KR100934057B1 - 동위치 실행형 주사선 입자 모니터링을 위한 신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

주사 광선 입자 모니터로부터 발생하는 펄스 트레인을 분석하는 신규한 방법이 공개된다. 이 방법은 신호 대 잡음 비를 향상시키고 입자 오-경보 비율을 크게 감소시킨다. 시간 도메인으로 실행되는 이 방법은 스캐너 주파수에서 발생하지 않는 잡음 펄스들을 필터링한다. 이 분석 방법은 순방향 및 역방향 자동상관을 실행함으로서 입자-펄스 엔빌롭(PPE)을 추가적으로 식별한다. 식별된 입자-펄스 엔빌롭에 가우시안 피트(Gaussian fit)가 추가적으로 적용되어, 크기 및 속도같은 입자 특성을 결정한다.

Description

동위치 실행형 주사선 입자 모니터링을 위한 신호 처리 방법{SIGNAL PROCESSING METHOD FOR IN-SITU, SCANNED-BEAM PARTICLE MONITORING}
본 출원은 2001년 9월 7일자 미국특허출원 60/318,073 호를 우선권 주장한다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 공정 분야에 관한 것으로서, 특히, 주사선 입자 모니터로부터 생기는 신호를 분석하는 방법에 관한 것이다.
동위치 실행형 입자 모니터링(ISPM: In-Situ Particle Monitoring)은 핵심 반도체 처리 공정 중 미립자 오염 레벨의 연속적 모니터링을 제공할 수 있다. 광-산란 검출 기술을 바탕으로 하여, ISPM 센서는 펌프-라인처럼 공정 챔버의 하향에 위치하는 것이 일반적이며, 웨이퍼 공정 중 입자 오염 및 크기 변화를 실시간으로 측정한다. 그러나, 센서 장치의 펌프-라인 설치에는 여러 가지 내재적인 단점들이 있다. 먼저, 처리되는 웨이퍼에 증착되는 입자가 펌프-라인 구조의 센서로는 측정될 수 없다. 두 번째로, ISPM 센서가 여러 입자 이송 메커니즘에 의존하여 공정 챔버 상향에 발생된 입자들을 검출하기 때문에, ISPM 센서 장치가 프로덕트 웨이퍼 표면 상에 직접 증착되는 입자들의 수에 대해 낮은 상관성을 생성하는 경우가 잦다. 추가적으로, ISPM 센서용 입자 검출 볼륨은 입자를 조사(illumination)하는 레 이저 빔의 작은 단면적에 의해 또한 제한된다.
웨이퍼 표면에 증착되는 입자들의 수와 ISPM 센서간 상관성을 개선시키기 위해, 웨이퍼 상의 개선형 동위치 실행형 모니터링(AWISPM: Advanced Above Wafer In-Situ Particle Monitoring) 센서가 개발되었다. 미국특허 5,943,130 호에 소개되는 바와 같이, AWISPM 센서는 공정 챔버 내 미립자 오염 레벨을 모니터링할 수 있다. 이 센서는 레이저 주사선을 이용하여, 기존의 ISPM센서 기술에서 알려진 고정식 레이저 광선 시스템에 비해 검출 볼륨이 크다. 검출 볼륨이 웨이퍼 표면 위 4mm에 불과하기 때문에, AWISPM 센서의 캡처 속도는 웨이퍼 표면 상에 직접 증착되는 입자에 대해 향상된다. 미립자 오염에 대한 캡처 속도는 더 큰 검출 볼륨에 의해 또한 개선되며, 이는 부피측정식 샘플링 속도를 크게 증가시킨다. AWISPM 센서는 검출된 입자들의 실제 개수, 크기, 그리고 속도에 관한 정보를 제공한다.
입자 존재 여부를 검출하는 데 레이저 주사선이 사용되기 때문에, 입자 드리프트 속도가 샘플 볼륨에서 레이저 광선 속도보다 작을 경우, 입자는 측정 볼륨을 통과할 때 여러번 검출될 것이다. 레이저 주사는 공진형 스캐너나 회전식 다각형 반사경을 이용하여 구현된다. 둘 중 어떤 광학 소자도 주사선에 관련하여 정확하게 규정된 주기(가령, 주파수)를 가진다.
이러한 정해진 주기는 본 발명의 근간을 형성하여, 관측되는 신호에 통상적으로 포함되는 저-레벨의 전자 및 광학 잡음의 연속 스트림으로부터 입자-펄스-엔빌롭(PPE)을 검출 및 고립시킬 수 있다. 신호 처리 알고리즘의 핵심적인 기여는 최소 입자 크기 검출능력 한계에서 오-경보 카운트의 레벨을 실질적으로 감소시키는 것이다. 데이터 스트림이 주사 주파수에 대해 시간 도메인 내에서 분석되기 때문에, 신호 대 잡음비나 그 근처의 PPE 검출이 실현될 수 있다.
공지 기술의 상술한 결함을 극복하는 것이 본 발명의 첫 번째 목적이다.
주사 광원/검출 장치를 이용하여 측정 볼륨 내에서 발생하는 부정적 오류(false negatives)들을 제거하거나 실질적으로 감소시키는 것이 발명의 또한가지 목적이다.
