KR20150132340A

KR20150132340A - 유도 가열 장치

Info

Publication number: KR20150132340A
Application number: KR1020157028896A
Authority: KR
Inventors: 티모씨 암스트롱; 매튜 데그; 제니퍼 레리머; 윌리암 라르손; 케이스 매코이; 미첼 죤 몰나르; 제임스 에이. 슐츠
Original assignee: 헴로크세미컨덕터코포레이션
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-11-25
Also published as: CN105165117A; CN105165117B; US20160037586A1; WO2014150213A1; TW201503763A

Abstract

유도 가열 장치가 반응 챔버를 한정하는 서셉터(susceptor)를 포함한다. 하우징이 반응 챔버에 대향하게 서셉터로부터 이격되고, 포트를 한정한다. 공극 공간이 하우징과 서셉터 사이에 한정된다. 유도 코일이 포트를 통해서 연장되고, 전류를 전도하여 서셉터를 가열하여 반응 챔버를 가열하기 위해서 공극 공간 내에 배치된다. 플랜지(flange)가 금속 재료를 포함하고, 플랜지는 플랜지를 통해서 연장된 유도 코일을 갖는 포트를 밀봉하기 위해서 포트에서 하우징에 커플링된다. 분리기가 플랜지와 하우징 사이에 배치되어 전류가 하우징으로 통과하는 것을 방지한다.

Description

유도 가열 장치 {INDUCTION HEATING APPARATUS}

관련 출원

본 출원은 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/791,897호에 대한 우선권 및 모든 이익을 주장하며, 그의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

기술분야

본 발명은 유도 가열 장치(induction heating apparatus)에 관한 것이다.

용기를 가열하기 위한 유도 가열 장치는 본 기술 분야에 공지되어 있다. 수소화 또는 규소-가공 반응기와 조합하여 유도 가열 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 유도 가열 장치를 규소-가공 반응기와 함께 사용하기 위해서 개작하는 것은 어려움이 있다. 예를 들어, 종래의 유도 가열 장치는 2개의 상이한 압력 구역을 갖는데, 이것은 반응 챔버 및 반응 챔버를 에워싼 공극 공간(void space)으로서 한정된다. 반응 챔버는 공정 기체를 수용하고, 공극 공간은 블랭킷 기체(blanket gas)를 수용하는데, 블랭킷 기체는 전형적으로 불활성 기체, 예컨대 아르곤 또는 질소를 포함한다. 공극 공간 내의 압력이 전형적으로 반응 챔버 내의 압력보다 높기 때문에, 블랭킷 기체는 공극 공간으로부터 반응 챔버로 이동할 수 있다. 특히 수소화 또는 규소-가공 반응기에서의 불활성 블랭킷 기체의 이동은, 그후에 불활성 블랭킷 기체를 공정 기체 또는 그의 부산물로부터 분리하기 위해서 복잡성 및 비용을 증가시키기 때문에 바람직하지 않다. 추가로, 특정 조건 하에서, 불활성 블랭킷 기체는 반응 챔버 내에서 공정 기체 또는 재료와 실제로 반응하여 바람직하지 않은 종을 형성할 수 있다. 따라서, 수소화 또는 규소 가공 반응기와 함께 사용하기 위한 개선된 유도 가열 장치를 제공하는 것이 필요하다.

유도 가열 장치가 반응 챔버를 한정하는 서셉터(susceptor)를 포함한다. 하우징(housing)이 반응 챔버에 대향하게 서셉터로부터 이격되어 있다. 하우징은 포트(port)를 한정한다. 공극 공간이 하우징과 서셉터 사이에 한정된다. 유도 코일이 포트를 통해서 연장되고, 전류를 전도하여 서셉터를 유도 가열하는 자기장을 생성하기 위해서 공극 공간 내에 배치된다. 서셉터의 가열이 반응 챔버를 목적하는 온도로 가열한다. 플랜지(flange)가 금속 재료를 포함하고, 플랜지는 플랜지를 통해서 연장된 유도 코일을 갖는 포트를 밀봉하기 위해서 포트에서 하우징에 커플링된다. 분리기(isolator)가 플랜지와 하우징 사이에 배치되어 전류가 하우징으로 통과하는 것을 방지한다. 금속 재료로 제조된 플랜지를 제공하는 것은 유도 가열 장치의 목적하는 온도 및 압력에 노출되게 하면서, 플랜지가 포트를 밀봉하게 한다.

유도 가열 장치를 사용하여 반응 챔버를 가열하는 방법이 또한 기술된다.

본 발명이 첨부 도면과 관련하여 고찰될 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해됨에 따라, 본 발명의 다른 이점들이 용이하게 인식될 것이다.
도 1은 반응 챔버를 한정하는 서셉터 및 유도 코일을 갖는 유도 가열 장치의 일부의 단면도이고;
도 2는 반응 챔버를 한정하는 내벽을 갖는 유도 가열 장치의 일부의 단면도이고;
도 3은 서셉터의 한 단부에서 기체 분포기를 도시한 유도 가열 장치의 일부의 단면도이고;
도 4는 유도 가열 장치의 포트를 밀봉하는 플랜지를 도시한 유도 가열 장치의 일부의 단면도이고;
도 5는 서셉터와 유도 코일을 분리하는 차단 벽(barrier wall)을 갖는 유도 가열 장치의 일부의 단면도이고;
도 6은 제1 플랜지, 및 제1 플랜지로부터 이격된 제2 플랜지를 도시한 유도 가열 장치의 일부의 단면도이다.

