KR100850250B1 - 유체의 흐름을 복수의 부분 흐름으로 나누기 위한 유체분배 유니트 - Google Patents

유체의 흐름을 복수의 부분 흐름으로 나누기 위한 유체분배 유니트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 유체의 흐름을 복수의 부분 흐름으로 나누기 위한 유체 분배 유니트(10, 20)에 관한 것이다. 상기 유니트는 유체의 유입을 위한 최소한 하나의 유체 유입구(13, 23), 부분 흐름을 위한 복수의 유체 배출구들(14, 24)과 유체 유입구를 유체 배출구와 연결 시키는 복수의 채널들(15,25)을 포함한다. 상기 유니트는 상기 채널들(15, 25)이 대칭적으로, 각각 이에 이어지는 채널들(15a, 15b, 15c, 15d, 15e; 25a, 25b, 25c, 25d, 25e)로 가지치기 되며, 유체 유입구(13, 23)에서 유체 배출구(14, 24)로 이어지는 각각의 연결이 동일한 채널들(15, 25)과 브랜치(16, 26)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 최소한 두개의 상이한 유체들을 나누어 분배하기 위한 유체 분배 장치는 하나 위에 다른 하나가 평평하게 겹쳐지는 복수의 유체 분배 유니트(10. 20)를 포함한다. 유체들 중 하나는 각 유체 분배 유니트(10, 20)로 분배되며, 다른 유체(들)은 별개의 통로(17, 27)를 따라 이송 되어 분배되지 않는다. 이와 같은 유체 분배 장치중 하나는 특히, CVD 코팅 설비를 위한 가스 공급 장치로서 구체화된다. 이 경우, 최소한 하나의 유체 분배 유니트(10)가 운반 기체를 동반하기도 하는 전구체 기체를 위해 마련되며, 최소한 다른 하나의 유체 분배 유니트(20)는 반응 기체를 위해 마련된다.
Figure 112003024982800-pct00001
유체 유입구, 유체 배출구, 채널, 브랜치, 덕트,

Description

유체의 흐름을 복수의 부분 흐름으로 나누기 위한 유체 분배 유니트 {FLUID DISTRIBUTION UNIT FOR DIVIDING A STREAM OF FLUID INTO A PLURALITY OF PARTIAL STREAMS}
본 발명은 유체의 유입을 위한 최소한 하나의 유체 유입구, 부분 흐름을 위한 복수의 유체 배출구들과 유체 유입구를 유체 배출구와 연결 시키는 복수의 채널들로 이루어진, 유체의 흐름을 복수의 부분 흐름으로 나누기 위한 유체 분배 유니트에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 둘이나 그 이상의 상이한 유체들을 따로따로 분배하기 위한 유체 분배 장치에 관한 것이다.
이와 같은 유체 분배 장치가 실제적용되는 경우는 CVD(Chemical Vapour Depositon: 화학 증기 증착)코팅 플랜트, 즉 화학적인 기체 증착을 사용하는 코팅 플랜트에 기체 흐름을 공급하기 위해 사용되는 공급 장치이다. CVD 코팅 플랜트의 경우, 적용되는 물질이 보통 선구적 화합물 또는 전구체(precursor)라고 불리우는 화합물의 형태로 공급된다. 전구체는 전구체 기체의 형태로 CVD 코팅 플랜트에 공급되며, 운반 기체와 함께 공급될 수도 있는데, 상기 코팅 플랜트에서 별개로 공급된 반응 기체와 만나서 이 기체와 반응하며, 구성요소들을 유리시켜서 기판에 적용할 수 있게 만든다.
원하는 물질의 층(layer)이 기판 표면 전체에 분배되어 균일한 화학적 구성과 두께를 얻기 위해서는, 전구체 기체와, 바람직하게는 운반기체도 가능한한 균일하게 공급되는 것이 바람직하다. 특히, 흐름의 속도, 프로필과 방향 및 기체 배출구에서 나오는 개별 기체 흐름의 온도가 가능한한 유사하여야 한다. 연속적인 절차를 포함하는 연속적인 코팅 과정의 경우에 특히, 분출구(jet)내에 동일한 조건이 형성되어야만 한다.
예를 들어, 미국 특허 5,624,498과 미국 특허 6,089,677에 개시된 절차의 경우, 전구체 기체 흐름이 우선, 예컨대 대형 튜브와 같은, 대형 수집 용기에 공급되는데, 이 수집 용기는 이로부터 기체를 뿜어내는 분출구가 구비된 다양한 기체 배출구를 가지고 있다. 따라서, 이 컨셉은 "기체 샤워(샤워 헤드:shower head)" 로 불린다. 이와 같은 대형 수집 용기가 사용되는 의도는, 수집 용기의 다양한 배출구들에서 가능한한 균일한 정압이 형성되므로 기체 배출구로부터 실질적으로 동일하고 균일한 흐름을 유출하기 위한 것이다.
그러나, 이와 같은 공급 장치는 대형 수집 용기가 사용된다 하여도, 다양한 가스 배출구들이 수집 용기의 기체 입구로부터 상이한 거리에 위치하는 바, 동압과 정압의 비율이 달라질 수 있다는 문제가 있다. 따라서, 수집 용기의 기체 유입구에 가까이 배치된 기체 배출구로부터 분사되는 기체의 속도가 기체 유입구에서 멀리 떨어져서 위치하는 배출구에서의 속도보다 더 크다.
