An electro-aerodynamic lens for improving the performance of virtual impactor has been proposed in this study. ANSYS FLUENT Release 16.1 was used for numerical analysis of virtual impactor with and without the electro-aerodynamic lens, used to collimate the incoming aerosol particles into a particle beam before injecting the particles into the virtual impactor. Particles supplied to the electro-aerodynamic lens were assumed to be highly charged. By using an aerodynamic lens before the virtual impactor, without any electrostatic effect, it was found that the cut-off diameter of the virtual impactor was reduced from $4.2{\mu}m$ to $0.68{\mu}m$ and that the fine particle contamination problem became more serious. However, by employing the combined electrostatic and aerodynamic effects, that is, by applying electric voltage potential to the electro-aerodynamic lens, the cut-off diameter was found to be further reduced to $0.45{\mu}m$ and the fine particle contamination was eliminated.
An orifice type of aerodynamic lens is generally used to focus nanoparticles. However, it is impossible to focus particles smaller than 10nm in air due to flow instability of fluid in a lens. In this study, we propose a new converging-diverging type of the aerodynamic lens capable of focusing particles of 5-50nm in air. Designing factors of the lens configurations is also extracted and explained in detail through a numerical simulation. It was demonstrated that the aerosols are delivered from the entrance to the downstream of the lens system with 90% transmission efficiency. The final beam diameters are shown to be more or less 1mm in the range of particle size.
Since it is not possible to generate spatially uniform particle distribution at low pressures in which in-situ particle monitors(ISPMs) are normally operated, it is of interest to investigate the response of an ISPM to particle beams at low pressures. The purpose of this study is to develop technique that can control the size of particle beams. In this study, particle beams were generated at low pressures by using identical aerodynamic lenses, and their shape and size were visualized by collecting uniform sized methylene blue aerosol particles on a filter media. It was found that the size of particle beams depends on the number of lens, the distance between lenses, and the downstream distance from the final lens. The size of particle beams decreases with increasing distance between lenses, and increases with increasing downstream distance from the final lens. The experimental results obtained in this work will be used to investigate performance of an ISPM at low pressures.
An experimental study was conducted on the optimal configuration and size of ADFL(Aerodynamic Focusing Lens) which used in modified ISPM(In-Situ Particle Monitoring). The particle counting efficiency has been known as a function of distance and size of ADFL, thus we varied these parameters to find out the optimum values. From a result of experiment, it was found that two lenses and 6mm space between them showed a maximum particle measuring efficiency. To apply this modified ISPM to semiconductor manufacturing field, we need more experiment about the pressure change, flow rate, and input particle size.
Previous designs of conventional aerodynamic lenses have a limitation of narrow range of focusable particle size, e.g. 30 to 300nm or 3 to 30nm. To enlarge the focusable size range to 30-3000nm, it is necessary to avoid a significant loss of particles larger than 300nm inside the lenses. From numerical simulations on size-resolved particle trajectories, we confirmed that the traveling losses of such large particles could be avoided only when the radial position of particles approaching the orifice lens was near the lens axis. Hence, we designed the lens system consisting of a converging-diverging nozzle and 7 orifices to fulfill the requirement. In particular, the orifices were aligned in a way that their diameters were descending and ascending to the downstream. As a result, 30-2800nm particles can be focused to the particle beam of 0.2mm or less in radius with above 85% transmission efficiency. Even $10{\mu}m$ particles can be focused with 74% of transmission efficiency.
A novel technique for fine particle beam focusing under the atmospheric pressure is introduced using a radiation pressure assisted aerodynamic lens. To introduce the radiation pressure in the aerodynamic focusing system, a 25m plano-convex lens having 2.5mm hole at its center is used as an orifice. The particle beam width is measured for various laser power, particle size, and flow velocity. In addition, the effect of the laser characteristics on the beam focusing is evaluated comparing an optical tweezers type and pure gradient force type. For the pure aerodynamic focusing system, the particle beam width was decreased as increasing particle size and Reynolds number. Using the optical tweezers type, the particle beam width becomes smaller than that of the pure aerodynamic focusing system about $16\%,\;11.4\%\;and\;9.6\%$ for PSL particle size of $2.5{\mu}m,\;1.0{\mu}m,\;and\;0.5{\mu}m$, respectively. Particle beam width was minimized around the laser power of 0.2W. However, as increasing the laser power higher than 0.4W, the particle beam width was increased a little and it approached almost a constant value which is still smaller than that of the pure aerodynamic focusing system. For pure gradient force type, the reduction of the particle beam width was smaller than optical tweezers type but proportional to laser power. The radiation pressure effect on the particle beam width is intensified as Reynolds number decreases or particle size increases relatively.
