KR20020020647A - 압축 가스 실린더의 플라즈마 건조 및 패시베이팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축 가스 실린더의 플라즈마 건조 및 패시베이팅(passivating) 방법에 관한 것이다. 아르곤 또는 헬륨과 같은 플라즈마 가스는 빈 실린더에 대기압 이하의 압력에서 첨가되고, 전류는 양극을 통해 가스에 인가된다. 전류는 실린더의 내부 표면을 건조시키고/시키거나 패시베이팅하기에 충분한 시간동안 흐른다.

Description

압축 가스 실린더의 플라즈마 건조 및 패시베이팅 방법{PLASMA DRYING AND PASSIVATION OF COMPRESSED GAS CYLINDERS}

본 발명은 정화 가스 및 전력 공급부를 이용하여 실린더 내부에 플라즈마를 발생시켜 압축 가스 실린더를 정화하고 패시베이팅(passivating)하는 방법을 제공한다.

가스에 대한 정화 규제 기준이 해마다 계속 강화되고 있다. 이러한 추세는 전자 산업에서 사용되는 가스에서 특히 그러하다. 이러한 가스의 분배 시스템은 주로 가스 실린더이고, 상기 시스템의 핵심은 기본적으로 가스 실린더의 정화 및 준비에 있다.

수분 오염은 정화 전자 가스의 주요 오염원이다. 잔여 수분을 제거하기 위해 진공중 실린더 베이크-아웃(bake-out) 처리가 사용되며, 이러한 베이크-아웃 처리법이 최근의 정화 처리에서 최종 정화 단계로서 사용된다. 매우 낮은 수증기압으로 베이크-아웃에 의해 수분을 제거하고자 하는 경우 장시간, 전형적으로 2 내지 3시간이 요구된다. 수분의 농도가 높아지면 고온에서 더 긴 시간의 베이크-아웃 시간을 요구하고, 따라서 이것은 실린더 정화 비용을 상승시킨다.

베이크-아웃 단계 후, 후처리 정화가 수행된다. 이것은 전형적으로 가스 실린더의 내부 표면을 반응성 기체로 패시베이팅하는 것이다. 이것은 사용하기 위한 실린더의 정화 및 준비 비용을 추가로 상승시킨다.

본 발명의 발명자들은 가스 실린더 내부에서 발생된 플라즈마를 사용하는 경우 수분 제거능이 개선됨을 밝혀냈다. 불활성 기체로 추가로 재충전하면 추가의 처리에 대한 필요성을 제거하고, 전자 가스 산업에 사용하기 위한 가스 실리더의 정화 및 준비의 손실을 감소시키는데 도움을 준다.

본 발명의 목적은 저비용이면서 효과적인 압축 가스 실린더의 건조 및 패시베이팅 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 플라즈마 가스 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2는 실린더의 플라즈마 처리 및 실린더의 베이크-아웃 처리 시간에 대한 수분 존재량의 그래프를 도시한 것이다.

본 발명은 적당한 가스가 배출되는 압축 가스 실린더의 플라즈마 건조 및 패시베이팅 방법을 제공한다. 이 방법은 플라즈마 가스를 정화되는 실린더의 내부에 적용하는 단계 및 상기 가스에 내부 실린더 표면을 정화하고/하거나 패시베이팅하기에 충분한 시간동안 전류를 인가하는 것을 포함한다. 이 방법은 또한 플랜지를 통해 실린더내로 금속관을 삽입시키는 중심 개구를 갖는 플랜지에 빈 실린더를 연결시키는 단계; 진공 공급원을 플랜지에 연결시키는 단계; 플라즈마 가스의 공급원을 금속관에 부착시키는 단계; 상기 금속관을 통해 양극을 삽입하고 양극에 전력 공급부를 연결시키는 단계; 플라즈마 가스의 실린더내로의 유동을 개시시키고 전류를 양극에 인가하는 단계; 실린더 내부에 수분이 소멸될 때까지 가스의 유동 및 전류를 계속하는 단계를 포함한다.

이 방법은 실린더를 건조시키는 통상적인 베이크-아웃법에 비해 이점을 제공한다. 플라즈마는 실리더의 벌크를 가열할 때와는 달리 실린더의 표면에서 농축되므로 보다 효율적인 방법이다. 추가의 에너지는 아르곤과 같은 분자로 충격을 가하거나 표면에서 산화물을 제거하는데 예를 들면 수소와의 화학적 반응에 의해 공급될 수 있다. 이 화학은 베이크-아웃법을 사용하면 일어날 수 없다.

