 광범위한 가스 취급 시스템을 통상적으로 갖는다. 그러나, 안전, 취급, 안정성 및/또는 순도상의 이유로 인하여, 많은 공정 가스들은 이들의 순수한 액체상으로부터 직접적으로 기화되기 힘들다.
저휘발성 화합물의 기체상 전달은 특히 독특한 일련의 문제들을 제기하고 있다. 하나의 접근법으로는 공정 화학물질이 물 또는 유기 용매(예컨대, 이소프로판올)와 같은 휘발성이 더 많은 용매와 혼합되어 있는 다성분 액체 소스를 제공하는 것이 있다. 이는 고농도의 과산화수소 또는 히드라진이 폭발 위험이 있기 때문에, 수용성 과산화수소 또는 히드라진 용액에 특히 적합하다. 그러나, 다성분 용액이 전달되는 액체 소스(예컨대, 과산화수소 및 물)인 경우, 다성분 용액에 대한 라울의 법칙이 연관된다. 라울의 법칙에 따르면, 이상화된 2성분 용액에 대하여, 용액의 증기압은 중량이 각 성분의 몰 분율인 각 성분의 순수한 용액에 대한 증기압들의 가중된 합계와 동일하다:
Ptot = Paxa + Pbxb
상기 방정식에서, Ptot은 2성분 용액의 총 증기압이고, Pa는 성분 A의 순수한 용액의 증기압이고, xa는 2성분 용액에서 성분 A의 몰 분율이고, Pb는 성분 B의 순수한 용액의 증기압이며, Xb는 2성분 용액에서 성분 B의 몰 분율이다. 그러므로, 각 성분의 상대적인 몰 분율은 액체 위의 증기상 내에서 상이한 것보다 액체상에서 상이하다. 구체적으로, 휘발성이 더 많은 성분(예컨대, 더 높은 증기압의 성분)은 액체상 내에서 갖는 것보다 기체상 내에서 더 높은 상대적인 몰 분율을 갖는다. 또한, 버블러(bubbler)와 같은 통상적인 가스 전달 장치의 기체상은 캐리어 가스에 의하여 연속적으로 휩쓸리기 때문에, 2성분 액체 용액 및 따라서, 액체 위의 기체성 상부 공간(head space)의 조성물은 동적이다. 휘발성이 더 많은 성분이 연속적으로 보충되지 않으면, 휘발성이 더 적은 성분의 몰 분율은 시간이 지남에 따라 액체 내에서 증가할 것이다.
따라서, 라울의 법칙에 따르면, 다성분 액체 용액의 상부 공간상에 진공이 가해지거나, 전통적인 버블러 또는 기화기가 기체상 내에서 용액을 전달하는데 이용되면, 액체 용액의 휘발성이 더 많은 성분은 휘발성이 더 적은 성분과 비교하여 용액으로부터 우선적으로 제거될 것이다. 이는 기체상 내에서 전달될 수 있는 휘발성이 더 적은 성분의 농도를 제한한다. 예를 들면, 캐리어 가스가 30% 과산화수소/물 용액을 통해 버블링되면, 과산화수소의 약 295 ppm만이 전달될 것이고, 나머지는 모두 수증기(약 20,000 ppm) 및 캐리어 가스이다. 다양한 과산화수소 용액들의 증기압 및 증기 조성물 연구에 대해, Hydrogen Peroxide, Walter C. Schumb, Charles N. Satterfield and Ralph L. Wentworth, Reinhold Publishing Corporation, 1955, New York, available at http://hdl.handle.net/2027/mdp.39015003708784 참조.
다성분 액체 용액이 공정 가스의 공급원으로 이용되는 경우 발생하는 차등 전달율(differential delivery rate)은 반복 가능한 공정 제어를 방지한다. 공정 방법(process recipes)은 연속적으로 변하는 혼합물 주위에는 작성될 수 없다. 액체 소스의 성분들의 연속적으로 변하는 비율을 측정하기 위한 제어는 용이하게 이용 가능하지 않으며, 이용 가능하다면, 이는 비용이 많이 들고, 공정으로 통합하기 어렵다. 또한, 액체 소스의 성분들의 상대적인 비율이 변하면 특정한 용액은 유해하게 된다. 예를 들면, 물에서의 과산화수소는 약 75% 초과의 농도에서 폭발성이 되어서, 과산화수소 수용액을 통하여 건조 기체를 버블링함으로써 과산화수소를 전달하거나, 그러한 용액 상의 상부 공간을 진공 상태로 만드는 것은 안전한 용액(예컨대, 30% H2O2/H2O)을 취하여 이를 75% 과산화수소를 초과하는 유해한 물질로 변환시킬 수 있다. 그러므로, 현재 이용 가능한 전달 장치 및 방법은 많은 마이크로 전자장치 응용 및 기타 임계 공정에서 제어된 양의 공정 가스를 일관적으로, 정확하고, 안전하게 전달하기에는 불충분하다.
다양한 응용 및 공정에 대하여, 액체 용액으로서 더 통상적으로 이용 가능한 화학물질, 예컨대, 유기 용매 및 무기 용매, 무기 산 및 유기 산 및 염기, 및 산화제 및 환원제에 기초한 기체상 공정을 이용하는 것이 유리하다. 이러한 화학물질의 예는 과산화수소, 히드라진 또는 이소프로판올을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 그렇지만, 이러한 화학물질의 기체상 용도는 특히, 안전, 취급 및 순도 우려뿐만 아니라 라울의 법칙에 의하여 제한된다. 그러므로, 이러한 제한을 극복하고, 구체적으로, 다성분 액체 소스로부터 얻은 기체상 공정 화학물질들의 이용을 가능하게 하는 기술이 필요하다.
라울의 법칙에 따르면, 액체 용액의 증기상이 캐리어 가스에 의하여 연속적으로 휩쓸리는 경우, 휘발성이 더 많은 성분이 휘발성이 더 적은 성분보다 더 신속하게 증발하여, 액체 용액 내에서 성분들이 동적으로 농축하게 된다. 휘발성이 더 많은 성분의 증발이 계속되면, 용액은 휘발성이 더 적은 성분에 대하여 더 농축될 것이며, 일부 경우(예컨대, 과산화수소 수용액)에 있어서, 이는 안정적인 용액을 취해 이를 고도로 농축된 유해한 물질로 변환시킬 수 있다. 이러한 제한을 극복하기 위하여, 미리-적재된(pre-loaded) 캐리어 가스가 다성분 액체 소스의 증기상과 유체 접촉하게 되는 방법, 시스템 및 장치가 제공된다. 미리-적재된 캐리어 가스는 액체 소스의 고휘발성 성분의 양을 포함한다. 본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치를 이용함으로써, 액체 소스의 고휘발성 성분의 농도가 시간이 지남에 따라 실질적으로 유지된다.
