WO2023128585A1 - 기체상 물질의 계측 시스템 - Google Patents

기체상 물질의 계측 시스템 Download PDF

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WO2023128585A1
WO2023128585A1 PCT/KR2022/021459 KR2022021459W WO2023128585A1 WO 2023128585 A1 WO2023128585 A1 WO 2023128585A1 KR 2022021459 W KR2022021459 W KR 2022021459W WO 2023128585 A1 WO2023128585 A1 WO 2023128585A1
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WO
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port
sampling
pipe
way valve
valves
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PCT/KR2022/021459
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English (en)
French (fr)
Inventor
서정환
Original Assignee
홍익대학교 산학협력단
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Publication date
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Priority claimed from KR1020220178317A external-priority patent/KR20240096058A/ko
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00

Definitions

  • the present specification relates to a measurement system, and more particularly, to a measurement system capable of measuring components of a gas mixture including gaseous substances flowing through a pipe.
  • the wafer surface component analysis equipment expensive (hundreds of millions to billions) ToF (Time of Flight)-SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) method is used to may be analyzed.
  • the TOF-SIMS method obtains chemical components and surface structures by analyzing cations or anions emitted while striking the surface with primary ions. Because it is not miniaturized, there is a limit to detection in the field. In addition, in order to utilize the TOF-SIMS method, since the semiconductor component must be inspected after the process of the semiconductor component is completed, real-time monitoring is not possible.
  • RGA residual gas analyzer
  • the present specification provides a measurement system capable of measuring components by directly sampling a gas mixture including gaseous substances generated through a series of processes from a pipe.
  • a measuring system capable of measuring components of a gas mixture including gaseous substances, comprising: a sampling unit that selectively communicates with a pipe through which the gas mixture passes and samples the gas mixture from the pipe; A valve assembly including a detection unit for separately detecting gaseous substances included in the gas mixture sampled by the sampling unit for each component, and a plurality of valves selectively communicating the sampling unit to the pipe or the detection unit, wherein the A measurement system is provided in which a plurality of valves cooperate to selectively perform a sampling connection operation for communicating the pipe and the sampling unit and a sampling blocking operation for blocking communication between the pipe and the sampling unit.
  • the metering system provides a gas delivery wherein the plurality of valves cooperate to form a flow path such that a carrier gas flows with the gas mixture simultaneously with or after the sampling shut-off operation. do the work
  • a flow path through which the carrier gas flows to the detection unit via the sampling unit is formed by the gas delivery operation.
  • a flow path of the fluid directly leading from the carrier gas tank to the detection unit and a flow path of the fluid returning from the pipe to the pipe via the sampling unit are formed, and the gas transfer operation
  • a fluid flow path is formed from the carrier gas tank through the sampling unit to the detection unit.
  • the sampling blocking operation includes a sampling route sealing operation for confining and trapping the gas mixture in the sampling unit, and a pressure reducing operation for reducing the pressure of the gas mixture trapped in the sampling unit.
  • the detection unit includes a pressure reducing chamber for reducing the pressure of the gas mixture, the gas mixture is introduced into the pressure reducing chamber through the pressure reducing operation to reduce the pressure, and the gas mixture is reduced in pressure. After that, the gas transfer operation is performed.
  • the plurality of valves include a plurality of multi-port valves each having a plurality of ports, and the plurality of multi-port valves are selectively operated to perform the sampling connection operation, the sampling blocking operation and the A gas delivery operation is optionally performed.
  • the plurality of multi-port valves are manual valves that switch the path of the fluid in the valve by a manually operated lever, the lever of each of the plurality of multi-port valves is connected together to a link structure, By the operation of the link structure, the levers of the plurality of multi-port valves operate simultaneously to simultaneously switch the fluid path.
  • the plurality of multi-port valves include first to third three-way valves each having three ports, a first port of the first three-way valve is connected to the pipe, and a second port is It is connected to one end of the first connection pipe, a third port is connected to the pipe, a first port of the second three-way valve is connected to the inlet of the sampling unit, and a second port is connected to the other end of the first connection pipe.
  • the third port is connected to one end of the second connection pipe, the first port of the third three-way valve is connected to the outlet of the sampling unit, the second port is connected to the pipe, and the third port is connected to the first port.
  • 3 It is connected to one end of the connection pipe, and the sampling unit and the pipe are communicated or blocked by the operation of the first three-way valve.
  • the plurality of multi-port valves include fourth and fifth three-way valves each having three ports, and a first port of the fourth three-way valve is a carrier gas inlet pipe communicating with a carrier gas tank.
  • the second port is connected to the other end of the second connection pipe
  • the third port is connected to one end of the fourth connection pipe
  • the first port of the fifth three-way valve is a detection unit inlet pipe communicating with the detection unit.
  • the second port is connected to the other end of the fourth connection pipe
  • the third port is connected to the other end of the third connection pipe
  • the first to fifth three-way valves are selectively operated to change the fluid path.
  • the gas delivery operation is performed after the gas mixture is depressurized through the sampling blocking operation, and the sampling route sealing operation traps and traps the gas mixture in the sampling unit;
  • a pressure reducing operation is performed to flow the gas mixture trapped in the sampling unit into the pressure reducing chamber to reduce the pressure, and when the sampling route is closed, the first three-way valve and the third three-way valve operate simultaneously to reduce the pressure of the fluid.
  • the fifth three-way valve operates to change the path of the fluid.
  • the second three-way valve and the fourth three-way valve operate simultaneously to change the path of the fluid.
  • the gas delivery operation is performed simultaneously with the sampling blocking operation, and the sampling blocking operation and the gas delivery operation are simultaneously performed by switching a fluid path by simultaneously operating the first to fifth three-way valves. do.
  • the plurality of multi-port valves include first and second four-way valves each having four ports, and a first port of the first four-way valve is a carrier gas inlet pipe communicating with a carrier gas tank.
  • the second port is connected to the inlet of the sampling unit
  • the third port is connected to the pipe
  • the fourth port is connected to one end of the fifth connection pipe
  • the first port of the second four-way valve is is connected to a detection unit inlet pipe communicating with the detection unit
  • a second port is connected to the outlet of the sampling unit
  • a third port is connected to the pipe
  • a fourth port is connected to the other end of the fifth connection pipe
  • the first and second four-way valves operate simultaneously to switch the path of the fluid, so that the flow path of the fluid directly from the carrier gas tank to the detection unit and from the pipe to the pipe through the sampling unit when the sampling connection is operated.
  • a flow path of the returning fluid is formed, and during the gas delivery operation, a flow path of the fluid from the carrier gas tank through the sampling unit
  • the first and second four-way valves are automatic valves that operate automatically under the control of a controller.
  • FIG. 1 is a schematic system diagram of a metrology system according to one embodiment.
  • Example 2 is a schematic diagram of a valve assembly according to Example 1;
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the arrangement of each valve of the valve assembly of Figure 2 in three dimensions.
  • FIGS. 4 and 5 show the state of the valve assembly of FIGS. 2 and 3 when the sampling connection is in operation.
  • FIGS. 6 and 7 show the state of the valve assembly of FIGS. 2 and 3 during sampling route closing operation in sampling blocking operation.
  • FIGS. 8 and 9 show the state of the valve assembly of FIGS. 2 and 3 during a pressure reducing operation in a sampling shut-off operation.
  • FIGS. 10 and 11 show the state of the valve assembly of FIGS. 2 and 3 in gas delivery operation.
  • FIG. 12 is a schematic system diagram of a measurement system according to a modified example of Embodiment 1;
  • Example 13 is a schematic diagram of a valve assembly according to a modification of Example 1;
  • FIG. 14 and 15 are schematic diagrams of a valve assembly according to Embodiment 2, FIG. 14 shows a state during operation of a sampling connection, and FIG. 15 shows a state during operation of a sampling connection.
  • 16 is a schematic conceptual diagram of a detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is an enlarged view of a enrichment module formed in the detection device of FIG. 16 .
  • FIG. 18 is a rear view of a substrate coupled to the detection device of FIG. 16;
  • FIG. 19 schematically shows the inside of a separation module formed in the detection device of FIG. 16 .
  • FIG. 20 briefly summarizes and illustrates a process of separating and detecting gaseous substances using the detection device of FIG. 16 .
  • 21 is a graph illustrating detection results detected through a measurement system according to an embodiment.
  • upstream means the side on which fluid flows in one path
  • downstream means the opposite side to the upstream
  • FIG. 1 is a schematic system diagram of a metrology system 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the measurement system 10 is a processing device for generating a gas mixture 6 including a gaseous substance 60 by processing a part in a chamber, a measurement capable of detecting a process state for a part. It is a system.
  • the processing device 1 is a semiconductor processing device that performs a plasma cleaning process of cleaning a wafer 3 as a semiconductor component through a plasma generator (electrode) 2 in a vacuum chamber 9 am.
  • a cleaning gas 8 (eg, O 2 ) is introduced into the vacuum chamber 9 from the external cleaning gas tank 5 .
  • the cleaning gas 8 ionized by the plasma generated by the plasma generator 2 reacts with the compounds on the surface of the wafer 3 to generate gaseous substances 60, which are organic compounds of various components.
  • the gas mixture 6 containing the gaseous substance 60 is discharged to the outside through the pipe 20 communicating with the chamber 9 .
  • a pump 4 On the downstream side of the pipe 20 is connected a pump 4 for providing pressure to form a vacuum in the chamber 9 and to discharge the gas mixture 6 .
  • a configuration of a semiconductor processing apparatus for performing a plasma cleaning process is known, and a detailed description thereof is omitted here.
  • the measuring system 10 analyzes the gas mixture 6 discharged from the processing device 1 and detects the gaseous substance 60 included in the gas mixture 6 in substantially real time. It consists of
  • the measurement system 10 selectively communicates with the pipe 20 of the processing device 1, and samples the gas mixture 6 from the pipe 20 for a predetermined time or for a predetermined volume ( 11) and a detection unit 12 that separates and detects the gaseous substance 60 included in the gas mixture 6 sampled by the sampling unit 11.
  • the measurement system 10 includes a valve assembly 500 that selectively communicates the sampling unit 11 to the pipe 20 or the detection unit 12 .
  • the sampling unit 11 includes an inlet 101 into which the gas mixture 6 flows, an outlet 102 through which the gas mixture 6 flows out, and an inlet 101 and an outlet ( 102) and a sampler module 103 disposed between them.
  • the inlet part 101 and the outlet part 102 have a long conduit shape, and the sampler module 103 has a shape formed by twisting the conduit shape into a spiral.
  • the sampler module 103 can be replaced in a different form, it is described separately from the inlet 101 and the outlet 102 for convenience, but the sampling unit 11 according to this embodiment spirals the middle part in one conduit. It is formed by twisting.
  • the volume of the gas mixture 6 sampled by the sampling unit 11 can be increased.
  • the sampling unit 11 has both ends open in the form of a conduit, and while the sampling unit 11 communicates with the pipe 20, the gas mixture 6 continues to flow inside the conduit. That is, the inside of the sampling unit 11 is always filled with the same volume of the gas mixture 6 .
  • an upstream connection pipe 31 and a downstream connection pipe 32 branching from the pipe 20 are formed in the pipe 20 .
  • the diameters of the upstream connection pipe 31 and the downstream connection pipe 32 are substantially the same as the diameter of the sampling section 11 .
  • the sampling unit 11 selectively communicates with the upstream connection pipe 31 and the downstream connection pipe 32 by the valve assembly 500 and selectively communicates with the pipe 20 .
  • the upstream connection pipe 31 and the downstream connection pipe 32 are connected to the pipe 20 between the chamber 9 and the pump 4 . That is, the sampling unit 11 communicates with the pipe 20 on the upstream side of the pump 4 .
  • the measurement system 10 can be easily applied.
  • the valve assembly 500 includes a plurality of valves and a connection pipe connecting them.
  • the valve assembly 500 is simply shown in the form of a square block for convenience of illustration, and an embodiment of its specific configuration will be described in detail later.
  • a plurality of valves of the valve assembly 500 cooperate to perform a sampling connection operation for communicating the pipe 20 and the sampling unit 11 and communication between the pipe 20 and the sampling unit 11. Selectively performs blocking sampling blocking operation.
  • the valve assembly 500 is connected to the upstream connection pipe 31 and the downstream connection pipe 32, and the gas mixture 6 flowing through the pipe 20 passes through the valve assembly 500 as needed to the pipe 20 again. ) to form a flow path back to
  • valve assembly 500 is connected to the inlet 101 of the sampling unit 11 and is connected to the outlet 102 of the sampling unit 11 .
  • valve assembly 500 is connected to the carrier gas inlet pipe 51 connected to the carrier gas tank 70 and connected to the detector inlet pipe 52 leading to the detector 12 .
  • the detection unit 12 stores the gas mixture 6 sampled by the sampling unit 11 and reduces the pressure of the gas mixture 6 in a decompression chamber 600 and a decompression chamber 600.
  • the decompression chamber 600, the concentration module 200, the separation module 300, and the sensor module 400 communicate with each other through conduits 52, 53, and 54. Each module of the detection unit 12 will be described in detail later.
  • valve assembly 500 performs a sampling connection operation to sample the gas mixture 6 by the sampling unit 11. do.
  • valve assembly 50 when the sampling connection is operated, the valve assembly 50 is connected to the flow path of the fluid directly from the carrier gas tank 70 to the detection unit 12 and from the pipe 20 via the sampling unit 11 to the pipe 20 ) to form a flow path for the fluid returning to
  • a fluid flow path directly leading from the carrier gas tank 70 to the detection unit 12 is formed (ie, the carrier gas tank 70 and the detection unit 12 communicate with each other) so that the carrier gas (eg, N 2 or He) 7 flows from the carrier gas tank 70 toward the detection unit 12 .
  • the detection unit 12 is maintained in a clean atmosphere uncontaminated by the outside air by the carrier gas 7 .
  • a carrier gas such as helium has very low reactivity with a porous polymer or an organic compound described later.
  • valve assembly 500 When a predetermined time elapses, the valve assembly 500 performs a sampling blocking operation to block further sampling.
  • the valve assembly 500 blocks the communication between the sampling unit 11 and the pipe 20, so that the inside of the sampling unit 11 contains a gas mixture 6 by the volume determined by the sampling unit 11. ) is trapped.
  • the sampling connection when the sampling connection is operated, a flow path of the fluid directly from the carrier gas tank to the detection unit and a flow path of the fluid returning from the pipe to the pipe via the sampling unit are formed.
  • valve assembly 500 performs a gas delivery operation after the sampling blocking operation or simultaneously with the sampling blocking operation.
  • the gas transfer operation is to form a flow path through which the carrier gas flows together with the gas mixture 6 in at least the analysis unit 12, in this embodiment, in the gas transfer operation, the carrier gas tank 70 to the sampling unit.
  • a flow path of the fluid leading to the detection unit 12 via 11 is formed.
  • valve assembly 500 passes a part of the gas mixture 6 flowing through the pipe 20 through the upstream connection pipe 31, the valve assembly 500 and the downstream connection pipe 32. A flow path of the fluid to flow back to the pipe 20 is formed.
  • the diameters of the conduits of the bypass pipe 31 and the sampling unit 11 are substantially the same, even if the sampling connection operation state is instantaneously switched from the sampling connection operation state to the sampling blocking operation state, the upstream connection from the pipe 20 The amount of the gas mixture 6 exiting the tube 31 remains almost unchanged.
  • the gas mixture 6 flows through the upstream connection pipe 31, the valve assembly 500 and the downstream connection pipe 32. Since the state of still bypassing a certain amount from the pipe 20 is maintained through, sudden pressure fluctuations can be suppressed.
  • the gas mixture 6 sampled in the sampling unit 11 may be flowed to the detection unit 12 by a separate pump (not shown) installed downstream of the detection unit 12, but according to the present embodiment , in the gas delivery operation, the inlet 101 of the sampling unit 11 communicates with the carrier gas tank 70 by the valve assembly 500 .
  • the sampled gas mixture 6 flows to the detector 12 together with the carrier gas 7 discharged from the carrier gas tank 70 .
  • the gas mixture 6 flows into the enrichment module 200, and the gaseous substances 60 included in the gas mixture 6 are caught by the enrichment module 200 and concentrated and stored in the enrichment module 200.
  • the gaseous material 60 is discharged from the enrichment module 200, and the gaseous material 60 is carried by the carrier gas 7 to the separation module 300. Fluid.
  • the separation module 300 separates the gaseous material 60 for each component and discharges it.
  • the gaseous material 60 discharged from the separation module 300 flows into the sensor module 400 while being carried by the carrier gas 7 at constant speed.
