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KR20220008420A - 가스 공급 장치 - Google Patents

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KR20220008420A
KR20220008420A KR1020200086129A KR20200086129A KR20220008420A KR 20220008420 A KR20220008420 A KR 20220008420A KR 1020200086129 A KR1020200086129 A KR 1020200086129A KR 20200086129 A KR20200086129 A KR 20200086129A KR 20220008420 A KR20220008420 A KR 20220008420A
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KR
South Korea
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gas supply
hydrogen
supply unit
hydrogen gas
case
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020200086129A
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English (en)
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이상진
김영권
박운기
이종현
정의용
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US17/208,331 priority patent/US12030775B2/en
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가스 공급 장치는 이온 챔버 및 상기 이온 챔버에 연결되는 가스 공급부를 포함하며, 상기 가스 공급부는 내부 공간을 가지는 케이스와, 상기 케이스 내부에 설치되어 상기 이온 챔버에 연결되는 비활성 가스 공급 유닛 및 상기 케이스 내부 또는 상기 케이스의 외부에 설치되는 수소 가스 공급 유닛을 포함하며, 상기 수소 가스 공급 유닛은 수소 가스 발생기와, 상기 수소 가스 발생기에 연결되는 조절기와 상기 조절기에 연결되어 유동하는 수소 가스로부터 수분을 제거하는 제습필터 및 상기 제습필터에 연결되며 유동하는 수소 가스로부터 불순물을 제거하는 청정필터를 포함하며, 상기 수소 가스 발생기는 수소를 함유하는 고체 원료와 반응물의 화학 반응을 통해 수소를 발생시킨다.

Description

가스 공급 장치{Apparatus for suppling gas}
본 발명은 가스 공급 장치에 관한 것이다.
반도체 이온 임플란트 공정 설비는 도핑(Doping) 하려는 원소를 이온화시켜 전자총을 이용하여 웨이퍼(Wafer)에 고속으로 이온을 주입하는 설비이다. 그리고, 반도체 이온 임플란트 공정 설치에는 이온 챔버(Ion Chamber)가 구비되며 이온 챔버에는 수소가스 등의 가스가 공급된다.
그런데, 고압의 용기(bottle)에 가스를 충전하여 공급하는 종래의 방식은 용기 내 가스가 기준 공급압을 충족하지 못하고 현저히 낮을 경우 새로운 용기로 주기적인 교체작업을 통해 일정한 가스 공급을 유지하도록 한다.
하지만, 수소 용기의 취급 위험성, 고비용, 잦은 교체 주기로 인한 문제가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 고압 기체 상태로 보관하지 않고 안정된 고체 수소 화합물로부터 수소(H2)를 발생시킨 후 유량조절장치를 통해 이온 챔버로 공급할 수 있는 가스 공급 장치를 제공하는 것이다.
또한, 폭발 위험성이 적어 부가적인 안전 장치 없이 사용이 가능하며, 취급 용이성으로 인해 비용이 절감될 수 있으며, 나아가 높은 수소 저장밀도로 인해 장시간 사용이 가능한 가스 공급 장치를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치는 이온 챔버 및 상기 이온 챔버에 연결되는 가스 공급부를 포함하며, 상기 가스 공급부는 내부 공간을 가지는 케이스와, 상기 케이스 내부에 설치되어 상기 이온 챔버에 연결되는 비활성 가스 공급 유닛 및 상기 케이스 내부 또는 상기 케이스의 외부에 설치되는 수소 가스 공급 유닛을 포함하며, 상기 수소 가스 공급 유닛은 수소 가스 발생기와, 상기 수소 가스 발생기에 연결되는 조절기와 상기 조절기에 연결되어 유동하는 수소 가스로부터 수분을 제거하는 제습필터 및 상기 제습필터에 연결되며 유동하는 수소 가스로부터 불순물을 제거하는 청정필터를 포함하며, 상기 수소 가스 발생기는 수소를 함유하는 고체 원료와 반응물의 화학 반응을 통해 수소를 발생시킨다.
고압 기체 상태로 보관하지 않고 안정된 고체 수소 화합물로부터 수소(H2)를 발생시킨 후 유량조절장치를 통해 이온 챔버로 공급할 수 있는 가스 공급 장치를 제공할 수 있다.
