KR20130103672A

KR20130103672A - 트리클로로실란 기화 시스템

Info

Publication number: KR20130103672A
Application number: KR1020127032191A
Authority: KR
Inventors: 아바라지스 하리; 지후이 구; 사티시 부사라푸; 티모시 딘 트루옹; 푸니트 굽타
Original assignee: 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈, 인크.
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2013-09-24
Also published as: CN103025656B; EP2580159A2; WO2011154879A2; TWI512240B; EP2580159A4; WO2011154879A3; CN103025656A; US20130195432A1; JP2013533949A; US20110300050A1; TW201217707A

Abstract

액체를 기화시키는 열 교환기와 이를 이용하는 방법이 개시된다. 열 교환기는 하우징, 튜브, 히터 및 복수의 비반응성 부재를 포함한다. 상기 튜브는 상기 하우징의 내부에 배치되며, 유입구와 유출구를 갖고 있다. 상기 히터는 상기 튜브를 가열하도록 구성된다. 상기 복수의 비반응성 부재는 이 비반응성 부재와 상기 튜브 사이에 복수의 공극이 형성되도록 하는 배열로 상기 튜브의 내부 공동에 배치된다. 이 배열은 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과하여 상기 튜브의 유입구로부터 상기 튜브의 유출구로 진행할 수 있게 한다. 상기 복수의 비반응성 부재와 상기 튜브는, 상기 액체를 적어도 부분적으로 기화시키기 위해, 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달한다.

Description

트리클로로실란 기화 시스템{TRICHLOROSILANE VAPORIZATION SYSTEM}

기체 상태의 트리클로로실란은 반도체 웨이퍼나 태양 전지와 같은 실리콘 함유 장치의 제조에 종종 이용된다. 트리클로로실란은 통상적인 대기 조건에서는 액체 상태이다. 트리클로로실란은 실리콘 함유 장치의 제조에 이용하기 전에 기체 상태로 변환된다. 더욱이, 액체 트리클로로실란을 기체 상태로 변환할 때는, 액체 트리클로로실란을 특정 온도 이상으로 가열하면 트리클로로실란의 부식성 및/또는 반응성이 지나치게 커지게 되므로 특정 온도 이상으로 가열하지 않는 것이 좋다.

액체 트리클로로실란을 기체 상태로 변환하는데는 여러 가지 종류의 보일러 또는 기화기가 이용되었다. 예컨대, 개방형 보일러는 통상적으로 대량의 액체 트리클로로실란을 가열하여 이로부터 기화한 기체를 모은다. 그러나 그와 같은 개방형 보일러는 트리클로로실란의 부식성 및/또는 반응성이 지나치게 커지게 되는 특정 온도를 초과하지 않고 트리클로로실란을 기화시키는데는 비교적 큰 표면적을 필요로 하기 때문에 만족스러운 결과를 얻지 못했다. 액체 트리클로로실란이 가열된 긴 튜브를 통과하는 다른 종류의 보일러가 이용되었다. 그러나, 이러한 보일러도 트리클로로실란의 부식성 및/또는 반응성이 지나치게 커지게 되는 특정 온도를 초과하지 않고 트리클로로실란을 완전히 기화시킬 수 없기 때문에 역시 만족스러운 결과를 얻을 수 없었다.

제1 양태는 하우징, 튜브, 히터 및 복수의 비반응성 부재를 포함하는, 액체를 기화시키는 열 교환기이다. 상기 하우징은 내부와 외부면을 가진다. 상기 튜브는 상기 하우징의 상기 내부에 배치되며, 내부 공동(cavity)을 가진다. 또한, 상기 튜브는 상기 하우징의 상기 외부면으로부터 각각 바깥쪽으로 이격된 유입구와 유출구를 가지고, 상기 유입구는 상기 액체의 흐름을 내부로 유입하도록 구성된다. 상기 히터는 상기 튜브 및 상기 하우징과 열적으로 교류하도록 배치되며, 상기 튜브를 가열하도록 구성된다. 상기 복수의 비반응성 부재는 상기 튜브의 상기 내부 공동에 배치되며, 상기 복수의 비반응성 부재와 상기 튜브 사이에 복수의 공극(void)이 형성되도록 배열된다. 상기 복수의 비반응성 부재의 배열은 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과하여 상기 튜브의 유입구로부터 상기 튜브의 유출구로 진행할 수 있도록 되어 있다. 상기 복수의 비반응성 부재와 상기 공동 튜브는, 상기 액체를 적어도 부분적으로 기화시키기 위해, 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달한다.

