KR101795980B1 - 스로틀 밸브 내의 분말 및 침착 제어 방법 및 밸브 장치 또는 스로틀 밸브 - Google Patents

스로틀 밸브 내의 분말 및 침착 제어 방법 및 밸브 장치 또는 스로틀 밸브 Download PDF

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Abstract

스로틀 밸브(10) 내의 분말 및 침착 제어가, 밸브 본체(32) 내의 표면으로부터 그리고 스로틀 밸브(10)의 폐쇄 부재(14)로부터 분말 및 침착물을 세정하기 위해서 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)에 인접하여 세정 가스의 환형 유동(54, 154)을 주입하기 위한 환형 노즐(52, 152) 및 환형 플리넘(46, 146)을 형성하는 밸브 본체(32) 내의 노즐 삽입체(50, 150)를 포함한다. 세정 가스의 환형 유동(54, 154)이, 스로틀 밸브(10)의 내측 표면에 부착된 분말 입자를 분리하기 위한, 고체 침착물을 식각 또는 반응적으로 세정하기 위한, 또는 스로틀 밸브(10) 내에 분말 입자나 고체 침착물이 축적되는 것을 방지하거나 최소화하기 위한, 간헐적, 주기적, 또는 펄스형 분출 또는 정상-상태 유량일 수 있다.

Description

스로틀 밸브 내의 분말 및 침착 제어 방법 및 밸브 장치 또는 스로틀 밸브{METHOD OF CONTROLLING POWDER AND DEPOSITION IN THROTTLE VALVES AND VALVE APPARATUS OR THROTTLE VALVE}
본 발명은 반응 챔버로부터의 배출 가스, 보다 특히 분말 입자가 적재된 그리고 응축 가능한 구성요소를 포함하는 배출 가스의 유동을 취급하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
많은 산업적 프로세스가 고체의, 분말형의, 부산물을 형성하고, 동시에 프로세스의 유출물을 유동시키는 것 그리고 그 유동을 제어하는 것을 포함한다. 예를 들어, 다양한 화학기상증착(CVD) 프로세스에서, 기체 화학물질/전구체가 진공 반응 챔버 내로 공급되고, 그러한 챔버에서 화학물질/전구체가 반응하여 화합물 또는 원소 재료의 고체 필름 또는 코팅을 기판 상으로 침착시킨다. 그러한 CVD 프로세스의 일부가 고체의 분말형 부산물을 생성하고, 그러한 분말형의 부산물의 배출은, 특히, 가스 분자들 사이의 짧은 평균 자유 경로(mean free path)로 인해서, 가스 상 반응이 우세한, CVD 프로세스(예를 들어, 10 내지 800 torr 범위)에 대해서, 프로세스 챔버 내의 진공이 비교적 낮을 때, 즉 프로세스 압력이 비교적 높을 때, 배출 파이프(진공 CVD 시스템에서 종종 진공 펌핑 라인으로 지칭되고 종종 포어라인(foreline)으로 지칭됨), 밸브, 진공 펌프, 및 반응 챔버 하류의 다른 유동 취급 구성요소 및 장비 내에서 문제가 될 수 있다. 다른 침착 프로세스가 침착 챔버로부터 미반응 가스를 배출할 수 있을 것이고, 그러한 가스가 이어서 하류에서 반응하여 고체 또는 액체 축적물을 진공 펌핑 라인, 밸브, 펌프, 및 다른 구성요소 또는 장비 내에서 형성할 수 있을 것이다.
다양한 정도로 효과적인, 응축 또는 화학적 반응으로부터의, 하류 배출 구성요소 내에서의 그러한 고체 축적을 방지하거나 적어도 최소화하기 위한 다양한 방법 및 장비가 개발되었다. 예를 들어, 1998년 2월 3일자로 허여된 미국 특허 5,714,738에서 도시되고 설명된 바와 같은 파이프 히터를 이용하여, 진공 펌핑 라인 및 다른 파이프 내에서 보다 높은 온도를 유지하여 응축을 방지 또는 최소화할 수 있다. 예를 들어, 2012년 6월 12일자로 허여된 미국 특허 제8,196,893호에서의 격리 밸브에서 제시된 바와 같이, 특별한 형태의 그러한 히터를 이용하여, 밸브, 진공 펌핑 라인, 및 다른 장비의 적어도 부분들을 가열할 수 있다. 1998년 10월 27일자로 허여된 미국 특허 5,827,370에서 도시되고 설명된 조립체와 같은 노즐 조립체를 이용하여, 진공 펌핑 라인 또는 다른 파이프의 내측 표면을 따라서 불활성 또는 비-반응성 가스의 층류 유동을 생성할 수 있고, 그에 따라 기체 화학물질의 표면 반응이 파이프의 내측 표면 상에 고체 축적물을 형성하는 것을 방지한다. 그러한 응축 가능한 또는 반응성 가스를 배출 유동으로부터 제거하기 위한 다양한 트랩(trap), 반응기, 필터, 및 다른 장비, 예를 들어, 1998년 10월 13일자로 허여된 미국 특허 5,820,641, 2001년 3월 6일자로 허여된 미국 특허 6,197,119, 2002년 12월 3일자로 허여된 미국 특허 6,488,745, 및 2008년 11월 25일자로 허여된 미국 특허 7,455,720가 개발되었다.
관련 기술의 전술한 예 및 그와 관련된 제한은 설명을 위한 것이고 배타적인 것은 아니다. 종래 기술의 다른 제한 및 관련 기술의 다른 예가, 명세서를 읽고 도면을 검토할 때, 당업자에게 명확해질 것이다.
이하의 실시예 및 그 양태가, 범위를 제한하지 않는 예 및 예시적인 것을 의미하는 시스템, 도구, 및 방법과 함께 설명되고 묘사된다. 여러 실시예 및 구현예에서, 전술한 문제점 중 하나 이상이 감소되거나 제거되는 한편, 다른 실시예는 다른 개선 및 장점에 관한 것이다.
밸브 본체의 유입구 포트와 배출구 포트 사이의 밸브 본체의 내측 벽 표면에 의해서 형성되는 유동 채널을 가지는 밸브 본체 및 유동 채널 내의 폐쇄 부재를 가지는 유형의 밸브 장치에서, 환형 오리피스가 폐쇄 부재를 향해서 내측 벽 표면을 따라서 세정 가스의 환형 유동을 지향시킨다. 일 실시예에서, 2개의 환형 오리피스가 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 세정 가스의 2개의 환형 유동들을 지향시킨다. 다른 예시적인 실시예에서, 그러한 밸브 장치가 또한 폐쇄 부재 상류에서 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 폐쇄 부재를 향해서 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 상류 환형 노즐, 및 폐쇄 부재 하류에서 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 폐쇄 부재를 향해서 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 하류 환형 노즐을 또한 포함할 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 그러한 밸브 장치가 또한 세정 가스의 제1 부분을 상류 환형 노즐로 분배하기 위한 상류 환형 플리넘(plenum) 및 세정 가스의 제2 부분을 하류 환형 노즐로 분배하기 위한 하류 환형 플리넘을 포함할 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 그러한 밸브 장치가 상류 환형 플리넘으로부터 상류 환형 오리피스까지의 세정 가스의 제1 부분의 유동을 위한 상류 환형 플리넘과 상류 환형 오리피스 사이에서 연장하는 상류 환형 노즐, 및 하류 환형 플리넘으로부터 하류 환형 오리피스까지의 세정 가스의 제2 부분의 유동을 위한 하류 환형 플리넘과 하류 환형 노즐 사이에서 연장하는 하류 환형 노즐을 포함할 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 상류 환형 노즐은, 색류(choked) 유동 조건을 생성하기 위한 크기를 가지는 횡단면적을 가질 수 있을 것이고, 하류 환형 노즐은, 색류 유동 조건을 생성하기 위한 크기를 가지는 횡단면적을 가질 수 있을 것이다.
밸브 본체의 유입구 포트와 배출구 포트 사이에서 밸브 본체의 내측 벽 표면에 의해서 형성된 유동 채널을 가지는 밸브 본체 및 유동 채널 내의 폐쇄 부재를 구비하는 밸브 내에서 분말 또는 고체 침착을 제어하는 방법이, 폐쇄 부재를 향해서 내측 벽 표면을 따라서 적어도 하나의 세정 가스의 환형 유동을 지향시키는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 하나의 예시적인 방법에서, 그러한 밸브 내에서의 분말 또는 고체 침착을 제어하는 것이, 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 세정 가스의 2개의 환형 유동을 지향시키는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 방법이, 폐쇄 부재의 상류에서 또는 폐쇄 부재의 하류에서 또는 양자 모두에서 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 폐쇄 부재를 향해서 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 적어도 하나의 환형 노즐을 통해서 세정 가스를 유동시키는 것에 의해서, 세정 가스의 하나의 2개의 환형 유동을 유동 챔버 내로 지향시키는 것을 포함할 수 있을 것이다. 다른 실시예가, 적어도 하나의 환형 노즐 내에서 색류 유동 조건을 생성하는 것을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 세정 가스의 예가 유동 챔버 내로 유동하고, 간헐적, 주기적, 정상 상태(steady-state), 또는 임의의 다른 유동 타이밍 또는 희망하는 특성을 가질 수 있을 것이다. 세정 가스가 비-반응성 또는 반응성일 수 있다.
