KR101225011B1 - Microwave probe by using resonator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플라즈마 밀도를 측정하는 초고주파 프로브에 관한 것이다.The present invention relates to a very high frequency probe for measuring the plasma density.
플라즈마 진단기는 플라즈마의 파라미터 (전자 밀도, 전자 온도, 플라즈마 포텐션 등)를 측정할 수 있다. 상기 플라즈마 진단기는 플라즈마를 이용하는 여러 산업 (반도체 공정, 디스플레이 공정, 솔라셀 공정 등)에서 다양하게 활용되고 있다. Plasma diagnostics can measure the parameters of the plasma (electron density, electron temperature, plasma potential, etc.). The plasma diagnostic apparatus is used in various industries (semiconductor process, display process, solar cell process, etc.) using plasma.
전자 밀도(플라즈마 밀도)는 각종 플라즈마 공정 및 플라즈마 물성에서 직관적인 플라즈마의 거동을 나타내는 분석 정보이다. 예를 들어, 식각 및 증착 공정에서 중요한 역할을 담당하고 있는 라디칼의 밀도는 상기 전자 밀도와 직접적으로 관련되어 있다. 따라서, 상기 전자 밀도의 정확히 진단이 요구된다. Electron density (plasma density) is analytical information indicating the behavior of the plasma intuitively in various plasma processes and plasma properties. For example, the density of radicals, which play an important role in the etching and deposition processes, is directly related to the electron density. Therefore, accurate diagnosis of the electron density is required.
플라즈마 밀도 진단기에는 랭뮤어 프로브 (Langmuir probe), 톰슨 산란 (Laser Thomson Scattering), 광방출 스펙트로스코피(Optical Emission Spectroscopy;OES) 및 컷오프 프로브(cut-off probe) 등이 있다. Plasma density diagnostics include Langmuir probes, Thompson Thomson Scattering, Optical Emission Spectroscopy (OES), and cut-off probes.
랭뮤어 프로브는 플라즈마 물리 연구를 위해 가장 폭넓게 그리고 가장 오래 전부터 쓰여 왔다. 상기 랭뮤어 프로브는 측정할 수 있는 플라즈마 파라미터가 다양하고 그 메커니즘이 정확히 밝혀진 진단기이다. 하지만, 상기 랭뮤어 프로브의 프로브 표면은 공정 가스에 의한 식각 및 증착될 수 있다. 따라서, 상기 랭뮤어 프로브는 정밀한 플라즈마 밀도 측정을 제공할 수 없고, 실시간 공정 진단에 사용되고 있지 않다.Langmuir probes have been the most widely and longest used for plasma physics research. The Langmuir probe is a diagnostic device in which a variety of plasma parameters that can be measured and its mechanism is accurately identified. However, the probe surface of the Langmuir probe may be etched and deposited by a process gas. Thus, the Langmuir probe cannot provide precise plasma density measurements and is not used for real-time process diagnostics.
OES는 플라즈마와 접촉하지 않는 비접촉식 진단 방법이다. OES는 플라즈마 내부의 활성종들의 시간에 따른 상대적인 변화를 알 수 있다. 그러나, OES는 활성종에 대한 공간적인 분해능을 제공하지 못하고, 활성종의 밀도에 대한 절대적인 정보를 제공할 수 없다. OES is a non-contact diagnostic method that does not contact plasma. OES can know the relative change over time of active species in the plasma. However, OES does not provide spatial resolution for active species and cannot provide absolute information about the density of active species.
톰슨 산란은 물리적인 메커니즘이 확실하고 전자 밀도의 측정치에 대한 신뢰도도 높다. 하지만, 톰슨 산란은 전자 밀도에 대한 공간적인 분해능을 제공하지 못하고, 측정하기 위한 장비의 설치가 너무 복잡하다. 또한, 톰슨 산란을 측정하기 위한 장비는 고가이다. Thomson scattering is well known for its physical mechanism and high confidence in the measurement of electron density. However, Thomson scattering does not provide spatial resolution for electron density, and the installation of equipment for measurement is too complex. In addition, the equipment for measuring Thompson scattering is expensive.
