KR100805879B1 - A Plasma Electron Density And Electron Temperature Monitoring Device and Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 상기 전자파 발생기의 전자파가 반응용기 내의 플라즈마에 대해 상관 관계를 갖도록 상기 반응용기 내에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an apparatus and method for monitoring plasma electron density and electron temperature, comprising: an electromagnetic wave generator for continuously transmitting electromagnetic waves in a series of frequency bands; An electromagnetic wave transceiver for transmitting electromagnetic waves by being connected in the reaction vessel and electrically connected to the electromagnetic wave generator so that the electromagnetic waves of the electromagnetic wave generator have a correlation with the plasma in the reaction vessel; A frequency analyzer electrically connected to the electromagnetic wave transceiver to analyze the frequency of the electromagnetic wave received from the electromagnetic wave transceiver; And a computer electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer for calculating a correlation between the frequency band transmission command of the electromagnetic wave, the electromagnetic density and the temperature based on the analysis data, and the respective electromagnetic waves. It is characterized by.

플라즈마, 전자밀도, 전자온도, 컷오프, 주파수, 반도체 Plasma, electron density, electron temperature, cutoff, frequency, semiconductor

Description

플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법{A Plasma Electron Density And Electron Temperature Monitoring Device and Method Thereof}Plasma Electron Density And Electron Temperature Monitoring Device and Method Thereof}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 구성도,1 is a block diagram of a plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to the present invention,

도 2는 도 1에 도시된 동축케이블의 단면 구성도,2 is a cross-sectional configuration of the coaxial cable shown in FIG.

도 3은 도 1에 도시된 전자파 송수신기의 반응용기 내 이송을 나타내는 구성도,3 is a block diagram showing the transfer in the reaction vessel of the electromagnetic wave transceiver shown in FIG.

도 4a는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 컷오프 주파수에 관한 그래프도,Figure 4a is a graph of the cutoff frequency analyzed by the monitoring device according to the present invention,

도 4b는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 흡수 주파수에 관한 그래프도,Figure 4b is a graph of the absorption frequency analyzed by the monitoring device according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 측정한 전자밀도 및 전자온도에 관한 그래프.5 is a graph of the electron density and the electron temperature measured by the monitoring device according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 전자온도 측정방법을 단계적으로 나타낸 흐름도.6 is a flowchart showing a plasma electron temperature measuring method according to the present invention step by step.

* 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 *Explanation of symbols on main parts of drawing

100: 반응용기, 100a: 플라즈마, 200: 전자파 송수신기,100: reaction vessel, 100a: plasma, 200: electromagnetic wave transceiver,

210: 제 1동축케이블, 210a: 송신안테나, 220: 제 2동축케이블, 210: first coaxial cable, 210a: transmission antenna, 220: second coaxial cable,

220a: 수신안테나, 230: 유전체 피복층, 300: 전자파 발생기,220a: reception antenna, 230: dielectric coating layer, 300: electromagnetic wave generator,

400: 주파수 분석기, 500: 컴퓨터, 600: 이송기.400: frequency analyzer, 500: computer, 600: conveyor.

본 발명은, 플라즈마를 사용하는 공정(예를 들어 반도체 제조공정 등)의 상태를 모니터링하기 위해 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도와 상관관계를 갖는 당해 각 고유주파수를 탐지/스캔하여 전자밀도 및 전자온도를 측정 및 모니터링하는 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는 당해 플라즈마에 대해 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하도록 안테나 구조의 탐침기가 실장된다. 이에 더하여 송신된 전자파 중 당해 플라즈마에 대해 컷오프(cutoff)되거나 흡수되는 특정의 전자파 컷오프 주파수(cutoff frequency)및 흡수 주파수(absorption frequency)의 대역을 분석하여 이를 기초로 당해 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 연산하도록 분석도구가 구비되는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention detects and scans the respective natural frequencies correlated with the electron density and the electron temperature of the plasma to monitor the state of the process using the plasma (e.g., semiconductor manufacturing process, etc.). It relates to a technique for measuring and monitoring. In more detail, a probe of an antenna structure is mounted to transmit / receive electromagnetic waves in a series of bands for the plasma. In addition, by analyzing the bands of a specific electromagnetic cutoff frequency and absorption frequency that are cutoff or absorbed with respect to the plasma among the transmitted electromagnetic waves, the electron density and the electron temperature of the plasma are determined based on the analysis. The present invention relates to a plasma electron density and electron temperature monitoring device and a method provided with an analytical tool for calculation.

일반적으로 반도체 제조 공정에서는 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에, 플라즈마가 널리 활용되고 있다. 반도체 소자를 제조하기 위해 사용되는 장비로는 웨이퍼의 소정영역에 원하는 불순물을 주입하는 이온주입 장비, 열산화막을 성장시키기 위한 퍼니스, 도전막 또는 절연막을 웨이퍼 상에 증착시키기 위한 증착 장비 및 상기 증착된 도전막 또는 절연막을 원하는 형태로 패터닝하기 위한 노광장 비와 식각장비가 있다. In general, plasma is widely used in semiconductor manufacturing processes because of the necessity of process miniaturization and low temperature. The equipment used to manufacture the semiconductor device includes ion implantation equipment for injecting desired impurities into a predetermined region of the wafer, a deposition equipment for depositing a furnace, a conductive film or an insulating film on a wafer, and a deposition equipment for growing a thermal oxide film. There are exposure equipment and etching equipment for patterning a conductive film or an insulating film into a desired shape.

이들 장비 중에서 웨이퍼 상에 소정의 물질막을 증착하거나 웨이퍼에 형성된 소정의 물질막을 식각하는 장비로는 진공 상태의 밀폐된 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응 가스를 주입하여 물질막을 증착하거나 식각하는 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있다. 이는 플라즈마를 이용하여 물질막을 증착할 경우 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 더 이상 확산되지 않는 등 저온에서 공정을 진행할 수 있으며, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 물질막의 두께 균일도가 우수하기 때문이다.Among these equipments, as a device for depositing a predetermined material film on a wafer or etching a predetermined material film formed on a wafer, a plasma device for forming a plasma in a closed chamber in a vacuum state and injecting a reactive gas to deposit or etch a material film is widely used. It is used. This is because when the material film is deposited using plasma, the process may be performed at a low temperature such that impurities in the impurity region formed on the wafer are no longer diffused, and the thickness uniformity of the material film formed on the large diameter wafer is excellent.

이와 마찬가지로 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 소정의 물질막을 식각할 경우 웨이퍼 전체에 걸쳐서 식각 균일도가 우수하기 때문이다.Likewise, when the predetermined material film formed on the wafer is etched using plasma, the etching uniformity is excellent throughout the wafer.

