KR101567176B1 - 플라즈마의 밀도 및/또는 전자 온도 및/또는 충돌 빈도를 측정하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 내로 커플링된 고주파 신호에 대한 임펄스 응답을 측정하기 위한 수단, 임펄스 응답의 함수로서 밀도 및/또는 전자 온도 및/또는 충돌 빈도를 계산하기 위한 수단, 플라즈마 내로 삽입될 수 있고 프로브 헤드(2)와 프로브 샤프트(5)를 가진 프로브를 포함하고, 상기 프로브 샤프트는 프로브 헤드(2) 내로 고주파 신호의 전기적 커플링을 위한 신호 발생기에 연결되고, 상기 프로브 헤드(2)는 재킷(7)과 상기 재킷(7)으로 둘러싸인 프로브 코어(8)를 포함하고, 상기 프로브 코어(8)의 표면은 반대 극성의 서로 절연된 전극 영역들(3, 4, 3a, 4a)을 포함하는 플라즈마의 밀도를 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 프로브(1)는 발룬(9;Balun)을 포함하고, 상기 발룬은 프로브 헤드(2)와 전기적 비대칭의 고주파 신호 피드(6) 사이에서 전기적으로 비대칭의 신호를 대칭 신호로 변환하기 위해 작용하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 플라즈마의 밀도 및/또는 전자 온도 및/또는 충돌 빈도를 측정하기 위한 장치 및 장치의 용도에 관한 것이다.
플라즈마 - 전기에 의해 활성화된 기체 - 는 다양한 기술 분야에서 사용되며, 이 경우 플라즈마의 특수한 물리적 특성은 혁신적인 제품 및 방법의 기초가 된다. 기술적인 플라즈마의 용도에 기초한 방법의 성공에 중요한 것은 정확한 모니터링과 편차 발생시 플라즈마 상태의 재조정이다. 플라즈마의 중요한 특성값은 장소 및 시간에 따른 전자 밀도(ne)이다. 상기 특성값의 정보는 플라즈마의 특성을 평가하는데 필요하다. 전자 온도(Te)와 충돌 빈도(v)는 플라즈마의 평가시 중요하다. 전자 온도는 플라즈마의 활성화의 정도이고, 충돌 빈도는 중성 가스 조성 및 중성 가스 온도에 대한 정보를 제공한다. 이는 예컨대 에칭 공정시 종점 검출에 중요하다. 기술적으로 사용된 플라즈마의 경우에, 특히 소위 반응성 플라즈마에서, 예를 들어 전자 밀도의 측정이 어렵다. 소수의 방법만이 산업적으로 적합하며, 즉 소수의 방법만이 모니터링하는 프로세스에 영향을 미치지 않도록 오염 및 장애에 대해 충분히 견고한 동시에 측정 프로세스에서, 평가시 그리고 온라인 기능과 관련해서 비용이 많이 들지 않는다.
산업적 플라즈마 진단에 적합한 방법은 플라즈마 공명 분광법이다. 상기 방법에서 GHz범위의 고주파 신호가 플라즈마 내로 커플링된다. 신호 반사는 주파수의 함수로서 측정된다. 특히 공명은 흡수의 최대치로서 검출된다. 상기 최대치의 상태는 조사된 주요 플라즈마 파라미터, 즉 전자 밀도의 함수이고, 상기 전자 밀도는 이로 인해 적어도 원칙적으로 완전하게 보정 없이 측정될 수 있다. 임펄스 응답의 형태 또는 최대치의 감폭은 전자 온도 및 충돌 빈도의 함수이고, 따라서 플라즈마의 다른 특성값에 대한 추론을 가능하게 한다. 표준적인 플라즈마 진단에 비해 고주파 측정은 기술적인 프로세스에 영향을 미치지 않거나 약간의 영향을 미치고, 오염에 대해 대체로 민감하지 않다. 따라서 비용과 유지 보수에 대한 요구도 매우 낮고, 이 경우 플라즈마 공명 분광법은 간단한 시스템 통합은 물론 측정 방법의 신속함 및 상기 방법의 기본적인 온라인 기능을 특징으로 한다.
플라즈마 공명 분광법의 단점은, 측정 결과의 평가가, 즉 예컨대 전자 밀도에 대한 공명 곡선의 상기 추론이 수학적 모델을 필요로 하는 것이다. 측정 결과의 공간 분해능, 즉 위치의 함수로서 플라즈마 특성값을 측정하기 위해 특수한 기술이 필요하다.
DE 10 2006 014 106 B3호에는 플라즈마 내로 커플링된 고주파 신호에 대한 응답으로서 공명 주파수가 측정되고 플라즈마 밀도의 계산을 위해 이용되는 플라즈마의 밀도를 측정하기 위한 장치가 공지되어 있다. 장치는 플라즈마 내로 삽입될 수 있고 3축 타원체 형태의 프로브 헤드를 가진 프로브 및 프로브 헤드를 지지하는 샤프트를 통해 프로브 헤드 내로 고주파를 커플링하는 수단을 포함한다. 프로브 헤드는 재킷 및 재킷에 의해 둘러싸인 프로브 코어를 포함하고, 이 경우 프로브 코어의 표면은 반대 극성의 서로 절연된 전극 영역들을 포함한다. 프로브 헤드는 특히 구 형태를 갖고, 이 경우 전극 영역들은 반대 극성을 가지며, 볼의 중앙 횡단면에 대해 평행하게 배치된다. 상기 프로브 디자인은 다중극 전개의 수학적 고찰로부터 얻어지는 일련의 장점들을 갖는다.