기체들이 "기체 샤워"내에 머무는 기간(지체 기간)은 상대적으로 길고, 가변적이므로, 예측 또는 계산하기 어려워 바람직하지 않다. 특히, 쉽게 분해될 수 있으며 민감한 유기 화합물의 경우, 수집 용기 내에서 원하지 않은 분해 과정과 전구체 기체의 구성요소들의 분리가 일어날 수 있다. 이런 타입의 장치를 사용하여 기체들이 상이한 비율로 공급되는 경우, 공급 비율이 더 높으면 다양한 분출구들로 부터 분사되는 배출구의 흐름의 프로필이 균일하지 않을 수 있으며, 반면 공급 비율이 더 낮아서 전구체가 더 오랜 시간 수집 용기에 머무는 경우에는 원하지 않은 분해과정이 일어날 수 있다. 나아가, 수집 용기와 분출구 내에서 기체 흐름의 온도를 제어할 수 있을지도 확실치 않다.
각 기체 배출구에 삽입된 개개 분출구를 제어함으로써 다양한 기체 배출구에서 나오는 기체 흐름을 조절하는 것도 가능하다. 특히 이에 의해, 보다 높은 기체 압력이 주어지는 분출구의 단면이 낮은 기체 압력이 주어지는 분출구의 단면보다 작을 수 있다. 이에 의해 다양한 분출구의 출구 흐름의 속도가 어느 정도 균일해지는 것이 가능하기는 하다. 그러나 일반적으로 이런 유형의 조정은 특정 기체 공급 비율, 특정 기체 배출구 속도, 특정 온도에 대해서만 가능하다. 이런 변수들이 변하는 경우, 관련 분출구의 세팅에 상응하는 복잡한 조정이 이루어질 필요가 있다. 덧붙여서, 개별 분출구에서 분사되는 개개 기체 흐름의 프로필은 모든 프로필에 대한 평균 속도가 동일하더라도 서로 상이할 수 있다. 나아가, 기체 공급원과 개별 분출구 사이에 위치하는 영역에 기체가 머무르는 주기들이 상이하다.
또, 예컨대 균일한 구멍을 가진 금속판을 포함하는 확산 장치가 기체 흐름들의 균일화를 위해 사용될 수 있다. 하지만, 이런 유형의 확산 장치의 경우, 기체 흐름 내에서 소용돌이가 발생할 수 있으며, 기체 흐름들의 일부가 긴 지체 주기를 가질 수 있고, 원하지 않는 분리 과정이나 시기 상조의 기체 상태의 반응이 일어날 수 있다. 예를 들어 US 특허 5,595,606에 유사한 컨셉이 제시되어 있다. 이 특허에서는 복수의 가열 장치로 구성된 현명하게 설계된 설비를 부가적으로 사용하여, 온도를 균일하게 제어하여 흐름을 좀 더 잘 제어하고자 하는 시도가 이루어진다.
본 발명의 과제는 종래 기술과 관련하여, 이보다 개선된 유체 분배 유니트를 제안하는 것이다.
본 발명의 또다른 과제는 따로따로 분배되어야 하는 복수의 유체를 위해 사용하기에 적합하며 가능한한 단순한 방식으로 구성되는 유체 분배 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 채널(Channel)들이 그에 이어지는 채널에서 대칭적으로 개별 브랜치(Branch)로 분리되고 유체 유입구에서 유체 배출구 중 하나로 이어지는 각 연결(connection)은 유사한 채널과 유사한 브랜치로 구성됨으로써 첫번째 과제가 달성된다.
두번째 과제는, 둘이나 그 이상의 상이한 유체를 따로따로 분배하기 위한, 복수의 유체 분배 유니트로 구성된 유체 분배 장치를 이용함으로써 달성된다. 이 때, 복수의 유체 분배 유니트는 전술한 타입에 각각 상응하여, 한 유니트 위에 다 른 하나가 층을 이루며 놓이며, 유체들 중 하나는 유체 분배 유니트 내에서 분리되고 다른 유체 또는 다른 유체들은 분리되지 않고, 이와 별개의 덕트로 안내됨으로써 달성된다.
여기서 유체란 액체 뿐 아니라 기체 및 혼합 기체일 수도 있다. 따라서 본 발명에 따른 유체 분배 유니트 및 장치는 하나 또는 그 이상의 기체(운반 기체를 동반하거나 동반하지 않는 전구체 기체, 반응기체)를 공급하기 위해서만 사용되는 것이 아니라, 예컨대 가능한 한 균일하며 정확하고/거나 예측 가능한 방식으로 반응 챔버에 공급될 필요가 있는 완전히 상이한 유형의 기체나 혼합 기체, 액체의 분배를 위해서도 사용된다.
본 발명은 특히, 전술한 CVD 코팅 플랜트의 경우, 모든 기체 배출구에서의 기체의 유출 조건이 동일할 것을 보증한다. 그 결과, 유출 속도, 유출 방향과 각 기체 배출구의 기체 흐름의 온도가 동일하다는 잇점이 있다. 이것은 전구체 기체 흐름과 운반 기체 흐름에 모두 적용된다. 본 발명에 따른 유체 분배 유니트는 비교적 낮은 비용으로 생산되며, 특히 CVD 코팅 플랜트를 위한 공급장치로서 그러하다. 민감한 전구체, 예컨대 고온의 초전도체용의 경우도 끊임없이 처리되어도 예기치 못한 어떤 분리 효과를 발생 시키지 않고 그 사용이 보증될 수 있다.
이에 의해, 유체를 각기 상이한 방향, 예컨대 좌향과 우향으로 흐르게 하는 브랜치들도 각 채널을 그에 뒤따르는 채널들로 유사하게 가지치는 것으로 간주되는데, 이는 유체역학적인 흐름의 조건이 동일하기 때문이다. 이는 유체 흐름이 적절한 각도에서 두개의 상호 반대되는 방향을 나아가는 T자 모양의 브랜치에서 특히 그러하다.
