KR20090014798A - Infrared ray spectroscopy analyzer for in-situ diagnostics of the process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공상태에서 반응부산물 또는 반응물에 빔을 입사하고 출사되는 출사빔을 측정함으로써 반응부산물 또는 반응물의 정량 및 정성분석을 할 수 있도록 하는 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기에 관한 것이다. The present invention relates to an infrared spectrometer capable of real-time process diagnostics, and more particularly, to quantitatively and qualitatively analyze a reaction byproduct or a reactant by measuring a beam emitted from the reaction by-product or reactant in a vacuum state. The present invention relates to an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis.
모든 원자나 분자는 공간에서 끊임없이 운동하고 있으며 이에 해당하는 에너지를 포함하게 된다. 원자나 분자의 운동에 관계된 이들 에너지는 양자화 되어 있기 때문에 항상 특정한 에너지 상태로만 존재할 수 있다. 어떤 특정한 에너지 상태에서 운동하고 있는 원자나 분자는 외부로부터 에너지를 흡수하여 보다 높은 에너지 상태로 들뜰 수가 있다. 에너지를 파동으로 나타내면 E=hv 가 된다. 여기서 h는 Plank 상수이고 v는 주파수를 의미한다. 따라서 보다 높은 에너지 상태로 들뜨기 위해서 필요한 에너지 ΔE=h(V2-V1)=h·Δv가 된다. h는 상수이므로 원자나 분자가 들뜨기 위해서 필요한 에너지는 주파수만의 함수가 되며, 원자나 분자가 어떤 에너지를 흡수했을 때 나타나는 스펙트럼은 주파수의 함수가 된다. 원자나 분자들이 갖 는 에너지 상태는 운동의 종류에 따라 달라지게 되며 그 결과, 흡수할 수 있는 에너지 크기도 달라진다. 그 중 적외선 영역의 에너지에 해당하는 분자의 운동에는 진동과 회전, 병진운동들이 있으며, 특히 적외선 분광법과 관계 있는 것은 진동과 회전운동에 의한 전이이다. 일반적으로 진동에 필요한 에너지는 회전에 필요한 에너지보다 큰 값을 갖는데 적외선 영역 중에서도 가장 보편적으로 사용되는 중적외선 영역에 해당하는 운동은 주로 진동운동이다. 따라서 적외선 분광법은 적외석 영역의 빛을 낼 수 있는 광원을 사용하여 분자의 진동-회전운동에 대한 정보를 얻어 분자의 구조를 확인하고 정량분석을 할 수 있는 기기분석법이라고 할 수 있다. Every atom or molecule is constantly moving in space and contains the corresponding energy. These energies, related to the motion of atoms or molecules, are quantized, so they can always exist in a particular energy state. Atoms or molecules that are moving in a particular energy state can absorb energy from the outside and rise to a higher energy state. When energy is expressed as a wave, E = hv. Where h is the Plank constant and v is the frequency. Therefore, the energy ΔE = h (V 2 -V 1) = h · Δv required to be excited to a higher energy state. Since h is a constant, the energy needed to lift an atom or molecule is a function of frequency only, and the spectrum that appears when an atom or molecule absorbs some energy is a function of frequency. The energy state of an atom or molecule depends on the type of motion and, as a result, the amount of energy it can absorb. Among them, there are vibrations, rotations, and translational movements of the molecules corresponding to the energy of the infrared region. Particularly related to infrared spectroscopy are transitions due to vibrations and rotational movements. In general, the energy required for vibration has a larger value than the energy required for rotation. The motion corresponding to the mid-infrared region, which is most commonly used among the infrared regions, is mainly a vibration movement. Therefore, infrared spectroscopy is a device analysis method that can obtain information about the vibration-rotational motion of molecules by using light sources that can emit light in the infrared region, to check the structure of the molecules and perform quantitative analysis.
종래의 적외선 분광 분석기는 상압상태에서 수용된 반응부산물 또는 반응물에 빔을 주사시켜 빔을 검출함으로써 반응부산물 또는 반응물의 성분을 정량 및 정성분석하게 된다. Conventional infrared spectroscopic analyzers quantitatively and qualitatively analyze the reaction by-products or reactants by scanning the beam by scanning the beam to the reaction by-products or reactants received at atmospheric pressure.
