KR20060084360A - Diaphragm valve for atomic layer deposition - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 고온의 박막 증착 기기에 사용하기에 바람직한, 특히 원자 층 증착 반응기의 선구 물질 전달 시스템에 유용한 특징을 갖는 다이아프램 밸브에 관한 것이다.The present application relates to a diaphragm valve having characteristics useful for use in high temperature thin film deposition equipment, particularly for precursor mass transfer systems in atomic layer deposition reactors.
또한 원자 층 애피텍시(ALE: Atomic Layer Epitaxy)로 알려진 원자 층 증착(ALD)은 순차적 및 교대 자가-포화 표면 반응을 수반하는 기판 상에 박막을 증착하는 방법이다. ALD 공정은 본 명세서에 참고용으로 병합된, Suntola 등의 미국 특허 4,058,430에 기재되어 있다. ALD는, 원자 층 애피텍시(T. Suntola 및 M. Simpson, eds., Blackie 및 Son Ltd., 글래스고우, 1990)에 기재된 바와 같이 당업자에게 잘 알려진, 물리적 진공 증착(PVD)(예를 들어, 진공 증착 또는 스퍼터링) 및 화학 진공 증착(CVD)과 같은 다른 박막 증착 방법에 비해 여러 이익을 제공한다. ALD 방법은, 차세대 집적 회로에 필요한 원하는 단계 범위 및 물리적 특성을 달성하기 위해, 반도체 웨이퍼 기판 상에 박막을 증착시키는데 사용하기 위해 제안되었다.Atomic layer deposition (ALD), also known as atomic layer epitaxy (ALE), is a method of depositing thin films on substrates that involve sequential and alternating self-saturated surface reactions. ALD processes are described in US Pat. No. 4,058,430 to Suntola et al., Which is incorporated herein by reference. ALD is known in the art for physical vacuum deposition (PVD) (eg, as described in atomic layer epitaxy (T. Suntola and M. Simpson, eds., Blackie and Son Ltd., Glasgow, 1990)). It offers several benefits over other thin film deposition methods such as vacuum deposition or sputtering) and chemical vacuum deposition (CVD). The ALD method has been proposed for use in depositing thin films on semiconductor wafer substrates to achieve the desired step range and physical properties required for next generation integrated circuits.
성공적인 ALD 성장은, 2개 이상의 선구 증기를 기판 표면 주위의 반응 공간에 순차적인 도입하는 것을 필요로 한다. 일반적으로, ALD는 상승된 온도 및 감소 된 압력에서 수행된다. 예를 들어, 반응 공간은 150℃와 600℃ 사이로 가열될 수 있고, 0.1mbar와 50mbar 사이의 압력에서 작용될 수 있다. 심지어 그러한 고온 및 낮은 작용 압력에서, 선구 증기의 펄스가 델타 함수가 아닌데, 이는 실질적인 상승 및 하강 시간을 갖는다는 것을 의미한다. 제 1 펄스가 완전히 하강되기 전에, 즉 여분의 제 1 선구 증기가 반응 공간으로부터 실질적으로 정화되기 전에 제 2 펄스가 시작되는 경우, 선구 증기의 순차 펄스는 중첩될 것이다. 상이한 선구 증기의 상당량이 동시에 반응 공간에 존재하면, 비-ALD 성장은 발생할 수 있고, 이것은 입자 또는 비-균일 막 두께를 생성할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 선구 증기의 펄스는, 반응 공간에서 제 1 선구 증기의 초과량이 정화되는 정화 간격(purge interval)에 의해 분리된다. 정화 간격 동안, 반응 챔버는 불활성 가스와의 반응 챔버의 플러싱(flushing), 진공의 적용, 펌핑, 흡입, 또는 이들의 몇몇 조합에 의해 정화된다.Successful ALD growth requires the sequential introduction of two or more precursor vapors into the reaction space around the substrate surface. In general, ALD is performed at elevated temperatures and reduced pressures. For example, the reaction space can be heated between 150 ° C. and 600 ° C. and can be operated at pressures between 0.1 mbar and 50 mbar. Even at such high temperatures and low working pressures, the pulse of precursor vapor is not a delta function, which means that it has a substantial rise and fall time. If the second pulse starts before the first pulse is completely lowered, that is, the excess first precursor vapor is substantially purged from the reaction space, the sequential pulses of the precursor vapor will overlap. If a significant amount of different precursor vapors are present in the reaction space at the same time, non-ALD growth can occur, which can produce particle or non-uniform film thickness. To avoid this problem, the pulses of precursor vapor are separated by purge intervals in which excess excess of the first precursor vapor is purified in the reaction space. During the purge interval, the reaction chamber is purged by flushing the reaction chamber with an inert gas, applying a vacuum, pumping, suction, or some combination thereof.
일반적으로 ALD 반응 공간은 반응 챔버에 의해 경계를 갖고, 이러한 반응 챔버는 하나 이상의 선구 물질 전달 시스템(또한 "선구 소스"라 불림)에 의해 공급된다. 반응 공간의 크기는 기판을 수용하는데 필요한 반응 챔버의 치수에 의해 영향을 받는다. 몇몇 반응 챔버는 배치 처리(batch processing)를 위해 다수의 기판에 맞도록 충분히 크다. 그러나, 배치 처리 시스템에서 반응 공간의 증가된 체적은 증가된 선구 펄스 지속기간 및 정화 간격을 필요로 할 수 있다.In general, the ALD reaction space is bounded by a reaction chamber, which is supplied by one or more precursor mass transfer systems (also called "precursor sources"). The size of the reaction space is influenced by the dimensions of the reaction chamber required to receive the substrate. Some reaction chambers are large enough to fit multiple substrates for batch processing. However, increased volume of reaction space in a batch processing system may require increased precursor pulse duration and purge intervals.
선구 펄스의 중첩을 방지하고, 비교적 균일한 두께의 박막을 형성하기 위해, ALD 공정은 선구 증기 펄스의 지속기간보다 10배 더 긴 정화 간격을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 박막 증착 공정은 500ms 지속기간의 정화 간격과 교대로 50ms 지속기간의 수 천개의 선구 증기 펄스를 포함할 수 있다. 긴 정화 간격은 처리 시간을 증가시키는데, 이것은 ALD 반응기의 전체 효율을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 본 발명자는, 상승 및 하강 시간을 감소시키는 것이 또한 비-ALD 성장을 야기하지 않고도 선구 펄스 및 정화에 필요한 전체 시간을 감소시켜, ALD 반응기의 처리량을 향상시킨다는 것을 인식하였다.In order to prevent overlap of precursor pulses and to form a thin film of relatively uniform thickness, the ALD process may require a purge interval 10 times longer than the duration of the precursor vapor pulse. For example, a thin film deposition process may include thousands of precursor vapor pulses of 50 ms duration, alternating with purge intervals of 500 ms duration. Long purge intervals increase processing time, which can substantially reduce the overall efficiency of the ALD reactor. The inventors have recognized that reducing the rise and fall times also reduces the overall time needed for precursor pulses and purging without causing non-ALD growth, thereby improving throughput of the ALD reactor.
선구 물질 전달 시스템은 일반적으로 하나 이상의 선구 증기를 제조 및 분배하기 위해 상기 시스템의 흐름 경로에 위치한 하나 이상의 다이아프램 밸브를 포함할 수 있다. 선구 증기는 선구 전달 시스템에서 적절한 다이아프램 밸브를 개방 및 폐쇄함으로써 반응 챔버에 펄싱된다. 다이아프램 밸브는 ALD 반응기 안 및 밖으로의 불활성 가스 및 다른 물질의 흐름을 제어하는데 또한 사용될 수 있다. 알려진 다이아프램 밸브는 공통적으로 밸브 시트에 대해 유연한 다이아프램을 개방 및 폐쇄하기 위한 엑추에이터를 갖는다. 다이아프램이 개방 위치에 있을 때, 선구 증기는 밸브 통로를 통과하고 반응 챔버에 들어가도록 한다. 폐쇄될 때, 다이아프램은 밸브 통로를 차단하고, 선구 증기가 반응 챔버에 들어가지 못하게 한다. ALD 처리가 단일 소재(workpiece) 상에 막을 형성하기 위해 선구 증기 및 정화의 많은 수천 개 사이클을 필요로 할 수 있기 때문에, ALD 시스템에 사용된 밸브는 매우 높은 내구성을 가져야 하고, 고장 없이 수백만 사이클을 수행할 수 있어야 한다.The precursor mass transfer system may generally include one or more diaphragm valves located in the flow path of the system to produce and distribute one or more precursor vapors. The precursor vapor is pulsed into the reaction chamber by opening and closing the appropriate diaphragm valve in the precursor delivery system. Diaphragm valves may also be used to control the flow of inert gas and other materials into and out of the ALD reactor. Known diaphragm valves commonly have actuators for opening and closing the diaphragm flexible to the valve seat. When the diaphragm is in the open position, the precursor vapors pass through the valve passageway and enter the reaction chamber. When closed, the diaphragm closes the valve passageway and prevents precursor vapor from entering the reaction chamber. Because ALD processing can require many thousands of cycles of pioneering steam and purification to form a film on a single workpiece, the valves used in ALD systems must have very high durability and millions of cycles without failure. You should be able to do it.
수압 및 공기압 엑추에이터는 일반적으로 ALD 시스템에서 선구 가스 및 정화 가스의 전달에 필요한 고온 및 다수의 사이클 하에 고장날 수 있는 동적 밀봉을 포 함한다.Hydraulic and pneumatic actuators typically include dynamic seals that can fail under the high temperatures and many cycles required for the delivery of precursor and purge gases in ALD systems.
