KR20110056730A - 고온 열처리 시편 표면 분석 장치 및 이를 이용한 고온 열처리 시편 표면 분석 방법 - Google Patents

고온 열처리 시편 표면 분석 장치 및 이를 이용한 고온 열처리 시편 표면 분석 방법 Download PDF

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Abstract

시편을 가열한 상태 혹은 가열 후 냉각한 상태에서 공기와의 접촉없이 직접 시편의 표면을 분석할 수 있는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치 및 이를 이용한 고온 열처리 시편 표면 분석 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치는 시편을 투입하기 위한 도어와, 상기 시편을 고정하기 위한 홀더를 구비하는 준비 챔버; 상기 시편의 표면을 분석하기 위한 X-선 광전자 분석기(X-ray photoelectron spectroscopy)를 구비하는 열처리/분석 챔버; 상기 준비 챔버와 상기 열처리/분석 챔버 사이에 상기 시편이 고정된 홀더를 이송하기 위한 이송 수단; 터널의 형태로서, 상기 준비 챔버와 열처리/분석 챔버를 연결하는 이송관; 및 상기 이송관의 중앙부에 배치되어, 상기 시편 이송시에만 개방되는 게이트;를 포함하고, 상기 홀더는 1200℃에서 내열성이 있는 재질로 형성되며, 상기 시편은 상기 열처리/분석 챔버 내에서 특정 온도로 가열된 상태 혹은 가열 후 냉각된 상태에서 공기와의 접촉없이 표면 분석이 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

고온 열처리 시편 표면 분석 장치 및 이를 이용한 고온 열처리 시편 표면 분석 방법 {SURFACE ANALYSIS APPARATUS OF THERMAL ANNEALED SAMPLE AND SURFACE ANALYSIS METHOD OF THERMAL ANNEALED SAMPLE USING THE APPARATUS}
본 발명은 X-선 광전자 분석기(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용한 시편 표면 분석 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시편을 가열한 상태 또는 시편 가열 후 냉각한 상태에서 공기와의 접촉없이 직접 시편의 표면을 분석함으로써, 시편의 표면을 분석하기 위하여 다시 시편을 열처리 장비 등으로 이동시킬 필요가 없으며 또한 시편 표면 분석의 신뢰성을 높일 수 있는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치 및 이를 이용한 고온 열처리 시편 표면 분석 방법에 대한 것이다.
강판 제조, 반도체 소자 제조 등 여러 제조 분야에서는 제조물 표면의 상태 등을 분석하기 위하여, 표면 분석 장치를 이용하고 있다.
표면 분석의 가장 일반적인 방법은 표면 분석을 실시하고자 하는 제조물의 시편을 제작하여, 상온에서 X-선 광전자 분석기(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 시편의 표면을 분석하는 것이다.
이는 현재 고온 열처리 시편의 경우에도 마찬가지로 적용되고 있다. 즉, 시편을 고온에서 열처리한 후, 다시 상온으로 냉각한 후 시편의 표면을 분석하고 있다.
그러나, 상기 방법은 시편을 진공 챔버 등에서 열처리한 후, 다시 외부로 이송한 후 표면 분석을 실시함으로써 시편 표면 분석 과정이 복잡하다.
또한, 상기 방법은 시편의 표면을 분석하기 위하여 별도로 분석챔버등으로 시편을 이송함으로써 이송중 시편의 표면이 산화될 수 있으므로, 시편 표면 분석의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
본 발명의 목적은 시편을 가열한 상태에서 혹은 가열 후 냉각된 상태에서 직접 표면 분석을 실시하여, 시편을 열처리한 후 표면을 분석하기 위하여 별도로 분석챔버로 이송할 필요가 없는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 이용하여, 시편이 가열된 상태 혹은 가열 후 냉각된 상태에서 공기와의 접촉없이 직접 표면을 분석하여 시편의 표면 분석 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고온 열처리 시편 표면 분석 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치는 시편을 투입하기 위한 도어와, 상기 시편을 고정하기 위한 홀더를 구비하는 준비 챔버; 상기 시편의 표면을 분석하기 위한 X-선 광전자 분석기(X-ray photoelectron spectroscopy)를 구비하는 열처리/분석 챔버; 상기 준비 챔버와 상기 열처리/분석 챔버 사이에 상기 시편이 고정된 홀더를 이송하기 위한 이송 수단; 터널의 형태로서, 상기 준비 챔버와 열처리/분석 챔버를 연결하는 이송관; 및 상기 이송관의 중앙부에 배치되어, 상기 시편 이송시에만 개방되는 게이트;를 포함하고, 상기 홀더는 1200℃에서 내열성이 있는 재질로 형성되며, 상기 시편은 상기 열처리 /분석 챔버 내에서 특정 온도로 가열된 상태 혹은 가열 후 냉각된 상태에서 공기와의 접촉없이 표면 분석이 수행되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 홀더는 실리콘으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 홀더는 써멀 커플(Thermal Couple)과 접촉하여 전기저항 가열될 수 있으며, 상기 시편은 상기 홀더에 의하여 간접 가열될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 방법은, 상기 제시된 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 이용하여 수행하며, (a) 표면 분석의 대상이 되는 시편을 준비하는 단계; (b) 준비 챔버의 도어를 개방하고, 상기 시편을 상기 준비 챔버 내에 배치되어 있는 홀더에 고정하는 단계; (c) 게이트를 개방하고, 상기 시편이 고정된 홀더를 열처리/분석 챔버로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 열처리/분석 챔버에서 상기 이송된 홀더에 고정된 시편을 가열한 상태에서 또는 가열 및 냉각한 상태에서 공기와의 접촉없이 상기 시편의 표면을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치는 열처리/분석 챔버에서 시편의 열처리 및 표면 분석이 함께 진행될 수 있으므로, 시편을 열처리한 후 표면을 분석하기 위하여 별도로 외부의 시편 분석 장비 등으로 이송할 필요가 없다.