  • the sensor module 400 detects the arriving gaseous material 60 .
  • valve assemblies 500 and 500' will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 15 .
  • Figure 2 is a schematic diagram of a valve assembly 500 according to an embodiment
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the arrangement of each valve of the valve assembly 500 of Figure 2 in three dimensions.
  • the valve assembly 500 includes five 3-way valves each having three ports.
  • the first port 531 of the first three-way valve 530 is connected to the upstream connection pipe 31 and connected to the pipe 20, and the second port 532 is connected to one end of the first connection pipe 35. And, the third port 533 is connected to the downstream connection pipe 32 and connected to the pipe 20.
  • the first port 521 of the second three-way valve 520 is connected to the inlet 101 of the sampling unit 11, and the second port 522 is connected to the other end of the first connection pipe 35 to 1 is connected to the three-way valve 530, and the third port 523 is connected to one end of the second connection pipe 38.
  • the first port 541 of the third three-way valve 540 is connected to the outlet 102 of the sampling unit 11, and the second port 542 is connected to the downstream communication pipe 32 to supply the pipe 20. and the third port 543 is connected to one end of the third connection pipe 36.
  • the first port 511 of the fourth three-way valve 510 is connected to the carrier gas inlet pipe 51 communicating with the carrier gas tank 70, and the second port 512 is connected to the fourth connection pipe 37. One end is connected, and the third port 513 is connected to the other end of the second connection pipe 38 and is connected to the second three-way valve 520.
  • the first port 551 of the fifth three-way valve 550 is connected to the detection unit inlet pipe 52 communicating with the detection unit 12, and the second port 552 is connected to the other end of the fourth connection pipe 37. It is connected to the fourth three-way valve 510, and the third port 553 is connected to the other end of the third connection pipe 36 to be connected to the third three-way valve 540.
  • the fourth three-way valve 510 and the second three-way valve 520 are disposed in the horizontal direction (y direction), and the second three-way valve 520 and the first three-way valve 520
  • the valve 530, the third three-way valve 530, and the fifth three-way valve 550 are sequentially disposed side by side in the vertical direction (z direction).
  • the arrangement of these valves is not limited to the present embodiment. Since the valve assembly 500 according to this embodiment is composed of a plurality of valves, the arrangement of each valve can be freely changed. Therefore, even when the measuring system 10 is installed in the pipe 20 of the existing treatment device 1, the valve assembly 500 is effectively configured properly avoiding various pipes or facilities around the existing treatment device 1. You can do it.
  • each three-way valve of the valve assembly 500 is a manual valve that is manually operated by a lever to switch the path of fluid in the valve.
  • Manual valve refers to a manual device that switches the flow path of fluid only when the lever is operated by an external force acting on the lever. "It is distinct from
  • the first three-way valve 530 has a lever 534 in the form of a handle at the middle of the T-shaped body. Depending on the direction of rotation of the lever 534, there are two flows: a flow path from the first port 531 to the second port 532 and a flow path from the first port 531 to the third port 533. Paths are selectively formed.
  • the second three-way valve 520 has a lever 524 in the form of a handle at the middle of the T-shaped body. According to the direction of rotation of the lever 524, there are two types of flows: a flow path from the first port 521 to the second port 522 and a flow path from the first port 521 to the third port 523. Paths are selectively formed.
  • the third three-way valve 540 has a lever 544 in the form of a handle at the middle of the T-shaped body. According to the direction of rotation of the lever 544, there are two types of flows: a flow path from the first port 541 to the second port 542 and a flow path from the first port 541 to the third port 543. Paths are selectively formed.
  • the fourth three-way valve 510 has a lever 514 in the form of a handle in the middle of the T-shaped body. According to the direction of rotation of the lever 514, there are two types of flows: a flow path from the first port 511 to the second port 512 and a flow path from the first port 511 to the third port 513. Paths are selectively formed.
  • the fifth three-way valve 550 has a lever 554 in the form of a handle in the middle of the T-shaped body. According to the direction of rotation of the lever 554, there are two types of flow: a flow path from the first port 551 to the second port 552 and a flow path from the first port 551 to the third port 553. Paths are selectively formed.
  • valve assembly 500 will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 11 .
  • FIG. 4 and 5 show the valve assembly 500 in operation with a sampling connection.
  • 4 is a schematic diagram of the valve assembly 500
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the arrangement of each valve of the valve assembly 500 in three dimensions.
  • the first three-way valve 530 communicates with the first port 531 and the second port 532 to form a flow path from the first port 531 to the second port 532. . At this time, the flow path to the third port 533 is blocked.
  • the first port 521 and the second port 522 communicate with each other to form a flow path from the first port 521 to the second port 522. At this time, the flow path to the third port 523 is blocked.
  • the first port 541 and the second port 542 communicate with each other to form a flow path from the first port 541 to the second port 542. At this time, the flow path to the third port 543 is blocked.
  • a part of the gas mixture 6 flowing through the pipe 20 is introduced into the first port 531 of the first three-way valve 530 through the upstream connection pipe 31, and the second three-way valve 520 It flows into the sampling unit 11 through.
  • the inside of the sampling unit 11 is always filled with the same volume of the gas mixture 6.
  • the first port 511 and the second port 512 of the fourth three-way valve 510 communicate with each other so that a flow path leading from the first port 511 to the second port 512 is formed. do. At this time, the flow path to the third port 513 is blocked.
  • the first port 551 and the second port 552 communicate with each other to form a flow path from the first port 551 to the second port 552. At this time, the flow path to the third port 553 is blocked.
  • the carrier gas 7 moves the detector 12 to the outside air. maintained in a clean atmosphere uncontaminated by
  • the levers of the first to fifth three-way valves are selectively turned by the link structure 600 to operate each three-way valve to switch the fluid path, thereby switching to the sampling blocking operation state.
  • sampling shut-off operation step two-step operations of a sampling route sealing operation and a pressure reducing operation are sequentially performed.
  • FIG. 6 and 7 show the valve assembly 500 in operation to close the sampling route.
  • 6 is a schematic diagram of the valve assembly 500
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the arrangement of each valve of the valve assembly 500 in three dimensions.
  • the sampling route sealing operation is performed first.
  • the sampling route sealing operation is an operation for confining and trapping the gas mixture 6 in the sampling unit.
  • the first three-way valve 530 When the sampling route is closed, the first three-way valve 530 operates, the second port 532 is blocked, and the first port 531 and the third port 533 communicate with each other, so that the first port ( A flow path leading from 531 to the third port 533 is formed.
  • the third three-way valve 540 operates, the second port 542 is blocked, and the first port 541 and the third port 543 communicate with each other. By doing so, a flow path leading from the first port 541 to the third port 543 is formed.
  • the gas mixture 6 is between the first three-way valve 530 and the second three-way valve 520 (the first connection pipe 35), the second three-way valve 520 and the third three-way valve 540 ) (sampler module 103) and between the third three-way valve 540 and the fifth three-way valve 550 (the third connection pipe 36).
  • a part where there is no fluid flow due to being trapped is indicated by a dotted chain line.
  • the flow path of the carrier gas leading to the carrier gas inlet pipe 51, the fourth three-way valve 510, the fifth three-way valve 550, and the detector inlet pipe 52 is maintained as it is. Since the carrier gas 7 continues to flow toward the detection unit 12 in the carrier gas tank 70, the detection unit 12 is maintained in a clean atmosphere uncontaminated by the outside air by the carrier gas 7.
  • the pressure reducing operation is for reducing the pressure of the gas mixture 6 trapped in the sampling section 11 .
  • FIG. 8 and 9 show the valve assembly 500 in a pressure reducing operation.
  • 8 is a schematic diagram of the valve assembly 500
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the arrangement of each valve of the valve assembly 500 in three dimensions.
  • the fifth three-way valve 550 operates, the second port 552 is blocked, and the first port 551 and the third port 553 communicate with each other, so that the first port 551 ) to the third port 553, a flow path is formed.
  • the carrier gas flow path leading to the sampling unit 11 is blocked, and the carrier gas 7 does not flow into the sampling unit 11 .
  • the carrier gas 7 remains trapped in the fourth connection pipe 37 inside the sampling unit 11 . Accordingly, the flow of the carrier gas 7 can occur immediately when switching to a gas delivery operation described later.
  • a part where there is no fluid flow due to being trapped is indicated by a chain dotted line.
  • the gas mixture 6 trapped in the sampling unit 11 flows into the detection unit inlet pipe 52 due to the pressure difference and flows into the decompression chamber 600 .
  • the decompression chamber 600 is a chamber having a larger diameter than the detector inlet pipe 52 . As the volume of the space increases, the pressure of the gas mixture 6 is reduced within the decompression chamber 600 . For example, a gas mixture 6 having a pressure of 5 bar is reduced to 2 bar in the decompression chamber 600 .
  • the decompression chamber 600 in order to prevent the gas mixture 6 from condensing in the decompression chamber 600 according to the pressure reduction, the decompression chamber 600 is heated to a predetermined temperature.
  • a heater 601 is provided.
  • the heater 601 maintains the decompression chamber 600 at a predetermined temperature (eg, a target temperature of 100° C. or higher) or higher to prevent the gas mixture 6 from adsorbing into the chamber.
  • the decompression chamber 600 may be made of, for example, stainless steel.
  • the flowing gas mixture 6 has a high pressure (eg, 5 bar or more)
  • a high pressure eg, 5 bar or more
  • the pressure As a result, the internal components of the detection unit 12 may be damaged.
  • the pressure of the gas mixture 6 may be reduced to a level that can be measured by the internal configuration of the detection unit 12 through the pressure reducing operation of reducing the pressure of the gas mixture 6 .
  • valve assembly 500 is operated to perform a gas transfer operation to form a flow path of fluid from the carrier gas tank 70 via the sampling unit 11 to the detection unit.
  • FIG. 10 and 11 show the valve assembly 500 in gas delivery operation.
  • 10 is a schematic diagram of the valve assembly 500
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the arrangement of each valve of the valve assembly 500 in three dimensions.
  • the second three-way valve 520 is operated, the second port 522 is blocked, and the first port 521 and the third port 523 are communicated, so that the first port 521 ) to the third port 523, a flow path is formed.
  • the fourth three-way valve 510 operates, the second port 512 is blocked, and the first port 511 and the third port 513 communicate with each other. By doing so, a flow path leading from the first port 511 to the third port 513 is formed.
  • a fluid flow path from the carrier gas tank 70 to the detection unit 12 via the sampling unit 11 is formed. do. That is, according to the present embodiment, a gas transfer operation is performed to form a fluid flow path from the carrier gas tank 70 to the detection unit 12 via the sampling unit 11 .
  • the gas mixture 6 flowing into the upstream connection pipe 31 returns to the pipe 20 as it is through the third port 533 of the first three-way valve 530 .
  • the carrier gas 7 pushes the gas mixture 6 remaining inside the sampling unit 11 and at the same time provides power for the gas mixture 6 to flow inside the detection unit 12 .
  • the operation of the valve assembly 500 is sequentially performed in four stages: a sampling connection operation, a sampling route sealing operation and a pressure reducing operation, and a gas delivery operation.
  • a sampling connection operation since the time for each operation is very short, it may be performed with almost no time difference.
  • it may be switched to the operation of the next stage before the desired operation is completely performed in each operation stage. For example, through a pressure reducing operation in which pressure is reduced, the gas mixture 6 is reduced to a desired pressure by the pressure reduction chamber 600 even if all of the gas mixture 6 does not exit the sampling unit 11. When this happens, the gas delivery operation may be switched immediately.
  • valve assembly 500 is composed of a plurality of valves, a plurality of valves can be freely arranged, and thus the valve assembly 500 can be easily installed in the existing treatment device 1 .
  • it is easy to replace a valve in which a failure occurs labor and cost of maintenance can be reduced.
  • a manual three-way valve operated by a lever is applied as a valve.
  • a manual three-way valve has a higher pressure threshold than an automatic six-way valve. Therefore, since the measuring system 10 according to the present embodiment has superior pressure resistance compared to a measuring system using one automatic six-way valve, it can be applied even when the pressure acting on the pipe 20 is very high.
  • the sampling route is once sealed and the pressure is reduced, gas is delivered to perform analysis, so the measurement system can operate effectively even in a high-pressure environment.
  • Example 1 the levers of the first to fifth three-way valves are selectively operated (operated) to depressurize the gas mixture 6, so that four steps are performed.
  • the pressure reduction of the gas mixture 6 is not necessary, there is no need to be limited thereto.
  • valve operation in the valve assembly 500 shown in FIG. 3 is different from that in Example 1, and the operation steps may be simplified.
  • the decompression chamber 600 and the heater 601 may also be omitted.
  • FIG. 12 except that the decompression chamber 600 and the heater 601 are omitted, other configurations are the same as those in FIG. 1 , and thus duplicate descriptions are omitted.
  • valve assembly 500 according to a modified example in which the operation steps are simplified will be described.
  • the two-step operations of the operation of FIG. 4 (FIG. 5) and the operation of FIG. 10 (FIG. 11) are performed, and operations corresponding to FIGS. 6 to 9 are omitted.
  • valve assembly 500 when switching from the sampling connection operation to the sampling blocking operation, simultaneously with the sampling blocking operation, the flow of the fluid from the carrier gas tank 70 through the sampling unit 11 to the detection unit. It is switched to a gas delivery operation that causes a flow path to form.
  • the levers of the first to fifth three-way valves are simultaneously turned to simultaneously operate each three-way valve to switch the fluid path simultaneously, thereby switching to the sampling blocking operation state and simultaneously operating the gas transmission state. is transferred to
  • the first three-way valve 530 operates, the second port 532 is blocked, and the first port 531 and the third By allowing the ports 533 to communicate, a flow path leading from the first port 531 to the third port 533 is formed.
  • the second three-way valve 520 operates, the second port 522 is blocked, and the first port 521 and the third port 523 communicate with each other. By doing so, a flow path leading from the first port 521 to the third port 523 is formed.
  • the third three-way valve 540 operates, the second port 542 is blocked, and the first port 541 and the third port 543 communicate with each other. By doing so, a flow path leading from the first port 541 to the third port 543 is formed.
  • the fourth three-way valve 510 operates, the second port 512 is blocked, and the first port 511 and the third port 513 communicate with each other. By doing so, a flow path leading from the first port 511 to the third port 513 is formed.
  • the fifth three-way valve 550 operates, the second port 552 is blocked, and the first port 551 and the third port 553 communicate with each other. By doing so, a flow path leading from the first port 551 to the third port 553 is formed.
  • the second three-way valve 520 and the fourth three-way valve 510 communicate, and the third three-way valve 540 communicates with the fifth three-way valve 550. Therefore, at the same time as the sampling blocking operation, a fluid flow path from the carrier gas tank 70 to the detection unit 12 via the sampling unit 11 is formed. That is, according to the present embodiment, a gas transfer operation to form a flow path of fluid from the carrier gas tank 70 to the detection unit 12 via the sampling unit 11 is performed simultaneously with the sampling blocking operation.
  • the gas mixture 6 trapped inside the sampling unit 11 is pushed by the carrier gas 7 discharged from the carrier gas tank 70 and flows to the detection unit 12 .
  • the levers of the first to fifth three-way valves are simultaneously turned to simultaneously operate the respective three-way valves to simultaneously switch the fluid path, thereby switching to the sampling blocking operation state.
  • each three-way valve is simultaneously operated by the operation of the mechanical link structure 700 .
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a valve assembly 500 according to a modified example.
  • the levers of each three-way valve are connected together in one link structure 700 .
  • the link structure 700 includes link arms 702 and 703 rotating around a motor 701, and the link arms 702 and 703 are rotatably connected to the lever of each three-way valve.
  • the motor 701 rotates and the link arms 702 and 703 rotate
  • the lever of each three-way valve connected to the link arm simultaneously rotates, simultaneously moving the fluid flow path in each valve. is meant to be converted.
  • link structure 700 is not particularly limited as long as the levers of the three-way valves can be simultaneously turned by one driving means (such as a motor).
  • driving means such as a motor
  • link structure 700 is not limited to a link arm structure connected by rotation, and may be configured using a combination of known operating means such as a rack and pinion.
  • each three-way valve is operated simultaneously by the operation of the link structure 700, the operating timing of each valve can be uniformly matched without a complicated and sophisticated control algorithm or control means. Therefore, it is possible to secure the ease of control of the entire system and reduce the cost.
  • Example 1 since a manual three-way valve operated by a lever is applied as a valve, the critical value of the pressure to be handled is high. Therefore, the measurement system in this modified example is also applicable even when the pressure acting on the pipe 20 is relatively high.