몇몇 도면 전체에서 동일한 숫자가 동일하거나 또는 대응하는 부분을 지시하는 도면을 참고하면, 유도 가열 장치가 (10)으로 개괄적으로 도시되어 있다. 일반적으로, 유도 가열 장치 (10)는 반응 챔버 (12)를 목적하는 온도로 가열하는 데 사용된다. 반응 챔버 (12)를 유도 가열 장치 (10)에 의해서 가열하는 것은 다양한 응용에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 유도 가열 장치는 유동층 반응기(fluidized bed reactor), 수소화 반응기, 고정층 반응기(fixed bed reactor), 이동층 반응기(moving bed reactor), 물리적 증기 이송 반응기(physical vapor transport reactor), 자유공간 반응기(freespace reactor), CVD 반응기, 용융 반응기, 결정 성장 반응기 및 에피택셜 반응기(epitaxial reactor)로서 사용될 수 있다.

일 실시양태에서, 유도 가열 장치 (10)는 규소-가공 반응기로서 사용된다. 예를 들어, 유도 가열 장치 (10)는 규소 함유 기체를 열 분해시켜서 재료를 시드 요소(seed element) 상에 침착시키기 위한 유동층 반응기, 예컨대 트라이클로로실란을 열 분해시켜서 규소를 시드 요소 상에 침착시키기 위한 유동층 반응기로서 사용될 수 있다. 추가로, 유도 가열 장치 (10)는 수소화 반응기로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 유도 가열 장치 (10)는 사염화규소를 수소화하여 트라이클로로실란을 생성하기 위해서 사용될 수 있다.

도 1을 참고하면, 유도 가열 장치 (10)는 서셉터 (14)를 포함한다. 일반적으로, 서셉터 (14)는 반응 챔버 (12)를 한정한다. 보다 구체적으로, 서셉터 (14)는 반응 챔버 (12)를 한정하는 반응기 벽이다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 유도 가열 장치 (10)는 서셉터 (14)에 인접한 내벽 (16)을 포함할 수 있고, 내벽 (16)이 반응 챔버 (12)를 한정한다는 것을 인지해야 한다. 달리 말하면, 내벽 (16)이 존재하는 경우, 서셉터 (14)는 반응 챔버 (12) 외부에서 내벽 (16)을 에워싼다. 서셉터 (14)가 내벽 (16)을 완전히 에워싸는 것은 아닐 수 있음을 인지해야 한다. 예를 들어, 내벽 (16)의 일부 만이 서셉터 (14)에 의해서 에워싸질 수 있다.

서셉터 (14) 및 존재하는 경우 내벽 (16)은 적어도 하나의 유입구 (18) 및 적어도 하나의 유출구 (20)를 한정할 수 있다는 것을 인지해야 한다. 유입구 (18)는 (도 3에 도시된 바와 같이) 규소 함유 기체일 수 있는 공정 기체 (22)를 반응 챔버 (12)에 도입하기 위해서 사용된다. 유출구 (20)는 공정 기체 (22), 또는 그의 부산물을 반응 챔버 (12)로부터 배기하기 위해서 사용된다. 공정 기체 (22)는 전형적으로는 유도 가열 장치 (10)의 작동 동안 반응 챔버 (12)에 배치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유도 가열 장치 (10)가 유동층 반응기로서 사용되는 경우, 공정 기체 (22)는 시드 요소 상에 침착될 재료 또는 그의 전구체를 포함한다. 유도 가열 장치 (10)가 수소화를 위해서 사용되는 경우, 공정 기체 (22)는 할로겐 함유 규소 종을 포함하고, 부산물은 수소화된 할로겐 함유 규소 종을 포함한다. 이것은 예를 들어 사염화규소를 트라이클로로실란으로 수소화시키는 데 사용될 수 있다.

도 3을 참고하면, 서셉터 (14)는 공정 기체 (22)를 반응 챔버 (12)에 도입하기 위해서 기체 분포기 (24)를 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 기체 분포기 (24)는 유입구 (18)를 한정한다. 추가로, 유도 가열 장치 (10)는 생성물 수집 개구부 (26)를 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 시드 요소 상에 침착된 재료를 갖는 시드 요소가 반응 챔버 (12)를 빠져나가는 것을 허용하기 위한 생성물 수집 개구부 (26)가 서셉터 (14), 내벽 (16), 및/또는 기체 분포기 (24)에 의해서 한정될 수 있다. 추가로, 내벽 (16)은 입자 또는 기체를 반응 챔버 (12)에 도입하기 위한 개구부를 한정할 수 있다.

도 1을 참고하면, 유도 가열 장치 (10)는 또한 반응 챔버 (12)에 대향하게 서셉터 (14)로부터 이격된 하우징 (28)을 포함한다. 달리 말하면, 하우징 (28)은 서셉터 (14) 및 반응 챔버 (12)를 에워싼다. 일반적으로, 하우징 (28)은 유도 가열 장치 (10)의 외부 쉘(shell)이다. 하우징 (28)이 서셉터 (14)로부터 이격되어 있기 때문에, 하우징 (28)과 서셉터 (14) 사이에 공극 공간 (30)이 한정된다.

유도 코일 (32)이 공극 공간 (30) 내에 배치된다. 일반적으로, 유도 코일 (32)은 공극 공간 (30) 내에서 서셉터 (14) 둘레에 감겨있다. 전형적으로, 유도 코일 (32)은 서셉터 (14)로부터 이격되어 있다. 유도 코일 (32)은 고도로 전기 전도성인 재료, 예컨대 구리, 산소 무함유 구리, 은, 니켈, 이코넬(Inconel)®, 금, 및 그의 조합을 포함한다. 그러나, 유도 코일 (32)은 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있음을 인지해야 한다. 유도 코일 (32)은 서셉터 (14)를 유도 가열하는 자기장을 생성하기 위해서 전류를 전도한다. 전형적으로, 서셉터 (14)는 자기장을 수용하기 위해서 흑연을 포함한다. 그러나, 서셉터 (14)는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있음을 인지해야 한다. 복수 코일이 반응 챔버 (12)의 상이한 구역을 가열하는 데 사용될 수 있음을 또한 인지해야 한다.

