KR0145417B1 - 진공배기장치 및 진공배기방법 - Google Patents

진공배기장치 및 진공배기방법

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KR0145417B1
KR0145417B1 KR1019900006431A KR900006431A KR0145417B1 KR 0145417 B1 KR0145417 B1 KR 0145417B1 KR 1019900006431 A KR1019900006431 A KR 1019900006431A KR 900006431 A KR900006431 A KR 900006431A KR 0145417 B1 KR0145417 B1 KR 0145417B1
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가쯔야 오꾸무라
후미오 구리야마
유끼오 무라이
마나부 쯔지무라
히로시 소부까와
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후지무라 히로유끼
가부시기 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
아오이 노브이찌
가부시기 가이샤 도오시바
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Abstract

본 발명은 진공 상태를 만들기 위한 진공배기 장치와 진공배기 장치를 운전하여 수행되는 진공배기 방법에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 제공되는 진공배기 장치에서는 가스분자가 흡입구에서 흡입되어 압축된 후 배기구로 방출되도록 다수의 로터블레이드가 구비된 로터와 다수의 스테이터 블레이드를 갖는 스페이서를 구비한 터보분자펌프와, 가스분자를 헬륨 냉동기로 냉각시켜 동결포집하도록 상기 터보분자펌프의 상기 흡입구축에 제공된 열교환기와, 상기 열교환기의 상류에 제공된 게이트 벨브를 포함한다.

Description

진공배기장치 및 진공배기방법
제1도는 본 발명의 1실시예에 의한 진공배기장치를 나타낸 개략단면도, 제2도는 열교황기의 확대사시도, 제3(a)도 및 제3(b)도는 열교환기 및 헬륨냉동기의 부착구조의 확대단면도, 제4도는 온도와 포화증기압 사이의 관계를 나타낸 도표, 제5도는 종래의 터보분자펌프의 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21:진공용기 23:게이트밸브
24:헬륨냉동기 25:열교환기
26:터보분자펌프 27:압축기
28:헬륨가스관 30:거친 진공펌프
31:콜드헤드 32:전기히터
본 발명은 진공상태를 만들기 위한 진공배기장치와 진공배기장치를 운전하여 수행되는 진공배기방법에 관한 것이다. 전형적인 종래의 터보분자펌프를 제5도를 참조하여 먼저 설명한다. 참조번호 1로 표시한 종래의 터보분자펌프는 모터(2)와, 모터(2)로부터 얻어진 회전력을 전달하는 모터축(3)과, 모터축(3)에 고정된 로터(4)와, 로터(4)에 고정된 다수의 로터블레이드(5)와, 한 쌍의 인접 로터블레이드(5) 사이에 각각 배치된 다수의 스테이터블레이드(6)와, 그에 부착된 스테이터블레이드(6)를 가진 스페이서(7)와, 흡입구(8) 및 배기구(9)가 구비된 케이싱(10)과, 로터 및 스테이터 블레이드(5 및 6)를 보호하기 위한 보호망(11)을 포함한다. 운전시, 모터(2)는 분자흐름을 이용할 수 있을 정도의 충분한 진공상태를 갖는 환경에서 고속으로 로터블레이드(5)를 회전시키도록 구동된다. 이에 의해 흡입구(8)로부터 가스분자를 흡입하여 높은 압축비로 가스를 압축하고 배기구를 향하여 가스를 이동시켜서 질이 좋은 고도의 진공상태를 만든다. 그러나, 상기 설명한 종래의 터보분자 펌프는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉 펌프의 가스배기 성능이 그에 의해 제거되는 가스의 분자량에 의존한다. 낮은 분자량을 가진 가스를 제거할 필요가 있을 경우에는 가스배기 성능이 상당히 낮다. 압축비가 낮아질수록 가스배기 성능도 저하된다. 압축비를 나타내는 파라미터인 블레이드 속도비(C)는 다음과 같이 표시된다.
Figure kpo00001
(여기서 V는 로터 블레이드의 원주속도이고, Vm은 가스 분자의 최대 확률 속도이다.)
가스 분자의 최대 확률 속도(Vm)는 다음 식으로 표현된다.