전술한 예시적인 양태, 실시예, 및 구현예에 더하여, 추가적인 양태, 실시예 및 구현예가, 도면에 익숙해지고 이하의 설명을 연구한 당업자에게 명확해질 것이다.
본원에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 일부의, 그러나 유일하지 않고 배타적이지 않은, 예시적인 실시예 및/또는 특징을 예시한다. 본원에서 개시된 실시예 및 도면은 제한적인 것 보다 예시적인 것으로 간주되기 위한 것이다.
도 1은 화학기상증착 시스템에서 스로틀 밸브를 위한 분말 및 침착 제어 특징의 예시적인 적용을 도시한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 분말 제어를 위해서 구성된 예시적인 버터플라이-유형의 스로틀 밸브의 등각도이다.
도 3은 도 2의 예시적인 스로틀 밸브의 정면 입면도이다.
도 4는 도 2의 예시적인 스로틀 밸브의 측면 입면도이다.
도 5는 도 4의 단면선 5-5를 따라서 취한 도 2의 예시적인 스로틀 밸브의 확대 횡단면도이다.
도 6은 도 3의 단면선 6-6를 따라서 취한 도 2의 예시적인 스로틀 밸브의 확대 횡단면도이다.
도 7은 도 6과 유사한 예시적인 스로틀 밸브의 확대된 횡단면도이나, 예시적인 거의 폐쇄된, 스로틀링 모드에서 밸브 폐쇄 부재를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2 내지 도 6의 예시적인 스로틀 밸브의 노즐 삽입체 구성요소의 추가적인 확대 횡단면도이다.
도 9는 도 2 내지 도 7의 예시적인 스로틀 밸브의 구성요소의 분해도이다.
도 10은 도 5와 유사하나, 침착 및 분말 제어를 위해서 구성된 다른 예시적인 스로틀 밸브의 확대된 횡단면도이다.
예시적인 화학기상증착(CVD) 시스템(100)이, CVD 시스템(100)의 진공 펌핑 라인(104) 내의 분말 축적 및 스로틀 밸브(10)와의 간섭을 저감하는 분말 제어 특징과 함께, 도 1에서 도식적으로 도시되어 있다. 예시적인 CVD 시스템(100)의 구성요소, 기능적 특징, 및 동작이 이하에서 더 구체적으로 설명될 것이나, 이러한 설명 및 그 설명을 묘사하기 위해서 이용된 첨부 도면이 발명의 예로서 의도된 것이고 제한적으로 의도되지 않았다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그리고 발명을 제한하거나 한정하기 위한 의도가 없이, 그러한 CVD 시스템(100)이 반응 챔버(102)를 포함할 수 있고, 그러한 반응 챔버 내에서, 종종 공급 가스로 지칭되는 반응 가스가, 반응 챔버(102) 내에 배치된 기판(108) 상에서 희망하는 얇은 필름(106)을 침착하는 결과를 초래하는 방식으로 반응한다. 희망되는 특별한 얇은 필름(106) 생성물 및 이용되는 특별한 CVD 프로세스에 의존하여, 종종 공급 가스로서 지칭되는 반응 가스가 그러한 가스의 컨테이너, 예를 들어 컨테이너(FG1, FG2, 또는 FG3)로부터 반응 챔버(102) 내로 동시적으로 또는 순차적으로 유동될 수 있을 것이다. 일부 프로세스에서, 반응 가스의 희석을 위한 불활성 캐리어 가스 또는 사이클의 종료 시에 반응 가스를 반응 챔버(102) 외부로 퍼지하기 위한 불활성 퍼지 가스가 컨테이너, 예를 들어 컨테이너(PG)로부터 반응 챔버(102)를 통해서 유동될 수 있을 것이다. 적절한 차단 밸브(110) 및 압력 조절기(112)가 그러한 컨테이너를 위해서 제공될 수 있을 것이고, 질량 유동 제어기(114)를 이용하여, 반응 프로세스의 품질 제어를 위해서, 특히 공급 가스에 대한, 유량을 제어할 수 있을 것이다. 모든 CVD 프로세스에 대해서 필수적인 것은 아니지만, 전형적으로, 공기, 수증기, 및 다른 잠재적인 오염물질을 반응 챔버(102)로부터 배기하고 CVD 침착 프로세스 중에 그러한 진공을 유지하여 반응의 그리고 결과적인 얇은 필름(106) 생성물의 순도를 유지한다. 진공 펌핑 라인으로 종종 지칭되는, 파이프(104)에 의해서 반응 챔버(102)로 연결된 진공 펌프(116)가 CVD 프로세스 중에 동작하여, 반응 챔버(102) 내에서, 그리고 반응 챔버(102), 진공 펌핑 라인(104), 및 다른 구성요소를 공기, 물, 및 다른 오염물질이 없이 유지할 것이 요구되는 동안 진공을 유지한다. 일반적으로, 상업용 생산 CVD 시스템에서, 진공이 가능한 한 길게 유지되는데, 이는 오염이 비용적으로 부정적인 결과를 나타내기 때문이고, CVD 시스템을 재-배기하는데 긴 시간이 소요되고, 그러한 긴 시간 동안 제품의 생산이 진행될 수 없기 때문이다.
반응 챔버(102) 내의 반응의 기체 부산물이 진공 펌프(116)에 의해서 진공 펌핑 라인(104)을 경유하여 반응 챔버(102)의 외부로 끌어 당겨진다. 진행되는 특별한 CVD 프로세스에 대한 희망 진공 범위 내에서 반응 챔버(102) 내의 압력을 유지하는데 필요한 범위로, 진공 펌핑 라인(104) 내의 스로틀 밸브(10)가 개방되고 폐쇄된다. 압력 변환기(124)와 스로틀 밸브(10)의 모터 구동부(12)로 연결된 모터 제어기(126) 사이의 피드백 시스템(122)이, 반응 챔버(102) 내에서 희망 압력을 유지하기 위한 스로틀 밸브(10) 세팅의 자동적인 제어를 돕는다. 그러한 피드백 시스템이 당업계에 잘 알려져 있고 여기에서 더 구체적으로 설명될 필요가 없다. 반응 챔버(102) 내에서 특별한 희망 압력(P)을 유지하기 위해서 스로틀 밸브 개구부가 매우 작을 수 있기 때문에, 분말 포획부 또는 필터(128)가 스로틀 밸브의 전방에서 진공 펌핑 라인(104) 내에 제공되는 경우에도, 일부 CVD 프로세스는 진공 펌핑 라인(104) 내의 고체 분말 입자에 의한 문제점을 가지며, 그러한 입자는 스로틀 밸브를 포함하는 구성요소의 동작을 방해하고 간섭할 수 있다. 그러나, 이러한 예에서 스로틀 밸브(10)는, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 스로틀 밸브(10)의 동작을 그렇게 방해하고 간섭하는 것을 제어 및 경감하기 위한 분말 제어 특징으로 구성되고 구비된다.
예로서, 그리고 비제한적으로, 스로틀 밸브(10)를 위한 분말 제어 시스템이, 특히 CVD 프로세스 챔버 진공이 비교적 낮을 때 즉, 압력이 상대적으로 높을 때, 스로틀 밸브를 방해 및 간섭하는 고체 입자 분말 부산물을 생성하는 것으로 악명이 높은 CVD 시스템(100) 내에서 설명된다. 기판(108) 상에 갈륨 질화물(GaN)의 얇은 필름(106)을 침착하기 위해서 이용되는 금속 유기 화학기상증착(MOCVD) 프로세스가, 고온의 진공에서 암모니아(NH3) 및 다량의 수소와 트리메틸갈륨("TMG", Ga(CH3)3)을 반응시키는 것을 포함할 수 있을 것이다. 심지어 상온에서도, TMG 및 암모니아가 서로 반응하여 중간 첨가물(adduct), Ga(CH3)3·NH3를 매우 신속하게 형성할 수 있다. 약 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 가열된 물 표면 상의 중간 첨가물의 해리에 의해서 GaN의 결정질 화합물이 형성된다. 비교적 느린 해리 프로세스는 GaN 원자의 거의 완벽한 배열체를 가지는 고품질의 결정질 GaN의 형성을 가능하게 하나; 중간 첨가물의 해리는 탄소 분말 및 액체 갈륨의 생성을 유도한다. Ga(CH3)3 ·NH3 첨가물의 분해로 인해서 형성된 탄소 분말에 더하여, 반응 챔버 내부의 액체 갈륨(Ga)의 존재로 인해서(갈륨이 30 내지 2,200 ℃에서 액체 형태로 머무른다), 부분적으로 갈륨 충진된 탄소 나노튜브 입자가 프로세스 챔버 내에서, 특히 약간 더 저온의 반응 챔버 내측 벽 상에서 형성될 수 있는데, 이는 액체 갈륨이, 액체 액적(droplet) 아래의 탄소 나노튜브의 형성을 돕는 촉매로서 작용하기 때문이다. 그러한 분말 입자가, 다른 배출 가스와 함께, 진공 펌프(116)에 의해서 반응 챔버(102)의 외부로 그리고 진공 펌핑 라인(104) 내로 인출된다.
