KR0133228B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열교환기(a heat exchanger)는 하우징(a housing)과, 상기 하우징내에 장착된 고형재(a solid material)를 포함하는 저장용기(a reservoir)와, 상기 저장용기의 온도를 제어하기 위한 온도제어수단(temperature control means)과, 물질의 온도를 조절하기 위하여 상기 저장용기로부터 상기 물질로의 에너지 전달이 실행될 수 있도록 상기 저장용기와 상기 물질사이에 열접촉(thermal contact)을 허용하는 에너지 교환수단(energy exchange means)을 포함한다.

Description

열교환기

제1도는 에어로졸 세정장치의 전체적인 개략도.

제2 도는 본 발명에 따른 열교환기의 부분 단면도.

제3도는 제2도의 열교환기의 부분 단면도.

제4도는 제2도의 열교환기에 사용되는 단열재(insulation)의 단면도.

제5도는 본 발명에 따른 표면 세정장치의 일 실시예의 단면도.

제6도는 본 발명에 따른 노즐 팁(a nozzle tiop)의 정면 부분 단면도.

제7A-B 도는 제6도의 노즐 팁의 상이한 도면.

제8도는 본 발명에 따른 표면 세정장치의 다른 실시예의 단면도.

제9도는 제8도의 표면 세정장치의 평면도.

제10도는 제8도의 표면 세정장치의 저면도.

제11도는 본 발명에 따른 노즐 팁의 단면도.

제12A-C 도는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 각종 노즐에 대한 예시도.

제13도는 본 발명에 따른 세정장치의 또다른 실시예의 단면도.

제14도는 제13도의 표면 세정장치의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 열교환기 15,102,202,330 : 노즐

20 : 세정대상의 표면 25 : 저온 저장용기

30 : 하우징 45 : 튜브

55 : 홈 65 : 펌프

70 : 엘보우 75 : 냉각수단

80 : 가열로드 90 : 반사층

92 : 중간부 93,94 : 말단층

95 : 스페이서층 247,325 : 배기 및/또는 진공펌프

본 발명은 저온 에어로졸(cryogenic aerosol)의 제조에 관한 것으로, 특히 저온 에어로졸을 이용한 표면 세정장치에 관한 것이다. 표면 오염은 각종 산업분야에서 폭넓은 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 표면 오염은, 저급 또는 비작동 제품(inferior or non-operating products)의 제조를 야기할 수도 있고, 또는 상당히 낮은 제조율을 유발할 수도 있다. 예를 들면, 특정 예로서, 표면 오염은 마이크로전자 제조업계(the microelectronics processing industry)에서 자주 발생하는 문제로써, 소망하지 않는 입자, 필름, 분자등의 형태로 나타날 수 있고; 오염될 수 있는 표면으로는 반도체 웨이퍼, 디스플레이(displays), 마이크로전자 부품등의 표면을 들 수 있다. 이러한 표면 오염은 각종 유형의 결함, 여러 결함중에서도 특히 단락회로(short circuits), 개회로(open circuits) 및 적층 결함(stacking faults)등을 야기 시킬 수 있다. 이러한 결함은 회로에 악영향을 미칠 수 있고 궁극적으로는 칩 전체의 고장을 유발할 수 있다.

제거할 필요가 있는 오염물질을 갖는 다른 유형의 표면으로는 플라즈마 에칭 및 화학 증착용 반응기와 같은 공구 또는 프로세스 체임버(tool or process chambers)의 벽이 있다. 반도체 제조중 발생된 반응 잔류물 및/또는 폴리머(중합체)(polymers)는 체임버 벽에 침착되는 경향이 있다. 이러한 잔류물 및/또는 중합체는 그 후 제조중인 제품 위로 또는 이어서 제조된 제품위로 떨어질 수도 있다. 이러한 메카니즘으로 인해 발생되는 제조율 저하를 방지하기 위해서는, 제조용 프로세스 체임버를 주기적으로 분해하여 세정하거나 닦아내야 한다. 현재 실시되고 있는 기법은 매주마다 체임버 내측의 고정구(fixtures)를 분해하고 알코올과 물의 혼합물로 모든 표면을 닦아내는(wipe down) 것이다. 이러한 주기적인 기계 분해작업, 닦아내는 작업 및 제조립 작업과, 세정후 표면건조를 위해 필요한 긴 펌프다운 시간(long pump-down times)은 프로세싱 장치의 제조율과 신뢰성을 심각하게 저하시킨다. 또한, 침착된 물질이 물과 반응을 일으킬 때 형성된 산성증기(the acidic fumes)는 종종 세정자(cleaning personnel)의 건강에 위험을 유발하기도 한다.

1992년 4월 28일자로 고프넷 등(Goffnett et al.)에게 특허된 미합중국 특허 제 5,108,512 호는, 다결정성 실리콘의 제조에 사용되는 화학 증착 반응기를 이산화탄소 펠릿(pellets)으로 충돌시킴으로써 세정하는 것에 관한 것이다. 이 미합중국 특허는 이산화탄소 가스를 펠리타이저(a pelletizer)로 이송하고, 그곳에서 가스를 압축하여 고형의 이산화탄소 펠릿으로 형성하는 것을 개시하고 있다. 이 펠릿은 그것의 속도를 증가시키기 위한 촉매가스(an accelerant gas)와 함께 노즐로 이송된다. 이 노즐은 그곳으로부터 방출되는 펠릿의 속도를 최대화하는 벤츄리(venturi) 노즐이다. 더욱이, 이 노즐은 노즐의 이동을 허용하는 컨베이어 아암(a conveyor arm)상에 장착된다. 이 미합중국 특허의 세정장치가 갖고 있는 결점으로는, 펠리타이저가 필요하다는 것과, 노즐을 이동시키기 위해 노즐을 컨베이어 아암상에 장착해야 한다는 것을 들 수 있다. 특히, 컨베이어 아암 장치는 노즐이 오직 컨베이어 아암의 구조에 따라 이동될 수 있기 때문에 노즐의 이동성(mobility of the nozzle)을 제한하게 된다. 다른 형태의 세정방법으로는 웨이퍼 및 기판과 같은 표면으로부터 미립자 및/또는 필름 오염물질을 세정하기 위해 사용되는 화학적인 세정방법이 있다. 이 화학적인 세정방법은 용제 또는 액체 세정제(a solvent or liquid cleaning agent)를 사용하여 세정대상 표면으로부터 오염물질을 용해시키거나 이동시키는 것을 포함한다. 이러한 화학적인 세정방법의 결점은 세정제가 고-청정도 및 고-순도(a high degree of cleanliness and purity)로 유지되어야 한다는데 있다. 따라서, 고품질의 세정제가 필요하고, 세정제는 세정중 점차적으로 오염이 심해지기 때문에 주기적으로 교환해 주어야 한다. 교체된 화학물질은 폐기시켜야 하므로, 환경오염을 유발하게 된다. 따라서, 화학적 세정방법을 적절하고 효율적으로 구현하는 것은 어려우며 비용이 많이 들기도 한다.

1991년 11월 5일자로 맥더못 등(McDermott et al.)에게 특허되고 본 출원인에게 공유양도된 미합중국 특허 제 5,062,898호는 세정대상 표면에 충돌하는 적어도 거의 고형의 아르곤 입자의 에어로졸을 이용하여 마이크로 전자장치 표면을 세정하는 것에 관한 것이다.

1992년 11월 2일자로 출원되어 본 출원인에게 공유양도된 계류중인 미합중국 특허 출원 제 07/970,346호는 세정대상 표면에 충돌하는 적어도 거의 고형의 아르곤 또는 질소 입자의 에어로졸을 이용하여 마이크로 전자장치 표면을 세정하는 것에 관한 것이다.

1992년 10월 9일자로 출원되어 1992년 12월 14일자로 특허 허여되고 본 출원인에게 공유양도된 미합중국 특허 출원 제 07/958.417 호는 미합중국 특허 제 5,062,898호는 또는 미합중국 특허 출원 제 07/970,346호에 개시된 바와 같이 저온 에어로졸로 세정방법을 실행할 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 본 발명은 하우징( a housing )과, 이 하우징내에 장착된 고형재(a solid material)를 포함하는 저장용기 (a reservoir)와, 상기 저장용기의 온도를 제어하기 위한 온도제어수단(temperature control means)과 물질(a substance)의 온도를 조절하기 위하여 상기 저장용기로부터 상기 물질로의 에너지 전달이 실행될 수 있도록 상기 저장용기와 상기 물질 사이에 열접촉 (thermal contact)을 허용하는 에너지 교환수단(energy exchange means)을 포함하는 열 교환기 (a heat exchanger)를 제공한다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 특징 및 장점은 하기의 본 발명의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이고 또한 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.