직류형 또는 교류형 플라즈마법을 사용함으로써, 의도적으로 제조된 플라즈마는 단지 휘발성 불순물을 제거할 수 있는 베이크-아웃법과는 달리 특정 불순물을 제거하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 유기 물질은 산소 플라즈마에 의해 제거될 수 있고, 수소 및 불소 플라즈마는 산소를 제거할 수 있다. 또한, 금속 표면은 금속의 신선한 표면을 노출시키기 위해 스퍼터링될 수 있는데, 이것은 베이크-아웃법에서 수행될 수 없다.

수분 제거를 위해 플라즈마 시스템은 1 torr 부근에서 작동시킬 수 있고 베이크-아웃동안의 진공 수준은 10^-4torr일 필요가 있다는 점에서 추가의 효율이 실현된다. 고순도 가스의 실린더를 통한 상부로부터 하부로의 정상 유동은 실린더로부터 효과적으로 불순물을 일소할 수 있고 정화를 촉진시킨다.

플라즈마 처리 시스템(1)은 추가로 상세하게 기술된다. 펌프 패키지(10)는 밸브(11)를 통해 관(12)에 연결된다. 이 관은 제어 밸브(20)에 연결된다. 이 제어 밸브는 공정에서 발생되는 유속 및 압력을 조작하는데 적합한 크기를 갖는다. 제어 밸브(20)는 관(12)에 부착되고, 관(21)은 플랜지(22)를 4방향 교차부(23)에 연결시킨다.

건조되고/되거나 패시베이팅되는 실린더(70)는 플랜지 조립부(80)를 통해 4방향 교차 조립부(23)에 연결된다. 플랜지가 실린더에 연동되면, 실린더에 진공이 가해질 수 있다. 전형적으로, 10 torr 내지 약 0.1 torr의 진공이 실린더의 건조 및 패시베이팅에서 사용된다.

양극(60)은 진공 공급물-통과 플랜지(24)를 통하고 플랜지 조립부(80)를 통해 실린더(70)내로 도입된다. 절연체(50)는 플라즈마 에너지가 4방향 밸브 조립부 내에서 방출되지 않도록 4방향 교차 조립부(23) 내에서 양극을 둘러싼다.

진공 공급물-통과부(30 및 31)는 양극과 전체 플라즈마 처리 시스템 및 가스 공급관(33)을 전기적으로 분리시키기 위해 양극(60)에 부착된다. 교류 및 직류일 수 있는 플라즈마 전력 공급부(90)는 (91)에서 양극에 연결되고 (92)에서 4방향 교차 조립부에 연결된다. 클램핑 장치에 의해 연결될 수 있거나 납땜에 의해 전력을 개별적인 연결 지점으로 유도한다.

공급관(33)은 핏팅(32)에서 양극에 연결된다. 공급관(33)은 또한 밸브(40)에 연결되고, 밸브(40)는 라인(41)을 통해 가스 공급 매스 유동 제어기(MFC)(42)에 연결된다. 공급관은 또한 매니폴드(43)에 연결되고, 매니폴드(43)는 관(44)에 연결되고 추가로 밸브(46)에 연결되고 추가로 라인(47)을 통해 가스 공급 MFC(48)에 연결된다. 여러 다른 공급 가스 공급부 라인은 동일한 방법으로 이 매니폴드에 연결될 수 있다. 가스 실린더는 전형적으로 아르곤, 헬륨, 수소, 질소, 산소, 네온, 크립톤 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 가스를 함유한다. 플라즈마 가스로서 사용될 수 있는 가스는 산소, 브롬화 수소, 브롬, 염소, ClF₃, 삼불화 질소, 프레온, 육불화 황, BCl₃, HCl 및 이들의 혼합물을 포함하나 이에 제한되지 않는다.