다른 양태는 하우징, 튜브 및 복수의 구형 부재를 포함하는, 액체를 기화시키는 열 교환기이다. 하우징은 내부와 외부면을 가진다. 튜브는 상기 하우징 내에 배치되며, 액체의 흐름을 상기 튜브 내로 유입시키도록 구성된 유입구를 갖고 있다. 상기 튜브는 내부 공동을 갖고 있다. 상기 복수의 구형 부재는 상기 튜브의 상기 내부 공동에 배치되며, 상기 복수의 구형 부재와 상기 튜브 사이에 복수의 공극이 형성되도록 배열된다. 상기 복수의 구형 부재의 배열은 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과하여 상기 튜브의 유입구로부터 상기 튜브의 유출구로 진행할 수 있게 한다. 상기 복수의 구형 부재와 상기 튜브는, 상기 액체를 적어도 부분적으로 기화시키기 위해, 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달하도록 구성된다.

또 다른 양태는 액체를 기화시키는 방법이다. 이 방법은 열 교환기 내의, 구형 부재를 포함하는 튜브의 유입구로의 상기 액체의 흐름을 개시하는 단계를 포함한다. 그 다음, 상기 열 교환기 내의 튜브가 가열된다. 그 다음, 상기 액체를 상기 튜브를 통과시킴으로써 상기 액체가 기체로 기화된다. 상기 구형 부재는 열원에 의해 가열되고, 상기 액체가 상기 구형 부재와 상기 튜브 사이에 형성된 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달한다. 그 다음, 상기 기체는 상기 열 교환기로부터 제거된다.

또 다른 양태는 액체 트리클로로실란을 기화시키는 방법이다. 이 방법은 제1 열 교환기의 유입구로의 액체 트리클로로실란의 흐름을 개시하는 단계를 포함한다. 그 다음, 상기 트리클로로실란을 상기 제1 열 교환기 내의 복수의 비반응성 부재를 가진 제1 튜브를 통과시킴으로써 상기 액체 트리클로로실란이 기체 상태로 부분적으로 기화된다. 상기 비반응성 부재는 제1 열원에 의해 가열되며, 상기 트리클로로실란이 상기 비반응성 부재를 통과할 때 상기 트리클로로실란에 열을 전달한다. 그 다음, 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 상기 제1 열 교환기로부터 제거된다. 그 다음, 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 제1 기체와 혼합되어, 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체를 형성한다. 그 다음, 제2 열 교환기 내의, 비반응성 부재를 포함하는 제2 튜브 내로의 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체의 흐름이 개시된다. 그 다음, 상기 혼합체를 상기 제2 튜브를 통과시킴으로써 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체가 기화된다. 상기 비반응성 부재는 제2 열원에 의해 가열되며, 상기 혼합체가 상기 비반응성 부재를 통과할 때 상기 혼합체에 열을 전달한다. 그 다음, 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체는 상기 제2 열 교환기로부터 제거된다.

상기 양태들과 관련하여 설명된 특징들의 여러 가지 개선이 존재한다. 상기 양태들에는 다른 추가적인 특징들도 포함될 수 있다. 이러한 개선과 추가적인 특징은 개별적으로 또는 조합하여 존재할 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예들과 관련하여 설명된 여러 가지 특징은 상기 양태들에 단독으로 또는 조합하여 포함될 수 있다.

도 1은 일 실시예의 열 교환기의 횡단면도.
도 2는 도 1의 열 교환기의 일부 확대도.
도 3은 도 2의 열 교환기에서 튜브의 일부의 라인 3-3을 따른 횡단면도.
도 4는 트리클로로실란 기화 시스템의 개략도.
도 5는 액체를 기화시키는 방법을 설명하는 블록도.
도 6은 액체 트리클로로실란을 기화시키는 방법을 설명하는 블록도.