솔레노이드형 엑추에이터는, 일반적으로 공기압 및 수압 엑추에이터보다 더 빠른 반응 시간을 갖고 다수의 개방-폐쇄 사이클을 할 수 있기 때문에 바람직하다. 그러나, 솔레노이드 엑추에이터는 전류가 인가될 때 열을 생성하고, 수압 및 공기압 밸브와 같이, 솔레노이드 작동 밸브는 몇몇 선구 물질을 증기 형태로 유지시키는데 필요한 고온에 노출될 때 고장날 수 있다. 열은 솔레노이드 권선 주위의 단절을 저하시킬 수 있어서, 권선 사이의 단락 및 솔레노이드 코일의 고장을 초래한다. 이것은 또한 솔레노이드 코일이 감겨지는 플라스틱 보빈(bobbin)을 용융시킬 수 있다. 본 발명자는, 열-관련 고장을 피하기 위해 엑추에이터의 능동 냉각이 다이아프램, 밸브 시트, 및 밸브 통로의 벽으로부터 또한 유입하는 경향이 있고, 이것이 선구 물질을 밸브 통로에서 응축시키거나 응고시킬 수 있게 한다는 것을 인식하였다. 다이아프램 및 밸브 시트 상에 선구 물질의 응축 및 강화는 밸브가 누출하거나 막힐 수 있게 하여, 반응 챔버에서 바람직하지 못한 비-ALD 성장 및 입자를 초래한다.Solenoid actuators are generally preferred because they have a faster reaction time than pneumatic and hydraulic actuators and are capable of multiple open-closed cycles. However, solenoid actuators generate heat when current is applied, and, like hydraulic and pneumatic valves, solenoid operated valves can fail when exposed to the high temperatures required to keep some precursor material in vapor form. Heat can degrade the breaks around the solenoid windings, resulting in short circuits between the windings and failure of the solenoid coil. It can also melt the plastic bobbin in which the solenoid coil is wound. The inventors believe that active cooling of the actuator tends to also enter from the walls of the diaphragm, valve seat, and valve passageway to avoid heat-related failures, which allows the precursor material to condense or solidify in the valve passageway. It was recognized. Condensation and consolidation of the precursor material on the diaphragm and valve seat may cause the valve to leak or clog, resulting in undesirable non-ALD growth and particles in the reaction chamber.
성공적인 ALD 처리를 위해, 선구 가스는 일반적으로 100℃를 초과하는 온도, 종종 200℃와 300℃ 사이의 온도로 반응 챔버에 전달되며, 특히 다양한 선구 물질은 반도체 기판 상에 박막을 형성하는데 사용된다. 종래의 다이아프램 밸브를 통해, 상당량의 열은 상기 밸브를 통과하는 흐름 경로로부터 전도되며, 여기서 열은 주변 환경에 방산된다. 밸브를 통한 열 방산은 흐름 경로의 냉각 및 전술한 연관된 응축 문제에서 초래할 수 있다. 응축을 피하기 위해, 예를 들어 본 발명의 양수인 에 의해 소유되고 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2002년 9월 11일에 출원한 "원자 층 증착을 위한 선구 물질 전달 시스템"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 60/410,067에 설명된 바와 같이 흐름 경로는 가열될 수 있다. 그러나, 흐름 경로의 가열은 종래의 다이아프램 밸브에서 엑추에이터의 과열에 기여하는 경향이 있을 것이다. 본 발명자는, 밸브 통로, 다이아프램, 및 밸브 시트가 밸브 엑추에이터의 과열 없이 선구 증기가 응축(일반적으로 130℃ 내지 260℃, 또는 그 이상의 범위로)하지 못하게 할 정도로 충분히 뜨거운 상태로 유지될 수 있는 개선된 다이아프램 밸브가 필요하다는 것을 인식하였다.For successful ALD processing, the precursor gas is delivered to the reaction chamber at temperatures generally above 100 ° C., often between 200 ° C. and 300 ° C., in particular various precursor materials are used to form thin films on semiconductor substrates. Through conventional diaphragm valves, a significant amount of heat is conducted from the flow path through the valve, where heat is dissipated to the surrounding environment. Heat dissipation through the valve can result in cooling of the flow path and the associated condensation problems described above. In order to avoid condensation, for example, US Provisions entitled “Precursor Mass Transfer System for Atomic Layer Deposition,” filed September 11, 2002, owned by the assignee of the present invention and incorporated herein by reference. The flow path can be heated as described in patent application number 60 / 410,067. However, heating of the flow path will tend to contribute to overheating of the actuator in conventional diaphragm valves. The inventors have found that the valve passageway, diaphragm, and valve seat can be kept hot enough to prevent precursor vapors from condensing (typically in the range of 130 ° C. to 260 ° C. or higher) without overheating the valve actuator. It has been recognized that an improved diaphragm valve is needed.
기무라(Kimura)의 미국 특허 번호 5,326,078, 스즈끼(Suzuki) 등의 6,116,267, 및 맘요(Mamyo)의 6,508,453은 반도체 제조를 위해 고온 가스 흐름을 제어하기 위한 알려진 다이아프램 밸브를 기재한다.U.S. Patent No. 5,326,078 to Kimura, 6,116,267 to Suzuki et al., And 6,508,453 to Mamyo, describe known diaphragm valves for controlling hot gas flow for semiconductor manufacturing.
본 발명자는, 다이아프램이 ALD 선구 물질의 응축을 방지하는 한편, 엑추에이터의 온도 한계를 초과하지 않을 정도로 충분한 온도로 유지되는 밸브가 필요하다는 것을 인식하였다. 본 발명자는, 또한 종래의 밸브보다 더 빠르게 개방 위치에서 폐쇄 위치로 전이하는 내구성있는 밸브가 필요하다는 것을 인식하였다.The inventors have recognized that there is a need for a valve that maintains a temperature sufficient to allow the diaphragm to prevent condensation of the ALD precursor, while not exceeding the temperature limit of the actuator. The inventors also recognized the need for a durable valve that transitions from an open position to a closed position faster than a conventional valve.
일실시예에 따라, 다이아프램 밸브는, 밸브의 밸브 바디에 열적으로 접촉하고 밸브 통로에 마주보는 다이아프램의 외측에 가까이 연장하는 가열 바디를 포함할 수 있다. 가열 바디는 다이아프램에서 작용 온도를 유지시키는 것을 용이하게 하는 다이아프램과 밸브 바디 사이의 열 전도성 경로를 형성한다. 밸브 바디가 가열될 때, 열은 가열 바디에 의해 다이아프램쪽으로 전도된다. 그러한 구성은 예를 들어, 고온의 선구 가스가 밸브 통로에서 응축되거나 냉각되지 못하게 하기 위한 ALD 시스템에 유용하다.According to one embodiment, the diaphragm valve may include a heating body that thermally contacts the valve body of the valve and extends close to the outside of the diaphragm facing the valve passageway. The heating body forms a thermally conductive path between the diaphragm and the valve body that facilitates maintaining the operating temperature at the diaphragm. When the valve body is heated, heat is conducted to the diaphragm by the heating body. Such a configuration is useful, for example, in ALD systems to prevent hot precursor gases from condensing or cooling in the valve passages.
바람직한 실시예에서, 플런저는 밸브 엑추에이터를 다이아프램에 동작가능하게 결합시키기 위해 가열 바디에서의 중앙 개구부를 통해 연장한다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 이러한 얇은 섹션(section), 중공부, 또는 절연 물질과 같은 열 저항성 부재는 밸브 통로와 엑추에이터 사이의 열 전달을 감쇠시키기 위해 밸브 통로와 엑추에이터 사이에 삽입될 수 있다.In a preferred embodiment, the plunger extends through the central opening in the heating body to operably couple the valve actuator to the diaphragm. In some embodiments, a heat resistant member such as, for example, such a thin section, hollow portion, or insulating material may be inserted between the valve passage and the actuator to dampen heat transfer between the valve passage and the actuator.
본 발명자는, 종래의 다이아프램 밸브가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 전이할 때 일반적으로 저항을 받는다는 것을 인식하였다. 다이아프램 뒤에 있고, 밸브 통로에 마주보는 다이아프램의 외측에 인접한 밀폐 공간에 존재하는 가스는 일반적으로 종래의 다이아프램 밸브에서 주변 압력으로 존재한다. 밸브 통로에서의 매질의 압력이 밀폐 공간에서의 주변 압력보다 실질적으로 더 낮거나 더 높을 때, 차압(differential pressure)이 다이아프램 상에 가해진다. 몇몇 다이아프램 밸브에서, 다이아프램 뒤의 공간은 단단히 밀봉되어, 다이아프램이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 때 밀폐 공간에 트랩된(trapped) 가스의 압축 또는 팽창을 초래한다. 차압에 의해 야기된 저항 및/또는 트랩된 가스의 팽창 또는 수축은 다이아프램의 이동을 느리게할 수 있다. ALD 반응기에서, 느린 밸브 속도는 선구 증기의 양을 반응 챔버로 펄싱하는데 걸리는 시간의 양을 증가시키고, ALD 반응기의 효율을 감소시킨다. 저항은 또한 다이아프램 및 밸브 엑추에이터에 응력을 가할 수 있다.The inventors have recognized that conventional diaphragm valves are generally resisted when transitioning between an open position and a closed position. The gas present behind the diaphragm and in a confined space adjacent to the outside of the diaphragm facing the valve passageway is generally present at ambient pressure in a conventional diaphragm valve. When the pressure of the medium in the valve passageway is substantially lower or higher than the ambient pressure in the enclosed space, a differential pressure is exerted on the diaphragm. In some diaphragm valves, the space behind the diaphragm is tightly sealed, causing compression or expansion of the gas trapped in the hermetic space as the diaphragm moves between the open and closed positions. Resistance caused by the differential pressure and / or expansion or contraction of the trapped gas may slow the movement of the diaphragm. In ALD reactors, slow valve speeds increase the amount of time it takes to pulse the amount of precursor vapor into the reaction chamber and reduce the efficiency of the ALD reactor. The resistance can also stress the diaphragm and valve actuator.
다른 실시예에 따른 다이아프램 밸브가 개시되는데, 이러한 다이아프램 밸브는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 다이아프램의 전이에 대한 저항을 감소시키기 위해 밀폐 공간과 통해있는 압력 배출구(pressure vent)를 포함한다. 몇몇 구현에서, 펌프 또는 다른 흡입 소스는 밀폐 공간에서의 유압을 감소시키기 위해 압력 배출구에 결합된다.According to another embodiment, a diaphragm valve is disclosed, which includes a pressure vent through the enclosed space to reduce resistance to the transition of the diaphragm between the open and closed positions. In some implementations, a pump or other suction source is coupled to the pressure outlet to reduce hydraulic pressure in the confined space.
