KR20070089404A

KR20070089404A - 입자측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR20070089404A
Application number: KR1020060019403A
Authority: KR
Inventors: 김태성; 권용택; 최정석; 윤진욱; 김영진; 최재붕; 나정길
Original assignee: (주)에이치시티; 김태성
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-08-31
Also published as: KR100772488B1

Abstract

본 발명은 입자측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저압의 환경에서 기체에 포함된 입자를 빔의 형태로 집속, 가속하며, 포화상태에 이르기까지 대전시키고 대전된 입자를 전기장에 입사시켜 그 진행경로를 변경시킨 후 입자의 크기분포를 구하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 입자측정장치는, 미세 입자를 포함한 기체를 집속, 가속하여 분출하는 입자집속가속부와, 입자집속가속부로부터 분출된 기체를 공급받는 저진공챔버와, 저진공챔버의 하류측에 직렬로 연결된 고진공챔버와, 저진공챔버와 고진공챔버를 구획하며, 기체가 통과하도록 관통구멍이 형성된 스키머와, 고진공챔버의 상류측에 설치되고, 입자를 대전시키는 입자대전부와, 고진공챔버의 하류측에 설치되고, 전기장을 형성하여 대전된 입자의 진행경로를 변경시키는 입자전향부와, 입자전향부에서 진행경로가 변경된 입자들이 입사되는 고진공챔버의 벽측에 설치되고, 입사되는 입자를 계수하는 입자계수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

입자, 측정, 렌즈, 집속, 전향, 전기장, 계수.

Description

입자측정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING PARTICLES}

도 1은 종래 기술에 따른 입자측정기의 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 입자측정장치의 일실시예의 구조도,

도 3은 도 2의 실시예의 입자전향부를 도시한 설명도,

도 4는 본 발명에 따른 입자측정방법의 일실시예의 순서도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호 설명♣

100 : 입자집속가속부 200 : 입자대전부

300 : 입자전향부 400 : 입자계수부

500 : 저진공챔버 600 : 스키머

700 : 고진공챔버 800 : 진공펌프

일반적으로, 미세입자를 측정하는 방법에는 광학적 측정방법, 기체역학적 측정방법, 전기적 측정방법이 있는데 그 중에서도 전기적 측정방법이 다른 방법에 비해 장비구성에 있어서 가격이 훨씬 저렴하며 초미세 입자까지 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서 종래에는 직경이 5~100㎚ 정도인 입자를 측정하기 위하여 차동이동도 분석기(Differential Mobility Analyzer, DMA)와 응축핵계수기(Condensation Nuclei Counter, CNC)를 합하여 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)라는 장비가 널리 사용되어 왔다. SMPS는 DMA에서 다분산 입자를 Kr⁸⁵, Po²¹⁰ 등과 같은 방사능에 노출시켜 전기적으로 중화된 입자를 사용하여 입자 크기별로 분류해 내고, DMA에서 포집된 일정한 전기적 이동도를 갖는 입자의 개수를 CNC로 측정하는 장치이다.

도 1은 종래의 입자측정기(10)를 나타낸 구조도이다. 다분산(poly-disperse) 입자를 포함한 측정대상 기체는 중화기(1)를 거쳐 입자측정기(10)로 공급된다. 중화기(1)에 의해 방사능에 노출된 입자들은 전기적으로 입자 크기에 따라 일정한 비율로 양전하, 음전하 및 중성으로 전하를 띄게 된다. 이렇게 전기적으로 중화된 입자는 청정공기와 함께 외부원통(2)의 안쪽으로 유입되며 일정한 전압이 걸려있는 전기장 내를 통과하게 된다. 일반적으로 외부원통은 접지되어 있으며, 내부원통(3)은 (-)전압을 인가하여 사용한다. (-)전압이 내부원통(3)에 인가되었을 때 (+)전하를 띈 입자는 내부원통(3) 방향으로 끌려가게 되며, 입자는 공기에 의한 저항력과 전기장에 의한 힘이 균형을 이루며 하류 측으로 흘러가게 된다. 입자의 하전량이 같다고 하면 큰 입자는 멀리 흘러내려가 하류 측에 포집되고 작은 입자는 상류 측에 포집된다. 이때 내부원통(3)의 적당한 위치에 좁은 슬릿(4)을 만들어 놓으면 원하는 크기의 입자를 이 슬릿(4)을 통하여 포집할 수 있다. 이렇게 포집된 입자는 CNC(5)를 통하여 응축시킨 후, 광학적인 방법으로 성장시켜서 초미세 입자까지도 측정할 수 있다.