이제, 도면을 참조로, 특히 도 1을 참조로 설명하며, 도면부호 100은 열 교환기를 총괄적으로 표시한다. 여기서 설명되는 열 교환기(100)는 뒤에 실리콘 함유 장치(예컨대, 웨이퍼나 태양 전지)의 제조에 이용될 액체 트리클로로실란(SiCl₃)의 기화에 이용된다. 그러나, 열 교환기(100)는 임의의 액체를 가열하거나 기화시키는데도 적합하며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 그러한 임의의 목적으로 사용될 수 있다. 여기서는 트리클로로실란을 "기화하는 것"에 대해서 설명하며, 그러한 설명은 액체 트리클로로실란을 기체 상태로 변환하는 것을 의미함을 알아야 한다. 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 일부가 기체로 변환된 트리클로로실란을 말한다(즉, 어느 정도의 트리클로로실란이 액체 상태로 남아있다).

도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기(100)는 밀봉부를 구성하는 하우징(110), 흡입구(112) 및 배출구(114)를 포함한다. 하우징(110)은 내부(116)와 외부면(118)을 갖고 있다. 하우징(110)은 강철 또는 그 합금과 같은 임의의 적당한 재료로 형성된다. 하우징(110)은 전체적으로 보면 대개는 원통형이지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 형상(예컨대, 직사각형, 정사각형, 원형 등)을 가질 수 있다. 또한, 하우징(110)은 그 내부에 열전달 액체(122)(넓은 의미로는, 열전달 매체)를 담을 수 있도록 (흡입구와 배출구는 제외하고) 충분히 밀봉된다(이에 대해서는 뒤에 더 자세히 설명함). 또한, 하우징(110)은 하우징 내의 열전달 유체(122)를 순환시키는 교반기(미도시) 또는 기타 다른 장치를 포함할 수 있다.

하우징(110)의 적어도 일부 주위에는 히터(120)가 배치되어 있다. 히터(120)는 하우징(110)과, 하우징 내에 배치된 열 교환기(100)의 여러 구성 성분(즉, 튜브, 구형 부재, 열전달 유체 및 트리클로로실란)을 가열하는데 적합한 임의의 장치이다. 히터(120)는 하우징에 인접한 곳에 배치되는데, 도 1에서는 하우징(110)의 외부면(118)에 배치되어 있으나, 다른 실시예에서는 하우징의 내부(116)에 배치되거나 하우징과 일체로 형성될 수 있다. 도 1에서는 히터(120)는 전기 저항 히터이지만, 다른 실시예에서는 복사열 또는 연소 히터이다. 히터(120)는 그 동작을 제어하는 적당한 제어 시스템(미도시)에 연결되어 있다.

하우징(110)의 내부(116)에는 제1 튜브(200)와 제2 튜브(210)가 나선형으로 배치되어 있다. 다른 실시예에서는 단일 튜브가 이용될 수 있으며, 또 다른 실시예에서는 2개보다 많은 튜브가 이용될 수 있다. 더욱이, 튜브(200, 210)는 꼭 나선형이지 않아도 되며, 하우징(110) 내부(116)의 임의의 적당한 위치에 배치되어도 된다. 예컨대, 튜브(200, 210)는 하우징(110) 내의 루프 형상으로 배치되어도 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 튜브(200, 210)는 나선형으로 배치되어 있으며, 열전달 유체(122)가 튜브를 순환할 수 있도록 일정 거리만큼 서로 간에 떨어져 있다. 일 실시예에 따라서, 튜브(200, 210)는 튜브 지름 정도의 거리만큼 서로 간에 떨어져 있을 수 있다. 튜브(200, 210)의 측벽(206, 216)은 액체나 기체가 스며들지 못하도록 되어 있으며, 따라서 액체(예컨대, 트리클로로실란)는 누설없이 튜브를 통해 흐를 수가 있다. 또한, 튜브(200, 210)의 측벽(206, 216)은 고온에서 트리클로로실란이 있어도 반응하지 않는다(예컨대, 스테인리스 강이나 티타늄). 각 튜브(200, 210)는 각자의 유입구(202, 212)와 유출구(204, 214)를 갖고 있다. 더욱이, 각 튜브(200, 210)는 내부 공동(cavity)을 갖고 있으며, 도 3에는 제1 튜브의 내부 공동(220)이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 튜브(200, 210)에는 구형 부재들(300)(넓은 의미로는, "비반응성 부재")이 튜브 내에서 움직이지 못하도록 빽빽하게 채워져 있다. 각 튜브(200, 210)의 유입구(202, 212)와 유출구(204, 214)에서는 구형 부재(300)를 튜브 내에 유지시키는 유지 부재(retaining member)(미도시)가 사용될 수 있다. 유지 부재에는 구형 부재(300)보다 작은 지름을 가진 개구부가 형성되어 있어 액체 및/또는 기체가 그 개구부를 통해 흐를 수가 있으나, 구형 부재는 그렇게 하지 못한다. 구형 부재(300)는 히터(120)에 의해 하우징(110)과 튜브(200, 210)를 가열하는 것이 구형 부재를 가열하는 것이 되도록 하는 위치에 배치된다.

