KR20240056984A - 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치, 및 이를 이용한 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법과 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법 - Google Patents

크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치, 및 이를 이용한 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법과 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 압력 가변형 측정 장치는, 분석 대상물을 가열하는 승온 챔버, 승온 챔버와 주 배관을 통해 연결되는 분석 챔버, 분석 챔버에 연결되는 배기관, 배기관에 연결되어 승온 챔버와 분석 챔버의 진공 상태를 조절하는 진공상태조절부, 승온 챔버에서 배기관을 향하는 유동 경로상에서 제1 크기 범위의 불순물을 측정하는 제1 불순물 측정부, 및 분석 챔버에 연결되어 제2 크기 범위의 불순물을 측정하는 제2 불순물 측정부를 포함하여 이루어진다. 불순물 측정을 크기 범위가 서로 다른 불순물의 측정에 유리한 위치에서 분리하여 수행함과 아울러 각 크기 범위의 불순물 측정에 적절한 유동 환경을 조성하므로, 크기 범위가 다른 불순물을 더욱 정확하고 효율적으로 동시에 측정할 수 있다. 특히, 분석 대상물의 승온으로 인해 발생하는 열탈착 분자, 및 그보다 크기가 큰 입자형 불순물을 더욱 정확하고 효율적으로 동시에 측정할 수 있다.

Description

크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치, 및 이를 이용한 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법과 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법{ Pressure variable type measuring device capable of simultaneously measuring impurities of different sizes, and Impurity measurement method in high vacuum region and low vacuum region using the same }
본 발명은 불순물 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공 챔버에서의 공정 또는 소재에서 발생하는 불순물을 크기별 특성에 따라 구분하여 측정하여, 더욱 정확하고 효율적으로 불순물을 측정할 수 있는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치, 및 이를 이용하여 고진공 영역에서와 저진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이 등 첨단 제조산업에서는 고온 공정이 다수 사용되고 있으며, 산업군별로 사용되는 온도는 다르지만, 1400도의 온도에서 이루어지는 공정도 사용되고 있다.
일반적으로 첨단 제품의 생산을 위해서는 여러 공정들이 연속적으로 실행되는데, 각 공정마다 다른 장비와 조건이 사용될 수 있다. 예를 들어, 초미세 3nm급 반도체는 약 3,000 종류 이상의 공정을 사용하여 만들어진다.
각 공정들은 단일 웨이퍼 또는 글라스 등의 백본(backbone) 위에 여러 공정을 수행하여 최종 제품을 만들어내는 방식을 채택하고 있다.
이때, 이전 공정과 다음 공정의 공정 온도 차이로 인하여 웨이퍼 또는 소재로부터 불순물이 방출될 수 있다.
예를 들어, 어느 공정의 온도가 200도이고 그 후에 실행되는 공정의 온도가 500도라고 가정할 때, 후행 공정의 온도가 선행 공정의 온도보다 높기 때문에, 선행 공정의 결과물에서 온도 상승에 의한 흡착물 또는 불순물의 열탈착이 일어날 수 있고, 이는 후행 공정의 결과물과 후행 공정을 진행하는 장비의 오염원이 된다.
그러므로, 각 공정에서 발생하는 다양한 오염원을 정확히 측정하여 오염을 관리할 필요가 있다.
오염원 측정을 위하여 다양한 방식이 사용되고 있다. 구체적인 예로서, 대한민국 공개특허 제10-2020-0142480호의 '다단 포집 배관을 이용한 입자포집장치'는 공정 챔버의 배기관을 통해 흐르는 입자를 포집하여 입자측정장치로 전달하는 기술을 개시하고 있고, 공개특허 제10-2016-0114783호의 '진공 챔버의 파티클 모니터링 장치 및 방법'은 진공 챔버에서 입자의 크기 및 수를 모니터링하여 기준치 이상의 파티클이 존재하는 것으로 판단되면 챔버를 청소할 필요가 있음을 알려 주는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 공정 챔버에 관한 입자측정 기술들은 대부분 불순물의 크기 차이, 진공 상태에 따라 공정 챔버의 내부 환경이 불순물에 미치는 영향 등을 정확히 반영하지 못하므로, 크기의 차이가 비교적 큰 불순물 측정에 오차가 적지 않게 발생할 수 있다.
예를 들자면, 각 공정 사이의 온도 차이로 인해 발생하는 열탈착에 의한 분자 단위 불순물은 약 10nm 미만의 크기를 가져 일반적인 입자 단위 불순물보다 매우 작다는 특징, 공정 챔버가 고진공 상태를 유지할 때는 분자 단위 불순물의 이동이 대부분 확산에 의해 이루어지고, 보다 크기가 큰 입자의 이동은 그보다 어려운 특징 등을 반영하지 못하므로, 크기와 종류가 다른 불순물을 동시에 효율적으로 정확히 측정할 수 없는 문제가 있다.
