KR20230163870A - Ptc히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치에 관한 것이다. 이는, 설정된 온도의 열을 출력하는 PTC히터와; 상기 PTC히터를 수용하며, 외부로부터 공급된 질소가스를 통과시켜 질소가스가 PTC히터에 의해 가열되게 하는 내통과; 내통을 통과하며 가열된 질소가스를 외부로 배출하는 가스배출관과; 상기 내통을 수용 지지하고 내통과의 사이에 단열공간을 제공하는 외통을 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치는, 질소가스의 가열원으로서, 세팅온도까지만 승온하는 PTC히터를 사용하므로 별도의 제어가 없음에도 과열을 방지할 수 있어 화재의 위험이 없고 안전한 사용이 가능하다. 또한, 다층 구조의 단열공간을 가져 단열성이 뛰어나고, PTC히터를 통과하는 질소가스의 체류시간이 길게 유지되므로, 열효율이 좋고 전력소비가 작다.

Description

PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치{Nitrogen gas heating device using PTC heater as heat source}

본 발명은 반도체 장비에 사용되는 질소가스 히팅장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 질소가스의 가열원으로서 PTC히터를 사용하므로, 온도제어가 용이하고 승온 효율이 양호하며 전력소모가 작은, PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치에 관한 것이다.

반도체 제조공정은 전(前)공정과 후(後)공정으로 구분할 수 있다. 전공정은 프로세스 챔버내에서 웨이퍼상에 박막을 증착하고, 증착된 박막을 식각하여 설계된 패턴을 얻는 가공이다. 또한, 후공정은, 전공정에서 만들어진 반도체 칩을 낱개로 분리한 후, 리드프레임과 결합하여 완제품화 하는 과정을 포함한다.

이러한 반도체 제조 공정에는 다양한 종류의 반응가스나 공정가스가 사용된다. 이를테면, 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 공정이나, 증착된 박막을 식각하는 공정에, 실란, 아르신, 염화붕소 등과 같은 가스가 사용되는 것이다.

상기한 제조 공정에 사용된 가스는, 해당 공정이 완료된 후 반응부산물과 함께 배기 라인을 통해 배출된 후 정화처리 과정을 거친다. 가령, 화학기상증착 설비의 경우, 증착공정 후 프로세스 챔버로부터 배기되는 가스는, 배기라인을 통과해 스크루버로 이동한 다음, 정화 처리된 후 배출되는 것이다.

그런데, 배기가스가 배기라인을 통과하는 동안, 배기라인의 내부에 미세한 분진 형태의 파우더가 생성되는 경우가 있다. 파우더가 배기라인의 내벽에 적층되면, 유동단면적이 좁아지므로 배기가스의 배출이 원활치 않게 되고, 진공펌프의 고장을 유발하며, 심할 경우에는 공정의 불량을 야기하기도 한다. 이와 같은 배기라인의 좁아짐 현상은, 배기라인을 통과하는 가스의 온도가 낮을수록 심해진다. 가스의 온도가 충분히 높게 유지된다면 좁아짐 현상의 발생이 줄어드는 것이다.

이에 따라, 진공펌프와 스크루버의 사이에, 고온 고압의 질소가스를 공급하여 배기가스의 온도저하를 방지하는 기술이 제안된 바 있다.

가령, 국내 등록실용신안공보 제20-273939호에는, 배기라인과 밸브 및 진공펌프내에 뜨거운 질소가스를 계속적으로 투입하여 파우더의 생성을 방지하고, 벽면에 부착된 점착성 고형물을 기화시켜 제거하는 핫 질소공급장치가 개시되어 있다. 그런데, 상기한 핫 질소공급장치는 온도제어가 용이하지 않아 질소가스의 과열을 유발할 수 있으며 열효율이 좋지 않다.

국내 등록실용신안공보 제20-0273939호 (반도체 및 엘씨디 생산 설비용 핫 질소공급장치)

본 발명은, 별도의 제어가 없음에도 과열을 방지할 수 있어 화재의 위험이 없고 안전한 사용이 가능하며, 단열성이 뛰어나 전력소비가 작은, PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로서의 본 발명의 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치는, 설정된 온도의 열을 출력하는 PTC히터와; 상기 PTC히터를 수용하며, 외부로부터 공급된 질소가스를 통과시켜 질소가스가 PTC히터에 의해 가열되게 하는 내통과; 내통을 통과하며 가열된 질소가스를 외부로 배출하는 가스배출관과; 상기 내통을 수용 지지하고 내통과의 사이에 단열공간을 제공하는 외통을 포함한다.

