KR101711396B1 - 반도체공정설비의 압력배관에 사용되는 역압방지밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백필어택현상이 감소된 반도체 공정 설비의 압력배관에 사용되는 역압방지밸브에 관한 것이다. 본 발명은 압력조절몸체의 내부에서 난류현상이 원활하게 발생하도록 하기 위해 오목하게 파인 함몰부를 갖는 제1압력보조격벽을 추가로 구비함으로써, 수평만입부에서 발생하는 난류가 다이어프램을 아래 방향으로 밀어내는 힘을 가하여 다이어프램의 오작동을 방지할 수 있는 반도체공정설비의 압력배관에 사용되는 역압방지밸브를 제공하고자 한다.
본 발명에 의하면, 공정제어기 및 엑츄에이터에 의한 작동시간 등으로 인한 밸브의 지연시간(Td)이 감소하므로, 백필어택현상에 노출되는 시간이 감소되어 파티클의 수를 감소시킬 수 있고, 오목하게 파인 함몰부를 갖는 제1압력보조격벽을 추가로 구비하여 수평만입부에서 난류현상이 더욱 활발히 발생하고, 난류가 다이어프램을 아래 방향으로 밀어내는 힘을 가하여 다이어프램의 오작동을 방지하는 효과가 있다.

Description

반도체공정설비의 압력배관에 사용되는 역압방지밸브{Valve for preventing Back Pressure of plumbing of semiconductor manufacturing process equipment}

본 발명은 역압방지밸브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공펌프와 반도체공정설비의 사이에 연결되어 반도체공정설비의 압력을 조절하는 압력배관에 사용되는 역압방지밸브에 관한 것이다.

도 1은 반도체 공정설비에서 압력배관과 역압방지밸브의 구조도이다.

일반적으로 반도체 공정은 진공상태 혹은 적절한 압력이 가해진 상태에서의 화학반응을 기초로 해서 수행된다. 따라서, 반도체 공정 설비(2)는 크린룸 외부에 연결된 압력배관(3)을 필요로 한다. 압력배관(3)은 진공펌프(1)와 반도체공정설비(2)사이에서 일정한 압력을 유지하는 배관이다. 압력배관(3)의 내부에서, 반도체공정설비에서 발생하는 압력을 나타내는 공정압력 F1 과 진공펌프(1)에 의해 임의로 발생된 펌프압력 F2 는 서로 평형을 이루거나 일정한 압력으로 음압 또는 양압된 상태를 유지하도록 설정된다.

역압방지밸브(4)는 상기 압력배관(3)의 내부에 원하지 않는 압력이 발생하였을 때, 상기 압력배관(3)을 폐쇄시킴으로써 반도체 공정 설비(2)를 보호하는 역할을 한다. 반도체 공정 설비 내의 재료 즉 웨이퍼 등을 원하지 않는 화학적 반응으로부터 보호하기 위함이다.

예를 들면, 공정압력 F1 과 펌프압력 F2 가 평형을 이루도록 해야하는 공정에서 즉 진공 공정에서, 진공펌프가 갑자기 고장이 난다면, 이 고장 여부를 공정제어기(5)가 감지하여 역압방지밸브(4)로 제어신호를 전송하고, 이 제어신호를 수신한 역압방지밸브는 액츄에이터등을 이용하여 압력배관(3)을 폐쇄시킨다.

그러나, 이러한 종래의 엑츄에이터 형식의 역압방지밸브는 도 2에 나타난 바와 같은 문제점을 가진다.

도 2는 도 1 의 환경에서 진공펌프의 고장시에 펌프의 고장발생시간과 밸브의 작동시간을 나타내는 그래프이다.

진공펌프(1)가 고장이 나면, 폄프의 무작동에 의해 여러 물리적 화학적 징후가 공정제어기(5)의 감지장치(미도시)에 의해 감지되고, 이 감지된 신호에 의해 생성된 제어신호는 역압방지밸브(4)로 전송된다. 역압방지밸브(4)는 제어신호의 수신에 의해 밸브의 엑츄에이터를 작동시키고, 밸브는 물리적으로 폐쇄된다.

이때 감지시간의 경과, 감지신호의 전달, 제어신호의 전달 및 엑츄에이터의 작동시간 등에 의해, 실제 진공펌프가 고장난 시간인 펌프고장시간 Tp 와 압력배관이 완전히 폐쇄되는 시간인 밸브폐쇄시간 Tv 의 사이에는 폐쇄지연시간 Td 가 발생할 수 밖에 없다. 이 폐쇄지연시간 Td 는 보통 1~3초 이며, 이 폐쇄지연시간동안 압력배관은 공정상 원하지 않는 압력상태로 유지되어 원하지 않는 개스(gas)가 반도체 공정 설비로 침투되는 이른바 백필어택현상(Back Fill attack)이 발생하고, 이 백필어택현상에 의해 반도체 공정 설비 내에 파티클이 증가하고, 그 결과 웨이퍼가 손상이 되어 수율이 감소된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 백필어택현상이 감소된 반도체 공정 설비의 압력배관에 사용되는 역압방지밸브를 제공하고자 한다.

나아가, 압력조절몸체의 내부에서 난류현상이 원활하게 발생하도록 하기 위해 오목하게 파인 함몰부를 갖는 제1압력보조격벽을 추가로 구비함으로써, 수평만입부에서 발생하는 난류가 다이어프램을 아래 방향으로 밀어내는 힘을 가하여 다이어프램의 오작동을 방지할 수 있는 반도체공정설비의 압력배관에 사용되는 역압방지밸브를 제공하고자 한다.