일반적으로, 오염된 표면의 에어로졸 세정은 저온의 입자(cryogenic particles)를 세정대상의 표면과 고속으로 충돌시키는 공정을 통해 수행된다. 이 저온 에어로졸 입자는 표면상에 있는 오염입자, 필름 및 분자에 충돌하게 된다. 이 충돌로, 오염물질이 그 표면으로부터 방출되도록 충분한 에너지가 오염물질에 부여된다. 방출된 오염물질은 가스 흐름내에 진입되어 배출된다. 이 기상의 에어로졸(the gaseous phase of the aerosel layer)은 표면과 부딪쳐서 그 표면을 가로질러 흐름으로써 얇은 경계층(a thin boundary)을 형성한다. 이 오염물질은 통상 저속의 경계층내에 존재한다. 따라서, 이 기상의 에어로졸은 단독으로는 그 전단력이 불충분하기 때문에 작은 오염물질을 제거하지 못한다. 그러나 저온의 에어로졸 입자는 상당한 관성(significant inertia)을 가지므로, 경계층을 통해 표면을 횡단할 수 있다.

저온의 에어로졸 입자는 그들이 표면을 향해 경계층을 통과할 때 감속되는 경향이 있다. 세정을 발생시키기 위해서는, 에어로졸 입자가 경계층을 가로질러 표면을 때려야 한다. 단순한 모델로서, 가스 흐름이 무시할 수 있을 정도의 법선 속도성분(a negligible normal component of velocity)을 갖는 두께 h의 경계층을 생성한다고 가정하자. 표면을 때리기 위해서는 고형화된 저온의 에어로졸 입자가 적어도 h/t와 동일한 법선 속도성분내에서 경계층내로 진입해야 한다. 입자 완화시간(particle relaxation time)t는 하기의 식으로 주어진다. t = 2^a2ρp C/9μ

이 식에서, a는 저온의 에어로졸 입자의 반경이고, ρ_ρ는 입자 밀도이며, μ는 가스의 동점도(dynamic viscosity)이며, C는 하기의 식으로 규정된 스트로우크스-쿠닝햄 미끄러짐 보정요소(stokes-Cunningham slip correction factor)이다.

C = 1 + 1.246(λ/a) to.42(λ/a) exp[-0.87(a/λ)]

이 식에서, λ는 가스 압력과 반비례하는 가스 분자의 평균 자유경로(mean free path)이다. 이상의 분석에서는, 세정공정의 효율은 저온의 에어로졸 입자의 크기에 따라 달라진다는 것을 보여준다. 이 세정공정은 큰 질량 또는 높은 초기속도를 갖는 저온의 에어로졸 입자의 경우 더욱 효율적이다. 그러나, 큰 에어로졸 입자는 세정대상 표면상에 있는 취약한 구조체(delicate structures)를 손상시킬 가능성이 높으며, 그러한 손상으로는 피팅(pitting), 균열(cracking), 전위(dislocations) 및 응력(stress)을 들 수 있다. 더욱이, 저온의 에어로졸 입자의 크기가 크게 되면 이러한 입자는 오염물질을 효율적으로 제거하기 위하여 구조체의 함몰영역(depression area) 또는 요부(trenches)내로 침투할 수 없다.

저온의 에어로졸 입자는 팽창과정중 형성된다. 팽창과 관련된 온도 저하는 기상 또는 액상 종류(gaseous or liquid species)를 적어도 거의 고형의 입자로 핵화 및 응축시킨다. 이 핵화는 가스/액체 증기가 포화되고 부분 압력이 평형상태의 증기압을 초과될 때 발생한다. 이러한 과정중에 형성된 핵의 안정한 크기는 하기 식으로 주어진다.

a = 2σv1/kTln S

이 식에서, σ는 표면장력이고; v1은 핵화된 종류의 분자용적(the molecular volume)이고; k는 볼츠만 상수(the Boltzmann constant)이고; T는 핵화가 발생한 온도이다. S는 팽창 및 냉각중에 도달한 응축가능한 종류의 포화비(saturation ratio)이다. 증기분자의 핵으로의 확산으로부터 급속한 응축과 성장이 동시에 발생하여, 저온의 에어로졸 입자의 크기를 증진시킨다. 상기의 분석은, 손상없는 세정성능(damage-free cleaning performance)을 성취하기 위해 소망하는 저온의 에어로졸 입자를 생성하려면 팽창 전후에 기상 또는 액상 종류의 압력 및 온도같은 팽창변수(the expansion parameters)를 제어하는 것이 중요하다는 것을 입증해 주고 있다. 각종 표면을 세정하기 위한 저온의 에어로졸을 생성하는데 효율적인 것으로 판명된 불활성 물질로는 이산화탄소, 아르곤 및 질소가 있다.

제1도를 참조하면, 오염된 표면을 세정 또는 샌드 블라스팅(sand blasting)하기 위한 저온의 에어로졸을 생성할 수 있는 장치는 가스, 액체 또는 가스/액체의 공급원(5)을 구비하며, 에어로졸은 이 가스, 액체 또는 가스/액체로부터 생성된다. 이 공급원(5)으로부터 공급되는 물질은 세정할 표면(20)에 유해하지 않은 물질이어야 하며, 표면(20)의 필요 청정도(required cleanliness)에 따른 순도(a degree of purity)를 갖는 에어로졸을 생성해야 한다. 예를 들면, 마이크로 전자장치 제조용 웨이퍼는 매우 청정한 것이 요구되므로, 그러한 웨이퍼의 세정에는 매우 순수한 에어로졸이 필요할 수도 있는 반면; 플라즈마 공구 체임버(plasma tool chamber)는 높은 청정도가 필요하지 않을 수도 있으므로, 플라즈마 공구 체임버를 청정하는데 사용되는 에어로졸은 웨이퍼 세정용으로 사용되는 것만큼 높은 순도를 필요로 하지 않을 수도 있다.

일반적으로, 가스, 액체 또는 가스/액체로부터 발생된 에어로졸이 각기 각종 오염 표면을 세정할 수 있지만, 고순도의 에어로졸이 필요할 때에는 가스로부터 에어로졸을 생성하는 것이 바람직하고, 비교적 저순도의 에어로졸이 필요할 때에는 액체 또는 가스/액체로부터 에어로졸을 생성하는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 가스로부터 에어로졸을 생성할 때에는 열교환기(a neat exchanger)(10)가 필요하지만, 저온의 액체 또는 가스/액체로부터 에어로졸을 생성하는데에는 열교환기가 필요하지 않다. 따라서, 일반적으로는 저온의 액체 또는 가스/액체로부터 에어로졸을 생성하는 것이 보다 저렴하다.

상술한 바와 같이, 각종 표면을 세정하기 위한 에어로졸을 생성하는데 효율적인 것으로 판명된 불활성 물질로는 이산화탄소, 아르곤 및 질소가 있다. 예를 들면, 아르곤 가스로부터 생성된 적어도 거의 고체의 아르곤입자 함유 에어로졸은 실리콘 웨이퍼를 세정하는데 효율적인 것으로 판명되었다. 아르곤 가스는 단독으로 사용되거나, 또는 초고순도 질소가스와 혼합하여 사용될 수 있으며, 후자의 경우에 질소가스는 기상으로 유지되도록 만들어질 수 있고 생성될 고체 아르곤 입자에 고속을 부여하는 캐리어(a carrier)로서의 역할을 한다. 질소와 아르곤을 혼합하면, 팽창율이 증가되어 줄-톰슨 효과(Joule-Thompson effect)가 상승하고 냉각이 증진된다. 이 질소가스는 그것이 팽창전에 아르곤과 혼합될 때 상이한 크기의 아르곤 에어로졸 입자를 생성하기 위한 희석제(a diluent)로서의 역할을 할 수도 있다. 이러한 가스는 혼합될 수도 있으며, 경우에 따라서는 추가로 냉각하기 위하여 열교환기로 이송되기 전에 어떤 범위까지 여과되고 및/또는 냉각될 수도 있다. 또다른 실시예로서, 이산화탄소 액체, 아르곤 액체, 또는 질소 액체로부터 생성된 에어로졸은 플라즈마 공구 체임버를 세정하는데 효율적인 것으로 판명되었다. 액체 또는 가스/액체로부터 에어로졸을 생성할 때, 이 물질은 직접, 즉 열교환기(10)를 통과하지 않고, 바로 노즐(15)로 공급된다는 점이 중요하다.