본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치는 마이크로 전자장치 응용 및 기타 임계 공정에서 특히 유용하다. 상기 방법, 시스템 및 장치는, 다성분 액체 용액(예컨대, 수용성 과산화수소 또는 수용성 히드라진)으로부터 저휘발성 화합물(예컨대, 과산화수소 또는 히드라진)을, 실질적으로 가스-불투과성인 막을 선택적으로 채용하는 미리-적재된 캐리어 가스 중의 증기로 안전하고 제어된 방식으로 전이 및/또는 정제하는 것을 가능하게 한다. 특정한 실시형태들에 있어서, 저휘발성 화합물은 과산화수소 또는 히드라진이다. 일반적으로, 상기 방법은 (a) 막에 의하여 액체 소스로부터 선택적으로 분리된 증기상을 갖는 다성분 액체 소스를 제공하는 단계; (b) 미리-적재된 캐리어 가스를 증기상과 접촉시키되, 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 단계; 및 (c) 저휘발성 화합물을 포함하는 가스 스트림을 임계 공정 또는 응용에 전달하는 단계를 포함한다.
또한, 본원에서 기재된 방법을 이용하여 가스로서 저휘발성 화합물을 전달하기 위한 시스템 및 장치가 제공된다. 일반적으로, 상기 시스템 및 장치는 (a) 막에 의하여 액체 소스로부터 선택적으로 분리된 증기상을 갖는 다성분 액체 소스; (b) 증기상과 유체 접촉된 미리-적재된 캐리어 가스 소스로서, 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 캐리어 가스 소스; 및 (c) 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 가스 스트림을 전달하는 장치를 포함한다. 바람직한 일 실시형태에 있어서, 가스 스트림을 함유하는 공정 가스를 전달하는 장치는 마이크로 전자장치 응용 또는 기타 임계 공정 시스템에 직접적 또는 간접적으로 연결되는, 증기상을 함유하는 상부 공간의 출구로서, 가스 스트림을 함유하는 공정 가스가 상부 공간으로부터 공정 가스가 이용될 응용 또는 공정으로 흘러가도록 한다. 또한, 본원에서 기재된 시스템 및 장치를 이용하여 가스 스트림을 함유하는 공정 가스를 전달하는 방법이 제공된다.
본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치의 조업 조건, 즉, 미리-적재된 캐리어 가스의 온도 및 압력, 캐리어 가스의 유량, 액체 소스의 농도 및 액체 소스의 온도 및 압력을 조절함으로써, 저휘발성 화합물(예컨대, 과산화수소 또는 히드라진)은 공정 가스로서 정확하고 안전하게 전달될 수 있다.
특정한 실시형태들에 있어서, 미리-적재된 캐리어 가스는 본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치에서 획득, 저장 및 직접 이용될 수 있다. 특정한 기타 실시형태들에 있어서, 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스에 그러한 성분(들)을 첨가하는 장치에 의하여 캐리어 가스 및 액체 소스의 적어도 일 성분으로부터 사용 지점에서 생성될 수 있다. 예시적인 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 물, 알코올, 케톤, 에테르, 유기 산, 무기 산, 유기 용매 또는 무기 용매를 포함한다. 바람직한 미리-적재된 캐리어 가스는 질소 캐리어 가스를 가습기 장치, 예컨대, 막 접촉기 또는 캘리포니아 주 샌디에이고 소재의 RASIRC, Inc.로부터 이용 가능한 RainMaker™ 가습 장치와 접촉시킴으로써 생성될 수 있는 가습된 질소이다.
미리-적재된 캐리어 가스 내에서 고휘발성 성분의 양은 통상적으로 액체 소스의 정확한 비율을 유지하기에 충분하다. 추산으로서, 하기 방정식은 라울의 법칙을 따르는 이상적인 용액에 대한 미리 적재된 성분의 부분 압력을 보여준다:
P(preloada) = P'a - (xa/xb)P'b
P(preloada) = Paxa - xaPb
P(preloada) = xa(Pa - Pb)
여기서, P(preloada)는 미리-적재된 캐리어 내에서 미리-적재된 성분(A)의 부분 압력이고, P a는 증기상에서 고휘발성 성분 A의 부분 압력이고, P b는 증기상에서 휘발성이 더 적은 성분 B의 부분 압력이고, Pa는 성분 A의 순수한 용액의 증기 압력이고, Pb는 성분 B의 순수한 용액의 증기 압력이며, xa 및 xb는 액체 소스 내에서 성분 A 및 B의 상대적 몰 분율이다. 통상적으로, 미리-적재된 성분의 양은 실험적으로 결정될 필요가 있는데, 이는 라울의 법칙이 이상화된 추산이며, 대부분의 용액들은 비이상적이기 때문이다. 그렇지만, 이 방정식에 제공된 추산은 통상적으로 유용한 시작점을 제공한다.
특정한 실시형태들에 있어서, 특히 액체 소스가 격실(compartment) 내에 동봉된 경우, 액체 소스의 증기상은 “상부 공간”으로 기재될 수 있다. 특정한 실시형태들에 있어서, 상부 공간은 액체 소스에 인접하여 위치된 공간일 수 있으며, 실질적으로 가스-불투과성인 막에 의하여 액체 소스로부터 분리될 수 있다. 액체 소스 및 실질적으로 가스-불투과성인 막에 의하여 분리된 상부 공간을 이용한 이러한 실시형태들에 있어서, 상부 공간은 액체 소스의 위, 아래 또는 임의의 측면 상에 위치될 수 있거나, 상부 공간은 액체 소스를 둘러싸거나 액체 소스에 의하여 둘러싸일 수 있다. 예를 들면, 상부 공간은 액체 공간을 통해 흐르는 실질적으로 가스-불투과성인 튜브(예컨대, 막 내강(membrane lumen)) 내부의 공간일 수 있거나, 액체 소스는 튜브의 외부를 둘러싸는 상부 공간을 가지는 실질적으로 가스-불투과성인 튜브(예컨대, 막 내강) 내부에 위치될 수 있다.
예시적인 다성분 용액은 유기 또는 무기 용매를 함유하는 용액; 무기 산, 무기 염기 또는 산화제 또는 환원제의 물- 또는 알코올-함유 용액; 수용성 H2O2 용액; 물-이소프로판올 용액과 같은 물-알코올 용액; H2O2/H2O/이소프로판올 용액; 및 수용성 히드라진 용액이다. 상기에 토의된 바와 같이, 이 용액의 조성물은 동적일 수 있으며, 라울의 법칙에 따르면, 저휘발성 화합물의 농도는 휘발성이 더 많은 성분이 보충되지 않으면 시간이 지남에 따라 증가할 수 있다. 바람직한 일 실시형태에 있어서, 액체 소스는 수용성 H2O2 용액, 특히, 30% H2O2 수용액을 포함한다. 바람직한 다른 실시형태에 있어서, 액체 소스는 수용성 히드라진 용액, 특히, 64 % 히드라진 수용액을 포함한다. 수용액이 본원에서 개시된 방법, 시스템 및 장치에서 흔히 이용된 액체 소스임에도 불구하고, 응용 가능한 다성분 액체 용액의 선택은 그렇게 제한되지 않는다. 적절한 다성분 액체 용액의 선택은 특정한 응용 또는 공정의 요구에 의하여 결정될 것이다.