Figure kpo00002
(여기서 M은 가스의 분자량이고, K는 볼쯔만 상수이고, T는 가스의 절대온도이다.) 이 식들에서 명백하듯이, 가스의 분자량(M)이 작을수록 가스 분자의 최대가능속도(Vm)가 커지고 블레이드 속도비(C)는 작아진다. 그러므로 분자량이 작은 가스를 제거할 필요가 있을 경우 가스배기 성능은 저하된다. 가스배기 성능이 낮을 경우 터부분자 펌프의 실제 운전시 많은 문제가 발생하기 쉽다. 작은 분자량을 가진 가스와 관련된 문제 중에서 특히 수중기의 존재는 펌프의 가스배기 성능에 악영향을 미친다. 터보분자 펌프가 구비된 시스템의 일부가 대기 중에 개방되고 공기가 시스템내로 유입되는 형태의 시스템에 있어서, 터보분자펌프에 의해 만들어진 약 10-4토르 내지 10-10토르(10-4MMHg 내지 10-10mmHg)의 진공하에 있는 잔류가스의 대부분은 수증기이다. 잔류 수증기는 얻어지는 진공도 및 진공환경에 악영향을 미친다.
약 15°K 내지 약 20°K의 초저온의 헬륨냉동기 및 열교환기를 사용한 크라이오(cryo) 진공펌프를 사용할 경우, 수증기에 대한 가스배기 특성이 양호해지기 때문에 상기 문제점을 어느 정도는 극복할 수 있다. 그러나 크라이오 진공펌프는 다음과 같은 문제점을 포함한다.
(1) 초저온용 냉동기가 사용되므로 냉동기의 기동 및 정지 시간이 길다.
(2) 펌프가 캡쳐(capture)형 펌프이기 때문에 즉 펌프가 대부분의 가스 분자를 냉동 및 포집하기 때문에, 소정의 부하 운전이 완성될 때 마다 장시간에 걸쳐 재생된다.
(3) 승화온도가 가스 분자의 종류에 따라 다르기 때문에, 재생 운전시 열교환기의 온도가 상승함에 따라 여러 종류의 가스 분자가 서로 분리되어 고농도에서 연속적으로 펌프로부터 방출되고, 이렇게 분리되어 방출된 여러 종류의 가스를 처리하는 것은 매우 어렵다. 특히, 반도체 제조공정에서는 모노실란(SiH4), 불화수소(HF) 등과 같은 독성, 고부식성, 폭발성 및 연소성 가스가 질소(N2), 헬륨(He) 등과 같은 불활성 가스로 희석되어 사용되는 바, 이러한 여러 종류의 가스의 분리 방출에 대처하기는 극히 어렵다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 상기 단점에 비추어 보아 작은 분자량을 갖는 배기가스 특히 수증기를 효과적으로 방출할 수 있고, 또한 연속적으로 운전할 수 있으며 쉽게 재생될 수 있는 진공배기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효과적인 방출과 운전을 재생시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 제공하는 본원 발명의 진공배기장치는, 가스 분자가 흡입구로부터 흡입되어 압축되고 배기구로 방출되도록 다수의 스테이터 블레이드가 구비된 스페이서 및 다수의 로터 블레이드가 구비된 로터를 가진 터보분자 펌프와, 헬륨냉동기에 의해 냉각된 가스 분자를 냉동포집하기 위하여 터보분자 펌프의 흡입구축에 구비된 열교환기와, 열교환기의 상류측에 구비된 게이트 밸브를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 의하여 제공되는 진공배기 방법은, 헬륨냉동기에 의해 냉각되어 가스 분자를 냉동포집하기 위하여 진공용기와 터보분자 펌프의 흡입구 사이에 배치된 열교환기와, 열교환기의 상류부에 배치되고 진공용기와 터보분자 펌프의 흡입구 사이에 연장한 흡입관에 제공된 게이트 밸브를 가진 진공용기에 대한 진공배기방법으로, 이 방법은 게이트 밸브가 개방되고 터보분자 펌프 및 헬륨냉동기가 운전되는 배기 단계와; 상기 게이트 밸브가 차단된 상태에서 터보펌프가 운전되고, 열교환기가 히터에 의해 가열되거나 헬륨냉동기의 운전이 정지되어 열교환기에 냉동포집된 분자를 승화시키는 재생 단계를 포함한다.
