KR19990032094A - 크라이오 펌프용 유체 방출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크라이오 펌프용 유체 방출 장치에 관한 것으로, 재생 공정에서 압력 방출 밸브의 배수관을 통한 가스의 방출 여부를 확인하기 위하여, 크라이오 펌프의 펌프 몸체와 연결된 압력 방출 밸브의 배수관과 배출관 사이에 투명한 배출관을 설치하며, 투명한 배출관 내부에 방출 가스의 흐름을 알 수 있는 회전 원판이 설치된 유체 방출 장치를 제공한다. 특히, 본 발명의 유체 방출 장치는 압력 방출 밸브가 개방될 경우에는 투명 배출관 내부의 회전 원판이 회전하며, 압력 방출 밸브가 닫힌 경우에는 투명 배출관 내부의 회전 원판이 정지된 상태를 투명 방출관을 통하여 육안으로 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

크라이오 펌프용 유체 방출 장치

본 발명은 크라이오 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재생 공정에서 압력 방출 밸브를 통하여 이물질이 배출되는 상태를 확인 할 수 있는 회전 원판이 설치된 투명 관을 갖는 크라이오 펌프용 유체 방출 장치에 관한 것이다.

현재 반도체 제조 공정은 크린 룸(Clean Room)이라는 특수한 환경 아래에서 모든 제조 공정이 이루어지고 있고, 이 크린 룸 내부에는 반도체 제조를 위한 각종 장비들이 설치된다. 그 중에서도 가장 많이 사용되고 있는 것이 진공 펌프(Vacuum Pump)이고, 그 진공 펌프는 여러 반도체 제조 장비들과 맞물려 작동하고 있는 중요한 장치 중의 하나이다.

진공 기술의 발달과 함께 진공 펌프도 여러 종류가 제품화되어 사용되고 있으며, 예를 들면, 확산 펌프(Diffusion Pump), 드라이 펌프(Dry Pump), 크라이오 펌프(Cryo Pump), 이온 펌프(Ion Pump), 터보 펌프(Turbo Pump) 등의 다양한 형태의 진공 펌프가 사용되고 있다.

이중에서 크라이오 펌프는 수소와 같은 질량이 가벼운 기체 분자를 배기시키는 데 사용되는 펌프로서, 가스를 챔버(Chamber)밖으로 내 보내는 것이 아니라 챔버에 붙어 있는 펌프 내부에 기체 분자들을 붙잡고 있는 가스 덫(Gas Entrapment) 방식의 펌프이다. 기체 분자 운동론에서 보면 1/2mv²=2/3kT에서 만일 온도 T가 절대 영도(0K)가 되면, 기체 분자의 속도도 영이 된다. 즉, 기체 분자가 움직이지 못하게 되는 것이다. 크라이오 펌프는 헬륨 가스를 이용하여 패널(Panel)의 온도를 낮추어서 먼저 패널에 충돌하는 기체 분자들의 운동 에너지를 감소시켜 거의 움직이지 못 할 상태로 만들어 패널에 붙여 놓고 2차로 패널 뒷면에 붙어 있는 다공질의 활성탄(Charcoal)에 속도가 줄어 든 수소, 헬륨, 네온 등을 가두어 놓는 것이다. 따라서, 크라이오 펌프의 배기 능력은 온도를 얼마나 낮게 만들 수 있고, 패널의 표면적을 효과적으로 넓게 만드냐에 따라 달라진다.

이와 같은 크라이오 펌프는 기체를 압축하거나 배출하기 보다는 포획하기 때문에 결국 펌프 내부는 포획된 기체로 가득 채워질 것이다. 따라서, 우리는 실온 또는 가열된 그 이상의 온도에서 펌프 내부에 포획된 기체를 따뜻하게 함으로써 펌프 내부에 포획된 기체를 비울 수 있을 것이다. 이 공정을 재생(Regeneration)공정이라 한다. 여기서, 크라이오 펌프의 재생 공정을 진행하는 이유는 펌프 내부의 포획된 기체를 배출하지 않으면 대부분의 냉동장치처럼 펌프 내부가 서리로 채워질 수 있기 때문에 주기적으로 재생 공정을 진행하게 된다.