또 다른 실시예에 따라, 밸브 시트는 밸브 통로의 입구 또는 출구를 둘러싼다. 유연한 다이아프램은 밸브 시트에 마주보는 밸브 통로에 인접하게 위치하고, 매질이 밸브 통로를 통해 흐를 수 있는 개방 위치와, 다이아프램의 제 1 측부가 밸브 통로를 통해 매질이 흐르지 못하게 하기 위해 밸브 시트에 대해 프레스되는 폐쇄 위치 사이에서 구부러지도록 하는 작용력(actuation force)에 반응하여 동작가능하다. 작용력은 예를 들어 솔레노이드 또는 수압 엑추에이터에 의해 가해질 수 있다. 밸브 시트는 고리형 시팅 표면을 포함하는데, 이러한 표면은 입구로부터 방사상 연장하고, 다이아프램이 폐쇄 위치로 구부러질 때 다이아프램의 제 1 측부의 상당부분에 접촉하도록 크기와 형태를 가져서, 이를 통해 밸브 시트와 다이아프램 사이의 열 전달을 용이하게 한다. 밸브와 다이아프램 사이의 향상된 열 전달은 (환경으로의) 다이아프램의 낭비적인 냉각을 중화시킬 수 있어서, 매질이 밸브 통로에서 응축되거나 냉각되지 못하게 한다.According to yet another embodiment, the valve seat surrounds the inlet or outlet of the valve passageway. The flexible diaphragm is located adjacent to the valve passage facing the valve seat, in an open position through which the medium can flow through the valve passage, and with respect to the valve seat to prevent the medium from flowing through the valve passage at the first side of the diaphragm. It is operable in response to an actuation force that causes bending between the closed positions being pressed. The action force can be exerted, for example, by a solenoid or hydraulic actuator. The valve seat includes an annular seating surface, which surface extends radially from the inlet and is sized and shaped to contact a substantial portion of the first side of the diaphragm when the diaphragm is bent to the closed position, thereby providing a valve. It facilitates heat transfer between the seat and the diaphragm. Improved heat transfer between the valve and the diaphragm can neutralize wasteful cooling of the diaphragm (to the environment), preventing the medium from condensing or cooling in the valve passage.
탄성 다이아프램이 사용될 때, 고리형 시팅 표면은 밸브 시트에 대해 프레스될 때 다이아프램의 전단 변형(shearing)을 방지하기 위해 날카로운 특징이 없는 것이 바람직하다. 고리형 시팅 표면은 또한, 폐쇄될 때 시팅 표면의 바깥쪽 외주 에지에 접촉하지 않도록 충분히 크게 만들어질 것이다. 플라스틱 다이아프램이 사용될 때, 밸브 시트는, 다이아프램의 상당 부분이 고리형 시팅 표면과 접촉하도록 할 정도로 충분히 작은 한편, 폐쇄될 때 다이아프램의 제 1 측부의 국부적인 영구적 변형을 야기할 정도로 충분히 높은 시팅 표면으로부터 연장하는 링형 시팅 리지를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시팅 표면은 폐쇄될 때, 밸브 시트로부터 다이아프램으로 열 전도를 개선시키기 위해 연마한다. 스페이서 링(spacer ring)은 또한, 밸브 시팅 힘의 더 정밀한 제어를 위해, 밸브 바디에 대해 시팅 표면의 축 위치를 확립하도록 밸브 시트와 밸브 바디 사이에 삽입될 수 있다.When an elastic diaphragm is used, the annular seating surface is preferably devoid of sharp features to prevent shearing of the diaphragm when pressed against the valve seat. The annular seating surface will also be made large enough not to contact the outer peripheral edge of the seating surface when closed. When plastic diaphragms are used, the valve seat is small enough to allow a substantial portion of the diaphragm to contact the annular seating surface, while high enough to cause local permanent deformation of the first side of the diaphragm when closed. And a ring-shaped seating ridge extending from the seating surface. In some embodiments, the seating surface is polished to improve thermal conduction from the valve seat to the diaphragm when closed. A spacer ring may also be inserted between the valve seat and the valve body to establish the axial position of the seating surface relative to the valve body for more precise control of the valve seating force.
본 발명의 추가 양상 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 진행되는 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.Further aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
도 1은 수 개의 다이아프램 밸브를 포함하는 선구 물질 전달 시스템의 등축도.1 is an isometric view of a precursor mass transfer system including several diaphragm valves.
도 2는, 다이아프램 밸브의 다이아프램이 폐쇄 위치로 도시된 상태로, 도 1의 다이아프램 밸브 중 하나의 단면을 도시한 정면도.FIG. 2 is a front view showing a cross section of one of the diaphragm valves of FIG. 1, with the diaphragm of the diaphragm valve shown in the closed position; FIG.
도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 취해진, 도 2의 다이아프램 밸브의 단면도.3 is a cross-sectional view of the diaphragm valve of FIG. 2 taken along line 3-3 of FIG.
도 4는, 도시된 다이아프램이 개방 위치로 전이된 상태로, 도 2의 다이아프램 밸브의 밸브 통로, 밸브 시트, 및 다이아프램의 영역을 구체적으로 도시한 확대 단면도.FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view specifically showing the region of the valve passageway, the valve seat, and the diaphragm of the diaphragm valve of FIG. 2 with the illustrated diaphragm transitioned to the open position;
도 5는 플라스틱 다이아프램과 함께 사용하는데 적합한 시팅 리지를 갖는 대안적인 밸브 시트를 포함하는 다이아프램 밸브의 시팅 영역을 구체적으로 도시한 확대 단면도.FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view specifically illustrating a seating area of a diaphragm valve including an alternative valve seat having a seating ridge suitable for use with a plastic diaphragm. FIG.
도 1은 제 1 바람직한 실시예에 따라 밸브(104a 내지 104e)를 위한 용도의 예시적인 실시예를 포함하는, ALD 반응기(102)의 선구 물질 전달 시스템(100)의 등축도이다. 도 1을 참조하면, 선구 물질의 공급부는 선구 물질 컨테이너(106)에 저장되는데, 이러한 컨테이너에서 선구 물질 전달 시스템(100)의 흐름 경로(110)를 통해 반응 챔버(112)로 흐르기(일반적으로 도 1에서 좌측에서 우측으로) 전에 가열되고 증발된다. ALD 반응기(102)는 일반적으로 반응 챔버(112)에 연결된 2개 이상의 선구 물질 전달 시스템(100)을 가질 것이다. 선구 물질 전달 시스템(100)은 흐름 경로(110)에서 선구 물질을 가열하기 위해 전기 히터(116 및 118)를 포함한다. 밸브(104a 내지 104e)는, 선구 물질의 흐름을 제어하고 선구 물질 전달 시스템(100)에서 상이한 스테이지에서 선구 증기의 압력을 조절하는데 사용된다.1 is an isometric view of the precursor
선구 물질 전달 시스템(100)은 알루미늄, 티타늄, 또는 스테인리스강과 같은 열 전도성 물질의 고체 블록으로부터 가공된 바디(122)를 갖는 착탈식 모듈(120)을 포함하는 것이 바람직하다. 모듈(120)은 선구 물질의 저장, 증발, 밸빙, 필터링 및 펄싱, 및 불활성 가스로의 정화와 같은 다양한 상이한 기능을 갖는다. 모듈(120) 모두는, 반응 챔버(112)쪽으로 온도가 증가하는, 선구 물질 전달 시스템(100)의 길이를 따라 완만한 온도 기울기를 촉진시키는 무거운 구성을 갖는 것이 바람직하다. 다운스트림 히터(118)는 온도 기울기를 용이하게 하기 위해 업스트림 히터(116)보다 약간 더 높은 온도로 동작할 수 있다. 대안적인 실시예(미도시)에서, 더 많은 수의 가열 지역이 이용될 수 있다. 양의(positive) 온도 기울기는 선구 물질 컨테이너(106)로부터 다운스트림의 임의의 지점에서 흐름 경로(110)에서의 선구 가스의 원하지 않는 응축 또는 냉각을 방지하기 위해 중요하다. 온도 기울기의 크기는, 흐름 경로(110) 내의 온도 및 압력 조건이 선구 증기의 응축 또는 냉각을 방지할 정도로 충분한 한, 일반적으로 중요하지 않다. 증발을 유지하기 위해, 히터(116 및 118)는 일반적으로 대략 50℃ 내지 300℃의 범위에 있는 온도에서 동작할 수 있다.The precursor
체적 모듈(124)은 가스-상(gas-phase) 선구 물질의 1회 방사량을 준비하기 위해 선구 물질 컨테이너(106)로부터의 다운스트림에 제공된다. 입자 필터 모듈(128)은 입자가 선구 물질 컨테이너(106)로부터 체적 모듈(124)로 운반되지 못하게 한다. 밸브(104d)는 선구 물질 전달 시스템(100)에 의해 반응 챔버(112)로 도입된 선구 증기의 펄스의 타이밍 및 지속기간을 제어하는데 사용된 다이아프램 밸브이다. 확산 배리어 모듈(140)은 다이아프램 밸브(104d)와 반응 챔버(112) 사이에 위치한 흐름 경로(110)의 배리어 부분(144)에서 불활성 가스 흐름 방향을 제어하기 위한 밸브(104e)를 포함한다.
