KR20080017929A - 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력측정장치 및 그 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고진공 (<10-7 Pa) 용기에 부착된 열음극 이온게이지에서 방출되는 기체의 종류와 압력을 잔류기체분석기를 이용하여 측정하는 장치와 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 내부가 격판(235)에 의해 압력용기(210)와 배출용기(220)로 구획되고, 격판(235)에 오리피스(230)가 형성된 진공용기(200); 진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착되고, 진공시 방출가스를 방출하는 이온게이지(100); 진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착되어 잔류가스의 조성과 압력을 측정하는 잔류가스 분석기(240); 진공용기(200)중 배출용기(220)의 일측에 위치하여 내부 가스를 배출하는 펌프수단; 및 진공용기(200)에 부착되어 진공용기(200)를 소정 온도로 가열하는 가열수단;이 제공된다.
진공, 압력, 용기, 배출, 펌프, 이온게이지, 방출, 가스, 기체, 측정

Description

잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치 및 그 측정방법{Apparatus and method of desorbed gas species and quantities measurements from ionization gauges using residual gas analyzer}
도 1은 본 발명에서 사용되는 열음극 이온게이지의 원리를 나타내기 위한 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 방출기체 조성과 압력 측정장치의 개략적인 단면도,
도 3은 제 1, 2 이온게이지(100a, 100b)를 켰을 때 방출되는 기체의 조성과 압력을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 열음극 이온게이지, 100a : 제 1 이온게이지,
100b : 제 2 이온게이지, 102 : 그리드,
104 : 필라멘트, 106 : 본체,
108 : 이온 콜렉터, 110 : 그리드 전극선,
112 : 진공포트, 114 : 열전자,
116 : 가스분자, 118 : 이온,
120 : 증폭기, 125 : 압력계,
140 : 제 3 직류전원, 142 : 가변저항,
144 : 제 2 직류전원, 146 : 제 1 직류전원,
200 : 진공용기, 210 : 압력용기,
220 : 배출용기, 230 : 오리피스,
235 : 격판, 240 : 잔류기체 분석기,
250 : 가열판, 260 : 터보분자펌프,
270 : 트랩, 280 : 로터리 펌프.
본 발명은 초고진공 (<10-7 Pa) 용기에 부착된 열음극 이온게이지에서 방출되는 기체의 종류와 압력을 잔류기체분석기를 이용하여 측정하는 장치와 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 첨단 디스플레이나 반도체 공정에서 사용하는 이온게이지는 고진공 및 초고진공의 압력을 측정에 활용되고 있는 압력센서이다. 도 1은 본 발명에서 사용되는 열음극 이온게이지의 원리를 나타내기 위한 개략적인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본체(106)는 투명한 유리 또는 금속재로 형성되며, 내부에는 필라멘트(104)가 구비되어 있다.
진공포트(112)는 압력용기(210)와 연결되는 부분이고, 중심의 상부로부터 이온 콜렉터(108)가 연장되어 매달려 있다.
저면 일측으로는 필라멘트(104)가 구비되어 있으며, 저면 타측에는 그리드 전극선(110)이 구비되어 있다. 또한, 필라멘트(104)의 양단에는 제 3 직류전원(140)과 가변저항(142)이 각각 연결되고, 그리드 전극선(110)에는 175 V 정도의 제 2 직류전원(144)이 연결된다. 25 V의 제 1 직류전원(146)은 가변저항(142)과 제 2 직류전원(144) 사이에 연결되어 있다.
증폭기(120)는 이온콜렉터(108)와 연결되어 있으며, 압력계(125)는 증폭기(120)와 직렬로 연결되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 이온게이지(100)의 압력 측정 원리는 다음과 같다. 즉, 진공포트(112)를 통해 이온게이지(100) 내부에 진공이 형성되면, 이온게이지(100)의 내부에는 매우 드문 갯수의 가스 분자들이 존재하게 된다.
이 때, 필라멘트(104)를 흐르는 전류에 의해 방출된 열전자(114)는 가스 분자와 충돌하여 이온(118)을 생성하게 된다. 이와 같이 생성된 이온(118)은 이온 콜렉터(108)에 모여지고, 모여지는 이온(118)의 갯수에 비례하여 미세한 전류를 생성하게 된다. 증폭기(120)는 이와 같이 출력되는 미세 전류를 증폭하고, 압력계(125)는 증폭된 전류 신호에 비례하여 이온게이지(100) 내부의 압력을 표시하게 된다.