가스로부터 에어로졸을 생성할 때, 가스는 공급원(5)으로부터 열교환기(10)로 공급된다. 이것에 대해서는 보다 상세히 후술할 것이다. 일반적으로, 열교환기(10)는 가스를 액화점 또는 고화점(a liquefaction or solidification)근처까지, 즉 가스의 액화 및/또는 고화 전이온도(liquid and/or solid transition temperature) 이상의 약 5-20℉내의 온도로 냉각한다. 그러나, 가스의 대부분은 열교환기(10)의 통과시에 기상상태(a gaseous state)로 유지되어야 하는 것이 중요하다. 이 열교환기(10)는 그것을 통과하는 가스로부터 응축가능한 불순물(condensable impurities)을 제거하는 불순물 포집부(an impurity trap)로서의 역할을 할 수도 있다. 전형적으로, 냉각된 가스, 예를 들면 아르곤 가스는 약 20psig 내지 690psig 정도의 압력에서 약 -190℉내지 -300℉의 온도를 가지며, 바람직하게는 약 -250℉내지 -300℉의 온도와 약 20psig 내지 100psig의 압력을 갖는다. 그후, 열교환기(10)를 통과한 냉각된 가스 또는 공급원(15)으로부터 직접 공급된 액체 또는 가스/액체일 수도 있는 물질은 노즐(15)로 공급된다. 이 노즐에서 물질은 보다 낮은 압력으로 단열 팽창됨으로써(adiabatically expanded), 이물질의 적어도 상당한 부분이 고화되어 세정대상 표면(20)을 향해 배향되도록 한다. 노즐(15)에 대해서는 이하에서 더욱 상세히 설명할 것이다. 팽창된 물질의 압력은 고-진공으로부터 대기압 이상의 범위까지 가능할 수도 있다. 이러한 팽창은 물질의 줄-톰슨 냉각(Joule-Thompson cooling of the substance)을 실행하게 되므로, 바람직하게는 이물질의 고화 및 그에 따른 에어로졸의 생성을 야기시키게 된다. 그러나, 물질의 고화가 발생하는 것이 바람직하긴 하지만, 물질의 일부는 그 대신 액화되거나 또는 액체로 유지될 수도 있다. 이와 관련하여, 표면(20)은 물질의 적어도 상당부분이 고형 입자로 형성되고 물질의 나머지 부분이 액체로 유지되는 경우에도 효율적으로 세정될 수 있다. 가스는 그의 삼중점(its triple point)미만으로 압축된 경우 먼저 액체 방울(liquid droplets)을 형성하는 일 없이 직접 고체입자를 형성 할 것이다. 이 가스가 그의 삼중점 미만으로 압축되지 않은 경우, 이 가스는 액체 방울로 응축되어 액체로 유지될 수도 있으며, 압력강하가 적당히 이루어진 경우 고체입자로 냉동 될 수도 있다. 실예에 의하면, 아르곤 가스의 삼중점은-308.9℉에서 9.99psia이다. 더욱이, 액체는 충분한 냉각이 이루어지면 고체입자를 형성할 것이다.

제2도를 참조하면, 위에서 개괄적으로 설명한 바와같이 냉각조건을 제공할 수 있는 열교환기(10)가 도시되어 있다. 이 열교환기(10)는 하우징(30)내에 장착된 저온 저장용기(a cryogenic reservoir)(25)를 구비한다. 저온 저장용기(25)는 다수의 통상적인 수단(a number of conventional means)에 의해 하우징(30)내에 장착될 수 있기 때문에, 그러한 통상적인 수단은 도시하지 않았으며 상세히 기술하지 않겠다. 그러나, 효율(effeiciency)을 최대화하기 위해서는 저온 저장용기(25)가 하우징(30)의 내벽과 접촉하지 않은 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 저온저장용기(25)는 적당한 단열물질을 그들 사이에 위치시킴으로써 하우징(30)의 내벽으로부터 분리될 수 있다. 저온 저장용기(25)는 고형재(a solid material)를 포함하는 것이 바람직하며, 열교환기(10)가 가스온도를 예를 들면 소망하는 온도의 2-3℉ 이내로 정확하게 제어하는데에 효율적이고 능률적이 되도록 하려면, 저온 저장용기(25)가 높은 열전도율(high thermal conductivity), 비교적 큰 특정 가열치(a relatively large specific heat value) 및 적당한 크기 또는 중량을 가져야 한다. 이때 제조율과 관련된 문제, 예를 들면 납땜(brazing)을 고려하여야 한다. 사용되는 물질의 유형과 그것의 필요한 질량은 에어로졸의 제조중 저온 저장용기(25)의 허용가능한 온도 변동(allowable temperature fluctuation)과 냉각 에어지 조건에 의해 결정된다. 예를 들면, 대략 239lbs의 중량을 갖는 구리 블록(a copper block)이 어떤 응용예에서 저온 저장용기(25)로서의 역할을 하는데 필요한 성질을 갖는다는 것을 발견하였다. 저온 저장용기(25)가 유지되어야 할 온도는 가스의 작동압력의 함수이다. 전형적으로, 저온 저장용기(25)는 약-260℉ 내지 -300℉의 온도로 유지된다. 가스의 작동압력이 높을수록 저온 저장용기(25)가 유지되어야 할 온도도 높아질 것이며, 그 역도 성립한다. 4개의 열감지 센서(31-34)가 저온 저장용기(25)의 길이를 따라 위치되어 저온 저장용기(25)의 온도를 감시하며, 그 열감지센서로부터 감시된 온도는 가스의 온도를 제어하거나 조절하는데 사용된다.

냉각될 가스는 입구(40)로 진입하여 냉각용 튜브(tubing)(45)를 통과하며, 냉각된 가스는 출구(50)로 방출된다. 튜브(45)는 그것을 통과한 가스가 출구(50)에 도달할 때 필요한 온도까지 적절히 냉각될 수 있도록 적당한 길이 및 적절한 직경울 가져야 한다. 일 실시예로서, 튜브(45)는 스테인레스 스틸 또는 다른 적당한 물질을 포함할 수 있고, 3/8인치의 외경과 약 32피트의 길이를 가질 수 있으며; 가스는 먼저 튜브(45)의 24피트내에서 저온 저장용기(925)온도의 약 2-3℉ 이내로 냉각될 수 있다는 것을 발견하였다. 가스는 튜브(45)의 나머지 길이를 통과할 때 이 온도로 유지된다. 더욱이, 튜브(45)의 내면은 그것을 통과하는 가스가 오염되지 않도록 충분히 세정하여야 한다. 예를 들면, 튜브(45)의 내면은 종래의 방법에 의해서 화학적으로 세척되고 전기연마(electropolished)될 수 있다. 튜브(45)는, 저온 저장용기(25)의 냉각 에너지가 튜브(45)를 경유하여 가스로 효율적이고 능률적으로 전달 될 수 있도록, 저온 저장용기(25)와 충분한 열접축을 이루어야 한다. 이와 관련해서, 냉각 에너지의 전달을 실행하기 위해서는, 튜브(45)의 적어도 일부가 튜브의 전체길이를 따라서 저온 저장용기(25)와 물리적으로 접촉하거나 또는 적어도 물리적으로 근접하게 위치되어, 튜브(45)를 통과하는 가스가 저온 저장용기(25)와 물리적으로 근접되도록 하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 가스의 열 에너지는 튜브(45)를 통해 저온 저장용기(25)의 냉각 에너지와 교환되며, 따라서 가스는 냉각된다.

제3도는 튜브(45)가 저온 저장용기(25)와의 충분한 열접촉을 제공하기 위하여 어떻게 배치되고 위치설정될 수 있는지에 대한 일 실시예를 도시한 것이다. 특히, 반경방향 나선형 홈(a spiral radial groove)(55)이 저온 저장용기(25)내에 및 둘레에 기계가공되어 있다. 이 나선형 홈(55)은 튜브(45)를 수용하기에 적당한 치수를 가져서, 바람직하게는 튜브(45)의 상당부분이 그 홈(55)내에서 저온 저장용기(25)와 접촉 하거나 또는 납땜 접촉할 수 있어야 한다. 경우에 따라서는, 절삭가공을 통해, 홈(55)의 전체 길이를 따라 그 홈내에 노치(a notch)(60)를 형할 수 있다.

조립시에, 납땜 와이어(brazing wire)를 노치(60)내에 위치시키고, 튜브(45)를 저온 저장용기(25)둘레의 홈(55)내에 스웨이징(swaging)시킨다. 그 후에, 다른 납땜 와이어를 홈(55)의 외측에서 튜브(45)의 길이를 따라 위치시킨다. 그다음에, 저온 저장용기(25)를 튜브(45) 및 납땜 와이어와 함께 예를 들면 진공 경화 오븐(a vacuum curing oven)내에 배치하여, 튜브(45)와 저온 저장용기(25)간의 접착을 형성하도록 납땜 와이어를 용융시킨다.

특히 노치(60)내의 납땜 와이어는 용융되어 노치(60)를 충전시킴으로써 튜브(45)의 접착을 제공하며; 홈(55)의 외측에서 튜브(45)의 길이를 따라 위치된 납땜와이어는 용융되어 튜브(45)와 홈(55)의 내측사이에서 흐름으로써 그들사이에 접착을 형성한다. 튜브(45)는 저온 저장용기(25)와의 사이에 충분한 열접촉이 이루어지도록 저온저장용기(25)에 충분히 접착되어, 튜브(45)를 통해 저장용기(25)로부터 가스로 냉각 에너지의 효율적인 교환 또는 전달이 일어날 수 있게 하여야 한다.