서셉터 (14)의 가열이 반응 챔버 (12)를 목적하는 온도로 가열한다. 목적하는 온도는 반응 챔버 (12)에서 완결될 공정의 유형에 따라서 달라질 것이다. 예를 들어, 반응 챔버 (12)는 전형적으로 약 25 내지 약 1350℃로 가열된다.

하우징 (28)은 하우징 (28)의 외부로부터 공극 공간 (30)에 접근하는 것을 허용하기 위해서 포트 (34)를 한정한다. 유도 코일 (32)은 유도 코일 (32)이 공극 공간 (30) 내에 배치될 수 있도록 포트 (34)를 통해서 연장된다. 유도 코일 (32)은 유도 코일 (32)의 한 단부에 공급 스템 (36)을 포함하고, 유도 코일 (32)의 다른 단부에 복귀 스템 (38)을 포함한다. 공급 스템 (36) 및 복귀 스템 (38) 중 적어도 하나는 하우징 (28)의 포트 (34)를 통해서 연장된다.

전류를 전도하기 위한 유도 코일 (32)의 저항은 유도 코일 (32)의 가열로 인해서 유발된다. 따라서, 유도 코일 (32)은 냉각 매질을 순환시켜서 유도 코일 (32)의 온도를 감소시키기 위해서 내부 통로 (40)를 한정할 수 있다. 보다 구체적으로, 유도 코일 (32)의 내부 통로 (40)는 유도 코일 (32)의 중공 내부에 의해서 한정되어, 유도 코일 (32)은 관형이다. 냉각 매질이 유도 코일 (32)을 통해서 순환되기 때문에, 열이 유도 코일 (32)로부터 냉각 매질로 전달되어 유도 코일 (32)의 온도를 감소시킨다. 따라서, 냉각 매질은 유도 코일 (32)의 고장을 유발할 수 있는 유도 코일 (32)의 과도한 가열을 방지한다.

도 3을 참고하면, 유도 가열 장치 (10)는 공극 공간 (30) 내에 배치된 블랭킷 기체 (42)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 블랭킷 기체 (42)는 반응 챔버 (12) 내의 공정 기체 (22)가 공극 공간 (30)으로 누출되는 것을 방지한다. 예를 들어, 블랭킷 기체 (42)의 작동 압력은 반응 챔버 (12) 내의 압력보다 높을 수 있어서, 블랭킷 기체 (42)가 반응 챔버 (12)에 들어갈 수 있다. 따라서, 블랭킷 기체 (42)는, 블랭킷 기체 (42)가 반응 챔버 (12) 내에서의 반응 또는 하류 공정, 예컨대 기체 수집 또는 기체 재순환에 대해서 가질 수 있는 영향을 최소화하도록 선택된다.

블랭킷 기체 (42)는 전형적으로 할로-수소, 할로-규소, 또는 할로-산소-규소 종이다. 보다 구체적으로, 블랭킷 기체 (42)는 사염화규소, 염화수소, 브로모실란, 사불화규소 및 그의 조합의 군으로부터 선택될 수 있다. 블랭킷 기체 (42)가 상기에 언급된 목록으로부터의 기체를 포함한다면, 블랭킷 기체 (42)는 공극 공간 (30) 또는 하우징 (28) 내에서 공정 기체 (22)를 포함하는 재료가 성분 상에 침착되는 것을 방지할 것이다. 블랭킷 기체 (42)는 분리 및 반응 챔버 (12)의 하류에서의 후 가공의 용이성을 위해서 공정 기체 (22)와 상용성인 기체 또는 생성될 생성물을 또한 포함할 수 있다. 블랭킷 기체 (42)의 작동 압력은 반응 챔버 (12) 내의 압력보다 더 낮을 수 있어서, 공정 기체 (22)가 공극 공간 (30)에 들어갈 수 있다는 것을 인지해야 한다.

냉각 매질의 선택은 블랭킷 기체 (42)와 화학적으로 상용성이어서 공정 이상 또는 공정 유출을 유발하는 해로운 반응을 피하는 것을 목적으로 한다. 예를 들어, 유도 코일 (32)이 블랭킷 기체 (42)를 포함하는 공극 공간 (30) 내에 존재하기 때문에, 냉각 매질이 공극 공간 (30) 내의 블랭킷 기체 (42)와 접촉할 수 있는 상당한 기회가 존재한다. 이것은 예를 들어 성분의 설치, 부품의 기계적인 고장 또는 시스템 내에서의 연결부의 누출로 인해서 발생될 수 있다. 냉각 매질이 공극 공간 (30) 내에 도입되는 것은 냉각 매질과 블랭킷 기체 (42) 간의 바람직하지 않은 반응을 유발할 수 있다. 예를 들어, 블랭킷 기체 (42)가 염화수소 또는 사염화규소를 포함하는 경우, 탈이온수와 블랭킷 기체 (42) 간의 반응이 염산, 염화수소 및 상당한 열을 생성할 것이고, 이것은 시스템 압력을 상당히 증가시킬 수 있어서 그 공정을 잠재적으로 실패하게 하거나 또는 목적하지 않은 화학 물질을 방출할 수 있다. 따라서, 냉각 매질은 전형적으로 유기 열 전달 유체 및/또는 실리콘계 열 전달 유체를 포함한다. 보다 구체적으로, 냉각 매질은 알킬계 유체, 페닐계 유체 및 실리콘계 유체 및 그의 조합의 군으로부터 선택될 수 있다. 탈이온수가 또한 사용될 수 있거나, 또는 글리콜과 탈이온수의 혼합물이 또한 사용될 수 있다는 것을 인지해야 한다. 냉각 매질은 전기 전도성이 아닌 임의의 허용가능한 열 전달 매질일 수 있다는 것을 또한 인지해야 한다.