이와 같이 종래의 적외선 분광 분석기는 상압상태에서 분광 분석을 하게 되므로 반응부산물 또는 반응물의 정확한 분광 분석이 어렵고, 빔이 입사되는 입사창과 빔이 출사되는 출사창 및 반사미러 등에 반응부산물 또는 반응물이 흡착 및 증착되어 빔이 제대로 전달되지 못하게 되는 문제점이 있었다. As such, the conventional infrared spectrometer is spectroscopically analyzed under atmospheric pressure, so it is difficult to accurately spectroscopicly analyze the reaction byproduct or the reactant, and the reaction byproduct or the reactant is absorbed by the incident window where the beam is incident, the exit window where the beam is emitted, and the reflection mirror. There was a problem that the deposition is not properly delivered beam.
이러한 반응부산물 또는 반응물이 입사창과 출사창 및 반사미러 등에 흡착 및 증착되는 경우 이를 분해하여 세척하는 유지보수를 하게 되는데 이러한 유지보수 주기가 짧아 실시간 진단이 어렵게 되는 문제점이 있었다. When the reaction by-products or reactants are adsorbed and deposited on the entrance window, the exit window, and the reflection mirror, the maintenance is performed by disassembling and cleaning them. This maintenance cycle is short, which makes it difficult to diagnose in real time.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 진공상태에서 분광 분석을 함으로써 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기를 제공하는데 있다. 또한 공정 휴지기에 반응기로부터 나오는 기체를 모니터링함으로써 장비 점검 주기 (PM주기)를 알려줄 수도 있다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis by performing a spectroscopic analysis in a vacuum state. You can also tell the equipment check interval (PM cycle) by monitoring the gas coming out of the reactor during process shutdown.
또한, 본 발명의 다른 목적은 입사창 및 출사창, 반사미러, 크리스탈 등에 흡착 및 증착되는 반응부산물 또는 반응물에 의한 오염을 방지할 수 있도록 하여 정확한 분광분석이 가능하도록 하는 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기를 제공하는데 있다. In addition, another object of the present invention is infrared spectroscopy capable of real-time process diagnostics to enable accurate spectroscopic analysis by preventing contamination by reaction by-products or reactants adsorbed and deposited on the entrance window and exit window, reflection mirror, crystal, etc. To provide an analyzer.
또, 본 발명의 또 다른 목적은 흡착 및 증착에 의해 오염도를 줄임으로써 유지 보수 주기를 연장할 수 있도록 하는 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기를 제공하는데 있다. It is still another object of the present invention to provide an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis to extend the maintenance cycle by reducing the pollution degree by adsorption and deposition.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기는 빔이 입사되는 입사창(11)과, 상기 입사창(11)으로 입사된 빔이 입사되며 반응부산물 또는 반응물의 실시간 공정진단이 가능하도록 일시 수용하는 수용부(12)와, 상기 수용부(12) 내에서 입사된 빔이 반응부산물 또는 반응물에 의한 굴절 및 산란된 빔이 출사되는 출사창(13)과, 상기 수용부(12) 내부에 장착되며 상기 입사창(11)으로 입사된 빔이 상기 수용부(12) 내부를 적어도 한번 이상 왕복되도록 반사하여 상기 출사창(13)으로 출사되도록 하는 반사미러(14)를 포함하며, 내 부가 진공상태로 되는 반응기(10); 상기 반응기(10)로부터 출사된 빔의 굴절 및 산란을 검출하는 검출기(20); 검출된 빔의 세기를 이용하여 시료의 정성 및 정량을 분석하는 분석기(30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. Infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis of the present invention for achieving the above object is a real-time process of the