본 과제와 관련된 국가연구개발사업은 다음과 같다.
과제고유번호 : 22011266
과제번호 : GP2022-0014-20
정부부처명 : 과학기술정보통신부
과제관리기관명 : 한국표준과학연구원
연구사업명 : 국가측정표준 서비스 및 중소기업 지원
연구과제명 : 4-1-18. TDS 기반 유기 오염물질 wide-range 진단 시스템 개발 (2차년도)
기여율 : 0.35
과제수행기관명 : 한국표준과학연구원
연구기간 : 2022.01.01~2022.12.31
과제고유번호 : 1415179144
과제번호 : NP2020-0122
정부부처명 : 산업통상자원부
과제관리기관명 : 한국산업기술평가관리원
연구사업명 : 차세대지능형반도체기술개발(설계·제조)
연구과제명 : 반도체 300 mm 급 웨이퍼 불순물 정량분석을 위한 클러스터형 분석장비 개발
기여율 : 0.35
과제수행기관명 : 한국표준과학연구원
연구기간 : 2022.01.01~2022.12.31
과제고유번호 : 22011099
과제번호 : GP2022-0011-04
정부부처명 : 과학기술정보통신부
과제관리기관명 : 한국표준과학연구원
연구사업명 : 첨단측정장비 핵심기술 개발
연구과제명 : 3-1-03. 반도체 측정장비기술 개발
기여율 : 0.3
과제수행기관명 : 한국표준과학연구원
연구기간 : 2022.01.01~2022.12.31
(1) 대한민국 공개특허 제10-2020-0142480호(명칭 : 다단 포집 배관을 이용한 입자포집장치, 공개일 : 2020.12.22) (2) 대한민국 공개특허 제10-2016-0114783호(명칭 : 진공 챔버의 파티클 모니터링 장치 및 방법, 공개일 : 2016.10.06)
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 불순물 측정을 각 크기별 불순물 측정에 가장 유리한 곳에서 분리하여 수행함과 아울러 각 크기별 불순물 측정에 가장 적절한 진공 상태를 조성하여, 다양한 원인으로 인해 발생하는 불순물을 더욱 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 압력 가변형 측정 장치를 이용하여 고진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 압력 가변형 측정 장치를 이용하여 저진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치는, 분석 대상물을 가열하는 승온 챔버; 상기 승온 챔버와 주 배관을 통해 연결되는 분석 챔버; 상기 분석 챔버에 연결되는 배기관; 상기 배기관에 연결되어 상기 승온 챔버와 분석 챔버의 진공 상태를 조절하는 진공상태조절부; 상기 승온 챔버에서 상기 배기관으로 향하는 유동 경로상에서, 제1 크기 범위의 불순물을 측정하는 제1 불순물 측정부; 및 상기 분석 챔버에 연결되어 제2 크기 범위의 불순물을 측정하는 제2 불순물 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 불순물 측정부는 상기 주 배관에 연결될 수 있다.
상기 제2 불순물 측정부는 상기 유동 경로를 벗어난 위치에 연결될 수 있다.
상기 제1 크기 범위의 하한값은 상기 제2 크기 범위의 상한값보다 크도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1 크기 범위는 10nm 이상이고, 상기 제2 크기 범위는 10nm 미만일 수 있다.
상기 제1 불순물 측정부는, 상기 주 배관에 연결된 보조배관; 상기 보조배관에 연결된 보조 펌프부; 및 상기 보조배관을 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제1 측정기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 불순물 측정부는, 상기 분석 챔버와 타 부품 사이의 배관에 연결된 보조배관; 상기 보조배관에 연결된 보조 펌프부; 및 상기 보조배관을 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제1 측정기를 포함할 수 있다.
상기 제2 불순물 측정부는, 상기 분석 챔버에 연결된 제2-1 보조배관; 상기 제2-1 보조배관의 말단에 연결된 오리피스부; 상기 제2-1 보조배관을 개폐하는 제2-1 밸브; 상기 제2-1 밸브를 우회하도록 연결된 제2-2 보조배관; 상기 제2-2 배관을 개폐하는 제2-2 밸브; 및 상기 오리피스부를 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제2 측정기를 포함할 수 있다.