도 4를 참고하면, 유도 코일 (32)은 코팅을 포함하여 유도 코일 (32)을 공극 공간 (30) 내에서 블랭킷 기체 (42)로부터 보호할 수 있다. 예를 들어, 유도 코일 (32)을 블랭킷 기체 (42)로부터 분리하기 위해서 제1 재료 (44)가 유도 코일 (32) 상에 배치될 수 있다. 추가로, 유도 코일 (32)을 추가로 보호하기 위해서 제2 재료 (46)가 제1 재료 (44) 상에 배치될 수 있다. 전형적으로, 제1 재료 (44)는 유도 코일 (32)에 내식성 및 내스크래치성을 제공한다. 제2 재료 (46)는 전형적으로 유도 코일 (32)에 공극 공간 (30) 내에서 요소에 대한 노출로부터의 내화학성을 제공한다. 제2 재료 (46)는 또한 유도 코일 (32)의 턴(turn) 간의 전기적 분리를 제공한다.

전형적으로, 제1 재료 (44)는 니켈, 백금, 로듐, 루테늄, 은 및 그의 조합의 군으로부터 선택된다. 추가로, 제2 재료 (46)는 전형적으로 불소-함유 중합체를 포함한다. 예를 들어, 불소-함유 중합체는 PTFE, ETFE, 클로로-플루오로중합체, 및 그의 조합의 군으로부터 선택될 수 있다. 일 실시양태에서, 유도 코일 (32)은 니켈인 제1 재료 (44)로 코팅되고, 제1 재료 (44)는 불소-함유 중합체인 제2 재료 (46)로 코팅된다. 제1 재료 및 제2 재료 (46)는 임의의 적합한 방법에 의해서 유도 코일 (32) 상에 배치될 수 있다는 것을 인지해야 한다. 예를 들어, 제1 재료 (44)는 전기도금에 의해서 유도 코일 (32) 상에 배치될 수 있고, 제2 재료 (46)는 파워 코팅(power coating), CVD, PVD, 및/또는 열 분무에 의해서 제1 재료 (44) 상에 배치될 수 있다.

유도 가열 장치 (10)는 또한 포트 (34)를 밀봉하기 위해서 포트 (34)에서 하우징 (28)에 커플링된 플랜지 (48)를 포함한다. 플랜지 (48)는 임의의 적합한 수단에 의해서 하우징 (28)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 플랜지 (48)는 볼트 (50)에 의해서 하우징 (28)에 커플링될 수 있다. 플랜지 (48)는 하우징 (28) 내에서 포트 (34)를 밀봉하여 공극 공간 (30)은 하우징 (28) 외부의 대기압일 수 있거나 또는 대기압과 상이할 수 있는 작동 압력을 유지할 수 있다. 전형적으로, 공극 공간 (30) 내의 가동 압력은 약 -15 내지 500, 보다 전형적으로는 약 -15 내지 300, 보다 더 전형적으로는 약 25 내지 250 PSIG이다. 플랜지 (48)의 밀봉을 증진시켜서 공극 공간 (30) 내에서 가동 압력을 유지하기 위해서 가스켓이 플랜지 (48)와 하우징 (28) 사이에 배치될 수 있다.

플랜지 (48)는 하우징 (28)에 대해서 내부 또는 외부에 존재할 수 있다는 것을 인지해야 한다. 달리 말하면, 플랜지 (48)는 하우징 (28)의 외면 (52)에 커플링되어 플랜지 (48)는 유도 가열 장치 (10)에 외부에 존재할 수 있다. 대안적으로, 플랜지 (48)는 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징 (28)의 내면 (54)에 커플링될 수 있다. 플랜지 (48)가 하우징 (28)에 커플링된 경우, 공정 기체 (22)를 포함하는 재료가 플랜지 (48) 상에 침착되는 것을 방지하게 위해서 블랭킷 기체 (42)가 플랜지 (48)를 에워싼다.

유도 코일 (32)이 플랜지 (48)를 통해서 연장되어 유도 코일 (32)은 하우징 (28)과 서셉터 (14) 사이의 공극 공간 (30)에 들어가기 위해서 포트 (34)를 통해서 통과한다. 전형적으로, 플랜지를 통해서 연장된 유도 코일 (32)의 일부를 제1 슬리브 (56)로서 지칭한다. 보다 구체적으로, 포트 (34)를 통해서 연장된 공급 스템 (36)이 제1 슬리브 (56)로서 추가로 한정될 수 있다. 제1 슬리브 (56)는 유도 코일 (32)로부터의 분리 성분일 수 있고, 유도 코일 (32)은 공극 공간 (30) 내에서 제1 슬리브 (56)에 커플링되어 있음을 인지해야 한다. 추가로, 제1 슬리브 (56)가 분리 성분인 경우, 유도 코일 (32)은 제1 슬리브 (56) 내에 배치되어 공극 공간 (30)에 들어갈 수 있어서 공급 스템 (36)이 제1 슬리브를 통해서 연장된다. 추가로, 제1 슬리브 (56)는 제1 슬리브 (56)의 외부 상에 배치된 절연 층 (57)을 포함할 수 있다. 플랜지 (48)는 포트 (34) 내에서 유도 코일 (32)을 고정시키기 위해서 제1 슬리브 (56), 절연층 (57), 또는 제2 슬리브 중 임의의 하나를 접촉할 수 있다는 것을 인지해야 한다.