상술한 바와 같은 필요 온도와 안정성(stability)을 달성하기 위하여, 저온 저장용기(25) 및 튜브(45), 튜브(45)내의 가스는 적당한 단열수단(suitable insulation means)에 의해 절연된 하우징(30)내에 위치됨으로써 대류 및 전도 열의 입력(conduction and conduction heat input)과 복사열의 유입(radiation heat load)으로부터 절연되거나, 또는 냉각 에너지의 손실(cold energy loss)로부터 보호된다. 예를 들면, 단열수단은 하우징(30)내의 요소 및/또는 하우징(30) 자체를 둘러싸는 층형 단열수단(layered insulation means)을 포함할 수 있고; 이 단열수단은 하우징(30)으로부터 분자를 제거하는 진공 단열수단을 더 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 층형 단열수단은 하우징(30)을 둘러싸거나 또는 하우징(30) 둘레에 감싸여진 물질을 포함한다. 그러한 물질은 복사열의 유입을 줄이고 전도를 방해하는 차단벽(a barrier)으로서의 역할을 할 수 있어야 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 층형 단열수단을 구성하기 위하여, 페르미 국립 가속기 연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)의 더블유.엔.보로스키(W.N.Boroski), 제이.디.곤치(J.D Gonczy) 및 알.씨.니만(R.C.Niemann)이 연구하여, 1989년 2월 8일부터 10일에 미합중국 루지애나 뉴올리언스에서 열린 수퍼 콜라이더(the Super Collider)에 관한 국제 산업 심포지움에서 제이.디.곤치가 발표하고, 1989년 3월에 게재된 논문 Multilayer Insulation(MLI) in the Superconduction Super Collider - a Practical Engineering Approach to Physical Parameters Governing MLI Thermal Performance에 개시된 개념이 사용된다. 이 개념에 따르면, 층형 단열수단은 다층 블랭킷(a multilayered blanket)(85)을 포함할 수 있으며, 그 블랭킷의 평면 단면도의 일부가 제 4도에 도시되어 있다. 다층 블랭킷(85)은 반사층(reflective layers)(90)과 스페이서층(spacer layers)(95)의 교호층(alternating layers)을 가지며, 다층 블랭킷(85)은 스페이서층(95)으로 시작해서 스페이서층(95)으로 끝난다. 각 반사층(90)은, 전도에 대한 차단벽으로서의 역할을 하기 위하여, 낮은 방사율(low emissivity)을 갖는 물질을 포함하는 중간부(92)를 구비한다. 각 반사층(90)의 중간부(92)는 두 개의 말단층(93,94)사이에 협지된다. 각 말단층(93,94)은 열에너지를 반사할 수 있는 물질을 포함한다. 스페이서층(95)은 반사층(90)을 서로 이격시키는 역할을 하며, 따라서 열이 일 반사층(90)에서 다른 반사층(90)으로 직접 전달되지 않도록 말단층(93,94)을 둘러싼다. 다층 블랭킷(85)이 효율적인 기능을 하는데 필요한 교호형 반사층과 스페이서층의 특정 총수는 그 다층 블랭킷이 사용되는 특정 응용분야에 따라 달라진다. 일반적으로, 다층 블랭킷(85)을 통과하는 열플럭스(the heat flux)는 구현되는 반사층(90)의 수와 역으로 변화하며, 블랭킷(85)의 단위 두께당 반사층(90)의 밀도 또는 수의 함수이다. 특정 실시예에 있어서, 상술한 특정 온도 범위에서 에어로졸을 생성하기 위하여 층형 단열수단으로서의 기능을 하는데 효율적인 블랭킷(85)을 제공하기 위해서는, 20개의 반사층(90)사이에 21개의 스페이서층(95)을 함께 교호로 적층시키고(stitch), 각 반사층(90)은 약 0.03미만의 방사율과 약 1/4 mil 의 두께를 갖도록 하고, 각 반사층의 중간부(92)는 폴리에스테르를 함유하고, 각 말단층(93,94)은 약 350 옹스트롬의 두께를 갖는 알루미늄도금 금속 피막(an aluminized metal coating)을 포함하며, 각 스페이서층(95)은 약 4mil의 두께와 약 0.5oz/y^d2의 밀도를 갖고 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 스펀본드 폴리에스테르(spunbonded polyester)를 포함하는 것이 적합하다는 것을 발견하였다.

예시적으로, 하우징(30)내에 고진공, 예를 들면 약 1×10^-4torr 정도의 진공을 형성하도록 하우징(30)으로부터 가스 분자를 배출하기 위하여 펌프(65)가 제공될 수 있다. 특정 실시예로서, 펌프(65)는 미합중국 매사츄세츠주 렉싱톤 소재의 배리안 배큠 프러덕츠(Varian Vacuum Products)사로부터 상업적으로 구입가능한 Turbo-V60 Turbomolecular Pump, No.969-9002일 수 있다. 그러나, 소망하는 진공 레벨을 이루기 위하여 다른 상업적으로 구입가능한 펌프가 사용될 수도 있다. 더욱이 냉각 효율의 증대를 위하여, 펌프(65)를 90도의 엘보우(a 90 degree elbow)(70)상에 장착함으로써, 펌프(65)의 입구(the mouth)가 하우징(30)의 내부를 향해 직접 배향되지 않도록 할 수 있다. 이와 관련하여, 90도의 엘보우는 작동중 펌프(65)에 의해 발생될 수도 있는 모든 열이 하우징(30)내로 전달되는 것을 최소화시킨다.

저온 저장용기(25)를 소망하는 온도까지 냉각시키기 의하여, 하우징(300내로 연장되며 바람직하게는 저온저장용기9250내로 연장되거나 및/또는 저온 저장용기(25)와 접촉하는 냉각 요소(cooling elements)(77)를 갖는, 냉각 헤드(a cold head)와 같은 냉각수단(75)이 제공된다. 이 냉각수단(75)은 소망하는 온도에 도달할 때까지 저온 저장용기(25)를 일정한 속도(a constant rate)로 냉각시킬 수 있는 모든 상업적으로 구입가능한 냉각장치일 수 있다. 예를 들면, 미 합중국 뉴햄프셔주 허드슨 소재의 밸저스(Balzers)사로부터 상업적으로 구입가능한 Balzers Model VHC 150 Cryogenic Refrigerator가 77°K에서 200와트의 전력을 송전할 수 있는 폐사이클의 냉각기(a closed cycle refrigerator)이다. 이러한 냉각수단에 의하며, 239 파운드(lb)의 구리 블록을 포함하는 저온 저장용기(25)가 대략 9시간내에 실온으로부터 77°K까지 냉각될 수 있게 하며, 최소 온도는 약 24°K이다. 이 열교환기 (10)는 가스의 큰 열 부하(large heat loads of gas)가 소망하는 낮은 온도의 작은 편차내에서 유지될 수 있게 한다. 예를 들면, 약 1200와트/분의 프로세스 열 부하(a process heat load)의 경우, 가스의 출력 온도를 소망하는 온도의 +/-1°F 이내로 유지할 수 있고 제어할 수 있음을 발견하였다.

더욱이, 저온 저장용기(25)를 소망하는 온도로 정확하게 유지시키기 위하여, 하우징(30)내로 연장되며 바람직하게는 저온 저장용기(25)내로 연장되거나 또는 저온 저장용기(25)와 접촉하는 가열 로드(heating rods)(80)를 갖는, 통상적인 열원(도시하지 않음)과 같은 가열수단이 제공될 수 있다. 냉각 헤드(cold head) 및/또는 열원은 그러한 목적을 달성하기 위하여 주기적으로 온 및 오프(on and off)될 수 있다. 이와 관련하여, 저온 저장용기(25)는 냉각헤드를 적절한 주기로 온 및 오프시킴으로써 가열수단 없이 소망하는 온도로 유지될 수 있다.

또한, 본 발명의 열교환기(10)는, 가열수단이 냉각수단(75) 대신에 사용되는 경우, 냉각장치를 대신하여 가열장치로서 사용될 수 있다. 현재 상업적으로 구입할 수 있는 열원은 이러한 목적을 달성하기 위하여 사용될 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 저온 저장용기(250는 저온 저장용기가 아니라 가열 저장용기라 부를 수 있다.

더욱이, 본 발명의 장치는 열교환기 및/또는 정화기(purifier) 또는 불순물 포집기로서의 기능을 할 수 있다.

가스의 온도가 튜브(45)내에서 낮은 온도로 감소되는 동안, 유지온도(the holding temperature)이상의 전이 온도를 갖는 가스내에 포함되어 있는 모든 불순물은 튜브(45)의 내벽위로 응축될 것이다. 또한 이것은 튜브(45)를 통과하는 액체에 대해서도 마찬가지로 적용된다. 이와 관련하여, 불순물 포집기로서의 역할을 하는 경우에, 튜브(45)의 내벽위에 응축된 불순물을 제거하기 위하여 재생수단(regeneration means)이 포함되어야 한다는 것을 알아야 한다. 이와 관련하여, 하우징(30)내로 연장된 가열 로드(80)를 갖는 통상적인 열원(도시하지 않음)과 같은 가열수단이 저온 저장용기(25)의 온도를 불순물의 전이온도 이상으로 올리기 위하여 사용될 수 있고, 그 때 제거된 불순물이 튜브(45)로부터 제거될 수 있다.