따라서, 본 발명의 선호되는 태양에 따르면, 주사되는 측정 볼륨 내 입자 존재를 결정하기 위해 산란광 신호를 처리하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은,
- 주사 광선을 측정 볼륨에 공급하고,
- 상기 측정 볼륨을 통해 이동하는 입자로부터 산란광 펄스를 검출하며, 그리고
- 검출된 광 펄스를 처리하는
단계를 포함하고, 이때, 상기 처리 단계는 측정 볼륨 내에서 이동하는 입자들을 잡음으로부터 분리하기 위해 해당 입자 펄스 엔빌롭(PPE)을 발생시킴으로서 시간 도메인으로 주사 입자를 표시하는 다중 펄스의 존재를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 그리고 실제로, 측정 볼륨을 가로지르는 각각의 주사된 입자에 의해 산란되는 광 펄스가 광 멀티플라이어에 의해 최초 검출된다. 광 멀티플라이어로부터 출력되는 전류는 기존의 수단에 의해 전압 펄스로 변환되고, 그후 고속 2- 단계 아날로그 증폭기 등을 이용하여 증폭된다. 디스크리미네이터같은 레벨-트리거링 장치는 최소 한도값을 넘지 않는 신호를 제거한다.
디스크리미네이터를 빠져나온 펄스 트레인은 펄스의 최대값을 결정하기 위해 피크-검출기로 분석된다. 이 값과 펄스 시간 스탬프(마이크로초 분해능)가 마이크로프로세서의 메모리나 컴퓨터 하드디스크 등에 저장되어, 하기 설명되는 선호되는 신호 처리 기술을 이용하여 추후 처리될 것이다.
본 발명의 신호 처리 방법은 세가지 주요 기능으로 구성된다. 즉, 1) 시간 도메인의 분석을 통한 잡음 제거, 2) 순방향 및 역방향 자동상관을 통한 입자-펄스 엔빌롭(PPE) 식별, 그리고 3) 입자 크기 및 속도 추정치에 대한 각각의 입자-펄스 엔빌롭에 대한 가우시안 피팅(Gaussian fitting)으로 구성된다. 순방향 및 역방향 자동상관을 통한 PPE 식별은 매우 중요하다. 왜냐하면, 이로 인해 단일 입자 산란 이벤트들의 식별이 촉진되기 때문이다. 이러한 카운팅 통계를 구현하는 것이 AWISPM 센서 측정의 중요한 목적이다.
개별 펄스는 PPE의 일부인 지 아닌 지를 결정함으로서 신호나 잡음으로 확인된다. 이 결정은 스캐너 주파수 내에서 뒤처지거나 앞서가는 제 2 펄스에 대하여 (시간 도메인의) 상기 개별 펄스를 앞질러 보거나 되돌아봄으로서 구현된다.
잡음 펄스 제거 후, 신호처리 알고리즘은 PPE 검색을 시작한다. 순방향 및 역방향의 자동상관 연산은 개별 PPE의 시점과 종점을 식별하는 데 사용된다. PPE 시점에서, 자동상관은 순방향으로 높고 역방향 자동상관은 0이다. 엔빌롭 종점에서, 자동상관은 역방향으로 높고 순방향으로는 0이다. 이 접근법을 통해, 펄스 엔 빌롭(입자)의 시점과 종점이 식별될 수 있다.
펄스 엔빌롭이 식별된 후, 가우시안 피팅 루틴(Gaussian fitting routine)이 적용된다. 이 알고리즘은 가정된 가우시안 평균, 폭, 그리고 진폭과 함께 시작된다. 이 값들 각각은 가우시안 피트(Gaussian fit)의 값과 피크 펄스 진폭간 최소 오류를 생성하도록 반복된다.
가우시안 피트는 크기 및 속도같은 입자 특성의 결정에 있어 중요하다. 엔빌롭의 피트(fit)를 얻으면, 가우시안 피트의 피크 진폭이 입자 크기를 결정하는 데 사용되며, 또한, 측정 볼륨에서 레이저 광선의 직경과 연결된 가우시안 피트의 기울기는 입자 속도를 결정하는 데 사용된다.
발명의 신호되는 실시예에 따르면, 디스크리미네이션 레벨을 배경 잡음 레벨의 세배 또는 네배(네배가 선호됨)로 설정함으로서, 검출되는 부정적 오류(false negatives)의 수를 크게 감소시킬 수 있을 것이며, 이로 인해 단일 펄스 이벤트(가령, 주사선에 의해 한번만 접촉하는 입자)의 존재를 더 우수하게 결정할 수 있다.
도 1은 공지된 동위치 실행형 입자 측정 시스템의 도면.
도 2는 본 발명에 따른 동위치 실행형 입자 측정 시스템의 도면.
도 3은 발명에 따른 입자 검출 시스템의 부분 단면도.
도 4는 도 2 및 도 3의 임자 검출 시스템을 이용하여 검출되는 다중 광 산란이벤트의 그래프.
도 5는 도 2 및 3의 시스템을 이용하여 검출된 전형적인 펄스-입자 엔빌롭의 그래프.
도 6은 본 발명의 처리 방법을 이용한 펄스-폭 엔빌롭의 확대 그래프.
