KR101857950B1 - 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원부와; 상기 광원부의 전면에 위치하며 집속되는 광을 평행광의 형태로 변형할 수 있도록 하는 Flat-top모듈과; 상기 Flat-top모듈을 통과한 광을 집속하여 유입된 입자에 조사시켜 회절 흡수, 투과, 반사 등의 현상을 발생하는 플로우 채널 및; 상기 플로우 채널을 통과한 입사광을 수광하여 산란 및 소멸광 강도를 감지하여 입자의 크기를 측정하는 광측정부를 포함하는 것으로서,
플로우 채널 내에 유입된 입자에 광을 조사하고 이때 발생되는 산란 및 소멸광의 강도를 이용하여 입자의 크기를 측정함에 있어 Flat-top모듈을 이용하여 집속된 입사광은 r축 방향으로 균일광이고, z축에 따라 변화여도 레지던스 타임(Residence time)을 이용하여 정확한 입자 크기 측정이 가능한 효과를 도모할 수 있도록 하는 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치에 관한 것이다.

Description

고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치{High accuracy real-time particle counter }
본 발명은 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치에 관한 것으로서, 이를 더욱 상세하게는 입사광에서 발생되는 광원의 전면에 Flat-Top 모듈을 위치하여 통과하는 광이 반지름 방향으로 강도가 일정한 균일광으로 형성되어 정확한 크기 및 개수를 측정할 수 있도록 하는 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정이나 LCD 등 나노 수준의 고도 정밀 공정은 공정 챔버 내에 일정수준 이상 오염 입자가 발생하게 되면 치명적인 제품 불량으로 이어질 수 있으므로 엄격하게 제한된 조건에서 공정이 이루어지고 있으며, 챔버 내부에서 오염입자의 측정이 요구되어지고 있다.
이러한 챔버 내에서의 공정 중 발생하는 오염입자를 광학적 장치를 이용하여 측정하는 장치가 있으며, 이를 이용하여 실시간으로 설비 내의 특정 챔버에 대한 입자 분포 상태가 측정된다.
도 1은 본 실시예의 신호 분석을 통한고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치에서 이용되는 입자 측정 장치(10)의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 입자 측정 장치(10)는 광원부(11)로부터 발생하는 광을 소정의 광변환부(12)를 이용하여 측정 대상이 되는 챔버 내에 초점이 형성시키고, 이러한 입사광의 초점영역 내를 x축으로 통과하는 입자(P)들에 의하여 산란 또는 소멸광 강도를 y축에 존재하는 광측정부(13)에서 측정함으로써 입자들의 크기 및 개수를 측정하게 된다.
구스타프 미(Gustav Mie)에 의하여 개발된 미(Mie)이론에 의하여 입자 크기와 광강도(intensity)와의 이론적인 관계가 규명되어 있으며, 입자광을 통과한 입자의 산란 및 소멸광 강도를 측정하고 미(Mie) 이론을 적용함으로써 입자의 크기를 측정하고 신호 발생 빈도를 이용하여 입자의 개수를 측정할 수 있다.
한편, 이러한 미(Mie) 이론은 입사광의 광강도가 균일한 것으로 가정된 상태에서만 적용될 수 있는 이론이다.
도 2는 도 1의 입자 측정 장치의 입사광의 "A" 단면에서 반지름방향(r)과 광강도와의 관계를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 입자 측정 장치의 입사광의 광경로 방향(z)에 따른 반지름 방향(r)과 광강도와의 관계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 를 참조하면, 입사광의 광강도는 입사광의 횡단면을 나타내는 "A" 면을 기준으로 반지름 방향(r)을 따라서 균일한 분포를 보이지 않고 가우시안 분포(Gaussian Distribution)을 형성하고 있으며, 도 3을 참조하면 작은 크기의 입자 측정을 위해 광경로 방향(z)으로 광원을 집속하여 광원의 강도를 증가시켜야 한다. 하지만, 광집속에 의하여 z축 방향으로 광강도가 균일하지 않게 된다.
따라서, 일반적으로 입자들은 입사광의 특정 지점만을 통과하지 않고 광의 집속에 의한 z축 방향 및 r축 방향의 가우시안 분포(Gaussian Distribution)에 의한 광강도 비균일성 때문에, 상기의 미(Mie) 이론이 적용되기는 어렵다.
또한, 상술한 바와 같이 산란 및 소멸광의 강도는 세 가지의 변수, 즉, 입자의 크기(dp), 검사광의 방사방향의 위치(r), 광경로 방향(z)의 위치에 의존하는 것이고, 실제 측정 시 입자가 통과하는 위치로 인하여 발생한 불확정성을 배제한 채로 정확한 입자의 크기를 측정할 수 없으며, 측정 데이터만을 이용하여 위에서 언급한 세가지 변수를 분석하는 것은 불가능하다.