도 2는 밸브(104a 내지 104e)의 예시적인, 바람직한 실시예에 따른 다이아프램 밸브(200)의 단면을 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하여, 다이아프램 밸브(200)는 밸브 통로(214)를 한정하는 밸브 바디(210)를 포함하며, 상기 밸브 통로를 통해 매질은 다이아프램 밸브(200)가 개방될 때 흐를 수 있다. 밸브 통로(214)는 입구(216) 및 출구(218)를 포함하며, 이러한 입구 및 출구는 유연한 다이아프램(220)에 의해 선택적으로 차단될 수 있고, 유연한 다이아프램(220)은 도 2에 도시된 바와 같이 폐쇄 위치로 구부러질 때 밸브 통로(214)를 차단한다. 밸브 바디(210)는 선구 물질 전달 시스템(100)(도 1)의 모듈(120) 중 하나의 바디(122)로 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 모듈 바디(122)에서 밸브 통로(214)를 형성하는 것은 선구 물질 전달 시스템(100)의 인버 모듈(120) 내의 흐름 경로(110)의 인접 부분에 입구(216) 및 출구(218)의 연결을 용이하게 한다. 대안적으로, 밸브 바디(210)는, ALD 선구 물질 전달 시스템(100)에 사용될 때, 모듈 바디(122)에 결합될 수 있는 개별적 구조를 포함할 수 있다. 밸브 바디(210)는 우수한 열 전도성을 갖는 물질로 된 고체 막대(solid billet) 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 대안적으로 밸브 바디(210)는, 예를 들어 몰딩 또는 주물에 의해서와 같이 고체 막대로부터 가공된 것 이외의 수단에 의해 또는 다수의 부분으로 형성될 수 있다. ALD 시스템(102)에 사용하는데 적합한 밸브 바디 물질은 알루미늄, 티타늄, 및 스테인리스강을 포함한다. 구리, 황동, 다른 금속과 같은 다른 물질, 및 고온의 플라스틱 및 몰딩된 금속과 같은 몰딩된 물질은 또한 다이아프램 밸브(200)가 사용되는 환경에 따라 밸브 바디(210)에 사용하는데 적합할 수 있다.2 is a cross-sectional view showing a cross section of a
바람직한 실시예에서, 입구(216) 및 출구(218)는 다이아프램 밸브(200)에 대해 일반적으로 축 방향으로 연장한다. 그러나, 대안적인 실시예(미도시)에서, 밸브 통로(214)는 다이아프램 밸브(200)에 가로질러 연장하는 직선-통과 통로를 포함할 수 있다. 또 다른 대안은 입구와 출구 사이의 밸브 바디에 형성된 위어(Weir)를 포 함할 수 있다. 많은 다른 수단 및 구조는 유체(액체 및/또는 가스) 또는 슬러리(slurry)와 같은 매질의 흐름을 다루기 위해 밸브 통로(214)를 한정하는데 사용될 수 있다.In a preferred embodiment,
입구(216) 및 출구(218)는 다이아프램(220)이 고정되는 림(228)에 의해 테가 둘러진 원통형 블라인드 보어(cylindrical blind bore)(226)로 연장한다. 보어(226)는, 다이아프램(220)이 폐쇄 위치로 전이될 때 프레스되는 밸브 시트(230)를 수용할 정도로 충분히 깊다. 보어(226)는, 다이아프램(220)이 개방 위치(도 4)로 전이될 때 입구(216)와 출구(218) 사이의 밸브 통로(214)를 통해 매질이 흐르도록 하는 크기를 갖는다. 따라서, 보어(226)는 밸브 통로(214)의 중앙 챔버(232)(도 4)의 측부 및 하부 경계를 형성한다. 바람직한 실시예에서, 다이아프램(220)은 인가된 작용력에 반응하여 선택적으로 밸브 시트(230)에 대해 프레스되거나 그로부터 당겨지는 중앙부를 갖는 유연한 디스크형 부재이다. 다이아프램(220)은, 밸브 통로(214)에 인접하게 위치하고 중앙 챔버(232)의 상부 경계를 형성하는 제 1 측부(234)를 포함한다. 제 1 측부(234)에 마주보는 다이아프램(220)의 제 2 측부(236)는 엑추에이터(240)와 같이 작용력을 인가하기 위한 수단에 의해 맞물려진다.The
다이아프램(220) 및 밸브 통로(214)로부터 수직으로 연장하는 엑추에이터(240)로 배향된 다이아프램 밸브(200)가 도시된다. 그러나, 다이아프램 밸브(200)는 다이아프램(220) 및 밸브 통로(214)의 측부, 아래, 또는 경사면에 연장하는 엑추에이터(240)로 배향될 수 있다. 더욱이, 다이아프램(220), 밸브 통로(214), 및 다이아프램 밸브(220)의 다른 부품은 많은 상이한 방식으로 배향될 수 있다. 예를 들어, 위어를 포함하는 대안적인 밸브 바디에서, 밸브 통로는, 종래의 다이아프램 밸브에서 공통적으로, 밸브가 개방 위치에 있을 때, 위어에 걸친 배수를 촉진시키기 위해 임의의 각도로 배향될 수 있다. 따라서, 위, 바닥, 상부, 하부, 측부, 전면, 후면의 명칭 및 다른 유사한 명칭은, 도면에 도시된 바와 같이 배향된, 바람직한 실시예를 설명하도록 편리하게 사용되고, 본 발명의 범주를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.The
다이아프램(220)은 유연한 플라스틱 또는 탄성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 일부 ALD 시스템에서, 다이아프램(220)은, TEFLON® 상표명 하에 미국, 델라웨어, 윌밍톤, E.I. du Pont de Nemours & Company가 판매한 유형일 수 있는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 플라스틱 물질로 된 얇은 몰딩된 디스크로 형성되는 것이 바람직하다. PTFE는 알루미늄 클로라이드(AlCl3)를 반응 챔버(112)로 전달하는 선구 물질 전달 시스템에 사용하기 위한 바람직한 다이아프램 물질이다. PTFE가 순도, 불활성, 화학적 내성, 열 내성, 및 단단함(toughness)에 바람직하지만, 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오르(PVDF)와 같은 다른 플라스틱 물질은 또한 다이아프램(220)에 사용하는데 적합할 수 있다. 반도체 제조에 사용된 ALD 시스템에서, 다이아프램(220)은, 미국, 델라웨어, 윌밍톤, DuPont Dow Elastomers LLC가 제조한 VITON® 상표 플루오르엘라스토머(FKM)와 같은 탄성 물질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 다이아프램(220)에 적합한 다른 탄성 물질은, DuPont Dow Elastomers LLC가 제작한 KALREZ®, 미국, 펜실베니아, 햇필드, Medical & Biotechnology Group, Greene, Tweede & Co.가 제작한 CHEMRAZ®, 미국, 미시건, 플라이마우쓰, Freudenberg-NOK가 판매한 SIMRIZ®와 같이, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM); 실리콘 고무; 니트릴 고무; 클로로프렌 고무(네오프렌); 자연 고무; 및 페르플루오르 엘라스토머(FFKM)를 포함한다. 몇몇 방식으로, 엘라스토머는 밸브 통로(214)에 흐르는 선구 물질을 오염시키기 위해 몇몇 엘라스토머에서 충전재의 경향 및 엘라스토머의 불량한 고온의 내성으로 인해 플라스틱보다 덜 바람직하다. 그러나, VITON, EPDM, 및 다른 것과 같은 엘라스토머는 우수한 화학적 내성, 우수한 순도, 및 뛰어난 밀봉 성능을 가져서, 이것은 반도체 처리에 사용된 많은 ALD 선구 물질과 함께 사용하기 위한 바람직한 다이아프램 물질을 만든다. 대안적으로, 다이아프램(220)은, 특히 매질 온도가 260℃를 초과할 때, 엘라스토머 물질을 저하시킬 가능성을 갖는 금속으로 형성될 수 있다. 그러나, 금속 다이아프램은 플라스틱 및 엘라스토머 다이아프램보다 약화-관련 고장 및 손상에 더 취약하다. 다이아프램(220)은 고체 디스크 물질로 형성되는 것이 바람직하지만, 또한 디스크 형태가 아닌 구조, 복합 구조, 및 임의의 다른 유연한 형태, 및 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에 전이될 수 있는 구조를 포함할 수 있다. 따라서, "다이아프램"이라는 용어는, 개방될 때 모두 밸브 통로(214)의 테를 이루고 폐쇄 위치로 이동되거나 구부러질 수 있어서, 밸브 통로(214)를 차단할 수 있는 임의의 부재를 포함하도록 광범위하게 해석될 것이다.The
흐름 경로(110)에서 선구 물질의 부식 및/또는 축적을 방지하는데 도움을 주기 위해, 밸브 통로(214), 다이아프램(220), 및 밸브 시트(230)는 패시베이션 층으 로 코팅될 수 있다. 패시베이션 층은 Al2O3, ZrO2, HfO2, TiO2, Ta2O5, SnO2, 또는 Nb2O5와 같은 산화물; AlN, ZrN, HfN, TiN, TaN, NbN, 또는 BN과 같은 질화물; TiC, TaC, ZrC, 또는 HfC와 같은 카바이드; 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 패시베이션 물질 및 코팅이 사용될 수 있다. 패시베이션은, 할로겐화물을 주원료로 한 선구 물질과 일반적으로 밸브 바디(210) 및 밸브 시트(230)에 사용된 금속 사이의 교환 반응을 방지하기 위해 할로겐화물을 주원료로 한 선구 물질을 이용할 때 특히 중요하다. 패시베이션 층의 특정 조성물은 선구 물질, 또는 다이아프램 밸브(200)가 사용되는 다른 매질의 유형과 호환하기 위해 선택된다. 예를 들어 열 특성, 전기 특성, 내구성, 및 순응성(malleability)과 같은 다른 고려사항도 또한 패시베이션에 사용된 물질의 선택에서 중요한 인자일 수 있다.To help prevent corrosion and / or accumulation of precursors in
엑추에이터(240)는 다이아프램(220)을 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 전이시키기 위한 작용력을 가하기 위해 다이아프램(220)에 동작가능하게 결합된다. 대안적인 실시예에서, 엑추에이터(240)는 다이아프램(220)을 폐쇄 위치로부터 개방 위치로, 또는 양쪽 방향으로 전이시킨다. 그러나, 선구 물질 전달 시스템(100)에 사용하기 위한 바람직한 다이아프램 밸브(200)는 통상 폐쇄 구성을 갖는다. 엑추에이터(240)는 다이아프램(220)에 힘을 전달하는 플런저(250)를 구동시키기 위해 전류의 인가에 의해 에너지 공급될 수 있는 솔레노이드(246)를 포함하는 것이 바람직하다. 솔레노이드(246)는 속도 및 일반적으로 낮은 유지 요구조건으로 인해 다이아프램 밸브(200)를 위한 바람직한 엑추에이터이다. 대안적으로, 엑추에이터(240)는 예 를 들어 공기압 또는 수압 실린더와 같이 다이아프램(220)을 작동시키는 상이한 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어 압전 디바이스와 같이 다이아프램(220)을 작동시키는 다른 디바이스 및 방법도 또한 사용될 수 있다.
엑추에이터(240)의 플런저(250)는 솔레노이드(246)에 의해 맞물려진 제 1 단부(256) 및 다이아프램(220)에 결합된 제 2 단부(258)를 포함한다. 플런저(250)는 많은 방식으로 다이아프램(220)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 다이아프램(220)은 헤드(262) 또는 볼 단부(ball end)를 포함할 수 있는데, 이것은 다이아프램(220)의 제 2 측부(236)로부터 연장하고, 플런저(250)의 제 2 단부(258)에서 측부 개구부(266)(도 3)로 스내핑(snap)된다. 헤드(262)와 플런저(250) 사이의 이러한 스냅-핏(snap-fit) 연결은 엑추에이터(240)가 다이아프램(220)의 중앙부를 밸브 시트(230)로부터 멀리 당기도록 한다. 또한, 다이아프램(220)이 엑추에이터(240), 플런저(250), 및 다이아프램 밸브(200)의 다른 구성요소를 완전히 분해하지 않고도 복구하거나 교체하기 위해 편리하게 분리되도록 한다.