플라즈마 처리 시스템은 시스템에서의 진공 및 플라즈마 가스의 실린더내로의 유동을 가함으로써 작동된다. 이어서, 전력은 양극으로 공급되고, 플라즈마는 실린더내에서 발생된다. 플라즈마는 다양한 조건을 제공하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 아르곤이 사용될 수 있고, 스퍼터링 조건은 실린더에 불활성 원자로 충격을 가하여 특정 불순물을 정화시키도록 생성된다. 실린더의 표면을 가스가 이후 실린더에 위치하기에 적당한 화학적 조건으로 화학적으로 전환시키기 위해 실린더의 표면이 NF₃, 브롬화 수소, 염소, BCl₃또는 다른 반응성 가스의 도입에 의해 화학적으로 개질되는 경우 다른 조건이 생성될 수 있다. 전형적으로, 관의 중심내로의 이러한 가스에 대한 유속은 약 0.5 내지 약 5.0 slm이다.

기술된 공정의 하나의 양태에서, 섬유 광학 프로브(100)는 실린더에서 플라즈마로부터 나오는 방출물을 관찰하기 위해 사용된다. 이 방출물의 스펙트럼은, 스펙트럼 분석기(110)를 사용하여 수분 및 플라즈마 공정동안 발생되는 다른 가스를 관찰하고 실린더의 패시베이팅 및/또는 건조의 진행을 감시하기 위해 분석될 수 있다. 스펙트럼 분석기 데이터를 기초로 하여, 특정 조건에 도달하면, 플라즈마 공정은 중지될 수 있다.

공정의 다른 양태에서, 공정으로부터의 저압 배출 가스는 펌핑 시스템으로 보내지기 전에 FT-IR, 수분 분석기, 레이저 링다운(ringdown) 분석기, 조정가능한 다이오드 레이저 분석기, 잔여 가스 분석기(RGA), 내부공극 레이저 분석기 또는 다른 분광 분석기를 통과하고, 건조 및/또는 패시베이팅 공정의 진행 및 완료는 이 스펙트럼 정보를 기초로 하여 결정된다.

실린더로부터 수분의 제거를 위해 아르곤을 사용하는 플라즈마 공정에 대한 실험을 수행하였다. 400 cc/분의 아르곤을 시스템에 통과시키고, 진공 펌프로 실린더에 1 torr의 압력을 가하였다. 2.5 A 및 250 V로 설정된 직류 플라즈마 전력 공급부를 사용하여 플라즈마에 충격을 가하였다. 플라즈마 공정을 실린더에서 약 2시간동안 작동시켰다.

플라즈마가 완료되면, 이어서 실린더를 1 L/분의 속도로 고순도의 질소로 충전시켰다. 대기압 이온화 매스 분광기(APIMS)를 사용하여 실린더로부터 나오는 수분 함량을 측정하였다. 비교를 위해, 터보 분자 진공 펌프 및 130℉의 온도 및 10^-6torr의 압력의 가열 블랭킷을 사용하여 실린더를 베이크-아웃시키고, 무수 N₂를 실린더에 통과시킨 후의 수분 함량을 APIMS로 조사하였다.

플라즈마 정화 및 베이크-아웃 정화 둘 다에 사용된 실린더 정화 및 시험 프로토콜은 아래에 약술된다. "a"로 지칭된 단계들은 플라즈마에 대한 것이고, "b"로 지칭된 단계들은 베이크-아웃에 대한 것이다.

1. 실린더는 2 slm의 N₂로 10 ppb로 건조됨.

2. 2 mTorr에서 15초간 루츠 송풍기로 간단하게 진공화시킴.

3. 습윤 N₂(이슬점 3.4℃= 7700 ppm H₂O)로 800 torr로 충전시키고 1시간동안 놔둠.

4. 간단하게 진공화시킴.

5a. 1 torr 및 200 sccm에서 Ar로 충전시켜 유지시킴.

5b. 터보 펌프로 스위칭되게 펌핑시킴.

6a. 2시간동안 플라즈마 처리됨.

6b. 110℃로 가열하고 2시간동안 유지시킴.

7a. 간단하게 진공화시킴.

7b. 루츠 송풍기로 스위칭되게 펌핑시킴.

8. 무수 N₂로 800 torr로 충전시킴.

9. 간단하게 진공화시킴.

10. 무수 N₂로 900 torr로 충전시킴.

11. 900 torr 및 2 slm의 N₂스트림에서 유지시키고 APIMS에 의해 분석함.

