KR100583768B1 - 광압을 이용한 입자빔 집속장치 - Google Patents

광압을 이용한 입자빔 집속장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 같은 유량조건과 입자크기에 대해 보다 좁은 입자빔 폭을 얻을 수 있고 결과적으로 보다 높은 수농도를 얻을 수 있으며, 주어진 입자 크기에 대해 입자빔을 형성할 수 없는 유동조건에 대해서도 광압을 입자에 가하여 입자빔을 형성할 수 있고 반대로 주어진 유동조건에 대해 입자빔을 형성할 수 없는 입자의 크기에 대해서도 입자빔을 형성할 수 있도록 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명은 입자발생기와 입자발생기에 연결된 믹싱관 및 믹싱관의 토출측에 결합된 튜브를 포함하는 입자빔 집속장치에 있어서, 튜브의 소정위치에 구비되어 입자흐름을 입자빔으로 결속시킴과 동시에 유동입자에 광압을 가할 수 있도록 중심에 소정 직경의 구멍이 형성된 렌즈로 구성된 오리피스부; 및 믹싱관의 토출측의 대향측부에 구비된 광원공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
입자빔, 집속장치, 오리피스부, 광압, 렌즈, 유동튜브

Description

광압을 이용한 입자빔 집속장치{AN APPARATUS OF FOCUSING PARTICLE BEAM BY RADIATION PRESSURE}
도 1은 종래의 공기역학적 렌즈를 이용한 입자빔 장치의 개략도.
도 2는 도1의 오리피스부에서의 공기-입자유동을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 광압을 이용한 입자빔 집속장치의 개략도.
도 4는 광압이 가해지지 않은 경우 레이놀즈수에 따라 측정된 입자빔의 폭을 나타내는 그래프.
도 5는 광압이 가해진 경우 레이놀즈수에 따라 측정된 입자빔의 폭 감소율을 나타내는 그래프.
도 6은 광압이 없을 경우(P=0Ｗ)와 레이저 출력이 0.2Ｗ인 경우의 레이놀즈수(Re)에 따라 측정된 입자빔의 폭(db)의 변화를 동시에 나타낸 그래프이다.
[도면부호의 간단한 설명]
1, 10: 믹싱관 2, 20: 유동튜브
3, 40: 오리피스부 7: 입자발생기
31, 41: 구멍 50, 51: 렌즈
A: 광원 공급부 60: 레이저빔 장치
71: 분출부 R1: 제1 반사경
R2: 제2 반사경
본 발명은 입자빔 집속장치에 관한 것으로, 상세하게는 입자빔내의 유동하는 입자에 광압을 가함으로서 유동조건의 변화없이도 입자빔의 폭 제어가 가능한 입자빔 집속장치에 관한 것이다.
입자빔이란 입자의 흐름이 빔 형태를 가지고 흐르는 것을 의미한다. 입자가 빔 형태의 좁은 영역에서 흐를 경우 입자수의 농도가 커지게 되어 광학적으로 아주 정밀하게 입자의 크기를 조사할 수 있다. 또한, 입자가 빔 형태로 계속 흐르게 되므로 실시간으로 입자의 크기 측정과 입자 크기 분포를 측정할 수 있다. 따라서, 입자빔 집속장치는 질량분석기나 화학 조성 분석장치등에 사용되고 있으며, 최근에는 반도체 공정에서와 같이 입자가 희박하게 존재하는 환경에서 미세입자 모니터링 장치에 사용되고 있다.
종래에는 입자빔을 생성시키는 장치로 주로 공기역학적 렌즈(aerodynamic lens)를 이용한 입자빔 집속장치가 사용되었다. 공기역학적 렌즈를 이용한 입자빔 집속장치는 공기-입자 유동을 오리피스로 통과시키면서 입자의 관성효과를 이용하여 입자가 공기의 유선을 벗어나 빔 형태로 흐르도록 하는 장치이다. 이러한 입자 빔 집속장치는 장치가 간단하여 쉽게 입자빔을 생성할 수 있는 장점을 가진다.