이러한 플라즈마 장치에서 플라즈마 내의 전자 밀도, 이온 밀도를 측정할 수 있는 도구로서, 랑뮈어 프로브(langmuir probe), 플라즈마 오실레이션 프로브, 플라즈마 흡수 프로브, OES(optical Emission Spectroscopy), 레이저 톰슨 분산(laser thomson scattering) 방법 등이 있다.In such a plasma apparatus, as a tool for measuring electron density and ion density in a plasma, a langmuir probe, a plasma oscillation probe, a plasma absorption probe, an optical emission spectroscopy (OES), and a laser thomson scattering ) Method.

이중 보편적으로 사용되고 있던 것이 랑뮈어 프로브(langmuir probe)이다. 종래 랑뮈어 프로브의 플라즈마 특성의 측정 원리는, 외부에서 플라즈마 챔버 내의 플라즈마에 탐침을 삽입하고 외부에서 공급되는 직류전원을 가변하여 음전위에서 양전위로, 대개 -200V 에서 200V 까지의 범위에서 전압을 변경시켜 측정한다. The most commonly used is the langmuir probe. The principle of measuring the plasma characteristics of the conventional Langture probe is to insert a probe into the plasma in the plasma chamber from the outside and vary the DC power supplied from the outside to change the voltage from the negative potential to the positive potential, usually from -200V to 200V. Measure

이 때 음전압이 탐침 끝에 걸리면 플라즈마 내의 양이온이 탐침으로 포집되어 이온에 의한 전류가 발생하게 된다. 또한 양전압이 탐침 끝에 걸리게 되면 플라 즈마 내의 전자들이 탐침으로 포집되어 전자에 의한 전류가 발생하게 된다. 이 때 발생한 전류를 측정하여 탐침에 가해진 전압과의 상관 관계를 분석함으로써 플라즈마의 농도를 측정할 수 있다.At this time, if a negative voltage is applied to the tip of the probe, positive ions in the plasma are collected by the probe to generate a current caused by ions. In addition, when a positive voltage is applied to the tip of the probe, electrons in the plasma are collected by the probe to generate a current caused by the electron. The concentration of plasma can be measured by measuring the current generated at this time and analyzing the correlation with the voltage applied to the probe.

그런데 종래 랑뮈어 프로브는 챔버 내에 탐침을 삽입하여 플라즈마의 농도를 측정하기 때문에, 공정이 진행되는 동안 실시간으로 플라즈마의 농도를 측정할 수 있다. 하지만 RF(radio frequency) 오실레이션으로 인한 노이즈 문제, 반도체 공정에서 박막 물질의 증착 공정시 탐침에 증착되는 문제, 건식 식각 공정시 탐침이 식각되어 작아지게 되는 등의 문제점을 안고 있기 때문에, 실제 양산 공정에 대한 적용에 큰 제약을 받는 문제점이 있다.However, since the conventional Langture probe measures the plasma concentration by inserting a probe into the chamber, the concentration of the plasma can be measured in real time during the process. However, due to the problems of noise due to radio frequency (RF) oscillation, deposition on the probe during the deposition process of thin film materials in the semiconductor process, and the probe being etched and reduced during the dry etching process, the actual production process There is a problem that is greatly limited in the application to.

또한 종래 플라즈마 오실레이션 프로브는, 전자빔을 사용하는 구조이며 전자빔을 만들기 위해 열선을 사용하는데, 약 50mT 이상의 압력에서는 당해 열선이 끊어지는 등 동작 조건이 좁게 한정되는 문제점이 있어 왔다. 또한 열전자를 방출하기 위해 가열할 때 열선의 증발로 인해 반응 용기가 오염되는 문제점이 있다.In addition, the conventional plasma oscillation probe has a structure using an electron beam and uses a heating wire to make an electron beam. However, at a pressure of about 50 mT or more, there has been a problem in that operating conditions are narrowly limited, such as breaking the heating wire. In addition, there is a problem that the reaction vessel is contaminated due to evaporation of the hot wire when heated to emit hot electrons.

그리고 종래 플라즈마 흡수 프로브는, 작동 이전에 정확한 플라즈마 밀도진단 도구로서 교정을 해야 하는 번거로운 문제점이 있어 왔다. 이를 개선한 구조가 있지만 개선된 구조에서는 측정 밀도의 절대값을 구하기 위해 여러 단계의 복잡한 계산과정이 필요하며, 이 때 물리적으로 가정된 조건이 내포되므로 실효성이 떨어지는 문제점이 있다.In addition, conventional plasma absorption probes have been troublesome to be calibrated as an accurate plasma density diagnosis tool before operation. There is an improved structure, but the improved structure requires a complicated calculation process of several steps in order to obtain the absolute value of the measurement density.

아울러 위에서 언급된 OES를 이용한 전자온도 측정 방법도 충분한 데이터가 구축되지 않아 상용하기에는 현실성이 떨어지는 문제점이 있다.In addition, the electronic temperature measurement method using the above-mentioned OES also has a problem that the practicality is insufficient to commercialize because not enough data is built.

마지막으로 레이져 톰슨 분산을 이용한 방법은, 부피가 크고 구조가 매우 복잡하여 연구실 내에서의 사용에만 한정되고, 그 이외의 양산 체계에는 적용이 힘든 문제점이 있다. Finally, the method using laser Thompson's dispersion has a problem that it is difficult to apply to other mass production systems because of its bulky structure and its very complicated structure.

따라서 이러한 종래의 문제점들을 극복하고, 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 보다 빠르고 정확하게 측정하고 실시간으로 그 공정을 모니터링함은 물론 양산 체계에 대한 적용에 제한이 덜한 장치 구조의 기술 개발이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to overcome these problems and to develop a technology of a device structure that can measure the electron density and electron temperature of the plasma more quickly and accurately, monitor the process in real time, and less restrict the application to the mass production system.

따라서 본 발명의 상기와 같은 종래 문제점들을 감안하여 도출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 전자밀도 및 전자온도와 상관 관계를 갖는 주파수 대역을 실시간으로 측정/모니터링할 수 있도록 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하는 안테나 구조의 전자파 송수신기를 포함하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.Therefore, in view of the above-described conventional problems of the present invention, the first object of the present invention, the electromagnetic wave of a series of bands to measure and monitor in real time the frequency band having a correlation with the electron density and the electron temperature It is to provide a plasma electron density and electronic temperature monitoring apparatus including an electromagnetic wave transceiver of an antenna structure for transmitting and receiving the.

그리고 본 발명의 제 2 목적은, 수신되는 전자파의 주파수 대역을 기초로 당해 전자밀도 및 전자온도와 상관 관계를 갖는 컷오프 주파수 및 흡수 주파수를 분석하도록 주파수 분석기를 포함하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.And a second object of the present invention is a plasma electron density and electron temperature monitoring device comprising a frequency analyzer to analyze a cutoff frequency and an absorption frequency that correlate with the electron density and electron temperature based on the frequency band of the received electromagnetic wave. To provide.