  • valve assembly 500' is schematic diagrams of a valve assembly 500' according to another embodiment.
  • the valve assembly 500' includes two 4-way valves 560 and 570 each having four ports as multi-port valves.
  • the two four-way valves 560 and 570 are “automatic valves” that operate automatically under the control of a controller (not shown).
  • the first port 561 of the first four-way valve 560 is connected to the carrier gas inlet pipe 51 communicating with the carrier gas tank 70, and the second port 562 is the inlet of the sampling unit 11. 101, the third port 563 is connected to the upstream connection pipe 31 and connected to the pipe 20, and the fourth port 564 is connected to one end of the fifth connection pipe 39 .
  • the first port 571 of the second four-way valve 570 is connected to the detection unit inlet pipe 52 communicating with the detection unit 12, and the second port 572 is the outlet 102 of the sampling unit 11 , the third port 573 is connected to the downstream connection pipe 32 and connected to the pipe 20, and the fourth port 574 is connected to the other end of the fifth connection pipe 39.
  • the first four-way valve 560 communicates with the second port 562 and the third port 563, and the first port 561 and the fourth port. (564) communicates.
  • the second four-way valve 570 the second port 572 and the third port 573 communicate with each other, and the first port 571 and the fourth port 574 communicate with each other.
  • a part of the gas mixture 6 flowing through the pipe 20 flows into the third port 563 of the first four-way valve 560 through the upstream connection pipe 31, and passes through the second port 562. through the sampling unit 11.
  • the gas mixture 6 exits the sampling unit 11 and flows into the second port 572 of the second four-way valve 570, and through the third port 573 through the downstream connection pipe 32 to the pipe ( 20) back to
  • the inside of the sampling unit 11 is always filled with the same volume of the gas mixture 6.
  • the carrier gas 7 moves the detector 12 to the outside air. maintained in a clean atmosphere uncontaminated by
  • the first four-way valve 560 and the second four-way valve 570 are simultaneously operated by a controller (not shown) to switch the fluid path, thereby switching to the sampling blocking operation state.
  • the third port 563 and the fourth port 564 communicate with each other, and the second port 562 and the third port communicate with each other.
  • 563 operates to block communication, and at the same time, in the second four-way valve 570, the third port 573 and the fourth port 574 communicate, and the second port 562 and the third port 563 ) works so that the communication is blocked. Accordingly, communication between the sampling unit 11 and the pipe 20 is cut off, and the gas mixture 6 is trapped in the sampling unit 11 .
  • controller of the valve assembly 500' allows the first port 661 and the second port 562 of the first four-way valve 560 to communicate after the sampling blocking operation or at the same time, and the first port 671 and the second port 572 are in communication with each other.
  • the gas mixture 6 flowing into the upstream connection pipe 31 is the third port 563 of the first four-way valve 560, the fourth port 564, and the fourth port of the second four-way valve 570. 574, and returns to the pipe 20 through the third port 573.
  • valve assembly 500' has been described as having operation steps of a sampling connection operation and a sampling blocking operation (and gas delivery operation), but the valve assembly 500' It will be appreciated that it may be operated in steps of a sampling connection operation, a sampling route sealing operation, a pressure reducing operation, and a gas delivery operation.
  • valve assembly 500 ′ is composed of a plurality of valves, relatively free arrangement of the plurality of valves is possible, and it is possible to easily install the valve assembly 500 ′ into the existing treatment device 1 .
  • it is easy to replace a valve in which a failure occurs labor and cost of maintenance can be reduced.
  • a multi-port valve is applied as a plurality of valves, the use of unnecessary valves can be minimized.
  • a three-way valve or a four-way valve is described as an embodiment as a multi-port valve, but it is understood that similar effects can be produced by the combination of so-called “multi-port valves” that have a plurality of ports and switch the flow of fluid. It will be.
  • a four-way valve operated by a lever is applied as a valve.
  • a four-way valve has a higher threshold of pressure than a 6-way valve. Therefore, since the measuring system 10 according to the present embodiment has excellent pressure resistance compared to a measuring system using one hexagonal valve, it can be applied even when the pressure acting on the pipe 20 is very high.
  • the enrichment module 200, the separation module 300, and the sensor module 400 constituting the detection unit 12 are miniaturized and integrated into one detection device 120 configured in a portable form. ) is composed of As described above, since the decompression chamber 600 and the heater 601 may be omitted depending on the pressure environment, the decompression chamber 600 and the heater 601 are further described in the description of the detection unit 12 to be described below. Doesn't explain in detail.
  • 16 is a schematic conceptual diagram of the detection device 120.
  • the detection device 120 has a structure in which a substrate 122 on which an enrichment module 200 and a separation module 300 are integrated and a sensor module 400 are installed on one body 121. .
  • a hot wire Inside the body 121, a power source (not shown) of the sensor module 400, and a communication device (not shown) that transmits a signal of the sensor module 400 are embedded.
  • a memory for storing information such as a library for the time for each gaseous substance 60 to be described later to escape through the separation path 310 is stored, and the result obtained by comparing the information detected by the sensor module with the library
  • a processor or the like that derives may be provided.
  • the body 121 may be provided with a speaker or a liquid crystal screen for notifying the operator of the derivation result.
  • the functions of the above memory, processor, etc. may be performed by a separate computer, and the detection device 120 may communicate with a separate computer to send the detection result by the sensor module to the computer for processing.
  • the substrate 122 is formed by bonding a plate made of silicon (first substrate) and a plate made of glass (second substrate).
  • the concentrating module 200, the separation module 300, and the plurality of conduits 52 and 53 connected thereto are all formed by deep reactive-ion etching (DRIE) on one side of the first substrate. It is formed by deeply etching using a process. Accordingly, nano-sized structures can be precisely formed on the substrate 122 , and the overall size of the detection device 120 can be reduced.
  • DRIE deep reactive-ion etching
  • the condensation module 200, the separation module 300, and a plurality of conduits 52 and 53 connected thereto are simultaneously etched and formed in the form of concave grooves, and a second substrate is placed and bonded to cover the concave grooves. completes the closed structure.
  • the first substrate and the second substrate can be strongly bonded to each other by anodic bonding, which is a bonding method by voltage under atmospheric pressure conditions.
  • FIG 17 is an enlarged view of the enrichment module 200 according to this embodiment.
  • the enrichment module 200 includes an enrichment chamber 210 formed as a space having a larger volume than a conduit connected thereto.
  • the concentrating chamber 210 includes two opposing unidirectional side surfaces extending in a short direction of the concentrating chamber 210 and two opposing long lateral sides extending in a long direction of the concentrating chamber 210 . Including, it has an approximately long polygonal shape.
  • the unidirectional side is formed by being bent in a substantially "v" shape so that the center is away from the long direction side, so that the flow of the fluid in the concentrating chamber 210 can be uniformly spread.
  • An inlet pipe 52 communicating with the enrichment chamber 210 and introducing the gas mixture 6 is formed at a central portion of one unidirectional side of the enrichment chamber 210 .
  • An outlet pipe 53 through which gas can escape from the enrichment chamber 210 is formed at the center of the other unidirectional side of the enrichment chamber 210 .
  • inlet and outlet are intended to mean different openings through which fluid can flow in and out of the corresponding conduit, and do not necessarily limit the flow of the fluid from the inlet to the outlet in the corresponding conduit. don't That is, in some cases, there may be cases in which the fluid flows into the outlet and flows out of the inlet in the corresponding conduit.
  • a plurality of columns 211 are disposed at regular intervals.
  • a plurality of pillar bodies 211 may be formed inside the enrichment chamber 210 by preventing part of the enrichment chamber 210 from being etched.
  • the concentrating chamber 210 filters the gaseous material 60 in the gas mixture 6 and concentrates and stores it.
  • the inside of the enrichment chamber 210 is filled with an adsorbent 212 capable of collecting the gaseous material 60 .
  • the adsorbent 212 for example, a material such as a carbon compound to which the gaseous material 60 , which is an organic compound, may be attached and collected by van der Waals force may be used.
  • the adsorbent 212 may be filled in the chamber 110 in advance before bonding the first substrate and the second substrate, or may be filled in the concentrating chamber 210 by a gas transfer method.
  • a separate introduction pipe (not shown) may be formed to communicate with the enrichment chamber 210 .
  • the gaseous material 60 introduced into the concentrating chamber 210 is collected by the adsorbent 212 and concentrated and stored in the concentrating chamber 210 .
  • the bond between the adsorbent 212 and the gaseous material 60 must be broken, which is the detection device according to the present embodiment.
  • 120 includes a heating device that applies heat to the enrichment chamber 210 .
  • a heating wire 901 that generates heat when power is applied as a chamber heating device is attached to the rear surface of the first substrate.
  • the hot wire 901 is formed on the first substrate corresponding to the position where the concentrating chamber 210 is formed.
  • the hot wire 901 has a terminal 903 to which power can be connected.
  • a temperature sensor 902 capable of measuring a temperature raised by the hot wire 901 may be provided at the center of the hot wire 901 .
  • heat energy capable of dissociating the adsorbent 212 and the gaseous material 60 may be selectively applied to the concentrating chamber 210 .
  • a hot wire 800 for selectively applying heat to the separation path 310 to improve the reactivity inside the separation path 310 described below is a separation path Corresponding to the position of 310, it may be formed on the rear surface of the first substrate. Terminals 801 capable of applying power are formed at both ends of the hot wire 800 .
  • the heat applied by the hot wire 901 is conducted by the first substrate of silicon, and heat may be unexpectedly applied to adjacent components such as the separation path 310 .
  • a plurality of slits 311, 312, and 313 formed along the periphery of the hot wire 901 and completely penetrating the first substrate are formed.
  • the conduit 53 communicating with the enrichment module 200 communicates with the separation module 300 .
  • Separation module 300 includes an elongated separation path 310 .
  • the separation path 310 forms a single fluid flow path, and the gaseous material 60 introduced into the separation path 310 is separated by component while moving along the separation path 310 having a very long path, thereby reducing the time difference. and flows out from the separation path 310.
  • the separation path 310 in order for the separation path 310 to have a path long enough to separate harmful substances, the separation path 310 is arranged to form a single-layered column that is bent and arranged in a maze shape within a defined rectangular space. do.
  • the separation path 310 bends to the center of the square space and extends in a kind of coil shape, and then coils again at the center. It extends into the form and extends to the exit of the separation path 310 . That is, the path length of the separation path 310 can be maximized in a small space while a path extending meanderingly toward the center and a path extending away from the center cross adjacently to each other in the form of a column.
  • adjacent paths are sufficiently spaced apart, but the intervals between adjacent paths are formed very densely.
  • the separation path 310 having a cross-sectional area of several nanometers can extend over about 3 m.
  • FIG. 19 schematically illustrates the interior of a separation path 310 according to an embodiment of the present invention.
  • the inner surface of the separation path 310 is coated with a porous material 311 to which the gaseous material 60 can be attached.
  • the porous material 311 may be a porous polymer such as PDMS.
  • Hazardous substances (M), which are organic compounds, are attached to the porous polymer by van der Waals forces.
  • the carrier gas 7 flows into the separation path 310, the gaseous material 60 attached to the porous material 311 is separated from the porous material 311 by the force of the carrier gas 7 and is separated from the porous material 311 at a certain distance. While flowing, it loses mobility and is attached to the porous material 311 again, which is repeated.
  • the gaseous material 60 Since the gaseous material 60 has different masses and van der Waals forces acting on the porous material 311 depending on its components, the gaseous material 60 of different components, as shown in FIG. The frequency and distance of being attached to and separated from each other and flowing are different. That is, the gaseous material 60 moves with a different moving speed inside the separation path 310 depending on the component. For example, among the first material 61 indicated by triangles and the second material 62 indicated by circles, the movement speed of the second material 62 is higher.
  • the separation path 310 since the separation path 310 has a long path of about 3 m, the gaseous material 60 injected into the inlet of the separation path 310 has an equal moving distance for each component while moving along the long path. Then, the components are aggregated and discharged to the outlet of the separation path 310. Since the gaseous material 60 has a different moving speed depending on the component, the gaseous material 60 is separated for each component and discharged to the outlet of the separation path 310 with a time difference. That is, the gaseous material 60 is separated by component and discharged with a time difference by simply traveling the harmful substance through the separation path 310 without applying electricity or the like.
  • the porous material 311 may be coated on the separation path 310 before the first substrate and the second substrate are bonded, or may be coated by a gas flow method through a separate inlet pipe (not shown).
  • the gaseous material 60 sequentially passing through the outlet of the separation path 310 is detected by the sensor module 400 .
  • the sensor module 400 applies ultraviolet (UV) rays to the gaseous material 60 flowing out from the separation path 310 of the separation module 300 to generate voltage due to electrons dissociated from the gaseous material 60.
  • UV ultraviolet
  • It is a photoionization method (PID) sensor that measures the change. Specifically, when a material such as an organic compound is irradiated with UV light, an electric potential is generated as electrons escape.
  • the sampled gas mixture 6 pushed by the carrier gas 7 is introduced into the enrichment chamber 210 through the detector inlet pipe 52 .
  • the gas introduced into the enrichment chamber 210 moves in the elongated direction of the enrichment chamber 210 .
  • the gaseous material 60 included in the gas mixture 6 is adsorbed to the adsorbent 212 filled in the enrichment chamber 210 .
  • the high-concentration gaseous material 60 that has escaped from the concentrating chamber 210 is instantly introduced into the separation path 310 .
  • the enrichment chamber 210 serves not only as a reservoir for concentrating and storing harmful substances, but also as an injector capable of injecting highly concentrated harmful substances into the separation path 310 .
  • FIG. 20 shows a simplified arrangement of a process of separating and detecting the gaseous material 60 using the detection device 120 according to the present embodiment.
  • the gaseous material 60 in the separation path 310 has a different moving speed depending on its composition.
  • the time to exit the separation path 310 may be acquired in advance according to the components of the gaseous material 60 .
  • a gas containing only isopropyl antipyrine (IPA) could be detected by the sensor module 400 after about 20 seconds.
  • IPA isopropyl antipyrine
  • the sensor module 20 checks the time when the potential value significantly increases to determine the components of the gaseous substance. It can be known, and the concentration of the corresponding gaseous substance can also be obtained through the potential value.
  • 21 is a graph showing detection results detected through the measurement system 10 when a plasma cleaning process is performed.
  • the component of the gaseous substance detected at that time is already specified.
  • the substance of peak a is pyridine
  • the substance of peak b is butanediol.
  • An operator or a control unit of the system may continuously check the presence or absence of residues in the cleaned wafer 3 by checking the components and concentrations of the detected gaseous substance 60 .
  • concentration of the specific material is close to 0 or less than a predetermined reference value, it is determined that no residue is present in the cleaned wafer 3, and the cleaning operation may be terminated.
  • the presence and concentration of the gaseous material 60 included in the gas mixture 6 discharged from the treatment device 1 is checked even in the state where the plasma cleaning process is continuously performed (in-situ), thereby removing the residue. You can check if it exists. Therefore, after the process is finished and the wafer is inspected by a separate device, if the standard is not met, the process of performing the cleaning process again can be omitted, and thus the yield of semiconductor parts can be greatly improved.
  • the processing device 1 has been described as being a wafer plasma cleaning processing device, but is not limited thereto.
  • the treatment device 1 may be a UV ozone based cleaning device.
  • the processing device 1 may be a plasma or UV ozone based wafer etching processing device.
  • the etching method may be dry or wet.
  • the part to be processed may be a semiconductor part other than a wafer, or may not be a semiconductor part.
  • the measurement system 10 according to the present embodiment can be applied to any process in which a gas mixture is generated by reaction of a reactant gas and a part in a chamber.
  • the processing device 1 is not limited to a device that performs a specific “process”.
  • the measurement system 10 may be installed as a "pipe 20" in a chimney through which factory smoke is exhausted, and may be used to measure components of factory smoke.
  • the treatment device 1 may also be referred to as other devices for discharging a gas mixture, such as a vehicle.
  • the detection unit 12 is composed of one portable detection device 120, it is not limited thereto.
  • the concentration module 200, the separation module 300, and the sensor module 400 of the detection unit 12 may be configured as separate devices, and each device may not necessarily be miniaturized to be portable.
  • a PID type sensor is used in the sensor module 400, but a sensor using hydrogen ionization detection method (FID) may be used.
  • FID hydrogen ionization detection method
  • sampler 103 using a spiral conduit is used in the above embodiment, it is not limited thereto. If it is possible to temporarily store the gas mixture 6 by a predetermined volume, for example, a simple straight tube shape or a sample bag may be used as a sampler.