한편, 이온 주입 장치의 타켓 챔버(Target Chamber)에 크라이오 펌프를 설치하게 되는데, 그 이유는 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 위에 입혀져 있는 포토레지스트(Photo resist)성분중 이온 주입시 떨어져 나오는 수소 가스를 배기시키기 위해서 사용된다.

그리고, 크라이오 펌프의 재생 공정은 크게 질소 정화(N₂Purge) 단계와, 러핑 펌핑(Roughing Pumping) 단계 및 냉각(Cool down)단계의 순으로 이루어지며, 질소 정화시 크라이오 펌프와 연결된 압력 방출 밸브(Pressure relief Valve)를 통하여 질소 정화된 방출 가스를 배출관으로 방출하게 된다. 여기서, 압력 방출 밸브는 재생 공정이 진행되기 전에는 펌프 몸체 방향으로 닫혀 있고, 질소 정화 공정시 펌프 몸체 내부의 압력이 일정 압력 이상 증가하면 압력 방출 밸브가 배출관 쪽으로 열리게 작동한다. 그러나, 압력 방출 밸브는 펌프 내부의 이물질과 챔버로부터 유입된 물질 등에 의해 질고 정화 공정을 진행할 때 압력 방출 밸브가 열리지 않는 불량이 자주 발생되며, 그로 인하여 크라이오 펌프가 폭발할 위험이 있다.

그리고, 실제 가스가 방출되는지의 여부를 확인하기 위해서 압력 방출 밸브의 배수관과, 배수관에 끼움 결합된 배출관을 분리하여 확인해야 되는데, 배수관과 배출관의 분리과정에서 유해 가스 성분이 누출되어 작업자 및 작업 공간을 오염시키게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 크라이오 펌프에 설치된 압력 방출 밸브의 동작 불능 상태를 확인할 수 있는 투명 배출관을 갖는 크라이오 펌프용 유체 방출 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 이온 주입 장치의 챔버에 크라이오 펌프가 설치된 상태를 나타내는 개략도,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 크라이오 펌프의 재생 공정에서 이물질이 압력 방출 밸브를 따라 방출되는 상태를 나타내는 부분 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 크라이오 펌프의 재생 공정도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

10 : 유체 방출 장치 12; 입수관

13 : 연결 구멍 14 : 배수관

15 : 방출 가스 16 : 압력 방출 장치

20 : 크라이오 펌프 21 :팽창기

23 : 헬륨 컴프레서 24 : 재생 정화 튜브

25 : 호스 30 : 챔버

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 크라이오 펌프의 펌프 몸체와 연결된 압력 방출 밸브의 배수관과 배출관 사이에 투명한 배출관을 설치하며, 투명한 배출관 내부에 방출 가스의 흐름을 알 수 있는 회전 원판이 설치된 크라이오 펌프용 유체 방출 장치를 제공한다. 특히, 본 발명의 크라이오 펌프는 압력 방출 밸브가 개방될 경우에는 투명 배출관 내부의 회전 원판이 회전하며, 압력 방출 배브가 닫힌 경우에는 투명 배출관 내부의 회전 원판이 정지된 상태를 투명 방출관을 통하여 육안으로 확인 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1을 참조하여 크라이오 펌프 시스템을 설명하면, 챔버(30)의 하부에 크라이오 펌프(20)를 설치하며, 크라이오 펌프(20)와 챔버(30) 사이에 고 진공 분리 밸브(40; High Vacuum Valve)가 설치된다. 그리고, 챔버(30)와 크라이오 펌프(20) 사이에는 냉각수가 대기 중으로 방출되지 않는 폐 루프 냉장 시스템(Closed Loop Refrigeration System)을 형성한다.

챔버(30)와 크라이오 펌프(20)를 연결하는 루프(56) 상에, 챔버(30)를 출발하여 챔버 러핑 밸브(55), 입자 조리 덫(51; Molecular Sieve Trap), 기계적 펌프(59), 덫 격리 밸브(58; Trap Isolation Valve), 입자 조리 덫(53), 펌프 러핑 밸브(57)와 최종적으로 크라이오 펌프(20)가 연결된다.