아울러 본 발명의 제 3 목적은, 플라즈마 반응용기 내의 위치별 플라즈마 전자밀도 및 전자온도의 측정으로 공간분포를 파악할 수 있도록 반응용기의 내부에서 전자파 송수신기를 이송시키기 위한 이송기를 포함하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.In addition, a third object of the present invention, the plasma electron density and electrons including a transporter for transporting the electromagnetic wave transceiver in the reaction vessel so as to determine the spatial distribution by measuring the plasma electron density and electron temperature for each position in the plasma reaction vessel It is to provide a temperature monitoring device.

이와 같은 본 발명의 목적들은, 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 상기 전자파 발생기의 전자파가 반응용기 내의 플라즈마에 대해 상관 관계를 갖도록 상기 반응용기 내에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에 의하여 달성된다.Objects of the present invention as described above, the electromagnetic wave generator for continuously transmitting a series of electromagnetic waves of the frequency band; An electromagnetic wave transceiver for transmitting electromagnetic waves by being connected in the reaction vessel and electrically connected to the electromagnetic wave generator so that the electromagnetic waves of the electromagnetic wave generator have a correlation with the plasma in the reaction vessel; A frequency analyzer electrically connected to the electromagnetic wave transceiver to analyze the frequency of the electromagnetic wave received from the electromagnetic wave transceiver; And a computer electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer for calculating a correlation between the frequency band transmission command of the electromagnetic wave, the electromagnetic density and the temperature based on the analysis data, and the respective electromagnetic waves. It is achieved by a plasma electron density and electron temperature monitoring device characterized in that.

여기서 전자파 송수신기는, 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 각각 전기적으로 연결되고 서로 병설되는 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블과, 전자파의 송/수신을 위해 상기 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블의 일단에 동일 축선상으로 연결/돌출되어 상기 플라즈마에 접속되는 송신안테나 및 수신안테나를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The electromagnetic wave transceiver includes: a first coaxial cable and a second coaxial cable electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer, and parallel to each other, and one end of the first coaxial cable and the second coaxial cable for transmitting / receiving electromagnetic waves. It is preferably configured to include a transmission antenna and a reception antenna which are connected / projected on the same axis to the plasma.

이 때 상기 각 동축케이블에 외장/차폐되는 유전체 피복층이 더 포함되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the dielectric coating layer to be shielded / shielded on each of the coaxial cable.

그리고 상기 전자파 송수신기가 상기 반응용기 내에서 선택적으로 이송될 수 있도록 상기 전자파 송수신기의 타측에 연결되는 이송기가 더 포함되는 것이 바람직하다.And it is preferable to further include a transporter connected to the other side of the electromagnetic wave transceiver so that the electromagnetic wave transceiver can be selectively transported in the reaction vessel.

이 때 상기 이송기는 스텝핑 모터로 구동되는 구조인 것이 바람직하다.At this time, the conveyor is preferably a structure driven by a stepping motor.

또는 상기 이송기는 유압실린더로 구동되는 구조인 것이 바람직하다.Alternatively, the conveyor is preferably a structure driven by a hydraulic cylinder.

여기서 상기 전자파 송수신기는, 상기 반응용기의 반경방향을 따라 설치되는 것이 반응용기 내부의 플라즈마 특성분포 파악에 바람직하다.The electromagnetic wave transceiver is preferably installed along the radial direction of the reaction vessel to grasp the distribution of plasma characteristics inside the reaction vessel.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.

이하에서는 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에 관하여 첨부된 도면과 더불어 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 동축케이블의 단면 구성도이다 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치는 전자파와 플라즈마(100a)의 특성(특히 전자밀도, 전자온도 등) 사이의 상관 관계를 밝혀 해당 특성치를 측정하고 실시간으로 모니터링 하기 위한 것이다.1 is a configuration diagram of a plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to the present invention, Figure 2 is a cross-sectional configuration diagram of the coaxial cable shown in Figure 1, as shown in Figure 1 and 2, according to the present invention The monitoring device reveals the correlation between the electromagnetic wave and the characteristics of the plasma 100a (particularly, the electron density, the electron temperature, etc.) to measure the corresponding characteristic value and monitor in real time.

이러한 상관관계를 갖도록 본 모니터링 장치에는, 플라즈마(100a)에 대해 전자파를 송수신하기 위한 전자파 송수신기(200)가 포함되어 있고, 이러한 송/수신을 위해 전자파 송수신기(200)는 안테나 구조를 취하고 있다. In order to have such a correlation, the present monitoring apparatus includes an electromagnetic wave transceiver 200 for transmitting and receiving electromagnetic waves to and from the plasma 100a. The electromagnetic wave transceiver 200 has an antenna structure for transmission and reception.

원통형의 반응용기(100)에 담긴 것이 플라즈마(100a)이다. 이러한 플라즈마(100a)에 특정 대역의 전자파가 송출될 경우, 당해 전자파가 컷오프되거나 흡수 되는 경우가 발생한다고 알려진바, 이러한 컷오프 또는 흡수되는 주파수 대역의 특정 전자파는 플라즈마(100a)의 전자밀도 또는 전자온도의 지표가 되므로, 이러한 전자파와 플라즈마(100a)와의 상관관계를 기초로 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도를 획득할 수 있다.Plasma 100a is contained in the cylindrical reaction vessel 100. When the electromagnetic wave of a specific band is transmitted to the plasma 100a, it is known that the electromagnetic wave is cut off or absorbed. The specific electromagnetic wave of the frequency band to be cut off or absorbed is the electron density or the electron temperature of the plasma 100a. Since it is an index of, the electron density and electron temperature of the plasma 100a can be obtained based on the correlation between the electromagnetic wave and the plasma 100a.

이러한 상관관계는, 앞에서 언급된 전자파 송수신기(200)에서 이루어지고, 이러한 전자파 송수신기(200)에 대해 전자파를 보내주거나 수신된 전자파를 분석하도록 전자파 송수신기(200)에 전기적으로 연결되어 있는 것이, 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)이다.This correlation is made in the above-mentioned electromagnetic wave transceiver 200, and the electrical wave generator 200 is electrically connected to the electromagnetic wave transceiver 200 to send or analyze the received electromagnetic waves for the electromagnetic wave transceiver 200, 300 and the frequency analyzer 400.

여기서 전자파 송수신기(200)는, 나란하게 병설된 구조의 2개의 동축케이블로 구성되어 있고, 이때 각 동축케이블(210,220)에는 노이즈, 열 등에 의해 영향을 받지 않도록 별도의 유전체 피복층(230)과 그라운드 실드선(Ground Shield)이 감싸고 있기 때문에 보다 정확하게 전자파의 송출 및 수신이 담보될 수 있는 구조를 마련하고 있다.In this case, the electromagnetic wave transceiver 200 is composed of two coaxial cables having a side-by-side structure, and each of the coaxial cables 210 and 220 is provided with a separate dielectric coating layer 230 and a ground shield so as not to be affected by noise or heat. Since the ground shield is wrapped, the structure of the transmission and reception of electromagnetic waves can be guaranteed more accurately.