초고주파를 이용하는 다양한 플라즈마 진단 장비들이 제안되었다. 초고주파 진단기의 일종인 컷오프 주파수를 이용한 컷오프 프로브는 국부적인 전자 밀도의 측정을 제공할 수 있다.Various plasma diagnostic equipments using microwaves have been proposed. Cutoff probes using cutoff frequencies, a type of microwave diagnostic, can provide local electron density measurements.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 정밀한 전자 밀도를 측정할 수 있는 초고주파 프로브를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved of the present invention is to provide an ultra-high frequency probe capable of measuring a precise electron density.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브는 플라즈마 내부에 삽입되어 주파수를 스캔하는 초고주파를 방사하는 방사 안테나; 상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 방사 안테나에서 방사된 전자기파를 수신하는 수신 안테나; 및 상기 방사 안테나 및 상기 수신 안테나의 주위에 배치되어 상기 전자기파와 공진하는 도전성 물질로 형성된 공진 구조체를 포함하고, 상기 공진 구조체는 공진 주파수를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, an ultra-high frequency probe includes a radiation antenna radiating an ultra-high frequency inserted into a plasma to scan a frequency; A reception antenna inserted into the plasma to receive electromagnetic waves radiated from the radiation antenna; And a resonant structure formed around the radiation antenna and the receive antenna and formed of a conductive material resonating with the electromagnetic wave, wherein the resonant structure provides a resonant frequency.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초고주파의 주파수는 상기 공진 주파수에서 스캔을 시작할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the frequency of the ultra-high frequency may start scanning at the resonant frequency.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 공진 구조체는 그물 망 또는 평판 구조를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the resonant structure may include a mesh or flat structure.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 공진 구조체는 상기 방사 안테나 및 상기 수신 안테나를 감싸는 실리더 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the resonant structure may be in the form of a cylinder surrounding the radiating antenna and the receiving antenna.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나와 나란히 연장되는 막대 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, it may be in the form of a rod extending parallel to the radiation antenna and the receiving antenna.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방사 안테나에 연결된 주파수를 변경할 수 있는 초고주파 발생기; 상기 방사 안테나 및 상기 초고주파 발생기 사이에 배치되어 상기 방사 안테나를 고정하고 초고주파 전력을 공급하는 제1 연결부; 상기 초고주파 발생기에 연결되어 상기 방사 안테나 방향의 출력 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 상기 수신 안테나의 수신된 초고주파 신호를 검출하는 투과파 검출부; 및 상기 수신 안테나와 상기 초고주파 검출부 사이에 배치되어 상기 수신 안테나를 고정하고 초고주파 신호를 가이드하는 제2 연결부를 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, an ultra-high frequency generator capable of changing the frequency connected to the radiation antenna; A first connection unit disposed between the radiation antenna and the microwave generator to fix the radiation antenna and supply microwave power; An impedance measuring unit connected to the ultra-high frequency generator and measuring an output impedance in the direction of the radiating antenna; A transmission wave detector for detecting a received microwave signal of the reception antenna; And a second connection unit disposed between the reception antenna and the microwave detection unit to fix the reception antenna and guide the microwave signal.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초고주파 발생기, 임피던스 측정부, 및 초고주파 검출부는 일체형으로 네트워크 분석기일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ultra-high frequency generator, the impedance measuring unit, and the ultra-high frequency detecting unit may be integrally a network analyzer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부는 내부 도선; 상기 내부 도선을 감싸는 절연체; 및 상기 절연체를 감싸는 외부 도선을 포함할 수 있다. 상기 내부 도선은 상기 방사 안테나 또는 수신 안테나에 연결되고, 상기 외부 도선은 접지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first connection portion and the second connection portion is an inner conductor; An insulator surrounding the inner conductor; And an outer conductor surrounding the insulator. The inner lead may be connected to the radiation antenna or the receive antenna, and the outer lead may be grounded.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브는 플라즈마 내부에 삽입되어 주파수 스캐닝하는 초고주파를 방사하는 방사 안테나; 상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 방사 안테나에서 방사된 전자기파를 수신하는 수신 안테나; 및 상기 방사 안테나 및 상기 수신 안테나의 주위에 배치되어 상기 전자기파와 공진하는 도전성 물질로 형성된 공진 구조체를 포함한다. 이 초고주파 프로브의 동작 방법은 진공 용기에 플라즈마가 없는 진공 상태에서 상기 공진 구조체에 기인한 제1 공진 주파수를 측정하는 단계; 상기 진공 용기에 플라즈마를 생성한 상태에 상기 공진 구조체에 기인한 제2 공진 주파수를 측정하는 단계; 및 상기 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 차이를 이용하여 플라즈마 밀도를 산출하는 단계를 포함하고, 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수는 상기 공진 구조체에 형성되고 상기 방사 안테나 방향을 바라본 출력 임피던스의 허수부가 영(zerp)을 지나는 지점일 수 있다.Ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention is inserted into the plasma radiation antenna for radiating the ultra-high frequency scanning; A reception antenna inserted into the plasma to receive electromagnetic waves radiated from the radiation antenna; And a resonance structure disposed around the radiation antenna and the reception antenna and formed of a conductive material resonating with the electromagnetic wave. The method of operating the microwave probe comprises the steps of: measuring a first resonant frequency due to the resonant structure in a vacuum without a plasma in a vacuum vessel; Measuring a second resonant frequency attributable to the resonant structure while generating plasma in the vacuum vessel; And calculating a plasma density using a difference between the first resonance frequency and the second resonance frequency, wherein the first resonance frequency and the second resonance frequency are formed in the resonance structure and the output impedance is viewed toward the radiating antenna. The imaginary part of may be the point where it passes through the zep.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마를 생성한 상태에서 컷오프에 의한 플라즈마 주파수를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present disclosure, the method may further include measuring a plasma frequency due to a cutoff in the plasma generation state.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브는 공진 주파수로부터 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다. 또한, 상기 초고주파 프로브는 플라즈마에 노출된 방사 안테나 및 측정 안테나로부터 컷오프 주파수를 이용하여 플라즈마 밀도를 이중으로 측정할 수 있다.Ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention can measure the plasma density from the resonance frequency. In addition, the microwave probe can measure the plasma density by using a cutoff frequency from the radiation antenna and the measurement antenna exposed to the plasma.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 I-I‘ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주파 프로브를 설명하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브에서 진공에서의 투과계수(S21)이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브에서 플라즈마에서의 투과계수(S21) 및 방사 안테나를 바라본 임피던스의 허수부(Im(Z))를 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 이용하여 측정한 투과계수(S21)이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 이용하여 측정한 임피던스의 허수부이다.
