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문제 정의
- 레이저를 이용한 액체 제트 또는 액적의 광학적 절연 파괴에 대한 연구는 LIB 분광학 분야에서 다양하게 연구되었으나, 그 연구 대상이 유기 플라즈마의 emission 현상에 초점이 맞추어 있어, “ 레이저 유기 충격파에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 연구에서는 미소 부피를 가지는 액체의 레이저 유기 절연파괴를 통하여 생성 되는 충격파에 대한 실험적 분석과 이를 이용한 입자 세정에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 액적 또는 액체 제트의 광학적 절연 파괴를 이용한 표면세정 공정에 대한 실험적 분석을 수행하였다. 본 연구에서 제안한 신개념공정을 통하여 생성된 레이저 유기 충격파는 대기 상에서 생성된 것에 비하여 실험 조건에 따른 차이는 있으나 전반적으로 1.
제안 방법
- 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 본 신개념공정의 입자 세정 능력을 살펴보기 위하여 PS 및 A12O3 입자를 이용하여 세정 실험을 수행한 후, 공기 절연파괴를 이용한 LSC 결과와 비교하였다.
- 레이저 충격파 세정공정은 충격파가 진행함에 따라 그 강도가 감소할 뿐 아니라 표면에 입사되는 충격파의 각도에 따라 그 세정력이 달라지므로, 표면의 위치에 따라 세정 효율이 달라진다. 본 실험에서 시편의 세정 후 입자 제거 정도를 관찰할 때에는 세정 효율이 높게 나타나는 곳을 중심으로 수 mm 영역의 임의의 곳을 선택적으로 측정하였다.
- 시편의 위치는 액체 제트/액적의 진행방향과 수평한 방향으로 고정하였다. 세정 시편의 세정 전/후 표면은 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다. 레이저 충격파 세정공정은 충격파가 진행함에 따라 그 강도가 감소할 뿐 아니라 표면에 입사되는 충격파의 각도에 따라 그 세정력이 달라지므로, 표면의 위치에 따라 세정 효율이 달라진다.
- 세정시편의 세정 후 손상 정도를 관찰하기 위하여 원자 현미경(AFM)을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 표면을 관찰하였다.
- 2), 가시화 실험은 N2- pumped 색소(dye) 레이저(FWHM : 3 ns, A : 640 nm)와 Nd:YAG 레이저를 동기화 하여 수행하였다. 압전압력 센서(반응 시간 : 1 捲, 센서의 지름 : 5 mm)를 이용하여 충격파가 가지는 압력을 측정하였다. 측정한 속도 및 압력은 기존의 대기 상에서 유도된 충격파와 비교 분석하였다.
- 액적의 위치는 가시화 장치를 이용하여 관측하였으며, Nd:YAG 레이저 빔의 집속점에 위치하였을 때 레이저 빔을 조사하여 유기 충격파를 생성하였다. 액적/액체 제트의 절연파괴로 형성되는 충격파의 특성을 관찰하기 위하여 레이저 섬광 사진법을 이용하여 충격파의 전파 정도를 수십 ns 간격으로 측정하였으며(Fig. 2), 가시화 실험은 N2- pumped 색소(dye) 레이저(FWHM : 3 ns, A : 640 nm)와 Nd:YAG 레이저를 동기화 하여 수행하였다. 압전압력 센서(반응 시간 : 1 捲, 센서의 지름 : 5 mm)를 이용하여 충격파가 가지는 압력을 측정하였다.
- 노즐 끝에서 형성된 액적의 크기는 약 100 纟이의 크기를 가지며 수 m/s의 속도로 토출된다. 액적의 위치는 가시화 장치를 이용하여 관측하였으며, Nd:YAG 레이저 빔의 집속점에 위치하였을 때 레이저 빔을 조사하여 유기 충격파를 생성하였다. 액적/액체 제트의 절연파괴로 형성되는 충격파의 특성을 관찰하기 위하여 레이저 섬광 사진법을 이용하여 충격파의 전파 정도를 수십 ns 간격으로 측정하였으며(Fig.
- 액체의 절연파괴 시에 생성되는 충격파의 입력을 압력 센서를 이용하여 측정하였다. piezo 압력계의 최대압력 측정은 압력계의 반응 시간 및 측정 영역을 고려할 때, 충격파의 정확한 최대압력을 측정하지는 못하지만, 실험 조건에 따른 압력의 변화 정도를 정성적으로 비교할 수 있다.
