KR100759105B1 - 냉매를 이용한 고효율 진공장치 - Google Patents

냉매를 이용한 고효율 진공장치 Download PDF

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KR100759105B1 KR1020060047748A KR20060047748A KR100759105B1 KR 100759105 B1 KR100759105 B1 KR 100759105B1 KR 1020060047748 A KR1020060047748 A KR 1020060047748A KR 20060047748 A KR20060047748 A KR 20060047748A KR 100759105 B1 KR100759105 B1 KR 100759105B1
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박장식
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경일대학교산학협력단
박장식
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Abstract

본 발명은 액체질소 등의 냉매에서 얻어지는 냉기를 통해 저비용으로 공정 진공챔버의 고진공을 효과적으로 얻을 수 있도록 하는 냉매를 이용한 고효율의 진공장치에 관한 것으로, 내부에 구비된 중간 게이트밸브를 경계로 하여 양측에 대기 진공챔버와 박막 증착부를 포함하는 공정 진공챔버가 구비되어 있고 상기 대기 진공챔버의 일측에는 기판을 외부로부터 공급,배출하는 일측 게이트밸브가 구비되어 있으며 내부에는 기판을 외부와 대기,진공 진공챔버로 이송시키는 이송수단이 구비되어 있고 상기 공정 진공펌프에는 가스봄베와 저,고진공 게이지 및 박막 증착부가 구비되어 있는 본체와, 상기 대기,공정 진공챔버를 배기하는 배기수단을 포함하는 진공장치에 있어서; 상기 공정 진공챔버에 구비되어 공정 진공챔버내의 수증기를 응축시켜 고진공을 얻을 수 있도록 선택적으로 공정 진공챔버내로 냉기를 발산하는 열교환수단과, 상기 장치를 제어하는 제어부를 포함함을 특징으로 한다.
냉매, 진공장치, 진공챔버

Description

냉매를 이용한 고효율 진공장치{High vacuum apparatus using refrigerant}
도 1은 본 발명의 진공장치를 나타낸 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 진공장치에 따른 열교환 수단을 확대 도시한 구성도.
도 3은 종래의 박막제작 공정에서 사용되는 인라인형(In-line type)의 진공장치를 나타낸 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
1 : 본체
11 : 중간 게이트밸브
12 : 대기 진공챔버
121 : 일측 게이트밸브
13 : 공정 진공챔버
131 : 박막 증착부
132 : 가스봄베
133 : 고진공 게이지
134 : 저진공 게이지
2 : 배기수단
21 : 제1 관
211 : 제1 밸브
22 : 제2 관
221 : 제2 밸브
23 : 제3 관
231 : 제3 밸브
24 : 제4 관
241 : 제4 밸브
25 : 고진공 펌프
26 : 저진공 펌프
3 : 열교환 수단
31 : 냉각수단
311 : 인입관, 312 : 인입밸브, 313 : 배출관, 314 : 배출밸브,
315 : 냉매탱크, 316 : 순환관, 317 : 펌프
32 : 방열수단
321 : 히터전극, 322 : 전원공급부, 323 : 단열 연결관
33 : 방열판
331 : 열교환관
10 : 기판
본 발명은 냉매를 이용한 고효율 진공장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 액체질소 등의 냉매에서 얻어지는 냉기를 통해 저비용으로 공정 진공챔버의 고진공을 효과적으로 얻을 수 있도록 하는 냉매를 이용한 고효율의 진공장치에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이, 반도체 및 전자부품 제작을 위한 진공장비에서 필수적인 공정인 박막제작 공정에서는 진공챔버의 초기 진공도는 고진공(5 x10 -5 torr 이하)이 요구된다.
이에, 도 3은 종래의 박막제작 공정에서 사용되는 인라인형(In-line type)의 진공장치를 나타낸 것이다.
즉 종래의 인라인형 진공장치(이하, "진공장치"라 칭함)는, 내부에 구비된 중간 게이트밸브(101)를 경계로 하여 양측에 대기 진공챔버(102)와 박막 증착부(106)를 포함하는 공정 진공챔버(105)가 구비되어 있고 상기 대기 진공챔버(102)의 일측에는 기판(10)을 외부로부터 공급,배출하는 일측 게이트밸브(103)가 구비되어 있으며 내부에는 기판(10)을 외부와 대기,공정 진공챔버(102,105)로 이송시키는 이송수단(도시않됨)이 구비되어 있고 상기 공정 진공챔버(105)에는 가스를 주입하는 가스봄베(107)와 저,고진공 게이지(108,109)가 구비되어 있는 본체(100)와, 상기 대기,공정 진공챔버(102,105)를 배기하는 배기수단(200)을 포함함을 특징으로 한다.