그러나 종래 기술에 따른 입자측정기는 통상적인 대기압 하에서 작동되므로, 반도체나 디스플레이 패널의 제조공정에 사용되는 각종 챔버 내부의 저압환경에 직접 적용할 수 없다. 또한 입자가 유동할 수 있도록 별도로 기체를 공급해주어야 하는데, 측정결과에 영향을 주지 않기 위해 이때 공급해주는 기체는 청정공기여야만 한다. 따라서 청정공기를 공급할 수 있는 수단이 필요하므로 장치가 복잡해지고 유지관리 비용 또한 증가한다. 그리고 대전된 입자들이 기체와 함께 유동하므로, 전기장의 영향에 의한 변위만 생기는 것이 아니라 기체와의 마찰로 인한 변위가 생길 가능성이 있으므로 측정 정밀도가 떨어지는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 저압환경에 직접 적용할 수 있는 입자측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 기체와의 마찰로 인한 영향을 최소화하여 측정 정밀도를 향상시킨 입자측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들 과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 입자측정장치는, 미세 입자를 포함한 기체를 집속, 가속하여 분출하는 입자집속가속부와, 입자집속가속부로부터 분출된 기체를 공급받는 저진공챔버와, 저진공챔버의 하류측에 직렬로 연결된 고진공챔버와, 저진공챔버와 고진공챔버를 구획하며, 기체가 통과하도록 관통구멍이 형성된 스키머와, 고진공챔버의 상류측에 설치되고, 입자를 대전시키는 입자대전부와, 고진공챔버의 하류측에 설치되고, 전기장을 형성하여 대전된 입자의 진행경로를 변경시키는 입자전향부와, 입자전향부에서 진행경로가 변경된 입자들이 입사되는 고진공챔버의 벽측에 설치되고, 입사되는 입자를 계수하는 입자계수부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 입자측정장치에 있어서, 입자전향부는, 기체의 유동방향에 대해 45도 각도로 배치되고 (+)전압이 인가되며 메쉬 형태인 제1 금속판과, 제1 금속판보다 상류측에 제1 금속판과 동일한 각도로 배치되고, 접지되며, 메쉬 형태인 제2 금속판을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 고진공챔버의 하류측 말단에 설치되고, 입사되는 입자를 계수하는 제2 입자계수부를 더 포함하고, 입자전향부는, 제1 금속판보다 하류측에 제1 금속판과 동일한 각도로 배치되고, 메쉬 형태이며, 접지된 제3 금속판을 더 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 본 발명에 따른 입자측정장치에 있어서, 입자계수부는, 입자가 고진공챔버에 진입하는 방향을 따라 복수 개가 배열된 것이 바람직하다. 또한 입자계수부는, 입자를 포집하기 위한 포집기와, 포집기에 포집된 입자를 계수하는 계수기를 포함하는 것 을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 입자측정방법은, 입자를 포함한 피측정 기체를 집속, 가속하는 단계와, 입자를 대전시키는 단계와, 입자의 유동 경로에 유동경로에 대해 45도 각도로 기울어진 방향으로 전기장을 형성하는 단계와, 전기장에 의해 전향된 입자를 계수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 입자측정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 입자측정장치의 일실시예의 구조도이다.

입자집속가속부(100)는 피측정 기체를 집속 및 가속시킨다. 입자집속가속부(100)는 튜브 형상의 관체(100a)이며, 관체 내부에는 복수의 공기역학렌즈(Aerodynamic Lens)(100b)들이 배열되어 있다. 입자가 포함된 피측정 기체는 관체로 진입하여 공기역학렌즈를 통과하면서 집속, 가속되고 최종적으로 빔의 형태로 형상이 바뀌어져 말단의 노즐(100c)을 통해 저진공챔버(500)로 진입한다. 피측정 기체가 폭이 좁은 빔의 형태로 진행하므로 입자들이 확산되는 것이 최대한 방지된다. 이때 피측정 기체가 빠른 속도로 진행할수록 입자의 확산이 감소하므로, 피측정 기체는 아음속 내지 천음속의 영역으로 가속되는 것이 바람직하다. 또한 피측정 기체의 가속은 피측정 기체의 압력과 저진공챔버(500) 사이의 압력 차이에 의해 달성된다.

