KR101401742B1 - 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치 - Google Patents

분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치는 공기역학 렌즈를 포함하는 입자 집속유닛; 일단에 제 1 연결부가 마련되어 상기 입자 집속유닛과 연결되고, 중진공(1 내지 10-3Torr)으로 내부 압력이 제어되며, 타단에 노즐이 형성되어 상기 입자 집속유닛을 통해 유입된 입자를 가속시키는 제 1 챔버; 일단이 상기 제 1 챔버의 노즐과 연결되며, 고진공(10-3 내지 10-7Torr)으로 내부 압력이 제어되면서 내부에 상기 제 1 챔버에서 가속된 입자를 하전 시키는 전자총이 설치되는 제 2 챔버; 일단이 상기 제 2 챔버와 연결되며, 내부에 특정 전압을 인가하여, 상기 전자 총에서 포화상태까지 하전 된 입자들 중 특정 크기의 입자만을 분류하는 정전편향장치와 상기 제 1 연결부와 동일한 규격을 가지는 제 2 연결부가 설치되는 제 3 챔버; 상기 제 1 및 제 2 챔버와 배기유로로 연결되어, 상기 제 1 및 제 2 챔버 내부의 기체를 외부로 배출하는 하나의 펌프; 및 일단이 상기 제 3 챔버와 수직으로 연결되며, 내부에 입자 포집장치가 설치되는 제 4 챔버;를 포함하며, 상기 제 2 연결부는 상기 입자 포집장치와 동축적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치{Particle Complex Characteristic Measurement Apparatus Exhaust System having Detachable particle focusing unit}
본 발명은 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치에 관한 것이다.
종래 입자 크기 분포를 측정하는 장비로는 PBMS(Particle Beam Mass Spectrometer)가 있는데, PBMS는 공기역학 렌즈(Aerodynamic lens), 전자총(Electron Gun), 정전편향장치(Electrostatic Deflector), 패러데이 컵(Faraday cup) 등을 구성요소로 한다.
PBMS는 저압 환경에서 기체에 포함된 입자를 빔의 형태로 집속 및 가속하여 포화상태에 이르기까지 대전시키고, 대전된 입자를 전기장에 입사시켜 그 진행경로를 변경시킨 후, 분류기에 포집된 입자를 계수하여 입자의 크기 분포를 알 수 있다.
공기역학 렌즈는 에어로졸이 입구로 유입되면, 여러 단계의 렌즈를 거쳐 입자가 중심축으로 집속 되어, 마지막 가속 노즐을 통해 첫 번째 진공 챔버로 집속 및 가속 상태로 유입되고, 함께 유입된 가스는 입자에 비하여 상대적으로 가볍기 때문에 펌프에 의하여 배출되며 입자는 전자총으로 전달된다. 전자총에서는 필라멘트에서 나온 전자(electron) 들이 입자 빔(particle beam)에 충돌하면서, 이차전자(secondary electron)을 방출시켜 포화상태까지 양(+)의 상태로 하전 시킨다.
정전편향장치는 3장 정도의 매쉬로 구성되는 편향판으로 구성되어, 중간에 배치되는 매쉬 플레이트에 양(+)극의 전압을 인가하여 전기장을 형성시킨다. 이때, 특정 크기의 입자와 특정 전압 사이의 관계가 존재할 수 있는데, 예컨대, 1,000V 전원을 인가할 때에, 200nm 크기의 입자가 임계크기입자라고 할 경우, 패러데이 컵으로 경로가 90도 변경되어 전달되도록 한다.
패러데이 컵은 단순 금속 기판으로, 뒤쪽 면에 전극이 연결된 구성을 가지는데, 입자들이 패러데이 컵에 달라붙게 되면, 입자들이 가지고 있는 양 이온이 전극으로 전달되고, 전극의 전류값을 계측기를 이용하여 측정한다.
한편, 하전입자는 상기한 바와 같이 정전편향장치에 의해 90도 꺾여 상기 패러데이 컵과 같은 입자 포집장치에 전달되는데 이렇게 입자를 전달하여야 입자의 크기 분포를 실시간으로 측정할 수 있다. 그런데, 입자의 크기가 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치의 상한인 500nm 이상의 크기일 경우에는 정전편향장치를 이용하여 입자의 이동 경로를 변경할 수 없기 때문에 측정이 불가능하다. 그러나 LCD나 OLED 생산설비에서는 1㎛이상의 크기를 가지는 입자를 관찰할 필요가 있을 수도 있기 때문에 기존의 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치 이외의 별도 측정설비를 구비해야 하는 번거로움이 있다.