그리고 상기 배기수단(200)은, 상기 공정 진공챔버(105)와 제1 밸브(201a)가 구비된 제1 관(201)으로 연결된 고진공 펌프(205)와, 상기 대기 진공챔버(102)와 제2 밸브(202a)가 구비된 제2 관(202)으로 연결된 저진공 펌프(206)와, 상기 고진공 펌프(205)에 일단부가 연결되고 제2 관(202)의 제2 밸브(202a)와 저진공 펌프(206)의 사이에 다른 단부가 연결되어 있으며 제3 밸브(203a)를 포함하는 제3 관(203), 및 상기 제3 관(203)의 제3 밸브(203a)와 제2 관(202)의 사이에 일단부가 연결되고 다른 단부가 상기 공정 진공챔버(105)에 연결되어 있으며 제4 밸브(204a)를 포함하는 제4 관(204)으로 구성되는 것이다.
또한 상기 저진공 게이지(108)는 10-3torr 이상의 저진공을 측정하기 위한 것이고, 상기 고진공 게이지(109)는 10-5torr 이하의 고진공을 측정하기 위한 게이지이다.
한편, 상기 이송수단은, 널리 알려져 사용되고 있는 로버트 팔을 이용한 흡착 이송장치 또는 이송 구동장치(실린더, 모터 등)를 이용한 레일 이송장치 또는 로버트 팔을 이용한 수취 이송장치 등으로 구성되는 것으로, 도면에서는 생략하였다.
그러므로 상기 일측, 중간 게이트밸브(101)의 개폐와 이송수단의 작동이 연동되는 과정을 통해, 기판(10)을 외부와 대기 진공챔버(102) 및 공정 진공챔버(105)로 이동시킬 수 있는 것이다.
따라서, 공정 진공챔버(105)를 고진공으로 달성하기 위해서 먼저 제2,4 밸 브(202a,204a)를 개방하고 저진공 펌프(206)를 작동시켜 공정 진공챔버(105)의 내부 진공상태가 10-2 ~ 10-3 torr 정도까지 도달되도록 배기한다.
다음 제2,4 밸브(202a,204a)를 닫고 제1,3 밸브(201a,203a)를 개방한 후 고진공 펌프(205)를 작동시켜 공정 진공챔버(105)를 배기해서 공정 진공챔버(105) 내부의 압력을 5 x 10-5 torr 이하로 만든다.
다음 박막제작 공정을 위해서 가스봄베(107)에서 공정 진공챔버(105)로 가스를 약 10-3torr까지 주입하고 박막 증착부(106)를 이용해서 기판(10)에 박막을 증착한다.
그런데, 상기와 같이 5 x 10-5 torr 이하로 배기하기 위한 소요되는 시간이 짧을수록 단위 시간당 처리할 수 있는 기판의 생산량을 많아지게 되는데, 공정 진공챔버에 대한 배기시간은 공정 진공챔버의 크기, 펌프의 배기용량에 따라서 달라진다.
즉 공정 진공챔버의 배기시간, T는 다음의 식으로 표시된다.
T = (V/Seff)In(P1/P2)
여기서 V 는 공정 진공챔버의 크기, Seff 는 펌프의 실제 배기용량이며, P1은 초기 진공도를, P2는 나중의 진공도를 나타낸다.
따라서 진공챔버의 크기, 초기 진공도 및 나중의 진공도가 일정할 경우에는 진공펌프의 실제 배기용량에 반비례하는 것을 알 수 있다.
그러므로, 진공펌프의 용량이 작은 상태에서 고진공을 얻을 경우에는 많은 시간이 걸리게 됨으로서 기판의 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.
반대로 진공펌프의 용량을 늘려 고진공까지 도달되는 시간을 줄여 기판(10) 생산성을 향상시키고자 할 경우에는, 진공펌프의 용량을 늘리는데 많은 비용이 들게 됨은 물론, 소비 전력도 높아지게 됨에 따라서 운전비용이 과다하게 들게 되는 문제가 발생된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 냉매로부터 얻어진 냉기를 통해 박막 증착하는 공정 진공챔버의 진공도를 저비용으로 효과적으로 높일 수 있도록 하는 냉각판을 이용한 고효율 액체질소 진공장치를 제공함을 목적으로 한다.
