KR20190070130A - 초임계유체 공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계유체 공급장치에 관한 것으로, 액체 상태의 유체를 초임계 상태로 완전히 전환시켜 공정챔버에 공급할 수 있는 초임계유체 공급장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명의 초임계유체 공급장치는, 액상의 유체를 가열하여 초임계 상태로 전환시키는 초임계유체 탱크와, 상기 초임계유체 탱크를 외부에서 내부로 관통하여 연장되어 상기 액상의 유체를 상기 초임계유체 탱크 내부로 공급하는 유입관과, 상기 초임계유체 탱크에 연결되어 초임계상태로 전환된 초임계유체를 공정챔버 측으로 공급하는 공급관을 포함하여 이루어진다.

Description

초임계유체 공급장치{Apparatus for supplying supercritical fluid}
본 발명은 초임계유체 공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체 상태의 유체를 초임계 상태로 완전히 전환시켜 공정챔버에 공급하는 초임계유체 공급장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 리소그래피(lithography), 증착(Deposition) 및 식각(etching), 감광제(Photoresist)의 도포(Coating), 현상(Develop), 세정 및 건조공정 등의 복수의 기판 처리를 반복적으로 진행하여 제조된다.
각 공정은 각각의 목적에 맞는 공정유체를 이용하여 이루어지며 각 공정유체에 맞는 공정 환경이 요구되므로, 해당 환경이 조성되는 챔버 내부에 기판을 수용하여 기판 처리 공정을 수행하는 것이 일반적이다.
이중 기판 세정 및 건조공정의 반복 수행이 특히 중요한데, 각 공정을 거치는 동안 기판에는 금속 불순물, 유기물 등이 잔존하게 되기 때문이다. 이와 같은 오염물질은 기판의 공정불량을 일으키고 제품의 수율 및 신뢰성에 악영향을 미치기 때문에 각 공정의 완료시마다 세정 및 건조공정이 수행된다.
일반적으로 세정은 습식세정과 건식세정으로 분류되며, 그 중에서도 습식세정은 반도체 제조분야에서 널리 이용되고 있다. 습식세정은 각각의 단계마다 오염물질에 맞는 화학물질을 사용하여 연속적으로 오염물질을 제거하는 방식으로서, 산과 알칼리 용액을 다량 사용하여 기판에 잔류하는 오염물질을 제거하게 된다.
그러나, 이러한 습식세정에 이용되는 화학물질은 환경에 악영향을 끼치고 있는 것은 물론이고 공정이 복잡하여 제품의 생산 단가를 크게 상승시키는 요인일 뿐만 아니라 고집적 회로와 같이 정밀한 부분의 세정에 이용되는 경우, 계면장력으로 인해 미세구조의 패턴이 협착되어 무너짐에 따라서 오염물 제거가 효과적으로 이루어지지 못한다는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로, 최근에는 무독성이고, 불연성 물질이며, 값싸고 환경 친화적인 물질인 이산화탄소를 용매로 사용하는 건식 세정 방법이 개발되고 있다.
도 1을 참조하면, 종래 기술의 초임계유체 공급장치(1)는, 액상의 이산화탄소(CO2)를 공급하는 이산화탄소 탱크(10)와, 상기 액상의 이산화탄소를 가열하여 초임계상태로 전환시키는 초임계유체 탱크(20)를 포함하여 구성된다.
상기 초임계유체 탱크(20)는 서로 맞물리는 상부캡(23)과 하부캡(22)로 이루어진다.
상기 하부캡(22)에는 상기 유입관(40)이 연결되어, 상기 액상의 이산화탄소가 상기 이산화탄소 탱크(10)로부터 상기 유입관(40)을 통해 상기 초임계유체 탱크(20)에 유입된다.
상기 유입관(40)상에는 상기 액상의 이산화탄소를 상기 초임계유체 탱크(20) 방향으로 유동시키는 펌프(50)가 구비될 수 있다.
상기 상부캡(23)에는 상부캡(23)이 연결되며, 상기 초임계유체 탱크(20)에 유입된 상기 액상의 이산화탄소가 히터(60)에 의해 가열되어 고온 고압의 초임계상태로 전환된 후 상기 상부캡(23)을 통해 기판의 세정 또는 건조공정이 이루어지는 공정챔버(30)에 공급된다.
이때, 상기 이산화탄소는 온도 저하로 인한 상변화로 파티클이 발생하는 것을 방지하기 위해 매우 빠른 속도로 유동하게 된다.