열교환기(10)에 의한 냉각에 뒤이어, 가스는 노즐(15)로 이송되는데, 이 노즐은 에어로졸을 생성하고 그 에어로졸을 세정할 표면(20)으로 배향시킨다. 이 노즐(15)은, 에어로졸을 생성하기 위해 가스의 적어도 상당한 부분을 고화시킬 수 있도록 가스의 필요한 줄-톰슨 냉각을 효율적으로 제공할 수 있어야 한다. 본 발명에 따르면, 노즐(15)을 장착하기 위한 다양한 수단이 특정 응용예 및 세정할 표면에 따라 달리 구현될 수 있다.

제5도 내지 제7도를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 노즐(102)을 구비한 노즐장치는, 세정할 표면(20), 예를 들면 웨이퍼가 그내에 위치되어 있는 프로세스 체임버(105)에 장착되어 있다. 이 표면(20)은 예를 들면 표면이 그위에 놓여 있는 척크(a chuck)(110)를 사용하여 노즐(102) 아래에서 이동 될 수 있다. 따라서, 생성된 에어로졸은 표면(20)으로 배향되며, 표면(20)은 노즐(102)아래에서 이동되므로 세정된다. 더욱이, 표면(20)이 세정될 때, 예를 들어 질소로 이루어진 커튼(curtain)가스 또는 캐리어 가스가 프로세스 체임버(105)를 통하여 화살표(115)로 표시된 바와 같이 흐르도록 할 수 있다. 표면(20)으로부터 세정된 입자는 커튼 가스에 의하여 멀리 운반될 수 있다. 더욱이, 커튼가스는 표면(20)으로 배향되는 에어로졸로 인해 표면(20)상에서 습기, 결빙 또는 불순물 응축물의 형성을 최소화시키는 기능을 할 수 있다. 상기 습기 또는 결빙의 형성은 표면(20)의 부적절한 세정을 유발할 수 있다. 또한, 표면(20)은 건조한 상태로 유지시키기 위하여 통상적인 가열 수단에 의해 가열될 수도 있다.

도시한 바와 같이, 노즐(102)은 이송라인(a delivery line)(120)의 일 단부와 연결되어 있다. 이송라인(120)의 다른 단부는 열교환기(10)로부터 나온 튜브(45)와 연결되거나; 또는 물질이 노즐(102)로의 이송전에 냉각을 필요로 하지 않는 경우, 물질 공급부(a substance supply)와 직접 연결될 수 있다. 이송라인(120)은 진공 인가 조립체(vacuum feedthrough assembly)(125)내에 수용된다. 이 진공 인가 조립체(125)의 일 단부는 열교환기(10)에 장착되어 있고; 진공인가 조립체(125)의 다른 단부는 프로세스 체임버(105)의 체임버 커버(a chamber cover)(130)에 장착되어 있다. 이 체임버 커버(130)는 프로세스 체임버(105)내로 연장된 노즐 하우징(135)을 갖는다. 진공인가 조립체(125)는 열교환기(10)와 연통되고, 체임버 커버(130)의 노즐 하우징(135)은 진공인가 조립체(125)와 연통되어, 열교환기(10)의 하우징(30)내에 형성된 진공이 진공 인가 조립체(125)내에 실현될 수 있도록 하고 또한 노즐 하우징(135)내에도 실현 될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 펌프(65)가 하우징(30)뿐만 아니라 진공 인가 조립체(125)와 노즐 하우징(135)내에 진공을 형성하는 데에 사용될 수 있도록, 진공 인가 조립체(125)는 하우징(30)에 밀봉 장착되어야 하고, 프로세스 체임버(105)의 체임버 커버(130)는 진공 인가 조립체(125)에 밀봉 장착되어야 한다. 이러한 장착 및 밀봉은 통상적인 수단에 의해서 달성될 수 있으므로, 본 발명에서 더 기술하지 않을 것이다. 진공 인가 조립체(125)와 노즐 하우징(135)의 진공 레벨은 하우징(30)내의 진공 레벨과 대략 동일하게, 예를 들면 대략 1×10^-4torr로 유지될 수 있다. 이송라인(120)과 노즐(102)을 대기(atmosphere)로부터 절연 및/또는 격리시키기 위해, 진공 인가 조립체(125) 및 노즐 하우징(135)내에 진공을 제공하면, 열교환기(10)의 튜브(45)로부터 이송라인(120)을 통해 노즐(102)로 이송된 가스의 온도가 그의 전이온도(transition temperature)와 비교적 가깝게 유지될 수 있다.

또한 진공 인가 조립체(125) 및 노즐 하우징(135)내에 진공을 제공하면, 응축물, 습기 또는 다른 불순물이 이송라인(120) 및/또는 노즐(102)상에 형성되지 않는다. 이송라인(120) 및/또는 노즐(102)상에 응축물이 형성되면, 에어로졸의 생성을 방해하게 되고 또한 불안정한 에어로졸 제트(unstable aerosol jets)를 유발할 수도 있다. 이송라인(120) 및 노즐(102)이 냉각된 후 응축물이 형성된 경우, 응축과정은 열을 발생시켜서 온도를 상승시킨다. 이러한 온도 상승은 가스가 소망하는 온도로 유지되는 것을 방해할 수도 있으며, 따라서 에어로졸이 형성되지 않을 수도 있다. 따라서, 프로세스 상태가 불안정하게 될 수도 있고 및 /또는 대기 온도(standby temperature)로부터 작동온도까지의 프로세스 시간이 길어지거나 또는 작동 온도를 이루는 것이 불가능해 질 수도 있다.

제6도 내지 제7도에 보다 특정하게 도시한 바와 같이, 노즐(102)은 상측 분배 매니폴드(an upper distribution manifold)(140)와 하측 분배 매니폴드(a lower distribution manifold)(145)를 구비한다. 이들 매니폴드(140,145)는 특정 응용예에 적합한 치수를 갖는다. 예를 들면, 8인치의 웨이퍼를 세정할 경우, 상측 분배 매니폴드(140)는 약 8.125인치의 길이(LI)를 가질 수 있고, 하측 분배 매니폴드(145)는 약 8.610인치의 길이(0.2)를 가질 수 있다.

매니폴드(140,145)를 형성하도록 선택된 물질은 그 매니폴드를 통과하는 가스의 압력으로 인한 부식(erosion)을 견뎌낼 수 있어야 하며, 또한 파손되는 일없이 낮은 작동 온도를 견뎌낼 수 있어야 한다. 물질을 선택하는데 고려 대상이 되는 다른 요인으로는 가공의 용이성 또는 제조성과 비용을 들 수 있다. 사용될 수도 있는 물질로는 세라믹, 유리, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 플라스틱, 합금 등이 있다.

상측 분배 매니폴드(140)와 하측 분배 매니폴드(145)사이의 연결부(interface)(155)에는 다수의 균형 개구 또는 구멍(a plurality of balancing openings or holes)(150,152)이 제공되어, 이들 매니폴드내에 낮은 압력점이 발생되지 않도록 한다. 이 균형 구멍(150,152)은 가스의 균일한 분배를 실행시켜서, 상측 분배 매니폴드(140)로부터 하측 분배 매니폴드(145)로 통과하는 가스의 압력이 균등화되도록 한다. 낮은 압력점이 발생한 경우, 가스 압력의 변화는 가스의 전이 온도가 변경되도록 유발하게 되므로, 불균일한 에어로졸이 노즐(102)의 하류에 발생될 수도 있다. 또한 노즐내의 불균일한 압력 분포는 노즐내측에서 가스의 액화 및/또는 고화를 야기시킬 수도 있고, 따라서 불안정한 에어로졸 제트를 유발할 수도 있다. 상술한 특정 길이를 갖는 매니폴드내에서 이러한 낮은 압력점의 발생을 피하기 위해서는, 일렬의 약 6개의 균형 구멍(150,152)이 인접한 균형 구멍(150,152)의 중심으로부터 약 1.333인치의 거리로 균등하게 이격되면, 저압력점의 발생을 방지할 수 있음을 발견하였다. 노즐(102)내로 이송되는 가스는 균형 구멍(150)을 향해 배향되므로, 이들 균형 구멍(150)은 연결부(155)의 말단에 가장 근접하게 위치된 균형 구멍(152)에서 실현되는 것보다 큰 가스 압력을 실현하게 된다는 것을 알아야 한다. 따라서, 보다 큰 가스 압력을 실현하는 균형 구멍(150)은 낮은 가스 압력을 실현하는 균형 구멍(152)보다 작게 만들어진다. 예를 들면, 균형 구멍(150,152)은 0.1 인치 내지 0.25인치의 직경을 각기 가질 수 있으며, 특정 실시예서 균형 구멍(150)은 약 0.125인치의 직경을 각기 갖고 균형 구멍(152)은 약 0.1875 인치의 직경을 각기 갖는다.

