KR100465087B1 - 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법 - Google Patents

다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법 Download PDF

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KR100465087B1 KR10-2002-0041571A KR20020041571A KR100465087B1 KR 100465087 B1 KR100465087 B1 KR 100465087B1 KR 20020041571 A KR20020041571 A KR 20020041571A KR 100465087 B1 KR100465087 B1 KR 100465087B1
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Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정이나 신소재 및 재료 처리 공정에서 사용하는, 다양한 플라즈마의 특성을 진단하고, 공정 장치를 감시하는 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법에 관한 것으로서, 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템은, 대상 기체와 접촉하는 탐침부 및 상기 탐침부에 인가되는 전기적 특성을 해석하는 해석장치를 구비하여 이루어지는 탐침시스템을 구성함에 있어서, 상기 탐침부는, 전자온도, 밀도, 부유전위의 측정이 가능하고, 실시간 시간분해능이 가능하도록 탐침팁을 지지하는 탐침지지대; 및 상기 탐침지지대에 설치되고, 소정 거리 이상 이격되어 설치되는 적어도 2개 이상의 탐침팁;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하기 때문에 단일탐침 이외에도 이중, 삼중, 방출, 유속 탐침 등의 형태로 사용 가능하게 하고, 기존의 단일탐침으로만 측정하던 전자온도, 밀도, 부유전위 등의 변수를 우수한 시간적인 분해능을 유지하면서 실시간으로 측정 가능하게 하며, 특히 방출탐침과 유속탐침을 동시에 사용할 수 있게 하여 기존의 탐침기술로는 측정할 수 없었던 플라즈마의 속도와 전기장세기의 분포를 동시에 측정할 수 있게 하고, 탐침팁의 손상시 교체를 용이하게 하며, 공압 실린더를 이용하는 고속 주사방식을 적용하여, 플라즈마에 의한 탐침팁의 손상이나 탐침에 의한 플라즈마 요동을 최소화하고, 보다 정학한 해석이론을 적용할 수 있게 하는 효과를 갖는다.

Description

다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법{Versatile scanning electric probe system and its probing method}
본 발명은 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 많은 반도체 제조 공정이나 신소재 및 재료 처리 공정에서 사용하는, 다양한 플라즈마의 특성을 진단하고, 공정 장치를 감시하는 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 공정은 반도체 공정뿐 아니라, 재료표면 처리, 유해가스 처리, 탄소나노튜브생성 등 그 응용범위가 광범위한 분야이고, 공정중의 플라즈마를 모니터링하기 위한 전기탐침 시스템의 사용은 꾸준히 증가하고 있다.
이러한 플라즈마의 상태를 조사하기 위한 전기탐침법은 1920년대 Langmuir에 의해서 제안된 후, 많은 연구자들에 의하여 연구되어져 왔으며, 전기탐침법에 관한일반적인 기술은 이미 공지된 기술로서, 기본적인 원리는 전기탐침에 인가되는 전압에 따른 전류의 양을 측정하여, 플라즈마의 물리적 변수를 유추하는 것으로 도 1과 같이 주어지는 전류(I)-전압(V) 곡선에서 플라즈마 변수와의 상관관계는 다음과 같다.
(식.1.A)
(식.1.B)
여기서 Iisat=이온 포화전류, Iesat=전자포화전류,,=플라즈마전위, V=탐침전위, e=1.6022×10-19C, k=볼쯔만 상수, Te=전자온도 이다. 위 식들의 경우는 이차전자 발생, 충돌성 등은 고려되지 않았고, 전자의 경우는 볼쯔만 관계를 따른다고 가정한다. 또 전자포화전류나(도 1의 11), 이온포화전류(도 1의 13)의 경우는 탐침의 모양이나 플라즈마의 조건에 따라 다른 형태를 가지게 된다.
