KR20150115995A - 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈 - Google Patents

슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에 관한 것으로서 본 발명에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈는 중공형상으로 마련되며 길이방향과 교차되는 슬릿이 형성되고, 내부로 유입된 입자가 집속되어 유출되는 몸체부; 상기 슬릿에 삽입되어 몸체부 내부공간을 구획하며, 상기 입자가 집속되는 집속공이 형성되는 집속부;를 포함한다. 이에 의하여, 몸체부 상에 형성된 슬릿에 집속부를 삽입함으로써, 집속되는 입자 직경 등의 공정 조건에 따라 장치 전체의 교체나 재조립 없이, 집속부의 교체만으로 집속되는 입자의 크기를 제어할 수 있는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈가 제공된다.

Description

슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈{AERODYNAMIC LENS HAVING SLIT}
본 발명은 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 몸체부 상에 형성된 슬릿에 집속부를 삽입함으로써, 집속되는 입자 직경 등의 공정 조건에 따라 장치 전체의 교체나 재조립 없이, 집속부의 교체만으로 집속되는 입자의 크기를 제어할 수 있는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에 관한 것이다.
최근 나노입자에 대한 관심도가 높아지면서 나노입자 측정 및 제어에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 나노입자를 빔 형태로 만들어 응용하는 연구가 많이 진행된다. 나노입자를 빔 형태로 만드는 가장 일반적인 방법이 공기 역학 렌즈를 사용하는 것이다.
공기 역학 렌즈는 기체의 흐름으로 인해 발생하는 항력과 입자가 지니는 관성력의 관계를 이용하여 기체 상에 부유하는 입자를 집속시켜 입자 빔을 생성하는 장치이다.
공기 역학 렌즈는 일반적으로 에어로졸 상태의 단일 입자에 대한 화학적 조성과 크기를 분석하는 단일 입자 질량 분석기(Single Particle Mass Spectrometer,SPMS) 또는 진공 조건이나 저농도 조건에서 사용되는 입자빔 질량 분석기(Particle Beam Mass Spectrometer;PBMS)와 연결되어 사용된다.
이 밖에도 공기 역학 렌즈는 반도체 칩의 생산 수율을 향상시키기 위해 생산 환경의 오염을 제어할 목적으로 입자의 광 산란 현상을 이용하여 실시간으로 진공 중 입자를 측정할 수 있는 계측기(In-Istu Particle Monitor,ISPM)에 사용된다. 또한, 집속된 입자빔을 평판에 조사하여 마이크로-나노 스케일의 구조물을 증착시키는 용도 등에도 널리 사용된다.
도 1은 종래의 공기 역학 렌즈의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 공기 역학 렌즈의 개략적인 단면도이다. 도 1 또는 도 2를 참조하면, 종래의 공기 역학 렌즈(10)는 고정된 직경의 집속공(13)을 갖는 오리피스(12)가 사용되며, 오리피스(12)는 몸체부(11)에 설치된다. 공기 역학 렌즈는 일반적으로 내부가 진공 상태를 유지하여야 하므로, 진공상태의 원활한 유지를 위하여 몸체부(11)와 오리피스(12)는 일체로 형성된다.