대한민국 특허청 등록특허공보 제10-1225296호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발산하는 광의 전면에 Flat-top 모듈을 이용하여 광의 강도가 일정한 균일광을 플로우 채널에 투광시켜 플로우 채널내에 존재하고 있는 입자의 크기를 정확하게 측정 가능하도록 하는 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치는 광원부와;
상기 광원부의 전면에 위치하며 집속되는 광을 균일한 강도의 형태로 변형할 수 있도록 하는 Flat-top 모듈과;
상기 Flat-top 모듈을 통과한 광을 집속하고 유입된 입자에 조사시켜 회절, 흡수, 투과, 반사 등의 현상을 발생하는 플로우 채널 및;
상기 플로우 채널을 통과한 입사광을 수광하여 산란 및 소멸광의 강도를 감지하여 입자의 크기를 측정하는 광측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 Flat-top 모듈은 플로우 채널에 집속되는 입사광의 r축 방향의 강도를 균일하게 하여 정확한 입자의 크기를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 플로우 채널내에 집속하는 광은 r축으로 균일광이고, z축에 따라 변하지만, 미(Mie) 이론과 레지던스 타임(Residence time)을 이용하여 입사광의 강도를 산출하고, 불확정성을 최소화하여 정확한 입자의 크기를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 입자 측정 장치는 미(Mie)이론에 따라 다음 식을 이용하여 입자크기를 산출할 수 있도록 하며,
Figure 112016059658981-pat00001
상기의 식을 적용하였을 때,
Figure 112016059658981-pat00002
는 입자크기(dp)에 대한 함수이고,
Figure 112016059658981-pat00003
는 Flat-top 모듈 적용으로 인하여 r축에 대한 불확정성이 없어지며 오직 광경로 방향의 함수인 z에 대한 함수가 된다. 이를 실제 측정값 시간(t)와 산란강도(
Figure 112016059658981-pat00004
)를 이용하여 정확한 입자크기(dp)를 산출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 플로우 채널 내에 유입된 입자에 광을 조사하고 이때 발생되는 산란 및 소멸광의 강도를 이용하여 입자의 크기를 측정함에 있어 Flat-top 모듈을 이용하여 균일광을 집속하게 되므로 입자가 광의 어느 지점을 통과하더라도 정확한 입자 크기 측정이 가능한 효과를 도모할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 Flat-top 모듈을 이용하여 입자크기를 측정하므로 r축 방향광의 강도가 균일하여 변수가 줄어들어 기존의 광을 이용한 입자 측정장치보다 더욱 정확한 입자 크기 측정이 가능한 효과를 지닌다.
도 1은 종래의 입자 측정 방법에서 이용되는 입자 측정 장치의 일례를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 입자 측정 장치의 입사광의 "A" 단면에서 반지름방향(r)과 광강도와의 관계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 입자 측정 장치의 입사광의 광경로 방향(z)에 따른 반지름 방향(r)과 광강도와의 관계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 4의 입자 크기 측정 장치에서 Flat-top 모듈을 사용할 때와 사용하지 않을 때의 광강도 형상을 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 4의 입자 측정 장치를 이용한 입사광의 방향과 입자 분포의 상관 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예에서 이용되는 입자 측정장치는 광원부(100), 콜리메이션렌즈(200), Flat-top 모듈(300), 포커스렌즈(400), 플로우 채널(500) 및 광측정부(600)를 포함한다.
본 실시예의 광원부(100)에서 발생되는 광은 레이저를 이용하는 것이 일반적이지만, 특정 광원에 제한되는 것은 아니다.
상기 콜리메이션렌즈(200)는 상기 광원부(100)의 전면에 설치되며 상기 광원부(100)에서 발생되는 광의 평행성을 증가하여 광의 분산을 크게 줄일 수 있도록 하며, 높은 출력밀도를 얻을 수 있도록 한다.
상기 Flat-top 모듈(300)은 상기 광원부(100)로 부터 발생된 광의 진행방향에 위치하되, 상기 콜리메이션렌즈(200)의 전면에 위치하게 하여, 상기 콜리메이션렌즈(200)를 통과한 광을 균일광 강도의 형태로 변환하여, 상기 포커스렌즈(400)를 통과한 균일광을 집속시켜 플로우채널(500)에 제공될 수 있도록 한다. 상기 Flat-top 모듈(300)은 광의 r축 방향으로 강도를 균일하게 만들어 줌으로서 정확한 크기 분포 측정이 가능한 효과를 도모할 수 있다. 이때, 도 5는 Flat-top 모듈(300)을 사용 및 미사용 했을 시 광강도 분포를 보여준다. 또한, Flat-top 모듈(300)을 사용하여 입사광을 집속 시키면 r축 방향으로 균일한 집속광을 형성할 수 있다.