본 발명은 유체 유입구에서 유체 배출구중 하나로 흐르는 각 부분 흐름을 위해 다수의 유체 채널을 가능한 한 대칭적인 방식으로 여러번 가지치기 함으로써, 중간 저장을 거치지 않고 유체 흐름을 위한 균일한 조건을 창출하고자 하는 것이다. 따라서 본 발명에 따르면, 각각 유사한 연속적인 채널이나 하부 채널로 안내하는 대칭적인 브랜치들이 사용되며, 이 브랜치들은 다시 필요한 숫자의 유체 배출구에 도달될 수 있는 충분한 가지치기가 이루어질 때까지 상응하는 방식으로 다시 연속적인 채널로 대칭적으로 가지치기 된다. 따라서, 채널에서 그에 이어지는 채널로 이행되는 포인트에서의 압력의 변화가 모든 브랜치에서 동일하며, 따라서 각 채널이나 이에 뒤따르는 채널에 부분 흐름이 머무르는 주기도 마찬가지로 동일하다.
채널들과 브랜치들이 동일 평면에서 형성되어 채널이나 브랜치, 그에 뒤따르는 채널이 평면 구조를 이루고 이로 인해 각 부분 흐름이 구불구불 해지도록(meandering) 하는 것이 바람직하다. 따라서, 채널, 브랜치, 그에 뒤따르는 채널들이 하나의 판에서 형성될 수 있는데, 특히 높은 열전도성을 가진 금속 재질의 판, 예컨대 알루미늄, 구리, 놋쇠나 강철 재질의 판에서 형성될 수 있다. 금속 판의 온도를 적절히 조절함으로써 개별 채널, 브랜치와 분출구에서의 균일 온도가 보증될 수 있다.
예를 들어, 채널은 유체 배출구과 유입구를 제외하고는 연결된 판에 의해 덮히고 밀봉된, 금속 판 내부에 홈 모양으로 형성될 수 있다. 이렇게 되면 개별 금속 파이프를 각기 유사한 위치에서 용접할 필요가 없으므로 채널들이 상대적으로 저렴 하게 생산될 수 있다.
따로따로 공급되고 분배될 필요가 있는 복수의 유체를 위한 유체 분배 장치의 경우, 예컨대 운반 기체와 반응 기체를 동반하거나 동반하지 않는 전구체 기체의 경우에, 하나의 금속판이 제1 유체의 분배를 위해 사용되고, 다른 유체의 분배를 위해서는 또 다른 금속판이 사용될 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 판의 채널들은 다른 판에 의해 덮힌다. 나아가, 금속판 모양인 제2 유체 분배 유니트의 채널들은 예컨대, 그에 이어지는 온도 조절 장치, 즉 온도 조절의 목적을 위해 내부에 온도 조절 채널이 형성된 온도 조절 장치를 그 위에 올려 놓음으로써 덮힐 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 예컨대 전구체 기체만 사용되거나 이와 함께 운반 기체 및 반응 기체가 사용되는 CVD 코팅 플랜트를 위해 이용 가능하면서 콤팩트한 구조를 가지는, 복수의 상이한 유체를 위한 유체 분배 장치의 생산이 가능하다.
채널들이 두개의 유사한 채널들로 나뉘는 구조의 경우, 2의 제곱 법칙에 따른 갯수, 예컨대 8, 16, 32 갯수의 유체 배출구를 갖는 유체 분배 유니트를 만드는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 유체 분배 유니트를 사용하면, 유체 공급 비율, 즉 유체 배출구 비율을 달리하는데 문제가 없다. 이는 공급률을 달리 할 경우 종래 수집 용기에서 발생할 수 있었던 원치 않는 효과는 발생되지 않고, 채널들과 이에 따르는 채널들 내의 유체 흐름의 속도가 이에 상응하게 증가되기 때문이다. 나아가, 채널들과 이에 따르는 채널을 통해 유체가 쉬지 않고 흐르므로, 분해 및 분리 효과를 피 할 수 있다.
각 채널을 따라 이루어지는 압력의 구배가 실질적으로 일정하게 유지되거나 채널들간의 흐름의 저항이 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 부분적으로 흐름의 저항이 높아서 유체 분배 유니트의 일부에서 이에 상응하게 압력이 급격히 떨어지는 일은 없을 것이다. 따라서 이런 방식으로, 유체가 유체 분배 유니트 내에 최소 시간 동안만 머무르는 균일한 분배 과정이 이루어진다.
복수의 유체를 위한 본 발명에 따른 유체 분배 유니트나 장치를 사용하여 모듈 구조, 바람직하게는 개별적으로 대체 가능한 판으로 이루어진 구조가 보장되는 유체 분배 장치를 얻을 수 있다.
이에 따라 특히, 예컨대 YBaCuO 고온의 초전도체를 위한 민감한 전구체가 사용되는 연속적인 과정에서 연속적인 CVD 코팅이 보증된다.
특히 바람직한 실시예에서는, 상이한 유체를 위한 유체 배출구는 교대 방식으로 인접 배치되며 바람직하게는 직선을 따라 배치되는 것이 좋다. 예컨대, 코팅 과정의 경우, 기술적으로 단순한 연속 과정으로 멀티 레이어가 생산될 수 있다. 예를 들어, 두개의 전구체 기체 판을 사용하여, 두개의 물질 성분으로부터 멀티 레이어 시스템이 계속해서 생산될 수 있다.
연속적으로 결합된 복수의 유체 분배 유니트를 채용함으로써, 즉 바람직하게는 복수의 판을 적절히 결합함으로써 하나의 유체를 분배하는 것도 어떤 경우에는 유용할 수 있다.