  • sampling section 11 and the detection section 12 are in fluid communication, it is not limited to this. After sampling is performed by the sampling unit 11, the sampling unit 11 may be separated and moved, and connected to the detection unit 12 in another location.
  • valve assemblies 500 and 500' are connected to the pipe 20 in a kind of bypass form through the upstream connection pipe 31 and the downstream connection pipe 32 branching from the pipe 20, but , but not limited thereto.
  • the conduit between the upstream connection pipe 31 and the downstream connection pipe 32 is deleted so that the gas mixture 6 passing through the pipe 20 must flow through the valve assemblies 500 and 500'. You can do it.

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Abstract

가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물의 성분을 계측할 수 있는 계측 시스템은, 가스 혼합물이 통과하는 배관에 선택적으로 연통하여, 배관으로부터 가스 혼합물을 샘플링하는 샘플링부와, 샘플링부에 의해 샘플링된 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리 검출하는 검출부와, 샘플링부를 배관 또는 검출부에 선택적으로 연통시키는 복수의 밸브를 구비하는 밸브 조립체를 포함한다. 복수의 밸브가 협동하여, 배관과 샘플링부를 연통시키는 샘플링 연결 작동과, 배관과 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 선택적으로 수행한다.

Description

기체상 물질의 계측 시스템
본 명세서는 계측 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배관을 흐르는 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물의 성분을 계측할 수 있는 계측 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서 웨이퍼 등의 반도체 부품의 표면을 처리하는 클리닝, 에칭 등의 과정은 제품의 수율, 정밀성 확보에 있어서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 일반적으로, 플라즈마, UV 오존을 활용하여, 반도체 부품의 클리닝, 에칭 공정 등을 수행하고 있다.
이러한 공정이 제대로 완료되었는지 웨이퍼의 상태를 확인하기 위해서는, 공정 완료 후 웨이퍼 표면 성분 분석 장비인 고가(수억~수십억)의 ToF(Time of Flight)-SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) 방식을 이용하여 표면 성분을 분석하는 경우가 있다.
TOF-SIMS 방식은 일차이온으로 표면을 때리는 동안 방출하는 양이온 혹은 음이온을 분석하여 화학적 성분과 표면구조를 얻어내는 방식으로써 검출영역이 넓고 정밀성이 뛰어나지만, 해당 방식을 활용하기 위한 장치의 가격이 비싸고 소형화가 되지 않아서, 현장에서 탐지하는 데에는 한계가 있다. 또한, TOF-SIMS 방식을 활용하기 위해서는, 반도체 부품의 공정을 완료한 후, 반도체 부품에 대해서 검사를 수행하여야 하므로, 실시간 모니터링이 불가하다.
따라서, 실제 공정 중 진행 현황을 실시간으로 파악하여 맞춤형 최적 공정 제어가 불가능하다.
반도체 공정 중 실시간으로 공정 상태를 모니터링하는 장치로서, RGA(Residual Gas Analyzer)가 이용되는 경우가 있다. 하지만, RGA 역시 매우 고가이고, 가스 혼합물에 대한 분석이 불가하며, 고진공 챔버로 대상이 제한된다는 단점이 있다. RGA는 증착 공정에서 부분적으로 활용되고 있을 뿐이다.
이와 같이, 종래에는, 공정 중에, 에칭 또는 클리닝 공정 등 반도체 처리 공정의 주요 공정에서, 반도체 부품의 표면에 잔류 물질이 존재하는지에 대한 여부, 해당 공정에 사용되는 가스 상 물질의 제어 상태, 누출 여부 등을 실시간(in-situ) 방법으로 계측하는 장치는 기술적, 가격적 문제로 인하여 전무한 상태이다.
반도체 공정 등과 같이 실시간으로 가스상 물질의 분석이 요구되는 일련의 공정에서, 공정 결과로 발생하는 가스 혼합물의 성분을 손쉽고 적절하게 계측할 수 있는 계측 시스템의 개발이 요구된다.
본 명세서는 일련의 공정을 통해 발생한 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 배관으로부터 직접 샘플링하여 성분을 계측할 수 있는 계측 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물의 성분을 계측할 수 있는 계측 시스템으로서, 상기 가스 혼합물이 통과하는 배관에 선택적으로 연통하여, 상기 배관으로부터 가스 혼합물을 샘플링하는 샘플링부와, 상기 샘플링부에 의해 샘플링된 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리 검출하는 검출부와, 상기 샘플링부를 상기 배관 또는 상기 검출부에 선택적으로 연통시키는 복수의 밸브를 구비하는 밸브 조립체를 포함하고, 상기 복수의 밸브가 협동하여, 상기 배관과 상기 샘플링부를 연통시키는 샘플링 연결 작동과, 상기 배관과 상기 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 선택적으로 수행하는 계측 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 계측 시스템은, 상기 복수의 밸브가 협동하여, 상기 샘플링 차단 작동과 동시에, 또는 상기 샘플링 차단 작동 이후에, 캐리어 가스가 상기 가스 혼합물과 함께 유동하도록 유동 경로를 형성하는 가스 전달 작동을 수행한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 전달 작동에 의해 상기 캐리어 가스가 상기 샘플링부를 거쳐 상기 검출부로 유동하는 유동 경로가 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링 연결 작동 시, 캐리어 가스 탱크로부터 상기 검출부로 바로 이어지는 유체의 유동 경로와, 상기 배관으로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 배관으로 돌아가는 유체의 유동 경로가 형성되고, 상기 가스 전달 작동 시, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 검출부로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링 차단 작동은, 상기 샘플링부에 상기 가스 혼합물을 가두어 트랩하는 샘플링 루트 밀폐 작동과, 상기 샘플링부에 트랩된 상기 가스 혼합물을 감압하기 위한 압력 감압 작동을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 검출부는, 상기 가스 혼합물의 압력을 감압하기 위한 감압 챔버를 포함하고, 상기 압력 감압 작동을 통해 상기 가스 혼합물을 상기 감압 챔버로 유입시켜 감압하고, 상기 가스 혼합물을 감압한 후에 상기 가스 전달 작동이 수행된다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 밸브는 각각 복수의 포트를 구비하는 복수의 다중 포트 밸브를 포함하고, 상기 복수의 다중 포트 밸브가 선택적으로 작동하여, 상기 샘플링 연결 작동, 상기 샘플링 차단 작동 및 상기 가스 전달 작동이 선택적으로 수행된다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 다중 포트 밸브는 수동으로 조작되는 레버에 의해 밸브 내의 유체의 경로를 전환하는 수동 밸브이고, 상기 복수의 다중 포트 밸브 각각의 레버는 링크 구조체에 함께 연결되고, 상기 링크 구조체의 작동에 의해 상기 복수의 다중 포트 밸브의 레버가 동시에 작동해 유체의 경로를 동시에 전환한다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 다중 포트 밸브는 각각 세 개의 포트를 구비하는 제1 내지 제3 삼방 밸브를 포함하고, 제1 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 배관에 접속되고, 제2 포트는 제1 연결관의 일단에 접속되며, 제3 포트는 상기 배관에 접속되고, 제2 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 샘플링부의 입구부에 접속되고, 제2 포트는 상기 제1 연결관의 타단에 접속되며, 제3 포트는 제2 연결관의 일단에 접속되고, 제3 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 샘플링부의 출구부에 접속되고, 제2 포트는 상기 배관에 접속되며, 제3 포트는 제3 연결관의 일단에 접속되고, 상기 제1 삼방 밸브의 작동에 의해, 상기 샘플링부와 상기 배관을 연통 또는 차단한다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 다중 포트 밸브는 각각 세 개의 포트를 구비하는 제4 및 제5 삼방 밸브를 포함하고, 제4 삼방 밸브의 제1 포트는 캐리어 가스 탱크와 연통하는 캐리어 가스 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 제2 연결관의 타단에 접속되며, 제3 포트는 제4 연결관의 일단에 접속되고, 제5 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 검출부와 연통하는 검출부 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 제4 연결관의 타단에 접속되며, 제3 포트는 상기 제3 연결관의 타단에 접속되고, 제1 내지 제5 삼방 밸브가 선택적으로 작동되어 유체의 경로를 전환함으로써, 상기 샘플링 연결 작동, 상기 샘플링 차단 작동 및 상기 가스 전달 작동이 선택적으로 수행된다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링 차단 작동을 통해 상기 가스 혼합물을 감압한 후에 상기 가스 전달 작동이 수행되고, 상기 샘플링 차단 작동은, 상기 샘플링부에 상기 가스 혼합물을 가두어 트랩하는 샘플링 루트 밀폐 작동과, 상기 샘플링부에 트랩된 상기 가스 혼합물을 감압하기 위해 상기 감압 챔버로 유동시키는 압력 감압 작동이 수행되며, 상기 샘플링 루트 밀폐 작동 시, 상기 제1 삼방 밸브 및 상기 제3 삼방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환하고, 상기 압력 감압 작동 시, 상기 제5 삼방 밸브가 작동하여 유체의 경로를 전환한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 전달 작동 시, 상기 제2 삼방 밸브 및 상기 상기 제4 삼방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환한다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링 차단 작동과 동시에 상기 가스 전달 작동이 수행되고, 제1 내지 제5 삼방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환함으로써, 상기 샘플링 차단 작동과 상기 가스 전달 작동이 동시에 수행된다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 다중 포트 밸브는 각각 네 개의 포트를 구비하는 제1 및 제2 사방 밸브를 포함하고, 제1 사방 밸브의 제1 포트는 캐리어 가스 탱크와 연통하는 캐리어 가스 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 샘플링부의 입구부에 접속되며, 제3 포트는 상기 배관에 접속되고, 제4 포트는 제5 연결관의 일단에 접속되며, 제2 사방 밸브의 제1 포트는 상기 검출부와 연통하는 검출부 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 샘플링부의 출구부에 접속되고, 제3 포트는 상기 배관에 접속되고, 제4 포트는 상기 제5 연결관의 타단에 접속되며, 제1 및 제2 사방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환함으로써, 상기 샘플링 연결 작동 시, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 상기 검출부로 바로 이어지는 유체의 유동 경로와, 상기 배관으로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 배관으로 돌아가는 유체의 유동 경로가 형성되고, 상기 가스 전달 작동 시, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 검출부로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 사방 밸브는 컨트롤러의 제어에 의해 자동으로 작동하는 자동 밸브이다.
도 1은 일 실시예에 따른 계측 시스템의 개략적인 시스템도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 밸브 조립체의 개략도이다.
도 3은 도 2의 밸브 조립체의 각 밸브의 배치를 3차원적으로 도시한 개략도이다.
도 4 및 도 5는 샘플링 연결 작동 시의 도 2 및 도 3의 밸브 조립체의 상태를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 샘플링 차단 작동에서 샘플링 루트 밀폐 작동 시의 도 2 및 도 3의 밸브 조립체의 상태를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 샘플링 차단 작동에서 압력 감압 작동 시의 도 2 및 도 3의 밸브 조립체의 상태를 도시한 것이다.
도 10 및 도 11은 가스 전달 작동 시의 도 2 및 도 3의 밸브 조립체의 상태를 도시한 것이다.
도 12는 실시예 1의 변형예에 따른 계측 시스템의 개략적인 시스템도이다.
도 13은 실시예 1의 변형예에 따른 밸브 조립체의 개략도이다.
도 14 및 도 15는 실시예 2에 따른 밸브 조립체의 개략도이고, 도 14는 샘플링 연결 작동 시의 상태를 도시하고, 도 15는 샘플링 연결 작동 시의 상태를 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 장치의 개략적인 개념도이다.
도 17은 도 16의 검출 장치에 형성되는 농축 모듈의 확대도이다.
도 18은 도 16의 검출 장치에 결합되는 기판의 배면도이다.
도 19는 도 16의 검출 장치에 형성되는 분리 모듈의 내부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 20은 도 16의 검출 장치를 이용해 가스상 물질을 분리 검출하는 과정을 간략히 정리하여 도시한 것이다.
도 21은 실시예에 따른 계측 시스템을 통해 검출한 검출 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
본 명세서에 기재된 "상류"란 하나의 경로에서 유체가 흘러오는 쪽을 의미하며, "하류"는 상류와 반대 쪽을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 시스템(10)의 개략적인 시스템도이다.
본 실시예에 따른 계측 시스템(10)은, 챔버 내에서 부품을 처리하여 가스상 물질(60)을 포함하는 가스 혼합물(6)을 발생시키는 처리 장치에서, 부품에 대한 공정 상태를 검출할 수 있는 계측 시스템이다.
<처리 장치(1)>
본 실시예에 따른 처리 장치(1)는 진공 상태의 챔버(9) 내에서 플라즈마 발생기(전극)(2)를 통해 반도체 부품인 웨이퍼(3)를 클리닝하는 플라즈마 클리닝 처리 공정을 수행하는 반도체 처리 장치이다.
플라즈마 클리닝 처리 공정이 시작되면, 외부의 클리닝 가스 탱크(5)로부터 진공 상태의 챔버(9) 내로 클리닝 가스(8)(예를 들어, O2)가 유입된다.
플라즈마 발생기(2)에 의해 발생한 플라즈마에 의해 이온화된 크리닝 가스(8)가 웨이퍼(3)의 표면의 화합물이 서로 반응하여 다양한 성분의 유기 화합물인 가스상 물질(60)이 발생한다.
가스상 물질(60)을 포함하는 가스 혼합물(6)은 챔버(9)와 연통된 배관(20)을 통하여 외부로 배출된다. 배관(20)의 하류 측에는 챔버(9) 내의 진공을 형성하고, 가스 혼합물(6)를 배출하기 위한 압력을 제공하기 위한 펌프(4)가 연결된다.
플라즈마 클리닝 처리 공정을 수행하기 위한 반도체 처리 장치의 구성은 공지되어 있으며, 여기서는 더 자세한 설명을 생략한다.
<계측 시스템(10)>
본 실시예에 따른 계측 시스템(10)은 처리 장치(1)에서 배출된 가스 혼합물(6)을 분석하여, 실질적으로 실시간으로 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 검출할 수 있도록 구성된다.
도 1을 참조하면, 계측 시스템(10)은 처리 장치(1)의 배관(20)에 선택적으로 연통하여, 소정 시간 또는 소정 용적 만큼 배관(20)으로부터 가스 혼합물(6)을 샘플링하는 샘플링부(11) 및 샘플링부(11)에 의해 샘플링된 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 분리 검출하는 검출부(12)를 포함한다. 또한, 계측 시스템(10)은 샘플링부(11)를 배관(20) 또는 검출부(12)에 선택적으로 연통시키는 밸브 조립체(500)를 포함한다.
본 실시예에 따른 샘플링부(11)는, 가스 혼합물(6)이 유입되는 입구부(101)와, 가스 혼합물(6)이 유출되는 출구부(102) 및 입구부(101)와 출구부(102) 사이에 배치되는 샘플러 모듈(103)을 포함한다.
입구부(101)와 출구부(102)는 긴 도관 형태를 가지며, 샘플러 모듈(103)은 도관 형태를 나선형으로 꼬아 형성한 형태를 가진다.
여기서, 샘플러 모듈(103)은 다른 형태로 대체 가능하므로 편의상 입구부(101) 및 출구부(102)와 구분하여 기재하였지만, 본 실시예 따른 샘플링부(11)는 하나의 도관에서 중간부를 나선형으로 꼬아 형성한 것이다.
나선형의 형태로 샘플러 모듈(103)을 형성함에 따라서, 샘플링부(11)에서 샘플링되는 가스 혼합물(6)의 용적을 증가시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 샘플링부(11)는 양 단부가 개방된 도관 형태로, 샘플링부(11)를 배관(20)과 연통시킨 동안에는 도관 내부를 가스 혼합물(6)이 계속 유동하게 된다. 즉, 샘플링부(11)의 내부에는 항상 동일한 용적의 가스 혼합물(6)이 차있다.
따라서, 샘플링부(11)와 배관(20)의 연통이 차단되면, 그 시점에 상관없이 샘플링부(11)의 내부에는 항상 동일한 용적의 가스 혼합물(6)이 샘플링된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배관(20)에는, 배관(20)으로부터 분기하는 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32)이 형성되어 있다. 본 실시예에 따르면, 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32)의 직경은 샘플링부(11)의 직경과 실질적으로 동일하게 되어 있다.
샘플링부(11)는 밸브 조립체(500)에 의해 상류 연결관(31) 및 하류 연결관(32)에 선택적으로 연통하여 배관(20)에 선택적으로 연통하게 된다.
본 실시예에 따르면, 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32)은 챔버(9)와 펌프(4) 사이에서 배관(20)에 연결된다. 즉, 샘플링부(11)는 펌프(4)의 상류측에서 배관(20)에 연통된다.