오리피스(12)는 고정된 직경의 집속공(13)을 가지며, 몸체부(11)와 일체로 형성되므로 단일 공정에서만 사용가능한 문제점이 있다. 예를 들어, 공정에 사용되는 기체의 종류가 바뀌거나 압력조건이 바뀌게 되면, 공기 역학 렌즈(10) 내부에서 기체 항력과 입자 관성력의 비율이 바뀌게 되어 집속 효율이 변한다. 따라서, 다양한 공정 조건에서 입자를 측정하고자 할 경우 각각의 공정에 적합한 공기 역학 렌즈(10)가 필요하게 된다. 이는 진공 조건에서 진행되는 조건 하에서 장치를 교체하는데 소요되는 시간 및 정밀도 등의 문제점이 있다. 또한, 비용적인 측면에서도 비효율적인 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 몸체부 상에 형성된 슬릿에 집속부를 삽입함으로써, 집속되는 입자 직경 등의 공정 조건에 따라 장치 전체의 교체나 재조립 없이, 집속부의 교체만으로 집속되는 입자의 크기를 제어할 수 있는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 중공형상으로 마련되며 길이방향과 교차되는 슬릿이 형성되고, 내부로 유입된 입자가 집속되어 유출되는 몸체부; 상기 슬릿에 삽입되어 몸체부 내부공간을 구획하며, 상기 입자가 집속되는 집속공이 형성되는 집속부;를 포함하는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 몸체부는 입자가 집속되어 유출되는 영역인 유출부가 형성되며, 상기 유출부에 장착되어 상기 집속되는 입자의 직경을 제어하는 마감부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 몸체부 내부 공기를 외부로 배출하는 공기 배출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 몸체부에는 복수 개의 슬릿이 형성되어 내부 공간이 복수 개로 구획되며, 상기 슬릿 간의 간격은 각 구획된 영역 내부에서의 공기 유동에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 몸체부와 상기 집속부 사이에 개재되는 밀봉부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 몸체부에 형성된 슬릿에 집속부를 삽입함으로써, 다양한 공정 조건 하에서 장치 전체의 교체 및 재조립의 과정 없이, 집속부의 교체만으로 입자를 효율적으로 집속할 수 있다.
또한, 몸체부의 유출부에 마감부가 탈착 가능하게 설치됨으로써, 집속되는 입자의 직경 등을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 몸체부 내부의 공기를 배출하는 공기 배출부에 의하여, 집속부가 교체되더라도 용이하게 진공상태를 형성할 수 있다.
또한, 몸체부의 슬릿에는 밀봉부재가 설치되어, 집속부가 삽입시 용이하게 몸체부와 집속부 간을 밀봉할 수 있다.
도 1은 종래의 공기 역학 렌즈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 공기 역학 렌즈의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 개략적인 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 제2변형례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 제2변형례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 3의 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에서 입자가 집속되는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 몸체부 상에 형성된 슬릿에 집속부를 삽입함으로써, 집속되는 입자 직경 등의 공정 조건에 따라 장치 전체의 교체나 재조립 없이, 집속부의 교체만으로 집속되는 입자의 크기를 제어할 수 있는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 개략적인 사시도이며, 도 4는 도 3의 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 개략적인 분해사시도이다. 도 3 또는 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈(100)는 몸체부(110)와, 몸체부(110)에 형성된 슬릿에 삽입되는 집속부(120)와, 몸체부(110)의 유출부에 결합되는 마감부(130)와, 몸체부(110)에 설치되는 공기 배출부(140) 및 밀봉부재(150)를 포함한다.
몸체부(110)는 양단이 개구되어, 내부에 유입된 기체 상에 부유하는 입자가 집속되어 유출되는 구성이다. 몸체부(110)의 일단에는 기체가 유입되는 유입부(111)가 형성되며, 몸체부(110)의 타단에는 기체 상에 부유하는 입자가 집속되어 유출되는 유출부(112)가 형성된다.
본 실시예에서 몸체부(110)는 집속공(121)의 직경이 정밀하게 조절되도록 함으로써, 효율적이고 정밀하게 입자를 집속할 수 있도록 단면이 원형인 중공 형상을 갖는다. 다만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 단일 입자 질량 분석기(Single Particle Mass Spectrometer,SPMS) 또는 입자빔 질량 분석기(Particle Beam Mass Spectrometer;PBMS) 등에 연결되어 사용되는 공기 역학 렌즈의 특성상, 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈(100)와 연결되는 외부장치 등을 고려하여 다른 형상으로 마련될 수도 있다.
유입부(111)는 몸체부(110) 내부에 기체가 유입되는 영역이다. 유입부(111)는 외부장치와 연결됨으로써 몸체부(110) 내부에 기체가 공급되도록 하거나, 대기 중에 노출된 상태로 기체가 유입되도록 형성될 수 있다.