또한, 프로세스 챔버 압력(P)이 높을수록, 프로세스 챔버(102) 내의 가스 분자들 사이의 평균 자유 경로가 짧아지고, 이는 가스 분자 충돌의 가능성을 높이고, 그에 따라 표면 반응에 비해서 가스 상 반응을 지원한다. 그에 따라, 프로세스 챔버 압력(P)이 비교적 높을 때, 예를 들어 10 내지 800 torr일 때, 가스 상 화학적 반응이 일반적으로 우세하다. 가스 상 반응은 표면 반응 보다 더 분말적인 고체 부산물을 생성하는 경향이 있고, 그에 따라 비교적 높은 프로세스 챔버 압력(P)이 더 높은 진공의, 보다 낮은 압력 프로세스 보다 더 분말적인 고체 부산물을 생성하는 경향이 있다. 이러한 복잡한 기생적인(parasitic) 반응 모두가 프로세스 챔버 내에서 상당한 양의 부산물을 생성하고 진공 펌핑 라인을 따른 분말의 축적을 초래한다. 동시에, 희망 챔버 압력을 유지하기 위한 필요 스로틀 가스 유동 효과를 획득하기 위해서, 스로틀 밸브(10)가 스로틀 모드에서 매우 작은 밸브 개방 셋팅으로 전형적으로 동작된다. 그러한 작은 스로틀 밸브 개구부가 특히 분말 간섭 및 방해에 민감할 수 있고, 그러한 매우 작은 밸브 개구부를 통한 가속된 가스 유동이 상당한 난류 및 급격한 가스 냉각 효과를 생성한다. 그러한 가스 유동 난류 및 냉각의 조합된 효과가 종종 스로틀 밸브(10) 내부 및 주위에서의, 특히 스로틀 밸브 하류에서의 보다 더 심각한 분말의 축적을 유도한다. 예시적인 GaN MOCVD의 경우에, 유출물 내의 응축 가능한 액체 갈륨 부산물이 고체 탄소 분말 입자들을 함께 결합시켜, 서로 보다 점성적이 되게 하고 진공 펌핑 라인(104) 내부 뿐만 아니라 스로틀 밸브 표면 상에, 특히 스로틀 밸브(10) 직후에 축적되도록 유도하며, 그러한 곳에서 가스 온도가 낮고 심각한 난류가 입자 충돌 및 부착의 가능성을 높인다.
전술한 바와 같이, 스로틀 밸브가 막히는 것을 방지하기 위해서 분말 입자가 스로틀 밸브(10)에 도달하기 전에 분말 입자를 포획하기 위해서 스로틀 밸브(10) 상류의 진공 펌핑 라인(104) 내에 필터(128)를 제공하는 것이 전형적이다. 그러나, 그러한 예시적인 MOCVD 프로세스에서 생성되는 비교적 높은 가스 온도(높은 프로세스 온도), 높은 가스 유량, 및 분말 입자의 작은 크기로 인해서, 필터 매체 기공 크기가 1 내지 4 미크론만큼 작은 경우에도, 상당량의 분말이 여전히 그러한 필터를 통과한다.
도 2 내지 도 7에 도식적으로 도시된 예시적인 스로틀 밸브(10)가, 비제한적으로, 밸브(10) 내에서 유체 유동 채널(30)을 형성하는 내측 벽 표면(31)에 인접한 환형 노즐(51, 151)(도 5 및 도 6에서 가장 잘 도시됨)을 포함하는, 분말 제어 특징을 구비한다. 분말 제어 특징을 가지는 예시적인 스로틀 밸브(10)의 구성요소, 기능적 특징, 및 동작이, 특히 도 5 및 도 6에서의 횡단면을 참조하여 이하에서 더 구체적으로 설명될 것이나, 이러한 도면 및 설명이 발명의 예로서 의도된 것이고 제한적으로 의도되지 않았다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예시적인 스로틀 밸브(10)는, 유동 채널(30)의 길이방향 축(18)에 대해서 대체로 횡방향인 축(17)을 중심으로 밸브 본체(32) 내에서 회전하는, 밸브 샤프트(16)(종종, 버터플라이 샤프트로 지칭된다) 상의 유체 유동 채널(30) 내에 장착된 디스크(종종 플랩퍼(flapper)로 지칭된다) 형태 스로틀링 폐쇄 부재(14)(종종 짧게 "폐쇄 부재"로 지칭된다)를 가지는 버터플라이 밸브로 일반적으로 지칭되는 유형이다. 그러나, 다른 종류의 폐쇄 부재를 가지는 다른 유형의 밸브가 이용될 수 있다.
완전히 개방된 위치(도 5 및 도 6에 도시된 바와 같음)와 완전히 폐쇄된 위치(도 4에 도시된 바와 같음) 사이의 임의의 희망하는 셋팅에서 예시적인 버터플라이 폐쇄 구성요소(예를 들어, 도 5 및 도 6에서 가장 잘 도시된 회전 가능한 버터플라이 샤프트(16) 상에 장착된 폐쇄 부재(14))의 스로틀 위치를 조정하기 위한 통상적인 모터 액추에이터(12)를 구비하는 예시적인 스로틀 밸브(10)가 도 2 내지 도 4에 전반적으로 도시되어 있다. 모터 액추에이터(12)가, 예를 들어, 전술한 바와 같이 반응 챔버(102) 내의 압력(P)을 제어하기 위해서, 자동화된 용도를 위한 전형적인 조립체 내의 스로틀 밸브(10)를 주로 설명하기 위해서 도 2 내지 도 4에서 도시되어 있으나, 모터 액추에이터(12)는 본 발명에서 본질적인 것은 아니다. 스로틀 밸브(10)가 수동으로, 공압식으로, 또는 임의의 다른 편리한 방식으로 동작될 수 있다. 모터 액추에이터(12)가 도 5 내지 도 8에 도시되어 있지 않다.
일반적으로, 도 2 내지 도 6에 도시된 예시적인 스로틀 밸브(10)가 유입구 포트(20) 및 배출구 포트(22)를 가지며, 그에 따라 유체가, 도 5 및 도 6에서 유동 화살표(34, 36)에 의해서 표시된 바와 같이, 밸브 본체(32) 내의 유동 채널(30)을 통해서 대체로 길이방향 축(18)을 따라서 유동할 수 있다. 물론, 당업자는, 유체가 또한 반대 방향으로 유동 채널(30)을 통해서 유동될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 플랜지 연결부(25)를 가지는 통상적인 유입구 파이프(24)의 그리고 플랜지 연결부(27)를 가지는 통상적인 배출구 파이프(26)의 단면이, 각각의 통상적인 플랜지 클램프(40, 42)에 의해서 밸브 본체(32)로 연결되어 도 5 및 도 6에서 도시되어 있다. 유입구 파이프(24) 및 배출구 파이프(26)가 유체를 스로틀 밸브(10)의 내외로 전도하고(conduct), 도 1의 예시적인 MOCVD 시스템(100) 내의 진공 펌핑 라인(104)의 구성요소일 수 있을 것이다.