또한, 본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치는 시편이 가열된 상태 또는 가열 후 냉각된 상태에서 공기와의 접촉없이 직접 시편 표면 분석이 이루 어지므로, 시편 표면 분석의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치 및 이를 이용한 고온 열처리 시편 표면 분석 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 고온 열처리 시편 표면 분석 장치의 측면 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도시된 고온 열처리 시편 표면 분석 장치는 준비 챔버(110), 열처리/분석 챔버(120), 이송 수단(125, 130a, 130b), 이송관(140) 및 게이트(150)를 포함한다.
준비 챔버(110)는 시편(101)을 투입하기 위한 도어(111)와, 시편을 고정하기 위한 홀더(112)를 구비한다.
준비 챔버(110)는 시편(101)을 투입할 때에는 도어(111)가 개방되어비진공 상태가 되나, 시편(101)이 투입된 후에는 도어가 닫혀 진공 상태를 형성할 수 있는 구조를 갖는다.
열처리/분석 챔버(120)는 홀더(112)를 이송하기 위한 이송수단(125, 130a, 130b)과, 시편(101)의 표면을 분석하기 위한 X-선 광전자 분석기(X-ray photoelectron spectroscopy, 122)를 구비한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, X-선 광전자 분석기(122)는 열처리/분석 챔버(120) 내부 상측에 배치될 수 있다.
이때, 홀더(112)는 1,200℃에서 내열성이 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 재질로는 용융점이 1,414℃로 1,200℃ 정도의 온도에서 내열성이 있으며, 또한 전기저항 가열 가능한 실리콘이 제시될 수 있다.
홀더(112)의 재질을 상기와 같이, 1,200℃에서 내열성이 있는 재질로 한정하는 이유는 시편의 열처리 온도가 높게는 대략 900℃가 될 수 있기 때문에, 이러한 시편의 열처리 온도에서 홀더(112)가 열에 의한 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.
홀더(112)에 고정되는 시편(101)은 열처리/분석 챔버(120) 내에서 가열된 상태 혹은 가열 후 냉각된 상태에서 X-선 광전자 분석기(122)에 의해 표면 분석이 수행된다.
종래에는 시편(101)의 표면 분석을 위하여 진공 챔버에서 열처리를 수행한 후, 외부의 표면 분석 장비 등으로 이송 과정을 거쳐야만 했다. 그러나, 이 경우, 시편이 이송되면서 공기와 접촉하여 표면이 산화될 수 있어, 시편의 표면 분석 신뢰도가 저하될 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 열처리/분석 챔버(120) 내에서 직접 표면 분석이 이루어지므로, 시편이 공기와 접촉하지 않게 되므로, 시편 표면 분석 신뢰도를 높일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치는 대략 20℃ 정도의 상온부터 900℃ 정도의 고온에서도 시편의 표면 분석이 쉽고, 정확하게 이루어질 수 있다.
이송 수단(125, 130a, 130b)은 준비 챔버(110)와 열처리/분석 챔버(120) 사이에 시편(101)이 고정된 홀더(112)를 이송한다. 이송 수단은 홀더의 양 측면을 고정하는 홀더 이송부(130a, 130b)와 상기 홀더 이송부(130a, 130b)의 하부에 배치되어, 홀더(112) 및 홀더 이송부(130a, 130b)는 이송 지지부(125)를 포함한다.