본 발명은 수개의 실시예와 이에 수반되는 도면을 사용하여 이하에서 보다 상세히 설명된다. 여기에서 각 도면은 다음과 같다.
도 1은 세개의 부분 구성요소로 이루어진 본 발명에 따른 유체 분배 장치의 일 실시예의 분해 평면도로 각 구성요소는 다음과 같이 도시된다.
도 1a는 제1 유체를 위한 본 발명에 따른 제1 유체 분배 유니트;
도 1b는 제1 유체를 위한 본 발명에 따른 제1 유체 분배 유니트;
도 1c는 온도 조절 장치;
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 겹쳐진, 즉 분해되지 않은 도면;
도 3은 도 1과 2에 도시된 실시예를 관통하는 길이 방향의 단면도;
도 4는 두개의 부분 구성요소들로 이루어진 본 발명에 따른 유체 분배 장치의 또 다른 실시예로서,
도 4a는 제1 유체를 위한 본 발명에 따른 또 다른 제1 유체 분배 유니트;
도 4b는 제2 유체를 위한 본 발명에 따른 또 다른 제2 유체 분배 유니트;
도 5는 본 발명에 따른 유체 분배 장치의 또 다른 실시예의 평면도;
도 6은 도 1과 3에 도시된 유체 분배 장치를 관통하는 일부 단면도;
도 7은 유체 배출구 근처의 도 1b에 도시된 유체 분배 유니트를 관통하는 도면상의 평면과 평행하는 단면의 확대도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 제1 유체 분배 유니트
11 상기 제1 유체 분배 유니트의 상부면
12 상기 제1 유체 분배 유니트의 하부면
13 상기 제1 유체 분배 유니트의 유체 유입구들
14 상기 제1 유체 분배 유니트의 유체 배출구
14q 상기 유체 배출구 단면의 확대
14z 도 4의 실시예에서의 별개의 유체 통로
15 상기 제1 유체 분배 유니트내의 채널들
15a 제1 채널
15b 제2 채널
15c 제3 채널
15d 제4 채널
15e 제5 채널
16 상기 제1 유체 분배 유니트내의 브랜치들
16a 제1 브랜치
16b 제2 브랜치
16c 제3 브랜치
16d 제4 브랜치
17 상기 제1 유체 분배 유니트내의 제2 유체를 위한 덕트
18 상기 제1 유체 분배 유니트내의 결합공들
19 상기 제1 유체 분배 유니트내의 센트링 보링들
20 제2 유체 분배 유니트
21 상기 제2 유체 분배 유니트의 상부면
22 상기 제2 유체 분배 유니트의 하부면
23 상기 제2 유체 분배 유니트의 유체 유입구
23z 도 4b의 실시예에서의 부가적인 유체 유입구
24 상기 제2 유체 분배 유니트의 유체 배출구들
24a 상기 유체 배출구들의 외부 영역
24b 상기 유체 배출구들의 내부 영역
24q 도 7의 센트링 노즈
24z 도 4b의 실시예에서의 부가적 유체 배출구
25 제2 유체 분배 유니트내의 채널들
25a 제1 채널
25b 제2 채널
25c 제3 채널
25d 제4 채널
25e 제5 채널
25z 도 4b의 실시예에서의 부가적 채널
26 상기 제2 유체 분배 유니트내의 채널의 브랜치들
26a 제1 브랜치
26b 제2 브랜치
26c 제3 브랜치
26d 제4 브랜치
27 덕트
27a 덕트 단부
27b 덕트의 축
28 상기 제2 유체 분배 유니트내의 결합공들
29 상기 제2 유체 분배 유니트내의 센트링 보링들
30 온도 조절 장치
31 상기 온도 조절 장치의 상부면
32 상기 온도 조절 장치의 하부면
33 온도 조절 채널 유입구들
34 온도 조절 채널 배출구들
35 온도 조절 채널들
38 상기 온도 조절 장치내의 결합공들
39 상기 온도 조절 장치내의 센트링 보링들
A1 상기 유체 분배 유니트의 길이 방향 축
A2 상기 유체 분배 유니트의 가로 방향 축
P1 제1 유체의 운동 방향을 가리키는 화살표
P2 제2 유체의 운동 방향을 가리키는 화살표
도 1에서, 본 발명에 따른 유체 분배 장치는 제1 유체를 분배하기 위한 제1 유체 분배 유니트(10), 제2 유체를 분배하기 위한 제2 유체 분배 유니트(20)와 동 장치에 냉각 또는 가열 수단을 공급하기 위한 온도 조절 장치(30)로 구성되어 있다. 이 세개의 요소들은 각기 판 형상을 하고 있으며 도 1a, 1b 1c에 개별적으로 도시된다. 실제예로서 또 본 발명의 입증된 실행예로서, CVD 코팅 플랜트를 위한 공급 장치가 선택된다. 그러나 이 장치가 본 발명의 채용 모드를 제한하는 것은 아니다. 우선, 이와 같은 코팅 플랜트내에 유체를 공급하기 위한 목적의 유체 분배 장치의 채용이 이하에서 설명된다:
CVD 코팅 플랜트에서는, 두개의 기체가 서로 분리되어 반응 챔버나 코팅 챔버 속으로 유입된다. 이 기체들 중 하나는 상대적으로 약하게 반응하거나 심지어 활성이 없는 운반 화합물과 선구적 화합물(전구체로 불리운다)로 구성된 혼합 기체이다. 다른 기체는 반응기체이다. 전구체와 반응 기체(공정 기체)가 서로 만나면, 반응하여 전구체 기체의 결합을 풀며, 이에 따라 다른 반응 산물과 다양한 다른 구성 요소들이 쓸려 나가는 반면, 전구체 기체는 즉시 기판 코팅에 사용된다.