도 7은 시간 도메인에 대한 필터링된 잡음과 필터링되지 않은 잡음의 그래프.
도 8은 펄스 입자 엔빌롭의 시점과 종점을 식별하도록 전형적인 펄스 엔빌롭과 순방향 및 역방향 자동상관을 도시한 그래프.
도 9는 전형적인 펄스 입자 엔빌롭 및 관련 가우시안 피트의 도면의 그래프.
도 10은 일련의 산란 펄스 진폭 분포의 그래프.
도 11은 발명의 한 실시예에 따른 방법을 구현하는 순서도.
*도면부호*
10: 시스템 14: 레이저 다이오드
18: 광선 덤프 22: 펌프 라인
24: 광선 30: 검출기 장치
31: 산란광 32: 집광 소자 세트
34: 포토셀 37: 입자
40: 입자 센서 장치 44: 송신기
48: 수신기 52: 레이저 다이오드
56: 주사 반사경 60: 레이저 광선
66: 펌프 라인 68: 광 멀티플라이어 튜브
70: 빔 스탑 74: 집광 소자 세트
78: 입자 80: 산란광
100: 검출기 장치 104: 송신기
108: 수신기 112: 스풀 섹션
116: 플랜지 118: 플랜지
120: 화살표 124: 레이저
128: 하우징 129: 슬릿
132: 주사 소자 136: 레이저 광선
140: 윈도 144: 측정 볼륨
148: 광선 덤프 152: 윈도
160: 집광 소자 세트 168: 광 멀티플라이어 튜브
170: 전력 공급원 174: 커넥터
176: 커넥터 178: 프로세서
200: 입자 펄스 엔빌롭 202: 입자 펄스 엔빌롭
207: 잡음 펄스 220: 엔빌롭
224: 엔빌롭 228: 엔빌롭
230: 피크 진폭 234: 엔빌롭 폭
236-276: 단계
도 1을 참고해보자. 공지 기술에 따른 ISPM 시스템이 도시된다. 시스템(10)은 펌프 라인(22)처럼, 측정 볼륨 사이에 고정 시준 광선(24)을 방사하는 레이저 다이오드(14)를 포함한다. 레이저 다이오드(14) 반대편에 위치하는 광선 덤프(18)는 배경 광을 최소화시키기 위해 최종 광선(24)을 집광하는 데 사용된다. 측정 볼륨을 가로지르는 입자들(37)은 광선(24)을 전방, 후방, 측방으로 산란시켜서 결과적인 광(31)을 생성하게 하고, 이 광(31)들은 수직으로 배열된 검출기 장치(30)에 의해 검출된다. 검출기 장치(30)에 구비된 포토셀(34)은 집광 광학 시스템(32)을 통해 집광된 산란광을 수신한다. 설정 한도를 넘는 입자들을 카운팅하기 위해 산란된 고정 광선으로부터의 최종 전압 스파이크에 대하여 피크 검출이 이용된다. 주목할 사항으로서, 상기 ISPM 시스템의 광선이 고정된다. 따라서, 광선은 측정 볼륨을 통과하는 입자에 한번만 충돌할 수 있다.
도 2를 참고해보자. 반도체 처리 장치와 연계하여 사용될 수 있는 본 발명에 따른 ISPM 입자 센서 장치(40)가 도시된다. 장치(40)는 송신기(44)와 수신기(48)를 포함한다.
송신기(44)는 레이저 다이오드(52)와 주사 반사경(56)을 포함하며, 주사 반사경(56)은 모터(도시되지 않음)에 의해 발진한다. 이때, 결과적인 레이저 주사선(60)은 펌프라인(66)같은 측정 볼륨 내로 들어간다. 레이저 광선(60)은 펌프 라인(66)을 지정 주파수로 휩쓴다.
수신기(48)는 송신기(44) 반대편에 위치하며, 레이저 주사선(70)을 수신하도록 배열된다. 수신기(48)는 직접적인 레이저 광을 집광하는 빔 스탑(beam stop)(70)을 포함한다. 측정 볼륨 내의 입자들(78)은 레이저 주사선(60)으로부터의 광을 산란시키고(가령, 80), 산란된 광은 집광 소자 세트(74)를 통해 광 멀티플라 이어 튜브(68)에 들어간다. 앞서 설명한 검출 시스템과는 달리, 입자들이 입자 크기 및 속도에 따라 주사선(60)에 의해 여러번 충돌할 수 있다.
도 3은 발명의 선호되는 실시예에 따른 도 2의 입자 검출기 장치의 상세도이다. 검출기 장치(100)는 송신기(104), 수신기(108), 그리고 스풀 섹션(spool section)(112)을 포함하는 세 개의 상호연결된 주섹션들을 포함한다. 이들은 처리 툴(도시되지 않음)과 인터페이스를 이룬다. 스풀 섹션(112)은 플랜지(116, 118)를 포함하는 속이 빈 원통형 파이프부를 포함한다. 플랜지(116, 118)는 스풀 섹션(112)을 처리 툴의 펌프 라인 각각의 부분에 부착시킨다. 도시되는 바와 같이, 툴의 공정 챔버(도시되지 않음)로부터 빠져나가는 입자들이 펌프라인(도시되지 않음)에 들어와, 스풀 섹션(112)을 통과하게 된다(화살표(120) 참조).