본 발명은 측정 입자의 크기에 따라 입자 집속유닛의 설치 위치를 변경할 수 있도록 구조가 개선된 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치는 공기역학 렌즈를 포함하는 입자 집속유닛; 일단에 제 1 연결부가 마련되어 상기 입자 집속유닛과 연결되고, 중진공(1 내지 10-3Torr)으로 내부 압력이 제어되며, 타단에 노즐이 형성되어 상기 입자 집속유닛을 통해 유입된 입자를 가속시키는 제 1 챔버; 일단이 상기 제 1 챔버의 노즐과 연결되며, 고진공(10-3 내지 10-7Torr)으로 내부 압력이 제어되면서 내부에 상기 제 1 챔버에서 가속된 입자를 하전 시키는 전자총이 설치되는 제 2 챔버; 일단이 상기 제 2 챔버와 연결되며, 내부에 특정 전압을 인가하여, 상기 전자 총에서 포화상태까지 하전 된 입자들 중 특정 크기의 입자만을 분류하는 정전편향장치와 상기 제 1 연결부와 동일한 규격을 가지는 제 2 연결부가 설치되는 제 3 챔버; 상기 제 1 및 제 2 챔버와 배기유로로 연결되어, 상기 제 1 및 제 2 챔버 내부의 기체를 외부로 배출하는 하나의 펌프; 및 일단이 상기 제 3 챔버와 수직으로 연결되며, 내부에 입자 포집장치가 설치되는 제 4 챔버;를 포함하며, 상기 제 2 연결부는 상기 입자 포집장치와 동축적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 입자 집속유닛은 상기 제 1 및 제 2 연결부 중 어느 한 곳에 착탈 가능하게 설치될 수 있다.
상기 입자 집속유닛은 500nm 이하의 입자를 측정할 경우 제 1 연결부에 연결되고, 500nm 이상의 입자를 측정할 경우 제 2 연결부에 연결될 수 있다.
상기 입자 집속유닛이 제 2 연결부에 연결되면, 상기 정전편향장치는 제거될 수 있다.
상기 제 4 챔버는 상기 입자 포집유닛을 바라보도록 설치되어, 상기 입자 포집유닛에 포집된 입자를 광학적으로 측정하는 전자 검출기(Electron detector)와, 엑스레이 검출기 중 적어도 하나 이상을 구비할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 챔버에는 제 1 및 제 2 압력 게이지가 설치될 수 있다.
상기 배기유로는 일단은 상기 제 1 챔버와 연결되고 타단은 펌프와 연결되는 제 1 유로; 및 일단은 상기 제 2 챔버와 연결되고 타단은 펌프와 연결되는 제 2 유로;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 측정 대상 입자의 크기에 따라 500nm 미만의 입자의 경우에는 기존의 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치와 동일한 구성으로 입자의 크기 및 분포를 측정하고, 500nm 이상의 입자는 입자 집속유닛의 설치 위치를 입자 포집장치를 마주보도록 변경하여 입자의 크기를 SEM을 이용하여 광학적으로 측정하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치의 개념도, 그리고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치의 입자 집속유닛을 제 3 챔버에 연결한 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치를 첨부된 도면과 함께 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치의 개념도, 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치의 입자 집속유닛을 제 3 챔버에 연결한 상태를 도시한 도면이다.
본 발명에 의한 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치는 입자 집속유닛(10), 제 1 챔버(20), 제 2 챔버(30), 제 3 챔버(40), 펌프(50) 및 제 4 챔버(60)를 포함할 수 있다.
입자 집속유닛(10)은 일반적으로 공기역학 렌즈 등으로 이루어지는 에어로졸(가스와 입자의 혼합) 집속 기구로서, 가스와 입자로 이루어진 에어로 졸을 상기 제 2 챔버(30)의 내부에 설치되는 전자총(32)의 중앙으로 집속 시킬 수 있다. 상기 입자 집속유닛(10)은 일반적으로 공기역학 렌즈(aerodynamic lens)로 구성되나, 이를 한정하는 것은 아니며, 가스와 입자를 동시에 집속할 수 있는 구성이라면, 어떠한 것이든 사용 가능하다. 상기 입자 집속유닛(10)을 통해 유입되는 가스와 입자는 상기 제 1 및 제 2 챔버(20)(30) 사이에 형성되는 노즐(22)을 통해 상기 전자총(32)을 향해 가속될 수 있다.
