KR100378408B1 - 용기밸브 - Google Patents

Abstract

고리형상의 밸브시트를 개폐하는 밸브자를 구비한 밸브실을 가지는 밸브체에 가스용기 장착부 및 배관장착용 꼭지쇠부를 형성한 용기밸브이다. 상기 가스용기 장착부는 양끝단이 해당 장착부의 끝단부와 상기 밸브시트의 안둘레부로 개구하는 1차측 가스유로를 가지고 있다. 상기 배관장착용 꼭지쇠부는, 양끝단이 해당 꼭지쇠부의 끝단부와 상기 밸브시트의 바깥둘레부로 각각 개구하는 2개의 2차측 가스유로를 가지고 있다. 상기 꼭지쇠부에는 연결구가 장착된다. 이 연결구는, 상기 2개의 2차측 가스유로에 각각 접속하는 2개의 유로를 가지고 있다. 상기 2개의 2차측 가스유로의 밸브실 개구부는, 상기 밸브시트를 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 형성되어 있다.

Description

용기밸브{VALVE FOR LP GAS CYLINDER}

반도체프로세스에 사용되는 반도체재료가스, 퍼지가스, 캐리어가스 등은 고순도이며 또한 고청정도가 요구되고, 이들 가스중에 퍼티클이나 산소, 수분 등의 불순물이 존재하면, 산화나 금속오염에 기인한 디바이스특성불량이나, 제품의 수율저하 등의 문제를 발생시킨다.

일반적으로 가스용기를 반도체프로세스가스의 공급설비나 제조설비에 부착할 때는 용기밸브의 꼭지쇠부가 대기에 노출되어 있기 때문에, 꼭지쇠부와 가스설비부착용 배관과의 사이에 대기가 혼입되어 버린다. 이 때 혼입된 대기는 질소나 아르곤가스 등의 불활성 가스에 의한 퍼지나, 진공배기에 의하여 제거되지만, 혼입한불순물의 제거가 불충분하면, 가스제조시에는, 잔류불순물이 용기내에 혼입하게 된다. 예컨대 산소나 수분 등의 대기성분가스와의 반응성을 가지는 가스인 경우는, 가스농도의 경시변화를 일으키고, 산화반응에 의한 불순물생성이나, 용기와 용기밸브와의 가스접촉부의 금속표면에 부식을 생기게 하는 원인이 된다.

또한, 가스공급시에는, 가스공급설비로부터 소비설비에 걸쳐, 잔류불순물에 의한 오염이 발생한다. 가스공급시에 있어서의 오염의 영향은, 가스시스템에 대해서 뿐만 아니라, 제품의 수율저하나 전기적 특성의 불량으로도 나타난다.

종래에 가장 많이 사용되고 있는 용기밸브는, 하나의 꼭지쇠부가 가스의 출구와 충전구를 겸용하는 일구(一口)구조이며, 용기밸브내에 데드스페이스가 존재하기 때문에 용기밸브를 부착시켰을 때에 혼입한 용기밸브내의 대기성분을 제거하기에는 장시간을 필요로 하였다.

한편, 일본국 특개평 5-106749호 공보나 특개평 6-281026호 공보에 기재된 용기밸브는, 이 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 용기밸브내의 불순물을 빨리 제거할 수는 있으나, 2개의 용기밸브가 일체화한 블록밸브구조로 되어 있기 때문에, 밸브자체가 매우 커지고, 용기의 수송시에 넘어지기 쉽다는 안전상의 문제점을 안고 있었다. 또한 이들 용기밸브는, 통상의 용기밸브에 비교하여 구조가 복잡하고, 또한 이들 용기밸브를 사용하기 위해서는 가스설비측에 퍼지가스용 배관의 증설이 필요하게 되는 등, 비용이 대폭 증가한다는 문제를 안고 있었다. 또한, 용기밸브 자체에 퍼지용 밸브를 조립해 넣은 것도 알려져 있으나, 밸브 구조가 복잡하고, 비교적 대형이며, 비용면에서도 고가이다.