상기 제2 불순물 측정부는 상기 제2-1 보조배관에 연결된 보조 펌프부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2-2 보조배관은 그 지름이 상기 제2-1 보조배관의 지름보다 작고, 그 길이는 상기 제2-1 보조배관의 길이보다 길게 구성될 수 있다.
상기 진공상태조절부는, 상기 배기관에 직렬 연결된 고진공 펌프부와 저진공 펌프부; 상기 분석 챔버와 고진공 펌프부의 사이를 개폐하는 제3-1 밸브; 상기 고진공 펌프부를 우회하여 상기 분석 챔버를 상기 저진공 펌프부와 연결하는 제3-1 보조배관; 및 상기 제3-1 보조배관을 개폐하는 제3-2 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법은, 상기 압력 가변형 측정 장치를 이용하여 고진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법으로서, 상기 고진공 펌프부와 저진공 펌프부를 모두 가동하고, 상기 제3-1 밸브와 제3-2 밸브를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하여, 상기 승온 챔버와 분석 챔버를 모두 고진공 상태로 만드는 단계; 상기 승온 챔버에서 상기 분석 대상물을 가열하는 단계; 및 상기 제1 불순물 측정부를 통한 불순물 측정과, 상기 제2 불순물 측정부를 통한 불순물 측정을 수행하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제2-1 밸브와 제2-2 밸브는 각각 open 상태와 close 상태로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법은, 상기 압력 가변형 측정 장치를 이용하여 저진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법으로서, 상기 고진공 펌프부와 저진공 펌프부를 모두 가동하고, 상기 제3-1 밸브와 제3-2 밸브를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하여, 상기 승온 챔버와 분석 챔버를 모두 고진공 상태로 만드는 단계; 상기 제3-1 밸브와 제3-2 밸브를 각각 close 상태와 open 상태로 조절하고, 상기 고진공 펌프부의 작동을 중지시켜 저진공 펌프부만 가동하는 단계; 상기 승온 챔버에서 상기 분석 대상물을 가열하는 단계; 및 상기 제1 불순물 측정부를 통한 불순물 측정과, 상기 제2 불순물 측정부를 통한 불순물 측정을 수행하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제2-1 밸브와 제2-2 밸브는 각각 close 상태와 open 상태로 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, 불순물 측정을 크기 범위가 서로 다른 각 불순물의 측정에 유리한 위치에서 분리하여 수행함과 아울러 각 크기 범위의 불순물 측정에 적절한 진공 상태를 조성하므로, 크기 범위가 다른 불순물을 더욱 정확하고 효율적으로 동시에 측정할 수 있다.
특히, 분석 대상물의 승온으로 인해 발생하는 지름이 약 10nm 미만인 열탈착 분자 형태의 불순물, 및 지름이 그보다 큰 입자 형태의 불순물을 정확하고 효율적으로 동시에 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치의 일 실시예,
도 2는 진공상태조절부에 관한 일 실시예,
도 3은 제1 불순물 측정부에 관한 일 실시예,
도 4는 제1 불순물 측정부에 관한 다른 일 실시예,
도 5는 제2 불순물 측정부에 관한 일 실시예,
도 6은 로드락 챔버를 포함하는 압력 가변형 측정 장치의 실시예,
도 7은 가스 압력 시스템을 포함하는 압력 가변형 측정 장치의 실시예,
도 8은 본 발명에 따른 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법에 관한 실시예,
도 9는 본 발명에 따른 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법에 관한 실시예이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치(100)는, 승온 챔버(110), 분석 챔버(120), 제1 불순물 측정부(130), 제2 불순물 측정부(140), 분석 챔버(120)에 연결되고 챔버의 내부 공간에 존재하는 유체를 외부로 배출하기 위한 배기관(163), 배기관(163)에 연결되어 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)의 진공 상태를 조절하는 진공상태조절부(150)를 포함하여 이루어질 수 있다.
승온 챔버(110)는 분석 대상물(30)을 가열하기 위해 사용되며, 다양한 가열 방식을 사용하여 내부 공간에 놓인 분석 대상물(30)을 가열할 수 있다.
분석 대상물(30)은 해당 공정에서 가열의 대상이 되는 것으로서, 구체적인 예로는 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다.
분석 챔버(120)는 배기관(163)에 연결됨과 아울러 승온 챔버(110)와도 주 배관(161)을 통해 연결된다.
배기관(163)은 분석 챔버(120)에 연결되어 챔버의 내부 공간에 존재하는 유체를 외부로 배출할 수 있도록 배출 경로를 제공한다.