제 1 챔버(20)의 일단에는 입자 집속유닛(10)과 연결되는 제 1 연결부(25)가 형성될 수 있으며, 내부 압력은 중진공(1 내지 10-3Torr)으로 형성되는 것이 좋다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 챔버(20)의 압력은 10-3Torr로 유지될 수 있다. 제 1 챔버(20) 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있도록, 상기 제 1 챔버(20)에는 제 1 압력 게이지(21)가 설치되며, 입자 집속유닛(10)을 통해 제 1 챔버(20)에 유입된 기체를 배출하기 위한 제 1 유로(51)가 펌프(50)와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 연결부(25)와 입자 집속유닛(10)은 나사 결합으로 연결될 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며 상보적인 결합구조를 통해 착탈 가능한 구성이라면 어떠한 구조라도 적용 가능하다.
제 2 챔버(30)는 일단은 상기 제 1 챔버(20)와 연결되고 타단은 제 3 챔버(30)와 연결되며, 내부 압력은 고진공(10-3Torr 내지 10-7Torr)로 형성될 수 있다. 제 2 챔버(30) 내부 압력은 10-5Torr로 형성되는 것이 좋다. 제 2 챔버(30) 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있도록, 상기 제 2 챔버(30)에는 제 2 압력 게이지(31)가 설치되며, 상기 입자 집속유닛(10)을 통해 유입된 기체 중, 상기 제 1 챔버(20)에서 미처 배출되지 못한 기체를 배출하기 위한 제 2 유로(52)가 펌프(50)와 연결될 수 있다. 제 2 챔버(30)의 내부에는 상기 노즐(22)을 통해 가속된 입자를 포함하는 가스를 포화상태가 될 때까지 하전(electric charge) 시킬 수 있는 전자총(32)이 설치될 수 있다.
제 3 챔버(40)는 내부에 정전편향장치(42)가 설치될 수 있다. 정전편향장치(42)는 입자의 크기를 분류하기 위한 것으로, 특정 전압을 부하로 걸어 특정 크기의 입자만을 페러데이 컵과 같은 입자 포집유닛(61) 측으로 전달할 수 있다. 정전편향장치(42)는 입자 집속유닛(10)을 통해 유입되는 에어로졸에 포함된 입자궤적이 수직으로 변경될 수 있도록 구성될 수 있는데, 일반적으로 하전 된 입자의 진입 방향에 대하여 45도 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 따라서 상기 입자 포집유닛으로 전달된 입자들이 가지고 있는 양이온이 상기 입자 포집유닛의 배면에 설치된 전극으로 전달되어 상기 전극에서 검출된 전류값을 소정의 계측기로 측정될 수 있다.
펌프(50)는 제 1 및 제 2 챔버(20)(30) 내부를 진공에 가까운 상태로 형성하기 위해 설치되는 것으로, 상기한 바와 같이 제 1 챔버(20)의 내부 압력은 10-3Torr, 제 2 챔버(30) 내부의 압력은 10-5Torr가 되도록 각 챔버들(20)(30)에 유입된 기체를 챔버 바깥으로 배출할 수 있다. 이때, 상기 입자 집속유닛을 통해 유입되는 에어로졸의 입자는 기체에 비해 관성력이 크기 때문에, 펌프(50)의 영향을 받지 않으나, 기체는 펌프(50)에 의해 제 1 및 제 2 챔버(20)(30)의 바깥쪽으로 배출될 수 있다. 한편, 기존에는 제 1 챔버(20)의 중진공 형성을 위한 펌프와 제 2 챔버(30)의 고진공 형성을 위한 펌프를 개별적으로 설치하였으나, 본 발명은 제 2 챔버(30)의 고진공 형성을 위한 펌프를 이용하여 제 1 챔버(20)의 중진공 형성을 수행할 수 있도록 제 1 및 제 2 유로(51)(52)로 구성되는 배기유로로 연결될 수 있다. 상기 펌프(50)는 확산 펌프, 터보분자 펌프, 흡착 펌프, 저온냉각 펌프, 이온 펌프, 크라이오 펌프(cryo pump), 승화 펌프 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 펌프(50)는 일정한 속도로 동작하는 것이 바람직하다.