송신기(104)는 레이저 다이오드같은 레이저(124)와, 회전식 반사경같은 주사 소자(132)를 포함한다. 레이저(124)는 하우징(128) 내에 배열되며, 주사 소자(132)는 모터(도시되지 않음)에 의해 구동된다. 그 외 다른 광학 수단들이 회전식 반사경 대신에 제공될 수 있다. 가령, 요망 형태 및 방향을 가진 주사선을 생성하기 위해 공진 스캐너와 그 외 다른 공지 수단이 제공될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 최종 레이저 광선(136)이 8kHz로 주사된다. 스캐너 주파수와 주사 주기를 바꿀 수 있음은 당 분야에 있어 명백하다. 레이저 주사선(136)은 송신기(104)를 빠져나와 스풀 섹션(112) 내에 제공된 윈도(140)를 통과한다. 주사 소자(132)의 동작에 관한 세부사항은 공지된 사항으로서 발명이 본질적 요소가 아니다. 추가적인 반사경들(도시되지 않음)이 하우징(128) 내에 위치하여, 주사선을 윈도(140)에 보내는 기능 을 하며, 이때, 다수의 슬릿(129)을 이용하여 떠돌이 광(stray light)이 감소될 수 있다.
수신기(108)는 송신기 윈도(140)의 반대편에 위치하는 광학 경로를 따라 배치되는 빔 스탑이나 덤프(148)를 포함한다. 수신기(108)는 빔 덤프(148)와 인접 윈도(152)를 포함하는 하우징(156)에 의해 형성되는 데, 윈도(152)는 레이저 광선(136)으로부터의 산란광만을 집광하며, 이를 집광 소자 세트(160)를 통해 고감도 광 멀티플라이어 튜브(168)에 보낸다. 집광 소자 세트(160)는 스펙트럼 필터(161)를 포함하며, 상기 고감도 광 멀티플라이어 튜브(168)는 적절한 전력 공급원(170)과 함께 수신기 하우징의 말단부에 인접하게 놓인다. 측정 볼륨 내에 존재하는 입자들에 의해 산란되는 광은 광 멀티플라이어 튜브(168)를 향해 상향으로 보내어지고(도 3 참조), 측정 볼륨 내에서 이동하는 입자들에 의해 산란되지 않은 나머지 광의 대부분은 빔 덤프(148)에 의해 집광된다. 수신기 하우징(156)과 송신기 하우징(128)의 말단부 상의 커넥터(174, 176)는 인라인 신호 프로세서(178)를 수용하며, 이 프로세서(178)는 디스크리미네이터, 피크 검출기, 메모리를 지닌 마이크로프로세서, 그리고 하기 설명되는 사후처리 실행용 소프트웨어를 포함한다. 부착된 신호 프로세서 대신에, 펄스 데이터가 오프라인 사후 신호 처리를 위한 적절한 인터페이스(도시되지 않음)를 통해 컴퓨터 디스크에 교대로 저장될 수 있다.
레이저 광선의 주사 속도가 측정 볼륨을 통과하는 입자의 통상적 속도에 비해 빠르다고 간주되기 때문에, 전형적인 입자들은 측정 볼륨 내에 산란광의 여러 펄스들을 야기할 것이다. 본 실시예에 따르면, 레이저의 주사 주기는 4kHz에서 250 마이크로초이다.
전형적인 예가 도 4에 도시된다. 도 4는 시간을 x축으로, 그리고 광 멀티플라이어 전압을 y축으로 하여 여러 이벤트를 도시하는 도면이다. 발생할 수 있는 상기 이벤트들은 진동, 광학 잡음(RF 플라즈마) 및 광학 간섭(가령, 윈도 등으로 인한 간섭), 그리고 입자 산란같은 다양한 소스들에 의해 야기되는 윈도전자 배경 잡음을 포함한다. 입자들의 크기와 속도가 변하며, 따라서 입자들은 여러 다른 광 산란 펄스 엔빌롭(200, 202)을 생성한다. 예를 들어, 중간 크기 고속 입자(202)와 일부 형태의 잡음(207)의 엔빌롭 사이를 구분하는 것이 어렵다.
상기 이벤트들을 상세하게 분석하여 오-카운트(false count)를 쉽게 제거하기 위해, 산란광 펄스 트레인이 도 3에 도시되는 바와 같은 센서 기구를 이용한 실제 측정으로부터 실험적으로 도출되었다. 상기 센서 기구는 반도체 처리 툴 상에 설치된다. 이 툴 조건 하에서, 배경 잡음 레벨의 최악의 표준 편차값은 50mV 였으며, 디스크리미네이션 레벨은 배경 잡음 레벨의 세배(즉, 150 mV)로 설정되었다. 데이터로부터 실험적으로 (규정되는 바와 같이) 디스크리네이션 레벨 위에서 발생하는 모든 산란 펄스의 주파수는 처리 툴의 유지 사이클 내에서 그리고 유지 사이클 근처에서 미리 집광되었다. 이 데이터를 바탕으로 하여, f3σ이 범위는 다음과 같음이 발견되었다.