유출부(112)는 몸체부(110) 내부에 유입된 기체 상에 부유하는 입자가 집속되어 입자 빔 형태로 유출되는 영역이다. 유출부(112)에는 마감부(130)가 장착되며, 마감부(130)에 형성된 유출공(131)을 통하여 최종적으로 집속된 입자가 유출된다.
몸체부(110)에는 길이방향과 교차되는 방향으로 슬릿(113)이 형성된다. 슬릿(113)은 집속부(120)가 삽입되는 영역이며, 본 실시예에서 슬릿(113)은 몸체부(110)의 길이방향과 수직한 방향으로 형성된다. 슬릿(113)에 의하여 몸체부(110)의 내부공간은 외부와 연통되며, 집속부(120)가 삽입됨으로써 슬릿(113)이 차폐되어 몸체부(110)의 내부공간은 구획된다.
슬릿(113)은 몸체부(110) 상에 복수 개가 형성될 수 있다. 집속부(120)에 의하여 몸체(110)부가 구획되는 경우, 몸체부(110) 내부의 구획된 각각의 영역에서기체의 유동이 상이하다. 한편, 기체가 유출부(112) 쪽으로 이동하면서 집속부(120)를 통과하는 경우, 집속부(120) 후면에는 와류(vortex)가 생성된다. 이때, 와류는 이웃하는 집속부(120)가 입자를 집속 시킬 수 있도록 기체의 유동에 영향을 미치지 않아야 한다. 와류는 입자의 균일한 집속을 저해하는 요인으로 작용하므로, 복수 개의 슬릿(113)이 형성되어 집속부(120)가 삽입되는 경우, 와류에 의한 입자의 집속이 저해되지 않도록 슬릿(113) 간의 간격이 결정되는 것이 바람직하다.
집속부(120)는 몸체부(110)에 형성된 슬릿(113)에 삽입되어 유입부(111)로 유입되는 기체 상에 부유하는 입자를 집속하기 위한 것이다. 집속부(120)는 슬릿(113)에 삽입되며, 몸체부(110)에 형성된 슬릿(113)의 개수에 대응되게 마련된다. 따라서, 슬릿(113)의 개수 및 집속부(120)의 개수는 동일하며, 이러한 슬릿(113) 및 집속부(120)의 개수는 집속이 완료되어 최종적으로 유출부(112)를 통하여 유출되는 입자 빔의 직경을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 슬릿(113)과 같이 집속부(120) 간의 간격은 와류에 의한 집속이 저해되지 않도록 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 집속부(120)에는 입자가 집속되는 영역인 집속공(121)이 형성된다. 집속공(121)의 크기는 최종적으로 집속되어 유출되는 입자의 직경에 따라 결정되며,집속부(120)가 복수 개로 마련되는 경우, 각 집속부(120)에 형성된 집속공(121)의 크기는 서로 다르게 마련될 수 있다.
한편, 집속부(120)가 슬릿(113) 상으로의 삽입은 상술한 방법에 제한되는 것은 아니며, 다른 변형례도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 제1변형례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 내부가 진공상태로 마련되는 하우징(122`) 내부에 집속부(120`)가 설치된다. 집속부(120`)의 직경은 몸체부(110)의 직경에 대응되는 크기로 마련되며 하우징(122`)이 이동됨에 따라 집속부(120`)의 교체가 가능하다. 이때, 하우징(122`)은 일반적인 게이트 밸브(Gate Valve) 형식으로 마련되어, 모터 등의 구성에 의하여 이동가능하게 마련될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈의 제2변형례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 몸체부(110)의 직경보다 큰 판형 하우징(122``)에 복수 개의 집속부(120``)가 형성된다. 이때 각 집속부(120``) 상의 집속공(121``)의 크기는 서로 달리 마련되어 각 공정에 따라 선택적으로 집속공(121``)의 크기를 결정하도록 마련되는 것이 바람직하다. 판형 하우징(122``)은 회전가능하게 마련되며, 모터 등의 구성에 의하여 회전될 수 있다. 즉, 복수 개의 집속부(120``)가 형성된 판형 하우징(122``)을 회전시킴으로써 각 공정에 적합한 크기의 집속공(121``)이 형성된 집속부(120``)가 몸체부(110) 사이에 삽입되도록 할 수 있다. 한편, 본 변형례에서는 판형 하우징(122``)이 회전하는 것으로 하였으나, 몸체부(110)가 회전하여 집속부(120``)가 교체될 수도 있다.