엑추에이터(240)는 멈춤부(stop)(276)를 포함하며, 이러한 멈춤부는 말단부(278)에서 솔레노이드(246)에 고정되고, 플런저(250)의 바깥쪽 이동을 한정시키기 위해 솔레노이드(246)의 중앙으로 연장한다. 멈춤부(276)는 솔레노이드(246)의 자기 회로에서의 릴럭턴스를 감소시키기 위해 자기 물질(즉, 높은 투자율을 갖는 물질)로 형성되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, 멈춤부(276)는 솔레노이드(246)의 말단부(278)와 플런저(250) 사이의 높은 릴럭턴스의 에어갭(air gap)을 감소시켜, 이를 통해 자기 회로에서의 전체 릴럭턴스를 감소시키고, 에너지 공급될 때 솔 레노이드(246)에 의해 플런저(250)에 가해진 자기력을 강화시키게 된다. 작동 기자력은 플런저(250)가 멈춤부(276)에 더 가까이 이동할 때, 즉 플런저(250)와 멈춤부(275) 사이의 낮은 투자율의 갭이 감소될 때 더 증가한다. 다른 실시예에서, 멈춤부(276)는 비자기 물질로 만들어지거나, 완전히 생략된다. 스프링(280)은 바람직하게 멈춤부(276)와 플런저(250) 사이에 삽입되고, 다이아프램(220)의 제 1 측부(234)가 밸브 통로(214)를 차단시키기 위해 밸브 시트(230)에 대해 프레스되는 폐쇄 위치쪽으로 플런저(250) 및 다이아프램(220)을 편향시킨다. 스프링(280)은 플런저(250)의 제 1 단부(256)에서의 카운터보어(counterbore)에 놓이는 것이 바람직하지만, 대안적인 실시예는 다른 위치에서 스프링(280)의 배치, 또는 밸브 시트(230)에 대해 플런저(250)를 편향시키기 위한 다른 수단의 이용을 수반할 수 있다. 예를 들어, 통상적으로 개방 실시예(미도시)에서, 플런저(250)는 밸브 시트(230)로부터 멀리 편향되고, 플런저(250)는 엑추에이터(240)가 작동될 때 밸브 시트(230)쪽으로 구동된다. 또 다른 실시예에서, 스프링(280)은 생략될 수 있고, 이 경우에 다이아프램(220)은 엑추에이터(240)에 의해 개방 방향 및 폐쇄 방향 모두에서 구동될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스프링(280)은 생략되고, 다이아프램(220)은 고유하게 탄성이 있는 반구형 형태를 가져서, 통합 복귀 스프링 힘을 제공한다. 당업자는, 많은 다른 수단 및 디바이스가 정상 위치로의 다이아프램(220)의 복귀를 달성하기 위해 이용될 수 있다.
바람직하게, 다이아프램(220)은, 가열 바디(290)에 의해 림(228)에 대해 클램핑되는 다이아프램(220)의 주변을 따라 실질적으로 밀봉 실(hermetic seal)을 형 성하기 위해 가열 바디(290)에 의해 밸브 바디(210)에 고정된다. 가열 바디(290)는 다이아프램(220)의 제 2 측부(236)에 인접한 공간(296)을 한정하기 위해 돕는 근접 단부(294)를 포함한다. 공간(296)은, 다이아프램(220)이 개방 위치(도 4)로 이동하고 실질적으로 밀폐될 때 다이아프램(220)에 유극(clearance)을 제공하지만, 플런저(250)가 엑추에이터(240)의 작동에 반응하여 자유롭게 이동하도록 하기 위해 소량의 유극이 플런저(250) 주위에 제공된다. ALD 시스템에 사용된 밸브에 대해, 플런저(250) 주위의 유극, 공간(296), 및 공간(296)과 유체 전달하는 임의의 다른 통로는, 선구 물질 또는 다른 매질이 다이아프램(220)의 주변 주위를 빠져나가는 경우 또는 다이아프램(220)이 손상되는 경우에 밸브(200) 밖으로의 누출을 방지하도록 밀봉되는 것이 바람직하다. 그러나, 특히 다이아프램 밸브(200)가 ALD 시스템 이외의 응용에 사용될 때, 공간(296)을 밀폐하여 밀봉할 필요가 없을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 밀봉 공간(296)은 가열 바디(290)의 근접 단부(294)에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 그러나, 대안적인 실시예(미도시)에서, 공간(296)은, 예를 들어 밸브 바디, 엑추에이터 하우징, 밸브 스템, 또는 다이아프램(220)의 제 2 측부(236)에 가까이 연장하는 다른 구조적 부재와 같이 다이아프램 밸브(200)의 하나 이상의 다른 구성요소에 의해 한정된다.Preferably, the
다이아프램(220) 뒤의 압력을 경감하기 위해, 공간(296)은 배출되는 것이 바람직하다. 밀봉 공간(296)의 배출은 하나 이상의 이익을 제공할 수 있다. 예를 들어, 배출은, 다른 경우 공간(296)에서 트랩된 가스의 압축 또는 팽창에 의해 야기되었을 다이아프램(220)의 이동에 대한 저항을 감소시키거나 방지할 수 있다. 밸브 통로(214)에 흐르는 매질이 ALD 선구 물질 공급부의 경우에서와 같이 낮아진 동작 압력을 가질 때, 다이아프램(220)에 작용하는 압력차를 감소시키기 위해 배출과 함께 흡입이 적용될 수 있다. 흡입은 밸브 통로(214)에서의 매질과 동일한 압력의 진공을 생성하도록 또한 적용될 수 있어서, 이에 따라 다이아프램(220)의 각 제 1 및 제 2 측부(234 및 236) 상의 압력을 동일하게 한다. 몇몇 실시예에서, 밸브 통로(214)에서의 매질보다 약간 더 작은 공간(296)에서의 압력을 달성하도록 배출하여, 이를 통해 엑추에이터(240)가 다이아프램(220)을 개방하는데 도움을 주기 위해 흡입이 적용될 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 배출은 다이아프램(220)을 작동시키고 이 다이아프램을 개방 위치로 이동시키는데 필요한 힘을 유리하게 감소시킬 수 있고, 또한 다이아프램(220)을 폐쇄 위치로 복귀시키는데 필요한 스프링 힘을 감소시킬 수 있다. 유사한 힘의 감소는 대안적으로 정상적 개방 구성에서 가능하며, 이 경우에 작동 방향 및 스프링 힘의 방향은 역전된다. 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 다이아프램(220)의 전이에 필요한 힘을 감소시킴으로써, 배출은 또한 다이아프램(220)의 수명을 연장시킬 수 있고, 솔레노이드 소모를 방지할 수 있다. ADL 선구 물질 전달 시스템(100)에서 밸브(104a 내지 104e)의 수명을 연장시키는 것은 휴지 시간(downtime)을 크게 감소시킬 수 있고, ADL 반응기(102)에서 산출량을 향상시킬 수 있다. 흡입을 공간(296)에 적용하는 것은, 다이아프램(220) 주위에 또는 이를 통해 누출하는 임의의 가스가 밖으로 펌핑된다는 점에서 안정성을 향상시키는 추가 장점을 갖는다. 이러한 특징은, 다른 경우 인간의 작업 공간으로 누출되었을 유독성 선구 물질을 이용할 때 특히 유리하다. 진공을 공간(296)에 적용하 는 것은 밸브 공간(296)에서 가스의 밀도를 또한 감소시키고, 이것은 다이아프램(220)으로부터 엑추에이터(240)로의 대류 경로를 제한시킨다.In order to relieve the pressure behind the
배출은 배출 통로에 의해 달성되는 것이 바람직한데, 그 실시예는 도 2 및 도 3을 참조하여 아래에 설명된다. 도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 취해진 다이아프램 밸브(200)의 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 배출 통로는, 가열 바디(290)를 통해 연장하고 공간(296)과 왕래하는 제 1 배출 통로부(302)와; 밸브 바디(210)를 통과하는 제 2 배출 통로부(306)와; 제 1 및 제 2 배출 통로부(302 및 306)를 함께 링크시키기 위해 가열 바디(290)의 중간 부분 주위로 연장하는 고리형 연결 통로(310)를 포함한다. 다른 실시예(미도시)에서, 배출 통로는 다이아프램 밸브(200)의 하나 이상의 다른 부분을 통해 상이한 경로에 따른다. 밸브 바디(210), 특히 모듈(120)의 바디(122)에서 배출 통로의 적어도 일부분의 형성은 펌프(316) 또는 다른 흡입 소스를 제 2 배출 통로부(306)에 연결시키기 위한 편리한 수단을 제공한다. 더 구체적으로, 펌프(316)를 배출 통로에 연결시키는 것은, 펌프(316)를, 하나 이상의 다이아프램 밸브(104a 내지 104e) 및 가능하면, 흡입이 필요한 선구 물질 전달 시스템(100)의 다른 모듈(120)을 제공하는 분기관(manifold)(미도시)에 연결시키는 것을 포함할 수 있다. 펌프(316)는 밸브 바디(210)의 외부 압력(일반적으로 대기압)에 대해 공간(296)에서 진공을 유입하도록 동작가능하다.Discharge is preferably achieved by the discharge passage, an embodiment of which is described below with reference to FIGS. 2 and 3. 3 is a cross-sectional view of the
탄성 실(328 및 382)은, 가열 바디(290) 주위의 누출을 방지하고 진공이 다이아프램(220) 뒤의 공간(296)에서 달성되도록 하기 위해 제공된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "진공"이라는 용어는 대기로부터 낮아진 유압 또는 그렇지 않으 면 정상 압력을 설명하기 위해 막연하게 사용된다. 펌프(316)에 의해 생성된 흡입은 밸브 통로(214)에 흐르는 매질의 유압과 동일하거나 이에 가까운 압력까지 공간(296)에서의 압력을 감소시켜, 다이아프램(220) 상에 편압(differential force)을 동일하게 하거나 거의 동일하게 하는 것이 바람직하다. 고압의 매질로 사용하기 위한 대안적인 실시예에서, 공간(296)에서의 압력은 흡입 대신에 양의 유압의 적용에 의해 증가된다. 그러나, 공간(296)에서의 유압을 변화시키는 것은 선택적이므로, 펌프(316)는 몇몇 실시예에서 생략될 수 있다. 바람직한 ALD 선구 물질 전달 시스템(100)에서, 펌프(316) 또는 흡입을 생성하기 위한 다른 수단은 공간(296)에서의 압력을 대략 0.1mbar와 대략 20mbar 사이까지 감소시키도록 동작가능한데, 이러한 압력은 흐름 경로(110) 및 밸브 통로(214)에서 선구 증기의 동작 압력에 필적한다.Elastic seals 328 and 382 are provided to prevent leakage around
다이아프램 밸브(200)는, 예를 들어 반도체 웨이퍼 기판 상에 박막을 증착시키는데 사용된 ALD 선구 증기와 같이, 밸브(200)가 고온 매질의 흐름을 제어하는데 사용될 때 탄성도를 개선시키는 특징을 포함하는 것이 바람직하다. 다이아프램 밸브(200)의 개선된 열적 설계는 종래의 다이아프램 밸브에 비해 장점을 제공할 수 있는데, 여기서 솔레노이드 엑추에이터(또는 다른 유형의 엑추에이터)는 열-관련 고장에 취약하다. 예를 들어, 하나의 종래의 솔레노이드-작동 다이아프램 밸브는 최대 140℃까지의 동작 온도에 대해 평가된다. 동작 온도가 140℃를 초과할 때, 솔레노이드는 과열할 수 있고, 솔레노이드 코일을 지지하는 플라스틱 보빈을 용융할 수 있고 및/또는 코일 권선 주위의 절연물을 용융시킬 수 있어서, 플런저의 차단, 코일의 단락, 및 다른 고장 방식을 야기한다. 비-솔레노이드 밸브에서, 높은 동작 온도는 구조적 구성요소의 영구적인 변형, 엑추에이터에서의 탄성 실 물질의 용융 또는 변형, 및 다른 이유로 인해 고장을 야기할 수 있다.