이러한, 종래의 탐침법들의 문제점은 크게 네 가지를 들 수 있는데, 첫째는 탐침과 탐침지지대 그리고 이송부가 일체로 되어 팁의 손상시 교체가 어렵고, 둘째는 탐침 형태가 가장 단순한 단일탐침으로서 측정변수의 범위가 전자온도, 밀도, 전자에너지분포, 부유전위 중 일부로 제한적이고, 플라즈마전위를 찾기가 매우 어렵다는 점과, 셋째는 이송형태가 고정식이거나 이동식의 경우도 대부분 저속의 모터 방식을 이용하여 탐침이 플라즈마에 주는 요동이 많고, 저속이송(또는 고정)으로 인해 처리과정시 플라즈마에 탐침팁이 오래 노출되므로 탐침표면에 플라즈마에 의한 열 손상이 생기거나, 반도체 공정에의 적용시 에칭 가스에 의해서 탐침의 면적이 변하게 되는 경우가 있을 수 있다. 넷째로는 대부분의 탐침장비들의 탐침 해석이론이 종합적이지 못하고, 플라즈마와 탐침의 경계영역인 외장에서의 하전입자들의 충돌을 무시한, 특정한 경우의 이론만을 사용하므로 측정결과의 신뢰성에 문제가 있을 수 있다는 점이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 첫째, 한 개의 새롭게 고안된 탐침지지대의 7개 구멍에 6개의 탐침팁을 설치하여, 단일탐침 이외에도 이중, 삼중, 방출, 유속 탐침 등의 형태로 사용 가능하게 하고, 기존의 단일탐침으로만 측정하던 전자온도, 밀도, 부유전위 등의 변수를 우수한 시간적인 분해능을 유지하면서 실시간으로 측정 가능하게 하며, 특히 방출탐침과 유속탐침을 동시에 사용할 수 있게 하여 기존의 탐침기술로는 측정할 수 없었던 플라즈마의 속도와 전기장세기의 분포를 동시에 측정할 수 있게 하는 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법을 제공함에 있다.
둘째, 탐침의 머리부분을 기존의 일체형 단일탐침에서 다목적의 플러그 형태의 탐침으로 개조하여, 팁의 손상시 교체를 용이하게 하는 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법을 제공함에 있다.
셋째, 기존의 모터를 이용하는 저속 운송방식대신에 공압 실린더를 이용하는 고속 주사방식을 적용하여, 플라즈마에 의한 탐침팁의 손상이나 탐침에 의한 플라즈마 요동을 최소화하는 방향으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법을 제공함에 있다.
넷째, 종합적인 탐침이론을 포함한 해석 프로그램을 개발하여, 외장에서의 하전입자의 충돌을 고려함으로써 보다 정학한 해석이론을 적용할 수 있게 하는 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 단일 탐침시스템으로 알 수 있는 단일탐침 전압-전류 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템으로 알 수 있는 이중 탐침 전압-전류 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다용도 주사전기 탐침시스템의 탐침팁 및 탐침지지부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 도 3의 정면도이다.
도 6은 도 3의 우측면도이다.
도 7은 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템의 삼중 탐침 회로도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탐침부를 나타내는 부분 단면도이다.
도 9는 도 8의 연결부, 머리부지지대, 고정대를 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 8의 탐침지지대 및 탐침팁을 나타내는 단면도이다.
도 11은 도 8의 접속부를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다용도 주사전기 탐침시스템의 구동장치를 나타내는 부분 단면도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다용도 주사전기 탐침시스템의 제어부를 나타내는 전후면도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법에 따라 실행되는 프로그램의 실행화면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법을 나타내는 순서도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템은, 플라즈마상태 등 각종 상태의 대상 기체와 접촉하는 탐침부 및 상기 탐침부에 인가되는 전기적 특성을 해석하는 해석장치를 구비하여 이루어지는 탐침시스템을 구성함에 있어서, 상기 탐침부는, 전자온도, 밀도, 부유전위의 측정이 가능하고, 실시간 시간분해능이 가능하도록 탐침팁을 지지하는 탐침지지대; 및 상기 탐침지지대에 설치되고, 소정 거리 이상 이격되어 설치되는 적어도 2개 이상의 탐침팁;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침팁은, 단일탐침, 이중탐침, 삼중탐침, 방출탐침, 유속탐침이 가능하도록 5개의 일자형 탐침팁(단일탐침; A, 이중탐침; A/B, 삼중탐침; A/B/C, 유속탐침; D/E) 및 1개의 아치형 탐침팁(방출탐침; F)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 탐침부는, 상기 탐침팁의 전방에 설치되어 상기 