그리고 이러한 각 동축케이블(210,220) 중 제 1동축케이블(210)의 일측에 동일 축선상으로 연결/돌출되어 있는 것이 전자파를 플라즈마(100a)에 송출하기 위한 송신안테나(210a)이다. 본 발명에서는 예시로서 각 안테나(210a,220a)가 약 1mm ∼ 5mm 정도의 간격을 두고 있으며, 모두 약 5mm ∼ 10mm 정도의 길이를 갖고 있다. 상기 간격은 제작상 구현된 것이며, 보다 작을수록 좋다. 그리고 각 안테나(210a,220a)의 길이는 사용하는 전자파의 파장에 따라 달리할 수 있다.The transmission antenna 210a for transmitting electromagnetic waves to the plasma 100a is connected / protruded on one side of the first coaxial cable 210 among the coaxial cables 210 and 220. In the present invention, as an example, each of the antennas 210a and 220a has an interval of about 1 mm to 5 mm, and both have a length of about 5 mm to 10 mm. The spacing is implemented in manufacturing, the smaller the better. And the length of each antenna (210a, 220a) can vary depending on the wavelength of the electromagnetic wave used.

위의 전자파 발생기(300)는 제 1동축케이블(210)의 타측에 연결되고, 약 50 kHz ~ 10GHz 사이의 주파수 대역의 전자파를 연속적으로 제 1동축케이블(210) 및 송신안테나(210a)에 전송시켜 결과적으로 플라즈마(100a)에 대해 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속적으로 송출될 수 있는 구조를 마련한다. 이때 송출된 전자파 중 플라즈마(100a)에 대해 컷오프되는 것이 컷오프 주파수로 당해 플라즈마(100a) 전자밀도의 연산 및 획득의 지표로서 기능할 수 있다. 또한 플라즈마(100a)에 흡수되는 대역의 전자파는 흡수 전자파로서 당해 플라즈마(100a) 전자온도의 연산 및 획득의 지표로서 기능할 수 있다.The electromagnetic wave generator 300 is connected to the other side of the first coaxial cable 210, and continuously transmits electromagnetic waves in a frequency band between about 50 kHz to 10 GHz to the first coaxial cable 210 and the transmission antenna 210a. As a result, a structure is provided in which electromagnetic waves of a frequency band serially transmitted to the plasma 100a can be continuously transmitted. At this time, the cutoff of the transmitted electromagnetic waves with respect to the plasma 100a may serve as an index of calculation and acquisition of the electron density of the plasma 100a at the cutoff frequency. In addition, the electromagnetic wave in the band absorbed by the plasma 100a may serve as an index of calculation and acquisition of the electron temperature of the plasma 100a as the absorbed electromagnetic wave.

아울러 제 2동축케이블(220)의 타측에 연결되어 있는 것이 주파수 분석기(400)이다. 여기서 제 2동축케이블(220)의 일측에 동일 축선상으로 연결/돌출된 것이 수신안테나(220a)로서, 수신안테나(220a) 및 제 2동축케이블(220)에서 수신되어 획득되는 전자파의 주파수로부터 진폭을 분석할 수 있다. In addition, the frequency analyzer 400 is connected to the other side of the second coaxial cable 220. In this case, the receiving antenna 220a is connected / protruded on one side of the second coaxial cable 220 in the same axis, and is amplitude from the frequency of electromagnetic waves received by the receiving antenna 220a and the second coaxial cable 220. Can be analyzed.

그런데 송출된 전자파가 컷오프될 경우 이때의 전자파는 수신안테나(220a)에서의 수신율이 매우 미약하다고 알려진바 가장 약한 수신율의 전자파가 컷오프 주파수ㄹ로 분석될 수 있다. 주파수 분석기(400)에서는 획득된 전자파의 주파수 및 진폭 등을 분석하여 가장 미약한 주파수를 식별할 수 있으므로 컷오프 주파수를 분석/획득할 수 있는 구조가 마련된다. However, when the transmitted electromagnetic wave is cut off, the electromagnetic wave at this time is known to have a very low reception rate at the reception antenna 220a. Therefore, the electromagnetic wave having the weakest reception rate may be analyzed as the cutoff frequency. In the frequency analyzer 400, the weakest frequency can be identified by analyzing the acquired frequency and amplitude of the electromagnetic waves, thereby providing a structure for analyzing / acquiring the cutoff frequency.

또한 플라즈마(100a)에 흡수되는 전자파가 있을 경우, 이는 송신안테나(220a) 및 제 1동축케이블(220)에 거의 미약하게 반사되고 이는 플라즈마(100a)와 송신안테나사이의 쉬스(sheath) 공간에 일종의 공진기(cavity)에 의한 공명(resonance)을 일으켜 전자파의 흡수가 강하게 일어나게 되어 반사되는 전자파의 신호가 가장 미약하게 된다. 즉 송신 안테나로부터 다시 반사되는 비율이 작은 것을 의미하는바, 미약하게 반사된 전자파의 주파수 대역 및 진폭 등을 분석하여 흡수된 전자파의 당해 주파수 대역을 획득/분석할 수 있다. 따라서 흡수 주파수 대역을 분석/획득할 수 있는 구조가 마련된다.In addition, if there is an electromagnetic wave absorbed in the plasma (100a), it is reflected slightly weakly to the transmission antenna 220a and the first coaxial cable 220, which is a kind of sheath space between the plasma (100a) and the transmission antenna Resonance caused by the cavity causes a strong absorption of electromagnetic waves, and thus the signal of the reflected electromagnetic waves is the weakest. That is, it means that the ratio reflected back from the transmitting antenna is small, so that the frequency band and amplitude of the weakly reflected electromagnetic wave can be analyzed to obtain / analyze the corresponding frequency band of the absorbed electromagnetic wave. Therefore, a structure for analyzing / acquiring the absorption frequency band is provided.

이러한 일련되는 전자파의 발생 및 송출 지령과 분석 주파수 데이터를 기초로 전자밀도 및 전자온도의 연산을 위해 구비되는 것이 컴퓨터(500)로서, 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)에 전기적으로 연결되어 있다.The computer 500, which is provided for the calculation of the electron density and the electronic temperature based on the generation and transmission command of the series of electromagnetic waves and the analysis frequency data, is electrically connected to the electromagnetic wave generator 300 and the frequency analyzer 400. have.

이에 따라 전자파 송수신기(200)가 반응용기(100) 내의 플라즈마(100a)에 대해 접속되어 전자파를 송출할 경우, 미약하게 수신되는 전자파로부터 주파수 대역 등이 파악되고, 이러한 컷오프 주파수 및 흡수 주파수의 데이터가 컴퓨터(500)에 전송된다. 이때 컴퓨터(500)에는, 주파수를 기초로 전자밀도 및/또는 전자온도를 연산할 수 있는 계산식이 프로그램되어 있는바, 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도의 연산 및 획득이 가능한 구조가 마련될 수 있다.Accordingly, when the electromagnetic wave transceiver 200 is connected to the plasma 100a in the reaction vessel 100 and transmits electromagnetic waves, frequency bands and the like are grasped from the weakly received electromagnetic waves, and the cutoff frequency and the absorption frequency data are obtained. Transmitted to the computer 500. At this time, the computer 500 is programmed with a calculation formula for calculating the electron density and / or the electron temperature based on the frequency, there is provided a structure capable of calculating and obtaining the electron density and electron temperature of the plasma (100a) Can be.