도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 밸브 본체(32) 내의 보조 도관(44)은, 일부 적용예에서 불활성 또는 다른 비-반응성 가스일 수 있거나 다른 적용예에서 반응성 또는 식각 가스일 수 있는 세정 가스를 분지 도관(45, 47)으로 전도하고, 그러한 분지 도관을 통해서 세정 유체가 각각의 상류 및 하류 플리넘(46, 146)으로 지향된다. 세정 유체의 제1 부분이, 유동 화살표(48)에 의해서 표시된 바와 같이, 분지 도관(45)을 통해서 상류 환형 플리넘(46) 내로 유동되고, 상류 환형 플리넘(46)은, 상류 환형 오리피스(52)를 통해서 유동 채널(30) 내로 주입하기 위해서 상류 노즐 삽입체(50)의 외측 표면 주위로 세정 가스를 분배한다. 세정 유체의 제2 부분이, 유동 화살표(49)에 의해서 표시된 바와 같이, 분지 도관(47)을 통해서 하류 환형 플리넘(146) 내로 유동되고, 하류 환형 플리넘(146)은, 하류 환형 오리피스(152)를 통해서 유동 채널(30) 내로 주입하기 위해서 하류 노즐 삽입체(150)의 외측 표면 주위로 세정 가스를 분배한다. 이러한 맥락에서, 상류 및 하류라는 용어는 편의상 도 5 및 도 6의 유동 화살표(34, 36)의 방향과 관련하여 이용된다. 따라서, 이러한 맥락에서, 상류 노즐 삽입체(50)가 상류 (유입구) 포트(20) 내에 있고, 이는 하류 (배출구) 포트(22) 내의 하류 노즐 삽입체(150)와 관련하여 상류이고 밸브 폐쇄 부재(14)와 관련하여 상류이다. 유사하게, 필요 부분을 수정하여(mutatis mutandis), 하류 노즐 삽입체(150)가 하류 (배출구) 포트(22) 내에 있고, 이는 상류 노즐 삽입체(50)과 관련하여 하류이고 그리고 밸브 폐쇄 부재(14)와 관련하여 하류이다. 각각의 환형 오리피스(52, 152)가, (각각의 유동 화살표(54, 154)에 의해서 표시된 바와 같이) 세정 가스의 환형 유동을 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)을 따라서 유동 채널(30) 내로 지향시키는 방식으로 폐쇄 부재(14)를 향해서 대면한다.
반응 챔버(102)(도 1) 내에서 얇은 필름(106)을 침착하는 일반적인 CVD 프로세스 중에, 예를 들어, 세정 가스 공급 밸브(132)를 폐쇄하는 것에 의해서, 세정 가스가 턴 오프되고(turned off), 그에 따라 세정 가스가 CVD 프로세스에 또는 반응 챔버(102)의 생산성에 영향을 미치거나 간섭하지 않는다. 스로틀 밸브(10) 내의 세정 가스를 이용한 세정 프로세스가, 특별한 CVD 프로세스에서의 스로틀 밸브(10)의 청정도에 의존하여, 예를 들어 하루에 한번으로부터 일주일에 한번까지 비교적 빈번하지 않을 수 있고, 이는 매우 짧을 수 있고, 예를 들어, 2분 미만일 수 있을 것이나, 원하는 경우에 그보다 긴 시간이 또한 이용될 수 있을 것이다. 그에 따라, 반응 챔버(102)가 공회전하는 동안, 예를 들어, 웨이퍼(108)가 교환되는 동안, 스로틀 밸브(10) 내의 세정 프로세스가 실행될 수 있다. 그에 따라, 본원에서 설명된 바와 같은 세정 가스 프로세스를 이용한 스로틀 밸브(10)의 세정은 일반적으로 CVD 시스템(100)의 또는 특히 반응 챔버(102)의 생산 가동시간에 영향을 미치지 않는다. 또한, 스로틀 밸브(10) 상류의 격리 밸브(118)가 세정 프로세스 중에 폐쇄될 수 있고, 이는, 분말 입자가 상류로 역으로 그리고 반응 챔버(102)(도 1) 내로 송풍되지 않으면서 또는 CVD 프로세스에 달리 영향을 미치지 않으면서, 폐쇄 부재(14) 및 스로틀 밸브(10)의 내측 벽 표면(31) 상의 분말 입자 침착물을 제거하기 위해서, 스로틀 밸브(10) 내에서 환형 노즐(51, 151)(도 5 내지 도 7)로부터의 고압 세정 가스 제트를 이용하는 것을 허용한다. 세정 프로세스 중에, 스로틀 밸브(10) 내로의 그리고 노즐(51, 151)(도 5 내지 도 7)을 통한 세정 가스의 환형 유동이 세정 가스의 안정된 유동 또는 간헐적인 분출일 수 있고, 이하에서 보다 구체적으로 설명되는 바와 같이, 난류 또는 층류 유동일 수 있다.
일반적으로, 환형 오리피스(52, 152)로부터 유동 챔버(30) 내로의 세정 가스의 각각의 환형 분출 또는 퍼지 유동이, 도 5 및 도 6에서 유동 화살표(54, 154)에 의해서 도시된 바와 같이, 서로를 향해서 지향되나, 서로를 향해서 반대로 지향된 그러한 유동들(54, 154)은, 그들이 만나는 곳에서, 국소적인 압력을 증가시키고, 이는, 유동 화살표(54, 154)에 의해서 또한 도시된 바와 같이, 국소적인 압력이 낮은 길이방향 축(18)을 향해서 반경방향 내측으로 그러한 유동들이 재지향되도록 유도한다. 유동(54, 154)이 일반적으로 밸브 폐쇄 부재(14)의 각각의 대향 면들을 따르고, 이는, 폐쇄 부재(14)에 부착되어 있을 수 있는 분말 입자를 제거하고 멀리 퍼지하는 경향이 있다. 이어서, 그러한 분말 입자는, 가스 유동(36)과 함께, 배출구 포트(22)의 외부로 분출 또는 퍼지 유동(56)과 함께 인출된다. 폐쇄 부재(14)가, 예를 들어 도 7에서 도시된 바와 같이, 거의 폐쇄된 모드로 회전될 때, 폐쇄 부재(14)가 스로틀 밸브(10)를 통한 가스의 유동(34, 36)을 스로틀링하고, 환형 오리피스(52, 152)로부터의 환형 분출 또는 퍼지 유동(54, 154)이 폐쇄 부재(14)의 둘레 연부(53)로 그리고 둘레 연부(53)에 인접한 내측 벽 표면(31)의 부분으로 지향되고, 이는, 둘레 연부(53)의 상류 및 하류 모두의 밸브 본체(32)의 둘레 연부(53)에 또는 인접한 내측 벽 표면(31) 상에 축적되어 있을 수 있는 분말 입자를 멀리 불어 낸다. 이러한 세정 프로세스는, 세정 가스가 노즐(51, 151)을 통해서 유동 챔버(30) 내로 유동되는 동안, 스로틀 밸브(10) 내의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 전후로 폐쇄 부재(14)를 이동시키는 것에 의해서 향상될 수 있고, 이는 폐쇄 부재(14) 상에 부착된 분말을 제거하는데 도움이 될 뿐만 아니라, 진공 펌프(116)(도 1)가 제거된 분말 입자를 하류로 이동시킬 수 있게 한다.
이제 도 5 내지 도 8을 주로 참조하면, 예시적인 스로틀 밸브(10) 내의 환형 플리넘(46)이 밸브 본체(32)의 유입구 단부(20) 쪽으로 연장하는 환형 채널(60) 및 환형 채널(60)에 인접하고 동심적으로 배치되는 노즐 삽입체(50)의 조합에 의해서 제공된다. 노즐 삽입체(50)의 펼쳐진 유입구 단부 섹션(64)의 원주 주위에서 반경방향 외측으로 연장하는 환형 테두리 플랜지(62)가, 노즐 삽입체(50)가 밸브 본체(32)의 유입구 단부(20) 내로 삽입될 때 채널(60)에 인접하는 밸브 본체(32)의 연결 플랜지(66)에 접촉지지된다(abut). 노즐 삽입체(50)의 그러한 위치에서, 노즐 삽입체(50)의 원통형 연장부(70)의 배출구 단부(68)가 채널(60)을 지나서 폐쇄 부재(14)를 향해서 연장한다. 원통형 연장부(70)의 직경이 충분히 작아서, 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)으로부터 내측으로 반경방향 거리로 이격되며, 그에 따라 원통형 연장부(70)와 내측 표면(31) 사이에 좁은 환형 노즐(51)을 형성하며, 그러한 노즐을 통해서 세정 가스가 환형 플리넘(46)으로부터 환형 오리피스(52)로 유동한다. 다시 말하면, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 노즐 삽입체(50)의 펼쳐진 유입구 단부 섹션(64)은 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)보다 직경이 작은 노즐 삽입체(50)의 원통형 연장부(70)으로 수렴한다. 환형 노즐(51) 및 환형 오리피스(52)가, 적어도 초기에 유동 채널(30)의 길이방향 축(18)에 대체로 평행하고 유동 채널(30)의 길이 방향 축(18)과 중심이 같은 세정 가스의 환형 제트 유동으로, 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)을 따라서 유동 경로(30) 내로 세정 가스를 주입하도록 구조화되고 배향된다. 테두리 플랜지(62)(도 8에 가장 잘 도시됨)가, 밀봉부(74), 예를 들어 도 5 내지 도 7 및 도 9에서 도시된 바와 같은 O-링 밀봉부를 수용하고 유지하기 위해서, 그 둘레 표면 주위로 환형 홈(72)을 가지며, 그러한 밀봉부는, 유입구 파이프(24)가 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 클램프(40)로 밸브 본체(32)로 연결될 때, 밸브 본체(32)의 연결 플랜지(66)와 유입구 파이프(24)의 연결 플랜지(25) 사이에서 압착된다. 본 스로틀 밸브 구조물의 구조, 원리, 및 장점을 이미 이해한 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 체결 메커니즘 또는 기술, 예를 들어, 나사산형 표면(미도시)을 제공하여 노즐 삽입체(50)를 밸브 본체(32) 내에 체결할 수 있다. 적합한 관(76) 및/또는 관 피팅(78)을 제공하여, 보조 도관(44)을 적절한 세정 가스의 공급원으로 연결한다.