전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 진공펌프(1)와 반도체공정설비(2)의 사이에 연결되어 상기 반도체공정설비의 압력을 조절하는 압력배관(3)에 사용되는 역압방지밸브(100)에 있어서, 상기 압력배관의 상부단에 연결되는 원통형상의 부재로서, 연결부분이 밀폐성을 가지도록 나사체결구조를 가지는 상부밀폐체결부(12)를 포함하는 상부플렌지(10); 상기 압력배관의 하부단에 연결되는 원통형상의 부재로서, 연결부분이 밀폐성을 가지도록 나사체결구조를 가지는 하부밀폐체결부(22)를 포함하는 하부플렌지(20); 상기 상부플렌지와 하부플렌지의 사이에 위치하는 원통형상의 부재인 압력조절몸체(30); 및 원판형상의 부재로서, 상기 압력조절몸체(30)의 내측에서 상기 압력배관의 연장방향에 대해 수직방향으로 연장되어 위치하는 다이어프램(40)을 포함하고, 상기 압력조절몸체(30)는, 상기 압력조절몸체의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 상기 압력조절몸체의 상부말단에서 하부방향으로 연장되어 형성되고, 개구부형상의 제1압력조절공(322)을 포함하는 제1압력격벽(32); 상기 압력조절몸체의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 상기 압력조절몸체의 상부말단에서 하부방향으로 연장되어 형성되고, 상기 제1압력격벽(32)과 함께 개구부형상의 제1압력조절공(322)을 형성하며, 압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 난류현상(L4)이 발생하도록 내측면이 오목하게 파인 함몰부(332)를 형성하는 제1압력보조격벽(33); 상기 압력조절몸체의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 상기 제1압력격벽(32)의 하부말단으로부터 상기 압력조절몸체의 하부말단까지 연장되어 형성되고, 개구부형상의 제2압력조절공(342)을 포함하는 제2압력격벽(34); 및 상기 제1압력격벽(32)과 제2압력격벽(34)의 연결부분에서 상기 압력조절몸체의 내측 수평방향으로 돌출된 형상의 부재인 다이어프램스토퍼(36) 를 포함하고, 상기 다이어프램(40)은 상기 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)과 상기 압력조절몸체의 다이어프램스토퍼(36)의 사이에서 상기 압력배관의 압력의 크기에 따라 상기 압력배관의 연장방향과 동일한 방향으로 자유운동 하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1압력격벽(32)은 상기 압력조절몸체(30)의 측벽의 연장방향과 동일한 수직방향으로 연장되고, 상기 제2압력격벽(34)은 상기 제1압력격벽(32)의 하부말단에서 상기 압력조절몸체의 하부말단까지 연장될 때 하부방향으로 진행할수록 상기 제2압력격벽(34)의 직경이 증가되도록 경사지는 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제1압력격벽(32)의 제1압력조절공(322)의 전체 면적(S32)과 상기 제2압력격벽(34)의 제2압력조절공(342)의 전체 면적(S34)의 비율은 1:1.3 내지 1:2.0 인 것을 특징으로 한다.

상기 제1압력격벽(32)은 일정 간격으로 복수 개를 구비하고, 상기 제1압력보조격벽(33)은 제1 압력격벽(32)의 사이 마다 하나씩 복수 개를 구비하며, 제1압력보조격벽(33)의 위치에 대응하는 상부플렌지(10)의 하부단턱(14) 부위는 압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 난류현상(L4)이 발생하도록 저면이 오목하게 파인 함몰부(142)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1압력보조격벽(33)에 형성되는 함몰부(332)는 제1압력보조격벽(33) 내측면의 중앙 소정의 영역에 형성되며, 상기 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 형성되는 함몰부(142)는 제1압력보조격벽(33)의 상단부에서 소정의 거리만큼 떨어져 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 공정제어기 및 엑츄에이터에 의한 작동시간 등으로 인한 밸브의 지연시간(Td)이 감소하므로, 백필어택현상에 노출되는 시간이 감소되어 파티클의 수를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 수평만입부의 형성에 의해, 난류현상으로 인한 다이어프램의 오작동 문제가 감소된다. 구체적으로는, 오목하게 파인 함몰부를 갖는 제1압력보조격벽을 추가로 구비하여 수평만입부에서 난류현상이 더욱 활발히 발생하고, 난류가 다이어프램을 아래 방향으로 밀어내는 힘을 가하여 다이어프램의 오작동을 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1압력격벽의 수직으로의 연장방향 및 제2압력격벽의 경사진 연장방향의 구조에 의해, 다이어프램의 오작동이 방지되는 동시에 유체저항이 감소된다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1 및 제2압력조절공의 수평적 위치관계를 동일하게 함으로써 압력조절몸체내부의 유체저항이 감소된다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1 및 제2압력조절공의 합산면적관계를 한정함으로써, 압력조절몸체의 내부의 유체저항을 감소시키면서도, 난류현상으로 인한 압력조절몸체 외부의 유체저항을 감소시키는 최적의 범위를 한정할 수 있다.