또한, 상기 내통에는 질소가스가 통과하는 유도구멍이 형성되며, 상기 질소가스는 외통의 내부로 주입된 후 유도구멍을 통해 내통으로 유입하여 PTC히터에 의해 가열된 후 배출된다.

또한, 상기 외통의 내부에, 상기 단열공간을 구획함과 동시에 외통으로 주입된 질소가스를 유도구멍으로 가이드 하는 격판이 구비된다.

아울러, 상기 외통을 감싸 단열하는 내부자켓과, 내부자켓을 커버하며 단열하는 외부자켓이 더 구비된다.

그리고, 상기 내통의 내부에, 내통을 통과하는 질소가스의 통과시간을 연장하여, 질소가스와 PTC히터와의 열교환 시간을 늘리는 열교환촉진부가 더 설치된다.

또한, 상기 열교환촉진부는, PTC히터를 감싸는 스프링 형태의 나선구조체이다.

또한, 상기 열교환촉진부는, PTC히터의 외측면에 접하며 PTC히터의 열을 질소가스로 방출하는 다수의 히트싱크를 포함한다.

또한, 상기 PTC히터는; 일정직경을 가지며 길이방향으로 연장된 케이싱과, 상호 결합된 상태로 케이싱에 내장되는 다수의 전열홀더와, 전열홀더 내부에 고정되고 외부로부터 인가된 전력에 의해 열을 출력하는 PTC발열체를 구비한다.

또한, 상기 전열홀더는; 두 개가 하나의 쌍을 이루며 케이싱의 내주면에 밀착하고, PTC발열체의 열을 케이싱으로 전달하는 전도성 금속부재이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치는, 질소가스의 가열원으로서, 세팅온도까지만 승온하는 PTC히터를 사용하므로 별도의 제어가 없음에도 과열을 방지할 수 있어 화재의 위험이 없고 안전한 사용이 가능하다.

또한, 단열성이 뛰어나고, PTC히터를 통과하는 질소가스의 체류시간이 길게 유지되므로, 열효율이 좋고 전력소비가 작아 유지관리가 용이하고 열 생산원가를 절감시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치의 외부 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 히팅장치의 내부 구성을 나타내 보인 측단면도이다.
도 4는 도 3의 히터본체를 별도로 도시한 절제 사시도이다.
도 5는 도 4의 히터본체의 측면도이다.
도 6은 도 5의 A-A선 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치의 변형 예를 도시한 측단면도이다.
도 8은 도 7의 B-B선 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치의 외부 모습을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시한 히팅장치의 내부 구성을 나타내 보인 측단면도이다. 또한, 도 4는 도 3의 히터본체를 별도로 도시한 절제 사시도이며, 도 5는 도 4의 히터본체의 측면도이고, 도 6은 도 5의 A-A선 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치(10)는, PTC히터(20), 내통(45), 외통(47), 전방지지체(33), 후방지지체(34), 내부자켓(15), 외부자켓(13), 가스주입관(41), 가스배출관(43)을 포함한다.

PTC히터(20)는, 외부로부터 인가된 전력에 의해 설정된 온도의 열을 출력하는 발열체로서 전방지지체(33)에 지지되며 수평을 유지한다.

설명의 편의 상, 본 설명에서, '전방'은, 가스주입관(41)이 위치한 방향을, '후방'은, 가스배출관(43)이 위치한 방향을 의미한다.

PTC히터(20)는, 히터본체(25)와 케이블시스(21)를 갖는다. 케이블시스(21)는 그 내부에 전력케이블(26b)을 수용하는 보호용 케이스이다. 케이블시스(21)의 단부에는 커넥터(23)가 구비된다. 커넥터(23)는 외부의 전력공급부가 결합하는 부분이다. 전력공급부의 전력이 커넥터(23)를 통해 전력케이블(26b)로 인가되는 것이다.