도 1에는 종래의 공기역학적 렌즈를 이용한 입자빔 장치가 도시되어 있으며, 도 2는 도 1의 오리피스부에서의 공기-입자유동을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 공기역학적 렌즈를 이용한 입자빔 집속장치는 입자발생기(7), 공기-입자의 믹싱관(1), 믹싱관(1) 일측에 구비되어 공기-입자가 직진 유동하도록 하는 유동튜브(2), 및 유동튜브(2)의 소정위치에 구비되며 중심에 소정 직경의 구멍(31)이 형성된 평판모양의 오리피스부(3)로 구성된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 입자발생기(7)로부터 입자가 믹싱관(1)에 공급된다. 믹싱관(1)에서 공기와 믹싱된 공기-입자는 유동튜브(2)를 통해 토출된다. 믹싱관(1)에서 토출된 공기-입자유동은 오리피스부(3)를 통과하면서 입자는 그 관성에 의해 공기의 유동에서 벗어나 중심축에 모이게 되므로, 공기-입자 유동이 입자빔으로 형성된다. 입자빔 형성 성능을 나타내는 인자로 수축인자(η)가 사용되며, 수축인자(η)는 공기-입자 유동이 오리피스부(3)를 통과한 후 공기 최외각 유선의 반지름(r0) 방향 위치에 대한 최외각 입자궤적의 반지름(rp) 방향 위치의 비(η=rp(∞)/r0(∞))로 나타난다. 수축인자가 0인 경우는 입자가 중심축에 모인 것을 나타내고, 1인 경우는 입자가 공기유동을 따라 가는 것을 나타내며, 수축인자가 음수인 경우에는 입자가 중심축을 가로지르는 경우를 나타낸다. 따라서, 입자빔이 형성되는 경우의 수축인자는 -1<η<1 값을 갖는다.
그러나, 공기역학적 렌즈를 이용한 입자빔 장치를 이용할 경우 주어진 유동 조건에서 얻을 수 있는 입자빔의 폭과 사용가능한 입자의 크기가 제한된다. 또한, 반대로 주어진 입자 크기에 대해서는 얻을 수 있는 입자빔의 폭과 사용가능한 유량도 제한되는 등 유동조건이 제한되는 단점을 가진다. 즉, 적용되는 환경에 따라 상술한 입자빔 장치의 설계변경도 요구된다. 이러한 일 예로서, 다수의 오리피스를 가진 다단식 공기역학적 렌즈를 이용하여 입자빔의 폭을 줄이기 위한 장치가 연구되었으나, 다단식 공기역학 렌즈를 이용할 경우 입자빔 장치가 복잡해 질 뿐만 아니라 공기역학 렌즈가 가지는 근본적인 단점인 작동입자 크기와 유동조건의 한계는 여전히 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 동일한 유량조건과 입자크기에 대해 보다 좁은 입자빔 폭을 얻을 수 있고 결과적으로 보다 높은 입자수의 농도를 얻을 수 있는 광압을 이용한 입자빔 집속장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 주어진 입자 크기에 대해 입자빔을 형성할 수 없는 유동조건에 대해서도 광압을 입자에 가함으로서 입자빔을 형성할 수 있는 광압을 이용한 입자빔 집속장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 주어진 유동조건에 대해 입자빔을 형성할 수 없는 입자의 크기에 대해서도 입자빔을 형성할 수 있도록 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 광압을 이 용한 입자빔 집속장치는 입자발생기와 입자발생기에 연결된 믹싱관 및 믹싱관의 토출측에 결합된 유동튜브를 포함하는 입자빔 집속장치에 있어서, 유동튜브의 소정위치에 구비되어 입자흐름을 입자빔으로 결속시킴과 동시에 유동입자에 광압을 가할 수 있도록 중심에 소정 직경의 구멍이 형성된 렌즈로 구성된 오리피스부; 및 믹싱관의 토출측의 대향측부에 구비된 광원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 광압을 이용한 입자빔 집속장치의 오리피스부는 중심에 소정 직경의 구멍이 형성된 평면-볼록렌즈로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 광압을 이용한 입자빔 집속장치의 오리피스부를 구성하는 평면-볼록렌즈는 투명재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 광압을 이용한 입자빔 집속장치의 광원 공급부는 Ar-Ion 레이저와 적어도 2개의 반사경 및 레이저빔을 확대출력할 수 있도록 하는 2개의 레이저빔 확대렌즈로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적들, 분명한 장점들 및 신규한 특징들은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들에 따른 바람직한 실시예들로부터 더 분명해 질것이다.