아울러, 상기 반응기(10)의 상기 수용부(12)는 지그재그 유로로 형성된 것을 특징으로 한다. In addition, the
또한, 상기 반응기(10)는 상기 반응기 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(15)가 더 구비된 것을 특징으로 한다. In addition, the
또, 상기 입사창(11) 및 출사창(13) 또는 반사미러(14) 부위에는 상기 입사창(11) 및 출사창(13) 또는 반사미러(14)로 반응부산물 또는 반응물이 흡착 및 증착되는 것을 방지하도록 질소기체(불활성기체)를 주입하는 에어 커튼(16)이 더 구비된 것을 특징으로 한다. In addition, reaction by-products or reactants are adsorbed and deposited on the
아울러, 상기 반응기(10)는 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 한다. In addition, the
또한, 상기 반응기(10)는 상기 입사창(11), 출사창(13) 및 반사미러(14)에 흡착 및 증착된 시료를 세척하기 위하여 기체 또는 액체를 주입하기 위한 주입구(17)가 더 구비된 것을 특징으로 한다. In addition, the
아울러, 본 발명의 다른 형태의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기는 빔이 입사되는 입사창(111)과, 상기 입사창(111)으로 입사된 빔이 입사되며 반응부산물 또는 반응물의 실시간 공정진단이 가능하도록 일시 수용하는 수용부(112)와, 상기 수용부(112) 내에서 고정부(113)에 의해 고정되며 입사된 빔이 반응부산물 또는 반응물에 의한 굴절 및 산란되어 입사되며 내부를 적어도 한번 이상 왕복하여 출사되도록 하는 크리스탈(114)과, 상기 크리스탈(114) 주변에 이격되어 구비되며 원적외선 영역의 연속 복사선을 제공하는 플라즈마 전극(115)과, 상기 크리스탈(114)로부터 출사된 빔을 출사하는 출사창(116)을 포함하며, 내부가 진공상태로 되는 반응기(110); 상기 반응기(110)로부터 출사된 빔의 굴절 및 산란을 검출하는 검출기(120); 검출된 빔의 세기를 이용하여 시료의 정성 및 정량을 분석하는 분석기(130); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. In addition, an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis according to another embodiment of the present invention includes an
또한, 상기 반응기(110)는 상기 반응기 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(117)가 더 구비된 것을 특징으로 한다. In addition, the
또, 상기 크리스탈(114)과 플라즈마 전극(115)에 반응부산물 또는 반응물이 흡착 및 증착되는 것을 방지하도록 질소기체를 주입하는 청소용 포트(118)가 더 구비된 것을 특징으로 한다. In addition, the
아울러, 상기 고정부(113)는 상기 크리스탈(114)의 온도를 조절하도록 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 한다. In addition, the
또한, 상기 반응기(110)는 상기 크리스탈(114)과 플라즈마 전극(115)에 흡착 및 증착된 시료를 세척하기 위하여 상기 크리스탈(114)과 플라즈마 전극(115) 사이에 기체 또는 액체를 주입하기 위한 주입구(119)가 더 구비된 것을 특징으로 한다. In addition, the
본 발명은 적외선을 이용하여 진공상태에서 분광 분석을 하게 되므로 종래의 상압상태에서 분광 분석을 하는 것에 비해 빔의 굴절 및 산란에 의한 빔강도를 정확하게 측정함으로써 반응부산물 또는 반응물의 성분 분석이 용이한 장점이 있다. 또한, 멀티 패스를 이용하여 측정 감도를 향상시킬 수 있으며, 입사창 및 출사창, 반사미러, 크리스탈 등에 흡착 및 증착되는 반응부산물 또는 반응물에 의한 오염을 방지할 수 있고, 이러한 흡착 및 증착에 의해 오염도를 줄임으로써 유지 보수 주기를 연장할 수 있어 실시간 공정진단이 가능한 장점이 있다. In the present invention, since the spectroscopic analysis is performed in a vacuum state using infrared rays, it is easy to analyze the reaction by-products or the components of the reactants by accurately measuring the beam intensity due to the refraction and scattering of the beam, compared to the conventional spectroscopic analysis under normal pressure. There is this. In addition, it is possible to improve the measurement sensitivity by using the multi-pass, and to prevent contamination by the reaction by-products or reactants adsorbed and deposited on the entrance window and exit window, reflection mirror, crystal, etc. The maintenance cycle can be extended by reducing the number of cycles, which allows real-time process diagnosis.