히터본체(25)는 대략 실린더의 외부 형상을 취하고, 전방지지체(33)의 히터설치구멍(33a)에 끼워져 수평을 유지한다. 히터본체(25)는, 케이싱(25a), 한 쌍의 전열홀더(25c), 두 개의 PTC발열체(26)를 갖는다.

케이싱(25a)은 일정직경을 가지며 길이방향으로 직선 연장된 중공형 부재로서, 내통(45)을 통과하는 질소가스와 접한다. 케이싱(25a)과 질소가스와의 접촉면적을 확대하기 위하여 케이싱(25a) 외주면에 다양한 패턴의 요철구조를 추가할 수도 있다. 케이싱(25a)은 알루미늄이나 구리 또는 스테인리스스틸로 제작 가능하다.

전열홀더(25c)는 상호 밀착 결합한 상태로 케이싱(25a)에 내장되는 열전달용 부재이다. 전열홀더(25c)는 두 개가 하나의 쌍을 이룬다. 두 개의 전열홀더(25c)를 밀착시킨 상태로 케이싱(25a)에 삽입하면, 전열홀더(25c)의 외주면과 케이싱(25a)의 내주면이 면접한다.

또한, 각 전열홀더(25c)의 내향면에는 홀딩홈(25e)이 마련되어 있다. 홀딩홈(25e)은 PTC발열체(26)의 발열부재(26a)를 수용하는 홈이다. 발열부재(26a)를 수용할 수 있는 한 홀딩홈의 모양은 얼마든지 변경 가능하다. 전열홀더(25c)는 PTC발열체(26)의 열을 케이싱(25a)으로 전달하는 것으로서, 알루미늄이나 구리로 제작 가능하다.

PTC발열체(26)는 발열부재(26a)와 전력케이블(26b)을 포함한다. 발열부재(26a)는 전력케이블(26b)을 통해 공급된 전력에 의해 열을 발생하여 전열홀더(25c)를 가열한다. 발열부재(26a)는 일정두께를 갖는 직사각판의 형상을 취하고, 홀딩홈(25e) 내에 끼워져 전열홀더(25c)에 면접한다. 발열부재(26a)는 일반적인 PTC히터와 마찬가지로, 세팅온도까지만 가열되어 별도의 제어가 불필요하다. 발열부재(26a)의 온도는 185℃ 내외로 세팅할 수 있다.

상기 전방지지체(33) 및 후방지지체(34)는 지면상에 수직으로 세워진 구조체로서, 상호 평행하게 이격된 상태로 그 사이에 내통(45)과 외통(47)을 갖는다.

전방지지체(33)에는 히터설치구멍(33a)과 주입관설치구멍(33b)이 형성되어 있다. 히터설치구멍(33a)은 히터본체(25)가 설치되는 구멍이다. 히터설치구멍(33a)에 히터본체(25)를 삽입한 상태에서, 전방지지체(33)에 히터본체(25)를 결합시킨다. 또한 주입관설치구멍(33b)은 가스주입관(41)이 끼워지는 통로이다. 가스주입관(41)의 일단부를 주입관설치구멍(33b)에 삽입한 후 용접이나 볼팅 방식으로 고정한다.

가스주입관(41)은 외부로부터 공급된 질소가스를 유도하여, 내통(45)과 외통의 사이로 주입하는 파이프이다.

후방지지체(34)는 전방지지체(33)에 대응하는 구조체로서 내향면에 리시빙홈(34a)을 갖는다. 리시빙홈(34a)은 내통(45)을 통과한 질소가스를 받아들여 가스배출관(43)으로 유도하는 홈이다. 리시빙홈(34a)의 내부 영역에는 배출관설치구멍(34c)이 마련되어 있다. 배출관설치구멍(34c)은 가스배출관(43)이 장착되는 구멍이다.

가스배출관(43)은 가열된 상태의 질소가스를 필요처로 공급하는 파이프이다. 이를테면, 도시하지 않은 진공펌프와 스크루버의 사이에 질소가스를 보내어, 반도체 제조공정에서 발생하는 폐가스의 분진화를 방지하는 것이다. 가스배출관(43)의 내경은 가스주입관(41)의 내경과 같다.