승온 챔버(110)의 내부 공간에 있는 유체는 주 배관(161)과 분석 챔버(120)를 거쳐 배기관(163)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
제1 불순물 측정부(130)는 승온 챔버(110)에서 배기관(163)을 향하는 유동 경로상에서, 제1 크기 범위의 불순물을 측정하고, 제2 불순물 측정부(140)는 분석 챔버(120)의 내부 공간에 존재하는 제2 크기 범위의 불순물을 측정한다.
즉, 제1 불순물 측정부(130)와 제2 불순물 측정부(140)는 서로 다른 위치에서 각각 서로 다른 크기 범위의 불순물을 측정하도록 구성된다.
여기서 제1 크기 범위와 제2 크기 범위는 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 제1 크기 범위의 하한값은 제2 크기 범위의 상한값보다 클 수 있다.
제1 불순물 측정부(130)와 제2 불순물 측정부(140)는 각각 분석 대상물(30)의 승온으로 인해 발생하는 열탈착 분자와, 그보다 크기가 큰 불순물을 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 크기 범위는 10nm 이상, 제2 크기 범위는 10nm 미만으로 구성될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 분석 대상물의 승온으로 인해 발생하는 열탈착 분자를 측정하기 위해 사용될 수 있다는 의미에서 제2 크기 범위의 불순물을 '분자 단위 불순물'이라는 용어와 함께 사용하고, 열탈착 분자보다 큰 입자를 측정하기 위해 사용될 수 있다는 의미에서 제1 크기 범위의 불순물을 '입자 단위 불순물'이라는 용어와 함께 사용하기로 한다.
도 2를 참조하자면, 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)의 진공 상태를 조절하는 진공상태조절부(150)는 배기관(163)에 순서대로 연결된 고진공 펌프부(151)와 저진공 펌프부(152), 분석 챔버(120)와 고진공 펌프부(151)의 사이를 개폐하는 제3-1 밸브(154-1), 고진공 펌프부(151)를 우회하여 분석 챔버(120)를 저진공 펌프부(152)와 연결하는 제3-1 보조배관(153), 제3-1 보조배관(153)을 개폐하는 제3-2 밸브(154-2)를 포함하여 이루어질 수 있다.
고진공 펌프부(151)와 저진공 펌프부(152)는 각각 배기관(163)에 순서대로 연결될 수 있으며, 제3-1 밸브(154-1)와 제3-2 밸브(154-2)를 열거나 닫음에 따라 요구되는 진공 상태가 조성될 수 있다.
예를 들어, 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)를 고진공 상태로 만들고자 할 때는 제3-1 밸브(154-1)를 열고 제3-2 밸브(154-2)를 닫은 상태에서 고진공 펌프부(151)와 저진공 펌프부(152)를 모두 가동시킬 수 있다.
또한, 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)를 저진공 상태로 만들고자 할 때는 제3-1 밸브(154-1)를 닫고 제3-2 밸브(154-2)를 연 상태에서 저진공 펌프부(152)만을 가동시킬 수 있다.
제1 불순물 측정부(130)는 승온 챔버(110)에서 배기관(163)을 향하는 유동 경로상에서 입자 단위 불순물(제1 크기 범위의 불순물)을 측정한다.
이 유동 경로상에서 입자 단위 불순물을 측정할 수 있는 적절한 위치의 예는 주 배관(161)으로서, 제1 불순물 측정부(130)는 주 배관(161)의 내부 공간을 흐르는 입자 단위 불순물을 측정하도록 구성될 수 있다.
제1 불순물 측정부(130)를 승온 챔버(110)에서 배기관(163)을 향하는 유동 경로상에 배치하는 이유는, 불순물을 샘플링 방식을 사용하여 측정할 때는 유동을 형성하기 위해 샘플링에 사용되는 보조배관의 압력이 샘플링 대상 배관 또는 챔버보다 낮아야 하기 때문이다.
도 3은 제1 불순물 측정부(130)가 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)의 사이를 연결하는 주 배관(161)에 배치된 실시예를 나타낸 것으로서, 제1 불순물 측정부(130)는 주 배관(161)에 연결된 보조배관(131), 보조배관(131)에 연결된 보조 펌프부(133), 및 보조배관(131)을 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제1 측정기(132)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 4는 분석 챔버(120)에 다른 부품(예: 압력 게이지, 181)을 연결하기 위해 사용되는 배관(165)에 제1 불순물 측정부(130)가 배치되는 실시예를 나타낸 것으로서, 보조배관(131), 제1 측정기(132), 보조 펌프부(133)는 해당 배관(165)에 연결될 수 있다.
제1 측정기(132)는 불순물 측정을 위하여 광학적 방식, 질량 분석 방식 등 다양한 측정 방식을 사용할 수 있으며, 특정 측정 방법에 한정되는 것은 아니다.