유사하게, 예시적인 스로틀 밸브(10) 내의 환형 플리넘(146)이 밸브 본체(32)의 배출구 단부(포트)(22) 쪽으로 연장하는 환형 채널(160) 및 그러한 채널(160)에 인접하고 동심적으로 배치되는 노즐 삽입체(150)의 조합에 의해서 제공된다. 노즐 삽입체(150)의 펼쳐진 유입구 단부 섹션(164)의 원주 주위에서 반경방향 외측으로 연장하는 환형 테두리 플랜지(162)가, 노즐 삽입체(150)가 밸브 본체(32)의 배출구 단부(22) 내로 삽입될 때 채널(160)에 인접하는 밸브 본체(32)의 연결 플랜지(166)에 접촉지지된다. 하류 노즐(150)이 도 8에 도시된 상류 노즐(50)과 유사하나, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 내측 벽 표면(31)의 프로파일 및 하류 배출구(22) 크기에 의존하여, 그 크기가 상이할 수 있을 것이다. 노즐 삽입체(150)의 그러한 위치에서, 노즐 삽입체(150)의 원통형 연장부(170)의 배출구 단부(168)가 채널(160)을 지나서 폐쇄 부재(14)를 향해서 연장한다. 원통형 연장부(170)의 직경이 충분히 작아서, 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)으로부터 내측으로 반경방향 거리로 이격되며, 그에 따라 원통형 연장부(170)와 내측 표면(31) 사이에 환형 노즐(151)을 형성하며, 그러한 노즐을 통해서 세정 가스가 환형 플리넘(146)으로부터 환형 오리피스(152)로 유동한다. 다시 말하면, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 노즐 삽입체(150)의 펼쳐진 유입구 단부 섹션(164)은 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)보다 직경이 작은 노즐 삽입체(150)의 원통형 연장부(170)으로 수렴한다. 전술한 바와 같이 밸브 본체(32)의 내측 벽 표면(31)을 따라서 유동 경로(30) 내로 세정 가스를 주입하도록, 환형 노즐(151) 및 환형 오리피스(152)가 구조화되고 배향된다. 테두리 플랜지(162)가, 밀봉부(174), 예를 들어 도 5, 도 6, 및 도 8에서 도시된 바와 같은 O-링 밀봉부를 수용하고 유지하기 위해서, 그 둘레 표면 주위로 환형 홈(172)을 가지며, 그러한 밀봉부는, 배출구 파이프(26)가 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 클램프(42)로 밸브 본체(32)로 연결될 때, 밸브 본체(32)의 연결 플랜지(166)와 배출구 파이프(26)의 연결 플랜지(27) 사이에서 압착된다. 다시, 본 스로틀 밸브 구조물의 구조, 원리, 및 장점을 이미 이해한 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 체결 메커니즘 또는 기술, 예를 들어, 나사산형 표면(미도시)을 제공하여 노즐 삽입체(150)를 밸브 본체(32) 내에 체결할 수 있다.
도 1에 도시된 예시적인 CVD 시스템(100)에서, 스로틀 밸브(10) 내의 보조 도관(44)이 공급 파이프(130)를 통해서 퍼지 가스 공급원 컨테이너(PG)로 연결되나, 세정 가스의 임의의 다른 컨테이너 또는 공급부로 연결될 수 있을 것이고, 전술한 퍼지 가스는, GaN을 침착하기 위한 예시적인 MOCVD 시스템의 경우에, 질소(N2) 가스일 수 있다. 하나의 예시적인 구현예에서, 적합한 세정 가스 공급 밸브(132)가 스로틀 밸브(10) 상류의 공급 파이프 내에 제공되어, 스로틀 밸브(10) 내로의 세정 가스 유동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 그러나 비제한적으로, 세정 가스 유동이 세정 가스 공급 밸브(132)에 의해서 제어되어, 스로틀 밸브(10) 내로 간헐적으로, 주기적으로, 또는 정상-상태로 유동될 수 있을 것이다. 스로틀 밸브(10) 내로 단일의 희망 유량으로 또는 가변적인 유량으로 유동하도록, 세정 가스가 또한 제어될 수 있을 것이다. 그러한 임의의 다른 특성 및 기능을 위한 가스 공급 밸브(132)로서 이용하기 위한 적합한 밸브가 상업적으로 이용 가능하고 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 그러나 비제한적으로, 스로틀 밸브 내로의 세정 가스의 간헐적인 또는 주기적인 펄스형 유동의 경우에, 세정 공급 가스 밸브(132)가, 완전 온 및 완전 오프(유동, 유동 없음) 모드 사이에서 신속하고 확실하게 스위칭될 수 있는 격리 밸브를 포함할 수 있을 것이다. 이러한 예시적인 구현예에서, 세정 가스가 스로틀 밸브 내로 시간적인(timed) 간격으로 그리고 시간적인 지속시간 동안 펄스화될 수 있고, 그에 따라 환형 오리피스(52, 152)의 외부로 세정 가스의 펄스형 분출을 생성할 수 있을 것이고, 그에 따라, 밸브 본체(32)의 내측 표면(31)에 또는 폐쇄 부재(14)에 부착될 수 있는 분말 입자를 느슨하게 분리하고 불어낼 수 있을 것이다. 대안적으로, 세정 가스를 스로틀 밸브(10)로 필요할 때 간헐적으로 또는 정상-상태 유동으로 공급하도록, 그러한 격리 밸브가 제어될 수 있다. 그러한 격리 밸브가 당업자에게 잘 알려져 있고, 그러한 당업자는 또한 간헐적, 주기적, 또는 정상-상태 유동 동안에 그러한 밸브의 턴 온 및 턴 오프를 어떻게 제어하는지를 이해할 것이다. 예를 들어, 전기 솔레노이드 제어 밸브(134)를 이용하여, 희망하는 유동 및 비-유동 지속시간 및 간격 동안 스로틀 밸브(10) 내로 세정 가스의 희망 유동을 제공하는 방식으로 공압-작동형 밸브(132)를 동작시킨다. 그러한 솔레노이드 제어 밸브 및 공압식으로 작동되는 격리 밸브가 잘 알려져 있고 상업적으로 용이하게 이용 가능하다. 다른 예의 경우에, 격리 밸브(132)가 전기 솔레노이드로 전기적으로 작동될 수 있고, 이러한 것이 또한 당업자에게 잘 알려져 있다.