플랜지 (48)는 제1 슬리브 (56) 주변에 배치된 제2 슬리브 (58)를 포함할 수 있다. 제2 슬리브 (58)가 존재하는 경우, 제2 슬리브 (58)는 제1 슬리브 (56)로부터 이격되어, 제1 슬리브 (56)와 제2 슬리브 (58) 사이에 복귀 경로 (60)를 한정한다. 전형적으로, 공급 스템 (36)은 제1 슬리브 (56)이고, 복귀 스템 (38)은 제2 슬리브 (58)에 커플링된다. 대안적으로, 공급 스템 (36)이 제1 슬리브 (56)로부터의 분리 성분인 경우, 공급 스템 (36)은 제1 슬리브 (56)를 통해서 연장될 수 있고, 복귀 스템 (38)은 제2 슬리브 (58)에 커플링될 수 있다. 일반적으로, 냉각 매질은 제1 슬리브 (56)를 통해서 통과하여 공극 공간 내의 유도 코일 (32)을 통해서 계속 통과하고, 이어서 플랜지 (48)로 복귀하여 제1 슬리브 (56)와 제2 슬리브 (58) 사이의 복귀 경로 (60)를 통해서 유도 가열 장치 (10)를 빠져 나간다.

제1 슬리브 (56) 및/또는 제2 슬리브 (58)는 유도 코일 (32)에 통합될 수 있음을 인지해야 한다. 달리 말하면, 유도 코일 (32)은 유도 코일 (32), 제1 슬리브 (56) 및/또는 제2 슬리브 (58)를 영구적으로 손상시키지 않고는 제1 슬리브 (56) 및/또는 제2 슬리브 (58)로부터 분리될 수 없다.

플랜지 (48)는 제2 슬리브 (58)를 밀봉하고, 복귀 경로 (60)를 추가로 한정하기 위해서 복수의 밀봉 이음 고리(sealing collar) (62)를 추가로 포함할 수 있다. 일반적으로, 제1 슬리브 (56) 및 제2 슬리브 (58)가 존재하는 경우, 밀봉 이음 고리 (62)는 제1 슬리브 (56)가 제2 슬리브 (58) 내에 존재하도록 하는 동심원 방식으로 제1 슬리브 (56) 및 제2 슬리브 (58)를 함께 결합시킨다. 밀봉 이음 고리 (62)는 복귀 경로 (60)를 밀봉하면서 유도 코일 (32)이 플랜지 (48)를 통해서 통과하게 한다. 밀봉 이음 고리 (62)는 전기 절연체여서 공급 스템 (36)과 복귀 스템 (38), 또는 제1 슬리브 (56)와 제2 슬리브 (58) 간의 단락(short-circuiting)을 방지할 수 있다.

도 6을 참고하면, 유도 가열 장치 (10)는 복수의 플랜지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기에 기술된 플랜지 (48)는 제1 플랜지 (48A) 및 제2 플랜지 (48B)로서 추가로 한정될 수 있고, 제2 플랜지 (48B)는 제1 플랜지 (48A)로부터 이격되어 있다. 그러한 실시양태에서, 제1 플랜지 (48A) 및 제2 플랜지 (48B) 각각은 제1 슬리브 (56) 및 제1 슬리브 (56) 상에 배치된 절연층 (57)을 포함할 것이다. 추가로, 그러한 실시양태에서, 제1 플랜지 (48A)는 공급 스템 (36)을 지지하고, 제2 플랜지 (48B)는 복귀 경로 (60)를 한정하는 복귀 스템 (38)을 지지한다. 추가로, 그러한 실시양태에서, 하우징 (28)은 제1 플랜지 (48A)에 의해서 밀봉된 제1 포트 (34A)를 한정하고, 하우징 (28)은 제2 플랜지 (48B)에 의해서 밀봉된 제2 포트 (34B)를 한정한다. 도시되지는 않았지만, 공급 스템 (36) 및 복귀 스템 (38)은 서로 접촉하지 않으면서 동일한 포트 (34)를 통해서 연장될 수 있음을 인지해야 한다. 달리 말하면, 하우징 (28)이 제1 포트 (34A) 및 제2 포트 (34B)를 한정하지 않고, 공급 스템 (36) 및 복귀 스템 (38) 모두는 서로에 대해서 이격되어 포트 (34)를 통해서 연장될 수 있다.

블랭킷 기체 (42)의 온도는 플랜지 (48)를 작동 온도로 가열한다. 보다 구체적으로, 블랭킷 기체 (42)가 플랜지 (48)와 직접 접촉하기 때문에, 플랜지 (48)의 작동 온도는 블랭킷 기체 (42)의 온도보다 높지 않을 지라도 적어도 블랭킷 기체 (42)의 온도이다. 따라서, 플랜지 (48)의 재료를 선택하기 위한 설계 온도는 블랭킷 기체 (42)의 온도를 초과하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 사염화규소가 250 psi의 가동 압력에서 블랭킷 기체 (42)로서 사용되는 경우, 블랭킷 기체 (42)의 온도는 증기가 공극 공간 (30) 내에서 존재하는 것을 보장하기 위해서 183℃를 초과할 것이다. 따라서, 플랜지의 재료를 선택하기 위한 설계 온도는 적어도 183℃이고, 이것은 선행 기술 플랜지를 위해서 일반적으로 사용되는 재료, 예컨대 가공 플라스틱(engineered plastic) 및 섬유유리에 대한 섹션 10 ASME 코드 한계치(Section 10 ASME Code limit)를 초과한다.