이에 따라서, 펌프(4)로부터 토출되는 오일 성분 등에 의해 샘플링되는 가스 혼합물(6)이 오염되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 비교적 구조 변경이 용이한 챔버(9)와 펌프(4) 사이의 배관(20)을 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32)이 연결된 형태로 교환함으로써, 기존의 처리 장치(1)에 쉽게 계측 시스템(10)을 적용할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 밸브 조립체(500)는 복수의 밸브와 그를 연결하는 연결관을 구비한다. 도 1에서는 도시의 편의를 위해 밸브 조립체(500)를 단순히 사각 블록 형태로 도시하였으며, 그 구체적인 구성의 실시 형태는 뒤에서 상술한다.
본 실시예에 따르면, 밸브 조립체(500)의 복수의 밸브가 협동하여, 배관(20)과 샘플링부(11)를 연통시키는 샘플링 연결 작동과, 배관(20)과 샘플링부(11)의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 선택적으로 수행한다.
밸브 조립체(500)는 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32)에 접속되고, 필요에 따라 배관(20)을 유동하는 가스 혼합물(6)이 밸브 조립체(500)를 거쳐 다시 배관(20)으로 돌아가는 유동 경로를 형성한다.
또한, 밸브 조립체(500)는 샘플링부(11)의 입구부(101)와 접속되고, 샘플링부(11)의 출구부(102)와 접속된다.
또한, 밸브 조립체(500)는 캐리어 가스 탱크(70)와 연결된 캐리어 가스 유입관(51)과 접속되고, 검출부(12)로 이어지는 검출부 유입관(52)과 접속되어 있다.
본 실시예에 따른 검출부(12)는, 샘플링부(11)에서 샘플링된 가스 혼합물(6)을 저류하여 가스 혼합물(6)의 압력을 감압하는 감압 챔버(600)와, 감압 챔버(600)에서 감압된 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 걸러 농축 저장하는 농축 모듈(200)과, 농축 모듈(20)에서 농축된 가스상 물질(60)을 성분 별로 분리하는 분리 모듈(300)과, 분리 모듈(300)로부터 유출되는 가스상 물질(60)을 검출하는 센서 모듈(400)을 포함한다. 감압 챔버(600), 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 센서 모듈(400)은 서로 도관(52, 53, 54)에 의해 연통되어 있다. 이러한 검출부(12)의 각각의 모듈에 대해서는 뒤에서 더 자세하게 설명한다.
<계측 시스템(10)의 작동>
먼저, 도 1을 참조하여, 가스상 물질(60)을 계측하기 위한 계측 시스템(10)의 작동에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 처리 장치(1)에 의해 플라즈마 클리닝 처리 공정이 시작되면, 밸브 조립체(500)는 샘플링부(11)에 의해 가스 혼합물(6)을 샘플링하기 위해 샘플링 연결 작동을 수행한다.
좀더 구체적으로, 샘플링 연결 작동 시, 밸브 조립체(50)는 캐리어 가스 탱크(70)로부터 검출부(12)로 바로 이어지는 유체의 유동 경로와, 배관(20)으로부터 샘플링부(11)를 거쳐 배관(20)으로 되돌아가는 유체의 유동 경로가 형성되도록 작동한다.
본 실시예에 따르면, 샘플링 연결 작동 시(후술하는 가스 전달 작동 시 외)에, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 검출부(12)로 바로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성(즉, 캐리어 가스 탱크(70)와 검출부(12)가 연통)되어, 캐리어 가스 탱크(70)에서 캐리어 가스(예를 들어, N2 또는 He)(7)가 검출부(12)를 향해 유동하도록 되어 있다. 이에 따라서, 캐리어 가스(7)에 의해 검출부(12)가 외기에 의해 오염되지 않은 청정한 분위기로 유지된다. 헬륨 등의 캐리어 가스는, 후술하는 다공성 폴리머나 유기 화합물과의 반응성이 매우 낮다.
소정의 시간이 경과하면, 밸브 조립체(500)는 샘플링 차단 작동을 하여, 더 이상의 샘플링을 차단한다.
샘플링 차단 작동 시, 밸브 조립체(500)가 샘플링부(11)와 배관(20)의 연통을 차단하여, 샘플링부(11)의 내부에는 샘플링부(11)에 의해 정해진 용적만큼의 가스 혼합물(6)이 트랩된다. 본 실시예에서는, 샘플링 연결 작동 시, 캐리어 가스 탱크로부터 검출부로 바로 이어지는 유체의 유동 경로와, 배관으로부터 샘플링부를 거쳐 배관으로 돌아가는 유체의 유동 경로가 형성된다.
또한, 밸브 조립체(500)는, 샘플링 차단 작동 후 또는 상기 샘플링 차단 작동과 동시에 가스 전달 작동을 수행한다.
가스 전달 작동은 캐리어 가스가 적어도 분석부(12)에서 가스 혼합물(6)과 함께 유동하도록 하는 유동 경로를 형성하는 것으로, 본 실시예에서는, 가스 전달 작동 시, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 검출부(12)로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다.
한편, 샘플링 차단 작동 시에, 밸브 조립체(500)는, 배관(20)을 흐르는 가스 혼합물(6)의 일부가 상류 연결관(31), 밸브 조립체(500) 및 하류 연결관(32)을 거쳐 다시 배관(20)으로 흐르도록 하는 유체의 유동 경로를 형성한다.
본 실시예에 따르면 바이패스관(31)과 샘플링부(11)의 도관의 직경은 서로 실질적으로 동일하므로, 샘플링 연결 작동 상태에서 샘플링 차단 작동 상태로 순간적으로 전환되더라도, 배관(20)으로부터 상류 연결관(31)으로 빠져 나가는 가스 혼합물(6)의 양은 거의 변화가 없게 된다.
일정한 양의 가스 혼합물(6)이 배관(20)으로부터 바이패스되어 빠져나가던 상태에서 바이패스 경로가 갑자기 막히게 되면, 배관(20) 내부에 압력에 의한 충격이 발생할 수 있다. 이러한 압력 충격에 의해, 펌프(4) 내지 처리 장치(1) 등에 악영향이 발생할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 샘플링 연결 작동 상태에서 샘플링 차단 작동 상태로 순간적으로 전환되더라도, 가스 혼합물(6)이 상류 연결관(31), 밸브 조립체(500) 및 하류 연결관(32)를 통하는 유동 경로를 통해 배관(20)으로부터 여전히 일정량 바이패스하는 상태가 유지되므로, 급작스러운 압력 변동을 억제할 수 있다.
아울러, 가스 혼합물(6)의 샘플링을 수행하는 전 과정에서, 처리 장치(1)의 동작을 멈추지 않아도 되므로, 반도체 부품의 수율을 증가시킬 수 있다.
가스 전달 작동 시, 검출부(12)의 하류에 설치된 별도의 펌프(미도시)에 의해 샘플링부(11)에 샘플링된 가스 혼합물(6)을 검출부(12)로 유동시켜도 좋지만, 본 실시예에 따르면, 가스 전달 작동 시, 밸브 조립체(500)에 의해 샘플링부(11)의 입구부(101)가 캐리어 가스 탱크(70)와 연통된다. 샘플링된 가스 혼합물(6)은 캐리어 가스 탱크(70)로부터 배출되는 캐리어 가스(7)와 함께 검출부(12)로 흐르게 된다.
가스 혼합물(6)은 농축 모듈(200)로 유동하고, 농축 모듈(200)에 의해 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)이 걸려져 농축 모듈(200) 내에 농축 저장된다.
그 후, 농축 모듈(200) 등에 열 등의 에너지를 가하면, 농축 모듈(200)로부터 가스상 물질(60)이 배출되고, 가스상 물질(60)은 캐리어 가스(7)에 실려 분리 모듈(300)로 유동한다. 분리 모듈(300)은 가스상 물질(60)을 그 성분 별로 분리하여, 배출한다.
그 후, 분리 모듈(300)에서 배출되는 가스상 물질(60)은 정속의 캐리어 가스(7)에 실려 센서 모듈(400)로 유동한다. 센서 모듈(400)이 도달한 가스상 물질(60)을 검출하게 된다.
<밸브 조립체(500, 500')>
이하, 도 2 내지 도 15를 참조하여, 밸브 조립체(500, 500')의 실시 형태에 대해 자세히 설명한다.
(실시예 1)
도 2는 일 실시예에 따른 밸브 조립체(500)의 개략도이고, 도 3은 도 2의 밸브 조립체(500)의 각 밸브의 배치를 3차원적으로 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 밸브 조립체(500)는 각각 3개의 포트(port)를 구비하는 5개의 삼방 밸브(3-way valve)를 포함한다.
제1 삼방 밸브(530)의 제1 포트(531)는 상류 연결관(31)에 접속되어 배관(20)에 접속되고, 제2 포트(532)는 제1 연결관(35)의 일단에 접속되며, 제3 포트(533)는 하류 연결관(32)에 접속되어 배관(20)에 접속된다.
제2 삼방 밸브(520)의 제1 포트(521)는 샘플링부(11)의 입구부(101)에 접속되고, 제2 포트(522)는 제1 연결관(35)의 타단에 접속되어 제1 삼방 밸브(530)와 접속되며, 제3 포트(523)는 제2 연결관(38)의 일단에 접속된다.
제3 삼방 밸브(540)의 제1 포트(541)는 샘플링부(11)의 출구부(102)에 접속되고, 제2 포트(542)는 하류 연통관(32)에 접속되어 배관(20)에 접속되며, 제3 포트(543)는 제3 연결관(36)의 일단에 접속된다.
제4 삼방 밸브(510)의 제1 포트(511)는 캐리어 가스 탱크(70)와 연통하는 캐리어 가스 유입관(51)에 접속되고, 제2 포트(512)는 제4 연결관(37)의 일단에 접속되며, 제3 포트(513)는 제2 연결관(38)의 타단에 접속되어 제2 삼방 밸브(520)와 접속된다.
제5 삼방 밸브(550)의 제1 포트(551)는 검출부(12)와 연통하는 검출부 유입관(52)에 접속되고, 제2 포트(552)는 제4 연결관(37)의 타단에 접속되어 제4 삼방 밸브(510)와 접속되고, 제3 포트(553)는 제3 연결관(36)의 타단에 접속되어 제3 삼방 밸브(540)와 접속된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 제4 삼방 밸브(510)와 제2 삼방 밸브(520)가 수평 방향(y 방향)으로 배치되고, 제2 삼방 밸브(520), 제1 삼방 밸브(530), 제3 삼방 밸브(530) 및 제5 삼방 밸브(550)가 순서대로 상하 방향(z 방향)으로 나란히 배치된다. 다만, 이러한 밸브들의 배치는 본 실시예에 한정되지 않는다. 본 실시예에 따른 밸브 조립체(500)는 복수의 밸브에 의해 구성되므로, 각 밸브의 배치를 얼마든지 자유롭게 변경할 수 있다. 따라서, 기존의 처리 장치(1)의 배관(20)에 계측 시스템(10)을 설치하는 경우에도, 기존 처리 장치(1) 주변의 각종 배관이나 설비 등을 피해 적절히 밸브 조립체(500)를 효과적으로 구성할 수 있게 된다.
또한, 도 3에서는 각 삼방 밸브의 제1 내지 제3 포트의 방향이 동일한 것으로 도시되어 있지만, 삼방 밸브들의 자세(orietation)는 설치 공간의 상황에 따라 자유롭게 할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 밸브 조립체(500)의 각각의 삼방 밸브는 레버에 의해 수동으로 조작되어 밸브 내의 유체의 경로를 전환하는 수동 밸브이다.
"수동 밸브"는 레버에 외력이 작용하여 레버가 조작되어야만 유체의 유동 경로를 전환하는 수동식 장치를 말하고, 전기적 신호에 의해 밸브 내부의 구동기가 작동하여 자동으로 유체의 유동 경로를 전환하는 "자동 밸브"와는 구분되는 것이다.
제1 삼방 밸브(530)는 T자형 몸체의 중간부에 손잡이 형태의 레버(534)를 구비한다. 레버(534)의 회전 방향에 따라서, 제1 포트(531)에서 제2 포트(532)로 이어지는 유동 경로와, 제1 포트(531)에서 제3 포트(533)로 이어지는 유동 경로의 2가지 유동 경로가 선택적으로 형성된다.
제2 삼방 밸브(520)는 T자형 몸체의 중간부에 손잡이 형태의 레버(524)를 구비한다. 레버(524)의 회전 방향에 따라서, 제1 포트(521)에서 제2 포트(522)로 이어지는 유동 경로와, 제1 포트(521)에서 제3 포트(523)로 이어지는 유동 경로의 2가지 유동 경로가 선택적으로 형성된다.
제3 삼방 밸브(540)는 T자형 몸체의 중간부에 손잡이 형태의 레버(544)를 구비한다. 레버(544)의 회전 방향에 따라서, 제1 포트(541)에서 제2 포트(542)로 이어지는 유동 경로와, 제1 포트(541)에서 제3 포트(543)로 이어지는 유동 경로의 2가지 유동 경로가 선택적으로 형성된다.
제4 삼방 밸브(510)는 T자형 몸체의 중간부에 손잡이 형태의 레버(514)를 구비한다. 레버(514)의 회전 방향에 따라서, 제1 포트(511)에서 제2 포트(512)로 이어지는 유동 경로와, 제1 포트(511)에서 제3 포트(513)로 이어지는 유동 경로의 2가지 유동 경로가 선택적으로 형성된다.
제5 삼방 밸브(550)는 T자형 몸체의 중간부에 손잡이 형태의 레버(554)를 구비한다. 레버(554)의 회전 방향에 따라서, 제1 포트(551)에서 제2 포트(552)로 이어지는 유동 경로와, 제1 포트(551)에서 제3 포트(553)로 이어지는 유동 경로의 2가지 유동 경로가 선택적으로 형성된다.
이하, 도 4 내지 도 11을 참조하여, 밸브 조립체(500)의 작동에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4 및 도 5는 샘플링 연결 작동 시의 밸브 조립체(500)를 도시한 것이다. 도 4는 밸브 조립체(500)의 개략도이고, 도 5는 밸브 조립체(500)의 각 밸브의 배치를 3차원적으로 도시한 개략도이다.
샘플링 연결 작동 시에는, 제1 삼방 밸브(530)는 제1 포트(531)와 제2 포트(532)가 연통되어 제1 포트(531)에서 제2 포트(532)로 이어지는 유동 경로가 형성된다. 이 때, 제3 포트(533)로의 유동 경로는 차단되어 있다.
제2 삼방 밸브(520)는 제1 포트(521)와 제2 포트(522)가 연통되어 제1 포트(521)에서 제2 포트(522)로 이어지는 유동 경로가 형성된다. 이 때, 제3 포트(523)로의 유동 경로는 차단되어 있다.
제3 삼방 밸브(540)는 제1 포트(541)와 제2 포트(542)가 연통되어 제1 포트(541)에서 제2 포트(542)로 이어지는 유동 경로가 형성된다. 이 때, 제3 포트(543)로의 유동 경로는 차단되어 있다.
이에 따라서, 배관(20)을 흐르는 가스 혼합물(6)의 일부는 상류 연결관(31)을 통해 제1 삼방 밸브(530)의 제1 포트(531)를 유입되고, 제2 삼방 밸브(520)를 거쳐 샘플링부(11)로 유입된다. 가스 혼합물(6)은 샘플링부(11)를 빠져 나와서 제3 삼방 밸브(540)로 유동하고, 하류 연결관(32)을 거쳐 배관(20)으로 돌아간다.
샘플링 연결 작동 동안에, 샘플링부(11)의 내부를 가스 혼합물(6)이 계속 유동하게 되므로, 샘플링부(11)의 내부에는 항상 동일한 용적의 가스 혼합물(6)이 차있다.
한편, 샘플링 연결 작동 시, 제4 삼방 밸브(510)는 제1 포트(511)와 제2 포트(512)가 연통되어 제1 포트(511)에서 제2 포트(512)로 이어지는 유동 경로가 형성된다. 이 때, 제3 포트(513)로의 유동 경로는 차단되어 있다.
제5 삼방 밸브(550)는 제1 포트(551)와 제2 포트(552)가 연통되어 제1 포트(551)에서 제2 포트(552)로 이어지는 유동 경로가 형성된다. 이 때, 제3 포트(553)로의 유동 경로는 차단되어 있다.
이에 따라서, 캐리어 가스 유입관(51), 제4 삼방 밸브(510), 제5 삼방 밸브(550) 및 검출부 유입관(52)으로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성되어, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 검출부(12)로 바로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다.