도면에는 도시되지 않았으나, 이송 지지부(125)는 준비 챔버(110), 열처리/분석 챔버(120) 내부에 마련된 지지대 등에 의하여 하부가 지지될 수 있다.
한편, 도 2a 및 도 2b와 같이, 홀더 이송부 중 하나(130a)는 열처리/ 분석 챔버 상에 고정될 수 있고, 홀더 이송부 중 다른 하나(130b)는 컨베이어 벨트, 길이를 조절하는 방식, 자바라(주름관) 방식 등과 같이 홀더(112)를 준비 챔버(110)와 열처리/분석 챔버(120) 사이로 이동시킬 수 있는 형태가 될 수 있다.
이송관(140)은 준비 챔버(110)와 열처리/분석 챔버(120)를 연결하는 터널의 형태이다.
게이트(150)는 이송관(140)의 중앙부에 배치된다. 게이트(150)의 주요 목적은 열처리/분석 챔버(120)가 항상 진공을 유지할 수 있도록 하는 것이다. 이를 위하여, 게이트(150)는 시편(101)이 이송되는 경우에만 개방(open)된다.
시편(101)이 준비 챔버(110)에 투입될 때, 게이트(150)는 폐쇄(close)된다. 이 경우 준비 챔버(110)는 비진공 상태가 되며, 진공 상태를 유지하고 있는 열처리/분석 챔버(120)는 게이트(150)가 폐쇄되어 있으므로, 진공 상태를 계속하여 유지한다.
시편(101)이 준비 챔버(110)에서 이송될 때, 준비 챔버(110)는 진공으로 형성되고, 게이트(150)는 개방된다. 이때, 게이트(150)가 개방되더라도 준비 챔버(110)가 진공 상태이므로, 열처리/분석 챔버(120)는 계속하여 진공 상태가 된다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 적용되는 홀더를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 시편(101)은 홀더(112) 상에 고정된다. 시편을 고정하는 구조는, 홀더(112)에서 시편이 고정되는 부분의 가장자리에 돌출부를 형성하는 구조, 홀더(112)에 시편의 형상에 대응하는 요입홈을 형성하는 구조 등이 있다. 또한, 클립을 사용하여 홀더(112)에 시편(101)을 고정하거나, 카본 테입 등과 같은 점착 수단으로 홀도(112)에 시편(101)을 고정할 수 있다. 상기 열거된 방식들 이외에도 시편(101)은 다양한 방식으로 홀더(112)에 고정될 수 있다.
한편, 홀더(112)는 써멀 커플(Thermal Couple, 135)과 접촉할 수 있다. 써멀 커플(135)은 사용 온도에 따라 여러가지 타입을 가지고 있으며, 본 발명의 경우, K-type 써멀 커플이 이용될 수 있다.
또한, 써멀 커플(135)은 홀더 또는 시편의 온도를 감지하여, X-선 광전자 분석기(122)나 다른 디스플레이 수단 등으로 결과값을 전송한다.
이때, 홀더(112)는 써멀 커플(135)과 접촉하여 전기저항 가열 방식으로 가열될 수 있으며, 시편(101)은 홀더(112)의 열에 의하여 간접 가열될 수 있다.
전기저항 가열은 전기 저항체에 전류가 흐를 때 발생하는 줄열(Joule's heat)을 이용하여 피가열체를 가열하는 것을 통칭하는 것이다.
전기저항 가열은 열전달 방식에 따라 전도 가열식(conduction heating), 대류 가열식(convection heating), 복사 가열식(radiation heating) 등으로 구분할 수 있다. 이중, 본 발명에서 구체적으로 적용되는 방식은 전기 저항체인 홀더(112)를 써멀 커플(113)에 전기적으로 연결하여 가열하는 전도가열 방식이다.
또한, 홀더(120)의 양 측면에는 도 3c에 도시한 바와 같이, 홀더 이송부(130a,130b)에 결합되는 결합홈(114)이 형성되어 있을 수 있다. 각각의 결합홈(114)에는 홀더 이송부(130a,130b)의 돌출부(131a,131b)가 끼워진다.
이때, 홀더 이송부 중 하나(130a)에는 전원공급장치(미도시)와 연결되는 써멀 커플(135)이 배치될 수 있으며, 써멀 커플(135)는 홀더(112)에 접촉한다. 상기 써멀 커플(113)이 전원공급장치(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 열처리 시편의 표면 분석 방법을 나타낸 것으로, 도 4에 도시된 고온 열처리 시편 표면 분석 방법은 상술한 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 이용한다.
도 4를 참조하면, 도시된, 고온 열처리 시편 표면 분석 방법은 시편 준비 단계(S410), 시편 투입 단계(S420), 시편 이송 단계(S430) 및 시편 열처리/분석 단계(S440)를 포함한다.