효율의 증대를 위하여, 노즐(102)의 분배 매니폴드(140,154)는 얇은 벽, 즉 예를 들면 약 0.030 인치 내지 0.05 인치 정도의 작은 단면을 갖는 벽을 포함한다. 이와 관련하여, 얇은 벽은 분배 매니폴드(140,145)가 소망하는 작동온도까지 급속히 냉각되는 것을 허용한다. 이것은 대기 온도(standby temperature)로부터 프로세싱 온도(processing temperature)까지 진행하는 노즐(102)의 사이클 시간을 최소화하고, 또한 팽창전에 가스의 냉각 손실을 최소화시킨다.

하측 분배 매니폴드(145)의 하측 벽(160)은 경사져 있으며, 이 하측 벽(160)은 에어로졸을 형성하여 세정대상의 표면(20)을 향해 배향시키는 일렬의 출구(a row of exit openings)(165)를 구비한다. 이 출구는 어떠한 형상이어도 가능한 바, 예를 들면 원형 구멍 또는 슬릿(slits)일 수 있다. 하측 벽(160)의 경사는 에어로졸을 표면에 대해 경사진 방식으로 배향시킴으로써 표면(20)의 효율적인 세정이 이루어지게 한다. 이와 관련하여, 출구(165)로부터 발생된 에어로졸 제트는 표면(20)에 대해서 0-90도의 각도로, 바람직하게는 45도의 각도로 배향된다. 더욱이, 출구(165)는 서로 이격되어야 하며, 또한 이 출구(165)는 가스가 그 출구(165)를 통해 빠져나갈 때 에어로졸이 표면(20)으로부터 사전결정된 거리에서 고체커튼(curtain)으로서 형성될 수 있도록 가스의 중첩을 허용할 수 있는 크기를 가져야 한다. 이것에 의하면, 전체 표면(20)이 에어로졸에 의해 덮혀서 세정될 수 있게 된다. 또한, 물질의 적어도 상당한 부분이 에어로졸을 생성하기 위하여 물질의 줄-톰슨 냉각으로 인해 고화될 수 있을 정도로 낮은 압력까지 물질이 충분히 팽창이 될 수 있도록, 축구(165)의 직경은 충분히 작아야 한다. 이와 관련하여, 출구(165)의 직경은 노즐(102)로 이송되고 있는 물질의 압력의 함수이다. 이송된 물질의 압력이 클수록 허용가능한 출구(165)는 커지며, 그 역도 마찬가지로 성립한다. 예를 들면, 아르곤 가스가 약 70 psig의 압력으로 이송되고 있는 경우, 각 출구(165)는 약 0.005 인치 내지 0.1인치 정도의 직경을 갖는 구멍일 수 있다. 더욱이, 이러한 출구(165)는 다음 인접 출구(165)의 중심으로부터 약 0.0625 인치의 거리로 이격될 수 있으므로, 대략 8.610 인치의 길이를 갖는 하측 분배 매니폴드(145)에 약 128개의 출구(165)가 배치될 수 있다.

이러한 실시예에 있어서, 노즐(102)은 그 노즐(102)을 체임버 커버(130)의 노즐하우징(135)에 장착 하기위해사용되는 장착세그먼트(mountingsegments)(170,175)를 구비한다. 이 장착 세그먼트(170,175)는 용접(welding)과 같은 통상적인 수단에 의해서 노즐 하우징(135)에 부착되거나 고정될 수 있다. 제 5도에 도시한 바와 같이, 열전도를 최소화시키기 위하여, 노즐(102)은 장착 세그먼트(170,175)를 단순히 노즐 하우징(135)에 부착함으로써 노즐 하우징(135)내에 지지되며, 노즐(102)의 주요 표면은 진공으로 둘러싸인다는 것을 알아야 한다. 추가로, 열전도를 더욱 최소화시키기 위하여, 노즐 하우징(135)에 부착된 장착 세그먼트(170,175)의 일부와 노즐(102)사이의 연결부(180,185)는 그 연결부(180,185)의 단면적이 최소화되도록 얇게 할 수 있다. 따라서, 연결부(180,185)는 노즐(102)과 노즐 하우징9135)사이의 열 차단벽 으로서의 역할을 한다. 예를 들면, 연결부(180,185)는 약 0.005 인치의 두께까지 얇게 할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 제8도 내지 제11도에 도시한 바와같이, 노즐(202)을 갖는 노즐 장치(a nozzle apparatus)가, 노즐(202)이 노즐 장착 밀폐체, 하우징 또는 체임버(205)로부터 또는 그 내에서 조종가능한 또는 이동가능한 방식(a maneuverable or movable manner)으로 연장되거나 또는 현가되도록 장착된다. 그 후, 이 노즐 장착 체임버(205)는 세정할 필요가 있는 공구 체임버(210), 또는 모든 프로세싱 장치(any processing equipment) 또는 그것의 일부에 장착될 수 있다. 다음에, 노즐(202)은, 예를 들면 공구 체임버(210)의 내벽을 노즐(202)로부터 생성되는 에어로졸로 세정하기 위하여 공구 체임버(210)를 향해 배향된다. 이 실시예의 노즐(202)은 상술한 실시예에서와 같이 하우징에 부착되지 않기 때문에, 이 노즐(202)은 장착 세그먼트를 필요로 하지 않고 또한 노즐(202)과 지지 구조체(a supporting structure)사이에 연결부가 존재하지 않는다는 것을 알아야 한다. 따라서, 이 실시예에서는 상술한 얇은 연결부(180,185)와 같은 열차단벽도 필요하지 않다.

노즐 장착 체임버(205)의 적어도 측벽(215)은 투명 플라스틱(a clear plastic)과 같은 투명 물질(a clear material)을 포함하여서, 세정중인 공구 체임버(210)의 내부를 사용자가 관찰할 수 있도록 하고, 또한 노즐 장착 체임버(205)내의 노즐 장치도 사용자가 관찰할 수 있도록 하고, 또한 노즐 장착 체임버(205)내의 노즐 장치도 사용자가 관찰할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 측벽(215)은 커버(2250와 플랜지(a flange)(230)사이에 위치되며, 상기 커버와 플랜지는, 예를 들어 노즐 장착 체임버(205)를 관통하여 연장되고 커버(225) 및 플랜지(230)에 부착된 4개의 스틸 로드(four steel reds)(235)를 사용하여 함께 유지된다.

플랜지(230)는 볼트(212)와 같은 통상적인 수단에 의해서 공구체임버(210)에 임시적으로 착탈가능하게 장착될 수 있다. 특정 실시예로서, 본 발명의 장치는 미합중국 캘리포니아 산타 클라라에 소재하는 어플라이드 머티리얼즈 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)가 제조한 AME5000 플라즈마 공구 체임버의 내벽에 장착되어 그 내벽을 효율적으로 세정할 수 있다는 것을 발견하였다.

노즐 장착 체임버(205)는 퍼지 포트(정화 포트)(a purge port)(240)와 출구 포트(an exit port)(245)를 더 구비한다. 이 정화 포트(240)는 그것과 연결되는 정화 가스 공급원(242)을 갖는다. 이 정화 가스는 노즐 장착 체임버(205)내로 도입되어, 노즐 장착 체임버(205), 커버(225), 플랜지(230), 공구 체임버(210)의 내면상에 또는 세정 대상의 표면을 비롯하여 상기 부재들내에 포함된 부품의 표면상에 응축물 또는 불순물이 형성되는 것을 방지한다. 예를 들어, 정화 가스는 적어도 약 99%의 순도를 가져야 하고, 예를 들면 정화가스는 건조 질소가스를 포함할 수 있다. 출구 포트(245)는 배기 및/또는 진공 펌프(an exhaust and/or vacuum pump)(247)와 연결된다.

정화 가스공급원 및 배기/진공 펌프는, 공구 체임버(210)의 표면으로부터 세정되는 오염물질 또는 입자가 공구 체임버(210)를 재오염시키는 것을 방지하기 위해서 출구 포트(245)를 통해 제거될 수 있도록 배열된다. 예를 들면, 체임버(205,210)내에 정압(positive pressure)을 설정할 수 있도록 정화 가스공급원 및 배기/진공 펌프를 배열 하는 것은 이러한 임무를 달성하기 위한 일 기법에 해당된다.

압력 제어기(249)를 세정 라인 및/또는 배기/진공 펌프상에 추가 할 수 있다. 이 압력 조절기(249)는 노즐 장착 체임버(205)내의 압력이 조절될 수 있게 하고, 노즐 장착 체임버내의 압력은 에어로졸이 생성되고 있는 중인지의 여부와 상관없이 일정하게 유지될 수 있다. 압력 제어기(249)는 압력 균형 설계(pressure balance design)에 따라 정화 가스공급원측 및/또는 배기/진공 펌프측에 연결될 수 있는 바, 본 명세서에서는 배기/진공 펌프측에 연결되어 있는 것으로 도시되어 있다. 또한, 노즐 장착 체임버(205)내의 압력을 감시할 수 있도록 게이지(a gauge)(250)가 포함될 수도 있다.