도 2는 플라즈마 처리 후의 실린더로부터 배출된 수분이 베이크-아웃 처리보다 상당히 낮다는 것을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 공정으로 처리된 실린더로부터 나온 수분의 양은 베이크-아웃 실린더로부터 나온 수분의 총량의 1/10 미만이었다. 드라이-아웃 곡선은 또한 플라즈마 공정에 비해 매우 가파랐는데, 이것은 잔여 수분이 플라즈마 공정에 의해 처리된 실린더에서 보다 더 급격하게 고갈되었다는 것을 나타낸다.

두 공정에 대한 처리 시간을 기초로 하여, 플라즈마 공정은 훨씬 더 낮은 수분 함량을 수득하였다. 플라즈마 공정을 사용하는 경우 더 짧은 시간으로도 베이크-아웃 공정과 비교할 때 상당한 수준의 수분을 제거하기에 충분한 것으로 기대된다.

플라즈마 공정이 완료되면, 시스템은 개질된 화학이 공기의 도입에 의해 영향을 받지 않는 것을 보장하기 위해 초무수 불활성 가스로 재충전된다. 밸브는 여러 가능한 수단에 의해 넥(neck)으로 도입된다. 글러브 박스는 불활성 환경하에서 밸브를 삽입시키기 위해 부착될 수 있다. 진공 시스템 내의 기계적인 머니퓰레이터는 밸브를 삽입시키는데 사용될 수 있고/있거나 불활성 기체 분위기는 실린더의 내용물의 순도를 유지시키면서 밸브가 외부로 삽입될 수 있도록 실린더의 출구 주위에 설정될 수 있다. 밸브가 삽입되면, 이것은 표준 수단에 의해 조여지고 표준누출 시험 과정을 거치게된다. 이어서, 실린더는 완전하게 제거되고, 적당한 가스로 충전될 준비가 된다.

본 발명은 그의 특별한 양태에 관해 기술되지만, 본 발명의 많은 다른 형태 및 변형태가 당해 분야의 숙련자에게 명백할 것이 분명하다. 첨부된 청구범위 및 본 발명은 일반적으로 본 발명의 정신 및 범주 내에 있는 모든 이러한 명백한 형태 및 변형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 종래의 베이크-아웃법에 비해 저비용으로 효과적으로 압축 가스 실린더를 건조 및 패시베이팅한다.

Claims (12)

1. 가스를 실린더내로 도입하는 단계 및 상기 가스에 전류를 인가하여 실린더로부터 수분을 제거하기에 충분한 시간동안 실린더에서 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는, 압축 가스 실린더의 건조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   가스가 아르곤, 헬륨, 수소, 질소, 산소, 네온, 크립톤 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   전류가 교류 또는 직류인 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   실린더의 내부가 진공인 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   가스의 유속이 약 0.5 slm 내지 약 5.0 slm인 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   실린더가 수분 제거 후에 불활성 가스로 재충전되는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   실린더의 내부 표면을 패시베이팅(passivating)하는 것을 추가로 포함하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   패시베이팅이 산소, 브롬화 수소, 브롬, 염소, ClF₃, 삼불화 질소, 프레온, 육불화 황, BCl₃, HCl 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 가스로 수행되는 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   실린더의 내부 표면을 스퍼터링하는 것을 추가로 포함하는 방법.
10. a) 실린더를 중심 개구를 갖는 플랜지에 연결시키는 단계;

    b) 상기 중심 개구를 통해 실린더내로 금속관을 삽입시키는 단계;

    c) 상기 프랜지에 진공 공급원을 연결시키는 단계;

    d) 상기 금속관을 통해 양극을 삽입시키는 단계;

    e) 상기 양극에 전력 공급부를 연결시키는 단계;

    f) 상기 금속관을 통해 실린더내로 가스의 유동을 개시시키는 단계; 및

    g) 상기 양극에 전류를 인가하여 실린더를 패시베이팅하기에 충분한 시간동안 실린더에서 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는, 압축 가스 실린더의 패시베이팅 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    진공 공급원이 실린더에 약 10 torr 내지 약 0.1 torr 진공을 제공하는 방법.
12. 제 10 항에 있어서,

    가스가 아르곤, 헬륨, 질소, 수소, 산소, 브롬화 수소, 브롬, 염소, ClF₃, 삼불화 질소, 프레온, 육불화 황, BCl₃, 네온, 크립톤, HCl 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.