도 1은 반도체 공정설비에서 압력배관과 역압방지밸브의 구조도이다.
도 2는 도 1 의 환경에서 진공펌프의 고장시에 펌프의 고장발생시간과 밸브의 작동시간을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 역압방지밸브가 설치된 반도체 공정 설비 전체의 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 역압방지밸브의 분해사시도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 압력조절몸체의 사시도 및 평면도이고, 도 5c 는 본 발명의 압력방지밸브의 측단면도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 동작도면으로서, 도 6a는 밸브개방시의 동작을 나타나고, 도 6b는 밸브폐쇄시의 동작을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 7c 는 본 발명의 효과를 나타내는 도면으로서, 도 7a 는 테스트환경을 나타내는 도면이고, 도 7b 는 종래와 본 발명의 파티클 측정양의 비교표이고, 도 7c 는 본 발명의 파티클의 양을 측정한 실험 결과의 촬상화면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 제1압력보조격벽의 사시도 및 측면도이고, 도 9c는 제1압력보조격벽에서 난류현상이 발생하는 모습을 보여주는 본 발명의 내부 구조를 부분 확대한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 역압방지밸브의 제1 및 제2압력격벽의 형상을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 다른 실시예에 따른 압력배관, 제1압력조절공, 제2압력조절공 및 압력배관을 통과하는 유로의 단면적 및 위치관계를 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 역압방지밸브가 설치된 반도체 공정 설비 전체의 구조도이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 역압방지밸브(100)는 반도체공정설비(2)와 진공펌프(1)의 사이에 연결된 압력배관(3)의 유로의 중간에 위치한다. 도 1과 상이하게, 본 발명에 따른 역압방지밸브(100)는 공정제어기(5)를 포함하지 않는다. 즉 압력배관(3)의 압력을 감지 및 측정하여 역압방지밸브(100)를 구동시키지 않는다. 또한 역압방지밸브(100)의 내부에는 별도의 엑츄에이터를 포함하지 않는다. 그러면서도, 압력배관내부의 공정압력 F1 과 펌프압력 F2 사이에 원하지 않는 상황이 발생할 경우에는 백필어택현상을 방지하는 구조가 설치되어 있다. 도 4는 이러한 구조를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 역압방지밸브의 분해사시도이고, 도 5a 및 5b는 본 발명의 압력조절몸체(30)의 사시도 및 평면도이고, 도 5c 는 본 발명의 압력방지밸브의 측단면도이다.

도 4에서, 본 발명에 따른 역압방지밸브(100)는 상부플렌지(10), 하부플렌지(20), 압력조절몸체(30) 및 다이어프램(40)을 포함한다.

상부플렌지(10)는 원통형상의 부재로서 압력배관(3)의 상부단에 연결된다. 상부플렌지(10)는 후술할 압력조절몸체(30)와의 연결부분이 밀폐성을 가지도록 나사체결구조를 가지는 상부밀폐체결부(12)를 포함한다. 상부플렌지(10)의 하부는 단턱형상의 하부단턱(14)이 형성되어 있다. 이에 의해 압력배관(3)은 후술할 압력조절몸체(30)에 연결된다.

하부플렌지(20)는 원통형상의 부재로서 압력배관(3)의 하부단에 연결된다. 하부플렌지(20)는 후술할 압력조절몸체(30)와의 연결부분이 밀폐성을 가지도록 나사체결구조를 가지는 하부밀폐체결부(22)를 포함한다.

압력조절몸체(30)는 원통형상의 부재로서 상부플렌지(10)와 하부플렌지(20)의 사이에 위치한다.

도 5a 및 5b 에 나타난 바와 같이, 압력조절몸체(30)는 제1압력격벽(32), 제1압력보조격벽(33), 제2압력격벽(34) 및 다이어프램스토퍼(36)를 포함한다.

제1압력격벽(32)은 압력조절몸체(30)의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치하는 격벽형상의 부재로서, 압력조절몸체(30)의 상부말단에서 하부방향으로 연장되어 형성된다. 제1압력격벽(32)에는 개구부형상의 제1압력조절공(322)이 수평방향으로 형성되어 있다.

도 5a 에서, 제1압력조절공(322)은 상부가 완전히 개방되어있는 형상이지만, 상부플렌지(10)와 결합시에는 상부가 닫히므로 개구부를 형성한다. 또한, 도 5a 의 실시예와 상이하게, 상부플렌지(10)와 결합하기 이전 상태에서 상부가 닫힌 형상 즉, 압력조절몸체내의 제1압력격벽(32) 및 제1압력보조격벽(33)의 상부가 완전히 닫힌 형상인 실시예도 가능하다.

제1압력보조격벽(33)은 압력조절몸체(30)의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 압력조절몸체(30)의 상부말단에서 하부방향으로 연장되어 형성된다. 제1압력격벽(32)과 함께 개구부형상의 제1압력조절공(322)을 형성하며, 압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 난류현상(L4)이 발생하도록 내측면이 오목하게 파인 함몰부(332)를 형성한다.

제1압력격벽(32)은 일정 간격으로 복수 개를 구비하고, 제1압력보조격벽(33)은 제1 압력격벽(32)의 사이 마다 하나씩 복수 개를 구비한다.

도 5a 및 도 5b를 참고하면, 동, 서, 남, 북 네 개의 지점에 제1압력격벽(32)이 구비되고, 그 사이에 제1압력보조격벽(33)이 네 개가 구비된 예를 볼 수 있다. 그러나 이는 실시예일뿐 이러한 형태에 한정되지 않는다. 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)의 사이에 개구부형상의 제1압력조절공(322)이 형성되는 것이다.

도 9a 내지 도 9c를 참고하면, 제1압력보조격벽(33)은 제1압력격벽(32)과 동일한 폭 및 높이를 가지나, 제1압력격벽(32)과 다른 점은 내측 가운데 부위에 오목하게 파인 함몰부(332)를 형성한다는 점이다.

도 9c를 참고하면, 제1압력보조격벽(33)의 위치에 대응하는 상부플렌지(10)의 하부단턱(14) 부위는 압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 난류현상(L4)이 발생하도록 저면이 오목하게 파인 함몰부(142)를 형성한다. 상부플렌지(10)의 하부단턱(14) 부위 중 제1압력보조격벽(33)의 위치에 대응하는 위치에만 함몰부(142)가 형성된다.