한편, 내통(45)은, PTC히터(20)의 히터본체(25)를 부분적으로 수용하는 원통형 부재이다. 내통(45)의 일단부는 전방지지체(33)에, 타단부는 후방지지체(34)에 고정된다. 상기한 리시빙홈(34a)은 내통(45)의 내부 영역에 포함된다. 아울러 내통(45)의 중심축선과 히터본체(25)의 중심축선은 일치한다. 그리고 히터본체(25)의 단부는 후방지지체(34)로부터 이격되어 있다.

또한 내통(45)에는 다수의 유도구멍(45a)이 형성되어 있다. 유도구멍(45a)은 내통(45)의 원주방향을 따라 등간격으로 이격되는 구멍으로서, 가스주입관(41)을 통과한 질소가스를 내통(45)의 내부로 유도한다. 유도구멍(45a)은 전방지지체(33) 측으로 최대한 근접 배치된다.

내통(45)의 내측에는 열교환촉진부로서의 나선구조체(31)가 설치된다. 나선구조체(31)는 코일스프링의 형상을 취하며, 히터본체(25)를 감싼다. 나선구조체(31)는, 내통(45)을 통과하는 질소가스의 통과시간을 연장하여, 질소가스와 PTC히터와의 열교환 시간을 늘리는 역할을 한다.

유도구멍(45a)을 통해 내통(45)의 내부로 유입한 질소가스는, 가스배출관(43)을 향해 이동하면서 나선구조체(31)와 부딪힌다. 질소가스가 나선구조체(31)와 부딪히며 복잡하게 혼합되므로, 질소가스의 내통(45) 내부에서의 체류시간이 길어지고 히터본체(25)로부터 보다 많은 열을 전달받을 수 있다.

외통(47)은, 내통(45)을 수용 지지하고 내통과의 사이에 밀폐단열공간(47a)을 제공한다. 외통(47)은 일정직경을 갖는 원통형 부재로서, 일단부는 전방지지체(33)에 고정되고 타단부는 후방지지체(34)에 고정된다. 외통(47)의 중심축선과 내통(45)의 중심축선은 평행하기는 하지만 일치하지는 않는다. 주입관설치구멍(33b)은 외통(47)의 내부 영역에 포함된다. 즉, 내통(45)의 외부 및 외통(47)의 내부에 위치한다.

밀폐단열공간(47a)은 내통(45) 내부의 열이 외부로 빠지는 것을 최대한 억제한다. 경우에 따라 밀폐단열공간(47a)의 내부에 단열재를 채워 넣을 수도 있다.

외통(47)의 내부에는 격판(49)이 장착된다. 격판(49)은 단열공간(47a)을 구획하여, 가스주입관(41)을 통해 주입된 질소가스를 유도구멍(45a)으로 유도하는 격판이다. 외통(47)의 내부로 유입한 질소가스는 격판(49)에 부딪힌 후 유도구멍(45a)을 통해 내통(45)으로 유입한다.

한편, 상기 외통(47)은 내부자켓(15)에 의해 커버된다. 내부자켓(15)은 외통(47)을 감싸며 외통(47)의 열이 발산하지 않도록 차단하는 단열재용 부재이다. 그리고 내부자켓(15)의 외측에는 외부자켓(13)이 더 장착된다. 외부자켓(13)은, 내부자켓(15)을 감싸 단열을 수행한다. 이와 같이, 내통(45)이, 밀폐단열공간(47a), 내부자켓(15), 외부자켓(13)으로 겹겹이 쌓여 있는 구조를 가져 PTC히터의 열손실은 거의 없다.

도면부호 11은 하우징이다. 하우징(11)은 외부자켓(13)을 수용 보호하는 케이스의 역할을 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치(10)의 변형 예를 도시한 측단면도이고, 도 8은 도 7의 B-B선 단면도이다.

이하, 상기한 도면부호는 동일한 기능의 동일한 부재를 가리킨다.

도면을 참조하면, 히터본체(25)의 케이싱(25a) 외주면에 다수의 히트싱크(27)가 장착되어 있음을 알 수 있다. 히트싱크(27)는 두 가지 역할을 한다. 하나는, 히터본체(25)의 열을 질소가스에 보다 신속하게 전달하는 것이다. 히트싱크(27)의 모양이나 설치 위치는 달라질 수 있다.