제 4 챔버(60)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 챔버(40)와 90도를 이루도록 연결될 수 있으며, 내부에 입자 포집장치(61)가 설치될 수 있다. 상기 입자 포집장치(61)는 페러데이 컵으로 마련될 수 있다. 상기 제 4 챔버(60)에는 도시되지는 않았으나 SEM 등이 설치되어 하전입자의 크기를 광학적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 4 챔버(60)의 상기 제 3 챔버(40)와의 연결부 타단에는 제 2 연결부(45)가 형성될 수 있다. 상기 제 2 연결부(45)는 상기 제 1 연결부(25)와 동일한 규격으로 마련되어, 상기 입자 집속유닛(10)이 상기 입자 포집장치(61)와 마주보도록 연결될 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 정전편향장치(42)에 의해 경로 변경이 용이하지 않은 500nm 이상의 크기를 가지는 입자를 관찰할 필요가 있을 경우, 입자 집속유닛(10)을 제 1 연결부(25)에서 분리하여 제 2 연결부(45)에 결합할 수 있다. 이때, 상기 입자 집속유닛(10)의 중심과 입자 포집장치(61)의 중심을 동축이 될 수 있도록 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 입자 집속유닛(10)을 입자 포집장치(61)를 직접 바라볼 수 있도록 설치하면 정전편향장치(42)(도 1 참조)가 필요 없기 때문에 제거할 수도 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 500nm 이하의 입자의 경우에는 기존과 같이 입자 분포 및 크기를 관찰할 수 있으며, 기존 장치에서 측정이 불가능 했던 500nm 이상의 입자는 입자 집속유닛의 장착 위치를 변경하여 SEM 등으로 입자 크기를 광학적으로 측정할 수 있다.
따라서 500nm 이상의 크기를 가지는 입자를 광학적으로 측정하기 위한 별도의 측정 장비 없이 하나의 장비로 다양한 센싱 작업을 수행할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10; 입자 집속유닛 20; 제 1 챔버
21; 제 1 압력 게이지 25; 제 1 연결부
30; 제 2 챔버 31; 제 2 압력 게이지
32; 전자총 40; 제 3 챔버
42; 정전편향장치 45; 제 2 연결부
50; 펌프 60; 제 4 챔버
61; 입자 포집장치

Claims (7)

  1. 공기역학 렌즈를 포함하는 입자 집속유닛;
    일단에 상기 입자 집속유닛이 연결될 수 있는 제 1 연결부가 마련되고, 중진공(1 내지 10-3Torr)으로 내부 압력이 제어되며, 타단에 노즐이 형성되어 상기 입자 집속유닛을 통해 유입된 입자를 가속시키는 제 1 챔버;
    일단이 상기 제 1 챔버의 노즐과 연결되며, 고진공(10-3 내지 10-7Torr)으로 내부 압력이 제어되면서 내부에 상기 제 1 챔버에서 가속된 입자를 하전 시키는 전자총이 설치되는 제 2 챔버;
    일단이 상기 제 2 챔버와 연결되며, 내부에 특정 전압을 인가하여, 상기 전자 총에서 포화상태까지 하전 된 입자들 중 특정 크기의 입자만을 분류하는 정전편향장치와 상기 입자 집속유닛이 연결될 수 있도록 상기 제 1 연결부와 동일한 규격을 가지는 제 2 연결부가 설치되는 제 3 챔버;
    상기 제 1 및 제 2 챔버와 배기유로로 연결되어, 상기 제 1 및 제 2 챔버 내부의 기체를 외부로 배출하는 하나의 펌프; 및
    일단이 상기 제 3 챔버와 수직으로 연결되며, 내부에 입자 포집장치가 설치되는 제 4 챔버;를 포함하며,
    상기 제 2 연결부는,
    상기 입자 포집장치와 동축적으로 배치되는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입자 집속유닛은,
    상기 제 1 및 제 2 연결부 중 어느 한 곳에 착탈 가능하게 설치되는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 입자 집속유닛은,
    500nm 이하의 입자를 측정할 경우 제 1 연결부에 연결되고,
    500nm 이상의 입자를 측정할 경우 제 2 연결부에 연결되는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 입자 집속유닛이 제 2 연결부에 연결되면, 상기 정전편향장치는 제거되는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 4 챔버는,
    상기 입자 포집장치을 바라보도록 설치되어, 상기 입자 포집유닛에 포집된 입자를 광학적으로 측정하는 전자 검출기(Electron detector)와, 엑스레이 검출기 중 적어도 하나 이상을 구비하는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 챔버에는 제 1 및 제 2 압력 게이지가 설치되는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 배기유로는,
    일단은 상기 제 1 챔버와 연결되고 타단은 펌프와 연결되는 제 1 유로; 및
    일단은 상기 제 2 챔버와 연결되고 타단은 펌프와 연결되는 제 2 유로;를 포함하는 분리형 입자 집속 유닛을 가지는 입자복합특성 측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20070089404A (ko) * 2006-02-28 2007-08-31 (주)에이치시티 입자측정장치 및 방법
KR101104213B1 (ko) * 2009-09-28 2012-01-09 한국표준과학연구원 입자 빔 질량 분석기

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