에어로졸을 생성하기 위해 사용되는 가스 및/또는 액체 공급부(a gas and/or liquid supply)는 노즐 장착 체임버(205)내의 공급 라인(supply line)(260)으로 이송하기 위해 입구(inlet)(255)와 연결된다. 상술한 바와 같이, 이송된 특정 물질과 그의 종류, 즉 가스, 액체 또는 가스/액체는 세정대상의 표면과 순도 필요조건에 따라 달라진다. 일반적으로, 물질을 선택하는데 고려할 다른 요인으로는 물질에 의해 야기된 표면 손상, 세정될 입자의 유형, 작업환경(work environmental), 물질의 유용성, 물질에 의해 야기되는 환경오염(environmental hazard)등이 있다. 예를 들면, 이산화탄소 액체는 공구 체임버를 세정하는데 효율적인 것으로 판명되었다. 이와 관련하여, 이산화탄소 에어로졸은 유기질의 침착물(deposits of an organic nature)을 제거하는데 좋다.

상술한 세부 내용에 따르면, 입구(255)는, 냉각이 노즐(202)에 의한 팽창전에 필요한 경우, 즉 가스로부터 에어로졸을 생성할 경우, 열교환기(10)의 튜브(45)와 연결되어야 한다. 그러나, 저온 액체 또는 가스/액체가 사용되고 그러한 냉각이 필요없는 경우에는, 입구(225)는 액체 또는 가스/액체의 공급부와 직접 연결될 수 있다.

공구 체임버(210)의 내부를 세정하기 위한 에어로졸을 생성하기 위하여, 물질은 공급 라인(260)을 통해 노즐(202)로 이송된다. 공급라인(260)의 일 단부는 커버(225)에 부착되고, 공급 라인(260)의 다른 단부는 스테인레스 스틸 칼라(a stainless steel collar)(263)와 같은 통상적인 수단에 의하여 또는 용접에 의하여 노즐(202)과 연결된다. 따라서, 노즐(202)은 공급 라인(260)에 의해 현가된다. 공급 라인(260)의 길이는 세정할 공구 체임버(210)의 치수와, 에어로졸을 접근시킬 필요가 있는 공구 체임버(210)의 영역에 따라 달라진다. 이와 관련하여, 공급라인(260)은 도시된 바와같이 노즐(202)이 플랜지(230)를 지나 연장될 수 있게 하는 길이를 가질 수도 있고, 또는 공급라인(260)은 노즐(202)이 노즐 장착 체임버(205)내에 위치하도록 짧게 할 수도 있다.

이 실시예의 노즐(202)은 그 위에 보호피막(a protective coating)(265)을 구비할 수도 있으며, 단 하나의 출구(only one exit opening)(270)를 가질 수도 있다. 보호피막(265)은 노즐(202)과의 우발적인 접촉에 의해 공구 체임버(210)의 내면에 발생될 수 있는 손상을 방지하며, 그런 목적으로 적합한 모든 물질, 예를 들면 테프론(Teflon)(폴리테트라플루오로에틸렌 에 대한 더 듀퐁 캄파니의 상표명임)을 포함할 수 있다.

도면에 출구(270)가 노즐(202)의 단부에 위치되는 것으로 도시하였지만, 이 출구(270)는 세정용 에어로졸을 배향시키는데 편리할 수도 있는 노즐(202)상의 모든 장소에 위치될 수 있다. 예를 들면, 출구(270)는 노즐(202)의 일 측면에 위치될 수 있다. 더욱이, 도면에 단 하나의 출구(270)만을 도시하였지만, 충분한 세정에 필요한 만큼 노즐(202)에 어떠한 패턴으로든 배열된 많은 출구(270)를 제공할 수 있다. 포함될 출구(270)의 수량은 세정할 표면의 표면적에 따라 달라진다. 약 0.02 인치의 직경을 갖는 노즐(202)의 팁(tip)의 단일 원형 개구는 어떤 공구 체임버를 세정하는데 효율적인 에어로졸을 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 제 12A-C도에는 노즐(202)의 각종 출구(270) 배열에 대한 예들이 도시되어 있다. 이와 관련하여, 노즐(202)은 많은 세정 필요조건에 적합하도록 착탈가능하고 교환가능하게 만들어 질 수 있다.

비교적 많은 수량의 출구(270)가 필요한 경우에는, 낮은 압력점(low pressure points)의 문제가 발생될 수도 있기 때문에 상술한 바와 같은 상측 및 하측 분배 매니폴드 배열이 구현될 필요가 있을 수도 있다. 물론, 단 하나의 출구(270)만을 사용할 때에는 압력 균형의 문제가 존재하지 않는다. 또한, 상술한 바와 같이, 출구(270)의 치수는 물질의 이송 압력에 따라 달라지나, 에어로졸의 생성을 위해 적절한 팽창을 허용할 수 있도록 충분히 작아야 한다. 따라서, 노즐(202)은 통상적인 스크류, 핀, 클램프등으로 장착함으로써 편리하게 착탈가능하도록 만들어지므로, 다양하게 위치 설정된 개구를 갖는 교체 노즐을 교환가능하게 사용할 수 있다.

에어로졸이 공구 체임버(210)의 모든 오염된 표면에 접근하여 세정할 수 있도록 하기 위해서, 에어로졸을 그러한 오염 표면으로 배향하도록 노즐(202)을 조종 또는 조작하기 위한 수단이 제공되어야 한다. 이와 관련하여, 공급라인(260)은 필요한 저온에서 세정하는중 충분히 가요성을 유지하는 물질을 포함할 수 있다. 이 공급라인(260)은 노즐(202)을 세정대상의 표면을 향하여 배향하도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 필요한 가요성을 이루기 위하여 공급 라인(260)의 구조에 플라스틱 및 어떤 금속 구조가 사용될 수 있다. 특정 실시예로서, 약 0.125인치의 외경을 갖는 스테인레스 스틸 브레이드 튜브(stainless steel braided tubing)는 실온에서 및 약 800 psig의 압력에서 이송된 이산화탄소 액체로부터 에어로졸을 생성하기에 충분한 가요성을 유지한다는 것을 발견하였다. 조종능력을 제공하기 위한 다른 수단은 예를 들면 공급라인(260)을 커버(225)와 연결시키는 스위벨형 죠인트(a swivel-type joint)를 포함한다. 이 공급 라인(260)은 노즐(202)을 세정대상의 표면을 향하여 배향시키기 위해 스위벨형 죠인트(264)에서 선회될 수 있다.

조종을 제어하기 위하여, 로봇 아암(a robotic arm)과 같은 통상적인 자동 조종수단이 제공될 수 있고, 또는 수동 조종수단이 제공될 수도 있다. 도시한 바와 같이, 수동 조종을 위하여, 하우징(205)은 접근 개구(275)를 구비할 수 있으며, 예를 들면 하나 이상의 장갑(one or more gloves)(222)이 이 접근 개구(275)를 통해 노즐 장착 체임버(205)내로 진입될 수 있다. 이 접근 개구(275)는 예를 들어 스테인레스 스틸로 이루어진 프레임(280)을 가질 수 있는 바, 이 프레임은 장갑(222)을 수용함과 아울러, 노즐 장착 체임버(205)를 대기로부터 적당한 밀봉을 유지하는데에 적합하게 되어 있다. 사용자의 손은 노즐(202)을 수동으로 조종하기 위하여 장갑(222)내로 삽입된다. 더욱이, 보다 용이하고 및/또는 보다 편리한 취급을 위해, 공급 라인(260)을 따라 노즐(202)앞의 소정 위치에는 핸들(a handle)로서 사용하기 위한 노즐 파지부(a nozzle grip)(220)가 제공될 수 있다. 이 노즐 파지부(220)는 예를 들면 테프론(폴리테트라플루오로에틸렌에 대한 더 듀퐁 캄파니의 상표명임)을 포함할 수 있다. 더욱 편리성과 안정성을 위해, 물질의 노즐(202)로의 이송을 제어하거나 조절하기 위한 밸브(a valve)(223)가 공급라인(260)을 따라 제공될 수도 있다.