본 발명은 용기밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체산업에서 전자디바이스의 제조프로세스에 사용되는 반도체재료가스나 퍼지가스, 캐리어가스 등의 고순도가스를 공급하는 가스충전용기의 용기밸브로서 적합한 구조의 용기밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 용기밸브의 한 형태예를 나타내는 요부의 정면 단면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.

도 3은 연결구를 제거한 상태의 용기밸브를 나타내는 일부 정면 단면도.

도 4는 연결구를 제거한 상태의 용기밸브를 나타내는 측면도.

도 5는 실험예 1에 있어서의 기기의 접속상태를 나타내는 계통도.

도 6은 퍼티클수의 경시변화를 나타내는 도면.

도 7은 실험예 2에 있어서의 기기의 접속상태를 나타내는 계통도.

도 8은 불순물(수분)농도의 경시변화를 나타내는 도면.

본 발명의 목적은, 가스설비부착용의 배관을 용기밸브에 접속하였을 때에 혼입한 퍼티클이나 대기성분을 용기밸브로부터 신속하고 효율적으로 제거할 수 있고, 진공배기시의 컨덕턴스를 저하시키지 않고, 또한 간단한 구조로 소형화도 도모되며, 더구나 저렴한 가격으로 제조할 수 있는 용기밸브를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 용기밸브는, 고리형상의 밸브시트를 개폐하는 밸브자를 구비하는 밸브실을 가지는 밸브체에 가스용기 장착부 및 배관장착용 꼭지쇠부를 형성하고, 상기 가스용기 장착부는 양끝단이 해당 장착부의 끝단부와 상기 밸브시트의 안둘레부로 개구하는 1차측 가스유로를 가지며, 상기 배관장착용 꼭지쇠부는, 양끝단이 해당 꼭지쇠부의 끝단부와 상기 밸브시트의 바깥둘레부에 각각 개구하는 2개의 2차측 가스유로를 가지고, 상기 2개의 2차측 가스유로에 각각 접속하는 2개의 유로를 가지며, 또한 한쪽의 유로가 퍼지가스도입측에, 다른 쪽 유로가 퍼지가스도출측에 접속되는 연결구를 상기 꼭지쇠부에 장착하고 있다.

또한, 상기 2개의 2차측 가스유로의 밸브실개구부는, 밸브실내에 있어서 서로 가장 떨어진 위치에 형성되어 있다. 또한 상기 밸브실은, 상기 1차측 가스유로의 밸브실개구부를 중심으로 하여 상기 밸브시트를 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 형성하고 있다.

본 발명의 용기밸브에 의하면, 간단한 구조로 충분한 퍼지특성을 얻을 수 있고, 또한 외형적으로는 종래의 일구형 용기밸브와 동일하게 형성할 수 있기 때문에, 기존의 가스제조설비나 가스공급설비에도 용이하게 대응할 수 있다.

도 1∼4에 의거하여 본 발명의 용기밸브의 일 형태예를 설명한다.

이 용기밸브(10)는, 고리형상의 밸브시트(11)를 개폐하는 밸브자(12)를 구비한 밸브실(13)을 가지는 밸브체(14)에 가스용기 장착부(15) 및 배관장착용 꼭지쇠부(16)를 형성하고 있다. 상기 밸브자(12)는 상기 밸브실(13)을 가로로 절단하는 다이어프램(17)을 구비하고 있다. 상기 가스용기 장착부(15)는 그 중심축선방향으로 형성된 1차측 가스유로(18)를 가지고 있다. 해당 유로(18)는, 일끝단이 상기 장착부(15)의 끝단부(19)에, 다른 끝단이 상기 밸브시트(11)의 안둘레부에 각각 개구하고 있다. 상기 배관장치용 꼭지쇠부(16)는, 그 중심축선방향으로 형성된 2개의 2차측 가스유로(20,21)를 가지고 있다. 해당 2개의 2차측 가스유로(20,21)는, 일끝단이 각각 상기 꼭지쇠부(16)의 끝단부(22)에, 다른 끝단이 각각 상기 밸브시트 (11)의 바깥둘레부에 개구하고 있다. 상기 장착부(15)와 상기 꼭지쇠부(16)의 중심축선은, 상기 밸브체(14)에 있어서 서로 직교하고 있다. 상기 용기밸브(10)의 상부에는 밸브자(12)를 구동하는 개폐기구(23)가 설치되어 있다.