압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 수평만입부(710)에서 유체의 방향이 수직으로 꺾일 때 1차적으로 제1압력보조격벽(33)에 형성된 함몰부(332)에 의해 난류현상(L4)이 원활하게 발생하며, 2차적으로 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 형성된 함몰부(142)에 의해 난류현상(L4)이 더욱 활발하게 발생하게 되는 것이다.

물론, 이러한 난류현상(L4)은 제1압력보조격벽(33)외에 제1압력격벽(32)에서도 발생할 수 있다. 난류현상(L4)이 발생함과 동시에 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)에 의해 형성된 제1압력조절공(322)을 통하여 유체(L2)가 흘러가며 제2압력격벽(34)에 형성된 제2압력조절공(342)을 통해 다음 유체(L3)로 흘러가는 것이다.

수평만입부(710)에서 난류현상(L4)이 활발하게 발생하도록 하는 이유는 다음과 같다. 도 6a 및 도 8을 참고하면, 펌프압력 F2 가 정상적으로 작동할 때 펌프압력 F2 > 공정압력 F1 이므로, 다이어프램(40)은 다이어프램스토퍼(36)에 접촉된다. 즉 펌프압력의 영향을 받아 진공펌프(1)의 방향으로 하강하여 다이어프램스토퍼(36)에서 멈춘 상태로 유지된다. 이때 수평만입부(710)에서 활발하게 형성되는 난류현상(L4)이 다이어프램(40)을 아래방향으로 미는 힘을 가하게 됨으로써, 다이어프램(40)의 오작동을 방지할 수 있다. 하기에서 도 8을 참고하여 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.

제1압력보조격벽(33)에 형성되는 함몰부(332)는 제1압력보조격벽(33) 내측면의 중앙 소정의 영역에 형성되며, 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 형성되는 함몰부(142)는 제1압력보조격벽(33)의 상단부에서 소정의 거리(d)만큼 떨어져 형성된다.

도 9a 내지 도 9c를 참고하면, 제1압력보조격벽(33)에 형성되는 함몰부(332)는 제1압력보조격벽(33)의 하단이나 상단의 어느쪽에 치우치지 않고 중앙 소정의 영역에 형성되어야 난류현상(L4)이 원활하게 발생할 뿐만 아니라, 다이어프램(40)이 하강하여 다이어프램스토퍼(36)에서 멈춘 상태로 유지될 때나 다이어프램(40)이 상승하여 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 멈춘 상태로 유지될 때 다이어프램(40)이 오작동하는 것을 방지할 수 있다.

예를 들어, 함몰부(332)가 제1압력보조격벽(33)의 상단부에 치우쳐서 형성되면, 다이어프램(40)이 상승하여 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 밀착될 때 유체가 다이어프램(14)의 측면 틈을 통하여 미세하게 새는 문제가 발생하기 때문이다. 따라서, 함몰부(332)는 제1압력보조격벽(33)의 중앙 소정의 영역에 형성되고, 상단부나 하단부는 매끄러운 면을 형성하도록 한다.

상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 형성되는 함몰부(142)의 경우도 마찬가지이다. 함몰부(142)가 제1압력보조격벽(33)의 상단부에서 소정의 거리(d)만큼 떨어져 형성되어야 난류현상(L4)이 원활하게 발생할 뿐만 아니라, 다이어프램(40)이 상승하여 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 밀착될 때 유체가 다이어프램(14)의 측면 틈을 통하여 미세하게 새는 문제를 방지할 수가 있다.

제1압력격벽(32)에 의해서도 난류현상(L4)은 발생한다. 그러나 제1압력격벽(32)은 압력조절몸체(30) 내에서 압력(F1, F2)의 영향에 따라 다이어프램(40)이 상승 운동하거나 하강 운동시 신속하고 정확한 이동을 가이드하는 역할을 해야 한다. 이와 같은 가이드 역할을 위해서는 내측면에 제1압력보조격벽(33)과 같이 함몰부(332)를 형성하지 않고 평평한 면을 형성하는 것이 필요하다.

제2압력격벽(34)은 압력조절몸체(30)의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 제1압력격벽(32)의 하부말단으로부터 압력조절몸체(30)의 하부말단까지 연장되어 형성되어 있다. 제2압력격벽(34)은 개구부형상의 제2압력조절공(342)이 형성되어 있고, 이는 제1압력조절공(322)을 통해 압력배관(3)에 관통된다.

다이어프램스토퍼(36)는 제1압력격벽(32)과 제2압력격벽(34)의 연결부분에서 압력조절몸체(30)의 내측 수평방향으로 돌출된 형상의 부재이다.

다이어프램(40)은 원판형상의 부재로서, 압력조절몸체(30)의 내측에서 압력배관(3)의 연장방향에 대해 수직방향으로 연장되어 위치한다. 다이어프램(40)의 직경(도 8의 R4)은 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)의 내경(R1) 및 다이어프램스토퍼(36)의 내경보다 크고, 압력조절몸체(30)의 제1압력격벽(32)의 내경(R31)보다 작다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 동작도면으로서, 도 6a는 밸브개방시의 동작을 나타나고, 도 6b는 밸브폐쇄시의 동작을 나타내는 도면이다.

도 6a 에서, 펌프압력 F2 는 정상적으로 작동중이다. 이 경우, 정상상태에서 펌프압력 F2 는 공정압력 F1 보다 크게 설정되어 있으며, 이 상태에서 반도체 공정 설비 예를 들면 공정챔버는 클린룸의 내부에서 소정의 압력을 유지하도록 설계되어 있다. 이 상태에서는 압력배관내부에서는 공정가스가 위에서 아래의 화살표 방향 즉 공정설비에서 진공펌프의 방향으로 흐르도록 설계되어 있다.