그런데, 이와 같은 종래의 열음극 이온게이지는 다음과 같은 문제점이 있었다. 즉, 이온게이지(100)가 초고진공 (<10-7 Pa)하에 있을 때, 이온 게이지(100) 자체에서 기체가 방출되는 현상이 있다. 이러한 이온게이지(100)에서 방출된 기체는 진공용기를 오염시키거나 압력 상승의 요인이 되기 때문에 정확한 진공압력의 측정 이 어려웠다.
지금까지는 열음극 이온게이지에서 방출되는 기체의 종류와 양(즉, 압력)을 정량적으로 알지 못했으므로 진공공정에 미치는 영향 또한 예측할 수 없었다. 따라서, 이온게이지(100)의 방출기체에 의한 공정의 오염 정도가 제품의 질이나 수명에 미치는 효과도 예측할 수 없었다.
특히, 반도체나 디스플레이 등 첨단 진공공정중 고진공 측정이 꼭 필요한 이온게이지에서 방출된 기체가 공정중의 다른 기체와 반응하기도 하고 압력을 높이기도 하므로 이 기체들이 제품의 성능이나 수명을 떨어뜨리는 요인이 되곤 하였다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 반도체나 첨단 디스플레이 장치의 제조공정중 꼭 필요한 이온게이지에서 방출되는 기체의 종류와 양을 정량적으로 측정하여 정확한 진공 압력의 측정을 가능하게 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은, 방출기체의 종류와 양을 측정하여 공정중 예상치 못한 화학 반응을 방지하고, 타 공정장치를 보호하며, 생산되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 내부가 격판(235)에 의해 압력용기(210)와 배출용기(220)로 구획되고, 격판(235)에 오리피스(230)가 형성된 진공용기(200);
진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착되고, 진공시 방출가스를 방출하는 이온게이지(100);
진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착되어 잔류가스의 조성과 압력을 측정하는 잔류가스 분석기(240);
진공용기(200)중 배출용기(220)의 일측에 위치하여 내부 가스를 배출하는 펌프수단; 및
진공용기(200)에 부착되어 진공용기(200)를 소정 온도로 가열하는 가열수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 이온게이지(100)는 복수개의 이온게이지(100a, 100b)이고, 각각 개별적으로 켜지고 꺼질 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 가열수단은 전열 히터이고, 진공용기(200)가 150 ℃ ~ 250 ℃ 범위가 되도록 가열하는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 펌프수단은,
배출용기(220)측에 연결되는 터보분자펌프(260); 및
터보분자펌프(260)에 직렬로 연결되는 로터리 펌프(280)인 것이 적합할 수 있고, 터보분자펌프(260)는 진공용기(200)의 내부압력을 1×10-5 Pa 이하까지 유지할 수 있고, 그리고 로터리 펌프(280)는 진공용기(200)의 내부압력을 1 Pa 이하까지 유지할 수 있는 용량이다.
그리고, 진공용기(200)의 직경이 250 mm 일 때, 오리피스(230)의 내경은 10 mm의 비율인 것이 바람직하다.
또한, 진공용기(200)의 내부는 상부에 압력용기(210)가 위치하고, 하부에 배출용기(220)가 위치하도록 구획되어 있으며, 진공용기(200)는 스테인레스 재질일 수 있다.
그리고, 본 발명에서 이온게이지는 열음극 이온게이지이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 카테고리로서, 내부가 격판(235)에 의해 압력용기(210)와 배출용기(220)로 구획되고, 격판(235)에 오리피스(230)가 형성된 진공용기(200)를 펌프수단으로 배기하여 도달진공도가 1×10-5 Pa 이하가 되도록 하는 초기단계(S100);
진공용기(200)에 부착된 가열수단을 이용하여 진공용기(200)를 200℃까지 가열하여 수분과 오염물을 제거하는 단계(S110);
진공용기(200)를 상온까지 냉각하여 도달진공도가 1×10-7 Pa 이하가 되도록 하는 단계(S120);
진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착된 잔류가스 분석기(240)를 켜서 압력용기(210) 내부의 가스 조성과 압력을 측정하는 단계(S130);
진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착된 이온 게이지(100)를 켜서 이온 게이지(100)로부터 가스를 방출시키는 단계(S140);
잔류가스 분석기(240)를 이용하여 방출가스의 조성과 압력을 측정하는 측정 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정방법에 의해서도 달성될 수 있다.
그리고, 초기단계(S100) 내지 측정단계(S150)는 소정 횟수만큼 반복되어 측정될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.
이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 방출기체 조성과 압력 측정장치의 개략적인 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구성은 크게 진공용기(200)와 주변장치로 구분할 수 있다.