이로 인해 상기 이산화탄소의 유로인 유입관(40)와 상기 공급관(70)에 불량이 발생할 수 있으며, 이때 상기 유입관(40)이 연결된 상기 상부캡(23)과 상기 공급관(70)이 연결된 상기 하부캡(22)을 모두 교체하게 된다.
또한, 상기 액상의 이산화탄소가 충분히 가열되지 못해 완전히 초임계상태로 전환되지 못한 채 상기 상부캡(23)을 통해 배출되거나, 비교적 온도가 낮은 초임계상태로 배출되어 상기 공급관(70)상에서 상변화하는 경우가 발생할 수 있었다.
이로 인해 상기 초임계유체 탱크(20)에서 상기 액상의 이산화탄소가 충분히 가열되지 못해, 완전히 초임계상태로 전환되지 못한 채 배출되거나 임계점에 가까운 초임계상태로 배출되어 상기 상부캡(23)을 유동하며 상변화하는 경우가 발생할 수 있었다.
더욱이, 상기 초임계유체 탱크(20)는 입구(21)로부터 유입된 상기 액상의 이산화탄소가 바로 출구(22)를 향해 유동하여 배출되는 간단한 구조로 이루어져, 상기 액상의 이산화탄소가 상기 초임계유체 탱크(20) 내부를 유동하는 시간을 연장하고 열 전달률을 높일 필요성이 있었다.
상기한 바와 같은 초임계유체 탱크(20)를 이용하는 초임계유체 공급장치에 대한 선행기술의 일례로 대한민국 등록특허 10-1254326호가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 액상의 이산화탄소가 초임계 상태로 완전히 전환된 후 공정챔버에 공급되도록 하는 초임계유체 공급장치를 제공하고자 한다.
또한, 공급관 또는 유입관에 불량이 발생해도 하부캡을 교체할 필요가 없는 초임계유체 공급장치를 제공하고자 한다.
또한, 초임계유체 탱크 내부를 유동하는 액상의 이산화탄소에 전달되는 열량을 높일 수 있는 초임계유체 공급장치를 제공하고자 한다.
또한, 공정챔버로 유동하는 초임계유체의 온도 저하를 방지하는 초임계유체 공급장치를 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 초임계유체 공급장치는, 액상의 유체를 가열하여 초임계 상태로 전환시키는 초임계유체 탱크와, 상기 초임계유체 탱크의 상부를 관통하여 하부까지 연장되어 상기 액상의 유체를 상기 초임계유체 탱크 내부로 공급하는 유입관과, 상기 초임계유체 탱크의 상부에 연결되어 초임계상태로 전환된 초임계유체를 공정챔버 측으로 공급하는 공급관을 포함한다.
상기 유입관은 상기 초임계유체 탱크의 상부캡을 관통하도록 이루어지며 상기 공급관은 상기 상부캡에 연결되도록 이루어진다.
상기 유입관은 상기 초임계유체 탱크의 상부로부터 하부에 이르는 동안 적어도 한 번 휘어지도록 형성될 수 있으며, 상기 초임계유체 탱크의 하측으로부터 상기 초임계유체 탱크를 가열하는 하부히터가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 상부캡과 하부캡은 서로 동일한 재질로 이루어지고, 특히 SUS재질로 이루어지도록 할 뿐 아니라, 상기 초임계유체 탱크 내부의 온도와 압력을 조절하는 제어부가 구비되어, 상기 초임계유체 탱크 내부 온도를 80℃ 이상으로 유지할 수 있다.
또한, 상기 초임계유체 탱크의 출구측에는 온도측정부가 구비되어, 상기 초임계유체 탱크로부터 배출되는 초임계유체의 온도를 측정할 수 있으며, 상기 초임계유체 탱크의 출구에 연결되는 공급관에는 상기 공급관을 유동하는 이산화탄소의 온도 저하를 방지하는 라인히터가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 초임계유체 공급장치에 의하면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 초임계유체 탱크 내부의 유체의 유동경로를 연장하여 액상의 이산화탄소가 초임계 상태로 완전히 전환된 후 공정챔버에 공급되도록 할 수 있다.
또한, 초임계유체 탱크의 상부캡에 유입관과 공급관이 모두 연결되도록 하여 공급관 또는 유입관에 불량이 발생해도 하부캡을 교체할 필요가 없는 초임계유체 공급장치를 제공할 수 있다.