도 10은 컷오프 주파수를 이용한 플라즈마 밀도와 공진 주파수 이동을 이용한 플라즈마 밀도를 설명하는 도면이다.1 is a conceptual diagram illustrating an ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention.
2 is a view illustrating an ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 2.
4 is a perspective view illustrating an ultra-high frequency probe according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line II-II 'of FIG. 4.
Figure 6 is a transmission coefficient (S21) in the vacuum in the ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an imaginary part Im (Z) of impedance viewed from a radiation antenna and a transmission coefficient S21 in a plasma in an ultra-high frequency probe according to an exemplary embodiment of the present invention.
8 is a transmission coefficient S21 measured using an ultra-high frequency probe according to an exemplary embodiment of the present invention.
9 is an imaginary part of impedance measured using an ultra-high frequency probe according to an exemplary embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining plasma density using a cutoff frequency and plasma density using a resonant frequency shift.
웨이퍼 및 유리 기판이 대면적화됨에 따라, 반도체 공정 및 디스플레이 공정에서, 플라즈마 균일도 평가와 전자밀도의 절대값 평가는 중요하다. As wafers and glass substrates become larger in area, in the semiconductor process and the display process, evaluation of plasma uniformity and evaluation of absolute value of electron density are important.
랭뮤어 프로브는 정전기적인 방법을 이용함으로써 플라즈마에 의한 식각이나 증착에 약한 특성을 보인다. OES는 공간적인 플라즈마 밀도의 절대치를 제공하지 않는다.Langmuir probes exhibit weak characteristics against etching or deposition by plasma using an electrostatic method. OES does not provide an absolute value of spatial plasma density.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초고주파는 플라즈마에 입사하여 소정의 공진 주파수를 가진 공진 구조체를 만나 공진할 수 있다. 상기 공진 주파수는 플라즈마가 존재하는 경우 이동(shift)할 수 있다. 매질에 따른 상기 공진 주파수의 이동은 플라즈마 밀도를 제공할 수 있다. 상기 공진 주파수는 공진 구조체의 내부에 존재하는 플라즈마의 공간 평균된 플라즈마 밀도에 대한 정보를 담고 있다. 상기 공진 주파수의 이동에 의한 플라즈마 밀도는 종래의 기존의 국소 부위의 플라즈마 밀도를 측정하는 컷오프 방법에 의한 플라즈마 밀도와 비교되었다. 상기 공진 주파수의 이동에 의한 플라즈마 밀도는 종래의 컷오프 방법에 의한 플라즈마 밀도와 일치하였다. According to an embodiment of the present invention, the ultra-high frequency waves may enter the plasma to meet and resonate with a resonance structure having a predetermined resonance frequency. The resonant frequency may shift when plasma is present. The shift of the resonant frequency along the medium can provide the plasma density. The resonant frequency contains information about the spatially averaged plasma density of the plasma existing inside the resonant structure. The plasma density due to the shift of the resonant frequency was compared with the plasma density by the cut-off method for measuring the plasma density of a conventional conventional local region. The plasma density due to the shift of the resonance frequency is consistent with the plasma density by the conventional cutoff method.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 공진 주파수의 이동에 의한 플라즈마 밀도 측정 방법은 플라즈마 밀도의 실시간 모니터링을 가능하게 한다.Accordingly, the method for measuring plasma density by moving the resonance frequency according to an embodiment of the present invention enables real-time monitoring of plasma density.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브는 공정가스에 의한 식각 또는 증착에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, 상기 초고주파 프로브의 존재는 공정 플라즈마에 영향을 거의 주지 않는다. Ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention is not affected by the etching or deposition by the process gas. In addition, the presence of the microwave probe has little effect on the process plasma.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the components have been exaggerated for clarity. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 설명하는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating an ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 초고주파 프로브는 플라즈마 내부에 삽입되어 초고주파를 방사하는 방사 안테나(112), 상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 방사 안테나(112)에서 방사된 전자기파를 수신하는 수신 안테나(114), 및 상기 방사 안테나(112) 및 상기 수신 안테나(114)의 주위에 배치되어 상기 전자기파와 공진하는 도전성 물질로 형성된 공진 구조체(116)를 포함한다.Referring to Figure 1, the microwave probe is a
상기 수신 안테나(114) 및 상기 방사 안테나(112)는 상기 플라즈마 내부에 삽입된다. 상기 플라즈마는 챔버 내부에 에너지 인가부(136)에 의하여 형성된다. 상기 에너지 인가부(136)는 축전 결합 플라즈마를 생성하는 전극, 유도 결합 플라즈마를 생성하는 유도 안테나, 또는 초고주파 플라즈마를 형성하는 도파관일 수 있다. The receiving
전원(132)은 상기 에너지 인가부(136)에 전력을 제공할 수 있다. 상기 전원(132)은 DC 전원, AC 전원, RF 전원, 초고주파 전원일 수 있다. 상기 전원(132)이 RF 전원인 경우, 상기 전원과 에너지 인가부 사이에 임피던스 매칭 네트워크(134)가 배치될 수 있다.The
상기 챔버(131)는 기판 홀더(138), 및 상기 기판 홀더(138) 상에 장착된 기판(137)을 포함할 수 있다. 상기 기판(137)은 유리 기판, 플라스틱 기판, 또는 반도체 기판일 수 있다.The
네트워크 분석부(network analyzer, 120)는 상기 방사 안테나(112)에 초고주파를 제공하고, 상기 수신 안테나(114)로부터 제공되는 초고주파 신호를 분석할 수 있다. 상기 초고주파의 주파수는 시간에 따라 스위핑(sweeping)될 수 있다. 스위핑 주파수는 100kHz 내지 6 GHz일 수 있다. 상기 스위핑 주파수는 연속적으로 또는 이산적으로 스위핑될 수 있다.The
네트워크 분석부(network analyzer)는 각 스위핑 주파수에서 출력 임피던스(Z) 및 투과 계수(S21)를 측정할 수 있다. 네트워크 분석부(network analyzer; 120)는 초고주파 발생기(122), 임피던스 측정기(124), 및 투과파 검출부(126)를 포함할 수 있다.The network analyzer may measure the output impedance Z and the transmission coefficient S21 at each sweep frequency. The
초고주파 발생기(122)는 상기 방사 안테나(112)에 연결되고 주파수를 연속적으로 변경할 수 있다. The
제1 연결부(117)는 상기 방사 안테나(112) 및 상기 초고주파 발생기(122) 사이에 배치되어 상기 방사 안테나(112)를 고정하고 초고주파 전력을 공급한다. The
임피던스 측정부(124)는 상기 초고주파 발생기(122)에 연결되어 상기 방사 안테나 방향의 출력 임피던스를 측정한다. 상기 임디던스 측정부(124)는 방향성 결합기를 포함할 수 있다. 상기 출력 임피던스는 상기 초고주파 발생기(122)가 상기 방사 안테나 방향을 바라본 임피던스일 수 있다. 임피던스 측정부(124)는 반사계수를 측정하여 출력 피던스를 산출할 수 있다. An
투과파 검출부(126)는 상기 수신 안테나(114)의 수신된 초고주파 신호를 검출한다. 상기 투과파 검출부(126)은 상기 초고주파 발생기(122)와 동기화될 수 있다. 상기 투과파 검출부(126)는 투과계수(S21)을 측정할 수 있다. The transmission wave detector 126 detects the received microwave signal of the
제2 연결부(118)는 상기 수신 안테나(114)와 상기 투과파 검출부(126) 사이에 배치되어 상기 수신 안테나(114)를 고정하고 초고주파 신호를 가이드한다.The
상기 공명 구조체(116)는 상기 방사 안테나 또는 수신 안테나에서 떨어져 배치된다.The
방사된 전자기파는 공진 구조체에 의하여 파장/4 공진을 한다. 챔버의 크기가 큰 경우, 컷오프 진동수 이상에서 공진 구조체 및 챔버 벽을 보고 복수의 케비티 피크(cavity peak)들이 생긴다. The radiated electromagnetic waves cause wavelength / 4 resonance by the resonant structure. When the size of the chamber is large, a plurality of cavity peaks are generated by looking at the resonant structure and the chamber wall above the cutoff frequency.
상기 공명 구조체(116)는 챔버의 크기를 감소시킨 효과를 준다. 즉, 상기 공명 구조체(116)는 파장/4 공진을 제외한 케비티 피크(cavity peak)들의 위치를 고주파 영역으로 변경하고, 상기 공명 구조체(116)는 파장/4 공진을 효율적으로 발생시킬 수 있다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 설명하는 도면이다.2 is a view illustrating an ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 I-I‘ 선을 따라 자른 단면도이다.3 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2.