상류 및 하류 환형 오리피스(52, 152)로부터 서로 독립적으로, 예를 들어, 상이한 시간들에, 상이한 지속시간들 동안, 또는 상이한 질량 유량으로, 세정 가스의 유동을 제공하는 것이 요구되는 경우에, 도 10의 예시적인 스로틀 밸브(210) 실시예에서 도시된 바와 같이, 각각의 상류 및 하류 환형 오리피스(52, 152)로 세정 가스(또는 상이한 세정 가스들)가 분리된 도관들을 통해서 공급될 수 있다. 도 10의 예시적인 스로틀 밸브(210)가 도 2 내지 도 9에서 설명된 예시적인 스로틀 밸브(10)와 상당히 동일하고, 그에 따라 예시적인 밸브(10)의 구성요소 및 특징과 동일한 예시적인 스로틀 밸브(210)의 구성요소 및 특징이 동일한 부품 번호로 설명된다. 그러나, 도 10의 예시적인 스로틀 밸브(210)는, 각각의 환형 플리넘(46, 146) 내로 분리적으로 세정 가스를 전도하기 위한 분리된 도관들(245, 247)을 갖는다. 2개의 분리된 도관들(245, 247)으로 각각 연결된 분리된 관(276, 277) 및 관 피팅(278, 279)을 이용하여, 세정 가스를 각각의 환형 플리넘(46, 146) 내로 별개로 그리고 독립적으로 공급하기 위해서, 각각의 분리된 도관들(245, 247)을 분리된 세정 가스 공급 밸브(미도시)으로 연결할 수 있다. 그에 따라, 세정 가스가 하나의 방식으로, 예를 들어, 간헐적으로, 주기적으로, 또는 정상-상태로, 상류 환형 플리넘(46)으로부터 그리고 상류 환형 오리피스(52)를 통해서 스로틀 밸브 유동 채널(30) 내로 유동될 수 있는 한편, 동일한 또는 상이한 세정 가스가, 동일한 또는 상이한 방식으로, 하류 환형 플리넘(146)으로부터 그리고 하류 환형 오리피스(152)를 통해서 스로틀 밸브 유동 채널(30) 내로 유동될 수 있다. 상류 및 하류 세정 가스 유동들이 동시적으로 또는 상이한 시간들에, 상이한 간격, 또는 상이한 지속시간으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 그러나 비제한적으로, 보다 많은 부산물 분말이 상류 보다 폐쇄 부재(14)의 하류에 침착될 수 있을 것이고, 그러한 경우에, 그러한 하류 분말 침착물을 분리 및 제거하기 위해서 하류 환형 오리피스(152)로부터 보다 강한 세정 가스의 분출 또는 유동을 제공하는 한편, 분리된 분말 침착물을 스로틀 밸브 유동 챔버(30)를 통해서 배출구(22)로 쓸어 내는 것을 돕기 위해서 상류 오리피스(52)로부터 보다 부드러운 세정 가스의 유동을 제공하는 것이 유리할 수 있을 것이다. 물론, 다른 예시적인 스로틀 밸브(미도시)가: (i) 상류 도관(245), 상류 환형 플리넘(46), 및 상류 환형 오리피스; 또는 (ii) 하류 도관(247), 하류 환형 플리넘(146), 및 하류 환형 오리피스(152) 중 어느 하나를 구비할 수 있으나, 양자 모두는 구비하지 않는다. 당업자는, 본원에서 설명된 예시적인 스로틀 밸브 내의 세정 가스 적용의 원리를 일단 습득한 후에, 다른 예시적인 구현예 및 변경예를 인지할 수 있을 것이다.
일부 구현예에서, 세정 가스가 불활성 또는 비-반응성 가스 대신에 반응성 가스일 수 있을 것이다. 예를 들어, 예를 들어, 스로틀 밸브(10)(또는 210)의 화학적 세정을 실시하기 위해서, 반응성 가스가 도 5 내지 도 7의 예시적인 스로틀 밸브(10) 내의 오리피스(52, 152) 및 환형 노즐(51, 151)(또는 도 10의 예시적인 스로틀 밸브(210) 내의 오리피스(52, 152) 및 환형 노즐(51, 151) 중 하나 또는 양자 모두)을 통해서 유동 채널(30) 내로 유동될 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 경우 및 조건에서, 일부 CVD 프로세스의 특정 유출물이 스로틀 밸브(10)(또는 210) 내에 또는 그 바로 하류에서 고체 필름 또는 코팅, 예를 들어 산화물 필름의 침착을 초래할 수 있고, 이는 불활성, 고압, 가스 제트, 또는 물리적 가열에 의해서는 세정 또는 제거될 수 없다. 전술한 바와 같이 환형 노즐(51, 151) 및 오리피스(52, 152) 중 하나 또는 양자 모두를 통해서 유동 채널(30) 내로 주입된, 반응성 가스, 예를 들어, 삼불화 염소(ClF3) 또는 불산(HF)과 같은 식각 가스가 그러한 고체 필름 침착물을 증기 부산물로 전환시킬 수 있고, 그에 의해서 스로틀 밸브(10)(또는 210)를 청정하게 유지할 수 있다.
물론, 플리넘(46, 146) 내로의 세정 가스의 유입-유동의 압력이 높을수록, 환형 오리피스(52, 152) 외부의 세정 가스의 유동의 속도가 더 빠르고 힘이 더 강하다. 그러나, 과도하게 높은 압력이 진공 시스템으로 범람(flood)할 수 있거나, 펌프 성능에 영향을 미칠 수 있거나, 심지어 시스템의 진공 무결성(integrity)을 손상시킬 수 있을 것이다. 그에 따라, 대부분의 적용예에서, 가스 유입구 압력을, 예를 들어, 그러나 비제한적으로, 35 psig, 또는 약 2 바아 이하로 제한하는 것이 적절하다.
또한, 양압 및 분말 입자를 송풍하는 것이 그러한 입자의 반응 챔버(102)(도 1) 내로의 역류를 유발할 수 있고, 이는, 후속하여 반응 챔버(102) 내에서 침착되는 얇은 필름(106)을 입자 오염시킬 수 있고, 이는 그러한 얇은 필름(106)을 망칠 수 있다. 다시, 반응 챔버(102) 내의 오염은, 세정 및 이어지는 재-배기를 위해서 시스템을 중단하기 위해서 취해질 수 있는, 생산 손실 및 시간에 대해서 극히 많은 비용을 지출할 것이다. 그러한 오염을 방지하기 위해서, 스로틀 밸브(10) 내의 세정 가스 퍼지 또는 세정 중에, 반응 챔버(102) 내에서 진공을 격리시키고 유지하도록, 진공 펌핑 라인(104) 내의 격리 밸브(118)가 폐쇄될 수 있다. 그러나, 그러한 양압이 또한, 스로틀 밸브(10) 자체 내에서, 진공 펌프(116) 내에서, 그리고 진공 펌핑 라인(104) 내의 다른 밀봉된 연결부 내에서, 밀봉을 파괴할 수 있다.
하나의 예시적인 구현예에서, 세정 가스가, 각각의 환형 오리피스(52, 152)로 연결되는 환형 노즐(51, 151) 내에서 색류 유동 조건을 생성할 수 있을 정도로 충분히 높은 압력으로 공급되고, 이는 환형 노즐(51, 151) 및 환형 오리피스(52, 152)를 통한 세정 가스의 질량 유량을 제한한다. 스로틀 밸브(10)의 유동 채널(30) 내로의 환형 오리피스(52, 152)를 통한 세정 가스의 그러한 제한된 질량 유량은 하류 압력 즉, 스로틀 밸브(10) 내의 그리고 진공 펌핑 라인(104) 내의 압력을 자가-제한한다(self-limit). 그에 따라, 그러한 색류 유동 조건이 이용된다면, 환형 노즐(51, 151) 내로의 세정 가스 유동을 위한 복잡한 유동 제어가 필요치 않다. 일반적으로, 단순한 압력 조절기(136) 및 온/오프 세정 가스 제어 밸브(134)로 충분하다. 환형 노즐(51, 151) 내의 색류 유동은, 각각의 환형 오리피스(52, 152)에서의 환형 노즐(51, 151)의 배출구 압력과 각각의 환형 노즐(51, 151)의 유입구 압력 사이의 압력비가 0.528 미만일 때 발생된다. 전형적으로, 진공 펌프(116)가 세정 사이클 중에 동작될 수 있을 것이고, 그러한 세정 사이클에서, 세정 가스가 환형 오리피스(52, 152)를 통해서 스로틀 밸브(10)의 유동 채널(30) 내로 펄스화되거나 달리 유동된다. 그에 따라, 예시적인 스로틀 밸브(10)에 대해서 본원에서 설명된 원리 및 특징을 이해한 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 세정 가스 공급을 위한 비교적 작은 압력 파라미터를 가지는 CVD 프로세스에서 스로틀 밸브(10)가 전형적으로 동작하는 진공 파라미터에서 환형 노즐(51, 151) 내의 색류 유동 조건을 생성하기 위한, 적절한 크기, 예를 들어, 각각의 횡단면 면적을 가지는 각각의 상류 및 하류 환형 노즐(51, 151)을 형성하기 위한, 적절한 각각의 치수, 예를 들어 직경의 각각의 원통형 연장부(70, 170)를 상류 및 하류 노즐 삽입체(50, 150)로 제공하는 것이 비교적 용이하다. 예를 들어, 원형(prototype) 환형 노즐에 대한 테스트는, 35 psi의 공급 압력으로부터의 질소 가스(N2)의 1 내지 2분의 유동에서, 스로틀 밸브, 진공 펌핑 라인, 및 진공 펌프 내의 압력이 단지 약 7 torr까지 상승하였다는 것을 보여주고, 이는, 압력비가 0.528 보다 상당히 더 높기 때문에, 색류 유동 조건이 달성되었다는 것을 명확하게 나타낸다. 그러나, 7 torr 압력은 스로틀 밸브(10) 또는 시스템의 다른 구성요소 내의 밀봉을 손상시킬 정도로 크지 않다.