이 상태에서, 펌프압력 F2 > 공정압력 F1 이므로, 다이어프램(40)은 다이어프램스토퍼(36)에 접촉된다. 즉 펌프압력의 영향을 받아 진공펌프(1)의 방향으로 하강하여 다이어프램스토퍼(36)에서 멈춘 상태로 유지된다.

이렇게 되면, 상부플렌지(10)와 압력조절몸체(30)는 서로 관통하게 된다. 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)에 의해서 형성되는 제1압력조절공(322)이 개방되기 때문이다. 또한, 다이어프램(40)의 이동과 무관하게 제1압력조절공(322)과 제2압력조절공(342)은 압력조절공간(38)을 통해 관통되어 있으므로, 압력조절몸체(30)와 하부플렌지(20)는 관통된다. 결과적으로 압력배관의 상부->상부플렌지->압력조절몸체->하부플렌지->압력배관하부의 유로는 관통된 상태가 된다.

도 6b 에서, 펌프압력 F2 는 비정상적으로 작동중이다. 예를 들면, 진공펌프의 고장으로 인해 펌프압력 F2 가 정상압력보다 작거나 극단적인 경우 0 이다.

이 상태에서, 펌프압력 F2 < 공정압력 F1 이므로, 다이어프램(40)은 다이어프램스토퍼(36)가 아니라 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 접촉된다. 즉 공정압력의 영향을 받아 공정설비의 방향으로 상승하여 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 멈춘 상태로 유지된다.

이렇게 되면, 상부플렌지(10)와 압력조절몸체(30)는 서로 관통하지 않는다. 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)의 제1압력조절공(322)이 폐쇄되기 때문이다. 제1압력조절공(322)와 제2압력조절공(342)은 압력조절공간(38)을 통해 관통되어 있지만, 제1압력조절공(322)의 이전에 이미 폐쇄되어 있으므로, 압력조절몸체(30)와 하부플렌지(20)는 관통되지 못한다. 결과적으로 압력배관의 상부->상부플렌지->압력조절몸체->하부플렌지->압력배관하부의 유로는 관통되지 못한 상태가 된다. 즉 공정가스가 공정설비에서 진공펌프방향으로 하부방향으로 흐르지 못한다.

도 6b 의 하부에 표시된 화살표는 진공펌프의 펌프압력 F2가 0 이 아니고 정상압력보다 작을 경우 진공펌프(1)에 의한 유체의 이동을 나타낸다. 만약 진공펌프(1)의 펌프압력 F2 가 완전히 0이라면 이러한 흐름은 발생하지 않는다. 또한 여기서 펌프압력의 정상압력은 다이어프램(40)을 하강시킬 수 있을 정도의 압력을 말하고, 배관의 크기, 다이어프램(40)의 규격, 공정압력의 크기 등에 기초하여 사용자환경에서 결정된다. 펌프압력 F2 가 비정상이라는 것은 이 정상압력보다 작다는 의미이다.

본 발명에 의하면, 백필어택현상의 노출시간이 감소되어 파티클발생이 감소된다. 도 6b 에 나타난 바와 같이, 펌프압력 F2 가 비정상적이 되면, 다이어프램(40)은 상부플렌지의 하부단턱(14)으로 이동하여 압력배관의 유로는 폐쇄된다. 도 1의 종래의 역압방지밸브(4)와의 차이점은 공정제어기(5)의 지연시간 및 엑츄에이터의 지연시간이 발생하지 않는다는 것이다.

즉 공정배관내의 압력을 측정하는데 걸리는 시간, 이 압력이 소정의 기준압력보다 작은지 큰지를 비교하는데 걸리는 시간, 이 압력이 비정상이라고 판단하였다면 이 사실을 전기적 신호로 만들어 역압방지밸브(100)에 전달하는 시간 및 역압방지밸브(100)에서 엑츄에이터를 작동시키는 시간 등이 필요하지 않다. 특히 엑츄에이터의 작동시간 및 압력측정시간은 기계적인 작동 및 소정의 임계치 경과를 기다리는 물리적 작동을 요구하므로, 많은 시간을 필요로 한다. 종래의 업계의 일반적인 환경에서, 이러한 시간은 1~3초정도 걸리는 것으로 파악되고 있다.

본 발명에서는 이 두 가지 지연시간이 전혀 발생하지 않는다. 대신 다이어프램(40)이 움직이는 시간이 발생할 뿐이다. 더욱이 다이어프램(40)의 무게는 20~40g 정도로 매우 작으므로 이조차도 기계적 지연이 거의 발생하지 않는다. 본 출원인의 시험결과, 종래의 지연시간(Td, 도 1 참조)이 1.0초 내지 3.0초인 것에 반해, 본 발명의 지연시간은 0.4 내지 0.9 초로 측정되었으며, 이는 종래 지연시간의 약 30%~40% 에 해당하는 시간이며, 백필어택현상으로의 노출시간이 3배 정도 감소하였음을 의미한다.

도 7a 내지 7c 는 본 발명의 효과를 나타내는 도면으로서, 도 7a 는 테스트환경을 나타내는 도면이고, 도 7b 는 종래와 본 발명의 파티클 측정양의 비교표이고, 도 7c 는 본 발명의 파티클의 양을 측정한 실험 결과의 촬상화면이다.

도 6a 및 6b에 나타난 본 발명의 구조에 의해 발생한 지연시간의 감소는 진공펌프의 비정상발생시에 공정설비로 인입되는 파티클의 양을 감소시킨다. 이는 백필어택현상에 의해 역류하는 파티클의 흐름에 대한 노출시간이 감소하기 때문이다.

본 출원인은 동일한 환경하에서 도 1에 나타난 종래의 역압방지밸브와 본 발명의 역압방지밸브의 파티클 양을 비교하는 실험을 행하였다.