본 발명의 진공배기장치에 의하면, 진공배기 운전이 실시될 때, 흡입구의 상류측에 제공된 게이트 밸브가 개방되고 열교환기의 표면이 헬륨냉동기에 의해 냉각되어, 가스 분자의 동결 포집에 의해 행해진 진공배기와 터보분자 펌프에 의해 행해진 진공배기의 조합에 의해 효과적으로 진공을 만들 수 있다.
터보분자 펌프 만으로 진공배기를 행할 경우 진공 용기의 잔류 가스는 작은 분자량을 가진 많은 가스를 포함한다. 특히 이 시스템이 반복적으로 진공배기되고 대기에 개방될 경우 진공배기 후의 잔류가스의 대부분은 물분자이다. 따라서, 터보분자 펌프의 흡입구축에 배치된 열교환기에 의해 물분자를 동결포집함으로써, 펌프의 배기성은 개선되고 이에 따라 고도의 진공 상태를 얻을 수 있다. 또, 예를 들면 수소, 헬륨 등과 같은 동결포집되지 않은 작은 분자량을 가진 가스는 열교환기에 의해 냉각되므로 가스 온도가 낮아져 가스 분자의 속도가 감소된다. 따라서, 블레이드 속도비(C)가 증가하여 터보분자 펌프의 가스배기 성능은 개선된다. 따라서, 종래 터보 펌프와 관련된 문제, 즉 분자량이 작은 배기가스, 특히 수증기에 대한 저성능을 해결하는 것이 가능하다.
가스배기 운전이 소정의 시간동안 실시된 후, 열교환기에서 동결포집된 수증기가 승화되어 방출되는 재생운전을 할 필요가 있다. 이러한 재생 운전은 게이트 밸브를 폐쇄한 채 동결포집된 분자의 포화증기압보다 낮은 레벨로 열교환기 주위의 압력을 감소시킴으로써 실시될 수 있다. 이 재생운전 중에 열교환기의 온도가 상승하도록 하기 위해 헬륨냉동기의 운전이 정지된다. 대안으로서, 히터가 열교환기의 온도를 상승시키는데 사용될 수도 있다. 터보분자 펌프는 재생운전 중에도 연속적으로 운전되므로 재생을 적극적으로 행할 수 있다.
크라이오 진공펌프만으로 행하여지는 진공배기와는 달리, 본 발명의 진공배기공정은 터보분자 펌프와 조합하여 헬륨냉동기에 의해 행하여지기 때문에 배기운전은 상당히 긴 시간동안 연속적으로 행해질 수 있다. 또한, 상기 설명한 바와 같이 짧은 시간내에 재생을 할 수 있다.
이러한 재생 운전은 예를 들면 반도체 제조공정에서 터보분자 펌프의 정상 운전시 게이트 밸브 차단시간을 사용하여 행해질 수 있으므로, 재생에 일정시간을 필요로하지 않고도 연속적으로 진공배기장치를 운전하는 것이 가능하다.
본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명할 것이다. 하지만, 본 발명은 상기 실시예에 의해 결코 제한되지 않는다.
본 발명의 일실시예를 제1도 및 제2도를 참조하여 아래에 설명할 것이다.
제1도는 진공용기(21)와 진공용기를 진공비개시키는 진공배기장치를 나타낸다. 흡입관(22)은 진공용기(21)와 터보분자 펌프(26)의 흡입구 사이에 연장된다. 열교환기(25)는 터보분자 펌프(26)의 흡입구측 상의 흡입관(22)에 제공된다. 1단 GM(Gifford-McMahon)사이클 헬륨냉동기(24)의 콜드헤드(31)와 접촉한 열교환기(25)의 표면은 -100℃ 내지 -200℃의 온도로 냉각된다. 게이트 밸브(23)는 흡입관(22)내에 열교환기(25)의 상류에 배치된다. 러핑 펌프(roughing pump)(30)는 배기관(29)을 거쳐 터보분자 펌프(26)의 배기구측에 연결된다. 압축기부(27)는 압축된 헬륨가스를 헬륨가스관(28)을 거쳐 헬륨냉동기(24)에 순환적으로 공급한다.
헬륨냉동기(24)는 통상의 크라이오 진공펌프에 사용된 것과 같은 2단 GM사이클 헬륨냉동기가 아니라 소형 1단 GM사이클 헬륨냉동기이다. 이러한 이유는 물분자를 선택적으로 동결포집하기 위하여 -100℃ 내지 -200℃의 온도로 열교환기를 냉각하기 때문으로, 이들은 터보분자 펌프에 의해서는 효과적으로 배기될 수 없다.