상기 밸브실(13)의 바닥부는 도 2와 같이, 상기 1차측 가스유로(18)의 밸브실개구부(24)를 중심으로 하여 상기 밸브시트(11)의 주위에 동심형상으로 형성되어 있다. 상기 2차측 가스유로(20,21)의 밸브실개구부(25,26)는 가능한 간격이 떨어지도록, 예컨대 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 밸브시트(11)를 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 형성되어 있다. 즉, 상기 밸브실개구부(25,26)의 개구위치는, 한쪽의 2차측 가스유로로부터 밸브실(13)내에 유입한 가스가 다른 쪽의 2차측 가스유로에 평균적으로 유출하도록 설정되어 있다.

또한, 상기 꼭지쇠부(16)의 끝단부(22)로부터 먼 위치에 밸브실개구부(25)가 개구하는 2차측 가스유로(20)는, 1차측 가스유로(18)에 영향을 주지 않는 범위에서 가능한 밸브체(14)의 중심측에 위치하도록 형성되어 있고, 이에 따라 2차측 가스유로(20,21)의 간격을 최소로 할 수 있으며, 종래와 같은 입구지름의 꼭지쇠부(16)내에 2개의 2차측 가스유로(20,21)를 용이하게 형성할 수 있다.

상기 꼭지쇠부(16)의 끝단부(22)에는, 상기 2차측 가스유로(20,21)에 각각 접속하는 2개의 접속유로(27,28)를 가지는 연결구(29)가 장착된다. 이 연결구(29)는, 종래의 통상의 연결구와 마찬가지로 상기 꼭지쇠부(16)의 바깥둘레에 형성되어 있는 숫나사부에 나사맞춤하는 캡너트(30)에 의하여 꼭지쇠부(16)에 장착되고, 꼭지쇠부(16)와의 접속부에는 외부리크를 방지하기 위한 시일재(31)가 설치되어 있다.

상기 접속유로(27,28)에는, 가스제조설비나 가스공급설비 등의 각종 부착용 배관이 각각 접속되어 있으나, 퍼지시에는, 한쪽의 접속유로에 퍼지가스 도입계통을 가지는 배관계가, 다른 쪽의 유로에 퍼지가스 도출계통을 가지는 배관계통이 접속된다.

용기밸브(10)나 연결구(29)는, 종래의 것과 마찬가지로 놋쇠, 스텐레스강, 니켈합금 등으로부터 단조되어 기계가공됨으로써 제작되는 것으로, 수분 등의 가스분자나 퍼티클이 가스접촉부 표면에 흡착하는 영향을 적게 하고, 금속표면의 내부식성을 향상시킬 목적으로 가스 접촉부 표면에는, 기계연마, 고운 입자 연마, 전해연마, 복합전해연마, 화학연마, 복합화학연마 등을 시행하고 있다.

또한, 상기 다이어프램(17)은, 통상 스텐레스강이나 니켈기합금으로 형성되는 것이며, 상기 개폐기구(23)에 의하여 개폐작동한다. 해당 개폐기구(23)로서는, 종래로부터 이 종류의 용기밸브에 이용되고 있는 각종 기구, 예컨대 압축공기에 의한 공기작동방식, 모터로 나사봉을 회전시키는 전동식, 핸들을 수동으로 조작하는 수동식 등, 임의 형식의 개폐기구를 적당하게 채용할 수 있다. 한편, 밸브시트(11)는, 불소수지(상품명 테프론, 다이프론 등), 폴리이미드 등의 각종 고분자재료가 일반적으로 사용된다. 또한 수분의 제거효율을 고려한 용기밸브 바디와 시트가 일체형인 올메탈밸브구조를 채용할 수도 있다.