도 2 및 도 3을 참조하면, 초고주파 프로브(200)는 방사 안테나(212), 수신 안테나(214), 및 상기 방사 안테나(212) 및 상기 수신 안테나(214)의 주위에 배치방사 안테나가 방사한 전자기파와 공진하는 도전성 물질로 형성된 공진 구조체(216)를 포함한다.2 and 3, the
상기 공진 구조체(216)는 상기 방사 안테나(212) 또는 수신 안테나(216)에서 떨어져 배치된다. 상기 공진 구조체(216)는 전지적으로 접지될 수 있다. 상기 공진 구조체(216)는 상기 방사 안테나(212)와 수신 안테나(214)를 일부를 싸고 있는 실린더 형태일 수 있다. 상기 방사 안테나(212)와 상기 수신 안테나(214)는 서로 평행하게 서로 인접하게 배치될 수 있다. 상기 공진 구조체(216)는 도전성 평판 및 원통각(cyndircal shell)를 포함할 수 있다. 상기 원통각은 도전성 평판 상에 배치된다. 상기 공전 구조체(216)의 일단은 개방되어, 상기 방사 안테나 및 상기 수신 안테나가 내부에 배치될 수 있다.The
상기 제1 연결부(217)는 내부 도선(217a), 상기 내부 도선(217a)을 감싸는 절연체(217b), 및 상기 절연체(217b)를 감싸는 외부 도선(217c)을 포함한다. 상기 내부 도선(217a)은 상기 방사 안테나(212)에 연결되고, 상기 외부 도선(217c)은 접지된다. 상기 제1 연결부(217)는 동축 케이블 형상일 수 있다.The
상기 제2 연결부(218)는 내부 도선(218a), 상기 내부 도선(218b)을 감싸는 절연체(218b), 및 상기 절연체(218b)를 감싸는 외부 도선(218c)을 포함한다. 상기 내부 도선(218a)은 상기 수신 안테나(214)에 연결되고, 상기 외부 도선(218c)은 접지된다. 상기 제2 연결부(218)는 동축 케이블 형상일 수 있다.The
상기 공진 구조체(216)는 그물망 구조 (Grid) 또는 평판 구조를 가지고 있을 수 있다. 상기 공진 구조체(216)는 도전성 물질로 형성되고, 접지될 수 있다.The
플라즈마 밀도(ne)는 상기 공진 구조체에 의한 공진 주파수를 이용하여 다음과 같이 표시될 수 있다. Plasma density (n e ) can be expressed as follows using the resonant frequency caused by the resonant structure.
여기서, f0(단위: GHz)는 플라즈마가 존재하지 않는 진공 상태에서 제1 공진 주파수이고, fr( 단위: GHz)는 플라즈마가 존재 할 때의 제2 공진 주파수이다.Here, f 0 (unit: GHz) is the first resonant frequency in the vacuum state where no plasma exists, and f r (unit: GHz) is the second resonant frequency when the plasma exists.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주파 프로브를 설명하는 사시도이다.4 is a perspective view illustrating an ultra-high frequency probe according to another embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line II-II 'of FIG. 4.
도 4 및 도 5를 참조하면, 초고주파 프로브(300)는 방사 안테나(312), 수신 안테나(314), 및 상기 방사 안테나(312) 및 상기 수신 안테나(314)의 주위에 배치되어 전자기파와 공진하는 도전성 물질로 형성된 공진 구조체(316)를 포함한다. 4 and 5, the
상기 공진 구조체(316)는 방사 안테나(312) 및 수신 안테나(314)에서 떨어져 배치된다. 상기 공진 구조체(316)는 전지적으로 접지될 수 있다. 상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나는 서로 평행하게 서로 인접하게 배치될 수 있다. 상기 공진 구조체(316)는 상기 방사 안테나의 주위에 나란히 배치된 적어도 하나 이상의 막대를 포함할 수 있다. 상기 공지 구조체(316)는 상기 방사 안테나(312)와 평행하게 배치될 수 있다. The
상기 제1 연결부(317)는 내부 도선(316a), 상기 내부 도선(317a)을 감싸는 절연체(317b), 및 상기 절연체(317b)를 감싸는 외부 도선(317c)을 포함한다. 상기 내부 도선(317a)은 상기 방사 안테나(312)에 연결되고, 상기 외부 도선(317c)은 접지된다. 상기 제1 연결부(317)는 동축 케이블 형상일 수 있다.The
상기 제2 연결부(318)는 내부 도선(318a), 상기 내부 도선(318a)을 감싸는 절연체(318b), 및 상기 절연체(318b)를 감싸는 외부 도선(318c)을 포함한다. 상기 내부 도선(318a)은 상기 수신 안테나(314)에 연결되고, 상기 외부 도선(318c)은 접지된다. 상기 제2 연결부(318)는 동축 케이블 형상일 수 있다.The
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브에서 진공에서의 투과계수(S21)이다.Figure 6 is a transmission coefficient (S21) in the vacuum in the ultra-high frequency probe according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 2 GHz 근처에서 투과 계수(S21)가 급격히 감소하다가 증가하여 공진이 발생한다. 상기 투과 계수(S21)의 급격한 변하는 공진 구조체에 기인한다. 제1 공진 주파수(약 2 GHz)를 알고 있으면, 초고주파 프로브에서 주파수의 스캐닝 범위는 제1 공진 주파수(약 2 GHz) 이상일 수 있다. 따라서, 네트워크 분석기는 초고주파 발진기의 주파수 스캐닝 범위가 대폭 감소할 수 있다. 따라서, 따라서, 비용절감이 가능하다.Referring to FIG. 6, near 2 GHz, the transmission coefficient S21 rapidly decreases and then increases to generate resonance. This is due to the rapidly changing resonant structure of the transmission coefficient S21. If the first resonant frequency (about 2 GHz) is known, the scanning range of the frequency in the microwave probe may be greater than or equal to the first resonant frequency (about 2 GHz). Thus, the network analyzer can significantly reduce the frequency scanning range of the microwave generator. Therefore, cost reduction is therefore possible.