즉 진공펌프의 용량을 늘리지 않고 신속히 공정 진공챔버의 내부를 고진공 상태로 만들 수 있도록 하는 목적을 가지고 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 구비된 중간 게이트밸브를 경계로 하여 양측에 대기 진공챔버와 박막 증착부를 포함하는 공정 진공챔버가 구비되어 있고 상기 대기 진공챔버의 일측에는 기판을 외부로부터 공급,배출하는 일측 게이트밸브가 구비되어 있으며 내부에는 기판을 외부와 대기,진공 진공챔버로 이송시키는 이송수단이 구비되어 있고 상기 공정 진공펌프에는 가스봄베와 저,고진공 게이지 및 박막 증착부가 구비되어 있는 본체와, 상기 대기,공정 진공챔버를 배기하는 배기수단을 포함하는 진공장치에 있어서; 상기 공정 진공챔버에 구비되어 공정 진공챔버내의 수증기를 응축시켜 고진공을 얻을 수 있도록 선택적으로 공정 진공챔버내로 냉기를 발산하는 열교환수단과, 상기 장치를 제어하는 제어부를 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 진공장치를 나타낸 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 진공장치에 따른 열교환수단을 확대도시한 구성도이다.
이에 본 발명의 진공장치는; 내부에 구비된 중간 게이트밸브(11)를 경계로 하여 양측에 대기 진공챔버(12)와 박막 증착부(131)를 포함하는 공정 진공챔버(13)가 구비되어 있고 상기 대기 진공챔버(12)의 일측에는 기판(10)을 외부로부터 공급,배출하는 일측 게이트밸브(121)가 구비되어 있으며 내부에는 기판(10)을 외부와 대기,진공 진공챔버(12,13)로 이송시키는 이송수단(도시않됨)이 구비되어 있고 상기 공정 진공쳄버(13)에는 가스를 주입하는 가스봄베(132)와 저,고진공 게이지(133,134)가 구비되어 있는 본체(1)와, 상기 대기,공정 진공챔버(13)를 배기하는 고,저진공 펌프(25,26)를 가지는 배기수단(2)을 포함하는 진공장치에 있어서; 상기 공정 진공챔버(13)의 내부에 냉매로부터 얻어진 냉기를 발산시킴으로서 공정 진공챔버(13)의 진공도를 저비용으로 효과적으로 높일 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.
즉 본 발명의 진공장치는, 상기 공정 진공챔버(13)에 구비되어 공정 진공챔버(13)내의 수증기를 응축시켜 고진공을 얻을 수 있도록 선택적으로 냉기를 발산할 수 있는 열교환수단(3)과, 상기 장치를 전반적으로 제어하는 제어부(도시않됨)를 포함함을 특징으로 한다.
그리고 상기 냉매는 끓는점이 낮은 액체질소, 액체헬륨, 암모니아수 중 하나로 구성됨으로서, 상기 열교환 수단(3)을 통해 공정 진공챔버(13)로 냉각열을 발산할 수 있는 것이다.
또한, 상기 열교환 수단(3)은, 상기 공정 진공챔버(13)의 상부에 구비되어 열교환관(331)이 내부에 구비된 방열판(33)과, 상기 열교환관(331)의 인입부와 배출부에 연결되어 냉매를 선택적으로 순환시킴에 따라 방열판(33)에서 냉기를 방열할 수 있도록 설치된 냉각수단(31)으로 구성되는 것이다.
또한 상기 냉각수단(31)은, 상기 열교환관(331)의 인입부와 배출부에 각각 연결되어 있으며 각각에는 인입,배출밸브(312,314)가 구비된 인입,배출관(311,313)과, 상기 배출관(313)에 연결되어 있는 냉매탱크(315)와, 상기 냉매탱크(315)와 상기 인입관(311)을 상호 연결하며 중간에는 냉매를 강제 이송하는 펌프(317)가 구비되어 있는 순환관(316)으로 구성됨을 특징으로 한다.