진공용기(200)는 탈가스의 배출을 방지하기 위해 스테인레스 재질로 제작되며 직경이 약 250 mm 정도인 원통형상이다. 이러한 진공용기(200)의 내부는 격판(235)에 의해 상부의 압력용기(210)와 하부의 배출용기(220)로 구획되어 있다. 격판(235)은 같은 스테인레스 재질의 강판으로서 중심에 직경 약 10 mm 정도의 오리피스(230)가 관통되어 있다. 오리피스(230)의 구멍이 너무 크면 압력용기(210)와 펌프(260, 280) 사이의 컨덕턴스가 커져 안정된 압력을 얻을 수 없고, 오리피스(230)의 구멍이 너무 작으면 배기와 진공 형성에 많은 시간이 소요되고 펌프(260, 280)에 부하가 걸리는 문제점이 있다.
이러한 오리피스(230)는 압력용기(210)와 펌프(260, 280) 사이의 컨덕턴스를 줄임으로서 펌프의 배기속도 감소로 압력용기(210)에 안정된 압력을 발생하도록 한다.
압력용기(210)의 둘레로는 잔류기체 분석기(240)와 이온게이지(100a, 100b)가 설치된다. 잔류기체분석기(240)(residual gas analyzer, RGA)는 압력용기(210)의 외측 둘레면에 부착되어 잔류기체의 성분과 압력을 측정한다.
배출용기(220)의 하부로는 터보분자펌프(260)가 연결된다.
이러한 진공용기(200)의 외면은 전체적으로 가열판(250)에 의해 둘러 싸여져 있다. 가열판(250)은 진공용기(200)를 가열(bake-out)하여 압력용기 내부의 수분과 오염 물질을 제거하는데 사용된다. 이러한 가열판(250)의 대표적인 실시예는 전열 히터이다. 또한, 미도시되었으나, 가열판(250)은 피드백 제어를 통해 일정한 온도(예를 들어, 200 ℃)로 유지되도록 제어될 수 있다.
제 1 이온게이지(100a)와 제 2 이온게이지(100b)는 압력용기(210)에 대해 병렬로 연결되며, 개별적으로 켜거나 끌 수 있다.
터보분자펌프(260)는 흡입측이 배출용기(220)에 연결되어 있고 1×10-5 Pa 정도의 고진공을 형성할 수 있는 용량을 갖는다. 로터리 펌프(280)는 터보분자펌프(260)의 토출측에 직렬로 연결되며 1 Pa 정도의 저진공을 형성할 수 있는 용량을 갖는다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 통합 교정장치의 동작방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
(동작 방법)
우선, 터보분자펌프(260)와 로터리 펌프(280)를 구동하여 진공용기(200) 내부의 도달진공도가 1×10-5 Pa 이하가 되도록 한다(S100).
그 다음, 가열판(250)을 이용하여 진공용기(200)를 200℃까지 가열하여 수분과 오염물을 제거한다(S110).
그 다음, 진공용기(200)를 상온까지 냉각하여 도달진공도가 1×10-7 Pa 이하가 되도록 한다(S120). 가열을 통해 부피 팽창된 가스(수분 포함)와 증발된 불순물이 펌프를 통해 배출되고, 냉각되었을 경우에는 진공도가 더 높아지는 원리이다. 150℃ 미만에서는 수분의 증발에 많은 시간이 걸리고 냉각되었을 때 진공도가 크게 높아지지 않으며, 250℃ 이상에서는 다른 실험 기자재에 온도부하를 미쳐 성능이 저하되거나 필요이상의 가열이 될 수 있다.
그 다음, 진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착된 잔류가스 분석기(240)를 켜서 압력용기(210) 내부의 가스 조성과 압력을 측정한다(S130).
그 다음, 진공용기(200)중 압력용기(210)측에 부착된 제 1 이온 게이지(100a)를 켜서 이온 게이지(100)로부터 가스를 방출시킨다(S140).
그 다음, 잔류가스 분석기(240)를 이용하여 방출가스의 조성과 압력을 측정한다(S150).
이와 같은 초기단계(S100) 내지 측정단계(S150)는 필요에 따라 소정 횟수만큼 반복되어 측정될 수 있다. 뿐만 아니라, 제 1 이온게이지(100a)를 끄고, 제 2 이온게이지(100b)를 켜서 동일한 실험을 반복할 수 있다.