또한, 폭발 위험성이 적어 부가적인 안전 장치 없이 사용이 가능하며, 취급 용이성으로 인해 비용이 절감될 수 있으며, 나아가 높은 수소 저장밀도로 인해 장시간 사용이 가능한 가스 공급 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치의 수소 가스 공급 유닛을 나타내는 구성도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치의 수소 가스 공급 유닛에 구비되는 수소 발생기를 나타내는 구성도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치의 수소 가스 공급 유닛에 구비되는 조절기를 나타내는 구성도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치를 나타내는 구성도이다.
도 6은 예시적은 실시예에 따른 가스 공급 장치의 수소 가스 발생 유닛의 변형 실시예를 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치(100)는 이온 챔버(110) 및 가스 공급부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
이온 챔버(110)는 가스 공급부(120)에 연결된다. 그리고, 이온 챔버(110)는 가스의 공급 경로 상 가스 공급부(120)의 후단에 배치되며, 가스 공급부(120)로부터 공급되는 가스가 혼합되어 후단으로 공급될 수 있도록 내부 공간을 가진다.
일예로서, 이온 챔버(110)의 후단에는 가스의 유동을 위한 메인 펌프(112)가 설치될 수 있다.
또한, 이온 챔버(110)는 가스 공급부(120)와 커넥터(114)를 통해 연결될 수 있다. 커넥터(114)에는 적어도 하나 이상의 배관이 연결될 수 있다.
가스 공급부(120)는 이온 챔버(110)의 후단에 배치되어 이온 챔버(110)에 연결될 수 있다. 일예로서, 가스 공급부(120)는 케이스(130), 비활성 가스 공급 유닛(140) 및 수소 가스 공급 유닛(150)을 포함하여 구성될 수 있다.
케이스(130)는 내부 공간을 가지며, 케이스(130)의 내에 비활성 가스 공급 유닛(140) 및 수소 가스 공급 유닛(150)이 설치될 수 있다. 일예로서, 케이스(130)는 전기적으로 절연되도록 지면에 접지될 수 있다. 그리고, 케이스(130)는 상기한 커넥터(114)를 통해 이온 챔버(110)에 연결될 수 있다.
그리고, 케이스(130)에는 비활성 가스 공급 유닛(150)에 연결되는 비활성 가스 공급관(131)과, 수소 가스 공급 유닛(150)에 연결되는 수소 가스 공급관(133)이 구비될 수 있다. 또한, 수소 가스 공급관(133)에는 제1 바이패스 유로(134)가 연결되며, 비활성 가스 공급관(131)에는 제2 바이패스 유로(132)가 연결될 수 있다.
한편, 수소 가스 공급관(133)에는 수소 가스의 원활한 유동을 위한 수소 가스용 펌프(133a)가 설치되며 비활성 가스 공급관(131)에는 비활성 가스의 원활한 유동을 위한 비활성 가스용 펌프(131a)가 설치될 수 있다.
그리고, 수소 가스 공급관(133)에는 적어도 하나의 제1 밸브(101a)가 설치되고, 비활성 가스 공급관(131)에는 적어도 하나의 제2 밸브(102a)가 설치된다. 나아가, 제1 바애패스 유로(134)에는 제3 밸브(103a)가 설치되며 제2 바이패스 유로(132)에는 제4 밸브(104a)가 설치된다.
비활성 가스 공급 유닛(140)은 케이스(130) 내부에 설치되어 이온 챔버(110)에 연결된다. 일예로서, 비활성 가스 공급 유닛(140)은 비활성 가스가 공급되는 가스 공급원(141) 및 가스 공급원으로부터 공급되는 비활성 가스가 임시 저장되는 저장소(142)를 포함한다. 한편, 가스 공급원(141)은 제1 연결배관(143)을 통해 수소 가스 공급관(133) 및 비활성 가스 공급관(131)에 연결될 수 있다. 그리고, 제1 연결배관(143)에는 비활성 가스의 공급 및 차단을 위한 제4 밸브(105a,105b,105c)가 설치될 수 있다.
수소 가스 공급 유닛(150)은 케이스(130)의 내부에 설치될 수 있다. 한편, 수소 가스 공급 유닛(150)은 이온 챔버(110)에 수소 가스 공급관(133)을 통해 연결될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 수소 가스 공급 유닛(150)은 일예로서, 수소 발생기(151), 조절기(152), 제습필터(153), 청정필터(154) 및 수소 가스용 커넥터(155)를 포함한다.