전형적으로, 플랜지 (48)의 작동 온도는 약 0 내지 약 500, 보다 전형적으로는 약 20 내지 약 300, 보다 더 전형적으로는 약 125 내지 약 250℃이다. 따라서, 플랜지 (48)는 플랜지 (48)가 작동 온도에 적용되는 경우 내열성을 제공하기 위해서 금속 재료를 포함한다. 플랜지 (48)를 위해서 금속 재료를 사용하는 것은 플랜지 (48)가 목표하는 강도를 충족시켜서 작동 온도에 노출될 때 탈형 또는 파괴에 저항하게 하여, 플랜지 (48)가 작동 온도에 노출되는 경우에도 플랜지 (48)가 포트 (34)를 밀봉할 수 있게 있다. 플랜지에 적합한 금속 재료의 예에는 니켈 합금, 예컨대 이코넬®, 인콜로이(Incoloy)®, 탄소강, 스테인레스강, 구리, 듀플렉스 스테인레스강(duplex stainless steel) 및 그의 조합이 포함된다.

플랜지 (48)는 금속 재료를 포함하기 때문에, 분리기(isolator) (65)가 플랜지 (48)와 하우징 (28) 사이에 배치되어 유도 코일 (32)을 통해서 이동하는 전류가 하우징 (28)으로 통과하는 것을 방지할 수 있다. 추가로, 분리기 (65)는 포트 (34) 내에서 하우징 (28)을 라이닝(linning)할 수 있다. 플랜지 (48)와 반대로, 분리기 (65)는 ASME 압력 용기 코드(ASME Pressure Vessel code) 하의 코드 부품인 것으로 간주되지 않기 때문에, 분리기 (65)는 섹션 10에 기술된 바와 같은 작동을 위한 열 한계치에 적용되지 않는다. 분리기 재료의 선택을 위한 가장 큰 고려 사항은 목표하는 환경, 이 경우 블랭킷 기체 (42)와의 화학적 상용성이다. 분리기 (65)에 적합한 재료 유형의 예에는 세라믹, 예컨대 질화규소, 지르코니아, 또는 알루미나 또는 가공 플라스틱, 예컨대 PEEK 또는 NEMA 그레이드 G-9 또는 NEMA 그레이드 G-11이 포함된다.

도 5를 참고하면, 유도 가열 장치 (10)는 서셉터 (14)와 유도 코일 (32)을 분리하는 차단 벽 (64)을 포함할 수 있다. 따라서, 차단 벽 (64)과 하우징 (28) 사이에 공극 공간 (30)이 한정된다. 차단 벽 (64)은 블랭킷 기체 (42)와 가공 기체 (22) 간의 추가 분리를 제공한다. 차단 벽 (64)은 또한 공정 기체 (22)가 유도 코일 (32)과 접촉하는 것을 방지한다.

유도 가열 장치 (10)는 반응 챔버 (12)에 대향하는, 서셉터 (14)를 에워싼 절연 장벽을 포함할 수 있다. 절연 장벽이 존재하는 경우, 하우징 (28)은 하우징 (28)과 절연 층 사이에 한정된 공극 공간 (30)을 갖도록 서셉터 (14)에 대향하게 절연 층을 에워싼다. 유도 가열 장치 (10)는 서셉터 (14)와 절연 층 사이에 배치된 제1 열 차폐막(heat shield)을 포함할 수 있다. 추가로, 유도 가열 장치 (10)는 절연 층과 유도 코일 사이에 배치된 제2 차폐막을 포함할 수 있다. 절연 장벽 및/또는 열 차폐막이 차단 벽 (64)으로서 사용될 수 있음을 인지해야 한다. 절연 장벽 및 열 차폐막은 반응 챔버 (12) 내에서 목적하는 온도를 유지시키는 것을 돕는다. 전형적으로, 차단 벽 (64)은 흑연, 탄화규소, 금속 규화물, 세라믹, 탄소 섬유, 탄소 복합물, 가요성(flexible) 흑연, 금속 포일, 석영 및 그의 조합의 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 추가로, 열 차폐막은 유도 코일 (32)과 서셉터 (14) 간의 제2 밀폐(containment)를 생성하여 유도 코일 (32)을 서셉터 (14)로부터 분리하기 위해서 사용될 수 있다. 유도 코일 (32)과 서셉터 (14) 간의 분리는 유도 코일 (32)을 여전히 에워싸면서 블랭킷 기체가 서셉터 (14)를 접촉하는 것을 방지한다.

유도 가열 장치 (10)를 사용하여 반응 챔버 (12)를 가열하는 방법을 하기에 기술한다. 방법은 공정 기체 (22)를 반응 챔버 (12) 내에 도입하는 단계를 포함한다. 유도 코일 (32)을 전류로 충전하여 자기장을 생성함으로써 서셉터 (14)를 자기장을 사용하여 유도 가열한다. 가열된 서셉터 (14)로부터의 복사열을 사용하여 반응 챔버 (12)를 목적하는 온도로 가열하여, 공정 기체 (22)를 가열한다. 반응 챔버 (12) 내의 공정 기체 (22)가 공극 공간 (30)으로 누출되는 것을 방지 하기 위해서 블랭킷 기체 (42)를 공극 공간 (30) 내에 도입된다.