또한, 초임계유체 탱크 하부를 가열하는 히터를 추가 배치하여 초임계유체 탱크 내부를 유동하는 액상의 이산화탄소에 전달되는 열량을 높일 수 있는 초임계유체 공급장치를 제공할 수 있다.
또한, 공정챔버로 유동하는 공급관의 온도 저하를 방지하고 초임계유체가 초임계 상태를 유지한 채 공정챔버에 공급되도록 하는 초임계유체 공급장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 초임계유체 공급장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2은 본 발명에 의해 초임계유체 탱크의 상부캡에 유입관과 공급관이 모두 연결된 초임계유체 공급장치를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 초임계유체 탱크의 상부캡에 길이가 연장된 유입관이 연결된 초임계유체 공급장치를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의해 초임계유체 탱크 하부를 가열하는 하부히터가 더 구비된 초임계유체 공급장치를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의해 공급관상에 라인히터가 구비된 초임계유체 공급장치를 보여주는 도면.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 초임계유체 공급장치(100)는, 도 2에 나타난 바와 같이, 액상의 유체를 가열하여 초임계 상태로 전환시키는 초임계유체 탱크(200)와, 상기 초임계유체 탱크(200)의를 외부에서 내부로 관통하여 연장되어 상기 액상의 유체를 상기 초임계유체 탱크(200) 내부로 공급하는 유입관(140)과, 상기 초임계유체 탱크(200)에 연결되어 초임계상태로 전환된 초임계유체를 공정챔버(130) 측으로 공급하는 공급관(170)을 포함하여 이루어진다.
상기 유입관(140)은 상기 초임계유체 탱크(200)의 상부(a)를 관통하여 하부(c)까지 연장되도록 구비될 수 있으며, 상기 공급관(170)은 상기 초임계유체 탱크(200)의 상부(a)에 연결되도록 구비될 수 있다.
상기 초임계유체 공급장치(100)는 반도체 제조 공정의 세정 또는 건조공정을 수행하는 공정챔버(140)에 상기 초임계유체를 공급할 수 있다.
상기 초임계유체는 초임계 이산화탄소일 수 있다.
이산화탄소는 낮은 임계온도와 임계압력을 가지고 있어 초임계 상태에 쉽게 도달할 수 있으며, 계면장력이 제로(0)에 가깝고, 초임계 상태에서 높은 압축성으로 인하여 압력 변화에 따라 밀도 또는 용매 세기를 변화시키기 용이하다. 또한, 감압에 의하여 기체 상태로 바뀌기 때문에 용질로부터 용매를 간단히 분리할 수 있는 장점이 있어 반도체 제조 공정의 세정 또는 건조공정에 많이 이용되고 있다.
상기 초임계유체 탱크(200)는 상기 액상의 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 탱크(110)에 연결된다.
상기 액상의 이산화탄소는 상기 이산화탄소 탱크(110)로부터 유입관(140)를 통해 상기 초임계유체 탱크(200)에 유입되어 가열되며, 초임계상태가 된 후 공급관(170)을 통해 상기 공정챔버(130)에 공급되게 된다.
상기 유입관(140) 또는 공급관(170)상에는 펌프(150)가 구비되어, 상기 이산화탄소가 상기 이산화탄소 탱크(110)로부터 상기 초임계유체 탱크(200)를 지나 상기 공정챔버(130) 방향으로 유동하도록 할 수 있다.
상기 초임계유체 탱크(200)는, 액상의 유체를 초임계유체로 전환시키는 고온 고압의 환경을 견딜 수 있도록 높은 강성을 가진 재질로 구성되며, 소정의 두께를 갖도록 제작된다.
또한, 상기 초임계유체 탱크(200)는 고온의 환경을 견디기 위한 높은 내열성과, 유체에 반응하여 변질되거나 부식이 일어나 기판 처리 공정에 영향을 끼치지 않도록 내화학성 및 내식성을 가지는 재질로 구성된다.
상기 조건들을 만족하는 재질로는 스테인리스강(SUS)이 있다. 스테인리스강은 강성이 높고 내열성, 내식성, 내화학성이 우수하며 접근성이 좋고 경제적인 장점이 있어 상기 초임계유체 탱크(200)를 구성하는 데 가장 많이 이용되고 있는 재질 중 하나이다.