구형 부재(300)와 튜브(200, 210)의 측벽(206, 216) 사이에는 빈 공간으로서 공극(void)(310)이 형성되어 있다. 공극(310)은 기체가 튜브(200, 210)를 통해 흐를 수 있도록 하며, 구형 부재(300)는 충분한 양의 액체 및/또는 기체가 공극을 통해 흐를 수 있도록 하는 정도의 크기를 갖고 있다. 예컨대, 각 구형 부재(300)는 튜브(200, 210) 지름의 반보다 작은 지름을 가질 수 있다. 도 3에서, 구형 부재(300)의 지름은 튜브(200) 지름의 약 20%이며, 따라서, 튜브 지름을 따라 그려진 라인 D에 의해 5개의 구형 부재가 교차한다. 일 실시예에서, 튜브(200, 210)의 지름은 약 0.75 인치이며, 측벽(206, 216)의 두께는 약 0.065 인치이며, 구형 부재(300)의 지름은 약 0.125 인치이다.

튜브(200, 210)에는 공극(310)의 체적을 변화시키기 위해 여러 가지 크기의 구형 부재(300)가 이용될 수 있다. 예컨대, 구형 부재의 지름이 클수록 공극의 체적도 커지므로 공극(310)의 체적을 증가시키는데는 (튜브 지름보다) 더 큰 지름을 가진 구형 부재(300)가 이용될 수 있다. 더욱이, 공극(310)의 체적을 감소시키고, 따라서 액체 및/또는 기체가 튜브(200, 210) 내의 공극을 통해 흐를 때 접촉하는 구형 부재의 총 표면적을 증가시키는데는 더 작은 지름을 가진 구형 부재(300)가 이용될 수 있다. 튜브(200, 210)에 포함된 구형 부재(300)의 표면적을 증가시키면 공극(310)을 통해 흐르고 구형 부재와 접촉하는 트리클로로실란으로의 열전달 양과 속도가 증가된다.

구형 부재(300)는 높은 온도에서도 트리클로로실란과 반응하지 않는, 즉 트리클로로실란에 의해 분해되지 않는 비반응성 재료로 형성된다. 그와 같은 재료의 예로는 여러 가지 종류의 스테인리스 강, 티타늄 및 초합금이 있다. 더욱이, 도 3에는 구형 부재(300)가 도시되어 있지만, 이 부재는 다른 형상을 가질 수 있다. 부재(300)는 액체 및/또는 기체가 흐를 수 있는 공극(310)을 형성하도록 튜브(200, 210) 내에 빽빽하게 채워질 수 있는 임의의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 부재(300)는 서로 다른 형상을 가지거나(예컨대, 어떤 부재는 구형이고 다른 어떤 부재는 정육면체 또는 여러 가지 형태의 다각형일 수 있으며), 유사한 형상을 가질 수도 있다. 더욱이, 부재(300)는 여러 가지 불규칙적인 형상을 가질 수도 있다.

열전달 유체(122)는 하우징(110) 내부(116)에 들어 있으며 튜브(200, 210)를 에워싸고 있다. 열전달 유체(122)는 하우징(110)과 히터(120)로부터의 열을 튜브(200, 210)에 전달하는데 이용된다. 적당히 높은 열전도율을 가진 임의의 적당한 유체가 이용될 수 있다. 적당한 열전달 유체의 예로는 액체 금속(예컨대, 나트륨 또는 수은), 물, 소금물, 오일 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 이들 실시예에서, 튜브(200, 210)는 정비(예컨대, 세척)나 교환을 위해 하우징(110)으로부터 떼낼 수 있다.