탐침팁의 전방을 보호하도록 상기 탐침지지대를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 나사부가 형성되어 상기 탐침지지대와 착탈되는 연결부; 나사부가 형성되어 상기 연결부의 선단에 연장 형성되고 파이프형상으로 형성되며, 입구 크기가 조절되도록 측면 여유홈이 형성되는 머리부지지대; 상기 머리부지지대의 입구 크기를 조절하도록 나사부의 비틀림 전후진시 상기 머리부지지대를 가압하는 고정대; 상기 탐침지지대의 후방에 설치되어 상기 탐침지지대를 보호하도록 상기 탐침지지대를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 상기 탐침팁과 전기적으로 연결되는 연결부; 상기 연결부와 전기적으로 연결되고, 소정 거리 연장되는 세라믹튜브축; 및 상기 세라믹튜브축과 전기적으로 연결되어 해석장치와 연결되며, 상기 세라믹튜브축을 지지하는 접촉부;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탐침부를 대상기체로 이송시키고, 상기 탐침부의 고속 이송이 가능하여 고속 측정이 용이하도록 상기 탐침부와 연결되는 공압실린더를 구비하여 이루어지는 구동장치;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법은, 플라즈마상태 등 각종 상태의 대상 기체와 접촉하는 탐침부 및 상기 탐침부에 인가되는 전기적 특성을 해석하는 해석장치를 구비하여 이루어지고, 상기 탐침부는, 전자온도, 밀도, 부유전위의 측정이 가능하고, 실시간 시간분해능이 가능하도록 탐침팁을 지지하는 탐침지지대 및 상기 탐침지지대에 설치되고, 소정 거리 이상 이격되어 설치되는 적어도 2개 이상의 탐침팁을 구비하여 이루어지는 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법에 있어서, (a) 가스의 종류, 발생주파수, 자기장크기 등 측정 환경의 상태를 나타내는 데이터를 입력하는 환경입력단계; (b) 사용자의 의도에 따라 탐침에 사용되는 탐침팁의 개수와 종류를 선택하는 탐침선택단계; (c) 입력된 데이터에 따라 조사 환경에 맞는 해석이론을 결정하고, 선택된 탐침팁으로부터 인가된 전기적신호를 결정된 해석이론으로 해석하는 측정결과해석단계; 및 (d) 해석된 결과를 예상치와 비교하여 최종결과를 도출하는 결과도출단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템은, 플라즈마상태 등 각종 상태의 대상 기체와 접촉하는 도 8의 탐침부(10) 및 상기 탐침부(10)에 인가되는 전기적 특성을 해석하는 도 13의 해석장치(20)를 구비하여 이루어지는 탐침시스템으로서, 전자온도, 밀도, 부유전위의 측정이 가능하고, 실시간 시간분해능이 가능하도록 상기 탐침부(10)는, 원통형 탐침지지대(11) 및 상기 탐침지지대(11)에 설치되고, 소정 거리 이상 이격되어 설치되는 적어도 2개 이상(도면에서는 5개)의 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)으로 이루어지는 구성이다.
즉, 본 발명은 종래의 단일 탐침팁 이외에, 다수개의 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)을 갖는 것으로서, 보다 바람직하기로는, 도 1의 그래프를 얻을 수 있는 단일탐침은 물론, 도 2의 그래프를 얻을 수 있는 이중탐침, 도 7의 회로도로 표시되는 삼중탐침, 이외에 방출탐침, 유속탐침 등이 가능하도록, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 5개의 일자형 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(여기서, 단일탐침; A, 이중탐침; A/B, 삼중탐침; A/B/C, 유속탐침; D/E) 및 1개의 아치형 탐침팁(F)(방출탐침; F)이 상기 탐침지지대(11)의 중심을 기준으로 동일한 간격으로 6각 배치되고, 상기 탐침팁(D)과 탐침팁(E)은 유속을 측정하기 위하여 탐침지지대(11)의 측면에 설치되는 구성이다.특히, 본 발명은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 탐침시 왜곡을 최대한 피할 수 있도록 각 탐침의 위치가 최적화 설계된 것으로서, 상기 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)는 중심의 탐침팁(C)를 기준으로 그 주변을 탐침팁(A), 탐침팁(B), 탐침팁(E), 아아치형 탐침팁(F), 탐침팁(D)의 순서로 6각 배치되고, 유속탐침용 탐침팁(D)(E)는 상기 탐침지지대의 측면에 설치된다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)은, 상기탐침지지대(11)의 중심홀(12) 1개 및 상기 중심홀(12) 주위에 동일간격으로 등각 6각 배치되어 형성되는 6개의 구멍(13) 즉, 총 7개의 구멍에 착탈식으로 나사조립되거나 억지 삽입되는 플러그(Plug)형상으로 제작되어, 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)의 손상시 교체할 수 있게 한다.
이러한, 상기 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)은, 팁의 조합에 따라서 표 1과 같이 탐침의 용도를 결정할 수 있다.