엑추에이터(240)로 전도된 열은, 밸브 통로(214) 내에서 또는 밸브 통로(214)에 접하는 표면 상에서 매질이 응축하거나 냉각할 정도로 충분히 다이아프램(220) 또는 밸브 바디(210)를 냉각시킬 수 있다. 매질의 응축은 ALD 선구 물질 전달 시스템(100)에서 특히 문제가 있는데, 이는 입자 또는 응축이 전달 시스템(100)에서 차단을 야기할 수 있거나, 반응 챔버(112)로 전파될 수 있어서, 박막에서의 금이 형성되도록 하기 때문이다. 다이아프램(22) 및/또는 밸브 시트(230)의 표면 상의 응축은 또한 폐쇄될 때 밸브(200)를 지나는 선구 물질의 누출을 또한 야기할 수 있는데, 이것은 반응 챔버(112)에서의 비-ALD 성장을 야기할 수 있다.The heat conducted to the
동작 온도는 특정 선구 매질의 증기 압력에 따라 좌우되지만, 일반적으로 130℃ 내지 220℃의 범위에 있을 것이다. 선구 가스가 흐름 경로(110)를 따라 이동할 때 선구 가스의 응축 또는 냉각을 방지하기 위해, 선구 물질은 반응 챔버(112)쪽으로 양의 온도 기울기로 점차 가열된다. 바람직한 실시예에서, 선구 물질 전달 시스템(100)을 따라 2개의 지역에서 히터(116 및 118)에 의해 열이 제공되지만, 상이한 수의 지역 및 히터는 대안적인 실시예(미도시)에 사용될 수 있다. 전기 히터 이외의 수단에 의해 열이 제공될 수 있지만, 일반적으로 열을 밸브 바디(210)에 전도하는 결과가 나타난다. 흐름 경로(110)를 따라 열을 고르고 원활하게 분배하기 위해, 밸브 바디(210) 및 다른 모듈(120)의 바디(122)는 알루미늄, 티타늄, 또는 스테인리스강과 같은 열 전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하다.The operating temperature depends on the vapor pressure of the particular precursor medium, but will generally be in the range of 130 ° C to 220 ° C. To prevent condensation or cooling of the precursor gas as the precursor gas travels along the
가열 바디(290)는 밸브 바디(210)와 열적으로 접촉 상태로 위치하고, 다이아프램(220)의 제 2 측부(236)에 가까이 연장하여, 밸브 바디(210)와 다이아프램(220) 사이의 열 전도성 경로를 형성한다. 열 전도성 경로는 밸브 통로(214)에서의 응축을 방지할 정도로 충분한 다이아프램(220)에서의 동작 온도의 유지를 용이하게 한다. 가열 바디(290)는 다이아프램(220)과 엑추에이터(240) 사이에 삽입되고, 다이아프램(220) 및 엑추에이터(240)와 정렬하는 중앙 개구부(322)를 포함하고, 이를 통해 플런저(250)는 엑추에이터(240)를 다이아프램(220)에 결합하기 위해 연장한다. 플런저(250)의 제 2 단부(258)는 바람직하게 열 전도성 물질로 형성되고 중앙 개구부(322) 내에서 밀접하지만 미끄러지게 맞춰지도록 크기를 가져서, 가열 바디(290)로부터 플런저(250)를 통해 다이아프램(220)으로 열이 쉽게 전달된다. 가열 바디(290)의 코어(326)는 림(228) 위의 밸브 바디(210)에서의 카운터보어로 연장하고, 고리형 연결 통로(310)(도 3)를 한정하도록 형태를 갖는다. O-링과 같은 실(328)은 코어(326) 주위에 위치하여, 고리형 연결 통로(310)에 대해 축 방향 말단 위치에서 가열 바디(290)와 밸브 바디(210) 사이에 밀봉 실을 형성한다. 가열 바디(290)의 플랜지(332)는 밸브 바디(210)의 외부 표면(334)에 인접한 코어(326)로부터 방사상 바깥쪽으로 연장한다. 플랜지(332)는 비교적 넓은 영역을 따라 외부 표면(334)과 접촉하여, 이를 통해 밸브 바디(210)로부터 가열 바디(290)로의 열 전도를 향상시킨다. 플랜지(332)는, 예를 들어 하나 이상의 나사 또는 다른 패스너(392)(도 2 및 도 3)를 통해 가열 바디(290)를 밸브 바디(210)에 고정하는데 적합한 구조를 또한 제공한다. 플랜지(332)는 패스너(392)에 의해 고정될 때 밸브 바디 (210)에 대해 실(328)을 또한 압축한다. 가열 바디(290)는 예를 들어 알루미늄, 스테인리스강, 티타늄, 구리, 또는 다른 금속과 같이 높은 열 전도성을 갖는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.The
다이아프램(220)이 밸브 시트(230)와 접촉하는 폐쇄 위치에 있을 때, 열은 밸브 시트(230)를 통해 다이아프램(220)으로 전도된다. 밸브 시트(230)로부터의 전도는 플런저(250) 및 엑추에이터(240)를 통해 주변 환경으로 방산함으로써 손실된 열을 다이아프램(220)에서 교체하는데 도움을 준다. 이에 따라 밸브 시트(230)는 예를 들어 알루미늄, 티타늄, 또는 다른 금속과 같이 비교적 높은 열 전도성을 갖는 금속으로 형성된다. 앨라스토머 물질로 이루어진 다이아프램과 함께 사용될 때, 밸브 시트(230)는 입구(216)로부터 방사상 연장하는 실질적으로 평평한 고리형 시팅 표면(342)을 포함하는 것이 바람직하다. 시팅 표면(342)은 다이아프램(220)이 폐쇄될 때 다이아프램(220)과 밸브 시트(230) 사이의 증가된 접촉 영역을 제공한다. 증가된 접촉 영역은 밸브 시트(230)와 다이아프램(220) 사이의 접촉 저항(열적)을 감소시킨다. 바람직하게, 밸브 시트(230)는, 플런저(250)가 다이아프램의 제 2 측부(236)와 접촉하는 곳에 마주보는 열적으로 유효 접촉 영역을 따라 밸브 시트(230)로부터 다이아프램(220)으로의 열 전달을 촉진시키기 위해 다이아프램(220)의 제 1 측부(234)의 상당 부분과 접촉한다. 바람직한 실시예에서, 시팅 표면(250)과 다이아프램(220) 사이의 접촉 영역은 플런저(250)와 다이아프램(220) 사이의 접촉 영역에 필적한다. 다이아프램(220)이 폐쇄될 때, 밸브 시트(230)는 중앙 챔버(232)에 노출된 다이아프램(220)의 제 1 측부(234)의 부분의 대략 5%와 100% 사이에서 접촉할 수 있다. 더 바람직하게, 밸브 시트(230)는, 다이아프램(220)이 폐쇄될 때, 다이아프램(220)의 제 1 측부(234)의 노출된 영역의 대략 12%와 50% 사이에서 접촉할 수 있다.When the
시팅 표면(342)은, 다이아프램(220)이 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(230)와 다이아프램(220) 사이에 접촉 저항 및 매질 누출을 추가로 감소시키기 위해 또한 연마되거나 그렇지 않으면 매끄럽게 이루어질 수 있다. 다이아프램(22)의 제 1 측부(234)에 걸친 패시베이션 층은 밸브 시트(230)로부터 다이아프램(220)으로의 열의 전도를 추가로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 측부(234) 상의 패시베이션 층은 대략 10nm와 대략 100nm 사이의 두께를 갖는 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 다른 금속 코팅 층을 포함할 수 있다.The
도 5는 플라스틱 다이아프램(520)을 포함하는 다이아프램 밸브(500)의 대안적인 실시예의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 플라스틱 다이아프램(520)은 PTFE, 또는 예를 들어 PDVF와 같은 다른 탄성의 고순도의 화학적 불활성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 플라스틱 다이아프램(520)이 앨라스토머 다이아프램만큼 쉽게 밀봉되지 않기 때문에, 다이아프램 밸브(500)는 시팅 표면(542)으로부터 다이아프램(520)으로 위쪽으로 연장하는 링형 시팅 리지(522)를 갖는 변형된 밸브 시트(530)를 포함한다. 시팅 리지(522)는, 다이아프램(520)이 밸브 시트(530)에 대해 프레스될 때 다이아프램(520)의 제 1 측부(534)를 영구적으로 변형시키도록 충분히 돌출하고 크기를 갖는다. 시팅 리지(522)는 입구(516)를 둘러싸고, 다이아프램(520)의 영구적인 변형을 야기하는데 필요한 스프링 힘의 양을 감소시키도록 입구(516)에 바로 인접하게 위치하는 것이 바람직하다. 그러나, 다른 실시예(미도시)에서, 시팅 리지(522)는 입구(516) 바깥쪽에 또는 다른 위치에 위치할 수 있다. 시팅 리지(522)는 도 5에 도시된 바와 같이 플랫-토핑(flat-topped)될 수 있거나, 나이프 에지와 같이 다른 형태를 가질 수 있다. 그러나, 시팅 리지(522)는, 시팅 리지(522)가 제 1 측부(534)에서 링형 히트 채널(544)을 형성한 후에 다이아프램(520)의 제 1 측부(534)가 주변 시팅 표면(542)에 대해 프레스되도록 할 정도로 충분히 시팅 리지(522)가 짧다는 점에서 종래 기술의 나이프-에지 밸브 시트와 다르다. 비교시, 몇몇 환경에서의 입자가 평평한 표면 상에 놓일 수 있고 다이아프램의 폐쇄부와 간섭하기 때문에, 종래 기술의 다이아프램 밸브는 날카로운 시팅 에지 주위에 평평한 표면과 다이아프램 사이의 면적의 접촉을 방지할 정도로 충분히 긴 날카로운 밸브 시트를 이용함으로써 누출을 방지한다. ALD 선구 물질 전달 시스템의 배경에서, 실링 간섭은 다이아프램의 냉각으로 인한 입자 형성을 방지하기 위해, 밸브 시트(530)와 다이아프램(520) 사이의 개선된 열 전달에 의해 가장 잘 방지된다.5 is a cross-sectional view of an alternative embodiment of a