0.19 Hz < f3σ < 1.86 Hz
이때, f3σ의 평균은 0.86 Hz이다. 이 오-카운트 비율은 신호 처리 알고리즘 을 회생시키는 유효 입자 신호들을 또한 포함한다. 결과적으로 이렇게 연산된 오-카운트 비율은 배경 잡음 레벨로부터의 임팩트에 대한 최악의 평가자산이다.
네 개의 개별적인 생산 품목 라트(procution lots)에 대한 산란 펄스들의 분포가 도 10에 도시되어 있다. 시간이 x축으로 펄스 진폭이 y축으로 표시된다. 이 산란 진폭 분포는 신호 및 잡음 펄스를 모두 포함한다. 그러나, 잡음 펄스가 분포 형태를 제압하고 있음이 관측되었다. 왜냐하면, 100개 가량의 잡음 펄스가 각각의 신호 펄스에 대해 발생하기 때문이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 신호 처리 알고리즘은 주사 반사경의 주기인 250 ± 10 ㎲ 내에서 또다른 펄스와 상관되는 어떤 펄스도 수용한다. 포이즌 곡선(Poisson curve) 하에서 245~255 ㎲ 사이의 영역을 계산하면(그리고 이 곡선 하의 총 면적으로 이를 정규화하면), 스캐너 주파수(Pc)에서 함께 상관되는 두 잡음 펄스의 확률을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112004009175785-pct00001
이때, "Fp(s)"는 포이즌 분포 함수이고, "s"는 산란 펄스의 간격이다. (도면에 도시되는 산란 진폭 분포를 바탕으로 하여) 함께 발생하는 두 잡음 펄스의 확률이 네 개의 품목 라트로 표 1에 요약된다.
표 1: 두 잡음 펄스의 확률
라트 번호 확률(Pc)
2 0.016%
4 0.045%
5 0.090%
9 0.039%
평균 0.048%
분포 레벨을 넘는 상관된 잡음 펄스의 주파수 f3σ는 다음과 같이 주어진다.
fc3σ = f3σ x (Pc)n-1
이때, "f3σ"는 디스크리미네이션 레벨 위에서 발생하는 상관된 잡음 펄스의 주파수이며, "n"은 펄스 트레인 내 상관된 펄스의 수이다. 상관된 잡음 펄스의 주파수와 (25장 웨이퍼의) 프로덕트 라트 내에서 발생할 오-카운트의 수는 2-상관, 3-상관, 그리고 4-상관 펄스의 경우에 대하여 표 2에 제시되어 있다.
표 2: 오-카운트 비율의 예측치
상관된 펄스의 수 주파수(fc3σ)(Hz) 라트별 오-카운트의 예측치
2개의 펄스 4.1 x 10-4 2.9
3개의 펄스 2.0 x 10-7 1.3 x 10-3
4개의 펄스 9.5 x 10-11 6.3 x 10-7
* 2시간의 라트 시간 구간을 가정함.
이 분석은, 디스크리미네이션 레벨이 배경 잡음 레벨의 표준 편차의 세배로 설정될 때(가령, 3:1의 신호 대 잡음 비), 라트당 세 개 미만의 오-카운트가 최대 오-카운트 비율임을 의미한다. 디스크리미네이션 레벨이 더 높게 증가할 경우(150mV로부터 300mV까지), 결과적인 오-경보 비율은 100배 이상만큼 감소될 것으로 예측된다. 이와는 반대로, 배경 잡음 레벨로부터 판별(discrimination)되어야할 한 입자 카운트에 대하여 (두개의 상관 펄스에 비해) 세개 이상의 상관 펄스들이 검출되는 것을 요구함으로서, 오-경보 비율이 1000배 가까이 개선될 수 있다.
잡음의 표준 편차의 네배로 디스크리미네이터를 설정할 때, 오-경보에 대한 충분한 보호가 이루어진다. 이는 크기 감도를 댓가로 하여 전체 공정에 대해 가장 높게 관측된 표준 편차에 대하여 디스크리미네이터를 설정함으로서 쉽게 구현될 수 있다. 그러나, 전체 공정에 대해 최대 감도를 유지하기 위해서는 디스크리미네이터를 주기적으로 자동설정할 필요가 있다. 이는 디스크리미네이터를 일시적으로 감소시키고, 잡음 샘플을 취하여, 표준 편차를 계산하고, 그리고 측정된 표준 편차의 네배로 디스크리미네이터를 설정함으로서 쉽게 구현될 수 있다. 이 기술은 잡음의 모든 변화에 대하여 적용될 것이며, 그 원인(RF, 더러운 윈도, 전자적 문제 등)에 상관이 없다.
발명에 따른 방법이 도 11에 도시되는 순서도에 따라 설명된다. 이 방법에 따르면, 측정 볼륨을 가로지르는 각각의 주사된 입자에 의해 산란되는 광 펄스들이 광 멀티플라이어(168)에 의해 최초 검출된다(단계 236). 광 멀티플라이어(168)로부터 출력되는 전류는 기존 수단을 이용하여 전압 펄스로 변환되며, 이 전압 펄스는 고속 2-단계 아날로그 증폭기를 이용하여 증폭된다. 디스크리미네이터같은 레벨-트리거링 장치(단계 240)가 최소 한도값을 넘지 않는 신호들을 제거한다(단계 238).