A novel technique for fine particle beam focusing under the atmospheric pressure is introduced using a radiation pressure assisted aerodynamic lens. To introduce the radiation pressure in the aerodynamic focusing system, a 25 mm plano-convex lens having 2.5 mm hole at its center is used as an orifice. The particle beam width is measured for various laser power, particle size, and flow velocity. In addition, the effect of the laser characteristics on the beam focusing is evaluated comparing an Ar-Ion continuous wave laser and a pulsed Nd-YAG laser. For the pure aerodynamic focusing system, the particle beam width was decreased as increasing particle size and Reynolds number. For the particle diameter of 0.5 ${\mu}m$, the particle beam was broken due to the secondary flow at Reynolds number of 694. Using the Ar-Ion CW laser, the particle beam width becomes smaller than that of the pure aerodynamic focusing system about 16 %, 11.4 % and 9.6 % for PSL particle size of 2.5 ${\mu}m$, 1.0 ${\mu}m$, and 0.5 ${\mu}m$ respectively at the Reynolds number of 320. Particle beam width was minimized around the laser power of 0.2 W. However, as increasing the laser power higher than 0.4 W, the particle beam width was increased a little and it approached almost a constant value which is still smaller than that of the pure aerodynamic focusing system. The radiation pressure effect on the particle beam width is intensified as Reynolds number decreases or particle size increases relatively. On the other hand, using 30 Hz pulsed Nd-YAG laser, the effect of the radiation pressure on the particle beam width was not distinct unlike Ar-Ion CW laser.
Aerodynamic lenses are widely used in generating particle beams of high density and small diameter, but analytical or modeling studies are limited only in the free molecular regime. In this study, it is shown that generating particle beam is also possible in atmospheric pressure range, and the mechanism of generating particle beam using an orifice is analysed into three different parts : fluid dynamic contraction, diffusional defocusing, and inertial focusing. In laminar flow conditions, the diffusional defocusing effect can be neglected, and the effects of inertial focusing can be expressed in terms of the orifice size and Stokes number. Numerical experiments are done for two different orifices, d/D=1/5 and 1/10 and particle diameter d(sub)p=1-10 ㎛. The results for two different orifices can be made into a single curve when a modified Stokes number is used. The inertial focusing effect diminishes when the modified Stokes number becomes smaller than 10(sup)-2.
In-situ particle monitors(ISPMs) are widely used for monitoring contaminant particles in vacuum-based semiconductor manufacturing equipment. In the present research, the performance of a Particle Measuring Systems(PMS) Vaculaz-2 ISPM at low pressures has been studied. We generated the uniform sized methylene blue particle beams using three identical aerodynamic lenses in the center of the vacuum line, and measured the detection efficiency of the ISPM. The effects of particle size, particle concentration, mass flow rate, system pressure, and arrangement of aerodynamic lenses on the detection efficiency of the ISPM were examined. Results show that the detection efficiency of the ISPM greatly depends on the mass flow rate, and the particle Stokes number. We also found that the optimum Stokes number ranges from 0.4 to 1.9 for the experimental conditions.
As semiconductor process was highly integrated, particle contamination became a major issue. Because particle contamination is related with process yields directly, particles with a diameter larger than half pitch of gate should be controlled. PBMS (Particle beam mass spectrometry) is one of powerful nano particle measurement device. It can measure 5~500 nm particles at ~ 100 mtorr condition in real time by in-situ method. However its usage is restricted to research filed only, due to its big device volume and high price. Therefore aperture changeable aerodynamic lenses (ACALs) which can control particle focusing characteristics by changing its aperture diameter was proposed in this study. Unlike conventional aerodynamic lenses which changes particle focusing efficiency when operating condition is changed, ACALs can maintain particle focusing efficiency. Therefore, it can be used for a multi-monitoring system that connects one PBMS and several process chambers, which greatly improves the commercialization possibility of the PBMS. ACALs was designed based on Stokes number and evaluated by numerical method. Numerical analysis results showed aperture diameter changeable aerodynamic lenses can focus 5 to 100 nm standard particles at 0.1 to 10 torr upstream pressure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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