따라서, 전구체는 자주 수소 화합물(예컨대 규산화 수소)이나 유기 화합물이며, 예컨대 고온의 초전도체와 같은 세라믹 물질의 경우에는 바륨-스트론튬-티탄산염이나 스트론튬-비스무트-탄탈염일 수도 있다. 전구체 기체는 코팅 되어야 하는 가열된 기판을 향한 기체 흐름속으로 안내된다. 전구체 내의 화합물은 800℃로 가열되는 기판과 만나 분해되어서, 예컨대 YBaCu와 같은 원하는 물질이 기판 위에 증착된다. 예컨대 세라믹 초전도체와 같은 것을 생산하기 위해서는, YBaCuO가 원하는 화학량론(stoichiometry)를 가진 퍼로브스카이트(perovskite) 구조로 전환되도록 코팅 챔버내에 수소의 적절한 부분압이 형성되어야 한다. 적절한 기체 흐름을 생산하기 위해, 운반 기체나 세척 기체가 예컨대 (다음의) 반응 파트너로서 산소나 원하는 코팅을 하기 위한 화학 반응에 참여하지 않는 기체를 포함하는 혼합 기체 내에서 운반될 수 있다. 이 혼합 기체는 본 발명에 따른 유체 분배 유니트 중 하나의 도움으로 분배될 수 있는 제1 유체를 의미한다.
전술한 바와 같이, 오직 하나의 유체만이 분배되어 하나의 유체 분배 유니트가 채용되는 실시예도 있을 수 있다. 예컨대, 전구체의 원하는 반응을 위해 800℃의 뜨거운 기판과 만나는 것으로 충분한 경우에 그러하다. 그러나 매우 많은 경우, 기판위에서 직접적으로 원하는 반응이 일어나기 전에 전구체와 접촉해서는 안되는 반응 기체가 더 채용될 것이며, 따라서 이 기체는 개별적으로 가능한한 균일하게 분배되어야 하며 전구체(즉, 여기서, 제1 유체) 근처에서 분해되어야 한다. 이 반응 또는 공정 기체는 혼합 기체일 수도 있고 심지어 액체일 수 있는데, 이것이 제2 유체를 이룬다. 실제에 있어 드물긴 하지만, 제3의 반응 파트너가 채용되어 이것이 유사한 방식으로 제3 유체(미도시)로서 분배되는 것도 상정될 수 있다.
도 1a의 제1 유체 분배 유니트(10)는 예컨대 알루미늄, 구리, 놋쇠, 철과 같은 금속으로 만들어진다. 이것은 판 형상을 가지며 상부면(11)과 하부면(12)으로 이루어진다. 유체 분배 유니트(10)의 상부면(11)이나 하부면(12)에 다양한 채널이나 브랜치들이 홈 형상으로 마련된다. 이 홈들은 추후에 밀링될 수 있으며, 판 제조 과정중에 미리 형성될 수도 있다.
이하에서는, 서술된 상부면(11)상의 구조의 형성을 다루게 되는데, 이 구조는 유체 공급 수단을 제외하고는 다시 판 형상의 구조에 의해 덮히게 되며, 이에 의해 외부로부터 단절되는 것이 가능해진다. 이에 대한 대안으로, 채널들과 브랜치들이 판 형상의 유체 분배 유니트(10)의 하부면(12)에 형성되어 제2 유체 분배 유니트(20)에 의해 덮히는 것도 가능하다.
제1 채널(15a)는 유체 분배 유니트(10)의 길이 방향의 중심에서 세로 방향을 향해 돌출된다. 제1 유체 분배 유니트(10)의 상부면(11)으로부터 유체의 공급, 즉, 서술된 예에서의 전구체의 공급이 이루어지면, 예컨대 관통공과 같은 유체 입구(13)가 채널 유입구(13)에 형성된다.
도 1a의 아랫부분에 도시된 바와 같이, 제1 채널(15a)은 T자 형상으로 적절한 각도에서 두개의 채널들(15b)로 나뉘는 제1 브랜치(16a)에서 종결된다. 각기 적절히 각진 커브를 거친 후, 두개의 제2 채널들(15b)이 각기 T자 모양의 제2 브랜치(16b)로 뻗어나가며, 이것들은 다시 두개의 즉, 합쳐서 네개의 제3 채널들(15c)이 된다. T자 모양의 적절히 각진 제3 브랜치(16c)를 거쳐 적절히 각진 커브를 거친 후, 제3 채널들(15c)은 제4 채널로 나아가는데, 이는 상응하는 방식으로 T자 모양의 적절히 각진 제4 브랜치(16d)를 거쳐 적절히 각진 제3 커브를 거친 후, 다시 제5 채널(15e)이 된다. 제5 채널들(15e)은 짧은 유로(path) 단부의 유체 배출구에서 종결된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 이에 의해, 유체 배출구들(14)은 제1 유체 분배 유니트(10)의 길이 방향 축을 형성하는 직선을 따라 뻗어나간다. 두개의 제1 채널들(15a)는 유사하다. 즉, 이들은 도 1a에 도시된 바와 같이, 가로 축(A2)에 대해 상호 대칭된다. 제3 채널들(15c)과 제4 채널들(15d)도 상호 유사하거나 대칭적으로 유사하다. 마찬가지로, 제5 채널들(15e)은 상호 유사하여, 채널 내부의 흐름은 단순히 방향만 다르게 흐른다. 따라서, 대칭 구조의 채널들이 마련되는 바, 이 구조는 제1 유체 분배 유니트(10)의 가로 축에 대해 거울 대칭인 것이 유리하며, 여기서 유체 유입구(13)로부터 유체 배출구(14)중 하나로 이어지는 각 연결로는 유사한 채널들(15)과 각각에 이어지는 채널들로 이루어지는데, 이어지는 각 채널들은 개별 경우에 있어 유사하다. 즉, 이들 개별 경우가 각각 상호 거울 대칭을 이룬다. 브랜치(16)는 각 부분 유로에서 유사하다. 즉, 이들은 흐름이 구부러지는 방향과 관련해서 상이할 뿐이다. 그러나, 도 1a에 도시된 평면도의 경우, 각 브랜치(16)에서, 좌향으로 갈라져 나가는 부분 흐름을 위해서나 이에 상응하여 우향으로 갈라지는 브랜치에 대해서나 동일한 조건의 흐름이 형성되는 것이 보증된다. 각 T자 형상의 브랜치(16)들을 향한 커브의 간격은 각 채널내에서 커브를 형성할 때 충분히 넓으며, 따라서 채널이 단면이 충분히 작은 바 브랜치(16)안으로 균일한 흐름이 유입되어 앞선 커브에 의해 소용돌이가 발생하지 않는다.