전기탐침 종류 조합 측정변수 특성
단일 탐침 A 전자온도, 밀도, 부유전위 (전자에너지분포, 플라즈마 전위)※ 시간분해능 불량
이중 탐침 A,B 전자온도, 밀도 시간분해능 불량
삼중 탐침 A,B,C 전자온도, 밀도, 부유전위 시간분해능 양호
방출 탐침 F 플라즈마 전위, 부유전위 시간분해능 양호
유속 탐침 D,E 플라즈마 유속 시간분해능 양호
표 다용도 전기 탐침부 기능표(※전류-전압곡선을 분명하게 얻을 수 있는 경우에만 얻을 수 있다.)
여기서, 도 7은 상기 탐침팁(A), 탐침팁(B), 탐침팁(C)이 사용되는 삼중탐침의 경우, 각 탐침팁(A)(B)(C)과 연결되는 삼중탐침의 회로도이다. 이러한 회로에 의해 전자온도, 밀도, 부유전자에 대한 데이터를 시간분해능으로 조사할 수 있는 것이다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템의 탐침부(10)는, 상기 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F)과, 탐침지지대(11) 이외에도 각 부품들의 착탈이 가능하도록 형성된 연결부(14), 머리부지지대(15), 고정대(16), 탐침팁연결부(17), 세라믹튜브축(18), 접속부(19)를 더 포함하여 이루어지는 구성이다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 연결부(14)는, 상기 탐침팁(C)의 전방에 설치되어 상기 탐침팁(C)의 전방을 보호하도록 상기 탐침지지대(11)를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 나사부가 형성되어 상기 탐침지지대(11)와 나사식 착탈되는 구성이다.
또한, 상기 머리부지지대(15)는, 나사부가 형성되어 상기 연결부(14)의 선단에 연장 형성되고 파이프형상으로 형성되며, 입구(15i) 크기가 조절되도록 측면 여유홈(15r)이 형성되는 구성이다.
또한, 상기 고정대(16)는, 상기 머리부지지대(15)의 입구(15r) 크기를 조절하도록 나사부의 비틀림 전후진시 상기 머리부지지대(15)를 가압하여 상기 측면 여유홈(15r)을 좁게 하여 입구(15i)를 작게 하는 구성이다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 탐침팁연결부(17)는, 상기 탐침지지대(11)의 후방에 설치되어 상기 탐침지지대(11)를 보호하도록 상기 탐침지지대(11)를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 상기 탐침팁(C)과 전기적으로 연결되는 구성이다.
또한, 도 8, 도 11, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹튜브축(18)은, 상기 연결부(14)와 전기적으로 연결되고, 소정 거리 연장되어 축(shaft)을 이루는 것이고, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 접속부(19)(feedthrough)는, 상기 세라믹튜브축(18)과 전기적으로 연결되어 상기 해석장치(20)와 연결되며, 상기 세라믹튜브축(18)을 지지하는 역할을 한다.
즉, 이러한, 상기 고정대(16), 머리부지지대(15), 연결부(14), 탐침팁(A)(B)(C)(D)(E)(F), 탐침지지대(11), 탐침팁연결부(17), 세라믹튜브축(18), 접속부(19)를 각각 분리가능하고, 이러한 부품으로 구성된 탐침부(10)의 조립된 상태가 도 8이다. 이러한 상기 탐침부(10)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 탐침부(10)를 대상기체로 이송시키고, 상기 탐침부(10)의 고속 이송이 가능하여 고속 측정이 용이하도록 상기 탐침부(10)와 연결되는 공압실린더(33)를 구비하여 이루어지는 구동장치(30)에 장착되어 플라즈마 반응로 안으로 들어가 플라즈마의 특성을 측정하게 된다.
여기서, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 구동장치(30)는, 내부 진공이 유지되도록 상기 탐침부(10)를 감싸는 벨로우즈관(31)과, 상기 탐침부(10)와 연결되는 왕복대(32) 및 상기 왕복대(32)를 직선 왕복운동시키는 공압실린더(33)를 구비하여 이루어지는 구성이고, 탐침의 위치를 정밀하게 조절하도록 상기 왕복대(32)에 선형저항(도시하지 않음)(linear resistor)을 설치하여 상기 공압실린더(33)에 공압을 선택적으로 제공하는 제어부(도시하지 않음)가 상기 공압실린더(33)의 동작을 제어하는 구성이다.
이러한 상기 공압실린더(33)의 제어를 위하여 상기 왕복대(32)의 위치 제어를 위하여 공압실린더(33)의 일측에 설치되어 상기 왕복대(32)가 소정 위치에 도달하면 자동으로 온/오프되는 자석식 자동스위치(34)(magnetic auto switch) 및 상기 자석식 자동스위치(34)와 연결되어 상기 공압실린더(33)의 공압을 조절하는 솔레노이드밸브(도시하지 않음)(solenoid valve)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 공압실린더(33)가 상기 탐침부(10)의 이송을 담당하게 되어 있어 측정속도가 대략 1m/sec 정도로 고속 측정이 가능하여 기존의 모터구동장치가 느린 이송속도와 측정 끝지점에서의 오랜 정지시간으로 인한 탐침의 손상을 막을 수 있다.