이 알고리즘의 결과가 도 7에 도시된다. 이 도면의 상단 데이터 윈도는 판별된 펄스 스트림을 도시하며, 이 경우에 지정 한도값(가령, 100 mV)에 도달하는 데 실패한 잡음 펄스들이 필터링되어 사라진다. 도면의 하단 윈도는 시간 도메인에서 필터링된 이후의 데이터를 도시한다. 하단 윈도에 남아있는 데이터만이 4kHz 주사 속도로 반복되는 값이다.
디스크리미네이터를 빠져나온 펄스 트레인은 피크 검출기로 분석되고, 이때, 각각의 피크 검출기는 펄스의 최대 값을 결정(단계 244)하도록 프로세서(178) 내에 포함된다. 이 동작을 실행하는 데 있어서의 세부사항은 공지사항으로서 더 이상 언급하지 않는다. 이 값과, 펄스 시간 스탬프(마이크로초 분해능)가 프로세서(178)의 마이크로프로세서 메모리나 컴퓨터의 하드디스크에 저장되어(단계 246), 아래 설명되는 선호되는 신호 처리 기술을 이용한 사후 처리를 대비한다.
본 발명의 방법은 1) 펄스가 PPE의 일부인 지를 결정하고, 그리고 2) 존재할 경우 엔빌롭을 발생시킴으로서, 펄스가 주사되는 측정 볼륨 내 입자를 나타내는 지를 결정한다. 이 결정 과정은, 타임-스탬핑된 제 1 펄스를 앞서보거나 뒤돌아봄으로서, 그리고, 마이크로프로세서를 이용하여 산란광 분포를 평가하여 특정 시간 주기 윈도동안 스캐너 주기만큼 제 1 펄스에 뒤처지거나 제 1 펄스에 앞서가도록 제 2 펄스를 위치시킴으로서, 실현된다.
잡음 펄스 제거 후, 신호 처리 알고리즘은 PPE에 대한 검색을 시작한다. 도 11에 따르면, 자동상관이 순방향 및 역방향으로 실행되어(단계 248), 마이크로프로세서를 이용하여 개별 PPE의 시점 및 종점을 식별하게 한다. 도 3에 도시되는 실시 예에 대한 구분을 위해, 4kHz 스캐너 주파수가 자동상관 실행을 위해 250 ㎲ 주기(± 10㎲)를 가지도록 선택된다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 그리고 일례의 PPE의 시점에서, 자동상관은 순방향에서 높고 역방향에서 0이다. 역으로 엔빌롭 종점에서, 자동상관은 역방향에서 높고 순방향에서 0이다. 자동상관 연산은 차후 입자 산란 엔빌롭의 포함을 기피하는 시간 주기동안 실행되어야 한다. 이 특정 사례에서, 0.002초 시간 주기가 선택되었다. 적절한 주기의 선택은 어떤 측면에서 임의적이며, 입자 농도와 데이터 비율에 따라 선택할 수 있다.
이 접근법을 통해, 입자 펄스 엔빌롭(PPE)의 시점 및 종점이 식별될 수 있다. 전형적인 PPE 세트가 도 5에 도시되어 있다. 도면에 도시되는 바와 같이, 이 엔빌롭들은 입자 속도 및 크기에 따라 서로 다른 형태를 취할 수 있다. 도시되는 바와 같이, 비교적 크기가 작고 속도가 느린 입자에 대한 엔빌롭이 (220)으로 도시되며, 중간 크기이고 빠른 속도의 입자는 더 좁은 프로파일(224)을 가지며, 직경이 크고 적절한 속도의 입자(228)는 대조되는 형태를 취한다.
도 9와 11을 참고해보자. 입자-펄스 엔빌롭이 선행 자동상관 연산으로 식별되면, 가우시안 피팅 루틴이 적용된다(단계 254). 이 종류의 통계적 피트(fit) 실행에 관한 세부사항은 당 분야에 공지되어 있다. 이 알고리즘은 가정한 가우시안 평균, 폭, 그리고 진폭으로 시작된다. 이들 값 각각은 가우시안 피트의 값과 피크 펄스 진폭간 최소 오류를 생성하도록 반복된다. 평균, 폭, 진폭에 대한 피팅 과정d 도 9에 도시되어 있다. 상기 알고리즘의 결점은 국부적인 최소 오류만을 찾아낸다는 점이다. 그러나, 세 변수의 전역 최소값을 결정하는 데 요구되는 엄청나게 긴 연산과, 이 변수 연산에 높은 정확도가 필요하지 않다는 사실을 고려할 때, 국부적 최소 접근법이 보다 매력적임을 알 수 있다. 생성된 가우시안 피트(Gaussian fit)는 입자 펄스 엔빌롭에서 관측된 최대 펄스 진폭을 보존하여야 한다. 이는 앞서 설명한 알고리즘을 적절하게 수정하는 데 사용될 수 있는 유요한 접근법이기도 하다.