- 본 공정의 세정 성능을 관찰하기 위하여 수십 - 수백 nm의 크기를 가지는 PS (polystyrene, 300, 90, 30 nm)와 AI2O3 (10 nm - 1 〃m)입자를 이용하여 세정 실험을 수행하였다. 우선 입자들을 ultrasonic bath 및 magnetic stirrer를 이용하여 증류수에 분산 시키고, 실리콘 웨이퍼(1 cm2)< 담근 후 건조시켜 웨이퍼 위에 입자를 고르게 분포시켰다. 입자가 부착된 세정 시편의 레이저 빔이 집속되는 곳과 일정 거리W : 2-3 mm) 떨어진 곳에 위치시켜 플라즈마에 의한 열적 손상이 입지 않게 하였으며, 레이저 빔의 조사조건을 달리하며 세정 실험을 수행하였다.
- 우선 입자들을 ultrasonic bath 및 magnetic stirrer를 이용하여 증류수에 분산 시키고, 실리콘 웨이퍼(1 cm2)< 담근 후 건조시켜 웨이퍼 위에 입자를 고르게 분포시켰다. 입자가 부착된 세정 시편의 레이저 빔이 집속되는 곳과 일정 거리W : 2-3 mm) 떨어진 곳에 위치시켜 플라즈마에 의한 열적 손상이 입지 않게 하였으며, 레이저 빔의 조사조건을 달리하며 세정 실험을 수행하였다. 시편의 위치는 액체 제트/액적의 진행방향과 수평한 방향으로 고정하였다.
- 집광하여 절연파괴를 유도한다. 증류수를 담고 있는 용기에 1-2 기압의 입력을 가해 액체 제트를 형성하였으며, 제트의 지름0>)은 다양한 크기의 노즐을 이용하여 수백 “m 범위에서 조절하였다. 미소액 적 생성을 위하여 50 의 크기를 가지는 압전 (piezo) 노즐을 사용하였다.
- 압전압력 센서(반응 시간 : 1 捲, 센서의 지름 : 5 mm)를 이용하여 충격파가 가지는 압력을 측정하였다. 측정한 속도 및 압력은 기존의 대기 상에서 유도된 충격파와 비교 분석하였다. 본 공정의 세정 성능을 관찰하기 위하여 수십 - 수백 nm의 크기를 가지는 PS (polystyrene, 300, 90, 30 nm)와 AI2O3 (10 nm - 1 〃m)입자를 이용하여 세정 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 증류수를 담고 있는 용기에 1-2 기압의 입력을 가해 액체 제트를 형성하였으며, 제트의 지름0>)은 다양한 크기의 노즐을 이용하여 수백 “m 범위에서 조절하였다. 미소액 적 생성을 위하여 50 의 크기를 가지는 압전 (piezo) 노즐을 사용하였다. 노즐 끝에서 형성된 액적의 크기는 약 100 纟이의 크기를 가지며 수 m/s의 속도로 토출된다.
- 측정한 속도 및 압력은 기존의 대기 상에서 유도된 충격파와 비교 분석하였다. 본 공정의 세정 성능을 관찰하기 위하여 수십 - 수백 nm의 크기를 가지는 PS (polystyrene, 300, 90, 30 nm)와 AI2O3 (10 nm - 1 〃m)입자를 이용하여 세정 실험을 수행하였다. 우선 입자들을 ultrasonic bath 및 magnetic stirrer를 이용하여 증류수에 분산 시키고, 실리콘 웨이퍼(1 cm2)< 담근 후 건조시켜 웨이퍼 위에 입자를 고르게 분포시켰다.
성능/효과
- A12O3 의 경우, 공기 절연파괴를 이용한 LSC 공정을 통해서는 세정이 거의 이루어지지 않으나(Fig. 7(e)), 액체 제트의 절연파괴에 의한 공정에서는 대부분의 입자들이 제거됨을 알 수 있다(Fig. 7(f)).
- 7(c)). 300 nm PS 입자의 경우에 대하여 입자 세정 효율을 살펴본 결과 일반적인 LSC 공정에서는 약 20%, 액체 제트의 절연파괴에 의한 세정 공정의 경우 95% 이상으로 나타났다. A12O3 의 경우, 공기 절연파괴를 이용한 LSC 공정을 통해서는 세정이 거의 이루어지지 않으나(Fig.
- 王한 세정 실험을 통하여 본 기법이 실질적으로 기존의 LSC 공정에 비하여 더 높은 세정 능력을 지님을 검증하였다. 300 nm 이하의 크기를 가지는 PS 입자를 이용하여 세정 실험을 수행한 결과, 기존 LSC 공정을 통하여 300 nm의 입자가 낮은 세정율로 일부 제거되나, 그 이하의 입자의 경우 세정이 이루어지지 않았다. 액적의 절연파괴를 통한 세정 공정에서는 높은 조사 에너지(> 300 mJ)에서는 충격파 강도 증가가 1.