상기 플로우채널(500)은 상기 입자에 상기 광원부(100)로부터 발생된 광을 조사하여 산란 및 소멸이 발생되는 공간으로서, 여기서 발생되는 산란 및 소멸광 강도를 감지하여 입자의 크기를 측정할 수 있도록 한다.
상기 광측정부(600)는 Dark field와 Light field에 따라 위치하는 곳이 다르다. 도 4a와 같이 산란방식을 이용하는 Dark field의 상기 광측정부(600)는 광원부(100)와 직선상이 아닌 특정 각도를 가진 곳에 위치하고 입사광에 비해 약한 산란광을 감지하기 위해 감도 높은 디텍터를 사용하고 직진성을 가진 입사광을 소멸시키기 위해 끝단에 Beam dump 등을 더 설치한다.
이때, 도 4b와 같이 소멸방식을 이용하는 Light field의 상기 광측정부(600)는 광원부(100)와 대향(z)되도록 설치됨으로서, 플로우 채널(500)을 통과하는 입사광을 수광하여, 챔버를 통과하는 경로 내에서 유동하는 입자에 의한 소멸광의 강도를 측정하기 위한 것에 해당한다.
이를 다시 설명하면, 상기 광측정부(600)는 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, Dark field와 Light field에서 모두 진행 가능하며, Dark field(도 4a)에서는 산란 광을 이용하여 입자의 크기를 측정할 수 있도록 하는 것으로 광원부(100)와 직선상이 아닌 특정 각도를 가지고 설치하되, 고감도 감지기나 Beam dump 등의 장치를 사용해야 된다.
반면에, Light field(도 4b)에서는 소멸광을 이용하여 입자크기를 측정할 수 있도록 하며, 감지기와 광원부(100)가 대향(z)되도록 설치하되 고감도 감지기나 Beam dump 등의 장치를 사용하지 않아도 된다.
즉, 상술한 입자 측정 장치에 의하며, 광원부(100)에서 조사되는 입사광이 Flat-top 모듈(300)을 거쳐 균일한 강도를 갖는 광으로 변환하여 플로우 채널(500)내에 통과하게 되고, 플로우 채널(500)내에 조사된 광은 r축 방향으로 강도가 균일하게 되므로 변수가 줄어들어 입자에 대한 정확한 크기 측정이 가능하도록 한다.
상기와 같이 입자 측정 장치를 이용하여 입자의 크기를 측정하는 방법을 살펴보면,
먼저, 상기 입자 측정장치는 외부의 빛을 차단하기 위하여 주위를 암실 분위기로 만들어주며, 광원부(100)에서 발생된 광이 광측정부(600)에 감지되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환되어 컴퓨터에 신호를 전달하여 데이터를 얻을 수 있도록 하며, 이때, 상기 플로우 채널(500)내에 지나가는 입자에 의한 산란 및 소멸이 일어나게 되는데 산란 및 소멸광의 강도를 감지해서 입자크기를 측정할 수 있도록 한다.
일반적으로 광원부(100)에서 발생된 광은 가우시안 형태로 분포되므로 집속에 의해 크기에 변화가 발생되어 입자의 위치에 따라 r축(반지름 방향)과 z축(광경로 방향)이 변화하여 단일 크기에 따라 다수의 신호가 발생된다.
따라서, 본 발명은 미이론을 이용하여 입자측정을 진행하되 Flat-top 모듈(300)을 이용하여 강도가 균일한 광을 출력할 수 있도록 한다.
이를 더욱 상세하게 설명하면,
이상적인 경우로서, 플로우 채널(500)내에 집속하는 광이 균일광으로 z축이 일정하므로 입사광 강도(
Figure 112016059658981-pat00005
)가 입자의 위치에 따라 변화하여도 레지던스 타임(Residence time) 즉, 플로우 채널(500)내에 주입된 입자가 머무는 평균시간을 이용하여 입자크기를 산출한다.
먼저, 미(Mie)이론에 따라
Figure 112016059658981-pat00006
(식 1)
Figure 112016059658981-pat00007
= 산란강도
Figure 112016059658981-pat00008
=입사빔의 강도
r = 산란광과 디텍더 사이의 거리
Figure 112016059658981-pat00009
=입자의 각도에 따른 산란함수
상기의 식 1을 적용하였을 때, 입자크기에 대한 산란함수
Figure 112017093483111-pat00010
(dp)와 광경로에 대한 입사광 강도
Figure 112017093483111-pat00011
(z)가 변수는 실 측정값인 레지던스 타임(Residence time)과 산란강도(
Figure 112017093483111-pat00012
)를 이용하여 정확한 입자크기를 산출할 수 있도록 한다.
따라서, 상기 식1에 포함된 산란함수
Figure 112016059658981-pat00013
는 하기 식2를 이용하여 산출가능하다.