수소 가스 발생기(151)는 수소를 함유하는 고체 원료와 반응물의 화학 반응을 퉁해 수소를 발생시킨다. 일예로서, 수소 가스 발생기(151)는 도 3에 도시된 바와 같이, 반응조(161), 수용조(162) 및 반응물용 펌프(163)를 구비할 수 있다.
반응조(161)의 내부에는 수소를 함유하는 고체 원료, 예를 들어 NaBH4, LiBH4, LiH 등이 수용된다. 그리고, 반응조(161)에는 고체 원료와 반응물이 일정한 온도로 반응되도록 열선(161a)이 설치될 수 있으며, 반응조(161) 내부의 압력을 측정하기 위한 압력계(161b)가 설치될 수 있다.
수용조(162)는 반응조(161)에 연결되며 고체 원료와 반응하는 반응물, 예를 들어 액체 상태의 H2O 외 발생속도 향상을 위한 NaOH, NaHCO3, 귀금속 촉매제 및 전이금속 촉매제 등이 수용된다.
반응물용 펌프(163)는 반응조(161)와 수용조(162)를 연결하는 반응물 공급관(164)에 설치되어 액체 상태의 반응물을 반응조(161)로 공급하는 역할을 수행한다.
한편, 반응조(161)에서 고체 원료와 반응물의 화학반응에 의해 발생된 수소 가스는 수소 가스 발생기(151)의 후단에 배치되는 조절기(152)로 공급된다.
그리고, 여기서는 고체 원료와 반응물이 NaBH4와 NaHCO3인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기한 바와 같이, 고체 원료는 NaBH4, LiBH4, LiH 등의 고체 화합물도 사용 가능하며, 반응물은 NaHCO3뿐만 아니라, H2O 외 발생속도 향상을 위한 NaOH, 귀금속 촉매제 및 전이금속 촉매제도 사용 가능할 것이다.
한편, 수소 가스 발생기(151) 내 화학 반응은 H2O 사용 시 아래와 같다.
NaBH4와 + 2H2O + 촉매제(catalyst) -> 4H2 + NaBO2
나아가, 본 실시예에서는 반응조(161) 내에 수소를 함유하는 고체 원료가 수용되는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 고체 원료는 별도의 저장조에 저장되어 반응조(161)로 공급될 수도 있다.
조절기(152)는 수소 발생기(151)의 후단에 배치된다. 한편, 조절기(152)는 수소 발생기(151)로 공급되는 수소 가스가 일정한 압력으로 후단에 공급되도록 하는 역할을 수행한다. 이를 위해 조절기(152)는 도 4에 도시된 바와 같이, 바디(171), 피스톤(172), 스프링(173), 스크류(174) 및 압력 조절 밸브(175)를 구비할 수 있다.
바디(171)는 수소 가스가 유입되는 유입구(171a)와 수소 가스가 유출되는 유출구(171b)를 구비하며, 내부 공간을 가진다. 그리고, 피스톤(172)은 바디(171)의 내부 공간에 승강 가능하게 설치된다. 한편, 스프링(173)은 일단이 피스톤(172)의 상면에 지지되고 타단이 지지판(176)에 지지된다. 그리고, 지지판(176)은 스크류(174)에 연결되어 스크류(174)에 의해 상하로 이동될 수 있다. 또한, 스크류(174)는 미세 압력 조절을 위해 바디(171)의 상면을 관통하도록 배치되며 지지판(176)에 연결된다. 이에 따라, 작업자가 스크류(174)는 회전시켜 스크류(174)를 승강시키는 경우 스프링(173)에 의해 피스톤(172)이 미세 이동될 수 있다. 한편, 압력 조절 밸브(175)는 유입구(171a)로 유입된 수소 가스가 유출구(171b)로 유출될 때의 압력을 조절하는 역할을 수행한다.