다른 실시예에서는 열전달 유체를 이용하지 않고, 대신에 튜브(200, 210)가 하우징(110) 내의 튜브를 둘러싸는 알루미늄(즉, 열 전달 매체)으로 감싸진다. 이 알루미늄은 먼저 액체 상태로 녹고, 그 다음에, 이 녹은 알루미늄이 튜브(200, 210)를 둘러싼 후에 고화되도록 하우징(110) 내로 부어진다. 이 실시예에서, 알루미늄은 그 열전도성 때문에 튜브(200, 210)를 감싸는데 이용된다. 다른 실시예에서, 튜브(200, 210)는 다른 종류의 금속으로 둘러싸여질 수 있다.

도 4는 액체 트리클로로실란을 기화시키는 시스템(400)을 보여준다. 이 시스템은 도 1 내지 3에 도시된 것과 동일 또는 유사한 복수의 열 교환기를 이용한다. 도 4에 도시된 열 교환기의 수와 구성은 예시적인 것으로, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있다. 예컨대, 시스템(400)에 이용된 열 교환기의 수와 구성은 기화되고 있는 액체의 유속, 액체의 끓는점, 액체의 열적 특성(예컨대, 열전도율) 및 액체의 최대 가열 온도에 의해 영향을 받을 수 있다.

액체 트리클로로실란의 흐름은 먼저 2개의 평행 흐름으로 분할되고, 이 평행 흐름은 각각 제1 열 교환기(402)와 제2 열 교환기(404)에 공급된다. 그리고, 액체 트리클로로실란은 각자의 열 교환기로부터 제거되기 전에(즉, 그 배출구로부터 흐르기 전에) 제1 및 제2 열 교환기(402, 404) 각각에서 부분적으로 기화된다. 그러면, 부분적으로 기화된 트리클로로실란(즉, 트리클로로실란의 일부는 액체 상태이고 다른 일부는 기체 상태임)은 각각 제3 열 교환기(410)와 제4 열 교환기(412)로 들어간다. 그러면, 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 각자의 열 교환기로부터 제거되기 전에 제3 및 제4 열 교환기(410, 412) 각각에서 더 기화된다(즉, 액체 트리클로로실란에 대한 기체 트리클로로실란의 비율이 증가한다).

그런 다음에, 부분적으로 기화된 트리클로로실란의 평행한 흐름은 다시 합쳐지고, 이 부분적으로 기화된 트리클로로실란에 수소 기체가 혼합된다. 그 다음, 이 흐름은 다시 2개의 평행 흐름으로 분할되고, 이 평행 흐름은 각각 제5 열 교환기(420)와 제6 열 교환기(422)에 공급된다. 그러면, 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 제5 및 제6 열 교환기(420, 422)에서 트리클로로실란의 거의 전부가 기체 상태가 되는 정도까지 더 기화된다. 그러나, 트리클로로실란이 제5 및 제6 열 교환기(420, 422)를 빠져나올 때 비교적 소량(즉, 1 중량% 미만)의 트리클로로실란이 액체 상태로 유지될 수 있다. 그러면, 기화된 트리클로로실란의 평행 흐름은 다시 하나의 탱크로 들어와 나중에 이용하기 위해 저장되거나, 후속 처리 작업에 전달된다.

도 5는 도 1 내지 3과 관련하여 전술한 열 교환기에서 액체를 기화시키는 방법(500)을 보여준다. 이 방법은 액체(예컨대, 트리클로로실란과 같은 온도 감응 액체)의 열 교환기 내의 튜브의 유입구로의 흐름을 개시하는 블록(510)에서 시작한다. 블록(520)에서, 열 교환기 내의 튜브는 히터 또는 기타 다른 열원에 의해 기열된다. 그러면, 단계(530)에서, 액체를 구형 부재가 채워져 있는 열 교환기 내의 튜브를 통과시킴으로써 액체가 기체로 기화된다. 액체는 튜브 내의 구형 부재로부터 액체에 전달된 열에 의해 기화된다. 그러면, 단계(540)에서, 기체는 열 교환기 내의 튜브로부터 제거되고, 저장되거나 후속 처리 작업에 이용된다.

도 6은 도 4에 도시된 것과 동일 또는 유사한 트리클로로실란 기화 시스템에서 액체 트리클로로실란을 기화시키는 방법(600)을 보여준다. 이 방법은 액체 트리클로로실란의 제1 열 교환기 내로의 흐름을 개시하는 블록(610)에서 시작한다. 그 다음, 블록(620)에서, 트리클로로실란을 비반응성 부재(예컨대, 도 1 내지 3에 도시된 구형 부재)가 채워져 있는 튜브를 통과시킴으로써 액체 트리클로로실란이 제1 열 교환기에서 부분적으로 기화된다.