마감부(130)는 몸체부(110)의 유출부(112)에 장착되어 최종적으로 집속된 입자가 유출되는 영역이다. 마감부(130)는 유출부(112)를 차폐할 수 있는 크기로 마련되며, 마감부(130)에는 유출공(131)이 형성된다.
공기역학렌즈에서 입자의 집속률은 공정조건 또는 입자의 특성에 영향을 받는다. 일반적으로 공기역학렌즈에서 입자의 집속률은 스토크 수(Stokes Number)에 의하여 결정된다. 스토크 수는 입자의 밀도, 입자의 크기, 유체의 점성, 압력, 온도, 집속공(121) 및 유출공(131)의 직경에 의해 결정된다. 이러한 공정 조건은 공기역학렌즈가 설치되는 외부장치의 조건에 의해서도 변화된다. 한편, 동일한 공정조건의 경우에도 기체 상에 부유하는 입자 중 입자의 크기에 따라 항력의 영향을 크게 받는 작은 입자의 경우에는 충분히 집속이 되지 않는 문제가 있다. 또한, 관성력의 영향을 크게 받는 큰 입자는 공기 역학 렌즈 내부에 충돌하는 문제가 있다.
따라서, 본 실시예에서는 공정 조건 또는 기체 상에 부유하는 입자의 크기와 관계없이 높은 집속 효율을 얻을 수 있도록, 마감부(130)는 몸체부(110)에 탈착 가능하게 결합된다. 즉, 공정 조건 등에 따라 집속되어 유출되는 입자의 직경을 고려하여, 각 공정 조건에 대응되는 직경을 갖는 유출공(131)이 형성된 마감부(130)를 교체함으로써, 용이하게 집속되는 입자의 직경을 제어할 수 있다.
공기 배출부(140)는 몸체부(110) 내부의 공기를 외부로 배출하여 몸체부(110) 내부를 진공상태로 형성하기 위한 구성이다. 몸체부(110)에는 복수 개의 슬릿(113)이 형성되며, 집속부(120) 또는 마감부(130)를 교체하는 과정에서 슬릿(113) 등을 통하여 외부공기가 몸체부(110) 내부로 유입된다. 따라서, 집속부(120)를 슬릿(113)에 삽입한 뒤, 몸체부(110) 내부의 공기가 배출되어야 한다.
공기 배출부(140)는 공기 흡입부(141) 및 공기 배출관(142)을 포함한다. 공기 흡입부(141)는 몸체부(110) 내부의 공기를 흡입하기 위한 구성이며, 공기 배출관(142)는 몸체부(110)에 연결되어 공기가 이동하는 통로이다.
밀봉부재(150)는 몸체부(110) 내부가 진공상태가 유지될 수 있도록 밀폐하는 구성이다. 밀봉부재(150)는 슬릿(113)이 형성된 몸체부(110)의 영역에 장착되어, 집속부(120)가 삽입되는 경우 몸체부(110)와 집속부(120) 사이에 개재됨으로써 몸체부(110) 내부공간을 보다 용이하게 밀폐할 수 있다. 또한, 유출부(112)가 형성된 몸체부(110)의 영역에 장착되어 마감부(130)가 장착되는 경우 몸체부(130)와 마감부(130) 사이에 개재됨으로써 몸체부(110) 내부공간을 보다 용이하게 밀폐할 수 있다.
지금부터는 본 발명의 일실시예에 따른 실시간 공기 역학 렌즈의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 유출부(112)를 통하여 유출되는 입자 빔의 직경 등을 고려하여 결정된 몸체부(110)의 슬릿(113)의 수에 따라 소정의 직경을 갖는 집속공(121)이 형성된 집속부(120)를 결정한다. 또한, 유출부(112)를 통하여 유출되는 입자 빔의 직경 등을 고려하여 소정의 직경을 갖는 유출공(131)이 형성된 마감부(130)를 결정한다.