상술한 바와 같이, 이러한 유체의 유동 경로를 통해, 캐리어 가스 탱크(70)에서 캐리어 가스(7)가 검출부(12)를 향해 계속 유동하므로, 캐리어 가스(7)에 의해 검출부(12)가 외기에 의해 오염되지 않은 청정한 분위기로 유지된다.
샘플링 연결 작동 상태에서 링크 구조체(600)에 의해 제1 내지 제5 삼방 밸브의 레버가 선택적으로 돌려져 각 삼방 밸브가 작동해 유체의 경로가 전환됨으로써, 샘플링 차단 작동 상태로 전환된다.
본 실시예에 따르면, 샘플링 차단 작동 단계에서는 샘플링 루트 밀폐 작동과 압력 감압 작동의 두 단계의 작동이 순차적으로 이루어진다.
도 6 및 도 7은 샘플링 루트 밀폐 작동 시의 밸브 조립체(500)를 도시한 것이다. 도 6은 밸브 조립체(500)의 개략도이고, 도 7은 밸브 조립체(500)의 각 밸브의 배치를 3차원적으로 도시한 개략도이다.
본 실시예에 따르면, 샘플링 차단 작동으로 전환되면, 먼저 샘플링 루트 밀폐 작동이 이루어진다. 샘플링 루트 밀폐 작동은 가스 혼합물(6)을 샘플링부에 가두어 트랩하기 위한 작동이다.
샘플링 루트 밀폐 작동 시에는, 제1 삼방 밸브(530)가 작동하여, 제2 포트(532)가 차단되고, 제1 포트(531)와 제3 포트(533)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(531)에서 제3 포트(533)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
또한, 제1 삼방 밸브(530)의 작동과 동시에, 제3 삼방 밸브(540)가 작동하여, 제2 포트(542)가 차단되고, 제1 포트(541)와 제3 포트(543)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(541)에서 제3 포트(543)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
이에 따라서, 샘플링부(11)와 배관(20)은 그 연통이 차단되고, 샘플링부(11)에는 가스 혼합물(6)이 갖혀 트랩된다. 구체적으로는, 가스 혼합물(6)은 제1 삼방 밸브(530)과 제2 삼방 밸브(520) 사이(제1 연결관(35)), 제2 삼방 밸브(520)와 제3 삼방 밸브(540) 사이(샘플러 모듈(103)) 및 제3 삼방 밸브(540)와 제5 삼방 밸브(550) 사이(제3 연결관(36))에 갖혀 트랩된다. 도 6 및 도 7에서는, 트랩되어 유체의 유동이 없는 부분을 일점쇄선으로 도시하고 있다.
한편, 상류 연결관(31)으로 유입되는 가스 혼합물(6)은 제1 삼방 밸브(530)의 제3 포트(533)를 통해 그대로 배관(20)으로 돌아간다.
또한, 캐리어 가스 유입관(51), 제4 삼방 밸브(510), 제5 삼방 밸브(550) 및 검출부 유입관(52)으로 이어지는 캐리어 가스의 유동 경로는 그대로 유지된다. 캐리어 가스 탱크(70)에서 캐리어 가스(7)가 검출부(12)를 향해 계속 유동하므로, 캐리어 가스(7)에 의해 검출부(12)가 외기에 의해 오염되지 않은 청정한 분위기로 유지된다.
샘플링 루트 밀폐 작동이 이루어진 후, 압력 감압 작동이 이루어진다. 압력 감압 작동은 샘플링부(11)에 트랩한 가스 혼합물(6)의 압력을 감압하기 위한 것이다.
도 8 및 도 9는 압력 감압 작동 시의 밸브 조립체(500)를 도시한 것이다. 도 8은 밸브 조립체(500)의 개략도이고, 도 9는 밸브 조립체(500)의 각 밸브의 배치를 3차원적으로 도시한 개략도이다.
압력 감압 작동 시에는, 제5 삼방 밸브(550)가 작동하여, 제2 포트(552)가 차단되고, 제1 포트(551)와 제3 포트(553)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(551)에서 제3 포트(553)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
이에 따라서, 샘플링부(11)로 이어지는 캐리어 가스 유동 경로가 차단되어, 캐리어 가스(7)는 샘플링부(11)로 유입되지 않는다. 다만, 캐리어 가스(7)는 샘플링부(11) 내부에서 제4 연결관(37)에 트랩되어 잔존하여 있다. 이에 따라서, 후술하는 가스 전달 작동으로 전환되면 캐리어 가스(7)의 유동이 즉시 일어날 수 있다. 도 8 및 도 9에서는, 트랩되어 유체의 유동이 없는 부분을 일점쇄선으로 도시하고 있다.
반면, 샘플링부(11)에 트랩되어 있던 가스 혼합물(6)은 압력차에 의해 검출부 유입관(52)으로 유동하여, 감압 챔버(600)로 유입된다.
감압 챔버(600)는 검출부 유입관(52)보다 직경이 큰 챔버이다. 공간의 부피가 커짐에 따라서, 가스 혼합물(6)은 감압 챔버(600) 내에서 그 압력이 감압된다. 예를 들어, 5 bar의 압력을 가지는 가스 혼합물(6)은 감압 챔버(600)에서 2 bar로 감압된다.
본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 압력의 감압에 따라 가스 혼합물(6)이 감압 챔버(600) 내에서 응결하는 것을 방지하기 위해서, 감압 챔버(600)를 소정 온도로 가열할 수 있는 히터(601)가 구비되어 있다. 히터(601)는 감압 챔버(600)를 소정 온도(예를 들어, 타겟 온도 100 ℃ 이상) 이상으로 유지하여, 챔버 내에 가스 혼합물(6)이 흡착되는 것을 방지한다. 감압 챔버(600)는 예를 들어 스테인리스 스틸 등으로 이루어질 수 있다.
유동하는 가스 혼합물(6)이 고압인 환경(예를 들어, 5 bar 이상)에서는, 샘플링부(11)에 트랩되는 가스 혼합물(6)을 바로 검출부(12) 내부로 흘려주는 경우에는, 그 압력에 의해 검출부(12) 내부의 구성이 손상될 수 있다.
가스 혼합물(6)의 압력을 감압하는 압력 감압 작동을 통해 검출부(12) 내부 구성가 측정할 수 있는 수준으로 가스 혼합물(6)의 압력을 감압할 수 있다.
샘플링 차단 작동이 이루어진 후, 밸브 조립체(500)가 작동하여, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 상기 검출부로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성하도록 하는 가스 전달 작동을 수행한다.
도 10 및 도 11은 가스 전달 작동 시의 밸브 조립체(500)를 도시한 것이다. 도 10은 밸브 조립체(500)의 개략도이고, 도 11은 밸브 조립체(500)의 각 밸브의 배치를 3차원적으로 도시한 개략도이다.
가스 전달 작동 시에는, 제2 삼방 밸브(520)가 작동하여, 제2 포트(522)가 차단되고, 제1 포트(521)와 제3 포트(523)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(521)에서 제3 포트(523)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
또한, 제2 삼방 밸브(520)의 작동과 동시에, 제4 삼방 밸브(510)가 작동하여, 제2 포트(512)가 차단되고, 제1 포트(511)와 제3 포트(513)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(511)에서 제3 포트(513)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
가스 전달 작동 시, 제2 삼방 밸브(520)와 제4 삼방 밸브(510)가 연통되므로, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 검출부(12)로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다. 즉, 본 실시예에 따르면, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 검출부(12)로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성하도록 하는 가스 전달 작동이 이루어진다. 상류 연결관(31)으로 유입되는 가스 혼합물(6)은 제1 삼방 밸브(530)의 제3 포트(533)를 통해 그대로 배관(20)으로 돌아간다.
캐리어 가스(7)는 샘플링부(11)의 내부에 잔존하는 가스 혼합물(6)을 밀어내는 동시에, 가스 혼합물(6)이 검출부(12) 내부를 유동하는 동력을 제공하게 된다.
본 실시예에서는, 밸브 조립체(500)의 작동이, 샘플링 연결 작동, 샘플링 루트 밀폐 작동과 압력 감압 작동이 수행되는 샘플링 차단 작동 및 가스 전달 작동의 4단계의 단계가 순차적으로 이루어진다. 다만, 각 작동이 이루어지는 시간은 매우 짧아서 거의 시간차가 없이 이루어질 수도 있다. 또한, 각 작동 단계에서 목적하는 동작이 다 수행되기 전에 다음 단계의 작동으로 전환될 수도 있다. 예를 들어, 압력 감압이 이루어지는 압력 감압 작동를 통해, 가스 혼합물(6)이 모두 샘플링부(11)를 빠져나기지 않았더라도, 감압 챔버(600)에 의해 목적하는 압력으로 가스 혼합물(6)이 감압되면, 바로 가스 전달 작동으로 전환되어도 좋다.
본 실시예에 따르면, 밸브 조립체(500)가 복수의 밸브에 의해 구성되므로, 복수의 밸브의 자유로운 배치가 가능해, 기존의 처리 장치(1)에 쉽게 설치가 가능하다. 또한, 고장이 발생한 밸브의 교환이 용이하여, 유지 보수이 노력과 비용을 절감할 수 있다.
반면, 본 실시예에 따르면, 복수의 밸브로서 다중 포트 밸브를 적용하므로, 불필요한 밸브의 사용을 최대한 억제할 수 있다.
나아가, 본 실시예에 따르면, 레버의 의해 작동하는 수동의 삼방 밸브를 밸브로 적용한다. 일반적으로 수동의 삼방 밸브는 자동의 육방 밸브(6-way valve)에 비해 감당하는 압력의 임계값이 크다. 따라서, 본 실시예에 따른 계측 시스템(10)은 자동의 육방 밸브 하나를 이용한 계측 시스템에 비해서 내압성이 우수하므로, 배관(20)에 작용하는 압력이 매우 고압에도 적용 가능하다.
또한, 일단 샘플링 루트를 밀폐하고 감압한 뒤 가스를 전달하여 분석을 수행하므로, 계측 시스템이 고압 환경에서도 효과적으로 작동 가능하다.
(변형예)
실시예 1에서는 가스 혼합물(6)의 감압을 위해 제1 내지 제5 삼방 밸브의 레버가 선택적으로 조작(작동)되어, 4단계의 작동이 이루어지고 있다. 다만, 가스 혼합물(6)의 감압을 굳이 수행하지 않아도 되는 환경에서는 이에 한정될 필요는 없다.
가스 혼합물(6)의 감압이 필요치 않은 환경에서는, 도 3에 도시된 밸브 조립체(500)에서 밸브 작동을 실시예 1과 달리하여, 작동 단계를 간소화할 수도 있다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 가스 혼합물(6)의 감압이 필요치 않은 환경에서는, 감압 챔버(600) 및 히터(601) 역시 생략할 수 있다. 도 12에서는 감압 챔버(600) 및 히터(601)가 도시 생략된 것 외에는 다른 구성은 도 1과 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.
이하, 도 4, 도 5, 도 10 및 도 11을 참조하여, 작동 단계를 간소화한 변형예에 따른 밸브 조립체(500)의 작동에 대해 설명한다. 다시 말해서, 본 변형예에서는, 도 4(도 5)의 작동과 도 10(도 11)의 작동의 2 단계의 작동이 수행되며, 도 6 내지 도 9에 해당하는 작동은 생락된다.
변형예에 따르면, 밸브 조립체(500)는, 샘플링 연결 작동에서 샘플링 차단 작동으로 전환되는 때에, 샘플링 차단 작동과 동시에, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 상기 검출부로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성하도록 하는 가스 전달 작동으로 전환된다.
도 4 및 도 5로 설명되는 샘플링 연결 작동에 대해서는 중복되는 설명을 생락한다.
변형예에 따르면, 샘플링 연결 작동 상태에서 제1 내지 제5 삼방 밸브의 레버가 동시에 돌려져 각 삼방 밸브가 동시에 작동해 유체의 경로가 동시에 전환됨으로써, 샘플링 차단 작동 상태로 전환되고, 동시에 가스 전달 작동 상태로 전횐된다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 샘플링 차단 작동(가스 전달 작동) 시에는, 제1 삼방 밸브(530)가 작동하여, 제2 포트(532)가 차단되고, 제1 포트(531)와 제3 포트(533)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(531)에서 제3 포트(533)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
또한, 제1 삼방 밸브(530)의 작동과 동시에, 제2 삼방 밸브(520)가 작동하여, 제2 포트(522)가 차단되고, 제1 포트(521)와 제3 포트(523)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(521)에서 제3 포트(523)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
또한, 제1 삼방 밸브(530)의 작동과 동시에, 제3 삼방 밸브(540)가 작동하여, 제2 포트(542)가 차단되고, 제1 포트(541)와 제3 포트(543)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(541)에서 제3 포트(543)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
또한, 제1 삼방 밸브(530)의 작동과 동시에, 제4 삼방 밸브(510)가 작동하여, 제2 포트(512)가 차단되고, 제1 포트(511)와 제3 포트(513)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(511)에서 제3 포트(513)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
또한, 제1 삼방 밸브(530)의 작동과 동시에, 제5 삼방 밸브(550)가 작동하여, 제2 포트(552)가 차단되고, 제1 포트(551)와 제3 포트(553)가 연통되도록 함으로써, 제1 포트(551)에서 제3 포트(553)로 이어지는 유동 경로가 형성된다.
이에 따라서, 샘플링부(11)와 배관(20)은 그 연통이 차단되고, 샘플링부(11)에는 가스 혼합물(6)이 트랩된다.
이 때, 본 실시예에 따르면, 샘플링 차단 작동 시, 제2 삼방 밸브(520)와 제4 삼방 밸브(510)가 연통되고, 제3 삼방 밸브(540)와 제5 삼방 밸브(550)가 연통되므로, 샘플링 차단 작동과 동시에, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 검출부(12)로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다. 즉, 본 실시예에 따르면, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 검출부(12)로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성하도록 하는 가스 전달 작동이 샘플링 차단 작동과 동시에 이루어진다.
샘플링부(11)의 내부에 트랩되는 가스 혼합물(6)은 캐리어 가스 탱크(70)로부터 배출되는 캐리어 가스(7)에 의해 밀려 검출부(12)로 흐르게 된다.
한편, 상류 연결관(31)으로 유입되는 가스 혼합물(6)은 제1 삼방 밸브(530)의 제3 포트(533)를 통해 그대로 배관(20)으로 돌아간다.
변형예에 따르면, 샘플링 연결 작동 상태에서 제1 내지 제5 삼방 밸브의 레버가 동시에 돌려져 각 삼방 밸브가 동시에 작동해 유체의 경로가 동시에 전환됨으로써, 샘플링 차단 작동 상태로 전환된다.
복수의 삼방 밸브의 동시 작동을 위해 전기적인 제어를 위한 수단을 고려할 수 있지만, 본 변형예에 따르면, 기계적인 링크 구조체(700)의 작동에 의해 각각의 삼방 밸브가 동시에 작동하게 된다.
도 13은 변형예에 따른 밸브 조립체(500)의 개략도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 각각의 삼방 밸브의 레버는 하나의 링크 구조체(700)에 함께 연결되어 있다. 링크 구조체(700)는 모터(701)를 중심으로 회전하는 링크암(702, 703)을 구비하고, 링크 암(702, 703)은 각각의 삼방 밸브의 레버에 회동 가능하게 연결되어 있다. 본 실시예에 따르면, 모터(701)가 회전하여 링크 암(702, 703)이 회동하면, 링크 암으로 연결된 각각의 삼방 밸브의 레버가 동시에 회동하면서, 각 밸브 내에서의 유체의 유동 경로를 동시에 전환하도록 되어 있다.
도 3에서는 링크 구조체(700)의 개념을 설명하기 위해, 링크 구조체(700)의 개략적인 구조만이 도시되어 있음이 이해되어야 한다. 하나의 구동 수단(모터 등)으로 각각의 삼방 밸브의 레버를 동시에 돌릴 수 있는 형태라면 링크 구조체(700)의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 링크 구조체(700)는 회동 연결되는 링크 암 구조로 한정되지 않으며, 랙앤피니언 등 공지의 작동 수단의 조합을 이용해 구성되어도 좋다.
변형예에 따르면, 링크 구조체(700)의 작동에 의해 각각의 삼방 밸브가 동시에 작동하게 되므로, 복잡하고 정교한 제어 알고리즘이나 제어 수단 없이도, 각각의 밸브가 작동하는 타이밍을 일률적으로 동일하게 맞출 수 있다. 따라서, 전체 시스템의 제어 용이성을 확보하고, 비용을 절감할 수 있다.