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브에서 플라즈마에서의 투과계수(S21) 및 방사 안테나를 바라본 임피던스의 허수부(Im(Z))를 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an imaginary part Im (Z) of impedance viewed from a radiation antenna and a transmission coefficient S21 in a plasma in an ultra-high frequency probe according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 제1 공진 주파수(f1) 및 제2 공진 주파수(f2)는 임피던스의 허수부(Im(Z))가 영(zero)인 지점이 사용되었다. 공진 주파수는 공진 구조체에 기인하여 형성된 임피던스의 허수부가 영(zero)인 지점으로 사용되었다. 플라즈마를 형성하기위한 RF 전원의 전력은 100 와트이다. Referring to FIG. 7, a point where the imaginary part Im (Z) of impedance is zero is used as the first resonant frequency f1 and the second resonant frequency f2. The resonant frequency was used as the point where the imaginary part of the impedance formed due to the resonant structure is zero. The power of the RF power source for forming the plasma is 100 watts.
종래의 컷오프 방식을 이용하면, 상기 방사 안테나와 수신 안테나 사이의 플라즈마 밀도(n, 단위:cm-3)는 다음과 같이 주어질 수 있다.Using a conventional cutoff scheme, the plasma density (n, unit: cm −3 ) between the radiating antenna and the receiving antenna may be given as follows.
플라즈마 주파수(fpe, 단위: Hz)는 컷오프 주파수(f_cut_off)이다. 컷오프 주파수(f_cut_off, 단위: Hz)를 발견하기 위하여, 초고주파 발생기는 대략 100 kHz 에서 수 GHz 대역에 대하여 발진하여여한다. 그러나, 넓은 범위를 스캐닝하는 초고주파 발생기는 매우 고가이다. The plasma frequency f pe in Hz is the cutoff frequency f_cut_off. In order to find the cutoff frequency (f_cut_off, unit: Hz), the ultra-high frequency generator oscillates for several GHz band at approximately 100 kHz. However, microwave generators that scan a wide range are very expensive.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 밀도 측정 방법은 진공 상태에서 제1 공진 주파수(f1)가 알려져 있다. 따라서, 초고주파 발생기는 제1 공진 주파수(f1) 이상에 발진하면된다. 또한, 플라즈마가 있는 경우, 플라즈마 밀도에 따른 제2 공진 주파수(f2)의 이동은 작다. 따라서, 비용 절감에서 매우 유리하다.In the plasma density measurement method according to an embodiment of the present invention, the first resonant frequency f1 is known in a vacuum state. Therefore, the ultra-high frequency generator may oscillate above the first resonant frequency f1. In addition, when there is a plasma, the movement of the second resonance frequency f2 according to the plasma density is small. Therefore, it is very advantageous in cost reduction.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 이용하여 측정한 투과계수(S21)이다.8 is a transmission coefficient S21 measured using an ultra-high frequency probe according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브를 이용하여 측정한 임피던스의 허수부이다.9 is an imaginary part of impedance measured using an ultra-high frequency probe according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 10은 컷오프 주파수를 이용한 플라즈마 밀도와 공진 주파수 이동을 이용한 플라즈마 밀도를 설명하는 도면이다.10 is a diagram for explaining plasma density using a cutoff frequency and plasma density using a resonant frequency shift.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 플라즈마를 형성하기 위한 RF 전원의 전력은 100와트, 200 와트, 300 와트, 및 400 와트를 제공되었다. 출력 임피던스(Z)는 초고주파 발생기의 출력단에서 플라즈마를 바라본 임피던스이다. 플라즈마를 생성하는 외부 전력이 증가함에 따라, 컷오프 주파수 및 공진 구조체에 의해 생기는 제2 공진 주파수(f2)가 이동한다.7-10, the power of the RF power supply for forming the plasma was provided with 100 watts, 200 watts, 300 watts, and 400 watts. The output impedance Z is the impedance viewed from the output terminal of the microwave generator. As the external power generating the plasma increases, the cutoff frequency and the second resonant frequency f2 caused by the resonant structure move.