이 후, 집속부(120)를 슬릿(113) 상에 삽입한다. 슬릿(113)이 형성된 몸체부(110) 영역에는 밀봉부재(150)가 장착되어 있으므로, 집속부(120)를 슬릿(113)에 삽입시 밀봉부재(150)는 몸체부(110)와 집속부(120) 사이에 개재된다.
또한, 마감부(130)를 유출부(112)가 형성된 몸체부(110)에 장착한다. 유출부(112)가 형성된 몸체부(110) 영역에는 밀봉부재(150)가 장착되어 있으므로, 마감부(130)를 몸체부(110)에 결합하는 경우 밀봉부재(150)는 몸체부(110)와 마감부 사이에 개재된다.
이 후, 공기 배출부(140)의 공기 흡입부(141)를 구동하여 몸체부(110) 내부의 공기를 공기 배출관(142)을 통하여 외부로 배출한다. 이로 인해, 몸체부(110) 내부는 진공상태가 유지된다.
몸체부(110) 내부가 진공상태가 되면, 유입부(111)를 통하여 몸체부(110) 내부에 입자가 부유하는 기체를 주입한다.
도 5는 도 3의 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈에서 입자가 집속되는 것을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 기체 상에 부유하는 입자는 집속부(120)에 형성된 집속부(121)를 순차적으로 통과하면서 집속되어 유출공(131)을 통하여 유출된다. 이때, 슬릿(113) 간의 간격 및 이로 인한 집속부(120) 간의 간격은 각 구획된 영역에서의 공기의 유동에 따라 결정되어 있으므로, 집속공(121)을 통과하는 기체에 의하여 와류가 형성되지 않는다.
이 후, 다른 공정조건 또는 다른 크기를 갖는 집속된 입자를 집속하는 경우, 스토크 수 등에 따라 적절한 직경을 갖는 집속공(121)이 형성된 집속부(120) 및 적절한 직경을 갖는 유출공(131)이 형성된 마감부(130)를 교체한 뒤, 공기 배출부(150)를 통하여 진공상태를 형성한 후 추가적인 입자 집속을 할 수 있다.
따라서, 몸체부 상에 형성된 슬릿에 집속부를 삽입함으로써, 집속되는 입자 직경 등의 공정 조건에 따라 장치 전체의 교체나 재조립 없이, 집속부의 교체만으로 집속되는 입자의 크기를 제어할 수 있는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈가 제공된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈 110 : 몸체부
111 : 유입부 112 : 유출부
113 : 슬릿 120 : 집속부
121 : 집속공 130 : 마감부
131 : 유출공 140 : 공기 배출부
141 : 공기 흡입부 142 : 공기 배출관
150 : 밀봉부재 122` : 하우징
122`` : 판형 하우징

Claims (5)

  1. 중공형상으로 마련되며 길이방향과 교차되는 슬릿이 형성되고, 내부로 유입된 입자가 집속되어 유출되는 몸체부;
    상기 슬릿에 삽입되어 몸체부 내부공간을 구획하며, 상기 입자가 집속되는 집속공이 형성되는 집속부;를 포함하는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부는 입자가 집속되어 유출되는 영역인 유출부가 형성되며,
    상기 유출부에 장착되어 상기 집속되는 입자의 직경을 제어하는 마감부를 더 포함하는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 몸체부 내부 공기를 외부로 배출하는 공기 배출부를 더 포함하는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체부에는 복수 개의 슬릿이 형성되어 내부 공간이 복수 개로 구획되며, 상기 슬릿 간의 간격은 각 구획된 영역 내부에서의 공기 유동에 따라 결정되는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 몸체부와 상기 집속부 사이에 개재되는 밀봉부재를 더 포함하는 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈.
KR1020140039889A 2014-04-03 2014-04-03 슬릿이 형성된 공기 역학 렌즈 KR101611686B1 (ko)

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