제13도 및 제14도를 참조하면, 본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 플랜지(300)는 공구 체임버(305)를 세정하기 위해 공구 체임버(305)에 직접 장착하기에 적합하게 되어 있다. 플랜지(300)는 상술한 바와 같이 공구 체임버(305)에 통상적으로 장착되며, 또한 세정중에 영구적으로 장착되거나 일시적으로 장착되도록 만들어 질 수 있다. 도시한 바와 같이, 플랜지(300)는 정화 가스공급부(315)가 연결된 정화 포트(310)와, 배기 및/또는 진공펌프(325)가 연결된 출구포트(320)를 구비하며; 압력 조절기(326)는 배기/진공 펌프 라인과 연결된다. 더욱이, 노즐(330)은 플랜지(300)에 장착된다. 노즐(330)은 이동가능하게/조종가능 하게 장착되거나 또는 고정적으로 장착되며, 공급부는 노즐(330)의 입구(335)에 직접 연결된다. 상술한 바와 같이, 노즐(330)을 플랜지(300)에 접속시키기 위해 스위벨형 죠인트(340)가 제공될 수 있으며, 노즐(330)의 조종을 허용하기 위하여 플랜지(300)내에 접근 개구(an access opening)(345)가 제공될 수 있다. 또한, 정화 가스공급 및 배기/진공 수단은 공구 체임버(305)내에 정압을 제공하고, 공구 체임버(305)내부에 응축물 또는 습기 또는 불순물이 형성되는 것을 방지하고, 또한 공구 체임버(305)의 재오염을 방지한다.

이상에서는 본 발명을 특정 실시예와 관련하여 기술하였지만, 상술한 설명에 비추어 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 각종 수정, 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 분명하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 범위 및 취지와 첨부된 청구범위내에 속하는 모든 수정, 변경 및 변형을 포괄하는 것으로 의도되어 있다.

Claims (44)

1. 하우징(a housing)과; 상기 하우징내에 장착된 고형재(a solid material)를 포함하는 저장용기(a reservoir)와; 상기 저장용기의 온도를 제어하기 위한 온도제어수단(temperature control means)과; 물질(a substance)의 온도를 조절하기 위하여 상기 저장용기로부터 상기 물질로의 에너지 전달이 실행될 수 있도록 상기 저장용기와 상기 물질사이에 열접촉(thermal contact)을 허용하는 에너지 교환수단(energy exchange means)을 포함하는 열교환기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저장용기는 저온 저장용기(a cryogenic reservoir)로서의 역할을 하며, 상기 온도제어수단은 상기 저장용기를 냉각하기 위한 냉각 수단(cooling means)을 포함하는 열교환기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 물질은 가스이고, 상기 저장용기로부터 상기 가스로 전달된 에너지는 가스를 그의 액화 또는 고화 전이온도(liquid or solid transition temperature)이상의 약 5-20℉ 내의 온도까지 냉각하는 열교환기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 저장용기 및 상기 물질은 약 -190℉ 내지 -300℉의 온도까지 냉각되는 열교환기.
5. 제 2항에 있어서, 상기 온도제어수단은 온도가 정확하게 유지될 수 있도록 상기 저장용기를 가열하기 위한 열원(a heat source)을 더 포함하는 열교환기.
6. 제 2항에 있어서, 상기 냉각수단은 77°K에서 200와트의 전력을 송전할 수 있는 폐사이클 냉각기(a closed cycle refrigerator)를 포함하는 열교환기.
7. 제 1항에 있어서, 단열수단(insulation means)을 더 포함하는 열교환기.
8. 제 7항에 있어서, 상기 단열수단은 단열물질의 층을 포함하는 열교환기.
9. 제 8항에 있어서, 상기 단열물질의 층은 상기 하우징을 둘러싸는 열교환기.
10. 제 8항에 있어서, 상기 단열물질의 층은 반사층(reflective layers)과 스페이서층(spacer layers)의 교호층(alternating layers)을 포함하는 열교환기.
11. 제 10항에 있어서, 상기 단열물질의 층은 스페이서층으로 시작해서 스페이서층으로 끝나는 열교환기.
12. 제 10항에 있어서, 상기 반사층은 각기 낮은 방사율의 물질(material of low missivity)을 갖는 중간부(a middle portion)를 포함하고, 상기 중간부는 열에너지를 반사할 수 있는 물질을 포함하는 두 개의 말단층(two end layers)사이에 협지되는 열교환기.
13. 제 12항에 있어서, 상기 중간부는 약 0.03의 방사율과 약 1/4 mil의 두께를 가지며, 상기 말단층은 각기 약 350옹스트롬의 두께를 갖는 열교환기.
14. 제 13항에 있어서, 상기 중간부는 폴리에스테르를 포함하고, 상기 말단층은 각기 알루미늄 도금 금속(aluminized metal)을 포함하는 열교환기.
15. 제 10항에 있어서, 상기 스페이서층은 각기, 열이 한 반사층으로부터 다음 반사층으로 직접 전달되지 않도록 상기 반사층을 밀봉할 수 있는 물질을 포함하는 열교환기.
16. 제 15항에 있어서, 상기 스페이서층은 각기 약 4mil의 두께와 약 0.5oz/yd2의 밀도를 갖는 열교환기.
17. 제 16항에 있어서, 상기 스페이서층은 각기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 열교환기.
18. 제 7항에 있어서, 상기 단열수단은 진공 단열수단(vacuum insulation means)을 포함하는 열교환기.
19. 제 18항에 있어서, 상기 진공 단열수단은 상기 하우징에 장착된 펌프(a pump)를 포함하는 열교환기.
20. 제 19항에 있어서, 상기 펌프는 90도 엘보우(a 90 degree elbow)상에서 상기 하우징에 장착되어 있는 열교환기.
21. 제 7항에 있어서, 상기 단열수단은 단열물질의 층과 진공 단열수단을 포함하는 열교환기.
22. 제 21항에 있어서, 상기 단열물질의 층은 상기 하우징을 둘러싸는 열교환기.
23. 제 22항에 있어서, 상기 단열물질의 층은 반사층과 스페이서층의 교호층을 포함하는 열교환기.
24. 제 23항에 있어서, 상기 단열물질의 층은 스페이스층으로 시작해서 스페이서층으로 끝나는 열교환기.
25. 제 23항에 있어서, 상기 반사층은 각기 낮은 방사율의 물질을 갖는 중간부(a middle portion)를 포함하고, 상기 중간부는 열에너지를 반사할 수 있는 물질을 포함하는 두 개의 말단층(two end layers)사이에 협지되는 열교환기.
26. 제 25항에 있어서, 상기 중간부는 약 0.03의 방사율과 약 1/4 mil의 두께를 가지며, 상기 말단층은 각기 약 350 옹스트롬의 두께를 갖는 열교환기.
27. 제 26항에 있어서, 상기 중간부는 폴리에스테르를 포함하고, 상기 말단층은 각기 알루미늄 도금 금속을 포함하는 열교환기.
28. 제 23항에 있어서, 상기 스페이서층은 각기, 열이 한 반사층으로부터 다음 반사층으로 직접 전달되지 않도록 상기 반사층을 밀봉할 수 있는 물질을 포함하는 열교환기.
29. 제 28항에 있어서, 상기 스페이서층은 각기 4 mil의 두께와 약 0.5oz/y^d2의 밀도를 갖는 열교환기.
30. 제 29항에 있어서, 상기 스페이서층은 각기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 열교환기.
31. 제 21항에 있어서, 상기 진공 단열수단은 상기 하우징에 장착된 펌프를 포함하는 열교환기.
32. 제 31항에 있어서, 상기 펌프는 90도 엘보우상에서 상기 하우징에 장착되어 있는 열교환기.
33. 제 2항에 있어서, 상기 에너지 교환수단은 튜브(tubing)를 포함하는 열교환기.
34. 제 33항에 있어서, 상기 튜브는 스테인레스 스틸을 포함하는 열교환기.
35. 제 34항에 있어서, 상기 튜브는 상기 저장용기에 납땜되어 (brazed)있는 열교환기.
36. 제 33항에 있어서, 상기 저장용기는 홈(a groove)을 구비하고, 상기 튜브는 상기 홈내에 수용되는 열교환기.
37. 제 36항에 있어서, 상기 튜브는 상기 홈내에 납땜되어 있는 열교환기.
38. 제 36항에 있어서, 상기 홈내에 노치(a notch)를 더 구비하고, 상기 노치는 납땜물질(brazing material)로 충전되고, 상기 튜브는 상기 홈에 납땜되어 있는 열교환기.
39. 제 36항에 있어서, 상기 홈은 상기 저장용기내에 반경방향 나선형(a spiral radial)으로 형성되어 있는 열교환기.
40. 제 2항에 있어서, 상기 저장용기는 구리를 포함하는 열교환기.
41. 제 40항에 있어서, 상기 저장용기는 대략 239파운드의 중량을 갖는 열교환기.
42. 제 1항에 있어서, 상기 저장용기는 고온 저장용기(a heat reservoir)이고, 상기 온도제어수단은 상기 고온 저장용기를 가열하기 위한 가열수단(heating means)을 포함하는 열교환기.
43. 제 33항에 있어서, 상기 물질로부터의 불순물이 상기 튜브위에 응축되는 열교환기.
44. 제 33항에 있어서, 상기 튜브의 내면은 화학적으로 세정되고 전기연마(electropolished)되는 열교환기.