이하에서는 본 발명의 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 광압을 이용한 입자빔 집속장치의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광압을 이용한 입자빔 집속장치는 대략적으로 입자발생기(7), 믹싱관(10), 유동튜브(20), 오리피스부(40) 및 광원 공급부(A)로 구성 된다.
입자발생기(7)는 일측에 분출부(71)를 구비한 소정의 형상을 가지며, 믹싱관(10)의 측면에 분출부(71)를 통해 연결되도록 설치된다.
믹싱관(10)은 원통형 형상으로, 일측 단부에는 유동튜브(20)가 연결되고, 타측 단부에는 광원 공급부(A)가 구비된다. 또한, 믹싱관(10)의 측면에는 입자발생기(7)가 연결된다.
유동튜브(20)는 양 단부면이 개방된 소정 직경(D)의 단면을 가진 장방형 원통으로, 일측 단부는 상술한 믹싱관(10)에 연결된다.
오리피스부(40)는 중심에 소정 직경(d)의 구멍(41)이 형성되어 있으며, 일측면은 평면이고 타측면은 볼록형상인 평면-볼록렌즈이다. 재질은 투명재질로 이루어져 있으며, 상술한 유동튜브(20)의 타측 단부 근방의 내측에 구비된다.
광원 공급부(A)는 레이저빔 장치(60), 레이저빔 장치(60)의 빔 토출측으로부터 이격되어 설치된 제1 반사경(R1)과 제1 반사경(R1)으로부터 소정 각도로 이격되어 설치된 제2 반사경(R2), 및 제2 반사경(R2)을 통해 들어오는 레이저빔을 확대시키는 제1 렌즈(50)와 제2 렌즈(51)로 구성된다. 여기서, 제1 렌즈(50)는 제2 렌즈(51)보다 곡률반경이 더 크며, 유동튜브(20)에 평행광선을 공급하도록 제1 렌즈(50)와 제2 렌즈(51)는 각 렌즈의 초점거리의 합(f1+f2) 만큼 상호 이격되어 구비된다. 제1 렌즈(50)가 상술한 믹싱관(10)의 타측 단부에 설치된다. 레이저빔은 연속발진되는 레이저인, Ar-Ion 레이저, He-Ne 레이저 및 He-Cd 레이저등이 사용될 수 있으며, 펄스 시간차가 작은 펄스형태로 출력되는 Nd-Yag 레이저 등이 사용될 수 있다.
이하 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광압을 이용한 입자빔 집속장치에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 그 작용을 설명한다
도 3에 도시된 바와 같이, 광원 공급부(A)의 레이저빔 장치(60)에서 출력된 Ar-Ion 레이저빔은 제1 반사경(R1)과 제2 반사경(R2)에서 반사되어 확대렌즈인 제2 렌즈(51)를 통해 포커스 된 이후, 제1 렌즈(50)를 통해 평행광선이 되어 진행한다. 광선의 진행방향은 화살표로 표시된다. 또한, 입자발생기(7)에서 공급된 입자는 믹싱관(10)에서 공기와 혼합된 후 공기-입자는 유동튜브(20)를 통해 유동되어 오리피스부(40)를 통과하면서 입자빔을 형성한다. 이때, 평면-볼록렌즈로 구성된 오리피스부(40)의 평면렌즈측으로 수직하게 입사된 빛은 초점거리(f)로 집속된다. 결과적으로 집속되는 빛은 오리피스부(40)를 통과한 입자빔의 유동입자에 광압에 의한 힘을 가하게 된다. 광압이 입자에 가할 수 있는 힘은 빛의 진행방향으로 작용하는 힘과 빛의 강도가 큰 쪽으로 작용하는 힘으로 나누어진다. 이러한 힘의 크기는 빛이 렌즈를 통해 집속될 때 렌즈의 수치 구경에 따라 달라진다. 따라서, 입자빔의 유동입자에 원하는 방향으로 힘을 가할 수 있다. 또한, 기하광학적 근사로 계산된 빛의 운동량과 입자가 빛에 의해 받는 힘의 다음과 같은 공지된 관계식에 따르면;
Ｆ=Ｑ(ｎ1Ｐ)/ｃ
여기서, Ｆ는 입자가 빛에 의해 받는 힘, Ｑ는 입자가 빛을 반사하는 정도, ｎ1는 입자 주위매질의 굴절율, Ｐ는 레이저 출력에너지, 및 ｃ는 빛의 속도이다.