열교환기(25)는 터보분자 펌프(26)에 배기저항을 형성하기 때문에 열교환기(25)의 구성은 동결포집된 가스분자의 흐름을 고려하여 설계되어야 한다. 제2도는 열교환기의 일실시예를 상세히 나타낸다.
열교환기(25)는, 다수의 반경방향의 열전달판(25b)에 의해 서로 접속되며 동심으로 배치된 다수의 원통형 열전달부재(25a)를 포함한다. 이들 열전달부재(25a) 및 열전달판(25b)은 상기 흡입구로부터 흡입된 가스분자의 흐름에 평행하게 배치되어 유동저항을 최소화한다.
제3(a)도 및 제3(b)도는 열교환기(25)와 헬륨냉동기(24)의 부착구조를 나타낸다. 제3(a)도에서 헬륨냉동기(24)는 가스킷(35)을 거쳐 흡입관 케이싱(34)의 플랜지(33)에 수평배치되어 부착된다. 수평적으로 배치된 헬륨냉동기(24)의 콜드헤드(31)의 끝단은 스크류(36)로 열교환기(25)에 고정된다. 제3(b)도에서 헬륨냉동기(24)는 수직으로 배치되고 L형상 플랜지(31')를 거쳐 케이싱(34)에 부착된다. 수직으로 배치된 콜드헤드(31)는 비교적 긴 열전달판(37)을 거쳐 열교환기(25)에 부착된다.
제1도에 나타낸 진공배기장치의 운전이 이하에서 설명된다. 배기운전을 행하기 위하여, 게이트밸브(23)는 개방되고 압축기(27)는 압축된 헬륨가스를 헬륨냉동기(24)에 공급하도록 운전된다. 또한 터보분자 펌프(26)는 흡입관(22)을 거쳐 가스를 흡입하도록 운전된다. 결과적으로 가스에 포함된 수증기는 열교환기(25)에 의해 동결 포집된다.
그 결과 가스배기 성능은 증가하고 질이 좋은 고도의 진공상태를 얻을 수 있다.
상기 설명된 열교환기(25)의 표면온도는 배기 시스템의 진공도 및 배기된 가스의 성분을 고려하여 설정할 필요가 있다. 예를 들어, 물분자를 동결포집하기 위한 열교환기(25)의 표면온도는 진공용기(21)의 내부압력이 10-4토르일 때 -90℃ 이하로 설정되고, 진공용기 압력이 10-8토르일 때 -130℃ 이하가 되어야 한다. 그러나 표면온도는 상기 장치의 배기관 시스템 형상과 배기 속도에도 의존한다. 이는 열교환기의 표면온도와 수증기의 포화증기압 사이의 관계 때문이다. 그들 사이의 관계를 제4도의 도표로 나타낸다. 제4도는 가로좌표축은 온도(℃), 세로좌표축은 포화증기압(토르)을 나타내는 수증기의 포화증기압 곡선을 나타낸다.
따라서, 수증기를 제외한 작은 분자량을 가진 가스분자(수소, 헬륨등)는 동결포집되지는 않지만, 열교환기(25)와 이 가스분자의 접촉 또는 충돌로 가스온도가 낮아져 블레이드 속도비가 증가되기 때문에 가스배기 성능이 개선된다.
또한, 동결포집된 가스분자를 포함한 열교환기를 재생시키기 위하여, 게이트 밸브(23)는 진공용개(21)로부터의 가스분자 유입을 저지하도록 패쇄되고, 이 상태에서, 흡입관(22)의 압력은 터보분자 펌프(26)의 진공배기 작용으로 인해 낮아지므로 동결포집된 분자를 승화시킬 수 있다. 즉 흡입관내의 압력과 포화증기압 사이의 관계에 기초하여 재생된다.
예를 들면, 흡입관(22)의 온도를 -120℃로 가정하면 게이트 밸브(23) 패쇄 전의 흡입관의 수증기압은 6×10-6토르(제4도의 A점)이다. 이 상태에서, 게이트 밸브(23)가 폐쇄되고 배기운전이 계속될 경우 흡입관(22)의 수증기압은 약 1×10-8토르(제4도의 B점)로 감소될 것이다. 따라서, 열교환기(25)에 동결포집된 수증기는 승화되고 재생 운전을 하기 위해 터보분자 펌프(26)의 작용에 의해 방출된다.