유체 유입구(13)에서 개별 유체 배출구(14)까지는 실제분리되는 거리보다 연결되는 거리가 상대적으로 긴데, 이는 각 연결로의 통일된 길이와 통일된 기하학적 구조를 보증하기 위해서이다. 그러나 본 발명에 따르면, 유체 흐름을 위한 전달로 길이가 늘어나도 이는 수용가능한데, 이는 각 연결에 있어 균일한 조건을 보증하기 위해서이다. 도 1a, 1b에 도시된 바와 같이, 유체 분배 유니트들(10, 20)에는 금속 판으로 된 채널들(15)가 형성되어 있으므로, 이 상대적으로 긴 유로를 지나면서도 정확한 온도 제어가 가능하며, 따라서 균일한 온도 설정도 가능하다. 본 발명에 따라 연속적인 채널 시스템이 형성되는 바, 채널 벽에 증착되는 것을 피할 수 있는 적합한 온도 제어가 보증되는데, 이 점에서 종래 기술에서 사용되는 중간 용기와 대비된다.
이에 의해 구불구불 굽이치는, 서로 얽힌 타입의 구조가 형성되는데, 이 구조가 4개의 브랜치를 갖는 바 24, 즉 16개의 배출구들(14)이 제1 유체, 즉 전구체 기체나 혼합 기체를 균일하게 공급할 수 있다. 도 1a에 의할때, 유체 배출구들(14)은 길이 방향의 축(A1)을 따라 균일하게 분포된다.
도 1b에서 인식되는 바와 같이, 제2 유체 분배 유니트(20)의 채널들도 유사한 방식으로 형성된다. 제2 유체(즉, 이하에서 논의되는 예에서 반응 혹은 공정 기체)를 유체 분배 유니트(20) 내의 유체 유입구(23)로 공급하는 것은 제1 유체 분배 유니트(10) 내의 덕트(17)에 의해 이루어진다. 이 채널들(25)에는 유체 출구(24)로 향하는 브랜치(26)가 마련되어 있다. 도 1a를 참조할 때, 전술된 구조에 상응하는 두개의 적절히 각진 커브를 지나, 제1 채널(25a)은 제1 브랜치(26)으로 나아간다. 제2 채널들(25b), T자 모양의 제2 브랜치(26b), 제3 채널(25c), T자 모양의 제3 브랜치(25c), 제4 채널(25d), T자 모양의 제4 브랜치(26d)와 제5 채널(25e)에 의해 유체 배출구들(24)로 각기 연결이 이루어진다.
유체 배출구들(24), 즉 두개의 유체의 결합방식에 대한 보다 자세한 도시와 설명은 이하에서 도 5와 연결지어서 행해진다.
제2 유체 분배 유니트(20) 아래에는 도 1c가 묘사하는바, 마찬가지로 판 형상으로서 상부면(31)과 하부면(32)을 가지며 온도 조절 수단, 즉 예컨대 물이나 기름과 같은 기체나 액체를 냉각하는 수단과/또는 가열하는 수단을 위한 온도 조절 채널들(35)이 마련된 온도 조절 장치(30)가 도시된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 두개의 온도 조절 채널들(35)에 온도 조절 수단을 공급하는 것은 대칭적으로, 즉 온도 조절 채널 입구(33)에 이르는 외부 선에 의해 이루어지며, 온도 조절 장치의 방전은 온도 조절 채널 입구들(33) 사이에 위치하는내부 온도 조절 채널 출구(34)에 의해 이루어지며, 역도 동일하다.
제2 유체 분배 유니트(20)의 채널들(25)과 브랜치들(26)은 도시 되지 않은 제1 유체 분배 유니트(10)의 하부면(12)에 의해 덮힌다. 만일, 이에 대한 대안으로 하부면(12)에 채널들이 형성되면, 제1 유체 분배 유니트(10)의 채널들은 제2 유체 분배 유니트(20)와 제2 유체 분배 유니트(20)의 채널들에 의해 덮히고, 제1 유체 분배 유니트(10)의 채널들은 온도 조절 장치(30)에 의해 덮히며, 나아가 온도 조절 장치(30)의 온도 조절 채널(35)의 커버링도 제공된다.
도 2의 투시도는 겹쳐놓는 방식으로, 서로서로에 대하여 상이한 채널들(15,25,35)의 경로를 보여준다. 상이한 유체 분배 유니트(10,20,30)를 위한 모듈 타입의 구성을 실질적으로 완화하는 포괄 중첩 구조가 이 도면으로 부터 쉽게 인지된다.