도 3과 도 4에 보인 실시예와 같이 구성함에 따라, 승온 과정 중에 발생한 입자 단위 불순물은 승온 챔버(110)로부터 배기관(163)을 향해 이송되는 도중 다양한 방식을 통해 측정될 수 있다.
제1 불순물 측정부(130)는 보조배관(131)과 보조 펌프부(133)를 통해 샘플링 방식으로 측정할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1 불순물 측정부(130)를 초 단위의 실시간 측정이 가능하도록 구성하면, 불순물 존재 상황을 더욱 신속하고 정확하게 확인할 수 있다.
한편, 분자 단위 불순물의 측정은 분석 챔버(120)에서의 샘플링을 통해 이루어질 수 있다. 약 10nm 미만의 크기를 갖는 분자 단위 불순물은 농도차에 의한 확산에 의해 운동이 결정될 수 있으므로, 제2 불순물 측정부(140)는 입자 단위 불순물 측정과는 달리 주 유동 경로상에 배치될 필요는 없다.
즉, 제2 불순물 측정부(140)는 유동 경로를 벗어난 위치에 연결될 수 있다.
도 5를 참조하자면, 제2 불순물 측정부(140)는 분석 챔버(120)에 연결된 제2-1 보조배관(141-1), 제2-1 보조배관(141-1)의 말단에 연결된 오리피스부(143), 제2-1 보조배관(141-1)을 개폐하는 제2-1 밸브(142-1), 제2-1 밸브(142-1)를 우회하도록 연결된 제2-2 보조배관(141-2), 제2-2 배관(141-2)을 개폐하는 제2-2 밸브(142-2), 오리피스부(143)를 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제2 측정기(144)를 포함하여 이루어질 수 있다.
오리피스부(143)는 오리피스의 크기 및 오리피스의 전후 압력 차이에 따라 유입되는 유량이 결정되므로, 적절한 직경의 오리피스부를 사용하면, 유입되는 불순물의 총량을 제한할 수 있다. 이에 따라, 제2 불순물 측정부(140)의 내부 오염을 방지하고 사용주기를 연장시킬 수 있다.
또한, 제2-2 보조배관(141-2)은 그 지름이 제2-1 보조배관(141-1)의 지름보다 작고, 그 길이는 제2-1 보조배관(141-1)의 길이보다 길게 구성될 수 있다.
저진공 상태에서는 고진공 상태에 비해 오리피스부(143)를 통해 유입되는 유량이 많아질 수 있으므로, 저진공 상태에서의 측정을 수행할 때는 내부 직경이 작고 경로가 긴 배관을 사용하도록 구성하면, 'fluid conductance'를 줄여 오염을 효과적으로 방지할 수 있다.
제2 불순물 측정부(140)는 오리피스부(143)를 통해 인입되는 불순물을 샘플링 방식을 통해 측정하도록 구성될 수도 있다.
즉, 제2 불순물 측정부(140)는 확산 현상에 의한 측정 방식을 사용하도록 구성될 수 있지만, 원활한 샘플링을 위해 추가적인 보조 펌프를 장착하여 유동을 형성시키도록 구성될 수도 있다.
이러한 실시예에서 제2 불순물 측정부(140)는 보조 펌프부(146)를 더 포함할 수 있다. 또한, 보조 펌프부(146)와 연결된 배관(145)에는 압력을 측정하는 압력 게이지(182) 등이 설치될 수도 있다.
제2 측정기(144)는 불순물 측정을 위해 광학적 방식, 질량 분석 방식 등 다양한 측정 방식을 사용할 수 있으며, 특정 측정 방법에 한정되는 것은 아니다.
제2 불순물 측정부(140)도 초 단위 실시간 측정이 가능하도록 구성하면, 불순물 존재 상황을 더욱 신속하고 정확하게 확인할 수 있다.
도 6은 로드락 챔버를 포함하는 압력 가변형 측정 장치(100)의 실시예를 탑-뷰(top-view)의 형태로 나타낸 것으로서, 분석 대상물(예: 반도체 웨이퍼)을 처리하는 과정에서 발생하는 분자 단위 불순물과 입자 단위 불순물의 측정에 관하여 설명하기로 한다.
(1) 분석 대상물(예: 반도체 웨이퍼)의 이송
로드락 챔버(105)를 통해 승온 챔버(110)로 분석 대상물(30)을 이송시킨다.
로드락 챔버(105)와 승온 챔버(110)는 격리 밸브(105-1)로 분리될 수 있으며, 서로 다른 진공도를 가질 수 있다.