특정한 실시형태들에 있어서, 본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치는 다양한 막들을 채용할 수 있다. 막은 바람직하게는 저휘발성 화합물(예컨대, 과산화수소 또는 히드라진)에 투과성이며, 특히 실질적으로 가스-불투과성인 막, 예컨대, NAFION막과 같은 과불소화된 이온-교환막이다. 이 방식으로, 저휘발성 화합물은 막을 관통하고, 막의 타측 상에 가스 스트림으로 도입되어 다양한 마이크로 전자장치 응용 및 기타 임계 공정들에서 이용될 수 있는 저휘발성 화합물을 포함하는 가스 스트림을 제공하게 된다. 바람직한 일 실시형태에 있어서, 막은 저휘발성 화합물(예컨대, 과산화수소 또는 히드라진)에 대한 고투과성을 갖는 실질적으로 가스-불투과성인 막이며, 또한, 정도는 덜하지만, 상대적으로 휘발성이 더 많은 용매(예컨대, 물)에 투과성이다. 이에, 물은 막을 가로질러 액체 소스로부터 캐리어 가스로 이동할 수 있는 반면에, 이에 수반하여, 미리-적재된 캐리어 가스로부터 물은 막을 가로질러 액체 소스로 이동할 수 있다. 또한, 막은 액체 소스 및 미리-적재된 캐리어 가스 사이에서 농도 구배를 분리하는 투과성 장벽으로 작용할 수 있다. 특정한 실시형태들에 있어서, 그러한 선택적으로 투과성인 막은 얻어진 가스 스트림 내에서 저휘발성 화합물의 농도를 증폭시킬 수 있다, 즉, 저휘발성 화합물(예컨대, 과산화수소 또는 히드라진)의 농도는 막의 부재 시에 액체 소스의 증기상으로부터 직접적으로 얻을 수 있는 농도를 초과한다.
본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치는 가스 스트림을 함유하는 공정 가스로부터 하나 이상의 성분들을 제거하여 예컨대, 가스 스트림으로부터 성분들을 선택적으로 또는 비선택적으로 제거하는 장치를 이용함으로써 가스 스트림을 함유하는 정제된 공정 가스를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직한 장치들은 가스 스트림을 함유하는 공정 가스로부터 비-반응성 공정 가스를 실질적으로 제거하는 장치인 반면에, 가스 스트림을 함유하는 공정 가스 내에서 반응성 공정 가스의 양은 상대적으로 영향을 받지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 일 양태에 따라서, 장치는 상부 공간의 하류에 위치된 제습기를 더 포함할 수 있다. 제습기를 그러한 장치에 부가함으로써, 물은 가스 스트림을 함유하는 공정으로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 미리-가습된 캐리어 가스가 과산화수소 수용액의 증기상과 접촉하여 과산화수소 및 물을 함유하는 캐리어 가스를 제공한다면, 상기 과산화수소함유 가스 스트림으로부터 나온 물을 상부 공간 하류의 제습기에 의하여 이로부터 제거하여 가스 스트림을 함유하는 실질적으로 건조한 과산화수소를 제공할 수 있다. 가스 스트림을 함유하는 공정 가스로부터 물 또는 기타 성분들을 제거하기 위한 특히 바람직한 장치는 막 접촉기이다. 그러나, 분자체, 활성탄소 및 기타 흡착제는 응용 또는 공정 요구사항을 만족시키는 소기의 특징을 갖는다면 동일하게 적용 가능하다. 가스 제거 장치의 바람직한 특징은 잔류 성분(들)을 가스 스트림을 함유하는 공정 가스 내에서 상대적으로 영향을 받지 않은 상태로 유지하면서 상대적으로 선택적인 방식으로 특정한 성분(들)을 제거하는 능력이다.
본원에서 제공된 장치는 거기에 사용된 가스 및 액체의 흐름을 함유하고 제어하기 위한 다양한 성분들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 장치는 질량 흐름 제어기, 밸브, 체크 밸브, 압력 게이지, 조절기, 로타미터 및 펌프를 더 포함할 수 있다. 본원에서 제공된 장치는 다양한 히터, 열전쌍 및 온도 제어기를 더 포함하여 장치의 다양한 구성요소들의 온도 및 방법의 단계를 제어할 수 있다.
본 발명의 추가적인 목적 및 이점은 이후 명세서에서 부분적으로 설명될 것이고, 명세서로부터 부분적으로 명백해질 것이거나 본 발명의 실행에 의하여 학습될 수 있다. 본 발명의 목적 및 이점은 실시형태들 및 청구의 범위에서 특히 지적된 구성요소 및 조합에 의하여 실현되고 달성될 것이다.
앞선 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명 양쪽 모두는 예시적이고 설명적일 뿐이며, 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해할 것이다.
이 명세서의 일부에 포함되고 이를 구성하며, 본 발명의 몇몇 실시형태들을 예시하는 첨부 도면은 명세서와 함께 본 발명의 원칙을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 특정한 실시형태들을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 특정한 실시형태들에서 유용한 막 조립체의 일부를 도시하는 도면이다.
도 2b는 과산화수소 전달 조립체(HPDA)와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에서 유용한 막 접촉기 조립체를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 전달 시스템의 P&ID이다.
도 4a는 HPDA와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에 있어서 유용한 막 접촉기 조립체의 정면도이다.
도 4b는 HPDA와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에 있어서 유용한 막 접촉기 조립체의 단면도이다.
도 4c는 HPDA와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에 있어서 유용한 막 접촉기 조립체의 정면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 전달 시스템의 P&ID이다.
도 6는 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 전달 시스템의 P&ID이다.
도 7은 특정한 실시형태들에 따라서 약 40℃에서 30% H2O2 수용액에 대하여 시간 경과에 따른 H2O2의 농도를 나타낸 챠트이다.
도 8은 상이한 유량의 30% H2O2 수용액에 대하여 시간 경과에 따른 H2O2의 농도를 나타낸 챠트이다.
도 9는 상이한 유량들에서 50% H2O2 수용액에 대하여 시간 경과에 따른 H2O2의 농도를 나타낸 챠트이다.
도 10은 가스 스트림 내에서 H2O 농도의 변화, 즉, 가스 스트림이 HPDA를 통과한 전후에 측정된 H2O 농도에서의 차이에 대하여 도시된, 제습기의 하류 및 HPDA의 상류에서 측정된 상대 습도를 플롯한 챠트이다.
도 2a는 본 발명의 특정한 실시형태들에서 유용한 막 조립체의 일부를 도시하는 도면이다.
도 2b는 과산화수소 전달 조립체(HPDA)와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에서 유용한 막 접촉기 조립체를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 전달 시스템의 P&ID이다.