도 7a 는 본 비교실험에서 사용된 실험환경을 나타낸다. 도 7a 에 나타난 바와 같이, 본 실험은 반도체 공정 단계 중에서 증착공정(deposit step)에 사용되었으며, 특히 증온과정->가스투입과정->감온과정 중에서 15 파스칼의 압력하에서 DCS 공정가스의 투입과정에서 진공펌프를 강제로 중지시킨 후(즉 해당공정 1시간경과후)에 해당 웨이퍼의 샘플에 대한 파티클을 측정하였다.

측정한 파티클은 웨이퍼 스택(stack)에서 상부, 중부 및 하부의 웨이퍼 샘플에서 채취하였으며, 도 7b 및 7c 는 이 중 중부(스택의 중간부분)에서 채취한 웨이퍼에서의 파티클의 양 및 측정 소프트웨어의 촬상화면을 나타낸다.

도 7b에 나타난 바와 같이, 종래의 환경에서 측정된 파티클의 수는 10,000개 이상이 측정되었으며, 본 발명의 역압방지밸브(표에서 vacumm guard 라고 표시된 제품)가 설치된 후에는 파티클의 양이 25개 미만으로 감소하였음을 알 수 있다. 도 7c는 이 때 사용된 측정 소프트웨어에서 파티클을 직접 촬상한 화면을 나타내고, 이 촬상화면에 의하면 화면내의 점의 개수가 25개 미만임이 도시되어 있다.

더욱이, 도 7b에 나타난 바와 같이, 실험 환경에서 종래의 환경에서는 측정대상으로서 파티클을 0.13마이크로미터이하의 입자로 정의한 반면, 본 발명의 환경에서는 0.065마이크로미터이하의 입자까지도 파티클로 정의한 것이므로, 파티클의 정의를 동일하게 한다면, 파티클의 감소 효과는 더욱 더 증가할 것이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 내부 구조를 나타내는 도면이다.

도 8의 실시예에서, 본 발명은 수평만입부(710)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

수평만입부(710)는 다이어프램스토퍼(36)와 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)사이에 만입된 형상의 부재를 나타낸다. 수평만입부(710)는 압력조절몸체(30)의 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)의 직경이 압력배관(3)의 직경보다 크게 형성됨으로써 형성된다. 만입된 형상이 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)에 의해 형성되기 때문이다. 이에 의해, 압력배관(3)의 유로의 진행방향에서 보았을 때 압력조절몸체(30)의 유로의 면적이 압력배관(3)의 유로의 면적보다 확대된다.

본 실시예에 의하면, 역압방지밸브(100)의 개방시에 다이어프램(40)의 오작동이 방지된다. 다이어프램(40)은 신속하게 상하로 움직일 것이 필요하므로, 작은 무게를 가질 것이 필요하다. 그러나 너무 작은 무게를 가지면, 유체의 난류현상에 의해 원하지 않는 방향으로 움직이기 쉽고, 이에 의해 다이어프램(40)이 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 붙을 수도 있다. 이는 밸브가 폐쇄되는 오작동을 일으킨다.

본 실시예에서는 인위적으로 이러한 난류를 위한 공간을 제공해둠으로써 이러한 오작동이 일어날 확률을 감소시킨다. 도 8에서 압력배관(3)에서 인입된 유체 L1 은 제1압력격벽(32)과 제1압력보조격벽(33)에 형성된 제1압력조절공(322)에 의해 유체 L2 로 흘러가도록 유도된 후 제2압력격벽(34)에 형성된 제2압력조절공(342)에 의해 다음 유체 L3 로 흘러가도록 유도된다. 유체가 방향이 변하게 되면, 난류현상이 발생하기 쉽다(L4, 현재 수직방향에서 수평방향으로의 새로운 유체이동이 생김). 그러나 본 실시예에서는 수평만입부(710)가 형성되어 있으므로 이 난류현상은 만입된 형상의 내부에서만 일어나도록 유도되어 있다. 그런데 이 난류현상은 상하부의 폐쇄된 공간에서 일어나므로 다이어프램(40)을 상부로 이동시키는 힘에는 가해지지 않는다. 오히려 다이어프램(40)을 아래방향으로 밀어내는 힘을 가한다. 그 결과 유체의 방향전환에 의한 불규칙한 난류현상은 다이어프램(40)의 물리적 이동을 오히려 방지하는 역할을 한다. 즉 수평만입부(710)의 형성에 의해 다이어프램(40)의 오작동이 방지된다.

유로의 면적면에서 다시 한번 살펴본다. 압력배관->상부플렌지->압력조절몸체->하부플렌지->압력배관의 유로에서, 수평만입부(710)의 형성에 의해 유로는 압력조절몸체구간에서 유로의 면적이 확대되는 효과를 가져온다(R1->R31, R32->R1). 이 압력조절몸체(30) 구간은 유체의 방향이 일시적으로 변하는 공간이다. 유체의 방향이 변하는 공간에서 유로의 면적을 증가시킴으로써 난류현상의 강도를 감소시킬 수 있다. 특히 수평만입부(710)는 상하부가 제한된 공간이고 지금 문제되는 것은 다이어프램(40)의 수직운동이므로 수평만입부(710)는 수직방향으로의 난류현상의 세기를 제한시키는데 유효하게 작용한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 역압방지밸브의 제1 및 제2압력격벽의 형상을 나타내는 도면이다.