로드락 챔버(105)는 EFEM(Equipment Front End Module)과 같은 웨이퍼 이송 시스템, 및 로봇 암(arm)과 융합되어 자동화된 시스템으로 구성될 수도 있다.
(2) 분석 대상물의 승온
승온 챔버(110)로 이송된 분석 대상물(30)은 승온 챔버(110)의 내부 공간에 구비된 승온 히터(40) 위에 안착되고, 승온 히터(40)에 의해 목표 온도로 가열된다. 목표 온도로의 승온은 선형적 증가 또는 계단식 증가 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 승온 과정 중 발생하는 분자 단위 불순물과 입자 단위 불순물은 주 배관(161)을 통과하여 분석 챔버(120)와 배기관(163)을 통해 유출된다.
(3) 입자 단위 불순물의 측정
승온 과정에서 발생한 입자 단위 불순물은 진공 펌프(151, 152) 방향으로 이송되는 유동 경로상에서 측정될 수 있다.
제1 불순물 측정부(130)는 도 3에 도시된 실시예와 같이, 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)를 연결하는 주 배관(161)에 보조배관(131)을 연결하여 샘플링 방식으로 입자 단위 불순물을 측정할 수 있다.
또한, 제1 불순물 측정부(130)는 도 4에 도시된 실시예와 같이, 분석 챔버(120)에 압력 게이지 등 다른 부품이 연결되는 다른 배관(165)으로부터 샘플링 방식으로 입자 단위 불순물을 측정할 수도 있다.
(4) 분자 단위 불순물의 측정
일반적인 열탈착 분자 분석 장치는 고진공 영역(예: < 10-3 Torr)의 압력을 사용하여 측정 시스템 내부의 불순물을 모두 제거한 후, 분석 대상물에서 발생하는 순수한 불순물만을 측정하는 방식을 채택하고 있다.
그러나, 고진공 영역에서는 랜덤 확산 현상이 주요 유동 형성 메커니즘으로 작용하여, 확산력을 더 적게 받는 입자 단위 불순물의 측정에 오차가 발생할 수 있다. 입자 단위 불순물에는 중력이나 열영동에 의한 힘이 더 크게 작용하여 확산에 의한 이동이 균일하게 발생하지 않을 수 있기 때문이다.
그러므로, 입자 단위 불순물의 측정은 저진공 영역에서 수행하는 것이 바람직할 수 있으며, 이를 위하여 진공상태조절부(150)는 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)의 진공 상태를 조절할 수 있도록 구성된다.
입자 단위 불순물을 측정하는 방식과 분자 단위 불순물을 측정하는 방식은 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학적 방식, 질량 분석 방식 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 제1 불순물 측정부(130)와 제2 불순물 측정부(140)는 각각 해당 크기 범위 내의 불순물을 검출할 수 있도록 복수 개로 구성될 수 있으며, 보조배관을 이용한 샘플링 방식 이외에도 해당 배관(예: 주 배관)이나 챔버(예: 분석 챔버)에 직접 연결되어 측정하도록 구성될 수도 있다.
도 7은 가스 유입 시스템(107)과 연동하는 실시예를 보인 것으로서, 압력 가변형 측정 장치(100)는 저진공 영역의 특징을 활용하여 가스 유입 시스템(107)과 결합되어 분석 대상물(30)에서 승온으로 인해 탈착된 불순물과 가스와의 반응 메커니즘을 진단할 수 있는 장치로도 사용 가능하다.
가스 유입 시스템(107)을 통해 승온 챔버(110)로 가스가 유입되면, 승온 챔버(110)의 내부 압력이 상승하므로, 저진공 영역에서의 측정이 필요하다.
가스 유입 시스템(107)은 한 종류 이상의 가스를 유입할 수 있도록 구성될 수 있으며, 유량 제어 시스템을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
다시 도 1을 참조하자면, 압력 가변형 측정 장치(100)는 동작을 전반적으로 제어하는 제어부(170)를 포함하여 이루어질 수 있다.
특히, 제어부(170)는 각 밸브를 제어하여 압력을 조절하고, 제1 불순물 측정부(130)와 제2 불순물 측정부(140)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(170)는 다양하게 구성될 수 있다. 구체적인 예로서, 제어부(170)는 압력 가변형 측정 장치(100)와 연동하여 데이터를 주고받을 수 있는 관리자 컴퓨터 장치를 포함할 수 있으며, 다양한 유저 인터페이스(UI: User Interface)를 제공하고, 관리자의 명령에 따라 압력 가변형 측정 장치(100)를 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법에 관한 일 실시예를 보인 것으로서, 제어부(170)에 의해 실행될 수 있다.