한편, 상기 열교환 수단(3)은, 상기 인입관(311)의 인입밸브(312)와 열교환관(331)의 인입부 사이에 구비된 히터전극(321)과, 상기 배출관(313)의 배출밸브(314)와 열교환관(331)의 배출부 사이에 구비된 히터전극(321)과, 상기 각각의 히터전극(321)에 연결되는 전원공급부(322), 및 상기 인입관(311)과 순환관(316)의 사이 및 배출관(313)과 냉매탱크(315)의 사이에 구비되어 히터열의 전도를 방지하는 단열 연결관(323)으로 구성된 방열수단(32)을 더 포함하는 것이다.
또, 상기 배기수단(2)은, 상기 공정 진공챔버(13)와 제1 밸브(211)가 구비된 제1 관(21)으로 연결된 고진공 펌프(25)와, 상기 대기 진공챔버(12)와 제2 밸브(221)가 구비된 제2 관(22)으로 연결된 저진공 펌프(26)와, 상기 고진공 펌프(25)에 일단부가 연결되고 제2 관(22)의 제2 밸브(221)와 저진공펌프(26)의 사이에 다른 단부가 연결되어 있으며 제3 밸브(231)를 포함하는 제3 관(23), 및 상기 제3 관(23)의 제3 밸브(231)와 제2 관(22)의 사이에 일단부가 연결되고 다른 단부가 상기 공정 진공챔버(13)에 연결되어 있으며 제4 밸브(241)를 포함하는 제4 관(24)으로 구성되는 것이다.
또, 상기 이송수단은, 널리 알려져 사용되고 있는 로버트 팔을 이용한 흡착 이송장치 또는 이송 구동장치를 이용한 레일 이송장치 또는 로버트 팔을 이용한 수취 이송장치 등으로 구성되는 것으로, 도면에서는 생략하였다.
그리고 상기 일측, 중간 게이트밸브(11)의 개폐와 이송수단의 작동이 연동되는 과정을 통해, 기판(10)을 외부와 대기 진공챔버(12) 및 공정 진공챔버(13)로 이동시키는 과정은 이미 공지된 것으로, 이하 설명함에 있어서 기판(10)의 이송관계의 설명은 생략한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동관계를 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공정 진공챔버(13)를 고진공으로 만들기기 위한 과정을 설명하면, 먼저 제어부를 통해 제2,4 배기 관(22,24)에 구비된 제2,4 밸브(221,241)를 개방하고 저진공 펌프(26)를 배기하고 확산시키는 과정을 통해 공정 진공챔버(13)의 진공도를 10-3 torr 정도까지 얻는다.
다음 제어부를 통해 제2,4 밸브(221,241)를 닫고 제1,3 밸브(211,231)를 개방한 후 고진공 펌프(25)를 작동시켜 공정 진공챔버(13)를 배기해서 공정 진공챔버(13) 내부의 압력을 10-4 torr이하로 만드는 고정에서, 제어부를 통해 열교환 수단(3)을 구성하는 냉각수단(31)을 작동시켜 방열판(33)의 온도를 77K까지 냉각시켜 공정 진공챔버(13)의 진공도를 5 x 10-5torr이하의 고진공으로 만든다.
즉 대기 중에는 질소(N2), 산소(O2)가 대부분을 차지 하지만, 10-2Torr 보다 낮은 진공에서는 90%이상이 수증기(H2O)이다. 따라서 공정 진공챔버(13)의 진공도를 향상하기 위해서는 수증기인 수분을 효과적으로 응축할 수 있도록 냉매를 사용하여 온도를 섭씨 영하 200도 이하로 낮춤으로 공정 진공챔버(13) 속의 수분을 응축시켜 진공도를 높일 수 있는 것이다.
그리고, 공정 진공챔버(13)에서 5 x 10-5torr 이하로 진공이 달성되면 가스봄베(132)를 통해서 Ar가스를 진공용기에 주입하여 약 10-3 torr에서 박막 증착부(131)로 박막을 기판(10)에 증착한다.
다음, 일정한 두께의 박막으로 증착된 기판(10)은 대기 진공챔버(12)로 이동시킨 다음, 중간 게이트밸브(11)를 닫은 상태에서 공기 또는 질소를 공정 진공챔 버(13)에 주입시켜 밴트한 후 다시 대기 진공챔버(12)에서 대기한 새로운 기판(10)을 공정 진공챔버(13)로 이동시켜 다음 작업을 준비한다.
한편, 진공장치를 재생하여 연속적으로 사용할 경우에는 방열판(33)의 외부에 생성되는 얼음을 제거하는 것이 선행되어야 한다.