이와 같이, 조절기(152)를 통해 수소 발생기(151)로부터 공급되는 수소 가스가 일정한 압력으로 후단에 공급되도록 하는 것이다. 즉, 압력 조절 밸브(175)를 통해 조절기(152)로 유입되는 수소 가스의 압력을 조절하면서 스프링(173)의 복원력에 의해 조절기(152)로부터 배출되는 수소 가스의 압력을 조절하여 일정한 압력으로 수소 가스가 후단에 공급되도록 한다. 나아가, 스크류(174)를 통해 작업자가 압력을 미세하게 조절할 수 있으므로 보다 수소 가스의 압력을 보다 미세하게 조절할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제습필터(153)는 조절기(152)의 후단에 배치된다. 제습필터(153)는 제습필터(153)를 통과하는 수소 가스에 함유된 수분을 제거하는 역할을 수행한다. 그리고, 제습필터(153)의 후단에는 청정필터(154)가 배치된다. 청정필터(154)는 청정필터(154)를 통과하는 수소 가스에 함유된 불순물을 제거하는 역할을 수행한다. 이와 같이, 수소 발생기(151)로부터 발생된 수소 가스에 함유된 수분 및 불순물이 제거된 수소 가스가 이온 챔버(110)로 공급될 수 있다. 한편, 수소 가스용 커넥터(155)는 수소 가스 공급관(133)에 연결되어 수소 발생 유닛(150)으로부터 발생된 수소 가스가 수소 가스 공급관(133)으로 제공되도록 하는 역할을 수행한다.
상기한 바와 같이, 수소를 함유하는 고체 원료와 반응물의 화학반응을 통해 발생된 수소 가스를 이온 챔버(110)로 공급할 수 있다. 그리고, 고체 원료를 사용하여 수소 가스를 발생시킴으로써 폭발 위험성이 적어 부가적인 안전 장치 없이 사용이 가능할 수 있다. 그리고, 고체 원료를 사용하므로 취급 용이성으로 인해 비용이 절감될 수 있다. 나아가, 높은 수소 저장밀도로 인해 장시간 사용이 가능할 수 있다.
여기서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 가스 공급 장치의 초기 구동에 대하여 간략하게 살펴보기로 한다.
반도체 제조 공정의 특성 상 수소 가스 공급 초기부터 교체 전까지 동일한 순도의 가스 공급이 요구된다. 그러나, 고체 원료를 보관하고 있는 반응조(161, 도 3 참조) 내에는 초기에 에어가 채워져 있으므로 이를 제거하는 과정이 필요하다.
이를 위해, 먼저 수소 발생기(151)가 설치되며, 케이스(130) 내의 제4 밸브(105a)와, 제3 밸브(103a)를 개방(Open)한다. 이외 나머지 밸브들은 폐쇄(Close)한다.
이때, 비활성 가스의 유동은 메인 펌프(112)에 의해 수행되며, 비활성 가스의 유동 압력에 의하여 조절기(152)가 닫혀 수소 발생기(151)의 반응조(161)로 비활성 가스가 유입되지 못한다.
이후, 제4 밸브(105a)를 폐쇄(Close)하고 제3 밸브(103a)를 개방된 상태로 유지하면서 수소 가스용 펌프(133a)를 작동시킨다. 이에 따라, 수소 발생기(151)의 유출구(161b)는 진공 상태가 되면서 반응조(161) 내의 에어(Air)가 배출된다.
상기한 구동을 반복적으로 수행하면서 반응조(161) 내의 에어(Air)를 배출한 후 수소 발생기(151)를 구동시켜 수소를 발생시킨다. 이에 따라, 보다 순수한 수소 가스가 이온 챔버(110)로 공급될 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치를 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 가스 공급 장치(200)는 이온 챔버(110) 및 가스 공급부(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 이온 챔버(110)는 상기에서 설명한 구성요소와 실질적으로 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 가스 공급부(220)는 이온 챔버(110)의 후단에 배치되어 이온 챔버(110)에 연결될 수 있다. 일예로서, 가스 공급부(220)는 케이스(130), 비활성 가스 공급 유닛(140) 및 수소 가스 공급 유닛(250)을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 케이스(130) 및 비활성 가스 공급 유닛(140)은 상기에서 설명한 구성요소와 실질적으로 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
그리고, 수소 가스 공급 유닛(250)은 케이스(130)의 외부에 설치될 수 있다. 한편, 수소 가스 공급 유닛(150)은 이온 챔버(110)에 수소 가스 공급관(133)을 통해 연결될 수 있다. 이와 같이, 수소 가스 공급 유닛(250)은 케이스(130)의 외부에 설치되어 작업자에 의해 보다 용이하게 유지, 보수 작업이 수행되도록 할 수 있다.
도 6은 예시적은 실시예에 따른 가스 공급 장치의 수소 가스 발생 유닛의 변형 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 수소 가스 공급 유닛(350)은 수소 발생기(151) 및 조절기(152)를 구비할 수 있다.