상기 초임계유체 탱크(200)에는 측면히터(161)가 구비되어, 상기 측면히터(161)로부터 발생하는 열에너지가 상기 초임계유체 탱크(200)에 전달되고 상기 초임계유체 탱크(200) 내부를 유동하는 상기 액상의 이산화탄소를 가열하도록 이루어진다.
상기 초임계유체 탱크(200)는 서로 맞물리는 상부캡(230)과 하부캡(220)으로 이루어지며, 상기 유입관(140)은 상기 상부캡(230)을 관통하고, 상기 공급관(170)은 상기 상부캡(230)에 연결되도록 이루어질 수 있다.
상기 상부캡(230)과 하부캡(220)은 같은 재질로 이루어져 상기 측면히터(161)와 후술하는 하부히터(162)의 열원으로부터 전달받는 열 전달 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 하부캡(220)에는 유로가 연결되지 않아, 상기 유입관(140) 또는 공급관(170)의 불량 발생시 상기 하부캡(220)은 존치하고 상기 상부캡(230)만 교체하여 불량을 해결할 수 있다.
상기 이산화탄소는, 상기 유입관(140)을 통해 상기 초임계유체 탱크(200)의 상부(a)로부터 중앙부(b)를 지나 하부(c)로 유동하여 상기 초임계유체 탱크(200)의 하부(c) 공간으로 유입된다.
상기 공급관(170)은 상기 초임계유체 탱크(200)의 상부(a) 공간까지만 연장되도록 구비되며, 상기 이산화탄소는 다시 초임계유체 탱크(200)의 상부(a) 공간으로 유동한 후 상기 상부캡(230)에 연결된 상기 공급관(170)을 통해 배출됨으로써 상기 초임계유체 탱크(200) 내부를 상하방향으로 왕복하는 유동경로(P)를 가지게 된다.
즉, 상기 초임계유체 탱크(200) 내부를 유동하는 상기 이산화탄소의 유동경로(P)를 연장함으로써 상기 이산화탄소가 충분히 고온으로 가열되도록 이루어진다.
상기 유입관(140)의 개구부는 상기 초임계유체 탱크(200)의 내부면 끝단까지 이르도록 구비될 수 있으며, 특히 상기 초임계유체 탱크(200)의 하부(c) 끝단인 상기 초임계유체 탱크(200)의 밑면에 이르도록 구비되어, 상기 이산화탄소의 유동경로(P)를 더욱 길게 할 수 있다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 유입관(140)은 상기 초임계유체 탱크(200)의 상기 상부(a)로부터 중앙부(b)를 거쳐 하부(c)에 이르는 동안 적어도 한 번 휘어지도록 형성될 수 있다.
상기 이산화탄소는 상기 휘어진 공급관(170)을 유동하여 상기 초임계유체 탱크(200)의 하부(c) 공간으로 유입되며, 더욱 연장된 상기 유동경로(P)를 통해 충분히 고온으로 가열되도록 이루어진다.
또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 초임계유체 공급장치(100)에는 상기 초임계유체 탱크(200)의 하측으로부터 상기 초임계유체 탱크(200)를 가열하는 하부히터(162)가 더 구비되어, 상기 초임계유체 탱크(200)를 유동하는 상기 이산화탄소를 충분히 고온으로 가열할 수 있도록 이루어질 수 있다.
또한, 상기 초임계유체 탱크(200)에는 상기 초임계유체 탱크(200) 내부의 온도 또는 압력을 제어하는 제어부(미도시)가 연결되며, 상기 제어부는 상기 초임계유체 탱크(200)의 온도가 80℃ 이상으로 유지되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 초임계유체 탱크(200)에는 온도측정부(미도시) 또는 압력측정부(미도시)가 구비되어, 각각 상기 초임계유체 탱크(200) 내부의 온도 또는 압력을 측정하여 상기 제어부에 전달하도록 할 수 있다.
또한, 상기 온도측정부 또는 압력측정부는 상기 초임계유체 탱크(200)의 출구측에 구비되어, 상기 초임계유체 탱크(200)로부터 배출되는 초임계 이산화탄소의 온도 또는 압력을 측정하도록 할 수 있다.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 공급관(170)상에는 라인히터(163)가 더 구비되어, 상기 초임계유체 탱크(200)로부터 상기 공정챔버(130)로 유동하는 상기 초임계 이산화탄소의 온도 저하를 방지하도록 할 수 있다.