즉, 광압에 의해 입자가 받는 힘은 빛의 강도에 직접 비례함을 알 수 있다. 따라서, 빛의 강도를 조절하여 입자빔의 유동입자에 원하는 크기의 힘을 가할 수 있다.
[실시예]
본 발명에 따른 광압에 의한 입자빔 집속장치를 설명하기 위해, 직경(D)이 25mm인 유동튜브(20)와, 구멍의 직경(d)이 2.5mm이고 렌즈의 초점거리(f)가 35mm인 오리피스부(40)를 사용한다. 사용된 입자는 PSL(폴리스틸렌 레틱) 이며, 입자 직경은 각각 0.5㎛, 1.0㎛, 및 2.5㎛이다. 레이저빔 장치(60)에 사용되는 레이저로는 연속발진 Ar-Ion 레이저(Ar-Ion CW laser)가 사용된다. 사용된 입자의 크기에 대해 레이저를 사용하여 광압을 가하였을 때 입자빔 폭이 최소값을 갖는 Ar-Ion 레이저빔 출력은 대략 0.2Ｗ 이다. 오리피스부(40)에서 레이놀즈수(Re)는, 공기-입자유량이 상압에서도 입자빔이 생성될 수 있도록 대략 300 이상 700 이하를 유지한다. 레이놀즈수는 다음 식으로 정의 된다.
Re(레이놀즈수)= ρＶd/μ,
여기서, ρ는 공기-입자유동의 밀도, Ｖ는 오리피스부(40)를 통과하는 평균속도, μ는 공기-입자유동의 점성도, 및 d는 오리피스부(40)의 구멍(41)의 직경이다.
또한, 입자빔 폭(db)의 측정은 오리피스부(40)으로부터 45mm 떨어진 위치에 서 측정한다.
도 4는 광압이 가해지지 않은 경우 레이놀즈수(Re)에 따라 측정된 입자빔의 폭(db)을 나타내는 그래프이다. 여기서, 횡축(x-축)은 레이놀즈수(Re)를 나타내고, 종축(y-축)은 측정된 입자빔의 폭(db)과 유동튜브(20)의 직경(D)의 비 값을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 사용된 PSL 입자 각각의 직경 0.5㎛, 1.0㎛, 및 2.5㎛에 대해, 입자빔의 폭(db)은 레이놀즈수(Re)가 커질수록 그리고 입자의 직경(dp)이 클수록 작아지는 것을 알 수 있다. 이것은 종래의 공기역학적 입자빔 장치와 동일한 결과로서, 종래의 평판모양의 오리피스부(40) 대신 본 발명의 평면-볼록렌즈의 오리피스부(40)를 사용하더라도 입자빔 형성시 유동조건에는 영향이 없음을 보여준다.
도 5는 광압이 가해진 경우 레이놀즈 수(Re)에 따라 측정된 입자빔의 폭(db) 감소율을 나타내는 그래프이다. 여기서, 횡축(x-축)은 레이놀즈수(Re)를 나타내고, 종축(y-축)은 측정된 최대 입자빔의 폭(db) 감소율을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 입자빔 폭의 감소는 입자의 직경(dp) 2.5㎛, 1.0㎛ 및 0.5㎛ 에 대해 각각 최대 16%, 11.4%, 및 9.6% 임을 알 수 있다. 광압은 입자의 표면적에 비례하므로 입자가 클수록 입자빔의 폭 감소율이 크다는 것을 알 수 있으며, 유량이 증가할수록 입자의 관성효과가 커지므로 광압효과를 적게 받음을 알 수 있다. 또한, 일정한 입자 크기에 대해서는 오리피스부(40)에서 레이놀즈수(Re)가 클 수록 입자의 관성이 크기 때문에 광압의 효과가 적음을 알 수 있다.