도 4a는 HPDA와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에 있어서 유용한 막 접촉기 조립체의 정면도이다.
도 4b는 HPDA와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에 있어서 유용한 막 접촉기 조립체의 단면도이다.
도 4c는 HPDA와 같은 본 발명의 특정한 실시형태들에 있어서 유용한 막 접촉기 조립체의 정면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 전달 시스템의 P&ID이다.
도 6는 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 전달 시스템의 P&ID이다.
도 7은 특정한 실시형태들에 따라서 약 40℃에서 30% H2O2 수용액에 대하여 시간 경과에 따른 H2O2의 농도를 나타낸 챠트이다.
도 8은 상이한 유량의 30% H2O2 수용액에 대하여 시간 경과에 따른 H2O2의 농도를 나타낸 챠트이다.
도 9는 상이한 유량들에서 50% H2O2 수용액에 대하여 시간 경과에 따른 H2O2의 농도를 나타낸 챠트이다.
도 10은 가스 스트림 내에서 H2O 농도의 변화, 즉, 가스 스트림이 HPDA를 통과한 전후에 측정된 H2O 농도에서의 차이에 대하여 도시된, 제습기의 하류 및 HPDA의 상류에서 측정된 상대 습도를 플롯한 챠트이다.
본원에서 사용된 “공정 가스”라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의(customized) 의미로 한정되지 않음), 응용 또는 공정, 예컨대, 마이크로 전자장치의 제작 또는 가공 및 기타 임계 공정에서의 단계에서 이용되는 가스를 제한 없이 지칭한다. 예시적인 공정 가스는 무기 산, 유기 산, 무기 염기, 유기 염기 및 무기 및 유기 용매이다. 바람직한 공정 가스는 과산화수소이다.
본원에서 사용된 “반응성 공정 가스”라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 예컨대, 표면, 액체 공정 화학물질 또는 다른 공정 가스와 반응함으로써 가스가 채용된 특정한 응용 또는 공정에서 화학적으로 반응하는 공정 가스를 제한 없이 지칭한다.
본원에서 사용된 “비-반응성 공정 가스”라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 가스가 채용되지만, “비-반응성 공정 가스”의 성질이 특정한 응용 또는 공정에서 공정 가스에 효용을 제공하는 특정한 응용 또는 공정에서 화학적으로 반응하지 않는 공정 가스를 제한 없이 지칭한다.
본원에서 사용된 “캐리어 가스”라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 통상적으로 일련의 배관인 공정 순서(process train)를 통해 다른 가스를 운반하는데 이용되는 가스를 제한 없이 지칭한다. 예시적인 캐리어 가스는 질소, 아르곤, 수소, 산소, CO2, 청결한 건조 공기, 헬륨 또는 실온 및 대기압에서 안정적인 기타 가스들이다.
“미리-적재된 캐리어 가스”라는 용어는 액체 소스의 하나 이상의 성분(들)의 양을 함유하는 캐리어 가스를 의미한다.
본원에서 사용된 “비활성 가스”라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 본원에서 기재된 바와 같이 막을 투과할 수 없는 가스를 제한 없이 포함한다.
본원에서 사용된 “액체 소스”라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 응용 또는 공정에 이용되는 가스, 구체적으로는 공정 가스의 원천을 제공하는 액체 용액을 제한 없이 지칭한다.
본원에서 사용된 “상부 공간”이라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 상부 공간에 함유된 가스의 적어도 일부를 제공하는 액체 소스와 유체 접촉한 가스의 체적을 제한 없이 지칭한다. 액체 소스로부터 상부 공간을 분리하는 투과성이거나 선택적으로 투과성인 장벽이 있을 수 있다.
본원에서 사용된 “실질적으로 가스-불투과성인 막”이라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 예컨대, 물 또는 과산화수소와 같은 기체 또는 액체상에서 존재할 수 있는 기타 성분들에 상대적으로 투과성이지만, 수소, 질소, 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 탄화수소(예컨대, 에틸렌), 휘발성 산 및 염기, 난분해성 화합물 및 휘발성 유기 화합물(이에 한정되지는 않음)과 같은 기타 가스들에 상대적으로 불투과성인 막을 제한 없이 지칭한다.
본원에서 사용된 “이온 교환막”이라는 용어는 광범위한 용어로서, 당업자에게 통상적이고 관습적인 의미로 주어지며(그리고, 특별하거나 특별맞춤의 의미로 한정되지 않음), 막 및 외부 물질 사이에서 이온과 조합하거나 이온과 교환할 수 있는 화학기들을 포함하는 막을 제한 없이 지칭한다. 그러한 화학기는 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스핀산, 술파미드, 술포닐 이미드, 비소기, 셀렌기, 페놀기 및 이들의 염을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다.
캐리어 가스가 저휘발성 공정 가스들을 전달하는데 이용될 수 있는 본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치의 실시형태들을 도 1 내지 10을 참조하여 보여준다.
도 1은 본 발명의 방법, 시스템 및 장치의 특정한 실시형태들을 도시하는 공정 흐름도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 성분 A로 미리적재된 캐리어 가스는 장치 또는 시스템으로 도입될 수 있다. 캐리어 가스는 가습기, 화학적 기화기 또는 기타 유사한 장치를 이용하여 성분 A(예컨대, 수증기)로 미리적재될 수 있다. 이후, A로 미리적재된 캐리어 가스는 성분 A 및 성분 B(예컨대, H2O2)을 함유하는 막 접촉기를 통과할 수 있다. 막 접촉기로부터 배출된 캐리어 가스는 공정 가스로서 제공될 수 있는 성분 A 및 성분 B를 함유할 수 있다. 선택적으로는, 막 접촉기로부터 배출된 성분 A 및 성분 B를 함유하는 캐리어 가스는 성분 A의 적어도 일부를 제거하도록 구성된 분리기(예컨대, 건조기)에 공급될 수 있다. 이후, 성분 B 및 감소된 양의 A를 함유하는 캐리어 가스는 공정 가스로서 제공될 수 있다.
도 2a 및 2b는 막 접촉기 조립체(200)(예컨대, 과산화수소 전달 조립체) 및 본원에서 제공된 바와 같이 이용될 수 있는 막 접촉기 조립체의 일부를 형성하는 막 조립체(210)의 일 실시형태의 상이한 도면들을 도시한다. 도 2a는 내강으로서 구성될 수 있는 복수의 막들(220)을 포함하는 막 조립체(210), 예를 들면, 5R NAFION막을 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 내강으로 구성된 막들(220)은 수집판(230) 내의 복수의 개구부들을 통해 수집판(230)으로 삽입된다. 또한, 막 조립체(210)는 수집판(230)으로 삽입된 복수의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 막대들(240)을 포함한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 막 접촉기 조립체(200)의 일부로서, 막 조립체(210)는 수집판들(230)에 걸쳐서 뻗어있는 막 내강들(220)을 포함한다. 막 접촉기 조립체(200)는 막 조립체(210)의 각 말단에서 엔드캡들(endcaps; 250)을 더 포함한다. 엔드캡들(250)은 배관에 맞춰져서 막 접촉기 조립체(200)의 내부에 접근을 제공할 수 있는, 예컨대, 막 접촉기 조립체를 충진하거나, 비우거나, 세정하거나 재충진할 수 있는 브랜치들(branches; 260)을 더 포함한다.