만약, 전술한 바와 같이, 스로틀 밸브(10) 내의 고체 필름 침착물 또는 코팅을 세정하기 위해서 반응성 가스가 환형 오리피스(52, 152)를 통해서 유동된다면, 유입구 압력이 상당히 더 낮게 유지될 수 있고, 예를 들어 대기압 보다 약간 낮게 유지될 수 있는데, 이는, 반응성 가스의 화학적 반응에서, 예를 들어 식각 가스의 고체의 얇은 필름 재료와의 반응에서, 환형 오리피스(52, 152)의 외부의 반응성 가스의 유동의 속도가 반응성 가스의 온도 보다 덜 중요하기 때문이다. 그러한 반응성 가스 식각 또는 세정 동작이 반응성 가스 및 스로틀 밸브(10)의 가열에 의해서 향상될 수 있을 것이다.
다른 구성요소, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 다른 격리 밸브(138)가, 희망하는 경우에, CVD의 정상 동작의 시간 중에 스로틀 밸브(10)로의 공급 라인(130)을 폐쇄하기 위해서, 또는 스로틀 밸브(10)가 서비스 또는 교체를 위해서 제거될 필요가 있을 수 있을 때, 공급 라인(130)을 격리시키기 위해서, 세정 가스 공급 라인(130) 내에 제공될 수 있다. 공급 라인(130) 내의 세정 가스 유동이 단지 하나의 방향이 되게 즉, 스로틀 밸브(10)를 향하게 보장하도록, 선택적인 체크 밸브(140)가 또한 제공될 수 있다.
다른 구현예에서, 세정 가스가, 진행중인 CVD 침착 동작들과 동시적으로, 공급 라인(130)으로부터 스로틀 밸브(10)의 환형 플리넘(46, 146) 내로 그리고 환형 오리피스(52, 152)의 외부로 유동될 수 있을 것이다. 그러한 예시적인 구현예에서, 배출 가스 유동 및 배출 가스 유동 내의 분말 입자가 스로틀 밸브(10)의 내측 벽 표면(31)에 접촉하고 달라 붙는 것을 방지하는 방식으로 환형 오리피스(52, 152)의 외부에서 세정 가스의 환형 층류 유동을 생성하는, 제어된 압력으로 세정 가스가 유동되는 것이 바람직할 수 있을 것이다.
다른 예시적인 구현예에서, CVD 침착 프로세스가 짧은 시간 기간 동안 차단될 수 있고, 격리 밸브(118)가 폐쇄되어 반응 챔버(102)를 진공 펌핑 라인(104) 및 진공 펌핑 라인(104) 내의 구성요소로부터 격리시킬 수 있고, 그러한 구성요소가 스로틀 밸브(10) 및 진공 펌프(116)를 포함한다. 공급 라인(130)으로부터의 세정 가스의 유동이, 제어 밸브(132)를 개방하는 것에 의해서, 전술한 바와 같이, 펄스형 분출로, 정상-상태 유동으로, 또는 다른 변경으로, 스로틀 밸브(10)의 환형 플리넘(46, 146) 내로 시작될 수 있다. 이어서, 해당 세정 가스 유동이 환형 오리피스(52, 152)를 통해서 유동하여, 밸브 본체(32)의 내측 표면(31)에, 폐쇄 부재(14)에, 또는 스로틀 밸브(10)의 다른 내부 구성요소에 부착되어 있을 수 있는 분말 입자를 분리할 수 있고 그리고 그들을 배출구(22) 외부로 송풍시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술한 바와 같은 MOCVD GaN 침착 동작에서, 이러한 세정 동작을 매일 약 1 내지 2 분 동안 실시하는 것이, CVD 시스템을 중단하여야 하고 세정을 위해서 스로틀 밸브(10)를 진공 펌핑 라인(104)으로부터 제거하여야 할 때까지, 12 내지 18 개월의 기간 동안 스로틀 밸브(10)의 동작을 충분히 연장시킬 수 있는 것으로 믿어지며, 이는, 이러한 분말 제어 특징을 가지지 않는 그러한 MOCVD GaN 침착 시스템에서 요구되는 전형적인 2-개월 세정 간격에 대비된다.
전술한 세정 가스 주입 특징의 구조 및 기능이 폐쇄 부재의 임의의 특별한 셋팅 또는 스로틀링을 제공하기 위한 폐쇄 부재의 능력에 의존하지 않는다. 그에 따라, 전술한 예시적인 밸브(10, 210)가 스로틀 밸브 예이고 이러한 예의 폐쇄 부재(14)가 스로틀링 폐쇄 부재로서 설명되었지만, 본원에서 설명된 세정 가스 주입 특징이 다른 밸브에서, 예를 들어, 그러나 비제한적으로, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 셋팅 또는 조정이 없이, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 폐쇄 부재가 이동 가능한 온/오프 밸브(미도시)에서 구현될 수 있다.
전술한 설명은, 이하의 특징에 의해서 규정되는, 발명의 원리를 설명하는 예를 제공한다. 발명을 이해하는 당업자에 의해서 많은 중요하지 않은 수정 및 변화가 용이하게 이루어질 것이기 때문에, 도시되고 전술된 정확한 예시적 구성 및 프로세스로 발명이 제한되지 않을 것이다. 따라서, 전술한 특징에 의해서 규정되는 바와 같은 발명의 범위에 포함되는 모든 적합한 조합, 하위 조합, 수정, 및 균등물이 이루어질 수 있을 것이다. "구성한다" "구성하는", "포함한다", "포함하는"이라는 단어는, 전술한 특징을 포함하는 본 명세서에서 이용될 때, 기재된 특징, 정수, 구성요소, 또는 단계이 존재를 구체화하기 위한 것이나, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 구성요소, 단계, 또는 그 그룹의 존재나 부가를 배제하는 것은 아니다.

Claims (35)

  1. 밸브 장치이며:
    내부에 유동 채널을 갖고 유동 채널의 유입구 단부와 배출구 단부 사이에 배치된 폐쇄 부재를 구비한 밸브 본체;
    상기 유동 채널 내에서 환형 오리피스를 형성하는 상기 유동 채널 내의 노즐 삽입체;
    상기 환형 오리피스와 유체 연통하는 상기 노즐 삽입체 주위의 환형 플리넘; 및
    상기 환형 플리넘으로 유체 유동 관계로 연결되는 보조 도관을 포함하고,
    상기 환형 플리넘이 상기 밸브 본체의 유입구 단부 쪽으로 연장하는 환형 채널을 포함하고, 상기 환형 채널이 상기 노즐 삽입체에 의해서 둘러싸여 환형 플리넘을 형성하는, 밸브 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 삽입체가, 상기 유동 채널을 형성하는 밸브 본체의 내측 벽 표면보다 작은 직경의 원통형 연장부로 수렴하는 펼쳐진 유입구 단부 섹션을 가지는, 밸브 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원통형 연장부가 상기 환형 채널 보다 더 멀리 상기 유동 채널 내로 연장하여 상기 내측 벽 표면과 상기 원통형 연장부 사이에 환형 노즐을 형성하며, 그에 따라 상기 환형 노즐이 상기 환형 플리넘으로부터 상기 환형 오리피스까지 연장하는, 밸브 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 환형 채널에 인접한 밸브 본체에 접촉지지되는 상기 펼쳐진 유입구 단부 섹션의 둘레 주위의 테두리 플랜지를 포함하는, 밸브 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 테두리 플랜지 상에 장착된 원형 밀봉부를 포함하는, 밸브 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 환형 플리넘이 상기 밸브 본체의 배출구 단부 쪽으로 연장하는 환형 채널을 포함하고, 상기 환형 채널이 상기 노즐 삽입체에 의해서 둘러싸여 환형 플리넘을 형성하는, 밸브 장치.
  8. 유출물 내의 분말 입자를 생성하는 CVD 시스템의 진공 펌핑 라인 내에서 유출물 가스의 유동을 스로틀링하기 위한 스로틀 밸브 장치이며:
    유동 채널을 구비하는 밸브 본체로서, 유동 채널은 밸브 본체의 내측 벽 표면에 의해서 형성되고 유입구 포트로부터 배출구 포트까지 길이방향 축을 따라서 연장되는, 밸브 본체;
    상기 유입구 포트와 상기 배출구 포트 사이에서 유동 채널 내에 배치되는 스로틀링 폐쇄 부재;
    상기 스로틀링 폐쇄 부재를 향해서 대면하는 상기 내측 벽 표면에 인접하는 환형 오리피스;
    길이방향 축에 평행하게 그리고 그와 동심적으로 밸브 본체의 내측 벽 표면을 따라서 그리고 상기 스로틀링 폐쇄 부재를 향해서 상기 환형 오리피스를 통해서 그리고 상기 유동 채널 내로 세정 가스의 환형 유동을 주입하도록 배향된 환형 노즐에 의해서, 상기 환형 오리피스로 유체 유동 관계로 연결된 밸브 본체 내의 환형 플리넘;
    상기 환형 플리넘과 유체 유동 관계이고 세정 가스의 공급원으로의 연결을 위해서 구성된 상기 밸브 본체 내의 보조 도관을 포함하고,
    상기 환형 플리넘이 상기 밸브 본체의 유입구 단부 쪽으로 연장하는 환형 채널을 포함하고, 상기 환형 채널이 노즐 삽입체에 의해서 둘러싸여 환형 플리넘을 형성하는, 스로틀 밸브 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보조 도관 내로의 세정 가스의 유동을 제어하기 위해서 상기 보조 도관으로 유체 유동 관계로 연결되는 세정 가스 공급 밸브를 포함하는, 스로틀 밸브 장치.