도 6은 광압이 없을 경우(P=0Ｗ)와 레이저 출력이 0.2Ｗ인 경우의 레이놀즈수(Re)에 따라 측정된 입자빔의 폭(db)의 변화를 동시에 나타낸 그래프이다. 여기서, 횡축(x-축)은 레이놀즈수(Re)를 나타내고, 종축(y-축)은 측정된 최대 입자빔의 폭(db)과 유동튜브(20)의 직경(D)의 비 값을 나타낸다. 실선은 광압이 없을 경우(P=0Ｗ) 오리피스부(40)에서 레이놀즈수(Re)에 따라 측정된 각 입자의 입자빔 폭(db)을 나타내는 것으로, 도 4에 나타낸 것과 동일한 결과이다. 점선은 레이저 출력에 의한 광압이 적용된 경우(P=0.2Ｗ)의 오리피스부(40)에서 레이놀즈수(Re)에 따라 측정된 각 입자의 입자빔 폭(db)을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각 직경의 크기를 갖는 입자에 대해 광압이 적용된 경우(P=0.2Ｗ)에는 광압이 없을 경우(P=0Ｗ)에 비해 현저히 작은 입자빔 폭을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이것은 종래의 공기역학적 입자빔 장치에 의해서는 얻을 수 없는 것으로서, 정해진 입자 크기에 대해 얻을 수 있는 제한적인 입자빔 폭의 범위를 광압을 이용하여 제어할 수 있다는 것을 나타낸다.
본 발명에서와 같이 광압을 이용하여 동위원소 분리, 입자가속 및 입자부유가 가능하다. 따라서, 입자빔 집속장치는 질량분석기나 화학 조성 분석장치등에 사용되며, 반도체 공정에서와 같이 입자가 희박하게 존재하는 환경에서 미세입자 모니터링 장치에도 사용된다.
본 발명에 의한 광압을 이용한 입자빔 집속장치는 같은 유량조건과 입자크기에 대해 보다 좁은 입자빔 폭을 얻을 수 있고 결과적으로 보다 높은 수농도를 얻을 수 있으며, 주어진 입자 크기에 대해 입자빔을 형성할 수 없는 유동조건에 대해서도 광압을 입자에 가함으로서 입자빔을 형성할 수 있고 반대로 주어진 유동조건에 대해 입자빔을 형성할 수 없는 입자의 크기에 대해서도 입자빔을 형성할 수 있도록 하는 효과가 있다.
비록 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예에 관해 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위내에서 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

Claims (11)

  1. 입자발생기(7), 상기 입자발생기에 연결된 믹싱관(10), 및 상기 믹싱관(10)의 토출측에 결합된 유동튜브(20)를 포함하는 입자빔 집속장치에 있어서,
    상기 유동튜브(20)의 소정위치에 구비되어 입자흐름을 입자빔으로 결속시킴과 동시에 유동입자에 광압을 가할 수 있도록 중심에 소정 직경의 구멍(41)이 형성된 렌즈로 구성된 오리피스부(40); 및
    상기 믹싱관(10)의 토출측의 대향측부에 구비된 광원 공급부(A);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스부(40)는 중심에 소정 직경의 구멍(41)이 형성된 평면-볼록렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오리피스부(40)는 투명재질로 구성된 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유동튜브(20)의 단면 직경(D)이 25mm일 때, 상기 오리피스부(40)의 구 멍(41)의 직경(d)은 2.5mm인 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오리피스부(40)를 구성하는 렌즈의 초점거리(f)가 35mm인 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 공급부(A)는 레이저빔 장치(60)와 상기 레이저빔 장치(60)로부터 출력된 레이저빔의 폭을 확대시킬 수 있는 한 쌍의 제1 렌즈(50) 및 제2 렌즈(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 레이저빔 장치(60)에는 연속발진하는 Ar-Ion 레이저빔이 사용되는 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈(50)와 상기 제2 렌즈(51)는 유동튜브(20)에 평행광선을 공급하도록 각각의 초점거리의 합(f1+f2) 만큼 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    입자빔에 광압을 가하였을 때 입자빔 폭을 최소화하기 위하여, 상기 Ar-Ion 레이저빔의 출력에너지는 0.2Ｗ 인 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 광원 공급부(A)는 적어도 2개의 반사경(R1,R2)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스부(40)에서 입자흐름의 레이놀즈수(Re)는 상압에서도 입자빔이 생성될 수 있도록 300 이상 700 이하인 것을 특징으로 하는 광압을 이용한 입자빔 집속장치.
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