본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치의 일 양태에 따른 일 실시형태가 도 3을 참조하여 아래에 기재되어 있다. 전달 장치(300)는 도 3에 도시된 바와 같이, 가습기(310), 막 접촉기(320), 및 건조기(330)를 포함할 수 있다. 캐리어 가스(301)(예컨대, 질소)는 막 접촉기(320) 내에서 상부 공간을 통과하여 흐를 수 있다. 유량 제어기(MFC)(341)는 통상적으로 1 slm으로 설정될 수 있는 질소 캐리어 가스(301)의 유량을 제어하는데 이용될 수 있다. 유량 제어기(MFC)(342)는 희석 가스(302)(예컨대, 질소) 유량을 제어할 수 있다. 밸브(343)는 원하지 않는 경우 희석 라인을 격리할 수 있다. 체크 밸브들(344, 345)은 MFC(341) 및 MFC(342) 양쪽 모두의 하류에 위치되어 MFC(341) 및 MFC(342)를 예컨대, 공정 가스들(예컨대, H2O 및 H2O2)에의 노출로부터 보호할 수 있다. 압력 게이지(346)는 MFC(341) 및 체크 밸브(344) 사이에 위치되어 다기관의 압력이 최대 압력, 예컨대, 특정한 유형의 분석기(360)에 대하여 5 psig를 초과하지 않도록 할 수 있다.
캐리어 가스 압력은 통상적으로 15 psig로 설정된 전방 압력 조절기(347)로 유지될 수 있다. 캐리어 가스는 가습기(310)을 통하여 흐를 수 있고, 수증기 또는 다성분 용액의 다른 휘발성이 더 많은 성분(즉, 도 1을 참조하여 상기 기재된 바와 같은 성분 A)으로 미리-적재될 수 있다. 열전쌍(350)은 캐리어 가스가 가습기(310)에 들어가기 전에 캐리어 가스의 온도를 측정할 수 있다. 열전쌍(351)은 가습기(310) 내에서 액체의 온도를 측정할 수 있다. 가습기(310)를 빠져나간 이후, 캐리어 가스는 막 접촉기 조립체(320)에 들어갈 수 있으며, 여기에서 저휘발성 성분(즉, 도 1을 참조하여 상기 기재된 바와 같이 성분 B), 예컨대, 과산화수소가 다성분 용액으로부터 캐리어 가스에 첨가될 수 있다. 열전쌍(352)은 막 접촉기 조립체(320) 내에서 다성분 용액의 온도를 측정할 수 있다. 선택적으로, 캐리어 가스는 막 접촉기 조립체(320)를 빠져나온 이후에 건조기(330)를 통해 흘러서 가스 스트림으로부터 H2O 또는 기타 휘발성이 더 많은 성분을 제거할 수 있다. 건조기(330)는 존재하는 경우, 휘발성이 더 많은 성분(즉, 성분 A)의 상대적 농도를 낮춤으로써 저휘발성 성분(즉, 성분 B)의 상대적 농도를 상승시키도록 구성될 수 있다. 열전쌍(353)은 선택적으로는 분석기(360)에 들어가기 전에 캐리어 가스 온도를 측정할 수 있다. 잔류 가스는 분석된 이후에 습도 트랜스미터(354)에 보내져서 이를 발산하기 전에 상대 습도(RH) 및 온도를 측정할 수 있다.
히터 테이프(370)는 도 3에 도시된 바와 같이 전달 장치(300)의 특정한 섹션들 상에 위치될 수 있다. 전달 장치(300)는 와트로우(Watlow) 제어기를 이용하여 2 개의 분리된 지역들, 막 조립체들 및 남아있는 배관에서 제어될 수 있다. 장치 전체는 흄 후드의 내부에 설치될 수 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 특정 실시형태들에 따른 막 접촉기 조립체(400)을 도시한다. 막 접촉기 조립체(400)는 쉘 하우징(shell housing; 420) 내의 막 조립체(410) 및 쉘 하우징(420)에 결합하도록 구성된 엔드 캡들(430)을 포함한다. 막 조립체(410)는 복수의 막 내강들(440)을 포함한다. 막 내강들은 과불화된 술폰산 막, 예를 들면, NAFION막으로부터 제작될 수 있다.
막 접촉기 조립체(400)는 과산화수소 전달 조립체(HPDA)로서 작동하도록 구성될 수 있다. HPDA는 막, 예컨대, 실질적으로 가스-불투과성인 막에 의하여 과산화수소 함유 용액으로부터 분리된 상부 공간을 과산화수소 함유 용액용 용기에 제공할 수 있다.
도 5는 다성분 액체 용액, 예컨대, 과산화수소 수용액의 저휘발성 성분, 예컨대, 과산화수소를 전달하기 위한 전달 시스템(500)에 대한 P&ID를 도시한다. 과산화수소 전달 시스템(HPDS)으로서 구성되는 경우, 전달 시스템(500)은 HPDA(508), 예컨대, 막과 유체 연통된 가습기(502)를 포함할 수 있다. 그러한 구성에 있어서, 전달 시스템(500)은 가스 배관(501)을 통하여 가습기(502) 내로 캐리어 가스(550)를 수용하도록 구성될 수 있다. 캐리어 가스(550)는 가습기(502) 내에서 복수의 막들(541)로 흘러 들어 갈 수 있다.
또한, 가습기(502)는 가습기(502) 내에서 물/증기 챔버(540) 속으로 물 배관(531)을 통해 워터 소스(530)(예컨대, 탈이온수)를 수용하도록 구성될 수 있다. 가습기(502)는 막들(541)을 통해 흐르는 캐리어 가스(550)의 수분 함량을 증가시키도록 구성될 수 있다. 가습기(502)를 빠져 나가는 미리-적재된/가습된 캐리어 가스의 수분 농도는 히터(504) 및 이슬점 프로브(503)에 의하여 제어될 수 있다. 미리-적재된/가습된 캐리어 가스의 수분 농도는 히터(504)의 온도 설정점을 증가 또는 감소시킴으로써 설정점까지 증가 또는 감소될 수 있다.
미리-적재된/가습된 캐리어 가스는 가습기(502)를 빠져나와 가스 튜브(505)로 들어갈 수 있다. 캐리어 가스의 온도는 히터(506)를 구비한 가열 가스 튜브(505)에 의하여 이슬점보다 높게 유지될 수 있으며, 온도는 열전쌍(507)으로 측정 및 제어될 수 있다. 히터(506)의 온도 설정점은 미리-적재된/가습된 캐리어 가스로부터 수증기의 농도를 제한하기 위하여 히터(504)의 온도 설정점을 초과할 수 있다.