주지하는 바와 같이, 입자 펄스 엔빌롭 각각에 대하여 얻은 가우시안 피트는 입자 크기 및 속도의 유효 결정을 이끌 수 있다. 피트를 얻으면, 가우시안 피트의 피크 진폭(230)이 입자 크기를 결정하는 데 사용되고, 엔빌롭의 폭(240)이 도 6에 도시되는 바와 같이 속도를 결정한다. 특히, 샘플 볼륨에서 레이저 빔의 직경과 연계된 가우시안 피트 기울기는 입자 속도를 결정하는 데 사용된다. 가우시안 피트를 이용하여 입자 속도를 결정하기 위한 한가지 공지 기술은 Holve, D.J.의 "Transit Timing Velocimetry(TTV) for Two-Phase Reacting Flows", Combustion and Flame, 48:105(1982)에 공개되어 있다.
도 11을 참고해보자. 상술한 자동상관 알고리즘에 대하여 한가지 예외사항이 실현되어야 한다. 이 예외사항은 주사선에 의해 한번만 접촉하여 PPE를 생성하지 않는 초고속 입자에 관한 것이다. 이 이벤트들은 상기 장치에 의해 여전히 유효하게 카운팅되어야 하며, RF, 광학, 그리고 전자적 효과 및 그 외 다른 수단에 의한 잡음 생성물로부터 구분되어야 한다. 이 예외사항 및 상술한 바에 따르면, 피크 진폭이 배경 잡음 레벨의 네배보다 클 경우 신호 처리 알고리즘이 비-상관 피크를 내보내지 않는다. 이보다 높게 발생하는 잡음의 확률은 무시할만한 수준으로서 12 시그마 이벤트이다. 순서도를 참고하여, 피크가 비-상관임이 결정된 후(단계 260), 펄스 진폭이 배경 잡음 레벨보다 네배이상 큰 지에 관한 결정이 이루어져서(단계 264) 단일 펄스 이벤트(한 입자)를 구별할 수 있게 한다. 만약 네배 이상 크다면(단계 268), 데이터가 저장되고 입자가 유효하게 카운팅된다(단계 270). 네배보다 작다면(단계 272), 데이터가 버려진다(단계 276).
본 발명의 이해를 돕기 위해 다음의 참고 문헌을 참조할 수 있다.
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5. Holve, D.J., "Transit Timing Velocimetry(TTV) for Two-Phase Reacting Flows", Combustion and Flame, 48:105(1982)

Claims (39)

  1. 주사되는 측정 볼륨 내에 입자 존재를 결정하기 위해 산란광 신호를 처리하는 방법으로서, 이 방법은,
    - 주사 광선을 측정 볼륨에 공급하는 단계,
    - 상기 측정 볼륨 내에서 움직이는 입자들로부터 산란광 펄스를 검출하는 단계, 그리고
    - 검출된 광 펄스를 처리하는 단계
    를 포함하고, 이때, 상기 처리 단계는 측정 볼륨 내에서 움직이는 입자들을 잡음으로부터 분리하기 위해 해당 입자 펄스 엔빌롭(PPE)을 발생시킴으로서 시간 도메인으로 주사된 입자들을 표현하는 다중 펄스 이벤트들의 존재 여부를 결정하는 단계를 포함하며, 입자 펄스 엔빌롭의 발생은,
    - 시간 도메인으로 제 1 펄스에 인접한 제 2 펄스를 식별하는 단계로서, 이때, 상기 제 2 펄스가 상기 제 1 펄스로부터 한 스캐너 주기만큼 이격되는 단계, 그리고,
    - 상기 측정 볼륨 내 단일 입자를 나타내는 한 개의 펄스 엔빌롭을 표시하는 상기 제 1 및 제 2 펄스에 인접하게 위치하는 다수의 펄스들을 식별하는 단계
    를 포함하며, 상기 식별 단계는 상기 펄스 엔빌롭의 크기 결정을 위해 지정 시간 주기동안 상기 펄스를 순방향 및 역방향으로 자동상관시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 측정 볼륨 내 입자들을 카운팅하기 위해 단일 펄스 이벤트들을 검출된 광 펄스들로 분리하는
    단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 분리 단계는 펄스 진폭이 디스크리미네이터 한도 설정을 넘는 지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 디스크리미네이션 한도 설정이 배경 잡음 레벨보다 세 배 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 디스크리미네이션 한도 설정이 배경 잡음 레벨보다 네 배 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은,
    - 광 펄스들을 전기적 펄스들로 변환하는 단계, 그리고
    - 변환된 전기적 펄스들을 시간 도메인으로 처리하여 주사 광선과 여러번 접촉하는 입자를 표시하는 다중 펄스들의 존재를 검출하도록 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    - 변환된 모든 전기적 펄스들을 판별(discrimination)하여 지정 한도 아래로 떨어진 모든 펄스들을 필터링하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    - 변환된 전기적 펄스들의 피크 진폭을 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 펄스 엔빌롭에 가우시안 피트(Gaussian fit)를 적용하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    - 입자 속도를 결정하도록 펄스 엔빌롭의 피크 진폭을 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    - 입자 크기를 결정하도록 펄스 엔빌롭의 폭을 측정하는
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 방법이 공정 챔버 내에서 실행되는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 방법이 처리 툴의 펌프 라인에서 실행되는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계가 라인 상에서(on line) 실행되는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    - 검출 장치로부터 이격된 상태에서 펄스 값을 저장하고 각각의 처리 단계들을 실행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 신호 처리 방법.