시편 준비 단계(S410)에서는 표면 분석의 대상이 되는 시편을 준비한다. 시편은 직접 제작 또는 절단 등의 방법으로 준비할 수 있다.
시편 투입 단계(S420)에서는 준비 챔버의 도어를 개방하고, 시편을 준비 챔버 내에 배치되어 있는 홀더에 고정한다.
이후, 도어를 닫고, 펌핑 등을 통하여 준비 챔버를 다시 진공 상태로 형성한다.
이때, 홀더는 실리콘으로 형성된 것을 이용할 수 있다.
시편 이송 단계(S430)에서는 게이트를 개방하고, 이송 수단을 이용하여 홀더에 고정된 시편을 준비 챔버에서 열처리/분석 챔버로 이송한다. 게이트는 열처리/분석 챔버를 항상 진공으로 유지하기 위한 것으로, 본 단계(S430)에서만 개방(open)되고, 나머지 단계에서는 폐쇄(close)되는 것이 바람직하다.
시편 열처리/분석 단계(S440)에서는 열처리/분석 챔버에서 상기 이송된 홀더에 고정된 시편을 간접 가열하여 열처리 온도로 가열한다. 이때, 홀더는 써멀 커플 등에 접촉하여 전기저항 가열될 수 있으며, 시편은 홀더의 열에 의하여 간접 가열될 수 있다.
또한 시편 열처리/분석 단계(S440)에서는 시편을 가열한 상태 혹은 시편을 가열 및 냉각한 상태에서 X-선 광전자 분석기를 이용하여 시편의 표면을 분석한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 시편 열처리/분석 단계(S440)에서 열처리/분석 챔버 내부에서 시편의 열처리 및 표면 분석이 동시에 진행된다.
따라서, 시편을 열처리한 후 표면을 분석하기 위하여 외부로 다시 이송할 필요가 없으며, 시편의 열처리 온도 자체에서 표면 분석이 이루어지므로 고온 열처리 시편 표면 분석의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고온 열처리 시편 표면 분석 장치의 측면 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 적용되는 홀더를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 열처리 시편의 표면 분석 방법을 나타낸 것이다.

Claims (8)

  1. 시편을 투입하기 위한 도어와, 상기 시편을 고정하기 위한 홀더를 구비하는 준비 챔버;
    상기 시편의 표면을 분석하기 위한 X-선 광전자 분석기를 구비하는 열처리/분석 챔버;
    상기 준비 챔버와 상기 열처리/분석 챔버 사이에 상기 시편이 고정된 홀더를 이송하기 위한 이송 수단;
    터널의 형태로서, 상기 준비 챔버와 열처리/분석 챔버를 연결하는 이송관;
    상기 이송관의 중앙부에 배치되어, 상기 시편 이송시에만 개방되는 게이트;를 포함하고,
    상기 홀더는 1200℃에서 내열성이 있는 재질로 형성되며,
    상기 시편은 상기 열처리/분석 챔버 내에서 특정 온도로 가열된 상태 혹은 가열 후 냉각된 상태에서 공기와의 접촉없이 표면 분석이 수행되는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열처리/분석 챔버는 계속하여 진공상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홀더는 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이송 수단은 상기 홀더의 양 측면을 고정하는 홀더 이송부와, 상기 홀더 및 상기 홀더 이송부의 하부를 지지하는 이송 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 홀더 이송부에 배치되는 써멀 커플(Thermal Couple)과 접촉하여 전기저항 가열되고, 상기 시편은 상기 홀더에 의하여 간접 가열되는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 장치.
  6. 제1항에 기재된 고온 열처리 시편 표면 분석 장치를 이용하여 시편의 표면을 분석하는 방법에 있어서,
    (a) 표면 분석의 대상이 되는 시편을 준비하는 단계;
    (b) 준비 챔버의 도어를 개방하고, 상기 시편을 상기 준비 챔버 내에 배치되어 있는 홀더에 고정하는 단계;
    (c) 게이트를 개방하고, 상기 시편이 고정된 홀더를 열처리/분석 챔버로 이송하는 단계; 및
    (d) 상기 열처리/분석 챔버에서 상기 이송된 홀더에 고정된 시편을 가열한 상태에서 또는 가열 및 냉각한 상태에서 공기와의 접촉없이 상기 시편의 표면을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홀더는 실리콘으로 형성된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 상기 홀더는 써멀 커플(Thermal Couple)과 접촉하여 전기저항 가열되고, 상기 시편은 상기 홀더에 의하여 간접가열되는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 시편 표면 분석 방법.
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