이후, 미리-적재된/가습된 캐리어 가스는 HPDA일 수 있는 막 접촉기 조립체(508)로 흘러갈 수 있다. 막 접촉기 조립체(508)는 복수의 막 내강들(543) 및 막 접촉기 조립체(508)의 쉘 내부에 함유된 다성분 용액(542)(예컨대, 과산화수소 수용액)을 포함할 수 있다. 미리-적재된/가습된 캐리어 가스는 막 내강들(543)로 흘러갈 수 있으며, 여기서 다성분 용액(542)이 막 내강들(543)을 통해 기화된다. 미리-적재된/가습된 캐리어 가스로 들어가는 다성분 용액으로부터 증기의 농도는 열 조절을 통해 제어될 수 있다. 다성분 용액의 온도는 히터(509)를 이용하여 제어될 수 있고, 다성분 용액의 온도는 열전쌍(510)을 이용해 측정될 수 있다. 증기상의 다성분 용액의 성분들의 농도는 히터(509)의 설정점을 증가시키거나 감소시킴으로써 설정점까지 증가되거나 감소될 수 있다.
가스 배관(511)을 통해 막 접촉기 조립체(508)를 빠져나가는 캐리어 가스는 증기상의 다성분 용액의 양쪽 성분들을 함유한다. 상기 캐리어 가스의 온도는 히터(512) 및 열전쌍(514)을 이용하여 제어될 수 있다. 히터(512)는 가스 튜브(511) 주위를 감쌀 수 있다. 소기의 저휘발성 성분을 함유하는 상기 캐리어 가스는 출구(515)를 통해 공정에 전달될 수 있다.
가습기(502) 내에서 물 레벨은 자동 충진을 통해 유지될 수 있다. 가습기(502) 내의 물이 증기로 전달되어 캐리어 가스(550)에 수송됨에 따라, 물 레벨이 하강할 수 있다. 물 레벨 레그(water level leg; 533) 상에 위치된 충진 센서(534)에 의하여 감지된 설정 수준 미만으로 물 레벨이 하강하는 경우, 밸브(532)가 개방되어 물이 가습기(502)로 흘러가도록 할 수 있다. 물 레벨은 가습기(502) 내에서 충진 센서(534)에 의하여 감지된 설정 레벨까지 상승할 수 있다. 물 레벨이 충진 센서(534)의 설정 수준에 도달하는 경우, 밸브(532)는 폐쇄될 수 있다.
막 접촉기 조립체(508) 내에 함유된 다성분 용액(542)은 막 접촉기 조립체(508) 및 이후 저수조(516)을 충진하는 충진 튜브(515)를 통해 충진되고 보충될 수 있다. 이는 가습기(502)와 유사한 방식으로 자동적으로 수행될 수 있다. 저수조(516)는 막 접촉기(508) 내에서 다성분 용액(542)의 레벨을 더 오랜 기간 동안 유지시킬 목적을 수행할 수 있다.
전달 시스템(500)(예컨대, HPDS)은 4 개의 온도 제어된 지역들인 제1 지역(521), 제2 지역(522), 제3 지역(523) 및 제4 지역(524)로 분리될 수 있다. 캐리어 가스는 전달 시스템(500) 및 제1 지역(521)에서 시작하는 해당 온도 지역들을 통과한 이후에, 제2 지역(522), 제3 지역(533)으로 흘러가서 배출되기 전에 제4 지역(534)에서 종결할 수 있다. 제1 지역(521)은 최저 온도를 가질 수 있고, 제2 지역(522)은 제1 지역(521)보다 높은 설정점을 가질 수 있고, 제3 지역(523)은 제2 지역(522)보다 높은 설정점을 가질 수 있으며, 제4 지역(524)은 캐리어 가스를 빠져 나간 증기의 응축의 가능성을 제한하기 위하여 최고 온도 설정점을 가질 수 있다.
도 6은 본원에서 제공된 방법, 시스템 및 장치에 따라서, 다성분 용액의 저휘발성 성분, 예컨대, 과산화수소로부터 증기를 전달하는데 이용될 수 있는 전달 및 모니터링 시스템(600)의 P&ID를 도시한다. 전달 및 모니터링 시스템(600)은 상기에 기재된 바와 같이 전달 시스템(500)(예컨대, HPDS)를 연결하도록 구성될 수 있다.
전달 시스템(600)은 유량 제어기(MFC)(620)를 통해 캐리어 가스(610)(예컨대, 질소 가스)를 수용하도록 구성될 수 있다. MFC(620)는 캐리어 가스(610)의 전달 시스템(500)으로의 유량을 제어하는데 이용될 수 있다.
MFC(630)는 우회 전달 시스템(500)까지 구성될 수 있는 캐리어 희석 가스(640)의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다. 밸브(631)는 원하는 경우 희석 라인을 격리하는데 이용될 수 있다. 한쌍의 체크 밸브들(632, 633)은 MFC(620) 및 MFC(630)의 하류에 위치되어 MFC(620) 및 MFC(630)를 예컨대, 공정 가스들(예컨대, H2O 또는 H2O2)에의 가능한 노출로부터 보호할 수 있다. 압력 게이지(634)가 MFC(620)와의 사이에 위치될 수 있다.
캐리어 가스(610)의 압력의 압력은 전방 압력 조절기(635)를 이용하여 유지될 수 있다. 열전쌍(636)은 캐리어 가스(610)가 전달 시스템(500)으로 들어가기 전에 캐리어 가스(610)의 온도를 측정할 수 있다. 상기에 기재된 바와 같이, 전달 시스템(500) 내에서, 다성분 용액의 증기상은 캐리어 가스(610)로 도입될 수 있다. 열전쌍(637)은 캐리어 가스(610)가 통과하기 전에 분석기(660)에 의하여 온도를 측정할 수 있다. 압력 전송기(638)는 캐리어 가스(610)가 통과하기 전에 분석기(660)에 의하여 압력을 측정할 수 있다. 열전쌍(639)은 캐리어 희석 가스(640)의 온도를 측정할 수 있다. 압력 게이지(641)는 캐리어 희석 가스(640)가 MFC(630)를 통과하기 전에 압력을 측정할 수 있다. 밸브(611)는 캐리어 가스(610) 공급을 격리할 수 있다.
다기관(600)은 전달 시스템(500)으로 물 공급(670)(예컨대, 탈이온수)을 수용하도록 구성될 수 있다. 물 공급(670) 압력의 압력은 전방 압력 조절기(671)를 이용하여 유지될 수 있다. 압력 게이지(672)는 물 공급(670)이 전달 시스템(500)으로 들어가기 전에 압력을 측정할 수 있다. 밸브(673)는 전달 시스템(500)으로부터 물 공급(670)을 격리할 수 있으며, 밸브(674)는 전방 압력 조절기(671)로부터 물 공급(670)을 격리할 수 있다.