서셉터 (14)가 수소화를 위한 반응기로서 추가로 한정되는 경우, 방법은 반응 챔버 (12) 내에서 공정 기체 (22)로부터 성분을 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있는 것으로 인식된다. 규소를 염소-수소화하는 반응기의 경우, 그 성분은 트라이클로로실란일 것이다. 추가로, 서셉터 (14)가 유동층 반응기의 하우징 (28)으로서 추가로 한정되는 경우, 방법은 반응 챔버 (12) 내에서 시드 요소를 유동화하여 재료를 시드 요소 상에 성장시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기에 기술된 바와 같이, 방법은 유도 코일 (32)을 제1 재료 (44) 및/또는 제2 재료 (46)로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 추가로, 방법은 유도 코일 (32)을 냉각하기 위해서 냉각 매질을 유도 코일 (32)을 통해서 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.

실시예

화학적 상용성 시험을 완결하여 가공 플라스틱/보강 유리섬유 재료가 수소화 또는 규소 가공 반응기에서 사용하기에 허용가능한 지를 스크리닝하였다. 잠재적인 재료 선택 샘플을 수득하고, 이것을 목표하는 화학물질 (그 화학물질은 분리기가 접촉할 것임)중에서 총 28일의 기간 동안 습윤시켰다. 샘플의 습윤 중량과 함께 노출 전 중량을 7, 14, 21 및 28일에 측정하였다. 표 1은 데이터 지점 각각에서 시험된 재료에 대해서 관찰된 팽윤(swell) 백분율의 데이터를 함유한다. 주어진 시간 간격에서 샘플의 중량 측정치로부터 출발 중량을 빼고, 이어서 샘플 출발 중량으로 나누고, 100을 곱함으로써 팽윤 백분율을 계산하였다.

[표 1]

표로부터, 허용가능한 팽균 백분율을 갖는 재료는 PEEK, PTFE, NEMA 그레이드 G-9, 및 NEMA 그레이드 G-11을 포함하는 것으로 결정되었다.

명백히, 본 발명의 많은 변경 및 변화가 상기의 교시를 고려하여 가능하다. 상기 본 발명은 관련된 법적 표준에 따라서 기술되어 있고, 따라서 그 설명은 사실상 제한이 아니라 예시이다. 개시된 실시예에 대한 변화 및 변경이 당업자에게 명백해질 수 있으며, 본 발명의 범주 내에 있다. 따라서, 본 발명에 제공되는 법적 보호의 범주는 오직 하기의 청구범위를 연구함으로써 결정될 수 있다.