다만, 실시예 1과 마찬가지로, 레버의 의해 작동하는 수동의 삼방 밸브를 밸브로 적용하므로, 감당하는 압력의 임계값이 크다. 따라서, 본 변형예에 계측 시스템 역시 배관(20)에 작용하는 압력이 비교적 고압인 경우에도 적용 가능하다.
(실시예 2)
도 14 및 도 15는 다른 실시예에 따른 밸브 조립체(500')의 개략도이다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 밸브 조립체(500')는 다중 포트 밸브로서 각각 4개의 포트를 구비하는 2개의 사방 밸브(4-way valve)(560, 570)를 포함한다. 본 실시예에 따르면, 2 개의 사방 밸브(560, 570)는 컨트롤러(미도시)의 제어에 의해 자동으로 작동하는 "자동 밸브"이다.
제1 사방 밸브(560)의 제1 포트(561)는 캐리어 가스 탱크(70)와 연통하는 캐리어 가스 유입관(51)에 접속되고, 제2 포트(562)는 샘플링부(11)의 입구부(101)에 접속되며, 제3 포트(563)는 상류 연결관(31)에 접속되어 배관(20)에 접속되고, 제4 포트(564)는 제5 연결관(39)의 일단에 접속된다.
제2 사방 밸브(570)의 제1 포트(571)는 검출부(12)와 연통하는 검출부 유입관(52)에 접속되고, 제2 포트(572)는 샘플링부(11)의 출구부(102)에 접속되고, 제3 포트(573)는 하류 연결관(32)에 접속되어 배관(20)에 접속되고, 제4 포트(574)는 제5 연결관(39)의 타단에 접속된다.
도 14에 도시된 바와 같이, 샘플링 연결 작동 시에는, 제1 사방 밸브(560)는, 제2 포트(562)와 제3 포트(563)가 연통되고, 제1 포트(561)와 제4 포트(564)가 연통된다. 마찬가지로, 제2 사방 밸브(570)는, 제2 포트(572)와 제3 포트(573)가 연통되고, 제1 포트(571)와 제4 포트(574)가 연통된다.
이에 따라서, 배관(20)을 흐르는 가스 혼합물(6)의 일부는 상류 연결관(31)을 통해 제1 사방 밸브(560)의 제3 포트(563)를 유입되고, 제2 포트(562)를 통해 샘플링부(11)로 유입된다. 가스 혼합물(6)은 샘플링부(11)를 빠져 나와서 제2 사방 밸브(570)의 제2 포트(572)로 유입하고, 제3 포트(573)를 통해 하류 연결관(32)을 거쳐 배관(20)으로 돌아간다.
샘플링 연결 작동 동안에, 샘플링부(11)의 내부를 가스 혼합물(6)이 계속 유동하게 되므로, 샘플링부(11)의 내부에는 항상 동일한 용적의 가스 혼합물(6)이 차있다.
한편, 샘플링 연결 작동 시, 캐리어 가스 유입관(51), 제4 삼방 밸브(510), 제5 삼방 밸브(550) 및 검출부 유입관(52)으로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성되어, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 검출부(12)로 바로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성된다.
상술한 바와 같이, 이러한 유체의 유동 경로를 통해, 캐리어 가스 탱크(70)에서 캐리어 가스(7)가 검출부(12)를 향해 계속 유동하므로, 캐리어 가스(7)에 의해 검출부(12)가 외기에 의해 오염되지 않은 청정한 분위기로 유지된다.
샘플링 연결 작동 상태에서, 컨트롤러(미도시)에 의해 제1 사방 밸브(560) 및 제2 사방 밸브(570)가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환함으로써, 샘플링 차단 작동 상태로 전환된다.
도 15에 도시된 바와 같이, 샘플링 차단 작동 시에는, 제1 사방 밸브(560)는, 제3 포트(563)와 제4 포트(564)가 연통되고, 제2 포트(562)와 제3 포트(563)의 연통이 차단되도록 작동하고, 동시에 제2 사방 밸브(570)는, 제3 포트(573)와 제4 포트(574)가 연통되고, 제2 포트(562)와 제3 포트(563)의 연통이 차단되도록 작동한다. 이에 따라서, 샘플링부(11)와 배관(20)은 그 연통이 차단되고, 샘플링부(11)에는 가스 혼합물(6)이 트랩된다.
또한, 밸브 조립체(500')의 콘트롤러는 샘플링 차단 작동 후 또는 동시에, 제1 사방 밸브(560)의 제1 포트(661)와 제2 포트(562)가 연통되도록 하고, 제1 포트(671)와 제2 포트(572)가 연통되도록 한다.
이에 따라서, 캐리어 가스 탱크(70)로부터 샘플링부(11)를 거쳐 검출부(12)로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성되어, 가스 전달 작동이 이루어진다. 샘플링부(11)의 내부에 트랩되는 가스 혼합물(6)은 캐리어 가스 탱크(70)로부터 배출되는 캐리어 가스(7)에 의해 밀려 검출부(12)로 흐르게 된다.
한편, 상류 연결관(31)으로 유입되는 가스 혼합물(6)은 제1 사방 밸브(560)의 제3 포트(563), 제4 포트(564), 제2 사방 밸브(570)의 제4 포트(574), 제3 포트(573)를 통해 배관(20)으로 돌아간다.
본 실시예 2에서는 실시예 1의 변형예와 같이, 밸브 조립체(500')가 샘플링 연결 작동과 샘플링 차단 작동(및 가스 전달 작동)의 작동 단계를 가지는 것으로 설명하였지만, 밸브 조립체(500')가 샘플링 연결 작동, 샘플링 루트 밀폐 작동, 압력 감압 작동 및 가스 전달 작동의 단계로 작동하도록 할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
본 실시예에 따르면, 밸브 조립체(500')가 복수의 밸브에 의해 구성되므로, 복수의 밸브의 비교적 자유로운 배치가 가능해, 기존의 처리 장치(1)에 쉽게 설치가 가능하다. 또한, 고장이 발생한 밸브의 교환이 용이하여, 유지 보수이 노력과 비용을 절감할 수 있다. 반면, 본 실시예에 따르면, 복수의 밸브로서 다중 포트 밸브를 적용하므로, 불필요한 밸브의 사용을 최대한 억제할 수 있다. 여기서는, 다중 포트 밸브로서 삼방 밸브 또는 사방 밸브를 실시 형태로 설명하고 있지만, 복수의 포트를 구비하여 유체의 흐름을 전환하는 소위 "다중 포트 밸브"라면 그 조합에 의해 유사한 효과를 낼 수 있다는 것이 이해될 것이다.
나아가, 본 실시예에 따르면, 레버의 의해 작동하는 사방 밸브를 밸브로 적용한다. 일반적으로 사방 밸브는 육방 밸브(6-way valve)에 비해 감당하는 압력의 임계값이 크다. 따라서, 본 실시예에 따른 계측 시스템(10)은 육방 밸브 하나를 이용한 계측 시스템에 비해서 내압성이 우수하므로, 배관(20)에 작용하는 압력이 매우 고압에도 적용 가능하다.
<검출부(12)>
이하, 도 16 내지 도 21를 참조하여, 검출부(12)의 구성 및 검출부(12)에 의해 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 분리 검출하는 원리에 대해 설명한다.
본 실시예에 따르면, 검출부(12)를 구성하는 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 센서 모듈(400)은 소형화 및 집적화되어 포터블(portable)한 형태로 구성되는 하나의 검출 장치(120)로 구성되어 있다. 상술한 바와 같이, 감압 챔버(600)와 히터(601)는 압력 환경에 따라 생략할 수도 있는 것이므로, 이하 설명하는 검출부(12)에 대한 설명에서 감압 챔버(600) 및 히터(601)에 대해서 더 자세히 설명하지는 않는다.
도 16은 검출 장치(120)의 개략적인 개념도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 검출 장치(120)는 농축 모듈(200)과 분리 모듈(300)이 집적된 기판(122)과 센서 모듈(400)이 하나의 몸체(121)에 설치된 구조를 가진다. 몸체(121)의 내부에는 열선 및 센서 모듈(400)의 전원(미도시)과 센서 모듈(400)의 신호를 전송하는 통신 장치(미도시) 등이 내재되어 있다. 또한, 몸체(121) 내부에는 후술하는 각 가스상 물질(60)이 분리 경로(310)로 빠져나오는 시간에 대한 라이브러리 등의 정보를 저장하는 메모리와, 센서 모듈에서 검출된 정보를 라이브러리와 비교하여 결과를 도출하는 프로세서 등이 구비되어도 좋다. 아울러, 몸체(121)는 도출 결과를 작업자에게 통지하는 스피커 내지 액정 화면 등을 구비하여도 좋다. 다만, 위와 같은 메모리, 프로세서 등의 기능은 별도의 컴퓨터에 의해 수행되어도 좋고, 검출 장치(120)는 별도의 컴퓨터와 통신하여 센서 모듈에 의한 검출 결과를 컴퓨터로 보내 처리하도록 하여도 좋다.
기판(122)은 실리콘 재질의 판(제1 기판)과 유리 재질의 판(제2 기판)이 접합되어 형성된다.
본 실시예에 따르면, 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 그를 잇는 복수의 관로(52. 53)은 모두 제1 기판의 일 측면에 깊이 반응성 이온 식각(DRIE; deep reactive-ion etching) 공정을 이용해 깊이 식각되어 형성된다. 따라서, 나노 사이즈의 구조를 기판(122) 상에 정교하게 형성할 수 있어, 검출 장치(120)의 전체 크기를 소형화할 수 있다. 제1 기판 상에 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 그를 잇는 복수의 관로(52. 53)를 오목홈 형태로 동시에 식각 형성하고, 제2 기판을 얹어 접합하여, 오목홈을 막아 상부가 폐쇄된 구조를 완성한다.
본 실시예에 따르면, 제1 기판과 제2 기판은 대기압 조건에서 전압에 의한 결합 방식인 양극 접합(anodic bonding)에 의해 서로 강하게 접합될 수 있다.
도 17은 본 실시예에 따른 농축 모듈(200)을 확대 도시한 것이다.
농축 모듈(200)은 그와 연결되는 관로에 비해 용적이 큰 공간으로 형성된 농축 챔버(210)를 포함한다.
농축 챔버(210)는 농축 챔버(210)의 단척(短尺) 방향으로 연장되는 마주하는 두 개의 단방향 측면과, 농축 챔버(210)의 장척(張尺) 방향으로 연장되는 마주하는 두 개의 장방향 측면을 포함하여, 대략 긴 다각형 형태를 가진다.
단방향 측면은 중심이 장방향 측면에서 멀어지도록 대략 "v"자로 구부려져 형성되며, 이에 따라 농축 챔버(210) 안에서의 유체의 유동이 균일하게 확산될 수 있다.
농축 챔버(210)의 하나의 단방향 측면의 중앙부에는 농축 챔버(210)와 연통하여 가스 혼합물(6)이 유입되는 입구 관로(52)가 형성된다. 농축 챔버(210)의 다른 단방향 측면의 중앙부에는 농축 챔버(210)로부터 가스가 빠져 나갈 수 있는 출구 관로(53)가 형성된다.
본 명세서에서 용어 "입구"와 "출구"는 해당 관로로 유체가 유출입할 수 있는 서로 다른 개구부를 의미하는 것을 의도한 것이며, 반드시 해당 관로에서 유체가 입구로 유입되어 출구로 유출되는 것만을 한정하지 않는다. 즉, 경우에 따라 해당 관로에서 유체는 출구로 유입되어 입구로 유출되는 경우가 있을 수 있다.
농축 챔버(210)의 내부에는 복수의 기둥체(211)가 일정 간격으로 배치된다. 깊이 반응성 이온 식각 공정을 이용하면, 농축 챔버(210)를 형성할 때 일부가 식각되지 않도록 함으로써 복수의 기둥체(211)를 농축 챔버(210) 내부에 형성할 수 있다.
농축 챔버(210)는 가스 혼합물(6) 중의 가스상 물질(60)을 걸러 농축 저장한다. 이를 위해, 농축 챔버(210)의 내부에는 가스상 물질(60)을 포집할 수 있는 흡착재(212)가 충진되어 있다. 흡착재(212)로는 예를 들어, 유기화합물인 가스상 물질(60)이 반데르발스 힘(van der Waals Force)에 의해 부착되어 포집될 수 있는 탄소 화합물과 같은 물질이 이용될 수 있다.
흡착재(212)는 제1 기판과 제2 기판을 접합하기 전에 미리 챔버(110) 내부에 충진될 수도 있고, 가스 이송 방식에 의해 농축 챔버(210) 내부에 충진될 수도 있다. 가스 이송 방식에 의하는 경우, 농축 챔버(210)로 연통되도록 별도의 도입관(미도시)이 형성되어도 좋다.
농축 챔버(210) 내부로 유입된 가스상 물질(60)은 흡착재(212)에 포집되어 농축 챔버(210) 내부에 농축 저장된다.
농축 챔버(210)에 농축 저장된 가스상 물질(60)을 다시 농축 챔버(210) 밖으로 유출시키기 위해서는, 흡착재(212)와 가스상 물질(60)의 결합을 끊어내야 하며, 이를 본 실시예에 따른 검출 장치(120)는 농축 챔버(210)에 열을 가하는 가열 장치를 구비한다.
도 18은 제1 기판의 배면을 도시한 것이다.
제1 기판의 배면에는 챔버 가열 장치로서, 전원을 인가하면 열을 발생시키는 열선(901)이 부착된다. 열선(901)은 농축 챔버(210)가 형성된 위치에 대응하여 제1 기판에 형성된다. 열선(901)은 전원을 연결할 수 있는 단자(903)를 구비한다. 열선(901)의 중앙에는 열선(901)에 의해 상승하는 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(902)가 구비될 수 있다.
열선(901)에 전원을 인가하여 열을 발생시킴으로써, 흡착재(212)와 가스상 물질(60)을 해리시킬 수 있는 열 에너지를 농축 챔버(210)에 선택적으로 가할 수 있다.
한편, 도 18에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 후술하는 분리 경로(310)의 내부에서의 반응성을 향상시키기 위해 분리 경로(310)에 선택적으로 열을 가하는 열선(800)이 분리 경로(310)의 위치에 대응하여 제1 기판의 배면에 형성될 수도 있다. 열선(800)의 양 단부에는 전원을 인가할 수 있는 단자(801)가 형성되어 있다.
이때, 열선(901)에 의해 가해지는 열이 실리콘의 제1 기판에 의해 전도되어 분리 경로(310) 등 인접 구성에 예기치 못하게 열을 가할 수 있다.
이러한 열 전도를 최대한 방지하기 위해, 본 실시예에 따르면, 열선(901) 주위를 따라 형성되며 제1 기판을 완전히 관통하는 복수의 슬릿(311, 312, 313)이 형성된다.
농축 모듈(200)과 연통된 관로(53)는 분리 모듈(300)과 연통된다.
분리 모듈(300)은 길게 연장되는 분리 경로(310)를 포함한다. 분리 경로(310)는 단일의 유체 유동 경로를 형성하며, 분리 경로(310)로 유입된 가스상 물질(60)은 매우 긴 경로를 가지는 분리 경로(310)를 따라 이동하는 동안 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 분리 경로(310)로부터 유출된다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(310)가 유해물질을 분리하는데 충분한 긴 경로를 가지도록 하기 위해, 분리 경로(310)는 정해진 사각 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 단일 층의 컬럼을 형성하도록 배치된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 도관(53)과 유체 연통된 분리 경로(310)의 입구에서부터 분리 경로(310)는 사각의 공간의 중심까지 구부러지며 일종의 코일 형태로 연장되었다가, 중심에서 다시 코일 형태로 연장되어 분리 경로(310)의 출구까지 연장된다. 즉, 컬럼 형태로 그 중심을 향해 구불구불하게 연장되는 경로와 중심에서 다시 멀어지도록 연장되는 경로가 서로 인접하게 교차하면서, 분리 경로(310)의 경로 길이를 작은 공간 안에서 극대화시킬 수 있다.
도 16에는 도시의 편의를 위해, 인접한 경로가 충분히 이격되어 있지만, 인접 경로의 간격을 매우 조밀하게 형성한다.
경로의 간격을 매우 조밀하게 형성함으로써, 예를 들어, 단면적이 수 나노미터 수준의 분리 경로(310)가 약 3m에 걸쳐 연장되도록 할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 경로(310)의 내부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 분리 경로(310)의 내면에는 가스상 물질(60)이 부착될 수 있는 다공성 물질(311)이 코팅되어 있다. 예를 들어, 다공성 물질(311)은 PDMS와 같은 다공성의 폴리머일 수 있다.