도 3은 도 1에 도시된 전자파 송수신기(200)의 반응용기(100) 내 이송을 나타내는 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치에는, 이송기(600)가 포함되어 있다. 전자파 송수신기(200)의 타측에 연결되어 있는 것이 이와 같은 이송기(600)이다.3 is a block diagram showing the transfer in the reaction vessel 100 of the electromagnetic wave transceiver 200 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the monitoring device according to the present invention includes a conveyor 600. The conveyor 600 is connected to the other side of the electromagnetic wave transceiver 200.

본 발명에서 이송기(600)는 보다 바람직하게는 스테핑 모터 구조 또는 유압실린더 구조와 같이 직선 이송의 구현이 가능한 동력구조를 취하고 있으며, 원통형 반응용기(100) 내에서 반경방향을 따라 이송이 가능하도록 설치된 전자파 송수신 기(200)를 직선 왕복 이송시킬 수 있는 구조를 마련하게 된다.In the present invention, the feeder 600 more preferably takes a power structure capable of implementing a linear feed, such as a stepping motor structure or a hydraulic cylinder structure, so that the feed along the radial direction in the cylindrical reaction vessel (100). It is to provide a structure capable of linear reciprocating transfer of the installed electromagnetic wave transceiver 200.

이와 같이 전자파 송수신기(200)의 직선 이송이 가능하도록 이송기(600)가 구비됨으로, 전자파 송수신기(200)가 플라즈마(100a) 내에서 직선 이송하면서 전자파를 송/수신하게 됨으로 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도의 공간분포를 분석, 측정 및 모니터링 할 수 있는 구조가 마련될 수 있다.As such, the feeder 600 is provided to enable the linear transport of the electromagnetic wave transceiver 200, and thus the electromagnetic wave transceiver 200 transmits / receives electromagnetic waves while linearly transporting the plasma 100a. A structure for analyzing, measuring, and monitoring the spatial distribution of electron density and electron temperature can be prepared.

도 4a는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 컷오프 주파수에 관한 그래프도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 흡수 주파수에 관한 그래프도이다. 우선 도 4a에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역(Hz 단위)이고, Y축은 수신안테나(220a)에 수신된 전자파(a.u.단위)의 진폭이다. 주파수의 세기가 커질수록 진폭이 커지다가 약 1.5 ×109 Hz 정도에서 작아지면서 2.5 ×109 Hz 정도의 주파수 세기 영역에서 최소가 됨을 알 수 있다.(화살표식으로 표시된 부위) 이와 같이 수신된 전자파를 주파수 대역 대비 진폭으로 나타낸 것에서 가장 낮은 진폭을 나타내는 부분이 컷오프 주파수이다.Figure 4a is a graph of the cutoff frequency analyzed by the monitoring device according to the present invention, Figure 4b is a graph of the absorption frequency analyzed by the monitoring device according to the present invention. First, as shown in FIG. 4A, the X axis is a frequency band (in Hz), and the Y axis is an amplitude of electromagnetic waves (au units) received by the reception antenna 220a. It can be seen that as the intensity of the frequency increases, the amplitude increases and decreases from about 1.5 × 10 9 Hz to a minimum in the frequency intensity region of about 2.5 × 10 9 Hz (indicated by an arrow mark). Is the cutoff frequency where the lowest amplitude is shown as the amplitude versus frequency band.

상기 컷오프 주파수는 앞에서 언급된 바와 같이, 송신안테나(210a)에서 플라즈마(100a)에 전자파를 송출하였을 경우 플라즈마(100a)를 투과하지 못하는 대역의 주파수이다. 이에 따라 수신안테나(220a)에서 매우 약한 신호가 수신되는데, 이러한 컷오프 주파수가 플라즈마(100a)의 전자밀도를 검출하는데 지표로서 기능한다.As described above, the cutoff frequency is a frequency of a band that cannot transmit the plasma 100a when the transmitting antenna 210a transmits an electromagnetic wave to the plasma 100a. Accordingly, a very weak signal is received at the reception antenna 220a. This cutoff frequency serves as an index for detecting the electron density of the plasma 100a.

본 발명에서는, 전자파 발생기(300)에서 전자파가 발생되고, 전자파는 제 1동축케이블(210)을 통해 송신안테나(210a)에 세기별로 일련되게 전송되어 플라즈 마(100a)에 송출되는 작동 구조를 갖는다.In the present invention, the electromagnetic wave is generated in the electromagnetic wave generator 300, the electromagnetic wave has a working structure which is transmitted in series by intensity to the transmission antenna 210a through the first coaxial cable 210 and is transmitted to the plasma (100a) .

그리고 이와 같이 송출되었다가 플라즈마(100a)에서 컷오프되어 미약해진 전자파는 수신안테나(220a)에서 계속 수신되고, 제 2동축케이블(220)에 연결된 주파수 분석기(400)에 송출되어 주파수 대역별로 분석된다. 이러한 분석 데이터는 컴퓨터(500)로 전송되어 도 4a와 같은 그래프로 표시된다. 그리고 이중 가장 낮은 진폭의 주파수 대역으로 상기 그래프에 표시되는 것이 컷오프 주파수이다. 따라서 이와 같은 작동에 따른 획득된 컷오프 주파수를 기초로 컴퓨터(500)에서 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도를 연산/획득할 수 있는 구조가 마련된다.In addition, the weakened electromagnetic wave cut out from the plasma 100a is continuously received by the reception antenna 220a and transmitted to the frequency analyzer 400 connected to the second coaxial cable 220 and analyzed for each frequency band. This analysis data is transmitted to the computer 500 and displayed in a graph as shown in FIG. 4A. And the cutoff frequency is displayed in the graph of the frequency band of the lowest amplitude. Therefore, a structure is provided for computing / acquiring the electron density of the plasma 100a in the computer 500 based on the cutoff frequency obtained by such an operation.

아울러 도 4b에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역(Hz 단위)이고, Y축은 소정의 반사계수(dB 단위)이다. 이에 따라 전자파가 당해 플라즈마(100a)로 송출될 경우 반사되어 수신되는 과정을 통해 가장 낮은 반사계수를 갖는 당해 주파수의 전자파를 분석할 경우 흡수 주파수의 획득이 가능하다.In addition, as shown in Figure 4b, the X-axis is a frequency band (in Hz), the Y-axis is a predetermined reflection coefficient (in dB). Accordingly, when the electromagnetic wave is transmitted to the plasma 100a, the absorption frequency may be obtained when the electromagnetic wave of the frequency having the lowest reflection coefficient is analyzed through the reflected and received process.