따라서 저진공챔버(500)는 진공펌프(800)에 연결되어 있으며, 피측정 기체보다 낮은 압력, 예컨대 1torr 이하의 압력으로 유지된다. 저진공챔버(500)는 직렬 로 연결된 고진공챔버(700)와의 사이에서 완충 역할을 하기 위한 것이며, 고진공챔버(700)와는 스키머(600)에 의해 분리되어 있다. 또한 저진공챔버(500)에 진입한 피측정 기체 중 입자들은 관성에 의해 그대로 진행하지만, 상당량의 피측정 기체는 진공펌프(800)에 의해 외부로 배출된다.

스키머(600)는 중앙부에 통공이 형성된 판재이며, 이 통공을 통해 입자집속가속부에서 공급된 피측정 기체에 포함되어 있던 입자가 통과하여 고진공챔버(700)로 진입한다.

고진공챔버(700)는 스키머(600)를 통해 저진공챔버(500)에 직렬로 연결되어 있으며, 역시 진공펌프(800)에 연결되어, 예컨대 10^-3torr 정도의 압력으로 유지된다.

고진공챔버(700) 내에는 입자대전부(200)가 설치된다. 입자대전부(200)는 입자를 전기적으로 대전시키기 위한 것으로, 입자의 유동 경로 상에 배치되어야 하는 바, 스키머(600)의 고진공챔버 측 일면에 부착되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 스키머(600)의 통공을 통과하여 고진공챔버(700)로 진입하는 입자가 곧바로 입자대전부(200)를 통과하도록 한다. 입자대전부(200)는 통상적인 기술로 구현될 수 있으며, 예컨대 중앙부의 애노드(200a)와, 애노드를 둘러싼 캐쏘드(200b) 및 ThO₂/Ir 재질의 필라멘트(200c)로 구성할 수 있다. 애노드와 캐쏘드 사이에 수백 볼트의 전압을 인가하고, 필라멘트에 수 암페어의 전류를 인가하면 입자대전부를 통과하는 입자들은 포화상태에 이르기까지 충분히 하전된다.

입자대전부(200)를 거치면서 충분히 하전된 입자들은 입자전향부(300)로 진입한다. 입자전향부(300)는 평판 형상이며, 도 3에 도시한 바와 같이 적어도 2장, 바람직하게는 3장의 메쉬 형태로 된 금속판으로 구성된다. 각 금속판이 메쉬 형태인 것은, 아래에서 설명하는 바와 같이 입자가 통과할 수 있도록 하는 동시에 소량이나마 입자와 함께 유동하는 기체가 각 금속판과 부딪혀 입자의 진행이 교란되는 것을 방지하기 위한 것이다. 제1 금속판(300a)은 (+)전원이 인가되며, 제2 금속판(300b)는 제1 금속판(300a)에 비해 보다 상류측에 배치되고 접지된다. 제3 금속판(300c)는 제1 금속판(300a)에 비해 보다 하류측에 배치되고 역시 접지된다. 이와 같은 3장의 금속판들은 모두 입자의 유동 방향에 대해 45도 각도로 기울어지게 배치된다. 따라서 입자전향부(300)로 하전입자는 3장의 금속판 사이에 형성된 전기장의 영향을 받아 그 진행방향이 바뀌게 되는데, 특히 3장의 금속판이 입자 흐름 방향에 대해 45도 각도로 배치되어 있으므로, 그 진행방향은 90도 꺾여진다. 도 3을 참조로 보다 상세히 설명하면, 피측정 기체에 포함되어 있던 입자들은 도면에 점선으로 표시된 진입경로(50)를 따라 3장의 금속판을 향해 진입한다. 제2 금속판(300b)이 접지되어 있고, 제1 금속판(300a)는 (+)전원이 인가되어 있으며, 하전입자들은 (+)전하를 띄고 있으므로, 전기장에 의해 쿨롱 힘을 받게 된다. 따라서 비교적 질량이 작은 입자들은 진행방향이 도면을 기준으로 좌측에서 입사되어 상방으로 전향되며, 비교적 질량이 큰 입자들은 보다 큰 운동량과 운동에너지를 가지므로 전기장에 의해 완전히 전향되지 않고 제2 금속판 및 제1 금속판을 차례로 통과하기도 한다.