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기의 구조를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the structure of an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기는 입사창(11)과, 수용부(12)와, 출사창(13) 및 반사미러(14)를 구비하며 내부가 진공상태로 되는 반응기(10); 상기 반응기(10)로부터 출사된 빔의 굴절 및 산란을 검출하는 검출기(20); 검출된 빔의 세기를 이용하여 시료의 정성 및 정량을 분석하는 분석기(30); 를 포함하여 이루어진다. As shown, an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis according to the present invention includes an
상기 반응기(10)는 입사창(11)과, 수용부(12)와, 출사창(13) 및 반사미러(14)가 구비되며 내부가 진공상태로 된다. 상기 반응기(10)는 반응부산물 또는 반응물이 투입되어 투입된 반응부산물 또는 반응물에 빔이 주사된다. 또한, 상기 반응기(10)는 상기 반응기(10) 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(15)가 더 구비되어 최적의 압력 범위에서 측정이 가능하게 된다. The
상기 입사창(11)은 상기 반응기(10)에 장착되며 빔이 입사되게 된다. The
상기 수용부(12)는 반응부산물 또는 반응물의 실시간 공정진단이 가능하도록 일시 수용되며 상기 입사창(11)으로 입사된 빔이 입사되게 된다. 이때, 입사된 빔은 반응부산물 또는 반응물과 굴절 및 산란을 일으키게 된다. 이렇게 굴절 및 산란된 빔의 세기를 측정함으로써 시료의 정성 및 정량을 분석할 수 있게 된다. 상기 수용부(12)는 배기구 등으로부터 배기되는 배가스 등을 일시 수용하여 분광분석 후에 배출하게 되므로 실시간 공정 진단이 가능하게 된다. 또한, 상기 수용부(12)는 배기구에 직접 삽입하여 도 1에서와 같이 실시간 공정 진단이 가능하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 배기구에 작은 포트를 내어 이곳으로부터 수집된 반응부산물 또는 반응물을 수집하여 샘플링함으로써 실시간으로 공정 진단을 가능하게 할 수도 있다. The
상기 수용부(12)는 도 2에서와 같이 지그재그 유로로 형성되어 입사된 빔이 반사미러(14)에 의해 반사되어 지그재그 경로를 갖도록 하여 빔의 경로를 길게 하여 빔의 검출거리를 증가시킴으로써 측정 감도를 증가시킬 수 있다. The
상기 출사창(13)은 상기 수용부(12) 내에서 입사된 빔이 반응부산물 또는 반응물을 통과 후 출사되게 된다. The
상기 반사미러(14)는 상기 입사창(11)과 출사창(13) 내측 상기 수용부(12) 내부에 장착되며 상기 입사창(11)으로 입사된 빔이 상기 수용부(12) 내부를 적어도 한번 이상 왕복되도록 반사하여 상기 출사창(13)으로 출사되도록 하는 역할을 한다. 이렇게 입사된 빔이 상기 수용부(12) 내부를 왕복되도록 하게 되면 빔의 검출 거리를 증가시키는 효과는 가져와 측정 감도를 향상시킬 수 있게 된다. The
상기 검출기(20)는 상기 반응기(10)로부터 출사된 빔의 굴절 및 산란을 검출하는 역할을 한다. 상기 검출기(20)는 공지된 것으로 MCT 같은 IR detector를 사용한다. The
상기 분석기(30)는 상기 검출기(20)에 의해 검출된 빔의 세기를 이용하여 시료의 정성 및 정량을 분석하는 역할을 한다. The
도 3은 본 발명에 의한 다른 형태의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기의 구조를 나타낸 도면이다. 3 is a view showing the structure of an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis of another form according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 형태의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기는 입사창(111)과, 반응부산물 또는 반응물을 일시 수용하는 수용부(112)와, 상기 수용부(112) 내에서 고정부(113)에 의해 고정되며 입사된 빔이 내부를 적어도 한번 이상 왕복하여 출사되도록 하는 크리스탈(114)과, 상기 크리스탈(114) 주변에 이격되어 구비되는 플라즈마 전극(115)과, 출사창(116)을 포함하는 반응기(110); 상기 반응기(110)로부터 출사된 빔의 굴절 및 산란을 검출하는 검출기(120); 검출된 빔의 세기를 이용하여 시료의 정성 및 정량을 분석하는 분석기(130); 를 포함하여 이루어진다. As shown, another type of infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis of the present invention includes an