이렇게 획득된 흡수 주파수의 분석 데이터는 컴퓨터(500)로 전송되고, 이를 기초로 당해 플라즈마(100a)의 전자온도를 측정할 수 있는 구조가 마련된다.The analysis data of the absorption frequency thus obtained is transmitted to the computer 500, and a structure for measuring the electron temperature of the plasma 100a is prepared based on the analysis data.

도 5는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 측정한 전자밀도 및 전자온도에 관한 그래프도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, X축은 반응용기(100) 내의 플라즈마(100a)의 압력(mTorr 단위)이고, 우측의 Y축이 압력별 플라즈마(100a)의 전자밀도(㎝-3 단위)이며, 좌측의 Y축이 압력별 플라즈마(100a)의 전자온도(eV 단위)이다.5 is a graph showing electron density and electron temperature measured by the monitoring device according to the present invention. As shown in FIG. 5, the X axis is the pressure (mTorr units) of the plasma 100a in the reaction vessel 100, and the Y axis on the right is the electron density (cm −3 units) of the plasma 100a for each pressure. The Y axis on the left is the electron temperature (eV units) of the plasma 100a for each pressure.

플라즈마(100a)의 압력은 반응용기(100)의 중앙으로 갈수록 높아지므로 이송 기(600)를 작동시켜 전자파 송수신기(200)를 밀어 넣어 반응용기(100)의 반경 중심으로 이송할 경우 전자밀도가 높아짐으로 알 수 있다. 이와는 달이 전자온도는 플라즈마(100a)의 압력이 높을수록 낮아짐을 알 수 있다.Since the pressure of the plasma 100a increases toward the center of the reaction vessel 100, the electron density increases when the transmitter 600 is operated to push the electromagnetic wave transceiver 200 to move the radial center of the reaction vessel 100. This can be seen. On the other hand, it can be seen that the electron temperature decreases as the pressure of the plasma 100a increases.

따라서 직선과 삼각형으로 표시된 전자밀도의 그래프의 기울기와, 직선과 사각형으로 표시된 전자온도의 그래프의 기울기가 서로 상반됨을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the inclination of the graph of the electron density represented by the straight line and the triangle and the inclination of the graph of the electron temperature represented by the straight line and the triangle are opposite to each other.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에서, 반응용기(100)의 일측부로 이송기(600)가 결합된 1개의 전자파 송수신기(200)가 실장된 구조가 예시되고 있다. 하지만 이외에, 반응용기(100)의 타측부, 상부, 하부로 별도의 전자파 송수신기(200)가 수직 실장되고 각 전자파 송수신기(200) 별로 이송기(600)가 결합되어 반응용기(100) 내 각축방향으로 이송되면서 X-Y-Z축의 3차원 전자밀도 및 전자온도 공간분포를 측정하는 구조도 본 발명에 속함은 물론이다.In the plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to the present invention as described above, there is illustrated a structure in which one electromagnetic wave transceiver 200 in which the conveyor 600 is coupled to one side of the reaction vessel 100 is mounted. However, in addition to the other side, top, and bottom of the reaction vessel 100, a separate electromagnetic wave transceiver 200 is vertically mounted, and each of the electromagnetic wave transceiver 200, the feeder 600 is coupled to each axis direction in the reaction vessel 100 The structure for measuring the three-dimensional electron density and the electron temperature spatial distribution of the XYZ axis while being transferred to the course belongs to the present invention.

또한 전자파 송수신 수단으로 직선형의 송신안테나(210a), 수신안테나(220a)가 예시되고 있지만 루프 안테나, 슈퍼턴스타일 안테나, 야기 안테나, 파라볼라 안테나 등에서 선택하여 사용할 수 있다.In addition, although a linear transmission antenna 210a and a reception antenna 220a are exemplified as the electromagnetic wave transmission / reception means, the antenna may be selected from a loop antenna, a superturn style antenna, a yagi antenna, and a parabola antenna.

한편, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전술한 본 발명의 전자온도 모니터링 장치를 이용한 전자온도 모니터링 방법은, 전자파 발생기(300)에서 소정 주파수의 전자파를 송신안테나(210a)로 인가하는 1단계(S1)와; 송신안테나(210a)에서 방출된 전자파를 수신안테나(220a)가 수신하여 주파수를 분석하는 2단계(S2)와; 주파수 분석에 의해 컷오프 주파수를 측정하는 3단계(S3)와; 컷오프 주파수를 이용하여 플라즈 마 밀도를 계산하는 4단계(S4)와; 전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 5단계(S5)와, 4단계(S4) 및 5단계(S5)에서 구해진 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 전자온도를 계산하는 6단계(S6)로 구성된다. On the other hand, as shown in Figure 6, the above-described electromagnetic temperature monitoring method using the electromagnetic temperature monitoring apparatus of the present invention, the first step (S1) for applying the electromagnetic wave of a predetermined frequency from the electromagnetic wave generator 300 to the transmission antenna (210a) Wow; A second step (S2) in which the receiving antenna 220a receives the electromagnetic wave emitted from the transmitting antenna 210a and analyzes the frequency; Measuring the cutoff frequency by frequency analysis (S3); Calculating a plasma density using a cutoff frequency (S4); Plasma density obtained in step 5 (S5) and step 4 (S4) and step 5 (S5) of measuring the surface wave absorption frequency by transmitting the electromagnetic wave from the electromagnetic wave generator 300 and monitoring the reflected wave returned to the transmission antenna 210a. And 6 steps (S6) of calculating the electron temperature using the absorption frequency.

통상 플라즈마를 사용하는 어떤 공정일 경우 플라즈마 자체는 그 상태를 대변하는 고유한 플라즈마 주파수가 있다. 플라즈마 주파수는 플라즈마 밀도와 직접적인 관계가 있어 이 플라즈마 주파수를 측정하면 플라즈마 전자 밀도를 직접적으로 측정할 수 있게 된다. In some processes that typically use plasma, the plasma itself has a unique plasma frequency that represents its state. The plasma frequency is directly related to the plasma density, so measuring this plasma frequency allows the plasma electron density to be measured directly.

통상 전자파의 주파수가 플라즈마 주파수에 해당할 경우 이 전자파를 플라즈마에 입사시키면 컷오프(cutoff)되어 플라즈마를 투과하지 못하는 성질이 있다. In general, when the frequency of the electromagnetic wave corresponds to the plasma frequency, when the electromagnetic wave is incident on the plasma, the electromagnetic wave is cut off and thus does not penetrate the plasma.

따라서, 전자파 발생장치에서 50 kHz~ 10 GHz의 주파수를 송신안테나로 보내면 송신안테나에서 방출된 전자파는 수신안테나에 수신된다. Therefore, when the electromagnetic wave generator sends a frequency of 50 kHz to 10 GHz to the transmitting antenna, the electromagnetic wave emitted from the transmitting antenna is received by the receiving antenna.