상기 라인히터(163)는 상기 공급관(170)의 내부 또는 외부에 구비될 수 있으며, 상기 공급관(170)의 내부로부터 상기 이산화탄소를 직접적으로 가열하는 인라인히터일 수 있다.
상기 라인히터(163)는, 상기 공급관(170)의 둘레를 따라 감긴 형태로 구비되어 열 전달 면적을 넓힌 코일형 히터일 수 있다.
또한, 상기 공급관(170)이 상기 라인히터(163)의 둘레를 따라 감긴 형태로 구비될 수 있으며, 상기 라인히터(153)와 상기 공급관(170)이 서로 감긴 형태로 구비될 수도 있다.
상기 초임계유체 공급유로(170)는 중간에서 분기되어 상기 공정챔버(130)의 측면과 상단으로 연결되도록 구비될 수 있으며, 상기 라인히터(163)는 상기 분기된 초임계유체 공급유로(170)상에 각각 구비될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 초임계유체 공급장치(100)는, 초임계유체 탱크(120) 내부를 유동하는 상기 이산화탄소의 유동경로(P)를 연장하여 액상의 이산화탄소가 초임계 상태로 완전히 전환된 후 공정챔버(130)에 공급되도록 할 수 있다.
또한, 상기 상부캡(230)에 상기 유입관(140)과 공급관(170)이 모두 연결되도록 하여 상기 유입관(140) 또는 공급관(170) 불량이 발생해도 상기 하부캡(220)을 교체할 필요가 없는 초임계유체 공급장치를 제공할 수 있다.
또한, 초임계유체 탱크 하부를 가열하는 히터를 추가 배치하여 초임계유체 탱크 내부를 유동하는 액상의 이산화탄소에 전달되는 열량을 높일 수 있으며, 공정챔버로 유동하는 공급관의 온도 저하를 방지하고 초임계유체가 초임계 상태를 유지한 채 공정챔버에 공급되도록 하는 초임계유체 공급장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하고, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100 : 초임계유체 공급장치 110 : 이산화탄소 탱크
130 : 공정챔버 140 : 유입관
150 : 펌프 161 : 측면히터
170 : 공급관 162 : 하부히터
P : 유동경로 200 : 초임계유체 탱크
220 : 하부캡 230 : 상부캡

Claims (16)

  1. 액상의 유체를 가열하여 초임계 상태로 전환시키는 초임계유체 탱크;
    상기 초임계유체 탱크를 외부에서 내부로 관통하여 연장되어 상기 액상의 유체를 상기 초임계유체 탱크 내부로 공급하는 유입관;
    상기 초임계유체 탱크에 연결되어 초임계상태로 전환된 초임계유체를 공정챔버 측으로 공급하는 공급관;
    을 포함하는 초임계유체 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입관은, 상기 초임계유체 탱크의 상부를 관통하여 하부까지 연장되고;
    상기 공급관은, 상기 초임계유체 탱크의 상부에 연결되는;
    것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초임계유체 탱크는 상부캡과 하부캡으로 이루어지며;
    상기 유입관은 상기 상부캡을 관통하고, 상기 공급관은 상기 상부캡에 연결되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공급관은 상기 초임계유체 탱크의 상부공간까지만 연장되는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유입관은 상기 초임계유체 탱크의 내부면 끝단까지 연장되는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 유입관은 상기 초임계유체 탱크의 상부로부터 하부에 이르는 동안 적어도 한 번 휘어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 초임계유체 탱크의 하부를 가열하는 하부히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 공급관에 연결되어 상기 초임계유체 탱크로부터 배출되는 초임계유체를 공정챔버에 유동시키는 공급관;
    상기 공급관상에 구비되어 상기 공급관를 유동하는 상기 초임계유체의 온도 저하를 방지하는 라인히터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 라인히터는 상기 공급관의 외측을 감는 코일히터인 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공급관은 상기 라인히터의 외측을 감는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 라인히터는 상기 공급관의 내측으로부터 상기 유체를 직접 가열하는 인라인히터인 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 상부캡과 상기 하부캡은 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부캡과 상기 하부캡은 스테인레스(SUS)재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 초임계유체 탱크 내부의 온도와 압력을 조절하는 제어부가 구비되고;
    상기 제어부는 상기 초임계유체 탱크 내부 온도를 80℃ 이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 초임계유체 탱크의 출구측에는 온도측정부가 구비되어, 상기 초임계유체 탱크로부터 배출되는 초임계유체의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는 초임계유체 공급장치.
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