  10. 삭제
  11. 밸브 본체 및 폐쇄 부재를 갖는 스로틀 밸브로서, 밸브 본체는 밸브 본체의 유입구 단부의 유입구 포트와 밸브 본체의 배출구 단부의 배출구 포트 사이에서 밸브 본체의 내측 벽 표면에 의해서 형성된 유동 채널을 구비하고, 유동 채널 내에 상기 폐쇄 부재가 있는, 스로틀 밸브 내에서 분말 및 고체 침착을 제어하는 방법이며:
    상기 폐쇄 부재 상류에서 상기 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 상류 환형 노즐을 통해서 세정 가스의 제1 부분을 유동시키는 단계로서, 밸브 본체의 유입구 단부 쪽으로 연장하며 유입구 단부로부터 유동 채널 내로 연장하는 상류 노즐 삽입체에 의해 유동 채널 주위로 둘러싸여 상류 환형 노즐을 형성하는 환형 채널을 포함하는 상류 환형 플리넘 내로 세정 가스의 제1 부분을 유동시키고, 상류 환형 플리넘은 세정 가스의 제1 부분을 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라 분배하는 단계; 및
    상기 폐쇄 부재 하류에서 상기 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 하류 환형 노즐을 통해서 세정 가스의 제2 부분을 유동시키는 단계로서, 밸브 본체의 배출구 단부 쪽으로 연장하며 배출구 단부로부터 유동 채널 내로 연장하는 하류 노즐 삽입체에 의해 유동 채널 주위로 둘러싸여 하류 환형 노즐을 형성하는 환형 채널을 포함하는 하류 환형 플리넘 내로 세정 가스의 제2 부분을 유동시키고, 하류 환형 플리넘은 세정 가스의 제2 부분을 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라 지향하도록 세정 가스의 제2 부분을 하류 환형 노즐 내로 분배하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 상류 환형 플리넘으로부터 상류 환형 노즐을 통해서 폐쇄 부재를 향해 지향되는 상류 노즐 삽입체의 단부에 의해 형성되는 상류 환형 오리피스로 그리고 상류 환형 오리피스의 외부로 세정 가스의 제1 부분을 유동시키는 단계; 및
    상기 하류 환형 플리넘으로부터 하류 환형 노즐을 통해서 폐쇄 부재를 향해 지향되는 하류 노즐 삽입체의 단부에 의해 형성되는 하류 환형 오리피스로 그리고 하류 환형 오리피스의 외부로 세정 가스의 제2 부분을 유동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 상류 환형 노즐 내에서 색류 유동 조건을 생성하는 단계; 및
    상기 하류 환형 노즐 내에서 색류 유동 조건을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 상기 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 간헐적으로 세정 가스의 제1 부분 및 제2 부분을 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 상기 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 펄스형 유동으로 세정 가스의 제1 부분 및 제2 부분을 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 상기 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 정상-상태 유동으로 세정 가스의 제1 부분 및 제2 부분을 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 세정 가스가 비-반응성 가스인, 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 세정 가스가 반응성 가스인, 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 상기 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 세정 가스의 제1 부분 및 제2 부분을 지향시키는 단계 중에, 상기 폐쇄 부재를 상기 유동 채널 내에서 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 전후로 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 밸브 본체 및 폐쇄 부재를 갖는 밸브로서, 밸브는 밸브 본체의 유입구 포트와 배출구 포트 사이에서 밸브 본체의 내측 벽 표면에 의해서 형성되고 길이방향 축을 따라서 연장되는 유동 채널을 구비하고, 유동 채널 내에 상기 폐쇄 부재가 있는, 밸브 내에서 분말 및 고체 침착을 제어하는 방법이며:
    길이방향 축에 평행하게 그리고 그와 동심적으로 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라서 유동 채널 내로 세정 가스의 적어도 하나의 환형 유동을 지향시키는 단계로서 세정 가스의 적어도 하나의 환형 유동은 폐쇄 부재의 한쪽 상에서 밸브 본체의 내측 벽 표면에 인접하게 위치되는 적어도 하나의 환형 노즐에 의해 형성되는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 세정 가스는, 유동 채널 주위에서 밸브 본체의 단부 내로 연장하고 노즐 삽입체에 의해 둘러싸이는 환형 채널을 포함하는 유동 채널을 둘러싸는 적어도 하나의 환형 플리넘을 통해 세정 가스를 적어도 하나의 환형 노즐 내로 유동시킴으로써 형성되고, 상기 환형 노즐은 노즐 삽입체에 의해 둘러싸이는, 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제21항에 있어서,
    상기 환형 노즐을 통해서 그리고 상기 폐쇄 부재의 상류에 배치된 환형 오리피스의 외부로 세정 가스를 유동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 환형 노즐을 통해서 그리고 상기 폐쇄 부재의 하류에 배치된 환형 오리피스의 외부로 세정 가스를 유동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 환형 노즐 내에서 색류 유동 조건을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 내측 벽 표면을 따라서 서로를 향해서 상기 폐쇄 부재의 대향 측면들로부터 대향 방향들로 세정 가스의 2개의 환형 유동들을 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 세정 가스가 비-반응성 가스인, 방법.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 세정 가스가 반응성 가스인, 방법.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라서 상기 유동 채널 내로 세정 가스의 적어도 하나의 환형 유동을 지향시키는 단계 중에, 상기 폐쇄 부재를 상기 유동 채널 내에서 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 전후로 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 삭제
  32. 밸브 본체 및 폐쇄 부재를 갖는 밸브 장치로서, 밸브 본체는 밸브 본체의 유입구 단부의 유입구 포트와 밸브 본체의 배출구 단부의 배출구 포트 사이에서 밸브 본체의 내측 벽 표면에 의해서 형성된 유동 채널을 구비하고, 유동 채널 내에 상기 폐쇄 부재가 있는, 밸브 장치이며,
    상기 폐쇄 부재의 상류의 상기 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 상류 환형 노즐;
    세정 가스의 제1 부분을 상류 환형 노즐로 분배하는 상류 환형 플리넘;
    상기 폐쇄 부재의 하류의 상기 내측 벽 표면에 인접하여 배치되고 상기 폐쇄 부재를 향해서 상기 내측 벽 표면을 따라서 지향되는 하류 환형 노즐; 및
    세정 가스의 제2 부분을 하류 환형 노즐로 분배하는 하류 환형 플리넘을 포함하고,
    상류 환형 플리넘은 유동 채널 주위에서 밸브 본체의 유입구 단부 쪽으로 연장하는 환형 채널을 포함하고, 환형 채널은 상류 노즐 삽입체에 의해 유동 채널 주위로 둘러싸여 상류 환형 플리넘을 형성하고,
    하류 환형 플리넘은 유동 채널 주위에서 밸브 본체의 배출구 단부 쪽으로 연장하는 환형 채널을 포함하고, 환형 채널은 하류 노즐 삽입체에 의해 유동 채널 주위로 둘러싸여 하류 환형 플리넘을 형성하는, 밸브 장치.
  33. 삭제
  34. 제32항에 있어서,
    상기 상류 환형 플리넘으로부터 상기 상류 환형 오리피스까지 세정 가스의 제1 부분을 유동시키기 위해서 상기 상류 환형 플리넘과 상기 상류 환형 오리피스 사이에서 연장하는 상류 환형 노즐; 및
    상기 하류 환형 플리넘으로부터 상기 하류 환형 오리피스까지 세정 가스의 제2 부분을 유동시키기 위해서 상기 하류 환형 플리넘과 상기 하류 환형 노즐 사이에서 연장하는 하류 환형 노즐을 포함하는, 밸브 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 상류 환형 노즐이, 상기 밸브 장치의 유동 채널이 동작되는 진공 파라미터 및 상기 세정 가스가 공급되는 압력 파라미터에서 상기 상류 환형 노즐 내의 색류 유동 조건을 생성하기 위한 크기의 횡단면 면적을 가지고; 그리고
    상기 하류 환형 노즐이, 상기 밸브 장치의 유동 채널이 동작되는 진공 파라미터 및 상기 세정 가스가 공급되는 압력 파라미터에서 상기 하류 환형 노즐 내의 색류 유동 조건을 생성하기 위한 크기의 횡단면 면적을 가지는, 밸브 장치.
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