뿐만 아니라 탐침부(10)의 출발점과 되돌아오는 지점을 자유롭게 조절할 수 있어 다양한 크기의 플라즈마 시스템에 쉽게 적용될 수 있다.
한편, 상기 제어부는 상기 해석장치(20)에 내장되는 것으로서, 도 13은 고속주사탐침을 조절하고, 탐침의 측정회로가 내장되어 있는 조절기의 일례를 나타내는 정면도 및 후면도이다. 즉, 이러한 상기 제어부에 의해 해석된 결과는, 해석 프로그램에 따라 디스플레이부의 실행화면에 도 14와 같이 표시될 수 있다.
즉, 본 발명은 도 14에 도시된 바와 같이, 단일탐침 이외에도 이중, 삼중, 방출, 유속 탐침 등의 형태로 사용 가능하고, 기존의 단일탐침으로만 측정하던 전자온도, 밀도, 부유전위 등의 변수를 우수한 시간적인 분해능을 유지하면서 실시간으로 측정 가능하며, 특히 방출탐침과 유속탐침을 동시에 사용할 수 있게 하여 기존의 탐침기술로는 측정할 수 없었던 플라즈마의 속도와 전기장세기의 분포를 동시에 측정할 수 있는 것이다.
따라서, 전기탐침의 신호측정은 탐침의 종류에 따라 다르게 적용되나, 기본적으로는 컴퓨터에 내장된 A/D board에서 발생된 인가전압 파형을 조절기의 증폭기를 거쳐 탐침팁에 인가하고, 인가전압과 그에 따른 집속전류를 차등증폭회로를 이용하여 측정하여 A/D board로 집속하여 해석프로그램으로 해석하는 방식이다.
또한, 상기 구동장치(30)의 동작은 프로그램에서 발생시킨 동작신호에 따라 솔레노이드 밸브의 방향을 조절하여, 상기 공압실린더(33)로 들어가는 공기의 압력을 조절하여 상기 탐침부(10)를 왕복운동하게 한다. 이때 반환지점은 자석식 자동스위치(34)의 위치에 의해서 결정이 된다.
한편, 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법은, 도 15에 도시된 바와 같이, 크게 환경입력단계(a)와, 탐침선택단계(b)와, 측정결과해석단계(c) 및 결과도출단계(d)로 이루어진다.
즉, 상기 환경입력단계(a)는, 가스의 종류, 발생주파수, 자기장크기 등 측정 환경의 상태를 나타내는 데이터를 입력하는 단계로서, 가스의 종류를 입력(a1)하고, 기본 변수를 결정(a2)하며, 이온화 단면적/전자/이온 충돌 단면적/중성입자밀도 등을 입력(a3)하는 단계들과, 발생주파수를 입력(a4)하고, 필터를 결정(a5)하는 단계들과, 자기장의 크기를 입력(a6)하고, 예상 전자온도/밀도를 입력(a7)하며, 기본 변수를 계산(a8)하고, 자이로반경/디바이거리 등을 입력(a9)하는 단계들을 포함한다.
예를 들어, 먼저 측정하고자 하는 플라즈마의 환경을 입력을 한다. 환경입력은 가스종류(Z), 압력(Pr), 발생주파수(f), 자기장 세기(B), 예상전자온도(Te), 예상전자 밀도(ne)를 입력하며, 이로부터 다음의 기본변수들을 계산한다.
*기체 종류에 따른 이온화 단면적과 전자 충돌단면적:
아르곤(Ar), 헬륨(He), 수소(H), 네온(Ne), 산소(O2), 질소(N2)
*중성입자밀도: 2.687×1019cm-3× 293/760 ×Pr[torr]/T[K]
*이온자유행정거리:
*전자 라모아반경:
*이온 라모아반경:
*더바이거리:cm
위의 변수들과 탐침의 크기 등을 고려하여 다음의 해석이론 중 적합한 이론을 선택한다. 편의를 위하여 다음의 용어들을 다음과 같이 도입한다.