상기 반응기(110)는 입사창(111)과, 수용부(112)와, 출사창(116)과, 크리스탈(114) 및 플라즈마 전극(115)이 구비되며 내부가 진공상태로 된다. 상기 반응 기(110)는 반응부산물 또는 반응물이 투입되어 투입된 반응부산물 또는 반응물에 빔이 입사되고 입사된 빔이 반응부산물 또는 반응물과 반응하여 굴절 및 산란을 일으켜 출사되게 된다. 또한, 상기 반응기(110)는 전술한 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기와 마찬가지로 상기 반응기(110) 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절기(117)가 더 구비되어 최적의 압력 범위에서 측정이 가능하게 된다. The
상기 입사창(111)과 출사창(116)은 전술한 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기와 동일하다. The
상기 수용부(112)는 상기 입사창(111)으로 입사된 빔이 입사되며 반응부산물 또는 반응물의 실시간 공정진단이 가능하도록 일시 수용하게 된다. The receiving
상기 크리스탈(114)은 상기 수용부(112) 내에서 고정부(113)에 의해 고정되며 입사된 빔이 반응부산물 또는 반응물에 의한 굴절 및 산란되어 입사되며 내부를 적어도 한번 이상 왕복하여 출사되도록 하는 역할을 한다. 상기 크리스탈(114)에 의해 입사된 빔이 내부를 왕복되도록 하여 측정할 수 있게 된다. 아울러, 상기 고정부(113)는 상기 크리스탈(114)의 온도를 조절하도록 온도 조절이 가능한 것이 바람직하다. The
상기 플라즈마 전극(115)은 상기 크리스탈(114) 주변에 이격되어 구비되며 상기 크리스탈(114)의 청소나 상기 크리스탈(114)에 흡착 및 증착된 반응부산물 또는 반응물나 이물질의 분해를 촉진하게 하는 역할을 한다. The
상기 크리스탈(114)과 플라즈마 전극(115)에 반응부산물 또는 반응물이 흡착 및 증착되는 것을 방지하도록 전술한 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기와 동일한 질소기체를 주입하는 청소용 포트(118)가 더 구비된 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응기(110)는 상기 크리스탈(114)과 플라즈마 전극(115)에 흡착 및 증착된 시료를 세척하기 위하여 상기 크리스탈(114)과 플라즈마 전극(115) 사이에 기체 또는 액체를 주입하기 위한 주입구(119)가 더 구비된 것이 바람직하다. In addition, the
상기 검출기(120) 및 분석기(130)는 전술한 본 발명의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기와 동일하다. The
미설명부호 40, 140은 포커싱 렌즈(focus lens)이고, 50, 150은 포커싱 렌즈 및 플랫 미러(focus lens & flat mirror)이다.
도 1은 본 발명에 의한 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기의 구조를 나타낸 도면. 1 is a view showing the structure of an infrared spectrometer capable of real-time process diagnosis according to the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 형태의 반응기를 나타낸 도면.2 shows another type of reactor of the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 다른 형태의 실시간 공정진단이 가능한 적외선 분광 분석기의 구조를 나타낸 도면.3 is a view showing the structure of an infrared spectroscopy analyzer capable of real-time process diagnosis of another form according to the present invention.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
10,110: 반응기 11,111: 입사창10,110 reactor 11,111 entrance window
12,112: 수용부 13,116: 출사창12,112: accommodation 13,116: exit window
14: 반사미러 15,117: 압력조절기14: reflection mirror 15,117: pressure regulator
16: 에어 커튼 17,119: 주입구16: air curtain 17,119: inlet
20,120: 검출기 30,130: 분석기20,120: detector 30,130: analyzer
113: 고정부 114: 크리스탈113: fixed part 114: crystal
115: 플라즈마 전극 118: 청소용 포트115: plasma electrode 118: cleaning port
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