도 3은 제 1, 2 이온게이지(100a, 100b)를 켰을 때 방출되는 기체의 조성과 압력을 나타내는 그래프이다. 도 3에서, 수평축은 임의눈금 (arbitrarily scale)으로 즉 스캔 시간이고, 수직축은 방출 기체의 압력이다. 도 3의 그래프에서 그래프의 위에 표시한 것처럼 방출량이 많은 것으로 사전에 조사된 H2, C, CH4, H2O, CO, CO2 만 검출하였다. 수평축의 제 1 이온게이지와 제 2 이온게이지는 각각 다른 시간에 측정한 것을 한곳에 놓고 쉽게 비교하기 위하여 한 그래프에 같이 그린 것이다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 반도체나 첨단 디스플레이 장치의 제조공정중 꼭 필요한 이온게이지에서 방출되는 기체의 종류와 양을 정량적으로 측정하여 정확한 진공 압력의 측정이 가능하게 된다.
그리고, 방출기체의 종류와 양을 측정하여 공정중 예상치 못한 화학 반응을 방지하고, 타 공정장치를 보호하며, 생산되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 진공용기(200) 내부에 오리피스(230)를 갖는 격판(235)을 부착함으로서, 압력용기(210)와 배출용기(220) 사이의 콘덕턴스(conductance)를 줄임으로서 펌프의 배기속도가 감소된다. 이로서, 압력용기(210)의 내부압력 안정화 가 가능하므로 측정의 정확도를 높일 수 있다. 또한 진공용기(200)의 주변에 가열판(250)를 부착하여 미리 용기 내부의 수분이나 오염물질의 제거가 가능하므로 이온게이지(100) 자체에서 방출된 기체만을 검출하여 측정효과를 높일 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (11)

  1. 내부가 격판(235)에 의해 압력용기(210)와 배출용기(220)로 구획되고, 상기 격판(235)에 오리피스(230)가 형성된 진공용기(200);
    상기 진공용기(200)중 상기 압력용기(210)측에 부착되고, 진공시 방출가스를 방출하는 이온게이지(100);
    상기 진공용기(200)중 상기 압력용기(210)측에 부착되어 상기 잔류가스의 조성과 압력을 측정하는 잔류가스 분석기(240);
    상기 진공용기(200)중 상기 배출용기(220)의 일측에 위치하여 내부 가스를 배출하는 펌프수단; 및
    상기 진공용기(200)에 부착되어 상기 진공용기(200)를 소정 온도로 가열하는 가열수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온게이지(100)는 복수개의 이온게이지(100a, 100b)이고, 각각 개별적으로 켜지고 꺼질 수 있는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열수단은 전열 히터이고, 상기 진공용기(200)가 150 ℃ ~ 250 ℃ 범 위가 되도록 가열하는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프수단은,
    상기 배출용기(220)측에 연결되는 터보분자펌프(260); 및
    상기 터보분자펌프(260)에 직렬로 연결되는 로터리 펌프(280)인 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 터보분자펌프(260)는 상기 진공용기(200)의 내부압력을 1×10-5 Pa 이하까지 유지할 수 있고, 그리고
    상기 로터리 펌프(280)는 상기 진공용기(200)의 내부압력을 1 Pa 이하까지 유지할 수 있는 용량인 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공용기(200)의 직경이 250 mm 일 때, 상기 오리피스(230)의 내경은 10 mm의 비율인 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공용기(200)의 내부는 상부에 압력용기(210)가 위치하고, 하부에 배출용기(220)가 위치하도록 구획된 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 진공용기(200)는 스테인레스 재질인 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한항에 있어서, 상기 이온게이지는 열음극 이온게이지인 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정장치.
  10. 내부가 격판(235)에 의해 압력용기(210)와 배출용기(220)로 구획되고, 상기 격판(235)에 오리피스(230)가 형성된 진공용기(200)를 펌프수단으로 배기하여 도달진공도가 1×10-5 Pa 이하가 되도록 하는 초기단계(S100);
    상기 진공용기(200)에 부착된 가열수단을 이용하여 상기 진공용기(200)를 200℃까지 가열하여 수분과 오염물을 제거하는 단계(S110);
    상기 진공용기(200)를 상온까지 냉각하여 도달진공도가 1×10-7 Pa 이하가 되도록 하는 단계(S120);
    상기 진공용기(200)중 상기 압력용기(210)측에 부착된 잔류가스 분석기(240)를 켜서 상기 압력용기(210) 내부의 가스 조성과 압력을 측정하는 단계(S130);
    상기 진공용기(200)중 상기 압력용기(210)측에 부착된 이온 게이지(100)를 켜서 상기 이온 게이지(100)로부터 가스를 방출시키는 단계(S140);
    상기 잔류가스 분석기(240)를 이용하여 상기 방출가스의 조성과 압력을 측정하는 측정단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 초기단계(S100) 내지 상기 측정단계(S150)는 소정 횟수만큼 반복되어 측정되는 것을 특징으로 하는 잔류기체분석기에 의한 이온게이지의 방출기체 조성과 압력 측정방법.
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