블록(630)에서, 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 제1 열 교환기로부터 제거된다. 그 다음, 블록(640)에서, 부분적으로 기화된 트리클로로실란은 수소 기체와 혼합된다. 그 다음, 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 수소 기체의 혼합체는 제2 열 교환기로 들어간다. 제2 열 교환기 내에 있으면, 그 다음, 블록(650)에서, 이 혼합체를 비반응성 부재가 채워져 있는 제2 열 교환기 내의 튜브를 통과시킴으로써 이 혼합체는 기화된다. 그 다음, 블록(670)에서, 트리클로로실란과 수소 기체의 기화된 혼합체는 제2 열 교환기로부터 제거된다.

특정 이론에 구속됨이 없이, 튜브 내에 배치된 구형 부재는 트리클로로실란과 접촉하는 열 교환기의 표면적을 증가시키기 때문에 트리클로로실란에 전달되는 열의 속도와 양을 증가시킨다고 생각한다. 트리클로로실란과 접촉하는 열 교환기의 표면적이 증가하면 더 많은 열이 종래의 튜브형 열 교환기에서 가능한 것보다 더 큰 속도로 트리클로로실란에 전달될 수 있다. 동작에 있어, 액체 트리클로로실란이 기화되기 시작하고 액체 트리클로로실란에 대한 기체 트리클로로실란의 비율이 증가함에 따라 열전달 계수가 증가한다. 이렇게 열전달 계수가 증가하게 되면, 부분적으로 기화된 트리클로로실란에 전달되는 열의 속도와 양이 크게 감소하게 된다. 구형 부재를 이용하지 않는 종래의 튜브형 열 교환기에서는 액체 트리클로로실란의 나머지 양을 기체 상태로 변환하는데 본 발명의 실시예보다 더 오랜 시간이 걸린다. 따라서, 트리클로로실란을 기화시키기 위해 충분한 열이 트리클로로실란에 전달되도록 하기 위해서는 튜브가 더욱 더 길어져야 하거나 트리클로로실란의 유속이 감소되어야 한다. 전술한 바와 같이, 특정 온도(예컨대, 450

)보다 높은 온도에서는 트리클로로실란이 과도한 부식성과 반응성을 갖게 되기 때문에 단지 열 교환기의 온도를 증가시키는 것은 기화 속도를 증가시키는 실행가능한 옵션이 아니다. 따라서, 종래의 튜브형 열 교환기에서는 트리클로로실란을 완전히 기화시키는 것은 불가능한 것은 아니지만 매우 어렵게 된다.

전술한 열 교환기와 구형 부재는 열 교환기를 통과하는 트리클로로실란과 접촉하는 열 교환기의 표면적(즉, 튜브와 구형 부재의 표면적)을 크게 증가시킨다. 이렇게 표면적을 증가시키면, 트리클로로실란의 상당한 부분이 이미 기화되어 있다하더라도 더 많은 열을 트리클로로실란에 전달할 수 있게 된다. 따라서, 트리클로로실란에 전달되는 열을 속도와 양이 증가하면 액체 트리클로로실란의 거의 전부가 기체 상태로 변환될 수가 있다. 또한, 종래의 튜브형 열 교환기에 비해 더 많은 양의 열이 트리클로로실란에 전달되고 액체 트리클로로실란은 더 빨리 기체 상태로 변환되기 때문에 전술한 열 교환기의 효율이 향상된다. 이렇게 열 교환기의 효율이 증가되기 때문에, 트리클로로실란을 기화시키는데 필요한 튜브의 상대적 크기와 길이 및 열량이 종래의 튜브형 열 교환기에 비해 감소된다. 이렇게 트리클로로실란을 기화시키는데 필요한 튜브의 상대적 크기와 길이 및 열량이 감소하게 되면 트리클로로실란 기화와 관련된 자본 비용(즉, 시스템 구성 부품의 실제 비용)과 시스템 운용 비용을 많이 절감할 수가 있다.

여기서 설명된 본 발명의 실시예에서의 동작의 실행 또는 수행 순서는, 꼭 그런 순서이어야 한다고 명시하지 않는 한, 필수적이지 않다. 즉, 달리 명시하지 않는 한, 동작 수행 순서는 임의적이며, 본 발명의 실시예는 여기서 설명된 동작 수보다 많거나 적은 동작을 포함할 수 있다. 예컨대, 특정 동작을 다른 동작 전에, 또는 이 동작과 동시에 또는 이 동작 후에 실행 또는 수행하는 것도 본 발명 양태의 범위에 포함된다고 할 것이다.