Claims

반응 챔버를 한정하는 서셉터(susceptor);
하우징과 상기 서셉터 사이에 한정된 공극 공간(void space)을 갖도록 상기 반응 챔버에 대향하게 상기 서셉터로부터 이격되고, 포트(port)를 한정하는 하우징(housing);
상기 포트를 통해서 연장되고, 전류를 전도하여 상기 서셉터를 유도 가열함으로써 상기 반응 챔버를 목적하는 온도로 가열하는 자기장을 생성하기 위해서 상기 공극 공간 내에 배치된 유도 코일;
금속 재료를 포함하고, 플랜지(flange)를 통해서 연장된 상기 유도 코일을 갖는 상기 포트를 밀봉하기 위해서 상기 포트에서 상기 하우징에 커플링된 플랜지; 및
상기 플랜지와 상기 하우징 사이에 배치되어 전류가 상기 하우징으로 통과하는 것을 방지하는 분리기(isolator)를 포함하는 유도 가열 장치(induction heating apparatus).
제1항에 있어서, 상기 반응 챔버 내의 공정 기체가 상기 공극 공간으로 누출되는 것을 방지하기 위해서 상기 공극 공간 내에 배치된 블랭킷 기체(blanket gas)를 추가로 포함하는 유도 가열 장치.
제2항에 있어서, 상기 블랭킷 기체를 상기 가공 기체로부터 분리하고, 상기 공정 기체가 상기 유도 코일을 접촉하는 것을 방지하기 위해서 상기 서셉터와 상기 유도 코일을 분리하는 차단 벽(barrier wall)을 추가로 포함하는 유도 가열 장치.
제3항에 있어서, 상기 차단 벽이 흑연, 탄화규소, 금속 규화물, 세라믹, 탄소 섬유, 탄소 복합물, 가요성(flexible) 흑연, 금속 포일, 석영 및 그의 조합의 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 유도 가열 장치.
제2항에 있어서, 상기 블랭킷 기체가 할로-수소, 할로-규소 또는 할로-수소-규소 재료인 유도 가열 장치.
제5항에 있어서, 상기 블랭킷 기체가 사염화규소, 염화수소, 브로모실란, 사불화규소 및 그의 조합의 군으로부터 선택되는 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 플랜지가 약 0 내지 약 500℃의 작동 온도를 갖는 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 플랜지가 상기 하우징 내에서 상기 포트를 밀봉하여 상기 반응 챔버 및 상기 공극 공간이 상기 하우징 외부의 대기압과 같거나 또는 대기압과 상이한 작동 압력을 갖는 유도 가열 장치.
제8항에 있어서, 상기 공극 공간 내의 상기 가동 압력이 약 - 15 내지 약 500 PSIG인 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 유도 코일이 상기 유도 코일을 냉각하기 위해서 냉각 매질을 순환시키기 위한 내부 통로를 한정하는 유도 가열 장치.
제10항에 있어서, 상기 냉각 매질이 유기 열 전달 유체 및/또는 실리콘계 열 전달 유체를 포함하는 유도 가열 장치.
제11항에 있어서, 상기 냉각 매질이 알킬계 유체, 페닐계 유체 및 실리콘계 유체 및 그의 조합의 군으로부터 선택되는 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 포트를 통해서 연장된 상기 유도 코일의 일부가 제1 슬리브(sleeve)로서 추가로 한정되고, 상기 플랜지가 상기 제1 슬리브 주위에 배치된 제2 슬리브를 포함하여 복귀 경로가 상기 제1 슬리브와 상기 제2 슬리브 사이에 한정된 유도 가열 장치.
제13항에 있어서, 상기 유도 코일이 상기 제1 슬리브 및 상기 제2 슬리브에 커플링되어 상기 냉각 매질이 상기 제1 슬리브, 상기 유도 코일 및 상기 복귀 경로를 통해서 유동하여 상기 유도 가열 장치를 빠져나가는 유도 가열 장치.
제13항에 있어서, 상기 플랜지가 상기 제1 슬리브 및 상기 제2 슬리브를 밀봉하고, 상기 제2 슬리브를 통과하는 상기 복귀 경로를 추가로 한정하기 위해서 복수의 밀봉 이음 고리(sealing collar)를 추가로 포함하는 유도 가열 장치.
제13항에 있어서, 상기 제1 슬리브 및 상기 제2 슬리브가 상기 유도 코일과 통합된 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 제1 재료가 상기 유도 코일 상에 배치되고, 상기 유도 코일을 보호하기 위해서 제2 재료가 상기 제1 재료 상에 배치된 유도 가열 장치.
제17항에 있어서, 상기 제1 재료가 니켈, 백금, 로듐, 루테늄, 은 및 그의 조합의 군으로부터 선택되는 유도 가열 장치.
제18항에 있어서, 상기 제2 재료가 불소 함유 중합체를 포함하는 유도 가열 장치.
제19항에 있어서, 상기 불소 함유 중합체가 PTFE, ETFE, 클로로-플루오로중합체, 및 그의 조합의 군으로부터 선택되는 유도 가열 장치.
제17항에 있어서, 상기 제1 재료가 니켈이고, 상기 제2 재료가 불소 함유 중합체인 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 플랜지가 상기 하우징의 외면에 커플링된 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 플랜지가 상기 하우징의 내면에 커플링된 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 분리기가 질화규소, 알루미나, 지르코니아, PEEK, NEMA 그레이드(grade) G-9, 또는 NEMA 그레이드 G-11, 및 그의 조합의 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 서셉터가 수소화를 위한 반응기로서 추가로 한정된 유도 가열 장치.
제25항에 있어서, 상기 서셉터가 사염화규소를 트라이클로로실란으로 수소화하기 위한 반응기로서 추가로 한정된 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 서셉터가 유동층 반응기(fluidized bed reactor)의 하우징으로서 추가로 한정된 유도 가열 장치.
제26항에 있어서, 상기 유동층 반응기가 규소를 생성하기 위한 침착 반응용인 유도 가열 장치.
반응 챔버를 한정하는 서셉터, 하우징과 상기 서셉터 사이에 한정된 공극 공간을 갖도록 상기 반응 챔버에 대향하게 상기 서셉터로부터 이격되고, 포트를 한정하는 하우징, 상기 포트를 통해서 연장되고, 상기 공극 공간 내에 배치된 유도 코일, 금속 재료를 포함하고, 상기 포트를 밀봉하기 위해서 상기 포트에서 상기 하우징에 커플링된 플랜지, 및 상기 플랜지와 상기 하우징 사이에 배치되어 전류가 상기 하우징으로 통과하는 것을 방지하기 위한 분리기를 포함하는 유도 가열 장치를 사용하여 반응 챔버를 가열하는 방법으로서,
상기 반응 챔버 내에 공정 기체를 도입하는 단계;
상기 유도 코일을 전류로 충전하여 자기장을 생성함으로써 상기 서셉터를 자기장을 사용하여 유도 가열하는 단계;
상기 가열된 서셉터로부터의 복사열을 사용하여 상기 반응 챔버를 목적하는 온도로 가열하여 상기 공정 기체를 가열하는 단계; 및
상기 반응 챔버 내의 상기 공정 기체가 상기 공극 공간으로 누출되는 것을 방지하기 위해서 블랭킷 기체를 상기 공극 공간 내에 도입하는 단계를 포함하는 유도 가열 장치를 사용하여 반응 챔버를 가열하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 블랭킷 기체가 할로-규소, 수소-할로겐 또는 할로겐-규소-수소 재료인 방법.
제29항에 있어서, 상기 블랭킷 기체가 사염화규소, 염화수소, 브로모실란, 사불화규소 및 그의 조합의 군으로부터 선택되는 방법.
제29항에 있어서, 상기 플랜지를 상기 하우징의 내면에 커플링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 플랜지를 상기 하우징의 외면에 커플링하여 상기 플랜지가 상기 유도 가열 장치의 외부에 존재하도록 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 유도 코일을 니켈, 백금, 로듐, 루테늄, 은 및 그의 조합의 군으로부터 선택된 제1 재료로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 상기 제1 재료를 PTFE, ETFE, 클로로-플루오로중합체, 및 그의 조합의 군으로부터 선택된 불소 함유 중합체를 포함하는 제2 재료로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 유도 코일을 냉각하기 위해서 유기 열 전달 유체 및/또는 실리콘계 열 전달 유체를 포함하는 냉각 매질을 상기 유도 코일을 통해서 통과시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 유도 가열 장치가 수소화 반응기로서 추가로 한정되고, 상기 방법이 상기 반응 챔버 내에서 상기 공정 기체로부터 성분을 회수하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 유도 가열 장치가 유동층 반응기로서 추가로 한정되고, 상기 방법이 시드 요소(seed element)를 반응 챔버 내에서 유동화하여 재료를 상기 시드 요소 상에서 성장시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 유도 가열 장치가 유동층 반응기로서 추가로 한정되고, 상기 방법이 상기 반응 챔버 내에서 상기 시드 요소를 유동화하여 규소를 상기 시드 요소 상에서 성장시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.