(탐침반경(a), 탐침길이(l), 더바이거리(), 전자 라모아반경(),이온 라모아반경(), 전자 충돌 자유행정(), 이온 충돌 자유행정(), 자기장(B) 등)
이어서, 상기 탐침선택단계(b)는, 사용자의 의도에 따라 탐침에 사용되는 탐침팁의 개수와 종류를 선택하는 단계로서, 예를 들어, 자료를 집속(b1)하고, 집속된 자료에 따라 환경을 선택(b2)하는 단계들과, 단일탐침(b3)/이중탐침(b4)/삼중탐침(b5)/방출탐침(b6)/유속탐침(b7) 중 어느 하나를 선택하는 단계들을 포함한다.
이어서, 상기 측정결과해석단계(c)는, 입력된 데이터에 따라 조사 환경에 맞는 해석이론을 선택(c1)하고, 선택된 탐침팁으로부터 인가된 전기적신호를 결정된 해석이론으로 해석하는 단계로서, 비자기화 비충돌성인 경우(c2), 비자기화 충돌성인 경우(c3), 자기화 비충돌성인 경우(c4), 자기화 충돌성인 경우(c5)로 나누어 각각에 맞는 해석이론을 대입한다.
예를 들어,
1. 충돌성 무시한 자기장이 없는 플라즈마의 경우:( B=0, , >> )
1.1. 인 경우
A. 단일탐침
*전자온도:
V1, V2, I1, I2: 도 1 참조
*이온밀도:
Iisat: 이온포화전류, e: 전자전하량, M: 이온질량
*부유전위(Vf):
B. 이중탐침
*전자온도:
i1+, i2+: 도 2 참조
*이온밀도:
C. 삼중탐침
*전자온도:
Vd2: 도 7 참조
*이온밀도:
S: 탐침면적, mi: 이온질량
*부유전위: Vf=V1
D. 방출탐침
*플라즈마 전위: Zero emission 방법을 적용하여 플라즈마 전위 측정
,
,
Ico: 집속전류, Ieo: 방출전류, Tw: 방출탐침온도
와 Vp의 그래프에서 최고점에 해당하는 Vp가 플라즈마전위
E. 유속탐침
Ti/Te=0.2, 1.0, 2.0 인 경우 K=1.2,1.0,0.9,
M: Mach 수
1.2. 인 경우
β: 1.13∼1.02 (: 0∼3 )
γ: 0 (→∞) , 0.5 (=0 )
,
,
1.3. 인 경우
*원통형 탐침에서 집속되는 포화전자전류와 포화이온전류:
S: 위 식의 양변을 제곱한 그래프의 기울기
*이온밀도, 전자밀도:
,
2. 비자기화 충돌성( B=0, , ≪ )
비자기화 충돌성 플라즈마의 경우 충돌에 의한 신호왜곡을 보상하는 구체적 방법이 개발되어있지 않아, 본 발명에서는 PIC-MCC를 이용하여 계산된 충돌정도와 플라즈마 변수에 따른 전하집속의 특성으로부터 플라즈마 변수를 측정하는 방법을 사용한다. 즉 높은 압력의 중성입자를 가지는 플라즈마 조건에서의 하전입자 집속에 대한 수치모사로부터 충돌에 따른 집속전류의 증·감에 대한 환산인자를 구하여 사용한다.
3. 자기화 비충돌성
자기화된 비충돌성 플라즈마의 경우는 자기화된 정도에 따라 다음의 세 가지 경우로 구분할 수 있다.
3.1. 약자기장 :
이 경우는 전자와 이온의 라모아반경이 탐침의 반경보다 큰 경우로 이 경우에는 비자기화된 경우에 적용하는 식을 적용할 수 있다.
3.2. 중간자기장영역:
이온의 경우는 자기장이 없는 경우와 동일하게 취급될 수 있으나 전자의 경우는 전자포화 전류가 감소하게 된다. 탐침이 충분히 음으로 대전된 경우에는 탐침으로 집속되는 전자전류는 다음과 같이 주어진다.
R: reduction factor
,
여기서 C 는 최종 자유행정거리에 의해 정의된 표면의 정전용량,는 자기장에 평행한 전자자유행정거리,는 직교 및 평행 확산 계수이며, 이 경우에 전자온도는 비자기화된 경우와 동일하게 구할 수 있다.
3.3. 강자기장 영역 :
이온의 라모아반경이 탐침의 반경보다 커지는 경우에는 탐침으로 집속되는 이온전류도 다음 식과 같이 변하게 된다.
이 경우 탐침의 면적은 자기력선을 따르는 투영 면적이 된다.