이때, 플라즈마 밀도에 따라 정해지는 플라즈마 주파수를 갖는 전자파는 플라즈마를 통과하지 못하여 수신안테나에 수신이 안되거나 매우 약한 신호만 수신된다.At this time, an electromagnetic wave having a plasma frequency determined according to the plasma density does not pass through the plasma, and thus only a very weak signal is received by the reception antenna.

즉, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 주파수 분석기(400)에서 주파수 스펙트럼을 보면 가장 낮은 크기의 컷오프 주파수를 찾을 수 있고 이 컷오프 주파수가 바로 플라즈마 주파수이고 이로부터 [수학식 1]에 의하여 플라즈마 밀도(ωpe)를 구할 수 있다.That is, as shown in Figure 4a, looking at the frequency spectrum in the frequency analyzer 400 can find the cutoff frequency of the lowest magnitude and this cutoff frequency is the plasma frequency from the equation (1) from the plasma density (ω) pe )

ωpe = [nee2/ε0me]1/2 ω pe = [n e e 2 / ε 0 m e ] 1/2

한편, 전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)에서 되돌아오는 반사파를 모니터하면 송신안테나(210a)의 표면파 흡수 주파수를 측정할 수 있다. Meanwhile, when the electromagnetic wave generator 300 transmits electromagnetic waves and monitors the reflected waves returned from the transmission antenna 210a, the surface wave absorption frequency of the transmission antenna 210a may be measured.

즉, 도 1의 송신안테나(210a)로부터 반사되는 전자파의 스펙트럼을 도 4b에 나타내었다. 이때, 표면파의 분산식은 다음의 [수학식 2]와 같으며, 이는 전자온도(Te)를 구하는 수식이다.That is, the spectrum of the electromagnetic wave reflected from the transmission antenna 210a of FIG. 1 is shown in FIG. 4B. At this time, the dispersion formula of the surface wave is the same as [Equation 2], which is the formula for obtaining the electron temperature (Te).

Te = [1-[ωpe/ω]2]= {Km(βa)Im'(βa)Km(βb) - Km'(βa)Im(βb)}/{ Km'(βa)Im(βa)Km(βb) - Km(βa)Im(βb) }Te = [1- [ω pe / ω] 2 ] = {K m (βa) I m '(βa) K m (βb)-K m ' (βa) I m (βb)} / {K m '( βa) I m (βa) K m (βb)-K m (βa) I m (βb)}

여기서, Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 피복체(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경을 나타낸다. Where K m and I m are modified Bessel functions, β = 2π / λ, λ = 2ℓ, ℓ is the length of the transmitting antenna, a is the radius from the center of the metal part of the transmitting antenna to the sheath boundary, b is The radius of the metal part of the transmitting antenna is shown.

따라서, 컷오프주파수는 플라즈마 주파수(ωpe)이고, 다른변수들은 구조적인 안테나크기에 해당하는 상수이므로 흡수주파수(ω)를 측정하면 전자온도(Te)를 구할 수 있다. Therefore, the cutoff frequency is the plasma frequency ω pe , and other variables are constants corresponding to the structural antenna size, and thus the electron temperature Te can be obtained by measuring the absorption frequency ω.

본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 의하면, 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 고유주파수의 검출로 측정할 수 있는 구조이므로, 반도체 제조공정의 박막 플라즈마 화학 증착법, 건식 식각 공정에서의 플라즈마 공정장비에 적용하여 사용할 수 있는 특징이 있다.According to the plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus and method according to the present invention, since the electron density and electron temperature of the plasma can be measured by the detection of the natural frequency, in the thin film plasma chemical vapor deposition method and dry etching process of the semiconductor manufacturing process There is a feature that can be used to apply the plasma processing equipment.

그리고 플라즈마 실시간 모니터링 장비로서 사용할 수 있기 때문에, 즉각적인 공정장비 상태의 체크가 가능하여 보다 신뢰성 있는 공정장비로서의 활용이 가능한 효과가 있다.And since it can be used as a plasma real-time monitoring equipment, it is possible to check the status of the process equipment immediately, there is an effect that can be utilized as a more reliable process equipment.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, various other modifications and variations may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that the appended claims cover such modifications and variations as fall within the true scope of the invention.