본 실시예에서, 도 10에 나타난 바와 같이, 제1압력격벽(32)은 압력조절몸체(30)의 측벽의 연장방향과 동일하게 수평방향으로 연장되고, 제2압력격벽(34)은 제1압력격벽(32)의 하부말단에서 압력조절몸체(30)의 하부말단까지 연장될 때 하부방향으로 진행할수록 제2압력격벽(34)의 직경이 증가되도록 경사지는 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 의하면, 다이어프램(40)의 불필요한 이동을 방지하면서도 유체저항이 감소되어 원활한 유체흐름을 달성할 수 있다.

도 10에서, 압력조절몸체(30)에 입력된 유체(Pin)는 처음의 진행방향인 수직방향의 말단에 다이어프램(40)이 저항으로 작용하고(P2) 측면에 형성된 제1압력조절공(322)에 새로운 유체방향이 형성된다(P1). 이때 유체는 빈 공간으로 진행하는 속성이 있으므로, 대부분의 유체는 P1으로 흘러가지만, 원래 유체방향의 관성에 의해 일부가 다이어프램(40)을 미는 방향으로 작용한다. 이에 의해, 다이어프램(40)은 작게나마 미는 힘을 받게되고, 밸브의 개방모드시에 다이어프램(40)이 오작동하는 위험이 줄어든다. 만약 제1압력격벽(32)이 수직으로 형성되어 있지 않고 수평방향이거나 경사지도록 형성되어 있었다면, 유체 Pin 이 P1 과 P2 로 나누어지는 유체저항은 감소되어 원활해지겠지만, 다이어프램(40)의 오작동의 위험이 있다. 따라서 첫번째 유로의 관문인 제1압력조절공(322)은 수평방향으로 즉 제1압력격벽(32)은 수직방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

도 10은 제1압력격벽(32)에 대해서만 설명하고 있으나, 제1압력보조격벽(33)의 경우도 동일하다. 다만, 제1압력보조격벽(33)의 하부말단에는 제2압력격벽(34)이 연장 형성되지 않는 차이가 있다.

이에 반해, 두번째 유체관문이 제2압력격벽(34)은 경사진 방향이다. 이는 다이어프램스토퍼(36) 및 분리된 유체흐름 P2 에 의해 다이어프램(40)은 이미 정지된 상태로 유지되고 있으므로, 다음의 유체인 P3 의 흐름은 다이어프램(40)의 오작동과는 관계가 없기 때문에, 유체저항을 위한 설계만 하면 되기 때문이다. 따라서, 제2압력조절공(342)은 가능한한 나중에 빠져나가게 될 유체의 방향인 수직방향에 가깝게되도록 형성시켜주는 것이 바람직하다. 따라서 본 실시예에서는 제2압력격벽(342)의 연장방향을 경사진 방향 특히 하부로 진행할수록 제2압력격벽(342)의 직경이 증가되도록 경사진 방향으로 형성함으로써, 유체저항을 감소시켰다(P3). 즉 본 실시예에서는 다이어프램(40)의 위치를 경계로 하여 첫번째 유로에서는 다이어프램(40)의 오작동 방지를 위한 구조를 채택하고, 두번째 유로에서는 유체저항감소를 위한 구조를 채택함으로써, 이원적 구조를 채택함으로써 유체와 밸브구조의 트레이드오프관계의 효율성을 최대한 증가시켰다.

도 11은 본 발명에 다른 실시예에 따른 압력배관, 제1압력조절공, 제2압력조절공 및 압력배관을 통과하는 유로의 단면적 및 위치관계를 나타내는 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에서는 제1 및 제2압력조절공의 위치 및 면적관계를 한정하다.

우선 본 발명의 일 실시예에서, 도 11에 나타난 바와 같이, 평면방향에서 보았을 때, 제1압력격벽(32)의 제1압력조절공(322)의 위치와 제2압력격벽(34)의 제2압력조절공(342)의 위치는 동일한 것을 특징으로 한다. 구체적으로는, 제1압력조절공(322)의 네 개의 경계위치(P11, P13, P15, P17)는 제2압력조절공(342)의 경계위치((P21 내지 P24)와 동일한 것을 특징으로 한다. 제1압력격벽(32)과 제2압력격벽(34)의 위치가 동일하기 때문이다. 그러나 제1압력조절공(322)은 제1압력보조격벽(33)에 의해 형성되는 네 개의 경계(P12, P14, P16, P18)를 추가로 포함한다. 이와 같은 구조로 인해서 제1압력조절공(322) 보다 제2압력조절공(342)의 전체 면적이 더 크게 형성된다.

본 실시예에 의하면, 압력조절몸체내부에서의 유체저항이 감소한다. 지금까지 제1압력조절공(322) 및 제2압력조절공(342)은 유체의 방향과 일치하는 수직방향의 구조만 한정하였는데, 유로의 진행면에서보면 수평방향의 관계도 유체저항과 밀접한 관계를 가진다. 본 실시예에서는, 제1압력조절공(322)과 제2압력조절공(342)의 위치를 동일하게 함으로써 제1압력조절공(322)을 통과한 유체가 제2압력조절공(342)을 통과할 때 유체저항이 최소화되도록 하였다.

본 발명의 일 실시예에서, 제1압력조절공(322)의 합산면적(S32)과 제2압력조절공(342)의 합산면적(S34)의 비율이 1:1.3 내지 1:2.0 인 것이 바람직하다. 이 전 실시예에서, 제2압력조절공(342)의 합산면적이 너무 크다면, 제2압력조절공(342)을 지나온 후의 유체의 흐름(도 8의 L3)이 가지는 방향성이 감쇠되어 난류현상이 발생하기 쉽다. 이 난류현상은 제2압력조절공(342)을 통과하는 다음의 유체흐름에 유체저항으로 작용하여 제2압력조절공(342)을 제1압력조절공(322)보다 크게 한 것에 대한 효과에 반작용으로 작용한다. 즉 오히려 방향성이 감소되어 유체저항이 증가할 수도 있다.