  16. 측정 볼륨을 통과하는 입자들을 효과적으로 측정하는 방법으로서, 이 방법은,
    - 지정 주파수에서 상기 측정 볼륨 내에 광선을 주사하는 단계,
    - 움직이는 입자로부터 산란되는 광 펄스들을 검출하는 단계, 그리고
    - 주사 주기동안 입자와 여러번 접촉함을 표시하는 펄스 엔빌롭의 존재를 결정하는 단계
    를 포함하며, 상기 결정 단계는,
    - 시간 도메인으로 제 1 펄스에 인접한 제 2 펄스를 식별하는 단계로서, 이때, 상기 제 2 펄스가 상기 제 1 펄스로부터 한 스캐너 주기만큼 이격되는 단계,
    - 상기 측정 볼륨 내 단일 입자를 나타내는 한 개의 펄스 엔빌롭을 표시하는 상기 제 1 및 제 2 펄스에 인접하게 위치하는 다수의 펄스들을 식별하는 단계
    를 포함하며, 상기 식별 단계는 상기 펄스 엔빌롭의 크기 결정을 위해 지정 시간 주기동안 상기 펄스를 순방향 및 역방향으로 자동상관시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    - 상기 측정 볼륨 내 입자들을 카운팅하기 위해 단일 펄스 이벤트들을 검출된 광 펄스들로 분리하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 분리 단계는 펄스 진폭이 디스크리미네이션 한도 설정을 넘는 지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디스크리미네이션 한도 설정이 배경 잡음 레벨보다 세 배 이상 큰 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 디스크리미네이션 한도 설정이 배경 잡음 레벨보다 네 배 이상 큰 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    - 광 펄스들을 전기적 펄스들로 변환하는 단계, 그리고
    - 변환된 전기적 펄스들을 시간 도메인으로 처리하여 주사 광선과 여러번 접촉하는 입자를 표시하는 다중 펄스들의 존재를 검출하도록 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    - 변환된 모든 전기적 펄스들을 판별하고 지정 한도 아래로 떨어지는 모든 펄스들을 필터링하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    - 변환된 전기적 펄스들의 피크 진폭을 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  24. 제 16 항에 있어서,
    - 상기 펄스 엔빌롭 각각에 가우시안 피트(Gaussian fit)를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    - 해당 입자의 속도 결정을 위해 각각의 펄스 엔빌롭의 피크 진폭을 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    - 해당 입자의 크기 결정을 위해 각각의 펄스 엔빌롭의 폭을 측정하는
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  27. 제 16 항에 있어서, 상기 방법이 공정 챔버 내에서 실행되는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  28. 제 16 항에 있어서, 상기 방법이 처리 툴의 펌프 라인에서 실행되는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  29. 제 16 항에 있어서, 상기 결정 단계가 라인 상에서(on line) 실행되는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  30. 제 16 항에 있어서,
    - 검출 장치로부터 이격된 상태에서 검출된 펄스 값들을 저장하고 각각의 처리 단계를 실행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 볼륨 통과 입자의 효과적 측정 방법.
  31. 산란 광선의 입자 카운트로부터 잡음을 구분하기 위한 방법으로서, 이 방법은,
    - 가변적인 속도 및 크기를 가진 입자들을 포함한 측정 볼륨에 광선을 송신하는 단계,
    - 상기 측정 볼륨으로부터 한 개 이상의 산란광 펄스를 검출하는 단계,
    - 상기 한 개 이상의 광 펄스를 전기적 신호로 변환하는 단계,
    - 상기 한 개 이상의 펄스의 진폭을 결정하는 단계, 그리고
    - 상기 한 개 이상의 펄스의 진폭이 디스크리미네이션 한도를 넘을 경우 상기 펄스를 카운팅하는 단계로서, 이때, 상기 디스크리미네이션 한도는 배경 잡음 레벨의 최고값의 세배 이상인 것을 특징으로 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란 광선의 입자 카운트로부터 잡음을 구분하기 위한 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 디스크리미네이션 한도가 배경 잡음 레벨의 최고값의 네배 이상인 것을 특징으로 하는 산란 광선의 입자 카운트로부터 잡음을 구분하기 위한 방법.
  33. 주사되는 측정 볼륨 내 입자 존재를 결정하기 위해 산란광 신호를 처리하는 방법으로서, 이 방법은,
    - 측정 볼륨에 주사 광선을 공급하는 단계,
    - 상기 측정 볼륨을 지나는 입자로부터 산란광 펄스를 검출하는 단계, 그리고
    - 검출된 광 펄스들을 처리하는 단계
    를 포함하고, 이때, 상기 처리 단계는 측정 볼륨 내에서 움직이는 입자들을 잡음으로부터 분리시키기 위해 해당 입자 펄스 엔빌롭(PPE)을 발생시킴으로서 시간 도메인으로 주사된 입자를 표시하는 다중 펄스 이벤트들의 존재를 결정하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 방법은,
    - 배경 잡음 레벨 최고값의 세배 이상인 디스크리미네이션 한도를 넘는 진폭을 가진 펄스들을 카운팅하는 단계
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사되는 측정 볼륨 내 입자 존재를 결정하기 위해 산란광 신호를 처리하는 방법.
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