4. 자기화 충돌성
자기화된 플라즈마에 충돌성이 고려되는 경우는 가스의 종류와 자기장의 세기에 따라 다른 경우를 적용하여야 함으로 일반화하기가 쉽지 않다. 이 경우는 플라즈마와 탐침, 자기장의 종류에 따른 PIC-MCC simulation 으로부터 집속되는 전하와 실제 플라즈마 밀도와의 상관관계를 이용하여 밀도와 온도를 측정한다.
이어서, 상기 결과도출단계(d)는, 상기와 같이 결정된 해석이론으로(d1) 측정결과를 해석(d2)하고, 해석된 결과를 예상치와 비교(d3)하여 최종결과를 도출(d4)하는 단계이다.
그러므로, 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법은, ① 6개 구멍에 탐침팁을 새롭게 고안된 탐침지지대에 설치하여 기존의 장치가(단일탐침) 측정 못하는 물성(유속, 플라즈마전위 및 전기장의 세기)을 실시간 측정하며, 동시에 기존의 탐침이 측정하는 물성(전자온도, 밀도, 부유전위)도 측정할 수 있다. ② 탈착식이므로 탐침의 보수 및 변환이 쉽다. ③ 산업용 처리플라즈마, 핵융합 플라즈마, 우주플라즈마, 기존 실험용 플라즈마의 물성을 플라즈마에 관한 사전지식이 없이도 정밀하게 측정할 수 있다. ④ 기존의 장치가 실시간 측정이 불가능했으나, 본 장치는 실시간 측정이 가능하다. ⑤ 다양한 플라즈마 조건( 압력(10-6- 100torr), 가스(Ar, H, He, Xe, 등), 자기장(B=0∼10Tesla))에서 플라즈마 물성 측정이 가능한 이점이 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
예컨대, 본 발명의 실시예에서는 6개의 구멍에 5개의 탐침팁들이 사용되었으나, 이외에도 다양한 배치의 다수개의 탐침팁들이 사용될 수 있으며, 상기 탐침팁들은 다양한 형태의 착탈방법에 의해 교체 가능하도록 구성되는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.
이상에서와 같이 본 발명의 다용도 주사전기 탐침시스템 및 이를 이용한 탐침방법에 의하면, 새롭게 고안된 탐침지지대의 7개 구멍에 6개의 탐침팁을 설치하여, 단일탐침 이외에도 이중, 삼중, 방출, 유속 탐침 등의 형태로 사용 가능하게 하고, 기존의 단일탐침으로만 측정하던 전자온도, 밀도, 부유전위 등의 변수를 우수한 시간적인 분해능을 유지하면서 실시간으로 측정 가능하게 하며, 특히 방출탐침과 유속탐침을 동시에 사용할 수 있게 하여 기존의 탐침기술로는 측정할 수 없었던 플라즈마의 속도와 전기장세기의 분포를 동시에 측정할 수 있게 하고, 다목적의 플러그 형태의 탐침으로 개조하여, 팁의 손상시 교체를 용이하게 하며, 기존의 모터를 이용하는 저속 운송방식대신에 공압 실린더를 이용하는 고속 주사방식을 적용하여, 플라즈마에 의한 탐침팁의 손상이나 탐침에 의한 플라즈마 요동을 최소화하는 방향으로 하고, 종합적인 탐침이론을 포함한 해석 프로그램을 개발하여, 외장에서의 하전입자의 충돌을 고려함으로써 보다 정학한 해석이론을 적용할 수 있게 하는 효과를 갖는 것이다.