도 3에 따르면, 유체 분배 유니트들(10,20) 및 온도 조절 장치(30)의 판들은 일직선으로 정렬된 결합공들(18, 28, 38)을 통과해서 판으로 이어지는 볼트에 의해 결합된다. 배열을 중앙에 위치 시키기 위해 센트링 핀들이 센트링 구멍에 삽입될 수도 있다.
온도 조절 장치(30)의 하부면(32)은 절연, 복사의 반사를 위해 예컨대 은으로 된 층과 같은 것으로 코팅될 수 있다.
따라서 비교적 만들기 쉬운 금속판을 사용하는 모듈 구조가 마련되는데, 여기서 각 채널들(15,25,35)의 밀봉은 다른 모듈 유니트에 의해 이루어진다.
도 4에 도시된 다른 실시예에서는, 제1 유체 분배 유니트(10) (도4a)에 제1, 제2, 제3 브랜치들(15a,15b,15c)만이 마련되어, 제1 유체를 위해 단지 23, 즉 8개의 유체 배출구들(14)만이 유체 유입구(13)와 연결된다.
동일한 것이 제2 유체 분배 유니트(20)에도 적용된다(도 4b). 여기에서도, 제1, 제2, 제3 브랜치들(25a,25b,25c)만이 형성되어, 제2 유체를 위해 단지 23 ,즉 8개의 유체 배출구들(24)만이 유체 유입구(23)와 연결된다.
도 4a에는, 기타 유체, 예컨대 다른 전구체를 위한 별개의, 분배하지 않는 덕트가 도시되는데, 이 때 이 유체는 위로 부터 공급되어 바닥에서 방출된다. 나아가, 도 4b에서 도시되는 바와 같이, 개별 채널(25z)에 의해 특정 유체 유입구(23z)에 연결되는 기타의 유체 배출구(24z)가 공정 섹션의 시작이나 끝 부분에 마련된다. 이것은 상기 제1 유체 분배 유니트(10)로 부터 기체를 공급하는, 덕트(14z)와 매치되는 동축의 기체 공급 수단을 나타낸다. 이 CVD 플랜트내의 이 부가적 요소들(14z, 23z,24z, 25z)을 사용하여, 물질의 제2층이 그 아래에서 연속적으로 이동하는 벨트에 증착된다.
도 4b에 도시된 제2 유체 분배 유니트(20)의 유체 배출구들(24)은 고리 모양의 외부 영역(24a)을 포함하는데, 이 영역은 제1 유체를 위해 덕트들(27)이 관통하여 뻗어나가는 내부 영역(24b)을 둘러싸는 제2 유체 흐름을 형성하기 위한 것이다.
따라서 덕트들(27)은 제2 유체 분배 유니트(20)를 관통해 형성되며, 상기 덕트들(27)은 유체 배출구들(24)의 내부 영역들(24)내에 수용되어, 제1 유체 분배 유니트(10)에 의해 유체 배출구들(14)로 방출되어 이 덕트들(14)을 통해 제2 유체 분배 유니트(20)로 직접 유입되는 제1 유체를 방출한다. 외부 영역들(24a)은 제2 유체, 즉 예컨대 반응 기체를 방출하기 위해 쓰이는데, 이 제2 유체는 제1 유체, 즉 예컨대 전구체 기체 흐름과 별개로 외부 영역들로 유입된 것이다. 기판을 향하는 2개의 유체로 이루어진 기체 흐름이 형성되며, 이 유체들은 이런 움직임으로 인해 원하는 반응을 수행하고 이에 맞추어서 정확히 기판에서 종결될 수 있다.
도 5는 가능한 또 다른 유체 분배 유니트(10 또는 20)를 도시하는 바, 이 장치는 제1, 제2, 제3, 제4 이 브랜치(16)로 구성되며 따라서 24, 즉 16개의 유체가 균일하게 채워지는 유체 배출구를 갖게 된다.
도 6에 도시되는 확대된 세부에 따르면, 도 1a의 유체 분배 유니트(10)의 유체 배출구(14)와 이에 상응하는 다른 실시예들의 유체 배출구들(14)도 덕트(27)의 단부가 삽입되는 하부 단부에는 확대된 단면(14q)가 형성될 수 있다. 도 6에 의하면, 덕트(27)의 축(27b)은 유체 배출구(24)를 지나 뻗어나가서, 유체 배출구(24)의 외부 영역(24a)에만 제2 유체가 공급된다. 따라서, 제1 유체는 유체 배출구(14)를 위한 덕트(27) 옆의 내부 영역(24b)을 지나 아래 방향(도 6에 화살표 P1으로 도시된)으로 안내된다. 이에 반해, 제2 유체는 화살표 P2를 따라 제1 유체와 동축으로 그 외부로 안내된다.
도 7에는 유체 분배 유니트의 하부면(22) 상에 센트링 노즈(24q)를 마련함으로써 덕트(27)를 안정화하는 방법이 도시된다.
본 명세서에서 서술된 실시예들의 대안으로서, 평면상에 위치하는 Y자 모양의 브랜치들(16)이나 평면상에 위치하지 않는 브랜치들(16,26)도 사용될 수 있다. 이에 의해, 예컨대, 세개의 연속적인 채널을 사용하여 상부면(11,21)에서 하부면(12,22)으로 나아가는 각 유체 흐름을 도관으로 보낼 수 있다.
이런 방식으로, 단일 유체 유입구가 제곱, 세제곱에 해당되는 숫자(예컨대 2,3,4,6,8,12,16,18)의 유체 배출구로 분배될 수 있다.