유기화합물인 유해물질(M)은 반데르발스 힘에 의해 다공성의 폴리머에 부착된다. 이때, 분리 경로(310) 내부로 캐리어 기체(7)가 흐르면, 캐리어 기체(7)의 힘에 의해 다공성 물질(311)에 부착되었던 가스상 물질(60)이 다공성 물질(311)로부터 분리되어 일정 거리를 유동하다가 이동성을 잃고 다시 다공성 물질(311)에 부착되는 일을 반복하게 된다.
가스상 물질(60)은 그 성분에 따라 그 질량과 다공성 물질(311)과 작용하는 반데르발스 힘이 상이하므로, 도 19에 도시된 바와 같이 상이한 성분의 가스상 물질(60)은 다공성 물질(311)에 부착되었다가 분리되어 유동하는 빈도와 거리가 서로 상이하다. 즉, 가스상 물질(60)은 성분에 따라 분리 경로(310) 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하게 된다. 예를 들어, 세모로 표시된 제1 물질(61)과 동그라미로 표시된 제2 물질(62) 중 제2 물질(62)의 이동 속도가 더 빠르다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(310)는 약 3m에 달하는 긴 경로를 가지므로, 분리 경로(310)의 입구로 주입된 가스상 물질(60)은 긴 경로를 이동하는 동안 성분 별로 이동 거리가 평준화되어, 성분 별로 뭉쳐 분리 경로(310)의 출구로 유출된다. 가스상 물질(60)은 성분에 따라 상이한 이동 속도를 가지므로, 가스상 물질(60)은 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 분리 경로(310)의 출구로 유출된다. 즉, 전기를 인가하는 등의 작업 없이, 분리 경로(310)를 통해 유해물질을 여행시키는 것만으로, 가스상 물질(60)이 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 유출되는 것이다.
다공성 물질(311)은 제1 기판과 제2 기판이 접합되기 전에 분리 경로(310)에 코팅될 수도 있고, 별도의 도입관(미도시)를 통한 가스 유동 방식으로 코팅할 수도 있다.
분리 경로(310)의 출구를 순차적으로 빠져나간 가스상 물질(60)은 센서 모듈(400)에 의해 검출된다.
본 실시예에 따른 센서 모듈(400)은 분리 모듈(300)의 분리 경로(310)로부터 유출되는 가스상 물질(60)에 자외선(UV)을 인가하여 가스상 물질(60)로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하는 광이온화 방식(PID) 센서이다. 구체적으로, 유기화합물과 같은 물질에 UV를 조사하면 전자가 빠져나오면서 전위가 발생하게 된다.
해당 물질의 농도가 클수록 검출되는 전위값은 높게 되므로, 이를 통해 해당 물질이 농도를 계산할 수 있다.
캐리어 가스(7)에 밀려 샘플링된 가스 혼합물(6)이 검출부 유입관(52)을 통해 농축 챔버(210)로 유입된다. 농축 챔버(210) 내로 유입된 가스는 농축 챔버(210)의 장척 방향으로 이동한다. 이 과정에서 농축 챔버(210) 내부에 충진된 흡착재(212)에 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)이 흡착된다.
소정 시간 동안 농축 챔버(210)에 가스상 물질(60)을 농축한 후, 열선(901)에 전원을 인가하여 농축 챔버(210)에 열을 가한다. 가해지는 열 에너지에 의해 농축 챔버(210) 내부에 농축 저장되어 있던 가스상 물질(60)은 흡착재(212)로부터 분리되고, 농축 챔버(210) 내부를 거쳐 유동하는 캐리어 가스(7)에 실려 농축 챔버(210)로부터 빠져나간다. 가스상 물질(60)을 수반한 캐리어 가스(7)는 분리 경로(310)로 유동한다.
농축 챔버(210)로부터 빠져나간 고농도의 가스상 물질(60)은 분리 경로(310)로 순식간에 유입된다.
즉, 본 실시예에 따른 농축 챔버(210)는 유해물질을 농축 저장하는 리저버(reservoir) 뿐 아니라, 고농축 유해물질을 분리 경로(310)로 주입할 수 있는 인젝터(injector)의 역할도 수행한다.
도 20은 본 실시예에 따른 검출 장치(120)를 이용해 가스상 물질(60)을 분리 검출하는 과정을 간략히 정리하여 도시한 것이다.
상술한 바와 같이, 분리 경로(310) 내에서 가스상 물질(60)은 그 성분에 따라 상이한 이동 속도를 가진다.
실험을 통해, 가스상 물질(60)의 성분에 따라 분리 경로(310)를 빠져나오는 시간을 미리 획득할 수 있다.
예를 들어, 이소프로필안티피린(IPA)만을 함유한 가스는 약 20초 후에 센서 모듈(400)에서 해당 물질을 검출할 수 있었다. 이와 같은 방식으로, 예상할 수 있는 가스상 물질(60) 각각에 대해 실험을 진행할 수 있으며, 각 가스상 물질(60)이 분리 경로(310)로 빠져나오는 시간에 대한 라이브러리를 생성할 수 있다.
상이한 성분의 가스상 물질(61, 62, 63, 64)은 순차적으로 분리 경로(310)를 통해 유출되므로, 센서 모듈(20)을 통해 전위 값이 현저히 증가하는 시간을 확인함으로써 해당 가스상 물질의 성분을 알 수 있고, 전위 값을 통해 해당 가스상 물질의 농도도 구할 수 있다.
도 21은 플라즈마 클리닝 처리를 수행하였을 때, 계측 시스템(10)을 통해 검출한 검출 결과를 도시한 그래프이다.
도 21에 도시된 바와 같이, 소정의 시간에 전위값이 급격히 증가하는 날카로운 피크가 발생한 것을 확인할 수 있다.
해당 시간에 검출되는 가스상 물질의 성분은 이미 특정되어 있다, 예를 들어, a 피크의 물질은 피리딘(Pyridine)이고, b 피크의 물질은 부타네디올(Butanediol) 등이다.
또한, 해당 가스상 물질의 성분에 의한 전위값을 통해 어떤 성분의 가스상 물질(60)이 처리 장치(1)에서 배출되는 가스 혼합물(6)에 얼마나 포함되어 있는지를 분석할 수 있게 된다.
작업자 또는 시스템의 제어부는 검출되는 가스상 물질(60)의 성분과 농도를 확인하여, 클리닝된 웨이퍼(3)에 잔류물의 존재 여부를 계속 확인할 수 있다. 특정 물질의 농도가 0에 가깝거나 소정의 기준치를 하회하면, 클리닝된 웨이퍼(3)에 잔류물이 존재하지 않는다고 판단하여, 클리닝 처리 작업을 종료할 수 있다.
이와 같은 구성에 따르면, 플라즈마 클리닝 공정을 계속 수행하는 상태(in-situ)에서도 처리 장치(1)에서 배출되는 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)의 존재와 농도를 확인하여 잔류물의 존재 여부를 확인할 수 있다. 따라서, 공정을 종료하고, 웨이퍼를 별도의 장치로 검사한 후 기준 미달의 경우, 다시 클리닝 공정을 재차 수행하는 과정을 생략할 수 있으므로, 반도체 부품의 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 샘플링 시간, 가스상 물질(60)의 농축 모듈에서의 탈착 시간 및 분리 시간을 합해도, 처리 장치(1)를 중단하고 웨이퍼를 옮겨 검사한 후 다시 처리하는 시간에 비해 극히 짧으므로, 실질적으로 "실시간"으로 웨이퍼의 처리 상태를 검사할 수 있게 된다.
<그 밖의 실시예>
상술한 실시예에서는, 처리 장치(1)가 웨이퍼의 플라즈마 클리닝 처리 장치인 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 처리 장치(1)는 UV 오존 기반의 클리닝 장치여도 좋다. 또한, 처리 장치(1)는 플라즈마, UV 오존 기반의 웨이퍼의 에칭 처리 장치여도 좋다. 에칭 방식은 건식이어도 좋고, 습식이어도 좋다. 또한, 처리되는 부품은 웨이퍼가 아닌 다른 반도체 부품이어도 좋고, 반드체 부품이 아니어도 좋다. 챔버 내에서 반응 기체와 부품의 반응에 의해 기체 혼합물을 발생하는 공정이라면, 어떠한 공정에라도 본 실시예에 따른 계측 시스템(10)을 적용할 수 있다.
나아가, 처리 장치(1)는 특정 "공정"을 수행하는 장치로 한정되지 않는다. 예를 들어, 계측 시스템(10)은 공장의 매연이 배기되는 굴뚝을 "배관(20)"으로 하여 설치되어 공장 매연의 성분을 계측하는데 이용될 수 있다. 또한, 처리 장치(1)는 차량 등 가스 혼합물을 배출하는 기타 장치라고 하여도 좋다.
상기 실시예에 따르면, 검출부(12)가 휴대 가능한 하나의 검출 장치(120)로 구성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 검출부(12)의 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 센서 모듈(400)은 별도의 장치로 구성되어도 좋고, 각각의 장치는 반드시 휴대 가능하게 소형화되지 않아도 좋다.
또한, 상기 실시예에 따르면, 센서 모듈(400)에 PID 방식의 센서가 사용되지만, 수소용 이온화 검출기법(FID)를 이용한 센서가 이용되어도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 나선형 도관을 이용한 샘플러(103)가 이용되고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 소정의 용적만큼 가스 혼합물(6)을 일시 저류할 수 있다면, 예를 들어 단순히 직선 도관 형태나 샘플 백(bag) 등도 샘플러로 이용될 수 있다.
또한, 상기 실시예에 따르면, 샘플링부(11)와 검출부(12)가 유체 연통되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 샘플링부(11)에 의해 샘플링을 수행한 후, 샘플링부(11)를 분리해 옮겨, 다른 장소의 검출부(12)와 연결시키는 구성이라도 좋다.
상기 실시예에 따르면, 밸브 조립체(500, 500')가 배관(20)으로부터 분기하는 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32)을 통해 배관(20)에 일종의 바이패스 형태로 접속하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 도 1에서 상류 연결관(31)과 하류 연결관(32) 사이의 도관이 삭제되어, 배관(20)을 통과하는 가스 혼합물(6)은 반드시 밸브 조립체(500, 500')를 통과하여 유동하도록 하여도 좋다.

Claims (15)

  1. 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물의 성분을 계측할 수 있는 계측 시스템으로서,
    상기 가스 혼합물이 통과하는 배관에 선택적으로 연통하여, 상기 배관으로부터 가스 혼합물을 샘플링하는 샘플링부와,
    상기 샘플링부에 의해 샘플링된 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리 검출하는 검출부와,
    상기 샘플링부를 상기 배관 또는 상기 검출부에 선택적으로 연통시키는 복수의 밸브를 구비하는 밸브 조립체를 포함하고,
    상기 복수의 밸브가 협동하여, 상기 배관과 상기 샘플링부를 연통시키는 샘플링 연결 작동과, 상기 배관과 상기 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 밸브가 협동하여, 상기 샘플링 차단 작동과 동시에, 또는 상기 샘플링 차단 작동 이후에, 캐리어 가스가 상기 가스 혼합물과 함께 유동하도록 유동 경로를 형성하는 가스 전달 작동을 수행하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 전달 작동에 의해 상기 캐리어 가스가 상기 샘플링부를 거쳐 상기 검출부로 유동하는 유동 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 샘플링 연결 작동 시, 캐리어 가스 탱크로부터 상기 검출부로 바로 이어지는 유체의 유동 경로와, 상기 배관으로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 배관으로 돌아가는 유체의 유동 경로가 형성되고,
    상기 가스 전달 작동 시, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 검출부로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 샘플링 차단 작동은,
    상기 샘플링부에 상기 가스 혼합물을 가두어 트랩하는 샘플링 루트 밀폐 작동과,
    상기 샘플링부에 트랩된 상기 가스 혼합물을 감압하기 위한 압력 감압 작동을 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 가스 혼합물의 압력을 감압하기 위한 감압 챔버를 포함하고,
    상기 압력 감압 작동을 통해 상기 가스 혼합물을 상기 감압 챔버로 유입시켜 감압하고,
    상기 가스 혼합물을 감압한 후에 상기 가스 전달 작동이 수행되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 밸브는 각각 복수의 포트를 구비하는 복수의 다중 포트 밸브를 포함하고,
    상기 복수의 다중 포트 밸브가 선택적으로 작동하여, 상기 샘플링 연결 작동, 상기 샘플링 차단 작동 및 상기 가스 전달 작동이 선택적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 다중 포트 밸브는 수동으로 조작되는 레버에 의해 밸브 내의 유체의 경로를 전환하는 수동 밸브이고,
    상기 복수의 다중 포트 밸브 각각의 레버는 링크 구조체에 함께 연결되고, 상기 링크 구조체의 작동에 의해 상기 복수의 다중 포트 밸브의 레버가 동시에 작동해 유체의 경로를 동시에 전환하는 것을 특징으로 하는 게측 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 다중 포트 밸브는 각각 세 개의 포트를 구비하는 제1 내지 제3 삼방 밸브를 포함하고,
    제1 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 배관에 접속되고, 제2 포트는 제1 연결관의 일단에 접속되며, 제3 포트는 상기 배관에 접속되고,
    제2 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 샘플링부의 입구부에 접속되고, 제2 포트는 상기 제1 연결관의 타단에 접속되며, 제3 포트는 제2 연결관의 일단에 접속되고,
    제3 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 샘플링부의 출구부에 접속되고, 제2 포트는 상기 배관에 접속되며, 제3 포트는 제3 연결관의 일단에 접속되고,
    상기 제1 삼방 밸브의 작동에 의해, 상기 샘플링부와 상기 배관을 연통 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 다중 포트 밸브는 각각 세 개의 포트를 구비하는 제4 및 제5 삼방 밸브를 포함하고,
    제4 삼방 밸브의 제1 포트는 캐리어 가스 탱크와 연통하는 캐리어 가스 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 제2 연결관의 타단에 접속되며, 제3 포트는 제4 연결관의 일단에 접속되고,
    제5 삼방 밸브의 제1 포트는 상기 검출부와 연통하는 검출부 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 제4 연결관의 타단에 접속되며, 제3 포트는 상기 제3 연결관의 타단에 접속되고,
    제1 내지 제5 삼방 밸브가 선택적으로 작동되어 유체의 경로를 전환함으로써, 상기 샘플링 연결 작동, 상기 샘플링 차단 작동 및 상기 가스 전달 작동이 선택적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 샘플링 차단 작동을 통해 상기 가스 혼합물을 감압한 후에 상기 가스 전달 작동이 수행되고,
    상기 샘플링 차단 작동은,
    상기 샘플링부에 상기 가스 혼합물을 가두어 트랩하는 샘플링 루트 밀폐 작동과, 상기 샘플링부에 트랩된 상기 가스 혼합물을 감압하기 위해 상기 감압 챔버로 유동시키는 압력 감압 작동이 수행되며,
    상기 샘플링 루트 밀폐 작동 시, 상기 제1 삼방 밸브 및 상기 제3 삼방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환하고,
    상기 압력 감압 작동 시, 상기 제5 삼방 밸브가 작동하여 유체의 경로를 전환하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스 전달 작동 시, 상기 제2 삼방 밸브 및 상기 상기 제4 삼방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 샘플링 차단 작동과 동시에 상기 가스 전달 작동이 수행되고,
    제1 내지 제5 삼방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환함으로써, 상기 샘플링 차단 작동과 상기 가스 전달 작동이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 다중 포트 밸브는 각각 네 개의 포트를 구비하는 제1 및 제2 사방 밸브를 포함하고,
    제1 사방 밸브의 제1 포트는 캐리어 가스 탱크와 연통하는 캐리어 가스 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 샘플링부의 입구부에 접속되며, 제3 포트는 상기 배관에 접속되고, 제4 포트는 제5 연결관의 일단에 접속되며,
    제2 사방 밸브의 제1 포트는 상기 검출부와 연통하는 검출부 유입관에 접속되고, 제2 포트는 상기 샘플링부의 출구부에 접속되고, 제3 포트는 상기 배관에 접속되고, 제4 포트는 상기 제5 연결관의 타단에 접속되며,
    제1 및 제2 사방 밸브가 동시에 작동하여 유체의 경로를 전환함으로써,
    상기 샘플링 연결 작동 시, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 상기 검출부로 바로 이어지는 유체의 유동 경로와, 상기 배관으로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 배관으로 돌아가는 유체의 유동 경로가 형성되고,
    상기 가스 전달 작동 시, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 상기 샘플링부를 거쳐 상기 검출부로 이어지는 유체의 유동 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    제1 및 제2 사방 밸브는 컨트롤러의 제어에 의해 자동으로 작동하는 자동 밸브인 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
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