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; An electromagnetic wave generator for continuously transmitting electromagnetic waves in a series of frequency bands; 송출되는 상기 전자파의 주파수가 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 The frequency of the emitted electromagnetic waves is determined by the electron density and 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; An electromagnetic wave transceiver connected to the plasma in the reaction vessel so as to have a correlation and electrically connected to the electromagnetic wave generator for transmitting electromagnetic waves; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 Analyzing the frequency of electromagnetic waves received from the electromagnetic wave transceiver 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및A frequency analyzer electrically connected to the electromagnetic wave transceiver; And 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 The transmission command for each frequency band of the electromagnetic wave and the analysis data 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성하되, And a computer electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer for calculating a correlation between the electromagnetic density and the electromagnetic temperature with the respective electromagnetic waves. 상기 전자파 송수신기는, 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 각각 전기적으로 연결되고 서로 병설되는 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블과, The electromagnetic wave transceiver includes: a first coaxial cable and a second coaxial cable electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer, and parallel to each other; 전자파의 송/수신을 위해 상기 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블의 일단에 One end of the first coaxial cable and the second coaxial cable for transmitting and receiving electromagnetic waves 동일 축선상으로 각각 연결/돌출되어 상기 플라즈마에 접속되는 송신안테나 및 수신안테나를 포함하여 구성되는 것에 있어서, 상기 각 동축케이블에는 소정두께로 외장/차폐되는 유전체 피복층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.And a transmitting antenna and a receiving antenna connected to and projected on the same axis, respectively, connected to the plasma, wherein each of the coaxial cables further includes a dielectric coating layer that is sheathed / shielded to a predetermined thickness. Electronic density and electronic temperature monitoring device. 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; An electromagnetic wave generator for continuously transmitting electromagnetic waves in a series of frequency bands; 송출되는 상기 전자파의 주파수가 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 The frequency of the emitted electromagnetic waves is determined by the electron density and 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전Connected to the plasma in the reaction vessel to correlate and 기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; An electromagnetic wave transceiver that is miraculously connected to emit electromagnetic waves; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 Analyzing the frequency of electromagnetic waves received from the electromagnetic wave transceiver 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및A frequency analyzer electrically connected to the electromagnetic wave transceiver; And 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 The transmission command for each frequency band of the electromagnetic wave and the analysis data 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성된 것에 있어서, 상기 전자파 송수신기가 상기 반응용기 내에서 선택적으로 이송될 수 있도록 상기 전자파 송수신기의 타측에 연결되는 이송기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.And a computer electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer for calculating a correlation between the electromagnetic density and the electromagnetic temperature with the respective electromagnetic waves, so that the electromagnetic wave transceiver can be selectively transported in the reaction vessel. Plasma electron density and electron temperature monitoring device further comprises a transporter connected to the other side of the electromagnetic wave transceiver. 제 4항에 있어서, 상기 이송기는 스텝핑 모터로 구동되는 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.5. The plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to claim 4, wherein the conveyor is driven by a stepping motor. 제 4항에 있어서, 상기 이송기는 유압실린더로 구동되는 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.5. The plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to claim 4, wherein the conveyor is driven by a hydraulic cylinder. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 전자파 송수신기는, 상기 반응용기의 반경방향을 따라 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.7. The plasma electron density and electron temperature monitoring apparatus according to claim 5 or 6, wherein the electromagnetic wave transceiver is installed along a radial direction of the reaction vessel. 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 송출되는 상기 전자파의 주파수가 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함한 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법에 있어서,An electromagnetic wave generator for continuously transmitting electromagnetic waves in a series of frequency bands; An electromagnetic wave transceiver for transmitting an electromagnetic wave by being connected to the plasma in the reaction vessel and electrically connected to the electromagnetic wave generator so that the frequency of the electromagnetic wave is correlated with the electron density and the electron temperature of the plasma; A frequency analyzer electrically connected to the electromagnetic wave transceiver to analyze the frequency of the electromagnetic wave received from the electromagnetic wave transceiver; And a computer electrically connected to the electromagnetic wave generator and the frequency analyzer for calculating a correlation between the frequency band transmission command of the electromagnetic wave and the correlation between the electromagnetic density and the electronic temperature and the respective electromagnetic waves based on the analysis data. And in the electronic temperature monitoring method, 상기 전자파 발생기에서 소정 주파수의 전자파를 송신안테나로 인가하는 1단계;Applying an electromagnetic wave of a predetermined frequency to a transmission antenna by the electromagnetic wave generator; 상기 송신안테나에서 방출된 전자파를 수신안테나가 수신하여 주파수를 분석하는 2단계;A step 2 of receiving a electromagnetic wave emitted from the transmitting antenna and analyzing a frequency; 주파수 분석에 의해 컷오프 주파수를 측정하는 3단계;Measuring the cutoff frequency by frequency analysis; 컷오프 주파수를 이용하여 플라즈마 밀도를 계산하는 4단계;Calculating a plasma density using the cutoff frequency; 전자파 발생장치에서 전자파를 송신하고 송신안테나로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 5단계;Step 5 of transmitting an electromagnetic wave from the electromagnetic wave generator and monitoring the reflected wave returned to the transmission antenna to measure the surface wave absorption frequency; 상기 4단계 및 5단계에서 구해진 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 전자온도를 계산하는 6단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.Plasma electron density and electron temperature monitoring method comprising the step of calculating the electron temperature using the plasma density and the absorption frequency obtained in the steps 4 and 5. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 4단계의 플라즈마 밀도(ωpe)는 The plasma density (ω pe ) of the four steps is ωpe = [nee2/ε0me]1/2 ω pe = [n e e 2 / ε 0 m e ] 1/2 로 이루어지는 수학식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.Plasma electron density and electron temperature monitoring method characterized in that obtained by the formula consisting of. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 6단계의 전자온도(Te)는,The six-step electron temperature Te is Te = [1-[ωpe/ω]2]= {Km(βa)Im'(βa)Km(βb) - Km'(βa)Im(βb)}/{ Km'(βa)Im(βa)Km(βb) - Km(βa)Im(βb) }Te = [1- [ω pe / ω] 2 ] = {K m (βa) I m '(βa) K m (βb)-K m ' (βa) I m (βb)} / {K m '( βa) I m (βa) K m (βb)-K m (βa) I m (βb)} (Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 피복체(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경, ω는 흡수주파수, ωpe 는 플라즈마 밀도) 로 이루어지는 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.(K m and I m are modified Bessel functions, β = 2π / λ, λ = 2ℓ, ℓ is the length of the transmitting antenna, a is the radius from the center of the metal part of the transmitting antenna to the sheath boundary, b is the transmitting Radius of metal part of antenna, ω is absorption frequency, ω pe The plasma electron density and electron temperature monitoring method characterized by the above-mentioned.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102340564B1 (en) 2021-02-19 2021-12-20 한국표준과학연구원 Device for measuring plasma ion density and Apparatus for plasma diagnostics using the same

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5111914B2 (en) * 2007-03-26 2013-01-09 Ｎｕエコ・エンジニアリング株式会社 Particle density measuring probe and particle density measuring apparatus
JP5618446B2 (en) * 2010-08-17 2014-11-05 学校法人中部大学 Probe and apparatus for measuring plasma electron density and temperature
KR101244151B1 (en) * 2010-12-28 2013-03-14 한국기초과학지원연구원 Thomson scattering diagnostic data processing system by using EPICS based standard framework
JP6388491B2 (en) * 2014-05-02 2018-09-12 三菱重工業株式会社 Plasma generator and plasma propulsion device equipped with measuring device
CN109844005B (en) 2016-08-24 2022-05-10 有机点击股份公司 Bio-based polyelectrolyte complex compositions containing aliphatic compounds with increased hydrophobicity
JP2020194676A (en) * 2019-05-27 2020-12-03 東京エレクトロン株式会社 Plasma density monitor, plasma processing apparatus, and plasma processing method
CN114152817B (en) * 2021-11-08 2022-09-16 南昌大学 Space environment sensing method based on broadband antenna

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040052968A (en) * 2004-05-21 2004-06-23 (주)쎄미시스코 Voluminous Plasma Machines Having Large Plasma Monitor Part, Voluminous Plasma Machines Having Analysis Module And Methods of Using Thereof
KR20050011358A (en) * 2003-07-23 2005-01-29 한국표준과학연구원 A Plasma Electron Density Measuring And Monitoring Device
KR20060001944A (en) * 2003-04-24 2006-01-06 동경 엘렉트론 주식회사 Method and apparatus for measuring electron density of plasma and plasma processing apparatus

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7292191B2 (en) * 2004-06-21 2007-11-06 Theodore Anderson Tunable plasma frequency devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060001944A (en) * 2003-04-24 2006-01-06 동경 엘렉트론 주식회사 Method and apparatus for measuring electron density of plasma and plasma processing apparatus
KR20050011358A (en) * 2003-07-23 2005-01-29 한국표준과학연구원 A Plasma Electron Density Measuring And Monitoring Device
KR20040052968A (en) * 2004-05-21 2004-06-23 (주)쎄미시스코 Voluminous Plasma Machines Having Large Plasma Monitor Part, Voluminous Plasma Machines Having Analysis Module And Methods of Using Thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102340564B1 (en) 2021-02-19 2021-12-20 한국표준과학연구원 Device for measuring plasma ion density and Apparatus for plasma diagnostics using the same
EP4047633A1 (en) 2021-02-19 2022-08-24 Korea Research Institute Of Standards And Science Device for measuring plasma ion density and apparatus for diagnosing plasma using the same
US11735397B2 (en) 2021-02-19 2023-08-22 Korea Research Institute Of Standards And Science Device for measuring plasma ion density and apparatus for diagnosing plasma using the same

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