비교적 질량이 작아 제1 금속판(300a) 전면에서 전향된 입자들은 그 질량에 비례하여 제1 전향경로(52), 제2 전향경로(53), 제3 전향경로(54)를 따라 각각 분류되어 진행한다. 즉, 입자전향부(300)로 입사되는 입자들은 일정한 오차 범위 이내에서 동일한 속도를 가지므로, 가장 가벼운 입자는 전기장의 영향을 강하게 받아 제일 먼저 전향되어 제1 전향경로(51)를 따라 진행하며, 그 다음으로 가벼운 입자는 차례대로 제2 전향경로(52), 제3 전향경로(53)를 따라 각각 진행한다. 한편 제1 금속판(300a)까지 통과한 입자는 제1 금속판과 제3 금속판(300c) 사이에 형성된 전기장의 영향을 받아 제3 금속판(300c) 마저 통과하여 도면을 기준으로 우측 방향으로 표시된 점선인 이탈경로(54)를 따라 진행한다.

이상에서 입자전향부(300)에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 제1 금속판을 통과할 수 있는 입자의 임계질량을 결정할 수 있다. 예컨대 입자전향부(300)에 일정 정도 이상의 고전압을 인가할 경우 제1 금속판을 모두 통과하는 입자가 하나도 없게 할 수 있으며, 이 경우 제3 금속판(300c)은 필요하지 않다. 제3 금속판(300c)은 제1 금속판과 제2 금속판 사이에 형성되는 전기장과는 반대방향으로 전기장을 형성하여 제1 금속판을 통과한 입자가 원활히 진행하도록 하기 위한 것이므로, 제1 금속판을 통과하는 입자가 없다면 필요하지 않기 때문이다.

입자계수부(400)는 고진공챔버(700)의 벽에 설치되며, 통상적인 입자계수장치를 사용할 수 있으나, 하전입자의 진입에 따른 전류를 측정하는 방식의 입자계수장치인 것이 바람직하다. 또한 입자계수부(400)는 입자를 포집하는 포집기(400a)를 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 입자계수부(400)는 입자전향부(300)에서 전 향된 입자들이 진행하는 경로, 즉 제1 내지 제3 전향경로(52, 53, 54)상에 각각 배치되는 것이 바람직하다. 다시 말해 입자계수부(400)는 피측정 기체에 포함되어 있던 입자의 최초 진행방향, 보다 정확하게는 진입경로(50)와 나란한 방향으로 복수 개(400a, 400b, 400c)가 배열되어 있는 것이 바람직하다. 도면에는 3개의 포집기(400a, 400b, 400c)가 구비된 것으로 도시하였으나, 그 이상의 포집기를 구비할 수 있으며, 각 포집기(400a, 400b, 400c)는 하나의 입자계수부(400)에 연결되어 있을 수도 있고, 같은 수로 마련된 복수의 입자계수부에 각각 연결되어 있을 수도 있다. 어느 경우이거나 입자의 크기 분포에 대해 정밀하고도 월등히 신속한 측정결과를 얻을 수 있다. 입자계수부가 하나밖에 마련되지 않은 경우에는 동일한 피측정 기체에 대해 입자전향부(300)에 인가되는 전압을 변화시켜가면서 여러 차례 측정하여야만 입자 크기의 분포를 측정할 수 있으므로 측정에 소요되는 시간 및 비용이 현저히 증가하는 문제점을 해결할 수 있다. 또한 제3 금속판(300c)이 구비된 경우에는 이탈경로(51) 상에도 포집기(410a)를 포함한 입자계수부(410)가 별도로 마련된 것이 바람직하다.