외부 전력이 증가함에 따른 컷오프 주파수(fcut - off)는 대략 0.8 Ghz 에서 2 Ghz 의 범위에 있다. 한편, 외부 전력이 낮은 경우, 컷오프 주파수(fcut - off)는 대략 0.8 Ghz 이하로 내려가지 때문에, 실질적으로, 컷오프 주파수(fcut - off)를 측정하기 위한 주파수 스캐닝 범위(dF_cut_off)는 0 Hz에서 시작하여야한다.As the external power increases, the cutoff frequency (f cut - off ) is in the range of approximately 0.8 Ghz to 2 Ghz. On the other hand, when the external power is low, since the cutoff frequency (f cut - off ) is lowered to about 0.8 Ghz or less, substantially, the frequency scanning range (dF_cut_off) for measuring the cutoff frequency (f cut - off ) is 0 Hz. Should start from
한편, 외부 전력이 증가함에 따른 제2 공진 주파수(f2)의 범위는 2 Ghz 내지2.6 Ghz 범위에 있다. 따라서, 제2 공진 주파수(f2)를 측정하기 위한 스캐닝 범위(dF2)는 f1에서 2.6 Ghz 범위이다. 따라서, 스캥닝을 시작하는 주파수가 고주파에 있고, 이러한 고주파에서 발진 주파수의 변경은 용이하다. 따라서, 초고주파 발진기의 가격은 감소한다.Meanwhile, as the external power increases, the second resonance frequency f2 is in the range of 2 Ghz to 2.6 Ghz. Therefore, the scanning range dF2 for measuring the second resonance frequency f2 is in the range of f1 to 2.6 Ghz. Therefore, the frequency at which the scanning starts is at a high frequency, and it is easy to change the oscillation frequency at this high frequency. Thus, the price of the microwave generator decreases.
한편, 컷오프 주파수(fcut - off)에 의한 플라즈마 밀도와 공진 주파수 이동에 의한 플라즈마 밀도는 서로 다르게 나타날 수 있다. 상기 공진 주파수에 의하여 결정된 플라즈마 밀도는 공진 구조체 내부의 공간 평균된 플라즈마 밀도이다.On the other hand, the plasma density due to the cut - off frequency (f cut - off ) and the plasma density due to the resonance frequency shift may be different from each other. The plasma density determined by the resonance frequency is a spatial averaged plasma density inside the resonance structure.
상기 공진 주파수로부터 얻은 플라즈마 밀도는 컷오프 주파수를 사용하여 측정한 전자 밀도보다 약 0.667배 낮다. 이 차이는 플라즈마의 공간적 분포에 기인한다고 해석된다. 즉, 공진 구조체 내부의 플라즈마 밀도는 다음과 같은 분포를 가질 수 있다.The plasma density obtained from the resonance frequency is about 0.667 times lower than the electron density measured using the cutoff frequency. This difference is interpreted to be due to the spatial distribution of the plasma. That is, the plasma density inside the resonant structure may have the following distribution.
여기서, r은 공진 구조체의 중심으로부터의 거리이고, d는 공진 구조체의 반경이다. 따라서, 공진 주파수에 의한 플라즈마 밀도가 보정된 경우, 보정된 플라즈마 밀도는 컷오프 주파수를 사용하여 측정한 전자 밀도와 같다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 프로브는 공진 구조체 내부의 플라즈마 밀도의 공간 평균된 플라즈마 밀도를 제공한다. Where r is the distance from the center of the resonant structure and d is the radius of the resonant structure. Therefore, when the plasma density by the resonance frequency is corrected, the corrected plasma density is equal to the electron density measured using the cutoff frequency. That is, the ultra-high frequency probe according to the embodiment of the present invention provides a spatially averaged plasma density of the plasma density inside the resonant structure.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be implemented without departing from the spirit.