다기관(600)은 전달 시스템(500) 내에서 다성분 용액의 농도를 측정하도록 구성된 농도 분석기(690)를 더 포함할 수 있다.
상기에 기재된 바와 같이 다기관(600)은 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 하기 방법들에서 활용되었다. 하기 방법들은 약 40℃의 온도에서 약 30% 내지 약 50%(w/w) 사이의 농도를 갖는 과산화수소 수용액을 이용하였다. 전달 시스템(500)은 막 접촉기 조립체(400)와 같은 HPDA를 채용하는 HPDS로서 구성되었다. HPDA 하우징 및 엔드캡들은 PTFE였다.
본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 일 방법에 있어서, HPDS(500)는 30% H2O2 수용액을 이용하여 약 40℃의 온도에서 작동하면서 모니터링되었다. 비교를 위하여, HPDS는 미리-가습된 질소 캐리어 가스로 일정 시간 동안 작동되고 건조 질소 캐리어 가스로 일정 시간 동안 작동되었다. 라울의 법칙에 따르면, H2O2 증기의 농도는 설정점인 490 ppm으로 예상되었다. 이 절차로부터 수집된 데이터는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 미리-가습된 질소 캐리어 가스가 HPDS(500)와 함께 이용되었던 경우, H2O2 농도는 약 3 시간 이후에 농도가 대략 설정점에 도달할 때까지 증가하였다. 상기 H2O2 농도는 적어도 11 시간 동안 유지되는데, 이때 절차가 종결되었다. H2O2 농도가 안정되지 않았거나 더 오랜 기간 동안 유지될 수 없었던 징후는 없었다. 대조적으로, 건조한 질소 캐리어 가스가 HPDS(500)과 함께 이용되었던 경우, H2O2 농도는 증가하여 약 1 시간 이내에 설정점을 초과하였고, 이후 14 시간의 시험 지속 기간 동안 내내 연속적으로 증가하였다.
본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 다른 방법에 있어서, HPDS(500)은 30% H2O2 수용액 및 미리-가습된 질소 캐리어 가스를 이용하여 상이한 농도 설정점들 및 상이한 유량들에서 작동하면서 모니터링되었다. HPDS는 330 ppm 및 1,600 ppm의 농도 설정점들 및 양쪽의 설정점들에서 0.5 slm 및 10 slm의 유량들에서 모니터링되었다. 이 절차 동안에 수집된 데이터는 도 8에 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 4 가지 모든 시나리오들에서 H2O2 증기 농도는 최초 조업개시 이후에 실질적으로 유지되었다. 상기 절차는 약 4.5 시간 이후에 종결되었다. H2O2 농도가 안정되지 않았거나 더 오랜 기간 동안 유지될 수 없었던 징후는 없었다.
본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 다른 방법에 있어서, 50% H2O2 수용액을 함유하는 HPDS(500)는 미리-가습된 질소 캐리어 가스가 10 slm의 유량으로 HPDS를 통해 흘러가도록 하는 동안에 모니터링되었다. HPDS는 857 ppm, 1900 ppm 및 3000 ppm의 3 가지 상이한 H2O2 증기 농도 설정점들에서 모니터링되었다. 이 절차 동안에 수집된 데이터는 도 9에 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 더 높은 농도 및 높은 유량에서도, HPDS는 각 설정점에서 H2O2 농도를 유지할 수 있었다.
상기 토의된 바와 같이, 미리-적재된 캐리어 가스 내에 존재해야 하는 고휘발성 성분(예컨대, 물)의 양은 P(preloada) = xa(Pa - Pb)로서 라울의 법칙에 기초하여 추산할 수 있다. 그러나, 이 추산은 이상화된 라울의 법칙에 기초한 것이며, 대부분의 용액들은 비-이상적이다. 실제 다성분 용액들의 비-이상적 거동에 대한 보정 인자들이 적용될 수 있다. 특정한 실시형태들에 있어서, 특정한 공정에 요구되는 미리-적재된 캐리어 가스 내에서 고휘발성 성분의 양을 미리-측정하고, 이에 따라 가습기 및 막 접촉기 조립체에 대한 추산된 설정점들을 계산하는 것은 유리할 것이다.
예를 들면, 미리-적재된/가습된 캐리어 가스가 HPDA를 통과한 이후에 미리-적재된/가습된 캐리어 가스의 상대 습도에 대한 이의 물 농도의 변화의 비교는 도 10의 데이터를 참조하여 도시되어 있다. 데이터는 도 3의 전달 시스템에 상대 습도 프로브를 추가함으로써 획득되었다. 성분(330)은 제거되었으며, 캐리어 가스는 가습기(310)에 직접적으로 이어졌다. 상대 습도 프로브는 가습기(310)의 바로 하류에 추가되었다. 이후, HPDA로서 구성된 막 접촉기 조립체(320) 이후에 H2O2 및 물의 양이 측정되었다. HPDA(320) 전후에 물 및 H2O2의 차이는 가습기(310) 및 HPDA(320)에 대한 온도 설정점들을 조절하는데 이용되었다. 도 5에서 유사한 항목들을 참조하여, 가습기 및 HPDA의 온도 설정점들을 변화시키는 것은 이슬점 프로브(503) 및 열전쌍(510)을 통해 히터들(504 및 509)의 온도 설정점들을 조절함으로써 달성될 수 있다. 실험적으로 수집된 데이터를 이용함으로써, 정확한 온도 설정점들 및 필요한 미리적재된 이슬점들이 특정한 장치의 보정을 위해 수집되고 저장될 수 있다.
도 10은 HPDA에 들어가는 미리-적재된/가습된 캐리어 가스의 상대 습도에 대한 HPDA 막을 가로지르는 수증기의 흐름을 플롯한다. 미리-적재된/가습된 캐리어 가스의 물 농도가 0% RH로부터 110% RH로 증가됨에 따라, HPDA 막을 가로지르는 물의 유량은 감소되었다. 이 예에서, 0% RH에서 약 75% RH 사이에서, 물은 HPDA로부터 제거되었으며, 즉, 유량은 양성이었다. 이 예에서 약 75% RH를 초과하면, 물은 미리-적재된/가습된 캐리어 가스로부터 막을 통해 HPDA에 첨가되어 과산화수소 수용액이 되고, 이에 의하여 용액의 농도를 희석시킨다.
이 방식으로, 본 발명의 특정한 실시형태들에 따른 방법, 시스템 및 장치는 소정의 설정점으로 자가-조절할 수 있다. 미리적재된 화학물질 및 다성분 액체 소스의 온도 설정점들이 최초에 부정확하면, 다성분 액체 소스의 농도는 미리-적재된 캐리어 가스로부터 고휘발성 성분을 흡수하여 다성분 용액을 희석하거나 캐리어 가스에 고휘발성 성분을 첨가하여 다성분 용액을 농축시킴으로써 온도-의존성 농도 설정점으로 자가-조절될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태들은 본원에 개시된 본 발명의 명세서 및 수행의 고려를 통하여 당업자에게 명백해 질 것이다. 명세서 및 실시예들은 예시적인 것으로만 고려되어야 하며, 본 발명의 진정한 범위 및 취지는 하기 청구의 범위에 의해 나타내질 것이다.