Figure 112016059658981-pat00014
(식 2)
Figure 112016059658981-pat00015
=입자의 산란 파장
Figure 112016059658981-pat00016
=강도함수(무한급수)
Figure 112016059658981-pat00017
(식 3)
Figure 112016059658981-pat00018
= 소멸강도
Figure 112016059658981-pat00019
= 입사빔의 강도
Figure 112016059658981-pat00020
=입자의 각도에 따른 산란함수
Figure 112016059658981-pat00021
(식 4)
Figure 112016059658981-pat00022
=입자의 산란 파장
Figure 112016059658981-pat00023
= 베셀함수
Figure 112016059658981-pat00024
(식5)
Figure 112016059658981-pat00025
Figure 112016059658981-pat00026
(식 6)
상기 식 6에 따른 강도함수는 하기 식7을 적용하여 산출할 수 있도록 하며,
Figure 112016059658981-pat00027
,
Figure 112016059658981-pat00028
(식 7)
Figure 112016059658981-pat00029
,
Figure 112016059658981-pat00030
(식 8)
상기 식 8의 배젤함수 크기에 해당하는 매개변수는 하기 식 9를 적용하여 산출한다.
Figure 112016059658981-pat00031
(식 9)
Figure 112016059658981-pat00032
= size parameter
Figure 112016059658981-pat00033
= 입사광의 파장
a = 구형 입자의 반경
Figure 112016059658981-pat00034
= 매질의 굴절률
상기와 같이 식 1 내지 식 4는 미이론에 따라 광의 파장과 입자의 크기가 비슷할 경우에 발생하는 산란 및 소멸을 이용하여 입자의 크기를 계산하는 것으로 미이론에 의한 산란 및 소멸광의 강도 (
Figure 112016059658981-pat00035
,
Figure 112016059658981-pat00036
)는 입사광 강도(
Figure 112016059658981-pat00037
) 및 입자의 크기(
Figure 112016059658981-pat00038
)값에 의하여 결정된다.
상기와 같은 알고리즘에 따라 실제 입사광을 집속함에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, r축만 일정한 균일광이 집속될 경우에는 입자의 위치에 따라 z축은 변화하지만 A의 위치의 광직경이 B보다 크기 때문에 A부분을 지나갈 때 시간이 더 길다는 레지던스 타임(Residence time)을 이용하여 변수 (z) 값을 구할 수 있으므로 광측정부(600)를 이용하여 산란 및 소멸광의 강도를 측정함으로서 정확한 입자의 크기를 계산할 수 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 광원부
200 : 콜리메이션 렌즈
300 : Flat-top 모듈
400 : 포커스렌즈
500 : 플로우 채널
600 : 광측정부

Claims (5)

  1. 광원부와;
    상기 광원부의 전면에 위치하며 집속되는 광을 균일한 강도의 형태로 변형할 수 있도록 하는 Flat-top 모듈과;
    상기 Flat-top 모듈을 통과한 광을 집속하여 유입된 입자에 조사시켜 회절 흡수, 투과, 반사의 현상을 발생하는 플로우채널 및;
    상기 플로우채널을 통과한 입사광을 수광하여 산란 및 소멸광의 강도를 감지해서 입자의 크기를 측정하는 광측정부를 포함하고,
    상기 플로우채널 내에 집속하는 광이 균일광으로 z축에 따라 강도가 변하지만, r축 방향으로 일정한 광강도를 가짐으로 인하여 레지던스 타임(Residence time) 및 산란 또는 소멸광 강도를 이용하여 정확한 입자 크기 및 개수를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Flat-top 모듈은 플로우 채널에 집속되는 r축 방향 광의 강도를 일정하게 하여 입사광의 방향에 따른 균일광으로 인하여 정확한 입자의 크기 및 개수를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입자 측정 장치는 미(Mie)이론에 따라 다음 식을 이용하여 입자크기를 산출할 수 있도록 하며,
    Figure 112017093483111-pat00040

    상기의 식을 적용하였을 때, 입자크기에 대한 산란함수
    Figure 112017093483111-pat00041
    (dp)와 광경로에 대한 입사광 강도
    Figure 112017093483111-pat00042
    (z)가 변수로 존재하며, 2개의 측정시간(t), 산란강도(
    Figure 112017093483111-pat00043
    )를 이용하여 정확한 입자크기를 산출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입자 측정 장치는
    입사광의 강도(
    Figure 112016059658981-pat00044
    )값이 일정할 경우 산란강도(
    Figure 112016059658981-pat00045
    )와 소멸강도(
    Figure 112016059658981-pat00046
    )는 유일한 변수인
    Figure 112016059658981-pat00047
    (입자크기)와 상관관계를 갖기 때문에 광측정부를 이용하여 산란광을 측정함으로서 정확한 입자의 크기를 계산할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고정확 실시간 미세 입자 크기 및 개수 측정 장치.
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