또한, 각 유로는, 진공배기시에 있어서의 컨덕턴스의 저하를 억제하기 위하여, 안지름을 크게 하는 것이 바람직하나, 보통은 2∼6mm가 적당하다. 동일한 이유에서 각 유로의 길이는 가능한 짧은 것이 바람직하며, 밸브실(13)의 높이(밸브실 바닥면과 다이어프램과의 거리)도, 3mm이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 용기밸브(10)의 가스용기로의 장착은, 종래와 동일하게 행할 수 있고, 또한 접속유로(27,28)부분으로의 부착용 배관의 접속은, 종래의 연결과 동일하게 하여 행할 수 있으므로, 이들의 상세한 설명은 생략한다.

상기 연결구(29)는, 용기밸브(10)에 장착한 상태로 해놓고, 사용시에 접속유로(27,28)부분과 부착용 배관을 접속하도록 하여도 좋으나, 통상적으로는 연결구 (29)를 가스제조설비나 가스공급설비의 소정의 부착용 배관에 접속한 상태로 해두고, 사용시에 연결구(29)를 용기밸브(10)의 상기 꼭지쇠부(16)에 연결함으로써 용기밸브(10)와 각 배관을 접속하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 꼭지쇠부(16)에 연결구(29)를 부착할 때의 방향성을 확실히 하기 위하여 양자의 접촉부에 요철걸어맞춤하는 가이드부를 형성하여 두는 것도 가능하다.

또한 각 유로는, 진공배기시에 있어서의 컨덕턴스의 저하를 억제하기 위하여 안지름을 크게 하는 것이 바람직하지만, 통상은 2∼6mm가 적당하다. 같은 이유에서 각 유로의 길이는 가능한 짧게 하는 것이 바람직하고, 밸브실(13)의 높이(밸브실 바닥면과 다이어프램과의 거리)도, 3mm이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 용기밸브(10)의 가스용기로의 장착은, 종래와 같이 행할 수 있고, 또한 접속유로(27,28)부분으로의 부착용 배관의 접속은, 종래의 연결관과 동일하게 하여 행할 수 있으므로, 이들의 상세한 도시 및 설명은 생략한다.

상기 연결구(29)는, 용기밸브(10)에 장착한 상태로 해두고, 사용시에 접속유로(27,28)부분과 부착용 배관을 접속하도록 하여도 좋으나, 통상은, 연결구(29)를 가스제조설비나 가스공급설비의 소정의 부착용배관에 접속한 상태로 해두고, 사용시에 연결구(29)를 용기밸브(10)의 상기 꼭지쇠부(16)에 연결함으로써 용기밸브 (10)와 각 배관을 접속하도록 하는 것이 바람직하다. 또한 꼭지쇠부(16)에 연결구 (29)를 부착할 때의 방향성을 확실히 하기 위해 양자의 접촉부에 요철걸어맞춤하는 가이드부를 형성하여 둘 수도 있다.

이와 같이 형성된 용기밸브(10)를 가스공급설비 등의 부착용배관에 접속할 때에는, 밸브실(13), 2차측 가스유로(20,21) 및 접속유로(27,28)나 가스공급설비 등의 부착용 배관내에 대기가 혼입하지만, 상술한 바와 같이 2개의 2차측 가스유로 (20,21)와 접속유로(27,28)를 형성하고, 해당 접속유로의 한쪽에 퍼지가스도입계통을, 다른 쪽에 퍼지가스도출계통을 접속함으로써 혼입한 대기성분의 퍼지를 효율적으로 행할 수 있다.