시팅 리지(522)는, 히트 채널(544)의 원하는 영구적인 변형을 제공하는 한 편, 히트 채널(544)이 형성된 후에 밸브 시트(530)의 시팅 표면(542)과 다이아프램(520)의 제 1 측부(534) 사이의 면적의 접촉을 허용하기 위해 시팅 표면(542) 위에 높이가 대략 0.5mm와 1.5mm 사이에 있는 것이 바람직하다. 다이아프램(520)의 제 1 측부(534)에서의 히트 채널(544)의 초기 형성은 밸브(500)가 사용 이전에 순환되는 침입(break-in) 기간을 필요로 할 수 있다. 열 전달을 촉진시키는 다이아프램(520) 과 밸브 시트(530) 사이의 증가된 접촉 영역을 제공하기 위해, 고리형 시팅 표면(542)은 유사하게 전술한 도 2 내지 도 4의 실시예의 시팅 표면(342)의 크기 및 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 시팅 표면(542)과 다이아프램(520) 사이의 접촉 영역은 플런저(550)의 제 2 단부(558)와 다이아프램(520)의 제 2 측부(536) 사이의 접촉 영역에 필적할 수 있다. 다이아프램(520)이 폐쇄될 때, 밸브 시트(530)는 중앙 챔버(532)에 노출된 다이아프램(520)의 제 1 측부(534)의 부분의 대략 5%와 100% 사이에서 접촉할 수 있고, 더 바람직하게, 노출된 영역의 대략 12%와 50% 사이에서 접촉할 수 있다.The
밸브 시트(530)는 앨라스토머 다이아프램(220)과 함께 사용된 유형의 밸브 시트(230)(도 2 내지 도 4)와 연계하여 전술한 표면 처리와 유사한 연마된 표면 마감 및/또는 패시베이션을 포함할 수 있다. 도 5의 다이아프램(520)에 사용된 플라스틱 물질이 도 2 내지 도 4의 다이아프램(220)의 앨라스토머 물질보다 더 단단하기 때문에, 유연성은 다이아프램(520)의 두께를 감소시키거나, 바람직하게는 다이아프램(520)의 헤드(562)와 다이아프램이 밸브 바디(510)의 림(528)에 대해 장착되는 곳 사이에 고리형 얇은 영역(552)을 형성함으로써 다이아프램(520)에서 향상될 수 있다. 다이아프램(520) 및 밸브 시트(530)는 시팅 리지(522)와 히트 채널(544) 사이의 오정렬로 인해 누출을 야기할 수 있는 상대 회전을 방지하기 위해 회전가능하게 고정되는 것이 바람직하다. 다이아프램(520)과 밸브 시트(530) 사이의 상대 회전을 방지하는 것은 시팅 표면(542)의 대응하는 마이크로-거칠기(micro-roughness)에 대해 짝을 이루는(mate) 마이크로-거칠기의 제 1 측부(534) 상의 형 성을 용이하게 하여, 이를 통해 밀봉 실을 촉진시킨다.The
다시 도 2를 참조하여, 열 저항성 부재는 밸브 통로(214)로부터{즉, 가열 바디(210) 및/또는 다이아프램(220)으로부터} 엑추에이터(240)로의 열 전달을 제한하거나 억제하기 위해 밸브 통로(214)와 엑추에이터(240) 사이에 삽입되는 것이 바람직하다. 열 저항성 부재는 밸브 통로(214)와 엑추에이터(240) 사이, 또는 밸브 바디(210)와 엑추에이터(240) 사이, 또는 가열 바디(290)와 엑추에이터(240) 사이, 또는 엑추에이터(240)와 다이아프램 밸브(200)의 하나 이상의 다른 부분 사이에서 열 전달을 감쇠시키기 위한 하나 이상의 구조를 포함할 수 있다.Referring again to FIG. 2, the heat resistant member may be a valve passage to limit or inhibit heat transfer from the valve passage 214 (ie, from the
한 종류의 열 저항성 부재는 밸브 통로(214) 및/또는 밸브 바디(210)와 엑추에이터(240) 사이에 감소된 단면적의 부분을 포함한다. 예를 들어, 플런저(250)는 각 제 1 및 제 2 단부(256 및 258) 사이의 중공 영역(348)을 포함할 수 있다. 중공 영역(348), 및 플런저(250)의 주변의 얇은 원통형 벽은 다이아프램(220)과 엑추에이터(240) 사이의 열 전달을 감쇠시킨다. 전술한 바와 같이, 열 전달의 감쇠는 솔레노이드(246)의 열-관련 고장 및 다이아프램(220)의 냉각을 방지하는데, 이것은 다른 경우 밸브 통로(214)에서의 매질의 응축에서 초래될 수 있다.One type of heat resistant member includes a portion of the reduced cross sectional area between the
플런저(250)를 통하는 열 전달을 더 막기 위해, 플런저(250)는 복합 구성을 가질 수 있으며, 여기서 제 1 단부(256)는 자기 물질로 형성되고, 제 2 단부(258)는 열 전도성 물질{가열 바디(290)로부터 다이아프램(220)으로 열을 전도하기 위해}로 형성되고, 절연 중앙 부분(352)은 각 제 1 및 제 2 단부(256 및 258) 사이에 있다. 중앙 부분(352)은 제 2 단부(258)보다 실질적으로 더 낮은 열 전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있거나, 제 2 단부(258)보다 더 낮은 열 전도성을 초래하는 구조를 가질 수 있다.To further prevent heat transfer through the
다른 종류의 열 저항 부재는 가열 바디(290) 및 밸브 바디(210) 위에 그리고 이로부터 떨어진 엑추에이터(240)를 지지하는 밸브 스템(360)을 포함한다. 밸브 스템(360)은 가열 바디(290)와 엑추에이터(240) 사이의 열 전달을 감쇠시키기 위해 감소된 단면적(364)의 부분을 포함할 수 있다. 접촉 저항을 증가시키기 위해, 밸브 스템(360)은 이왕이면 매우 작은 영역만을 따라 가열 바디(290) 및/또는 밸브 바디(210)와 접촉하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 밸브 스템(360)은 가열 바디(290)의 중앙 보스(central boss)(372)의 작은 스텝(368) 상에 지지될 수 있다. 플라스틱 또는 세라믹과 같은 열 저항성 물질로 형성된 절연 받침대(insulating pedestal)(376)는 가열 바디(290)로부터 밸브 스템(360)을 분리시키기 위해 가열 바디(290)의 플랜지(332)의 주변 주위로 연장할 수 있거나, 그 주위에 위치할 수 있다. 절연 받침대(376)는 절연 물질로 된 링을 포함할 수 있거나, 대안적으로, 주변 주위에 플랜지(332)로부터 연장하는 기둥(post) 세트를 포함할 수 있다.Another kind of heat resistant member includes a
엘라스토머 또는 플라스틱 실(382)은 보스(372) 주위에 그리고 가열 바디(290)와 밸브 스템(360) 사이에 위치한다. 실(382)은 가열 바디(290)와 밸브 스템(360) 사이의 가스 누출을 방지한다. 고리형 데드 공기 공간(386)은 밸브 스템(360)과 가열 바디(290) 사이, 그리고 실(382)과 절연 받침대(376) 사이에 형성될 수 있다. 데드 공기 공간(386)은 가열 바디(290)로부터 밸브 스템(360)을 추가로 단절시킨다. 엑추에이터(240)는 밸브 스템(360) 상의 솔레노이드(246)의 프레스 피 팅(press fitting)에 의해, 접착제 또는 다른 수단에 의해 고정될 수 있다. 밸브 스템(360) 및 가열 바디(290)는 가열 바디(290)의 플랜지(332) 및 밸브 스템(360)의 방사상 부분에서의 구멍을 통해 연장하는 하나 이상의 나사(392)에 의해 밸브 바디(210)에 부착된다. 나사(392)는 밸브 바디(210) 내에 나사선 형성(threaded)되고, 나사(392)의 헤드 아래에 위치한 절연 와셔(396)에 의해 밸브 스템(360)으로부터 열적으로 단절된다. 절연 와셔(396)는 예를 들어 PTFE와 같은 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다.An elastomer or
열 절연 슬라이드 부싱(slide bushing)(402)은 플런저(250)와 엑추에이터(240) 사이에 삽입된다. 슬라이드 부싱(402)은, 플런저(250)의 제 1 단부(256)가 지탱되는 밸브 스템(360)의 내부 표면에 대해 슬라이딩 마찰의 낮은 계수를 또한 갖는 PTFE와 같은 열적으로 절연성 플라스틱 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 슬라이드 부싱(402)은 플런저(250)와 엑추에이터(240) 사이의 열 전달을 유리하게 막을 수 있고, 플런저(250)의 이동에 대한 마찰 저항을 감소시키고, 엑추에이터(240) 내의 플런저(250)의 이동과 충돌할 수 있는 마모 및 입자 생성을 감소시킬 수 있다.A thermally insulating
차단 부재(410)는 플런저(250)와 멈춤부(276) 사이에 삽입된다. 차단 부재(410)는, 솔레노이드(246)에 전력 공급될 때 멈춤부(276)에 대해 플런저(250)의 충격을 완화시키는 내구성 플라스틱 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 충격의 완화는 멈춤부(276) 및/또는 플런저(250)의 균열을 방지할 수 있어서, 이를 통해 엑추에이터(240) 내의 플런저(250)의 이동과 충돌할 수 있는 입자의 형성을 방지한다. 차단 부재(410)에 적합한 플라스틱 물질은 PTFE이다. 차단 부재(410)는, 차단 부재(410)와 접촉하여 플런저(250)가 완전히 개방 위치에 있을 때 플런저(250)와 멈춤부(276) 사이의 열 전달을 감쇠시키기 위해 열 절연 특성을 또한 가질 수 있다.The blocking
PTFE 또는 다른 플라스틱과 같은 비자기 물질로 형성될 때, 차단 부재(410)는, 스프링(280)이 멈춤부(276)로부터 멀리 플런저(250)를 이동시키기 시작하기 전에 솔레노이드(246)로부터 전류의 제거 후에 "방출 시간(release time)"을 감소시킬 수 있는 멈춤부(276)와 플런저(250) 사이의 자기 불연속성을 도입한다. 사실상, 차단 부재(410)에 의해 도입된 자기 불연속성은, 자기적 전도성 멈춤부(276)와 플런저(250)의 자기적 전도성 제 1 단부(256) 사이에 비자기 분리를 제공함으로써 플런저(250)의 제 1 단부(256)의 극단부에서 자계를 감소시킨다. 추가 설명에 의해, 솔레노이드(246)에 의해 생성되는 플런저(250) 상의 자기 인력은, 솔레노이드(246)에 대한 전류가 차단될 때 즉시 제거되지 않는다. 오히려, 스프링(280)이 멈춤부(276)로부터 멀리 플런저(250)를 이동시키기 시작할 수 있는 임계치 아래로 자력이 하락되기 전에 특정한 시간량이 경과해야 한다. 차단 부재(410)는 솔레노이드(246)와 플런저(250) 사이의 유지력을 감소시킴으로써 방출 시간을 감소시킨다. 방출 시간을 감소시키는 것은 온 상태로부터 오프 상태로 더 빨리 스위칭하게 되는데, 이것은 다이아프램 밸브(200)의 총 개방 시간을 단축시킬 수 있다.When formed from a non-magnetic material such as PTFE or other plastic, the blocking