크라이오 펌프(20)는 챔버(30)의 하부에 고 진공 분리 밸브(40)를 사이에 두고 체결되는 펌프 몸체(27)와, 펌프 몸체(27)를 냉각시키기 위한 팽창기(21; Expander) 및 팽창기(21)에 헬륨 기체를 공급하거나 팽창기(21) 밖으로 헬륨 기체를 배출시키기 위한 유연한 호스(25)로 연결된 헬륨 컴프레서(23; Helium Compressor)가 설치된 구조를 갖는다. 여기서, 팽창기(21)는 냉동이 만들어지는 곳으로 헬륨 컴프레서(23)에서 고압 헬륨 가스를 공급받는다. 그리고, 펌프 몸체(27)에는 재생 공정에 필요한 장치들이 설치되는데, 펌프 몸체(27)의 상부에 근접하게 압력 방출 밸브를 포함하는 유체 방출 장치(10)가 설치되며, 내부에는 챔버(30)와 펌프 몸체(27) 내부에 있는 기체들이 응착되어 흡착되는 어레이(도시 안됨)가 설치되며, 하부에 펌프 몸체(27) 내부로 가열된 건조 질소 가스를 주입하기 위한 재생 정화 튜브(24; Regeneration Purge Tube)가 설치되며, 재생 공정 이후에 어레이들과 펌프 몸체(27) 사이의 격리 진공을 만들기 위한 펌프 러핑 밸브(57)가 펌프 몸체(27)에 연결된 구조를 갖는다.

도 1과, 도 2 및 도 3을 참조하여 재생 공정에 의해 펌프 몸체 내부에서 외부로 배출되는 가스를 제어하는 압력 방출 밸브를 포함하는 유체 방출 장치를 설명하면, 유체 방출 장치(10)는 펌프 몸체(27)에 배출되는 가스(15)가 입수되는 입수관(12)과, 입수관(12)과 연결되어 있으며, 방출 가스(15)를 배출관(60)으로 보내기 위한 배수관(14)으로 이루어져 있으며, 입수관(12)과 배수관(14)을 연결시켜 주는 연결관(19)에 입수관(12) 개폐를 위한 압력 방출 밸브(16)이 설치된 구조를 갖는다. 한편, 본 발명에 따른 배출관(60)은 배수관(14)에 근접하게 일측이 끼움결합된 투명 배출관(63)과, 투명 배출관(63)의 타측에 끼움 결합된 연결 배출관(65)으로 이루어져 있다. 이때, 입수관(12)은 펌프 몸체의 내부와 연결된 관(26)에 끼움 결합되어 있다.

압력 방출 밸브(16)는 입수관(12)을 개폐시켜 방출 가스(15)를 배수관(14)으로 보낼 수 있도록 배수관(14)에 근접한 입수관(12)에 설치되는 피스톤(18)과, 피스톤(18)과 연결된 탄성부(17)로 이루어져 있다. 여기서, 압력 방출 밸브(16)가 설치된 구조를 설명하면, 입수관(12)과 배수관(14) 사이에 벽(11)이 형성되어 있으며, 벽(11)을 사이에 두고 입수관(12)과 연결관(14)이 연결될 수 있는 제 1 연결 구멍(13a)이 형성되어 있고, 연결관(12)과 배수관(14)이 연결될 수 있는 제 2 연결 구멍(13b)이 형성되어 있다. 피스톤(18)은 제 1 연결 구멍(13a)을 개폐시켜 입수관의 방출 가스(15)를 배수관(14)으로 보내거나 차단하게 된다.

그리고, 압력 방출 밸브(16)는 입수관(12)을 통하여 입수되는 방출 가스(15)의 유압에 의해 제 1 연결 구멍(13a)이 개폐되는 구조를 갖는다. 여기서, 압력 방출 밸브(16)는 유압이 7∼9psig에서 열린다. 즉, 펌프 몸체(27)에서 외부로 방출되는 방출 가스(15)가 입수관(12)을 통하여 제 1 연결 구멍(13a)을 막고 있는 피스톤(18)의 하부에 유압을 작용하게 되며, 유압이 피스톤(18)을 개폐시킬 수 있는 압력에 도달하게 되면, 피스톤(18)이 상승하여 제 1 연결 구멍(13a)이 열려 연결관(19)과, 제 2 연결구멍(13b)을 지나 배출관(60)과 연결된 배수관(14)으로 보내지게 된다. 이때, 피스톤(18)과 연결된 탄성부(17)는 수축하게 된다. 그리고, 재생 공정이 완료된 이후에 질소 가스의 공급을 중단하게 되면 입수관(12)으로 보내지는 방출 가스(15)의 유속은 감소하게 되고, 그에 따라서 피스톤(18) 상부에 연결된 탄성부(17)의 팽창하면서 제 1 연결 구멍(13a)을 막아 방출 가스(15)의 배수관(14)으로의 유입을 차단하게 된다.