이하에서는 도 4를 참조로 본 발명에 따른 입자측정방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 입자가 포함된 피측정 기체를 집속, 가속하고 진공펌프에 연결된 저압환경 내부로 공급한다(S100). 즉, 피측정기체는 공기역학렌즈에 의해 집속하고 압력 차이에 의해 가속된다. 이 과정에서 저압환경으로 진입한 피측정 기체는 진공펌프에 의해 상당량이 분리되어 외부로 배출되며, 소량의 기체와 입자가 계속하여 진행한다.

다음으로 저압환경 내부로 진입한 입자를 대전시킨다(S200). 입자를 대전시키기 위해 공지의 입자대전장치를 사용할 수 있다.

대전된 입자를, 입자의 유동방향에 대해 45도 각도로 기울어지게 형성된 전기장으로 진입시킨다(S300). 따라서 입자는 전기장의 영향에 의해 그 유동방향이 90도 전향된다. 이때 전기장을 형성하기 위한 구성은 메쉬 형태의 금속판 한 쌍 이상을 전원에 연결한 것이 바람직하다.

유동방향이 전향된 입자를 입자계수기로 측정한다(S400).

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 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.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 입자측정장치 및 방법은 피측정 기체보다 더 낮은 압력 하에서 측정을 실시하므로 반도체나 LCD 제조공정에 사용되는 각종 저압 챔버 내의 기체에 대해 직접 입자를 측정할 수 있다. 또한, 입자를 포함한 피측정 기체는 분리하고 입자만을 진행시켜서 측정할 수 있으므로 기체와의 마찰에 의해 입자의 유동이 교란되어 야기되는 문제점을 해결할 수 있다. 그리고 입자계수부를 복수 개 구비하여 입자 크기에 따른 분포를 신속하게 측정할 수 있다.

Claims

미세 입자를 포함한 기체를 집속, 가속하여 분출하는 입자집속가속부와,

상기 입자집속가속부로부터 분출된 기체를 공급받는 저진공챔버와,

상기 저진공챔버의 하류측에 직렬로 연결된 고진공챔버와,

상기 저진공챔버와 고진공챔버를 구획하며, 상기 기체가 통과하도록 관통구멍이 형성된 스키머와,

상기 고진공챔버의 상류측에 설치되고, 상기 입자를 대전시키는 입자대전부와,

상기 고진공챔버의 하류측에 설치되고, 전기장을 형성하여 상기 대전된 입자의 진행경로를 변경시키는 입자전향부와,

상기 입자전향부에서 진행경로가 변경된 입자들이 입사되는 상기 고진공챔버의 벽측에 설치되고, 상기 입사되는 입자를 계수하는 입자계수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자측정장치.
제1항에 있어서, 상기 입자전향부는,

상기 기체의 유동방향에 대해 45도 각도로 배치되고 (+)전압이 인가되며 메쉬 형태인 제1 금속판과,

상기 제1 금속판보다 상류측에 상기 제1 금속판과 동일한 각도로 배치되고, 접지되며, 메쉬 형태인 제2 금속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자측정장치.
제2항에 있어서,

상기 고진공챔버의 하류측 말단에 설치되고, 입사되는 입자를 계수하는 제2 입자계수부를 더 포함하고,

상기 입자전향부는, 상기 제1 금속판보다 하류측에 상기 제1 금속판과 동일한 각도로 배치되고, 메쉬 형태이며, 접지된 제3 금속판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자측정장치.
제1항에 있어서, 상기 입자계수부는,

상기 입자가 상기 고진공챔버에 진입하는 방향을 따라 복수 개가 배열된 것을 특징으로 하는 입자측정장치.
제4항에 있어서, 상기 입자계수부는,

입자를 포집하기 위한 포집기와,

상기 포집기에 포집된 입자를 계수하는 계수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자측정장치.
입자를 포함한 피측정 기체를 집속, 가속하는 단계와,

상기 입자를 대전시키는 단계와,

상기 입자의 유동 경로에 상기 유동경로에 대해 45도 각도로 기울어진 방향 으로 전기장을 형성하는 단계와,

상기 전기장에 의해 전향된 입자를 계수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자측정방법.