- 6배의 압력이 증가함이 확인하였다. 王한 세정 실험을 통하여 본 기법이 실질적으로 기존의 LSC 공정에 비하여 더 높은 세정 능력을 지님을 검증하였다. 300 nm 이하의 크기를 가지는 PS 입자를 이용하여 세정 실험을 수행한 결과, 기존 LSC 공정을 통하여 300 nm의 입자가 낮은 세정율로 일부 제거되나, 그 이하의 입자의 경우 세정이 이루어지지 않았다.
- 둘째는 절연파괴 시에 형성된 미소 액적이 오염 시편의 표면에 충돌하면서 가해는 힘이 세정력으로 작용할 수 있다. 레이저 에너지를 변화시켜 가면서 액체 제트를 절연파괴하여 2차적인 미소 액적의 유동을 유도 할 때, 다량의 미소 액적이 생성되는 100 mJ 까지는 입자 세정 효율이 크게 증가하였다. 그러나, 액체 제트의 지름을 260 〃이에서 130 //m 이하로 줄였을 경우는 세정 시편과 충돌하는 미소 액적이 존재하지 않으며 세정 효율 또한 향상되지 않았다(Fig.
- 수행하였다. 본 연구에서 제안한 신개념공정을 통하여 생성된 레이저 유기 충격파는 대기 상에서 생성된 것에 비하여 실험 조건에 따른 차이는 있으나 전반적으로 1.2-1.5배의 속도 증가를 보이며, 1.1-1.6배의 압력이 증가함이 확인하였다. 王한 세정 실험을 통하여 본 기법이 실질적으로 기존의 LSC 공정에 비하여 더 높은 세정 능력을 지님을 검증하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 레이저 빔이 집속되는 곳에 수백 마이크론의 지름을 가지는 액체 제트 또는 액적을 위치시키면 레이저 유기 충격파의 강도를 크게 증가시킬 수 있음을 보였다. 레이저를 이용한 액체 제트 또는 액적의 광학적 절연 파괴에 대한 연구는 LIB 분광학 분야에서 다양하게 연구되었으나, 그 연구 대상이 유기 플라즈마의 emission 현상에 초점이 맞추어 있어, “ 레이저 유기 충격파에 대한 연구는 미미한 실정이다.
- 6배)와 더불어 다량으로 발생한 미소 액적의 충돌 효과가 더해져 높은 세정 효율을 보였다. 세정 실험 결과, 300 nm와 90 nm의 PS 입자 대부분이 세정되며, AhOs 입자의 경우, 60 nm 이상 크기의 입자 대부분이 표면 손상 없이 제거됨을 확인하였다.
- 7(f)). 세정 영역을 좀 더 확대하여 살펴본 결과, 약 60 nm 이하의 크기를 가지는 입자만이 잔존하는 것으로 나타났다.
- piezo 압력계의 최대압력 측정은 압력계의 반응 시간 및 측정 영역을 고려할 때, 충격파의 정확한 최대압력을 측정하지는 못하지만, 실험 조건에 따른 압력의 변화 정도를 정성적으로 비교할 수 있다. 압력 측정 결과, 액체 제트의 절연파괴를 통해 생성된 충격파의 압력이 <7 = 2 mm 지점에서 약 1.6배 증가하였다. 액적의 경우, Fig.
- 액적(지름 : 80 /zm)의 절연파괴에 의한 충격파 또한 액체 제트를 절연파괴 하였을 때와 유사하게 약 1.2-1.5배 정도의 속도 증가를 보였으며, 속도증가 정도는 조사되는 에너지가 낮을 때 높은 것으로 나타났다.
- 이러한 속도 및 압력 측정 결과는 세정 시편에 작용하는 레이저 유기 충격파의 압력 증가가 발생함을 증명하여 주며, 본 세정 기법을 통하여 세정효율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 본 신개념공정의 입자 세정 능력을 살펴보기 위하여 PS 및 A12O3 입자를 이용하여 세정 실험을 수행한 후, 공기 절연파괴를 이용한 LSC 결과와 비교하였다.
후속연구
- 8(b)). Fig. Rb)에 나타나 있듯이 410 mJ의 조사 에너지의 경우 충격파 증가 정도가 1.1 배 정도로 매우 낮기 때문에 세정 효율의 증가가 미미한 것으로 생각되어지며, 좀 더 높은 세정 효율을 얻기 위해서는 액적의 크기, 조사 에너지, 시편 위치0) 등의 공정 변수를 최적화하여 충격파의 강도를 증가 시킬 필요가 있다.
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