Claims (8)

  1. 플라즈마상태 등 각종 상태의 대상 기체와 접촉하는 탐침부 및 상기 탐침부에 인가되는 전기적 특성을 해석하는 해석장치를 구비하여 이루어지는 탐침시스템을 구성함에 있어서,
    상기 탐침부는, 전자온도, 밀도, 부유전위의 측정이 가능하고, 실시간 시간분해능이 가능하도록 탐침팁을 지지하는 탐침지지대; 및 상기 탐침지지대에 설치되고, 소정 거리 이상 이격되어 설치되는 탐침팁;을 포함하여 이루어지고,
    상기 탐침팁은, 단일탐침, 이중탐침, 삼중탐침, 방출탐침, 유속탐침의 선택이 가능하도록 5개의 일자형 탐침팁(단일탐침; A, 이중탐침; A/B, 삼중탐침; A/B/C, 유속탐침; D/E) 및 1개의 아치형 탐침팁(방출탐침; F)이 상기 탐침지지대의 중심을 기준으로 동일한 간격으로 중심의 탐침팁(C)를 기준으로 그 주변을 탐침팁(A), 탐침팁(B), 탐침팁(E), 아아치형 탐침팁(F), 탐침팁(D)의 순서로 6각 배치되고, 유속탐침용 탐침팁(D)(E)는 상기 탐침지지대의 측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침팁은, 탐침지지대의 중심홀 1개 및 상기 중심홀 주위에 동일간격으로 등각 6각 배치되어 형성되는 총 7개의 구멍에 착탈식으로 나사조립되거나 억지 삽입되는 플러그형상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침부는,
    상기 탐침팁의 전방에 설치되어 상기 탐침팁의 전방을 보호하도록 상기 탐침지지대를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 나사부가 형성되어 상기 탐침지지대와 착탈되는 연결부;
    나사부가 형성되어 상기 연결부의 선단에 연장 형성되고 파이프형상으로 형성되며, 입구 크기가 조절되도록 측면 여유홈이 형성되는 머리부지지대;
    상기 머리부지지대의 입구 크기를 조절하도록 나사부의 비틀림 전후진시 상기 머리부지지대를 가압하는 고정대;
    상기 탐침지지대의 후방에 설치되어 상기 탐침지지대를 보호하도록 상기 탐침지지대를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 상기 탐침팁과 전기적으로 연결되는 탐침팁연결부;
    상기 연결부와 전기적으로 연결되고, 소정 거리 연장되는 세라믹튜브축; 및
    상기 세라믹튜브축과 전기적으로 연결되어 해석장치와 연결되며, 상기 세라믹튜브축을 지지하는 접촉부;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침부를 대상기체로 이송시키고, 상기 탐침부의 고속 이송이 가능하여 고속 측정이 용이하도록 상기 탐침부와 연결되는 공압실린더를 구비하여 이루어지는 구동장치;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 구동장치는,
    진공이 유지되도록 상기 탐침부를 감싸는 벨로우즈관;
    상기 탐침부와 연결되는 왕복대; 및
    상기 왕복대를 직선 왕복운동시키는 공압실린더;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    탐침의 위치를 정밀하게 조절하도록 상기 왕복대에 선형저항을 설치하여 제어부가 상기 공압실린더의 동작을 제어하고,
    상기 구동장치는,
    상기 왕복대의 위치 제어를 위하여 공압실린더의 일측에 설치되어 상기 왕복대가 소정 위치에 도달하면 자동으로 온/오프되는 자석식 자동스위치; 및
    상기 자석식 자동스위치와 연결되어 상기 공압실린더의 공압을 조절하는 솔레노이드밸브;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템.
  8. 플라즈마상태 등 각종 상태의 대상 기체와 접촉하는 탐침부 및 상기 탐침부에 인가되는 전기적 특성을 해석하는 해석장치를 구비하여 이루어지고, 상기 탐침부는, 전자온도, 밀도, 부유전위의 측정이 가능하고, 실시간 시간분해능이 가능하도록 탐침팁을 지지하는 탐침지지대 및 상기 탐침지지대에 설치되고, 소정 거리 이상 이격되어 설치되는 탐침팁을 구비하여 이루어지고, 상기 탐침팁은, 단일탐침, 이중탐침, 삼중탐침, 방출탐침, 유속탐침의 선택이 가능하도록 5개의 일자형 탐침팁(단일탐침; A, 이중탐침; A/B, 삼중탐침; A/B/C, 유속탐침; D/E) 및 1개의 아치형 탐침팁(방출탐침; F)이 상기 탐침지지대의 중심을 기준으로 중심의 탐침팁(C)를 기준으로 그 주변을 탐침팁(A), 탐침팁(B), 탐침팁(E), 아아치형 탐침팁(F), 탐침팁(D)의 순서로 6각 배치되고, 유속탐침용 탐침팁(D)(E)는 상기 탐침지지대의 측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법에 있어서,
    (a) 가스의 종류, 발생주파수, 자기장크기 등 측정 환경의 상태를 나타내는 데이터를 입력하는 환경입력단계;
    (b) 사용자의 의도에 따라 탐침에 사용되는 탐침팁의 개수와 종류를 선택하는 탐침선택단계;
    (c) 입력된 데이터에 따라 조사 환경(비자기화 비충돌성인 경우, 비자기화 충돌성인 경우, 자기화 비충돌성인 경우, 자기화 충돌성인 경우 등)에 맞는 해석이론을 결정하고, 선택된 탐침팁으로부터 인가된 전기적신호를 결정된 해석이론으로 해석하는 측정결과해석단계; 및
    (d) 해석된 결과를 예상치와 비교하여 최종결과를 도출하는 결과도출단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다용도 주사전기 탐침시스템을 이용한 탐침방법.
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