112: 방사 안테나
114: 수신 안테나
116: 공진 구조체
120: 네트워크 분석기112: radiation antenna
114: receiving antenna
116: resonant structure
120: network analyzer
Claims (10)
상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 방사 안테나에서 방사된 전자기파를 수신하는 수신 안테나; 및
상기 방사 안테나 및 상기 수신 안테나의 주위에 배치되어 상기 전자기파와 공진하는 도전성 물질로 형성된 공진 구조체를 포함하고,
상기 공진 구조체는 공진 주파수를 제공하는 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.A radiating antenna inserted into the plasma to radiate ultra-high frequency scanning frequency;
A reception antenna inserted into the plasma to receive electromagnetic waves radiated from the radiation antenna; And
A resonance structure disposed around the radiation antenna and the reception antenna and formed of a conductive material resonating with the electromagnetic wave,
And the resonant structure provides a resonant frequency.
상기 공진 구조체는 그물 망 또는 평판 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.The method according to claim 1,
The resonant structure is a high frequency probe, characterized in that it comprises a mesh or plate structure.
상기 공진 구조체는 상기 방사 안테나 및 상기 수신 안테나를 감싸는 실린더 형태인 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.The method according to claim 1,
The resonant structure is a high frequency probe, characterized in that the cylindrical shape surrounding the radiation antenna and the receiving antenna.
상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나와 나란히 연장되는 막대 형태인 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브. The method according to claim 1,
Ultra-high frequency probe, characterized in that the rod-like extending parallel to the radiation antenna and the receiving antenna.
상기 방사 안테나에 연결된 주파수를 변경할 수 있는 초고주파 발생기;
상기 방사 안테나 및 상기 초고주파 발생기 사이에 배치되어 상기 방사 안테나를 고정하고 초고주파 전력을 공급하는 제1 연결부;
상기 초고주파 발생기에 연결되어 상기 방사 안테나 방향의 출력 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부;
상기 수신 안테나의 수신된 초고주파 신호를 검출하는 투과파 검출부; 및
상기 수신 안테나와 상기 초고주파 검출부 사이에 배치되어 상기 수신 안테나를 고정하고 초고주파 신호를 가이드하는 제2 연결부를 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.The method according to claim 1,
An ultrahigh frequency generator capable of changing a frequency connected to said radiating antenna;
A first connection unit disposed between the radiation antenna and the microwave generator to fix the radiation antenna and supply microwave power;
An impedance measuring unit connected to the ultra-high frequency generator and measuring an output impedance in the direction of the radiating antenna;
A transmission wave detector for detecting a received microwave signal of the reception antenna; And
And at least one of a second connection part disposed between the reception antenna and the microwave detection unit to fix the reception antenna and guide the microwave signal.
상기 초고주파 발생기, 임피던스 측정부, 및 초고주파 검출부는 일체형으로 네트워크 분석기인 것을 특징으로 초고주파 프로브.The method of claim 6,
The ultra-high frequency probe, the impedance measuring unit, and the ultra-high frequency detecting unit are integrally a microwave analyzer, characterized in that the network analyzer.
상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부는:
내부 도선;
상기 내부 도선을 감싸는 절연체; 및
상기 절연체를 감싸는 외부 도선을 포함하고
상기 내부 도선은 상기 방사 안테나 또는 수신 안테나에 연결되고,
상기 외부 도선은 접지되는 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.The method of claim 6,
The first connection portion and the second connection portion:
Internal conductors;
An insulator surrounding the inner conductor; And
An outer lead surrounding the insulator;
The inner lead is connected to the radiating antenna or receiving antenna,
And the external lead is grounded.
진공 용기에 플라즈마가 없는 진공 상태에서 상기 공진 구조체에 기인한 제1 공진 주파수를 측정하는 단계;
상기 진공 용기에 플라즈마를 생성한 상태에 상기 공진 구조체에 기인한 제2 공진 주파수를 측정하는 단계; 및
상기 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 차이를 이용하여 플라즈마 밀도를 산출하는 단계를 포함하고,
제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수는 상기 공진 구조체에 형성되고 상기 방사 안테나 방향을 바라본 출력 임피던스의 허수부가 영(zero)을 지나는 지점인 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.A radiation antenna which is inserted into the plasma and radiates ultra-high frequencies for frequency scanning; A reception antenna inserted into the plasma to receive electromagnetic waves radiated from the radiation antenna; And a resonant structure disposed around the radiation antenna and the reception antenna and formed of a conductive material which resonates with the electromagnetic wave.
Measuring a first resonant frequency attributable to the resonant structure in a vacuum without a plasma in a vacuum vessel;
Measuring a second resonant frequency attributable to the resonant structure while generating plasma in the vacuum vessel; And
Calculating a plasma density using a difference between the first resonance frequency and the second resonance frequency;
And a first resonant frequency and a second resonant frequency formed at the resonant structure and at a point where an imaginary part of the output impedance facing the radiating antenna passes through zero.
상기 플라즈마를 생성한 상태에서 컷오프에 의한 플라즈마 주파수를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 프로브.10. The method of claim 9,
And measuring the plasma frequency due to the cutoff in the plasma generation state.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20151230 Year of fee payment: 4 |
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FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170103 Year of fee payment: 5 |
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |