KR20230145432A - 제어기 및 기화 공급 장치 - Google Patents
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Abstract
(과제) 다이어프램의 합성수지 피막의 내소실성을 향상시킬 수 있는 유체를 제어하는 제어기, 및 상기 제어기를 구비하는 기화 공급 장치를 제공한다.
(해결 수단) 제어기(3)는 유입로(6) 및 유출로(7)를 구비하는 보디(8)와, 유입로(6)와 유출로(7)의 사이에 설치된 밸브 시트(9)와, 밸브 시트(9)에 접촉 이격 가능한 다이어프램(10)과, 다이어프램(10)을 밸브 시트(9)에 접촉 이격시키는 액추에이터(11)를 구비하고, 밸브 시트(9)의 재질은 니켈을 베이스로 하며, 다이어프램(10)은 밸브 시트(9)에 접촉하는 측의 면에 합성수지 피막(27)을 구비한다.
(해결 수단) 제어기(3)는 유입로(6) 및 유출로(7)를 구비하는 보디(8)와, 유입로(6)와 유출로(7)의 사이에 설치된 밸브 시트(9)와, 밸브 시트(9)에 접촉 이격 가능한 다이어프램(10)과, 다이어프램(10)을 밸브 시트(9)에 접촉 이격시키는 액추에이터(11)를 구비하고, 밸브 시트(9)의 재질은 니켈을 베이스로 하며, 다이어프램(10)은 밸브 시트(9)에 접촉하는 측의 면에 합성수지 피막(27)을 구비한다.
Description
본 발명은 유체를 제어하는 제어기, 및, 기화기로 기화시킨 가스의 흐름을 상기 제어기에 의해 제어해서 공급하는 기화 공급 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트 등에 있어서, 유체를 제어하는 제어기, 및 기화 공급 장치가 알려져 있다. (특허문헌 1, 2 등). 상기 제어기는 유로를 구비하는 보디와, 상기 유로에 개재된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트에 접촉 이격하는 다이어프램과, 상기 다이어프램을 상기 밸브 시트에 접촉 이격시키는 액추에이터를 구비한다. 상기 기화 공급 장치는 액체 원료를 가열해서 기화시키는 기화기와, 기화한 가스를 제어하기 위한 상기 제어기를 구비한다.
상기 다이어프램은 극박 금속판으로 형성된다. 이 종류의 다이어프램은 밸브 시트와의 밀봉성의 향상을 꾀하기 위해서, 및, 어떤 종류의 가스와의 접촉에 의한 부식을 방지하기 위해서, 밸브 시트에 접촉하는 측의 면에 합성수지 피막을 구비한다. 상기 합성수지 피막으로서, 예를 들면 불소 수지가 사용된다. 또한, 보디의 재질은 내식성이 뛰어난 스테인리스강이 일반적이다.
그러나, 상기 기화 공급 장치에 장착되어 있는 일부의 제어기에 있어서, 상기 합성수지 피막의 일부를 소실하는 일이 있었다. 상기 합성수지 피막의 소실은 밸브 시트와 접촉하는 부분의 일부에 발생되고 있었다.
본 발명자 등은, 예의 연구의 결과, 상기 제어 밸브가 제어해야 할 유체(원료 가스)에 본래 포함되어 있지 않을 터인 산소나 수증기가 존재하고 있을 가능성이 있는 것, 원료 가스에 본래 포함되어 있지 않을 터인 산소나 수증기가 포함되어 있을 경우에 상기 합성수지 피막의 분해 시작 온도가 저하하는 것, 및, 밸브 시트의 재질을 바꿈으로써 상기 합성수지 피막의 분해 시작 온도를 높일 수 있는 것을 발견했다.
예를 들면, 기화 공급 장치가 장착되는 반도체 제조 라인에서는, 기화 공급 장치의 하류측에 가스 공급 라인을 개재해서 프로세스 챔버가 접속되어, 기화 공급 장치의 상류측으로부터 원료액 공급 라인을 개재해서 TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 등의 액체 원료가 기화 공급 장치에 공급된다. 상기 가스 공급 라인에는, 산소 가스를 공급하는 산소 공급 라인이 접속되는 경우가 있어, 공급된 산소 가스가 상기 가스 공급 라인을 통해서 상류측으로 역류해서, 기화 공급 장치의 제어기까지 도달할 가능성이 있었다. 또한, 상기 원료액 공급 라인에 수분이 혼입될 가능성이 있었다. 이러한 경우에, 제어기로 제어되는 원료 가스에 본래 포함되어 있지 않을 터인 산소나 수증기가 포함되어 있을 가능성이 있었다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일양태에 의하면, 제어기는 유입로 및 유출로를 구비하는 보디와, 상기 유입로와 상기 유출로의 사이에 설치된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트에 접촉 이격 가능한 다이어프램과, 상기 다이어프램을 상기 밸브 시트에 접촉 이격시키는 액추에이터를 구비하고, 상기 밸브 시트의 재질은 니켈을 베이스로 하고, 상기 다이어프램은 상기 밸브 시트에 접촉하는 측의 면에 합성수지 피막을 구비한다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 밸브 시트의 재질은 니켈 및 니켈 합금을 포함한다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 밸브 시트는 상기 보디의 일부이다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 보디에 장착되는 밸브 시트체를 추가로 구비하고, 상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트체의 일부이며, 상기 보디의 재질은 스테인리스강이다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 밸브 시트체를 상기 보디에 유지하는 유지체를 추가로 구비하고, 상기 유지체 및 상기 보디의 재질은 스테인리스강이다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 밸브 시트는 니켈 이외의 모재에 니켈 도금되어 있다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 합성수지 피막은 불소 수지 피막이다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 밸브 시트의 재질은 스테인리스강보다 상기 합성수지 피막의 분해 시작 온도가 높은 재질이다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 산소 원자를 포함하는 유체가 상기 합성수지 피막에 접하는 상태로 상기 다이어프램이 구동된다.
본 발명의 다른 일양태에 의하면, 상기 산소 원자를 포함하는 유체는 산소 및 수증기를 포함한다.
또한, 본 발명의 일양태에 의하면, 기화 공급 장치는 원료를 가열해서 기화시키는 기화기와, 상기 기화기에 의해 기화된 기체의 흐름을 제어하는 본 발명의 상기 제어기를 구비한다.
본 발명에 의하면, 밸브 시트의 재질을 니켈을 베이스로 한 것에 의해, 종래의 스테인리스강의 밸브 시트보다 합성수지 피막의 분해 시작 온도를 높게 할 수 있다. 그 때문에, 기화 공급 장치와 같이 고온 유체를 다루는 제어기에 있어서, 보다 고온의 유체를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 기화 공급 장치의 일실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제어기의 일실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 PFA(퍼플루오로알콕시 알칸)의 열분해 거동을 나타내는 그래프이다.
도 5는 산소 및 수증기를 포함하는 유체 중에서의 PFA의 열분해 거동을 나타내는 그래프이다.
도 6은 불소계 가스(NF3)의 열분해 거동을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 제어기의 다른 실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 제어기의 다른 실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 제어기의 다른 실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제어기의 일실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 PFA(퍼플루오로알콕시 알칸)의 열분해 거동을 나타내는 그래프이다.
도 5는 산소 및 수증기를 포함하는 유체 중에서의 PFA의 열분해 거동을 나타내는 그래프이다.
도 6은 불소계 가스(NF3)의 열분해 거동을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 제어기의 다른 실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 제어기의 다른 실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 제어기의 다른 실시형태를 나타내는 일부 확대 부분 단면도이다.
본 발명의 실시형태에 대해서, 이하에 도 1∼도 9를 참조하면서 설명한다. 또한, 전 도면 및 전 실시형태를 통해서 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동 부호를 첨부하고 있다.
도 1은 기화 공급 장치의 일실시형태를 나타내는 개략 구성도, 도 2는 제어기의 일실시형태를 나타내는 부분 확대도, 도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
기화 공급 장치(1)는 기화기(2)와, 기화기(2)에 접속된 제어기(3)를 구비하고 있다. 기화기(2)는 공급된 액체 원료(L)를 가열함으로써 기화시킨다. 기화기(2)는 액체 원료(L)를 그 종류에 따라서 기화에 필요한 온도로 가열할 수 있다. 기화된 원료 가스(G)는 제어기(3)로 제어되어서, 기화기(2)의 하류측에 접속되는 프로세스 챔버(4) 등에 공급된다. 도면 중, 부호 5는 진공 펌프를 나타내고 있다.
제어기(3)는 유입로(6) 및 유출로(7)를 구비하는 보디(8)와, 유입로(6)와 유출로(7)의 사이에 설치된 밸브 시트(9)와, 밸브 시트(9)에 접촉 이격 가능한 다이어프램(10)과, 다이어프램(10)을 밸브 시트(9)에 접촉 이격시키는 액추에이터(11)를 구비하고 있다.
액추에이터(11)는 축 방향으로 왕복 이동 가능하게 지지되고 스템(12)과, 스템(12)을 작동시키는 구동원(13)을 구비한다. 구동원(13)은 도시예에서는, 에어 실린더를 내장하는 에어 구동원이지만, 오일 실린더를 구비하는 유압 구동원, 전자석을 구비하는 전자식 구동원, 압전 소자를 구비하는 압전식 구동원 등의 공지의 구동원으로 할 수 있다. 스템(12)은 다이어프램(10)에 접촉하는 누름편(14)을 구비하고 있다. 코일 용수철(15)은 스템(12)을 도면의 하방으로 바이어싱한다.
다이어프램(10)은 극박 금속판에 의해 원형의 접시 형상으로 형성되어 있다. 다이어프램(10)의 모재의 재질은 스프론(spron) 등의 금속(합금을 포함한다.)이다. 다이어프램(10)은 예를 들면, 직경 5∼50mm, 두께 20∼400㎛이다.
도 3에 나타내어진 밸브 시트(9)는 보디(8)에 장착된 밸브 시트체(16)의 일부이다. 구체적으로는, 밸브 시트체(16)의 정부가 다이어프램(10)과 접촉하는 밸브 시트(9)이다. 밸브 시트체(16)는 원환 형상을 갖고 있다. 밸브 시트체(16)는 보디(8)의 제 1 수용부(17)에 수용되어, 유지체(18)에 의해 유지되어 있다. 밸브 시트체(16)와 유지체(18)는 서로 맞물림하는 단차부(19, 20)를 구비하고 있다.
유지체(18)는 보디(8)의 제 2 수용부(21)에 수용되어 있다. 유지체(18)는 중앙 구멍(22)과, 복수의 주위 구멍(23)을 구비한다. 중앙 구멍(22)의 내주면에 밸브 시트체(16)가 맞물림한다. 복수의 주위 구멍(23)은 유입로(6)와 연통한다.
다이어프램(10)의 둘레 가장자리부는 유지체(18)와 링 개스킷(24)의 사이에 끼워져 있다. 링 개스킷(24)은 보닛(25)에 의해 보디(8)에 압압되어 있다. 보닛(25)은 보디(8)에 나사 체결된 너트(26)에 의해, 보디(8)에 고정되어 있다. 유지체(18)는 개스킷으로서의 기능도 갖는다.
다이어프램(10)은 밸브 시트(9)에 접촉하는 측의 면에, 합성수지 피막(27)을 구비한다. 합성수지 피막(27)은 내열성, 내약품성, 내마모성, 비점착성, 절연성, 내후성 등이 뛰어난 불소 수지가 바람직하다. 불소 수지는 예를 들면, PFA(퍼플루오로알콕시 알칸), PTFE 수지(폴리테트라 플루오로에틸렌), 또는, FEP 수지(4불화 에틸렌·6불화 프로필렌 공중합체)이다.
합성수지 피막(27)의 두께는 예를 들면, 20∼50㎛ 정도, 바람직하게는, 30∼35㎛이다. 합성수지 피막(27)은 예를 들면, 불소 수지 피막의 하층에, 다이어프램(10)의 모재 금속과의 접착층을 형성할 수 있다. 상기 접착층은 예를 들면, 두께 5∼10㎛의 PAI(폴리아미드이미드)의 층을 에이징 열처리에 의해 형성할 수 있다.
도 4는 PFA의 열분해 거동에 관해서, PFA가 접촉하는 표면의 재질에 대한 의존성을 평가한 시험 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프의 가로축이 온도, 세로축이 흡광도이다. 평가 시험에서는, PFA의 테스트 피스를 불활성 가스(아르곤 가스)의 분위기 중에서 4종류의 재질과 접촉시키고, PFA의 열분해에 의해 생긴 가스의 성분(C2F4, C2F3-O-Rf)을 푸리에 변환 적외분광 광도계에 의해 측정했다. 도 4의 그래프로부터 알 수 있듯이, PFA의 분해 시작 온도는 스테인리스강(SUS316L) 및 Al2O3와 접촉시켰을 경우보다, Ni 또는 NiF2와 접촉시켰을 경우 쪽이 높다.
다음으로, 상기의 평가 시험을 산소 농도 20% 및 수증기 1%를 포함하는 공기 분위기 중에서 행한 결과를 도 5의 그래프에 나타낸다. 도 5의 그래프는 도 4의 그래프에 비해서, PFA의 열분해 시작 온도가 내려가 있다. 이것은 산소 및 수증기의 PFA 수지에 대한 산화 분해 반응 촉진 작용에 의해, PFA의 열분해가 촉진되어 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 도 5의 그래프는 산소 및 수증기를 포함하는 분위기 중이어도, PFA의 분해 시작 온도가 스테인리스강보다 Ni 쪽이 높은 것을 나타내고 있다.
도 6은 불소계 가스(NF3)의 열분해 거동의 접촉 표면 의존성을 나타내는 그래프이다. 그래프의 가로축은 온도, 세로축은 NF3 가스 농도이다. 도 6의 그래프에 있어서, 불소 가스를 접촉시킨 표면의 재질은 Ni, 하스텔로이, 및, 스테인리스강(SUS316L)이다. 하스텔로이(HASTELLOY-C22)의 조성(질량%)은 Fe: 4.0, Cr: 21.2, Ni: 54.7, Mo: 13.5, Co: 2.5 이하, W: 4.5이다. 스테인리스강(SUS316L-EP)의 조성(질량%)은 Cr: 17.2, Ni: 15.1, Mo: 2.8, 잔부가 Fe이다. 도 6의 그래프로부터, Ni 함유량이 많을수록, 불소계 가스(NF3)의 분해 시작 온도가 높은 것을 알 수 있다. 이것은, Ni가 다른 금속에 비해서, 불소 원자와의 반응성이 낮기 때문이라고 생각된다.
상기로부터, 본 발명에 있어서는, 합성수지 피막(27)과 접촉하는 밸브 시트(9)의 재질로서, 스테인리스강보다 합성수지 피막(27)의 분해 시작 온도가 높은 재질이 사용되고, 니켈을 베이스로 하는 재질이 사용된다. 특히, 밸브 시트(9)의 재질은 산소 및 수증기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유체와 접촉하는 상태에 있어서도, 스테인리스강보다 합성수지 피막(27)의 분해 시작 온도가 높은 재질이 바람직하다. 본 명세서에 있어서 「니켈을 베이스로 하는 재질」은 니켈 및 니켈 합금을 포함한다. 니켈 합금으로서는, 하스텔로이, 인바, SPRON510, 인코넬 등의 니켈기 합금을 포함한다.
도 3에 나타내는 실시형태에서는, 밸브 시트체(16)의 재질이 니켈을 베이스로 하는 재질이다. 니켈이나 니켈 합금은 스테인리스강보다 상당히 고가이기 때문에, 바람직하게는, 유지체(18) 및 보디(8)의 재질은 스테인리스강이다.
도 7은 밸브 시트체의 다른 실시형태를 포함하는 제어기를 나타내는 부분 단면도이다. 밸브 시트체(16)는 유지체(18)의 환상 오목부에 끼워 넣어져서, 코킹 등에 의해, 유지체(18)에 유지되어 있다. 이 예에 있어서도, 밸브 시트체(16)의 재질이 니켈을 베이스로 하는 재질이며, 바람직하게는, 유지체(18) 및 보디(8)의 재질이 스테인리스강이다.
도 8은 밸브 시트체의 또 다른 실시형태를 포함하는 제어기를 나타내는 부분 단면도이다. 도 8의 밸브 시트체(16)는 도 7에 나타낸 바와 같은 유지체(18)와 별체가 아니고, 도 7의 유지체(18)와 밸브 시트체(16)가 일체가 된 것 같은 구성이다. 따라서, 도 8의 밸브 시트체(16)는 중앙 구멍(22) 및 주위 구멍(23)을 구비한다. 또한, 밸브 시트체(16)의 둘레 가장자리부가 제 2 수용부(21) 및 다이어프램(10)에 접촉하고, 보디(8)에 고정된다. 또한, 밸브 시트체(16)의 중앙 구멍(22)의 둘레 가장자리부가 제 1 수용부(17)에 적재된다. 이 예에서는, 밸브 시트체(16)의 재질은 니켈을 베이스로 하는 재질이며, 바람직하게는, 보디(8)의 재질은 스테인리스강이다.
도 3, 도 7, 및 도 8에 나타내는 구성에 있어서, 밸브 시트체(16)는 모재를 스테인리스로 하고, 그 모재에 니켈 도금을 실시할 수도 있다. 상기 모재는 구리, 철, 또는 다른 니켈 이외의 금속으로 할 수도 있다.
도 9에 나타내는 실시형태는 밸브 시트(9)가 보디(8)의 일부이다. 따라서, 보디(8)의 재질이 니켈을 베이스로 하는 재질이다. 도 9에 나타내는 구성에 있어서도, 보디(8)는 모재를 스테인리스로 하고, 그 모재에 니켈 도금을 실시한 것으로 할 수 있다. 상기 모재는 구리, 철, 또는 다른 니켈 이외의 금속으로 할 수도 있다.
상기 구성을 구비하는 제어기(3)는 고온하에서 산소나 수분을 포함하는 유체를 제어할 경우여도, 스테인리스제의 밸브 시트에 비해서 합성수지 피막(27)의 분해 시작 온도가 높다. 그 때문에, 기화 공급 장치와 같이 고온 유체를 다루는 제어기에 있어서, 보다 고온의 유체를 제어할 수 있다.
특히 반도체 제조 라인의 기화 공급 장치는 TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 등의 액체 원료를 기화시켜서, 기화된 원료 가스를 프로세스 챔버(4)에 공급한다. 본래는 산소나 수증기를 포함하지 않는 원료 가스를 기화 공급 장치로부터 프로세스 챔버에 공급하는 경우여도, 제어기를 통과하는 가스에 산소나 수분이 포함될 우려가 있다. 예를 들면, 기화 공급 장치와 프로세스 챔버를 접속하는 가스 공급 라인의 도중에, 산소 공급 라인이 접속되는 경우가 있다. 그러한 경우에, 산소가 상기 가스 공급 라인을 역류해서 기화 공급 장치에 도달할 우려가 있다. 또한, 기화 공급 장치에 액체 원료를 공급하는 원료액 공급 라인에 수분이 혼입될 우려도 있다. 산소나 수증기의 PFA 수지에 대한 산화 분해 반응 촉진 작용에 의해 다이어프램의 합성수지 피막의 분해 시작 온도가 저하된다. 그러한 상황이어도, 본 발명은 상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 스테인리스제의 밸브 시트보다, 상기 합성수지 피막의 분해 시작 온도가 높다. 그 때문에, 보다 고온의 유체를 공급하는 것이 가능해진다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정 해석되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종의 변경이 가능하다.
1 기화 공급 장치
2 기화기
3 제어기
6 유입로
7 유출로
8 보디
9 밸브 시트
10 다이어프램
11 액추에이터
16 밸브 시트체
18 유지체
27 합성수지 피막
2 기화기
3 제어기
6 유입로
7 유출로
8 보디
9 밸브 시트
10 다이어프램
11 액추에이터
16 밸브 시트체
18 유지체
27 합성수지 피막
Claims (11)
- 유입로 및 유출로를 구비하는 보디와,
상기 유입로와 상기 유출로의 사이에 설치된 밸브 시트와,
상기 밸브 시트에 접촉 이격 가능한 다이어프램과,
상기 다이어프램을 상기 밸브 시트에 접촉 이격시키는 액추에이터를 구비하고,
상기 밸브 시트의 재질은 니켈을 베이스로 하며,
상기 다이어프램은 상기 밸브 시트에 접촉하는 측의 면에 합성수지 피막을 구비하는 제어기. - 제 1 항에 있어서,
상기 밸브 시트의 재질은 니켈 및 니켈 합금을 포함하는 제어기. - 제 1 항에 있어서,
상기 밸브 시트는 상기 보디의 일부인 제어기. - 제 1 항에 있어서,
상기 보디에 장착되는 밸브 시트체를 추가로 구비하고, 상기 밸브 시트는 상기 밸브 시트체의 일부이며, 상기 보디의 재질은 스테인리스강인 제어기. - 제 4 항에 있어서,
상기 밸브 시트체를 상기 보디에 유지하는 유지체를 추가로 구비하고, 상기 유지체 및 상기 보디의 재질은 스테인리스강인 제어기. - 제 1 항에 있어서,
상기 밸브 시트는 니켈 이외의 모재에 니켈 도금되어 있는 제어기. - 제 1 항에 있어서,
상기 합성수지 피막은 불소 수지 피막인 제어기. - 제 1 항에 있어서,
상기 밸브 시트의 재질은 스테인리스강보다 상기 합성수지 피막의 분해 시작 온도가 높은 재질인 제어기. - 제 1 항에 있어서,
산소 원자를 포함하는 유체가 상기 합성수지 피막에 접하는 상태로 상기 다이어프램이 구동되는 제어기. - 제 9 항에 있어서,
상기 산소 원자를 포함하는 유체는 산소 및 수증기를 포함하는 제어기. - 원료를 가열해서 기화시키는 기화기와,
상기 기화기에 의해 기화된 기체의 흐름을 제어하는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 제어기를 구비하는 기화 공급 장치.
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