그러한 재생 운전은 종래의 터보분자 펌프에서 요구된 바와 같이 냉동 모드와 해동 모드 사이에서 냉동기(24)가 전환될 필요가 없다. 따라서 터보분자 펌프를 연속적으로 운전할 수 있다. 실제적으로 열교환기(25)가 온도상승할 수 있도록 헬륨냉동기(24)를 정지시키거나, 또는 히터(32)에 의하여 열교환기(25)의 온도를 상승시킴으로써 재생이 행해진다. 또한 러핑 펌프(30)만이 작동시킨 채로 터보분자 펌프(26)를 정지시키고 히터(32)를 작동시켜 재생을 할 수 있다.
본 발명의 이러한 배치에 의해, 다음 장점을 얻을 수 있다.
(1) 배기속도가 증가된다.
(2) 작은 분자량을 가진 가스 특히 물분자의 배기 속도가 실질적으로 증가된다.
(3) 배기 운전이 장시간동안 연속적으로 행해진다.
(4) 재생에 필요한 시간이 짧다.
(5) 열교환기의 가열면적 및 형상은 배기된 가스의 성분과 배기시간에 기초를 두고 선택될 수 있다.

Claims (9)

  1. 가스 분자가 흡입구에서 흡입되어 압축된 후 배기구로 방출되도록 다수의 로터 블레이드가 구비된 로터 및 다수의 스테이터 블레이드를 갖는 스페이서를 구비한 터보분자와, 가스 분자를 헬륨냉동기로 냉각시켜 동결포집하도록 상기 터보분자 펌프의 상기 흡입구축에 제공된 열교환기와, 상기 열교환기의 상류에 제공된 게이트 벨브를 포함하는 진공배기장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 터보분자 펌프의 상기 흡입구는 흡입관을 거쳐 진공배기될 진공용기에 연결되고, 상기 열교환기는 상기 흡입관에 배치되는 것을 특징으로 하는 진공배기장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 게이트 밸브가 상기 열교환기의 상류측상에 있는 상기 흡입관에 배치된 것을 특징으로 하는 진공배기장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 헬륨냉동기는 상기 흡입관의 하우징 상에 수평 혹은 수직으로 지지되고, 상기 열교환기는 상기 헬륨냉동기의 콜드헤드의 끝단부에 접속되는 것을 특징으로 하는 진공배기장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기는, 다수의 방사상의 열전달판에 의해 서로 연결되며 동심으로 배치된 다수의 원통형 열전달부재를 포함하고, 상기 열전달부재 및 열전달판은 상기 흡입구로부터 흡입된 가스분자의 흐름에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 진공배기장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헬륨냉동기는 1단 GM사이클 헬륨냉동기인 것을 특징으로 하는 진공배기장치.
  7. 헬륨냉동기에 의해 냉각된 가스분자를 동결포집하기 위해 상기 진공용기와 터보분자펌프의 흡입구 사이에 배치된 열교환기와, 상기 열교환기의 상류부에 배치되며 상기 터보분자펌프의 흡입구와 상기 진공용기 사이에서 연장하는 흡입관에 제공되는 게이트 밸브를 구비한 진공용기에 대한 진공배기방법에 있어서, 상기 게이트 밸브가 개방되고, 이 상태에서, 상기 터보분자 펌프와 상기 헬륨냉동기가 운전되는 배기 단계; 상기 게이트 밸브가 폐쇄된 채로 상기 터보분자 펌프가 운전되고, 상기 열교환기가 히터에 의해 가열되거나 상기 헬륨냉동기가 정지됨으로써 상기 열교환기에서 동결포집된 분자를 승화시키는 재생 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공배기방법.
  8. 제7항에 있어서, 터보분자 펌프의 배기구측에 러핑 펌프가 제공되고, 상기 재생단계에서 상기 러핑 펌프가 운전되는 상태에서 상기 터보분자펌프가 정지되고 상기 열교환기가 히터에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 진공배기방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 헬륨냉동기는 1단 GM사이클 헬륨냉동기인 것을 특징으로 하는 진공배기장치.
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