먼저, 고진공 펌프부(151)와 저진공 펌프부(152)를 모두 가동하고, 제3-1 밸브(154-1)와 제3-2 밸브(154-2)를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하여, 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)를 모두 고진공 상태로 만든다(S211).
단계 S211에서의 고진공 상태는 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
단계 S211에서 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)를 모두 고진공 상태로 만든 후, 승온 챔버(110)에서의 분석 대상물(30)에 대한 가열이 이루어진다(S212).
그리고, 승온 과정에서 발생하는 불순물에 대하여, 제1 불순물 측정부(130)를 통한 입자 단위 불순물의 측정과, 제2 불순물 측정부(140)를 통한 분자 단위 불순물의 측정을 수행한다(S213).
이때, 제2 불순물 측정부(140)를 통한 분자 단위 불순물 측정은 제2-1 밸브(142-1)와 제2-2 밸브(142-2)가 각각 open 상태와 close 상태로 조절된 상태에서 제2-1 보조배관(141-1)과 오리피스부(143)를 통해 이루어질 수 있다.
고진공 영역에서 불순물을 측정할 때, 제2 불순물 측정부(140)의 제2-1 밸브(142-1)와 제2-2 밸브(142-2)를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하는 주된 이유는, 고진공 영역에서는 분석 챔버(120)와 제2 불순물 측정부(140) 사이의 압력차가 크지 않기 때문에 'fluid conductance'를 최대화하여 측정하는 것이 바람직하기 때문이다.
단계 S213에서 제2 불순물 측정부(140)의 측정은 확산 현상에 의한 측정 방식을 사용하도록 구성될 수 있지만, 원활한 샘플링을 위하여 추가적인 보조 펌프를 이용하여 유동을 형성시키도록 구성될 수도 있다.
도 9는 본 발명에 따른 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법에 관한 일 실시예를 보인 것으로서, 압력 가변형 측정 장치(100)를 이용하여 저진공 영역에서 불순물을 측정하기 위해 제어부(170)에 의해 실행될 수 있다.
먼저, 고진공 펌프부(151)와 저진공 펌프부(152)를 모두 가동하고, 제3-1 밸브(154-1)와 제3-2 밸브(154-2)를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하여, 승온 챔버(110)와 분석 챔버(120)를 모두 고진공 상태로 만든다(S221).
단계 S221에서의 고진공 상태는 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
그 다음, 제3-1 밸브(154-1)와 제3-2 밸브(154-2)를 각각 close 상태와 open 상태로 조절하고, 고진공 펌프부(151)의 작동을 중지시키며, 저진공 펌프부(152)만 가동하여 저진공 상태로 만든다(S222).
그리고, 승온 챔버(110)에서의 분석 대상물(30)에 대한 가열(승온)이 이루어진다(S223).
이제 승온 과정에서 발생하는 불순물에 대하여, 제1 불순물 측정부(130)를 통한 입자 단위 불순물의 측정과, 제2 불순물 측정부(140)를 통한 분자 단위 불순물의 측정을 수행한다(S224).
이때, 제2 불순물 측정부(140)를 통한 분자 단위 불순물의 측정은 제2-1 밸브(142-1)와 제2-2 밸브(142-2)가 각각 close 상태와 open 상태로 조절된 상태에서 이루어질 수 있다.
저진공 영역에서 불순물을 측정할 때의 이러한 밸브 조절은 분석 챔버(120)와 제2 불순물 측정부(140) 사이의 압력차가 크기 때문에 제2 불순물 측정부(140)의 내부 오염 방지가 필요하기 때문이다.
본 발명에 따른 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법, 및 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법은 각각 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현될 수 있다.
이때, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 예로서, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등을 들 수 있다.