따라서 상기 방열판(33)의 표면에 생성된 얼음을 제거할 경우에는 열교환수단(3)의 냉각수단(31)을 정지시키고 방열수단(32)만을 작동시켜 방열판(33)의 부착된 얼음을 제거하는 것이다.
즉 제어부를 통해 방열수단(32)의 전원공급부(322)와 연결된 히터전극(321)에 전원을 인가하여 전도열을 통해 열교환관(331)의 온도가 전체적으로 상승되게 함으로서, 방열판(33)의 외면에 형성되는 얼음을 제거할 수 있는 것이다.
그러므로, 냉매로부터 얻어지는 냉기를 통해 박막제작 공정의 진공도를 저비용으로 효과적으로 높일 수 있는 것이다. 즉 진공펌프의 용량을 늘리지 않고도 빠른 시간내로 신속히 공정 진공챔버를 고진공의 상태로 만들 수 있도록 함으로서, 진공펌프를 용량을 늘리는 비용을 절감하면서도 기판(10)의 생산성을 향상시킬 수 있는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 냉매로부터 얻어진 냉기를 이용하여 진공펌프의 용량을 늘리지 않고도 빠른 시간내로 신속이 공정 진공챔버를 고진공의 상태로 만들 수 있도록 함으로서, 저가로 제작이 가능하고 저비용으로 운전이 가능함은 물론 기판의 생산성을 최대로 향상시킬 수 있는 진공장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 내부에 구비된 중간 게이트밸브(11)를 경계로 하여 양측에 대기 진공챔버(12)와 박막 증착부(131)를 포함하는 공정 진공챔버(13)가 구비되어 있고 상기 대기 진공챔버(12)의 일측에는 기판(10)을 외부로부터 공급,배출하는 일측 게이트밸브(121)가 구비되어 있으며 내부에는 기판(10)을 외부와 대기,진공 진공챔버(12,13)로 이송시키는 이송수단이 구비되어 있고 상기 공정 진공펌프(317)에는 가스봄베(132)와 저,고진공 게이지(134,133) 및 박막 증착부(131)가 구비되어 있는 본체(1)와, 상기 대기,공정 진공챔버(12,13)를 배기하는 배기수단(2)을 포함하는 진공장치에 있어서;
    상기 공정 진공챔버(13)에 구비되어 공정 진공챔버(13)내의 수증기를 응축시켜 고진공을 얻을 수 있도록 선택적으로 공정 진공챔버(13)내로 냉기를 발산하는 열교환수단(3)과 ; 상기 장치를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 열교환 수단(3)은, 상기 공정 진공챔버(13)의 상부에 구비되어 열교환관(331)이 구비된 방열판(33)과, 상기 열교환관(331)의 인입부와 배출부에 연결되어 냉매를 선택적으로 순환시킴에 따라 방열판(33)에서 냉기를 방열할 수 있도록 설치된 냉각수단(31)으로 구성되며,
    상기 냉각수단(31)은, 상기 열교환관(331)의 인입부와 배출부에 각각 연결되어 있으며 각각에는 인입,배출밸브(314)가 구비된 인입,배출관(313)과, 상기 배출관(313)에 연결되어 있는 냉매탱크(315)와, 상기 냉매탱크(315)와 상기 인입관(311)을 상호 연결하며 중간에는 냉매를 강제 이송하는 펌프(317)가 구비되어 있는 순환관(316)으로 구성됨을 특징으로 하는 냉매를 이용한 고효율 진공장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 열교환 수단(3)은,
    상기 인입관(311)의 인입밸브(312)와 열교환관(331)의 인입부 사이에 구비된 히터전극(321)과, 상기 배출관(313)의 배출밸브(314)와 열교환관(331)의 배출부 사이에 구비된 히터전극(321)과, 상기 각각의 히터전극(321)에 연결되는 전원공급부(322), 및 상기 인입관(311)과 순환관(316)의 사이 및 배출관(313)과 냉매탱크(315)의 사이에 구비되어 히터열의 전도를 방지하는 단열 연결관(323)으로 구성된 방열수단(32)을 더 포함함을 특징으로 하는 고효율 진공장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 냉매는,
    액체질소, 액체헬륨, 암모니아수 중 하나로 구성됨을 특징으로 하는 냉매를 이용한 고효율 진공장치.
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