전술한 바, 본 발명에 따르면 종래 기술과 관련하여, 이보다 개선된 유체 분배 유니트가 제공되며,나아가 따로따로 분배되어야 하는 복수의 유체를 위해 사용하기에 적합하며 가능한한 단순한 방식으로 구성되는 유체 분배 장치가 제공된 다. 따라서, 본 발명에 따른 유체 분배 유니트를 사용하면, 유체 공급 비율, 즉 유체 배출구 비율을 달리하는데 문제가 없다. 이는 공급률을 달리 할 경우 종래 수집 용기에서 발생할 수 있었던 원치 않는 효과는 발생되지 않고, 채널들과 이에 따르는 채널들 내의 유체 흐름의 속도가 이에 상응하게 증가되기 때문이다. 나아가, 채널들과 이에 따르는 채널을 통해 유체가 쉬지 않고 흐르므로, 분해 및 분리 효과를 피할 수 있다. 이는 특히, 전구체 기체만 사용되거나 이와 함께 운반 기체 및 반응 기체가 사용되는 CVD 코팅 플랜트를 위해 이용 가능하며 콤팩트한 구조를 가지는, 복수의 상이한 유체를 위한 유체 분배 장치의 생산이 가능하다.

Claims (24)

  1. 유체 흐름을 복수의 부분 흐름으로 나누고,
    상기 유체 흐름의 유입을 위한 최소한 하나의 유체 유입구(13,23)와
    상기 부분 흐름을 위한 복수의 유체 배출구(14,24) 및
    상기 유체 유입구(13,23)를 상기 유체 배출구(14,24)에 연결시키는 복수의 채널들을 포함하는 유체 분배 유니트(10,20)에 있어서,
    상기 채널들(15,25)은 각 브랜치들(16, 26)에 의해 이에 이어지는 채널(15b, 15c, 15d, 15e, 25b, 25c, 25d, 25e)로 대칭적으로 나뉘며.
    상기 유체 유입구(13,23)에서 상기 유체 배출구들(14,24) 중 하나로의 각각의 연결은 같은 수의 상기 브랜치들(16, 26)과 상기 이어지는 채널(15b, 15c, 15d, 15e, 25b, 25c, 25d, 25e)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널들(15,25)과 상기 브랜치들(16,26)은 한 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 채널들(15,25)과 상기 브랜치들(16,26)은 상기 유체 배출구(14,24)의 출구 방향에 수직한 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체 분배 유니트(10,20)는 판 형상으로, 하나 이상의 상기 유체 분배 유니트들(10, 20)에 상기 채널들(15,25)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유체 분배 유니트(10,20)는 금속으로 된 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 유체 분배 유니트(10,20)는 판 형상으로, 하나 이상의 상기 유체 분배 유니트들(10, 20)에 상기 채널들(15,25)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유체 분배 유니트(10,20)는 금속으로 된 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 채널들(15,25)은 판 형상의 유체 분배 유니트들(10,20) 중 하나의 하부면(12,22)이나 상부면(11,21)에 홈 형상으로 형성되고, 평평한 다른 인접 판 형상의 유체 분배 유니트(10,20) 또는 판 형상의 다른 장치(30)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 브랜치(16,26)내의 한 채널(15a, 15b, 15c, 15d, 25a, 25b, 25c, 25d)은 최소한 두개의 이어지는 채널들(15b, 15c, 15d, 15e, 25b, 25c, 25d, 25e)로 대칭적으로 갈라지는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널들(15, 25)은 직각으로 상기 브랜치들(16, 26)로 갈라지는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 채널들(15, 25)은 T자 모양으로 상기 브랜치들(16, 26)로 갈라지는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널들(15, 25)은 직선 부분이나 직각 커브를 포함하는 직선 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 배출구들(14, 24)은 직선상에 놓이는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 채널을 따른 압력의 구배가 ±20% 이하까지 변화하거나 또는 브랜치들(16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e) 간의 채널들(15b, 15c, 15d, 15e, 25b, 25c, 25d, 25e) 내의 흐름 저항이 ±20%이하까지 변화하는 것을 특징으로 하는 유체 분배 유니트.
  15. 하나 위에 다른 하나가 평평하게 겹쳐지는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 복수의 유체 분배 유니트(10,20)를 포함하는, 둘 이상의 상이한 유체를 따로따로 분배하기 위한 유체 분배 장치로서, 상기 유체들 중 하나는 상기 유체 분배 유니트들(10,20) 내로 분배되며 다른 유체 또는 다른 유체들은 분배되지 않고 별도의 덕트로 이송되는 것을 특징으로 유체 분배 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유체 배출구들(14, 24)의 중심이 서로 같은 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    냉각 및/또는 가열 목적의 온도 조절 장치(30)가 상기 하나 이상의 유체 분배 유니트들(10, 20) 아래에 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    냉각 및/또는 가열 목적의 온도 조절 장치(30)가 상기 하나 이상의 유체 분배 유니트들(10, 20) 아래에 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 온도 조절 장치(30)는 판 형상이며,
    상기 온도 조절 장치(30)의 하부면(32)에 복사 반사 층이 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복사 반사 층은 은으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 유체 분배 유니트들(10, 20)과 온도 조절 장치(30)는 수직으로 돌출된 결합 볼트를 수용하기 위해 일렬로 맞추어진 고정 홈들(18, 28, 38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  22. 제15항에 있어서,
    상이한 유체들을 위한 유체 배출구들(14, 24)이 교대로 서로 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상이한 유체들을 위한 유체 배출구들(14, 24)은 직선 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
  24. 제15항에 있어서,
    CVD 코팅 플랜트용 기체를 위한 공급 장치의 형태이며,
    최소한 하나의 전구체 기체와 필요한 하나의 운반 기체를 위해 최소한 하나의 유체 분배 유니트(10)가 마련되며,
    최소한 하나의 반응 기체를 위해 최소한 하나의 유체 분배 유니트(20)가 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 분배 장치.
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