히트싱크(27)가 갖는 또 하나의 역할은, 내통(35)을 통과하는 질소가스의 흐름을 방해하여, 내통 내부의 질소가스의 체류시간을 연장하는 열교환촉진부의 역할이다. 체류시간을 연장하는 이유는, 위에 설명한 바와 같이 질소가스와 PTC히터와의 열교환 시간을 늘리기 위해서이다.

아울러 상기 히트싱크(27)는 히트파이프(29)로 연결된다. 히트파이프(29)는 열을 이동시키는 막대형 부재로서, 모든 히트싱크(27)의 온도를 균일하게 유지시킨다. 히트파이프(29)에 의해 히트싱크(27)의 온도는 편중됨 없이 일정하게 유지된다.

결국, 상기한 바와 같이 구성되는 본 실시예의 질소가스 히팅장치(10)는, PTC히터(20)를 일정 온도로 설정한 상태에서, 질소가스를 내통(45) 내부로 통과시켜 질소가스가 PTC히터(20)에 의해 가열되게 하는 것으로서, PTC히터를 사용하는 이상 별도의 제어가 없음에도 과열을 방지할 수 있다.

또한, 제1,2,3단열공간을 가지므로 그만큼 단열성이 뛰어나고, PTC히터를 통과하는 질소가스의 체류시간이 길게 유지되어 열효율이 좋다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10:히팅장치 11:하우징 13:외부자켓
15:내부자켓 20:PTC히터 21:케이블시스
23:커넥터 25:히터본체 25a:케이싱
25c:전열홀더 25e:홀딩홈 26:PTC발열체
26a:발열부재 26b:전력케이블 27:히트싱크
29:히트파이프 31:나선구조체 33:전방지지체
33a:히터설치구멍 33b:주입관설치구멍 34:후방지지체
34a:리시빙홈 34c:배출관설치구멍 41:가스주입관
43:가스배출관 45:내통 45a:유도구멍
47:외통 47a:밀폐단열공간 49:격판

Claims (9)

1. 설정된 온도의 열을 출력하는 PTC히터와;
   상기 PTC히터를 수용하며, 외부로부터 공급된 질소가스를 통과시켜 질소가스가 PTC히터에 의해 가열되게 하는 내통과;
   내통을 통과하며 가열된 질소가스를 외부로 배출하는 가스배출관과;
   상기 내통을 수용 지지하고 내통과의 사이에 단열공간을 제공하는 외통을 포함하는,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내통에는 질소가스가 통과하는 유도구멍이 형성되며,
   상기 질소가스는 외통의 내부로 주입된 후 유도구멍을 통해 내통으로 유입하여 PTC히터에 의해 가열된 후 배출되는,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 외통의 내부에,
   상기 단열공간을 구획함과 동시에 외통으로 주입된 질소가스를 유도구멍으로 가이드 하는 격판이 구비된,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 외통을 감싸 단열하는 내부자켓과, 내부자켓을 커버하며 단열하는 외부자켓이 더 구비된,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 내통의 내부에,
   내통을 통과하는 질소가스의 통과시간을 연장하여, 질소가스와 PTC히터와의 열교환 시간을 늘리는 열교환촉진부가 더 설치된,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 열교환촉진부는, PTC히터를 감싸는 스프링 형태의 나선구조체인,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 열교환촉진부는,
   PTC히터의 외측면에 접하며 PTC히터의 열을 질소가스로 방출하는 다수의 히트싱크를 포함하는,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 PTC히터는;
   일정직경을 가지며 길이방향으로 연장된 케이싱과,
   상호 결합된 상태로 케이싱에 내장되는 다수의 전열홀더와,
   전열홀더 내부에 고정되고 외부로부터 인가된 전력에 의해 열을 출력하는 PTC발열체를 구비하는,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전열홀더는;
   두 개가 하나의 쌍을 이루며 케이싱의 내주면에 밀착하고, PTC발열체의 열을 케이싱으로 전달하는 전도성 금속부재인,
   PTC히터를 열원으로 하는 질소가스 히팅장치.

Images