본 발명 또는 그 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어 구성요소가 단수 형태로 기재되어 있다 하더라도 이는 단수뿐만 아니라 복수의 의미도 포함한다는 것을 알아야 한다. "구성하는", "포함하는", "가진"과 같은 용어는 포괄적 의미를 지닌 것으로, 여기에 기재된 구성요소 이외의 다른 구성요소들도 포함할 수 있다는 것을 뜻한다.

지금까지 설명한 구성들은 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 상기 상세한 설명에서 설명되고 첨부도면에 나타낸 대상은 단순히 예시적인 것으로, 한정적인 것으로 보아서는 않된다.

Claims

액체를 기화시키는 열 교환기로서,
내부와 외부면을 가진 하우징;
상기 하우징의 상기 내부에 배치되는 튜브 - 상기 튜브는 내부 공동(cavity)을 갖고, 상기 튜브는 상기 하우징의 상기 외부면으로부터 바깥쪽으로 각각 이격된 유입구와 유출구를 가지며, 상기 유입구는 상기 액체의 흐름을 상기 튜브 내로 유입하도록 구성됨 -;
상기 튜브 및 상기 하우징과 열적으로 교류하도록 배치되며, 상기 튜브를 가열하도록 구성된 히터; 및
복수의 비반응성 부재와 상기 튜브와의 사이에 복수의 공극(void)이 형성되도록 하는 배열로 상기 튜브의 상기 내부 공동에 배치된 복수의 비반응성 부재 - 상기 복수의 비반응성 부재의 배열은 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과하여 상기 튜브의 유입구로부터 상기 튜브의 유출구로 진행할 수 있게 함 -
를 포함하고,
상기 복수의 비반응성 부재와 속이 빈 튜브는, 상기 액체를 적어도 부분적으로 기화시키기 위해, 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달하는 열 교환기.
제1항에 있어서,
상기 튜브는 상기 하우징의 내부에 나선 배열(helical arrangement)로 배치된 열 교환기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 비반응성 부재는 구형(spherically shaped)으로 형성된 열 교환기.
제3항에 있어서,
상기 복수의 비반응성 부재는 금속을 포함하는 열 교환기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 비반응성 부재 각각은 상기 튜브의 지름의 절반보다 작은 지름을 갖는 열 교환기.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내부에 배치되며 상기 튜브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 열전달 매체를 더 포함하는 열 교환기.
액체를 기화시키는 열 교환기로서,
내부와 외부면을 가진 하우징;
상기 하우징 내에 배치되는 튜브 - 상기 튜브는 액체의 흐름을 상기 튜브 내부로 유입하도록 구성된 유입구를 갖고, 상기 튜브는 내부 공동을 가짐 -; 및
복수의 구형 부재와 상기 튜브와의 사이에 복수의 공극(void)이 형성되도록 하는 배열로 상기 튜브의 상기 내부 공동에 배치된 복수의 구형 부재 - 상기 복수의 구형 부재의 배열은 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과하여 상기 튜브의 유입구로부터 상기 튜브의 유출구로 진행할 수 있게 하고, 상기 복수의 구형 부재와 상기 튜브는, 상기 액체를 적어도 부분적으로 기화시키기 위해, 상기 액체가 상기 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달함 -
를 포함하는 열 교환기.
제7항에 있어서,
상기 복수의 구형 부재는 함께 상기 튜브의 체적의 적어도 약 30 퍼센트의 체적을 갖는 열 교환기.
제7항에 있어서,
히터가 상기 튜브를 가열하도록 구성되며, 상기 히터는 상기 하우징에 인접하여 배치되는 열 교환기.
제7항에 있어서,
히터가 상기 하우징의 외부면과 상기 하우징의 내부 중 하나에 인접하여 배치되는 열 교환기.
제7항에 있어서,
상기 구형 부재는 스테인리스 강과 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 열 교환기.