한편, 수소 발생기(151) 및 조절기(152)는 상기에서 설명한 구성요소와 실질적으로 동일하므로 상기한 설명에 갈음하고 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이와 같이, 수소 가스 공급 유닛(350)에는 상기에서 설명한 제습필터(153), 청정필터(154)가 생략될 수 있다. 다만, 여기서는 제습필터(153)과 청정필터(154)가 모두 생략한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 제습필터(153)과 청정필터(154) 중 어느 하나가 생략되고 나머지 하나는 수소 가스 공급 유닛(350)에 구비될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100, 200 : 가스 공급 장치
110 : 이온 챔버
120, 220 : 가스 공급부
130 : 케이스
140 : 비활성 가스 공급 유닛
150, 250, 350 : 수소 가스 공급 유닛

Claims (10)

  1. 이온 챔버; 및
    상기 이온 챔버에 연결되는 가스 공급부;
    를 포함하며,
    상기 가스 공급부는
    내부 공간을 가지는 케이스;
    상기 케이스 내부에 설치되어 상기 이온 챔버에 연결되는 비활성 가스 공급 유닛; 및
    상기 케이스 내부 또는 상기 케이스의 외부에 설치되는 수소 가스 공급 유닛;
    을 포함하며,
    상기 수소 가스 공급 유닛은
    수소 가스 발생기;
    상기 수소 가스 발생기에 연결되는 조절기;
    상기 조절기에 연결되어 유동하는 수소 가스로부터 수분을 제거하는 제습필터; 및
    상기 제습필터에 연결되며 유동하는 수소 가스로부터 불순물을 제거하는 청정필터;
    를 포함하며,
    상기 수소 가스 발생기는 수소를 함유하는 고체 원료와 반응물의 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 가스 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 가스 발생기는 상기 고체 원료를 수용하는 반응조와, 상기 반응조에 연결되며 상기 반응물이 수용되는 수용조 및 상기 수용조와 상기 반응조를 연결하는 반응물 공급관에 설치되는 반응물용 펌프를 구비하는 가스 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응조에는 압력을 측정하기 위한 압력계가 설치되는 가스 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 가스 공급 유닛은 상기 케이스에 설치되는 수소 가스 공급 배관에 연결되는 수소 가스용 커넥터를 더 포함하는 가스 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조절기는
    수소 가스가 유출입되는 유입구와 유출구를 가지는 바디;
    상기 바디에 승강 가능하게 설치되는 피스톤;
    일단이 상기 피스톤의 상면에 지지되는 스프링; 및
    상기 스프링의 타단에 배치되는 지지판에 연결되는 스크류;
    를 포함하는 가스 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바디에 설치되며 상기 유입구로 유입되는 수소 가스의 압력을 조절하는 압력조절밸브를 더 포함하는 가스 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비활성 가스 공급유닛은
    비활성 가스가 공급되는 가스 공급원; 및
    상기 가스 공급원으로부터 공급되는 비활성 가스가 임시 저장되는 저장소;
    를 포함하는 가스 공급 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 케이스에는 상기 수소 공급 유닛에 연결되는 수소 공급관과, 상기 비활성 가스 공급유닛에 연결되는 비활성 가스 공급관이 구비되며,
    상기 수소 공급관에는 수소 가스용 펌프가 설치되며, 상기 비활성 가스 공급관에는 비활성 가스용 펌프가 설치되는 가스 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수소 공급관에는 제1 바이패스 유로가 연결되며, 상기 비활성 가스 공급관에는 제2 바이패스 유로가 연결되고,
    상기 수소 공급관, 상기 제1 바이패스 유로, 상기 비활성 가스 공급관 및 상기 제2 바이패스 유로에는 밸브가 설치되는 가스 공급 장치.
  10. 이온 챔버; 및
    상기 이온 챔버에 연결되는 가스 공급부;
    를 포함하며,
    상기 가스 공급부는 내부 공간을 가지는 케이스와, 상기 케이스 내부에 설치되어 상기 이온 챔버에 연결되는 비활성 가스 공급 유닛; 및
    상기 케이스 내부 또는 상기 케이스의 외부에 설치되며, 수소를 함유하는 고체 연료와 반응물의 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 수소 가스 발생기를 구비하는 수소 가스 공급 유닛;
    을 포함하는 가스 공급 장치.
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