상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
30: 분석 대상물 40: 승온 히터
100: 압력 가변형 측정 장치
105: 로드락 챔버 105-1: 격리 밸브
107: 가스 유입 시스템 110: 승온 챔버
120: 분석 챔버 130: 제1 불순물 측정부
131: 보조배관 132: 제1 측정기
133: 보조 펌프부 140: 제2 불순물 측정부
141-1, 141-2, 145: 보조배관 142-1, 142-2: 밸브
143: 오리피스부 144: 제2 측정기
146: 보조 펌프부 150: 진공상태조절부
151: 고진공 펌프부 152: 저진공 펌프부
153: 보조배관 154-1, 154-2: 밸브
161: 주 배관 163: 배기관
170: 제어부 181, 182: 압력 게이지

Claims (15)

  1. 분석 대상물을 가열하는 승온 챔버;
    상기 승온 챔버와 주 배관을 통해 연결되는 분석 챔버;
    상기 분석 챔버에 연결되는 배기관;
    상기 배기관에 연결되어 상기 승온 챔버와 분석 챔버의 진공 상태를 조절하는 진공상태조절부;
    상기 승온 챔버에서 상기 배기관으로 향하는 유동 경로상에서, 제1 크기 범위의 불순물을 측정하는 제1 불순물 측정부; 및
    상기 분석 챔버에 연결되어 제2 크기 범위의 불순물을 측정하는 제2 불순물 측정부를 포함하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 불순물 측정부는 상기 주 배관에 연결되는 것을 특징으로 하는 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 불순물 측정부는 상기 유동 경로를 벗어난 위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 크기 범위의 하한값은 상기 제2 크기 범위의 상한값보다 큰 것을 특징으로 하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 크기 범위는 10nm 이상이고, 상기 제2 크기 범위는 10nm 미만인 것을 특징으로 하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 불순물 측정부는,
    상기 주 배관에 연결된 보조배관;
    상기 보조배관에 연결된 보조 펌프부; 및
    상기 보조배관을 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제1 측정기를 포함하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 불순물 측정부는,
    상기 분석 챔버와 타 부품 사이의 배관에 연결된 보조배관;
    상기 보조배관에 연결된 보조 펌프부; 및
    상기 보조배관을 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제1 측정기를 포함하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 불순물 측정부는,
    상기 분석 챔버에 연결된 제2-1 보조배관;
    상기 제2-1 보조배관의 말단에 연결된 오리피스부;
    상기 제2-1 보조배관을 개폐하는 제2-1 밸브;
    상기 제2-1 밸브를 우회하도록 연결된 제2-2 보조배관;
    상기 제2-2 배관을 개폐하는 제2-2 밸브; 및
    상기 오리피스부를 통해 인입되는 불순물을 측정하는 제2 측정기를 포함하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 불순물 측정부는 상기 제2-1 보조배관에 연결된 보조 펌프부를 더 포함하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2-2 보조배관은 그 지름이 상기 제2-1 보조배관의 지름보다 작고, 그 길이는 상기 제2-1 보조배관의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 진공상태조절부는,
    상기 배기관에 직렬 연결된 고진공 펌프부와 저진공 펌프부;
    상기 분석 챔버와 고진공 펌프부의 사이를 개폐하는 제3-1 밸브;
    상기 고진공 펌프부를 우회하여 상기 분석 챔버를 상기 저진공 펌프부와 연결하는 제3-1 보조배관; 및
    상기 제3-1 보조배관을 개폐하는 제3-2 밸브를 포함하는, 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치.
  12. 상기 제11항에 기재된 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치를 이용하여 고진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법으로서,
    상기 고진공 펌프부와 저진공 펌프부를 모두 가동하고, 상기 제3-1 밸브와 제3-2 밸브를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하여, 상기 승온 챔버와 분석 챔버를 모두 고진공 상태로 만드는 단계;
    상기 승온 챔버에서 상기 분석 대상물을 가열하는 단계; 및
    상기 제1 불순물 측정부를 통한 불순물 측정과, 상기 제2 불순물 측정부를 통한 불순물 측정을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 제2-1 밸브와 제2-2 밸브는 각각 open 상태와 close 상태로 조절되는 것을 특징으로 하는, 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법.
  13. 상기 제12항에 기재된 고진공 영역에서의 불순물 측정 방법을, 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  14. 상기 제11항에 기재된 크기별 불순물 동시 측정이 가능한 압력 가변형 측정 장치를 이용하여 저진공 영역에서 불순물을 측정하는 방법으로서,
    상기 고진공 펌프부와 저진공 펌프부를 모두 가동하고, 상기 제3-1 밸브와 제3-2 밸브를 각각 open 상태와 close 상태로 조절하여, 상기 승온 챔버와 분석 챔버를 모두 고진공 상태로 만드는 단계;
    상기 제3-1 밸브와 제3-2 밸브를 각각 close 상태와 open 상태로 조절하고, 상기 고진공 펌프부의 작동을 중지시켜 저진공 펌프부만 가동하는 단계;
    상기 승온 챔버에서 상기 분석 대상물을 가열하는 단계; 및
    상기 제1 불순물 측정부를 통한 불순물 측정과, 상기 제2 불순물 측정부를 통한 불순물 측정을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 제2-1 밸브와 제2-2 밸브는 각각 close 상태와 open 상태로 조절되는 것을 특징으로 하는, 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법.
  15. 상기 제14항에 기재된 저진공 영역에서의 불순물 측정 방법을, 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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