예를 들어 기무라의 미국 특허 번호 5,326,078 및 스즈끼 등의 6,116,267에 기재된 것과 유사한 종래 기술의 다이아프램 밸브는, 밸브 시트에 대해 프레스될 때 다이아프램을 변형시키거나 다이아프램 상의 국부 압력을 증가시키기 위해 날카 로운 시팅 표면을 갖는 밸브 시트를 포함한다. 전술한 바와 같이, 다이아프램(220)은 예를 들어 VITON® 또는 EPDM과 같은 앨라스토머 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어 ZrCl2과 같은 특정한 가열된 선구 물질 및 화학 물질에 노출될 때, 앨라스토머 물질은 손상될 수 있어서, 날카로운 밸브 시트에 대한 균일 및 전단 변형에 취약할 수 있게 된다. 바람직한 실시예에서, 밸브 시트(230)의 시팅 표면(342)은 날카로운 특징이 없는 것을 특징으로 하는데, 이것은 다이아프램(220)의 금이 감(scoring) 및 결과적인 전단 변형 또는 균열을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 시팅 표면(342)은 5mm2보다 더 큰 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 25mm2보다 더 크다. 다이아프램(220)의 전단 변형을 방지할 정도로 충분히 큰 밸브 시트(230)의 크기를 갖는 것이 바람직하지만, 그럼에도 불구하고, 밸브 시트(230)의 형태 및 크기는, 스프링(280)으로부터의 편향력이 다이아프램(220)의 제 1 측부(234)의 약간의 표면 변형을 야기하도록 선택될 수 있다. 표면 변형은 제 1 측부(234)가 시팅 표면(342)에 더 잘 따르도록 하여, 다른 경우 제 1 측부(234) 및/또는 시팅 표면(342)의 마이크로-거침도로부터 야기될 수 있는 매질의 누출을 감소시킨다. 표면 변형은 탄성 변형 또는 플라스틱 변형, 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 시팅 표면(342)의 매끄럽거나 연마된 표면 마감은 시팅 표면(342)에 대해 프레스될 때 누출 방지 실(leak-tight seal)을 제공하기 위해 다이아프램(220)의 능력을 더 향상시킬 수 있다.Prior art diaphragm valves similar to those described, for example, in U.S. Pat.No. 5,326,078 to Kimura and 6,116,267 to Suzuki et al. A valve seat having a seating surface. As noted above, the
도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, 다이아프램이 PTFE 또는 PVDF와 같은 플 라스틱 물질로 구성될 때, 주로 평평한 시팅 표면은 덜 바람직할 수 있다. 앨라스토머 물질로 형성된 다이아프램에 비해, 플라스틱 다이아프램(520)(도 5)은 더 큰 경도를 가져서, 밸브 시트에 대한 밀봉을 더 어렵게 한다. 도 5를 참조하여, 플라스틱 다이아프램(520)과 함께 사용하기 위한 밸브 시트(530)는 입구(516) 주위에 시팅 표면(542)으로부터 연장하는 시팅 리지(522)를 포함하는 것이 바람직하다. 시팅 리지(522)는, 침입 기간 동안 밸브 시트(530)에 대해 프레스될 때 다이아프램(520)의 제 1 측부(534)의 플라스틱 변형을 야기한다. 다이아프램(520)은 다이아프램 밸브(500)의 이용을 시작하기 전에 차단하는데 도움을 주기 위해 사전-순환될 수 있다. 사전-순환 또는 침입 기간 동안 발생하는 플라스틱 변형은, 누출을 방지하기 위해 시팅 리지(522)에 대해 타이트하게 짝을 이루는 다이아프램(520)에 링형 히트 채널(544)을 부착한다. 유사한 날카로운 에지 밸브 시트는, 다이아프램(520)이 금속으로 이루어질 때 국부 밀봉 압력을 증가시키는 것이 또한 바람직할 수 있지만, 금속 다이아프램을 플라스틱으로 변형시키는 것은 불필요하거나 바람직하지 않을 수 있다.As described above with reference to FIG. 5, when the diaphragm is made of a plastic material such as PTFE or PVDF, a primarily flat seating surface may be less desirable. Compared to the diaphragm formed of elastomeric material, the plastic diaphragm 520 (FIG. 5) has a greater hardness, making the sealing to the valve seat more difficult. Referring to FIG. 5, the
단단한 밀봉을 보장하기 위해, 밸브 시트(230, 530) 및 다이아프램(220, 520)은 각 밸브 바디(210, 510) 및 플런저(250, 550)에 고정되어, 이를 통해 상대 회전을 방지한다. 밸브 시트와 다이아프램 사이의 상대 회전을 방지하는 것은, 다이아프램(220, 520) 상의 동일한 위치가 다이아프램 밸브(200, 500)가 폐쇄될 때마다 동일한 장소에서 밸브 시트(230, 530)와 접촉하는 것을 보장한다.To ensure a tight seal, the valve seats 230, 530 and
도 4는, 도시된 다이아프램(220)이 개방 위치로 전이된 상태로, 밸브 통로 (214), 밸브 시트(230), 및 다이아프램(220)을 구체적으로 도시한 확대된 단면도이다. 도 4를 참조하여, 밸브 시트(230)의 고리형 시팅 표면(342)은, 약간 볼록한 폐쇄 위치로 구부러질 때, 다이아프램(220)의 제 1 측부(234)가 시팅 표면(342)의 바깥쪽 주변 에지(418)와 접촉하지 않도록 충분히 크다. 시팅 표면(342)은 도 4에 도시된 바와 같이 바깥쪽 주변 에지(418)를 따라 또한 굴곡질 수 있거나, 약간 볼록(crowned)(미도시)해질 수 있어서, 다이아프램(220)의 금이 가거나 전단 변형을 추가로 방지한다. 밸브 시트(230)는 일반적으로 받침대 형태이고, 마주보는 시팅 표면(342)을 연장하는 나사선 형태의 넥(422)을 포함한다. 밸브 시트(230)는 우수한 열 접촉을 달성하기 위해 밸브 바디(210) 내에 나선 형성된다. 바람직하게, 밸브 시트(230)는 밸브 통로(214)의 입구 부분 내로 나선 형성된다. 그러나, 대안적인 실시예(미도시)에서, 입구(216) 및 출구(218)는, 밸브 시트(230)가 밸브 바디(210)에 형성된 출구 통로 내에 나선 형성되도록 반대로 된다. 밸브 시트(230)는, 밸브 시트(230)의 충돌, 또는 시팅 표면(342) 상 또는 입구(216) 내부에 선구 물질의 축적을 방지하기 위해 다이아프램(220) 및 밸브 통로(214)(전술한 바와 같이)와 유사한 방식으로 패시베이션 층으로 코팅될 수 있다. 시트 O-링(430)은 밸브 시트(230)와 밸브 바디(210) 사이의 누출 방지 실을 제공하기 위해 밸브 시트(230)의 상부 받침대 부분과 밸브 바디(210)의 블라인드 보어(226)의 하부 표면 사이에 삽입된다. 스페이서 링(440) 또는 쐐기(shim)는, 밸브 바디(210)에 대해 밸브 시트(330)의 축 위치를 확립하기 위해 밸브 바디(210)의 블라인드 보어(226)의 바닥(floor)과 밸브 시트(230)의 상부 받침대 부분 사이에 삽입된다. 스페이서 링(440)은 O-링 (430)의 과압축을 방지하고, 밸브 바디(210) 및 다이아프램(220)에 대해 시팅 표면(342)의 축 위치를 확립한다. 시팅 표면(342)의 정밀한 축 위치 지정(positioning)은 시팅 표면(342)에 대해 다이아프램(220)의 시팅 압력의 개선된 제어를 허용하여, 이를 통해 다이아프램(220)의 제 1 측부(234) 상에 금이 가게 할 수 있는 과도한 힘을 적용하지 않고도 누출-방지를 개선시킨다.4 is an enlarged cross-sectional view specifically showing the
본 발명의 기본 원리에서 벗어나지 않고도 본 발명의 전술한 실시예의 세부 사항에 대해 많은 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 다음 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.It will be apparent to those skilled in the art that many modifications may be made to the details of the foregoing embodiments of the invention without departing from the basic principles of the invention. Therefore, the scope of the present invention should be determined only by the following claims.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고온의 박막 증착 기기에 사용하기에 바람직한, 특히 원자 층 증착 반응기의 선두 물질 전달 시스템에 유용한 특징을 갖는 다이아프램 밸브 등에 이용된다.As mentioned above, the present invention finds use in diaphragm valves and the like, which are useful for use in high temperature thin film deposition equipment, in particular having useful features in leading material delivery systems of atomic layer deposition reactors.
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