즉, 한쪽의 접속유로(27)에 퍼지가스를 공급하고 다른 쪽의 접속유로(28)로부터 퍼지가스를 도출하는 경우, 접속유로(27)에 유입한 퍼지가스는 2차측 가스유로(20)를 흘러 밸브실(13)내에 유입한 후, 2갈래로 나뉘어 밸브실(13)을 반바퀴를 돌고, 2차측 가스유로(21)로부터 접속유로(28)를 지나 도출된다. 이 때, 밸브실개구부(25,26)를 전술한 바와 같이 대향위치에 형성하였으므로 밸브실(13)내를 흐르는 퍼지가스의 유량이나 유속을 균등화할 수 있고, 효율적으로 효과적인 퍼지를 행할 수 있다.

따라서, 퍼지가스는 밸브실(13) 및 각 유로내를 한방향으로 흐르고, 또한 가스통로에 있어서의 데드스페이스(가스 고임)를 극소하게 할 수 있으므로, 가스치환특성을 대폭 향상시킬 수가 있고, 퍼지가스가 계속 흐르는 유통퍼지를 행함으로써 혼입한 대기성분을 신속하게 제거할 수 있다. 또한 퍼지가스로 계(系)내를 가압한 후, 대기압 이하로 배기하는(가압-배기) 회분식(回分式)퍼지를 반복하는 것에 의해서도 대기성분을 제거할 수 있다. 이 회분식퍼지는 일반적으로 10회 이상 반복하는 것이 바람직하며, 그 횟수가 많을수록 확실한 퍼지를 행할 수 있다.

또한 이 용기밸브는, 통상의 일구구조인 용기밸브와 같은 크기로 제조할 수 있으며, 현재 보유한 설비에도 용이하게 적용할 수 있기 때문에, 용기밸브(10)를 사용함에 있어서, 가스설비측에 신규 비용이 발생하는 일은 거의 없다.

반도체프로세스에 있어서의 퍼지가스로서는 일반적으로 질소, 아르곤, 헬륨, 수소가 사용되고, 그 순도는, 수분 0.1ppm이하, 산소 0.1ppm이하, 0.3㎛의 크기의 퍼티클이 100개/cf이며, 특히 수분 0.01ppm이하, 산소 0.01ppm이하, 퍼티클 10개/cf [cf:cubic foot{ft(superscript:3)}]이하의 퍼지가스가 가장 적합하게 사용된다.

그리고 2차측 가스유로(20,21)의 밸브실개구부(25,26)의 위치는, 밸브실(13)의 형상 등에 따라 적당하게 설정할 수 있고, 예컨대 밸브실(13)이 U자형상으로 형성되어 있는 경우에는, 그 양끝단에 밸브실개구부(25,26)를 각각 형성하면 좋다.

(실시예1)

도 1에 나타내는 구조의 다이어프램 용기밸브(10) 및 연결구(29)를 제작하였다. 밸브체(14)는, SUS316L재인 단조품을 기계가공한 것이며, 다이어프램(17)은 Ni기 합금제이다. 이들 가스접촉면에는 복합화학연마를 실시하였다. 또한, 밸브시트 (11)에는, 다이프론(상품명)을 사용하였다. 각 유로지름은 3mm으로 하였다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 용기밸브(10)의 꼭지쇠부(16)에 장착한 연결구(29)의 한쪽 접속유로에 고순도질소도입관(41)을, 다른 쪽의 접속유로에 도출관 (42)을 각각 접속하고, 도출관(42)에 등속흡인샘플러(43)를 통하여 레이저식 퍼티클카운터(44)를 접속하였다.

스텐레스제 올메탈필터(45)로, 0.1㎛이상의 퍼티클을 1개/cf이하로 제거한 질소가스를, 매분 100리터로 고순도질소도입관(41)으로부터 도입함과 동시에, 용기밸브(10)로부터 도출관(42)으로 도출된 가스를 등속흡인샘플러(43)로 도입하고, 매분 2.8밀리리터를 배관(46)으로 분류하여 레이저식 퍼티클카운터(44)에 도입함으로써 0.05㎛이상의 퍼티클수를 계측하였다.