본 실시예에서는, 이러한 반작용을 감소시키기 위하여 제1압력조절공(322)의 면적과 제2압력조절공(342)의 면적의 최대값을 제한하였다. 본 출원인의 실험결과, 제2압력조절공(342)의 합산면적이 제1압력조절공(322)의 합산면적의 1.3배 내지 2.0배 일 때, 압력조절몸체(30)를 통과한 유체의 유속이 최대범위를 나타내었다. 이 비율보다 작으면 압력조절몸체내부의 구조적 유체저항이 증가하며, 이보다 크면 압력조절몸체(30) 외부에서 발생하는 난류현상으로 인해 역시 전체적인 유체저항이 증가하였다. 즉 본 실시예에 의하면, 제1압력조절공(322) 및 제2압력조절공(342)의 면적의 적절한 비율을 통해 압력조절몸체(30) 내외부의 유체저항을 최소화시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 진공펌프 2: 반도체공정설비
3: 압력배관 10: 상부플렌지
14: 하부단턱 20: 하부플렌지
30: 압력조절몸체 32: 제1압력격벽
322: 제1압력조절공 33: 제1압력보조격벽
34: 제2압력격벽 342: 제2압력조절공
36: 다이어프램스토퍼 38: 압력조절공간
40: 다이어프램 100: 역압방지밸브
142, 332: 함몰부 710: 수평만입부

Claims (5)

1. 진공펌프(1)와 반도체공정설비(2)의 사이에 연결되어 상기 반도체공정설비의 압력을 조절하는 압력배관(3)에 사용되는 역압방지밸브(100)에 있어서,
   상기 압력배관의 상부단에 연결되는 원통형상의 부재로서, 연결부분이 밀폐성을 가지도록 나사체결구조를 가지는 상부밀폐체결부(12)를 포함하는 상부플렌지(10);
   상기 압력배관의 하부단에 연결되는 원통형상의 부재로서, 연결부분이 밀폐성을 가지도록 나사체결구조를 가지는 하부밀폐체결부(22)를 포함하는 하부플렌지(20);
   상기 상부플렌지와 하부플렌지의 사이에 위치하는 원통형상의 부재인 압력조절몸체(30); 및
   원판형상의 부재로서, 상기 압력조절몸체(30)의 내측에서 상기 압력배관의 연장방향에 대해 수직방향으로 연장되어 위치하는 다이어프램(40)을 포함하고,
   상기 압력조절몸체(30)는,
   상기 압력조절몸체의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 상기 압력조절몸체의 상부말단에서 하부방향으로 연장되어 형성되고, 개구부형상의 제1압력조절공(322)을 포함하는 제1압력격벽(32);
   상기 압력조절몸체의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 상기 압력조절몸체의 상부말단에서 하부방향으로 연장되어 형성되고, 상기 제1압력격벽(32)과 함께 개구부형상의 제1압력조절공(322)을 형성하며, 압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 난류현상(L4)이 발생하도록 내측면이 오목하게 파인 함몰부(332)를 형성하는 제1압력보조격벽(33);
   상기 압력조절몸체의 측벽으로부터 내측으로 이격되어 위치한 격벽형상의 부재로서, 상기 제1압력격벽(32)의 하부말단으로부터 상기 압력조절몸체의 하부말단까지 연장되어 형성되고, 개구부형상의 제2압력조절공(342)을 포함하는 제2압력격벽(34); 및
   상기 제1압력격벽(32)과 제2압력격벽(34)의 연결부분에서 상기 압력조절몸체의 내측 수평방향으로 돌출된 형상의 부재인 다이어프램스토퍼(36) 를 포함하고,상기 다이어프램(40)은 상기 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)과 상기 압력조절몸체의 다이어프램스토퍼(36)의 사이에서 상기 압력배관의 압력의 크기에 따라 상기 압력배관의 연장방향과 동일한 방향으로 자유운동하는 것을 특징으로 하는 반도체공정설비의 압력배관용 역압방지밸브.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1압력격벽(32)은 상기 압력조절몸체(30)의 측벽의 연장방향과 동일한 수직방향으로 연장되고,
   상기 제2압력격벽(34)은 상기 제1압력격벽(32)의 하부말단에서 상기 압력조절몸체의 하부말단까지 연장될 때 하부방향으로 진행할수록 상기 제2압력격벽(34)의 직경이 증가되도록 경사지는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체공정설비의 압력배관용 역압방지밸브.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1압력격벽(32)의 제1압력조절공(322)의 전체 면적(S32)과 상기 제2압력격벽(34)의 제2압력조절공(342)의 전체 면적(S34)의 비율은 1:1.3 내지 1:2.0 인 것을 특징으로 하는 반도체공정설비의 압력배관용 역압방지밸브.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1압력격벽(32)은 일정 간격으로 복수 개를 구비하고, 상기 제1압력보조격벽(33)은 제1 압력격벽(32)의 사이 마다 하나씩 복수 개를 구비하며,
   제1압력보조격벽(33)의 위치에 대응하는 상부플렌지(10)의 하부단턱(14) 부위는 압력배관(3)에서 인입된 유체(L1)가 난류현상(L4)이 발생하도록 저면이 오목하게 파인 함몰부(142)를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체공정설비의 압력배관용 역압방지밸브.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1압력보조격벽(33)에 형성되는 함몰부(332)는 제1압력보조격벽(33) 내측면의 중앙 소정의 영역에 형성되며, 상기 상부플렌지(10)의 하부단턱(14)에 형성되는 함몰부(142)는 제1압력보조격벽(33)의 상단부에서 소정의 거리만큼 떨어져 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체공정설비의 압력배관용 역압방지밸브.

Images