Claims (33)
- (a) 다성분 액체 소스의 다성분 액체를 증발시켜 다성분 액체의 증기상을 제공하는 단계로서, 상기 다성분 액체가 고휘발성 성분 및 저휘발성 성분을 포함하고, 상기 다성분 액체가 과산화수소 수용액인 단계;
(b) 미리-적재된 캐리어 가스를 상기 증기상과 접촉시키는 단계로서, 상기 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 적어도 상기 다성분 액체의 고휘발성 성분을 포함하고, 상기 고휘발성 성분이 수증기인 단계; 및
(c) 상기 다성분 액체의 적어도 일 성분을 포함하는 가스 스트림을, 마이크로 전자장치 제조 또는 가공, 박테리아, 바이러스 및 기타 생물학적 약제로 오염된 표면의 소독, 산업 부품 세정, 약제 제조, 나노-물질의 제조, 발전 및 제어 장치, 연료 전지 및 동력 전달 장치 중 하나의 공정 또는 응용에 전달하는 단계를 포함하고,
(i) 상기 미리-적재된 캐리어 가스로부터 수증기의 상기 다성분 액체로의 순수 흡수(net absorption) 또는 (ii) 상기 다성분 액체로부터 상기 저휘발성 성분의 상기 미리-적재된 캐리어 가스로의 순수 제거(net removal) 중 어느 하나에 의해, 상기 캐리어 가스 내에서 상기 고휘발성 성분의 양이 상기 다성분 액체에서 성분들의 비율을 유지하는데 충분한 것인 방법. - 제1항에 있어서,
상기 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스; 및 알코올, 케톤, 에테르, 유기 산, 무기 산, 유기 용매 및 무기 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 성분을 포함하는 것인 방법. - 제1항에 있어서,
상기 다성분 액체의 고휘발성 성분을 상기 가스 스트림으로부터 제거하기 위한 방법을 더 포함하되, 상기 방법은 상기 증기상의 하류에서 수행되는 것인 방법. - 제3항에 있어서,
상기 성분이 제거되는 방법은 막 접촉기 건조기를 이용하는 것인 방법. - 제1항에 있어서,
상기 다성분 액체는 2성분 혼합물인 것인 방법. - 제1항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤, 수소, 산소, CO2, 청결한 건조 공기, 헬륨 또는 실온 및 대기압에서 안정적인 기타 가스들을 포함하는 것인 방법. - 제1항에 있어서,
상기 다성분 액체의 증기상 및 상기 다성분 액체는 상기 저휘발성 성분에 대해 투과성이고 가스-불투과성인 막에 의하여 분리되는 것인 방법. - 제7항에 있어서,
상기 가스-불투과성인 막은 불화된 이온-교환 막을 포함하는 것인 방법. - 제1항에 있어서,
하기 매개변수들: (a) 상기 다성분 액체 소스의 온도, (b) 상기 다성분 액체 소스의 압력, (c) 상기 다성분 액체 소스의 농도, (d) 상기 캐리어 가스의 온도, (e) 상기 캐리어 가스의 압력, 및 (f) 캐리어 가스 유량 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 상기 증기상의 적어도 일 성분의 농도를 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법. - 제7항에 있어서,
하기 매개변수들: (a) 상기 다성분 액체 소스의 온도, (b) 상기 다성분 액체 소스의 압력, (c) 상기 다성분 액체 소스의 농도, (d) 상기 캐리어 가스의 온도, (e) 상기 캐리어 가스의 압력, (f) 상기 막의 표면적, 및 (g) 캐리어 가스 유량 중 적어도 하나를 변화시킴으로써 상기 증기상의 적어도 일 성분의 농도를 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법. - (a) 고휘발성 성분 및 저휘발성 성분을 포함하는 액체를 제공하는 다성분 액체 소스로서, 상기 액체는 과산화수소 수용액인 다성분 액체 소스;
(a1) 상기 다성분 액체 소스와 유체 접촉하는 헤드 스페이스로서, 상기 다성분 액체 소스의 상기 액체를 증발시킴으로써 얻어진 증기상을 포함하는 헤드 스페이스;
(b) 상기 증기상과 유체 접촉하는 미리-적재된 캐리어 가스 소스로서, 상기 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스 및 적어도 상기 다성분 액체 소스의 고휘발성 성분을 포함하고, 상기 고휘발성 성분은 수증기인 미리-적재된 캐리어 가스 소스; 및
(c) 상기 헤드 스페이스와 유체 접촉하는 장치로서, 상기 장치는 상기 캐리어 가스가 상기 증기상과 접촉했을때 생성되는 가스 스트림을 전달하도록 구성되고, 상기 가스 스트림은 상기 다성분 액체 소스의 적어도 일 성분을 포함하는 장치를 포함하되,
(i) 상기 미리-적재된 캐리어 가스로부터 수증기의 상기 다성분 액체로의 순수 흡수 또는 (ii) 상기 다성분 액체로부터 상기 저휘발성 성분의 상기 미리-적재된 캐리어 가스로의 순수 제거 중 어느 하나에 의해, 상기 미리-적재된 캐리어 가스 내에서 상기 고휘발성 성분의 양이 상기 다성분 액체 소스에서 성분들의 비율을 유지하는데 충분한 것인 화학물질 전달 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 증기상을 상기 액체 소스로부터 분리하는 가스 불투과성인 막을 더 포함하고, 상기 가스 불투과성인 막은 상기 저휘발성 성분에 대해 투과성인 화학물질 전달 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 가스-불투과성인 막은 불화된 이온-교환 막을 포함하는 것인 화학물질 전달 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 미리-적재된 캐리어 가스 소스는 적어도 물을 캐리어 가스로 도입시키는 장치인 것인 화학물질 전달 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 물을 상기 캐리어 가스로 도입시키는 상기 장치는 막 접촉기 가습기인 것인 화학물질 전달 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 미리-적재된 캐리어 가스는 캐리어 가스; 및 알코올, 케톤, 에테르, 유기 산, 무기 산, 유기 용매 및 무기 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 일 성분을 포함하는 것인 화학물질 전달 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 다성분 액체 소스의 고휘발성 성분을 상기 가스 스트림으로부터 제거하기 위한 장치를 더 포함하되, 상기 장치는 상기 증기상의 하류에 위치되는 것인 화학물질 전달 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 고휘발성 성분을 제거하는 장치는 막 접촉기 건조기인 것인 화학물질 전달 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 다성분 액체 소스는 2성분 혼합물인 것인 화학물질 전달 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤, 수소, 산소, CO2, 청결한 건조 공기, 헬륨 또는 실온 및 대기압에서 안정적인 기타 가스들을 포함하는 것인 화학물질 전달 시스템.
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