한편, 투명 배출관(63)은 내부에 관의 내경보다는 작은 내경을 갖는 회전 원판(70)이 설치되어 있어 배수관(14)을 지나 투명 배출관(63)으로 배출되는 가스(15)에 의해 회전하게 된다. 따라서, 압력 방출 밸브(16)가 작동하는 경우에만 회전 원판(70)이 회전하기 때문에 질소 정화 공정 시 투명 배출관(63) 내부의 회전 원판(70)의 회전 유무를 육안으로 확인하여 압력 방출 밸브(16)의 작동 유무를 쉽게 체크할 수 있다. 투명 배출관(63)은 투명한 재질의 플라스틱 예를 들면 투명한 PVC(Polyvinly Chloride) 관으로 제작된다.

도 4를 참조하여 재생 공정을 설명하면, 크라이오 펌프의 작동에 의해 펌프 몸체 내부에 축적된 기체의 수준이 수용량에 가까워지면, 먼저 고 진공 분리 밸브를 닫고(1), 팽창기로의 헬륨 공급을 차단하기 위해 헬륨 컴프레서를 끈다.

그리고, 가열된 건조 질소(최대 온도 120℃)를 재생 정화 튜브를 통하여 펌프 몸체 내부에 공급하여 펌프 몸체 내부를 정화하게 되며(2, 3), 펌프 몸체 내부에 축적된 기체들은 유체 방출 장치의 압력 방출 밸브를 통해 펌프 몸체에서 배출관으로 방출된다. 이때, 배출관으로 방출되는 상태는 회전 원판의 회전 유무를 확인함으로써 체크가 가능하다.(4) 따라서, 회전 원판이 회전하지 않는 경우는 질소 가스 공급을 중단하여 재생 공정을 중지하게 된다.(8)

펌프 몸체 내부에 축적된 기체들이 거의 압력 방출 밸브를 통하여 방출되어 펌프 몸체 내부가 정화된 이후에 질소 가스 공급을 중단하면 압력 방출 밸브는 닫힌다.

이때, 펌프 몸체 내부는 대기 상태에 가깝기 때문에 펌프 몸체와 연결된 러핑 펌프를 이용한 펌핑 작업(5)에 의해 초기 진공 상태를 만든 이후에 헬륨 컴프레서에서 고압 헬륨 가스를 팽창기로 공급하여 펌프 몸체 내부를 냉각시킨다.(6)

그리고, 고 진공 분리 밸브를 열어 펌프 몸체와 챔버를 연결시킴으로써 재생 공정은 완료된다.(7)

이와 같은 회전 원판을 갖는 투명 배출관은 압력 방출 밸브의 배수관에 연결된 구조를 설명하였지만, 가스 배출의 유무의 확인이 필요한 가스 배출 장치들에 응용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 구조를 따르면 압력 방출 밸브의 배수관을 지나 배출관을 통한 가스의 배출 상태를 투명 배출관 내부의 회전 원판의 회전 유무에 따라서 육안으로 확인할 수 있기 때문에 크라이오 펌프의 폭발 위험을 사전에 체크할 수 있다.

Claims (4)

1. 유체가 입수되는 입수관과, 상기 입수관과 연결된 배수관 및 상기 입수관과 배수관 사이에 설치되며, 상기 입수관으로 유입된 유체의 유압에 의해 개폐되는 개폐 수단을 갖는 압력 방출 밸브; 및

   상기 압력 방출 밸브의 배수관과 연결된 방출관을 갖는 유체 방출 장치에 있어서,

   상기 배수관과 방출관이 투명 방출관으로 연결되며, 상기 투명 방출관 내부에 회전 원판이 설치되어 상기 배수관을 통한 유체의 방출 여부를 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 유체 방출 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 입수관은 크라이오 펌프의 펌프 몸체의 내부와 연결된 것을 특징으로 하는 유체 방출 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 방출관으로 방출되는 유체는 크라이오 펌프의 재생 공정에 의해 발생된 기체인 것을 특징으로 하는 유체 방출 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 회전 원판이 상기 투명 방출관의 내관의 직경보다는 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 방출 장치.