제7항에 있어서,
상기 복수의 구형 부재 각각은 상기 튜브의 지름의 약 25%보다 작은 지름을 갖는 열 교환기.
제7항에 있어서,
상기 하우징의 내부에 배치되며, 액체의 흐름을 상기 제2 튜브 및 유출구로 유입하도록 구성된 유입구를 갖는 제2 튜브 - 상기 제2 튜브는 내부 공동을 가짐 -; 및
복수의 제2 구형 부재와 상기 제2 튜브와의 사이에 복수의 제2 공극이 형성되도록 하는 배열로 상기 튜브의 상기 내부 공동에 배치된 복수의 제2 구형 부재 - 상기 복수의 제2 구형 부재의 배열은 상기 액체가 상기 복수의 제2 공극을 통과하여 상기 제2 튜브의 유입구로부터 유출구로 진행할 수 있게 하고, 상기 복수의 구형 부재와 상기 튜브는, 상기 액체를 적어도 부분적으로 기화시키기 위해, 상기 액체가 상기 복수의 제2 공극을 통과할 때 히터로부터 상기 액체에 열을 전달하도록 구성됨 -
를 더 포함하는 열 교환기.
액체를 기화시키는 방법으로서,
열 교환기 내의 튜브의 유입구로의 상기 액체의 흐름을 개시하는 단계 - 상기 튜브는 구형 부재들을 포함함 -;
상기 열 교환기 내의 튜브를 가열하는 단계;
상기 액체를 상기 튜브를 통과시킴으로써 상기 액체를 기체로 기화시키는 단계 - 상기 구형 부재들은 열원에 의해 가열되고, 상기 구형 부재들은 상기 액체가 상기 구형 부재들과 상기 튜브 사이에 형성된 복수의 공극을 통과할 때 상기 액체에 열을 전달함 -; 및
상기 기체를 상기 열 교환기로부터 제거하는 단계
를 포함하는 액체 기화 방법.
제14항에 있어서,
상기 열 교환기 내의 상기 튜브는 저항성 히터에 의해 가열되는 액체 기화 방법.
제14항에 있어서,
상기 구형 부재들은 상기 액체가 상기 복수의 구형 부재들 간에 형성된 복수의 공극을 통해 흐를 수 있도록 상기 튜브의 내부 공동에 배치되는 액체 기화 방법.
제14항에 있어서,
상기 열 교환기로부터 제거된 상기 기체를 제1 기체와 혼합하는 단계를 더 포함하는 액체 기화 방법.
액체 트리클로로실란을 기화시키는 방법으로서,
제1 열 교환기의 유입구로의 액체 트리클로로실란의 흐름을 개시하는 단계;
상기 트리클로로실란을 상기 제1 열 교환기 내의 복수의 비반응성 부재를 갖는 제1 튜브를 통과시킴으로써 상기 액체 트리클로로실란을 기체 상태로 부분적으로 기화시키는 단계 - 상기 비반응성 부재들은 제1 열원에 의해 가열되며, 상기 비반응성 부재들은 상기 트리클로로실란이 상기 비반응성 부재들을 통과할 때 상기 트리클로로실란에 열을 전달함 -;
상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란을 상기 제1 열 교환기로부터 제거하는 단계;
상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란을 제1 기체와 혼합하여, 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체를 형성하는 단계;
제2 열 교환기 내의 제2 튜브로의 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체의 흐름을 개시하는 단계 - 상기 제2 튜브는 비반응성 부재들을 포함함 -;
상기 혼합체를 상기 제2 튜브를 통과시킴으로써 상기 부분적으로 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체를 기화시키는 단계 - 상기 비반응성 부재들은 제2 열원에 의해 가열되며, 상기 비반응성 부재들은 상기 혼합체가 상기 비반응성 부재들을 통과할 때 상기 혼합체에 열을 전달함 -; 및
상기 기화된 트리클로로실란과 상기 제1 기체의 혼합체를 상기 제2 열 교환기로부터 제거하는 단계;
를 포함하는 방법.
제18항에 있어서,
상기 제1 튜브와 상기 제2 튜브 내의 상기 비반응성 부재들은 스테인리스 강과 티타늄 중 하나로 형성된 복수의 구형 부재인 방법.
제19항에 있어서,
상기 제1 튜브 내의 상기 복수의 구형 부재 각각은 상기 제1 튜브의 지름의 절반보다 작은 지름을 갖고, 상기 제2 튜브 내의 상기 복수의 구형 부재 각각은 상기 제2 튜브의 지름의 절반보다 작은 지름을 갖는 방법.