또한, 비교예로서, 통상의 일구형 및 이구형(二口型) 용기밸브를 각각 준비하고, 일구형 용기밸브에 대해서는, 종래의 일반적인 연결구를 사용하여 같은 시험을 실시하고, 이구형 용기밸브에 대해서는, 퍼지포트밸브로부터 상기 질소가스를 도입하여 샘플가스출구로부터 가스를 도출시켰다.

각 계측결과를 도 6에 나타낸다. 도 6에서 명백한 바와 같이 본 실시예의 용기밸브는, 종래의 일구형 용기밸브보다도 신속하게 퍼티클을 제거할 수 있고, 그 레벨은 이구형 용기밸브와 같은 정도인 것이 확인되었다.

(실시예2)

도 7에 나타낸 바와 같이, 도출관(42)의 하류에 대기압이온화질량분석계 (Atmospheric Pressure Ionization Mass Spectrometer:이하, API-MS라 한다)(51)를 접속하고, 도출가스중의 수분을 측정함으로써 퍼지특성을 조사하였다. 그리고, 도출관(42)의 하류측은, API-MS(51)용인 퍼지가스를 도입하기 위한 배관(52) 및 밸브(53)와, API-MS(51)에서 가스유량을 일정하게 유지하기 위한 유량제어기(매스플로우콘트롤러)(54,55)와, 전환밸브(56,57)를 설치하고 있다

본 실시예에서는, 실제 가스용기 교환작업에 따른 퍼지조작을 행하였다. 즉, 연결구(29)로 사전에 고순도질소도입관(41)과 도입관(42)을 접속한 상태로 하고, 가스용기 교환시에는, 용기밸브(10)의 꼭지쇠부(16)에 연결구(29)를 착탈하여 행하도록 하였다. 연결구(29)를 꼭지쇠부(16)에 장착할 때에는, 고순도질소도입관(41)에서 미량의 고순도질소가스를 흘리면서 행하였다.

용기밸브(10)에 연결구(29)를 장착한 후, 고순도질소도입관(41)에서 고순도질소가스(수분 1ppb이하)를 매분 2리터로 용기밸브(10)에 도입하고 도입관(42)에 도출된 가스의 일정량을 API-MS(51)에 도입하였다. API-MS(51)로 정량한 불순물의 질량수는, 수분의 M/Z=18로 하였다. 또한, 일구형 및 이구형 용기밸브에 대해서도 동일한 측정을 행하였다.

도 8은, 측정한 불순물(수분)농도(이온강도)의 경시변화를 나타내는 것이다. 본 실시예의 용기밸브 및 이구형 용기밸브는, 일구형 용기밸브보다도 신속하게 수분이 제거되어 있고, 그 레벨은 쌍방 모두 동일한 정도인 것이 확인되었다. 즉, 실제 용기교환시에 혼입하는 대기성분에 대해서도 충분한 제거효과를 가지고 있다는것을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 고리형상의 밸브시트를 개폐하는 밸브자를 구비한 밸브실을 가지는 밸브체에 가스용기 장착부 및 배관장착용 꼭지쇠부를 형성한 용기밸브로서, 상기 가스용기 장착부는, 양끝단이 해당 장착부의 끝단부와 상기 밸브시트의 안둘레부에 개구하는 1차측 가스유로를 가지고, 상기 배관장착용 꼭지쇠부는, 양끝단이 해당 꼭지쇠부와 상기 밸브시트의 바깥둘레부로 각각 개구하는 2개의 2차측 가스유로를 가지며, 상기 2개의 2차측 가스유로에 각각 접속하는 2개의 유로를 가지고, 또한 한쪽의 유로가 퍼지가스 도입측에, 다른 쪽의 유로가 퍼지가스 도출측에 접속되는 연결구를 상기 꼭지쇠부에 장착하며, 상기 밸브실은, 상기 1차측 가스유로의 밸브개구부를 중심으로 하여 상기 밸브시트의 주위로 동심형상으로 형성되고, 상기 2개의 2차측 가스유로의 밸브실개구부가 상기 밸브시트를 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 형성되어 있는 용기밸브.
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