다중극 전개는 등가 회로도를 지지하는 수학적 관계를 설명하는 전제(별도의 좌표)가 존재할 때, 수학식에 의해 해결할 수 있는 방법이다. 이로써 무한대의 소계가 표시되고, 이 경우 더 높은 소계항에 상응하는 더 높은 다중극 필드의 가중치는 신속하게 감소하므로, 소수의 항의 수열은 해체될 수 있다. 특정 상황에서 제 1 소계항만, 소위 쌍극 성분만이 중요하다. 타원형 프로브 헤드와 전극 영역들의 회로가 중심점을 통해 연장된 중앙 횡단면에 대해서 대칭으로 선택되는 경우에, 제 0 소계항, 즉 소위 단극 성분은 사라진다. 이로 인해, 국부적 플라즈마 밀도의 정확한 측정을 가능하게 하는 간단하고 특히 확실한 분석 규정이 얻어진다.
또한, 프로브 샤프트를 통한 고주파 신호의 전기적 커플링이 요구되는 것이 공지되어 있는데, 그 이유는 전극은 고주파 신호에 의해 대칭으로 조절되어야 하기 때문이다. 대칭적 조절은, 공급 라인도 전기적 대칭으로 형성되는 것이 전제되므로, 라인 경로를 통해 위상 변이가 이루어지지 않는다. 이는 바람직하게 프로브가 매우 작을 때 특히 프로브 헤드의 이동에 의해서만 가능한 공간 분해능 측정이 이루어져야 하는 경우, 비교적 복잡한 라인이 전제된다.
따라서 본 발명의 과제는, DE 10 2006 014 106 B3의 장치에 비해 신호 전달과 관련해서 개선되고 특히 더 정확한 공간 분해능 측정을 가능하게 하는 다중극 공명 프로브를 이용한 플라즈마의 특정 특성을 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징으로 포함하는 장치에 의해 해결된다.
청구범위 제 19 항은 플라즈마를 특성화하는 파라미터를 측정하기 위한 상기 장치의 용도에 관한 것이다.
종속 청구항은 본 발명의 바람직한 개선예에 관한 것이다.
플라즈마의 밀도 및/또는 전자 온도 및/또는 충돌 빈도를 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치, 즉 플라즈마를 특징짓는데 적합한 파라미터를 측정하기 위한 장치는 플라즈마 내로 커플링된 고주파 신호에 대한 임펄스 응답, 특히 공명 주파수를 측정하기 위한 수단 및 임펄스 응답의 함수로서 소정의 파라미터를 계산하기 위한 수단을 포함한다.
플라즈마 내로 고주파 신호의 커플링은 플라즈마에 삽입될 수 있는 프로브에 의해 이루어진다. 상기 프로브는 프로브 헤드와 프로브 샤프트를 포함하고, 상기 프로브 샤프트는 프로브 헤드 내로 고주파 신호를 전기적으로 커플링하기 위한 신호 발생기에 연결된다. 신호 발생기는 임펄스 응답을 측정하기 위한 수단과 일체형으로 형성될 수 있다. 이는 예컨대 신호 발생기, 상기 신호 발생기에 맞게 조정된 고주파 수신기 및 그것에 속하는 신호 평가 전자장치가 하나의 유닛에, 즉 프린트 회로기판 상에 배치될 수 있음으로써 구현될 수 있다. 고주파 수신기는 프로브로부터 되돌아가는 고주파 신호를 수신하고, 상기 신호를 저주파 신호로 변환한다. 임펄스 응답에 관한 정보를 포함하는 상기 저주파 신호는 디지털화된 후에, 소정의 플라즈마 파라미터를 추출하기 위해 디지털 처리될 수 있다.
프로브 헤드는 재킷과 상기 재킷에 의해 둘러싸인 프로브 코어를 포함한다. 프로브 코어의 표면은 반대 극성의 서로 절연된 전극 영역들을 포함한다. 프로브 헤드는 전기적 대칭으로 형성되고, 이 경우 프로브는 추가로 발룬(balun)을 포함하고, 상기 발룬은 프로브 헤드와 전기적 비대칭의 고주파 신호 피드 사이의 이행부에 배치된다. 발룬은 전기적 비대칭의 신호를 대칭 신호로 변환하기 위해 제공된다. 발룬은 양방향으로 작용한다.
프로브 헤드의 전기적으로 대칭인 디자인 및 바람직하게 구조적으로도 대칭인 디자인은 전기적 대칭의 신호로서 임펄스 응답을 제공하고 또는 프로브 헤드의 전기적인 그리고 경우에 따라서 구조적인 대칭 형태로 인해 프로브 헤드 내로 대칭의 고주파 신호가 제공된다. 그러나 반드시 대칭 형태의 임펄스 응답이 평가 유닛까지 전달되지 않아도 된다. 발룬은 대칭 신호가 비대칭 신호로 변환됨으로써, 전기적 비대칭의 신호가 신호 전달에 이용될 수 있는 것을 가능하게 한다. 고주파 신호 피드는 전기 라인이고, 서로 평행하게 연장된 2개의 라인 형태의 상기 라인은 정확히 대칭으로 정렬되지 않아도 된다. 위상 변이 및 비대칭이 나타날 수 있고, 이 경우 이러한 비대칭은 플라즈마 내로 고주파 신호의 커플링 또는 측정에 영향을 미치지 않는다. 따라서 전기 라인도 휘어질 수 있고, 이는 프로브 헤드의 이동에 의한 플라즈마 밀도의 간단한 공간 분해능 측정을 가능하게 하고, 이 경우 고주파 신호 피드의 변위 또는 휨에 의해 측정 결과에 대한 부정적인 작용이 확인되지 않는다. 다시 말해서, 고주파 신호 피드의 디자인 또는 전달 경로로부터 주어지는 측정 결과 오류가 제거된다.
전기적 비대칭의 고주파 신호 피드는 특히 차단된 동축 라인인데, 그 이유는 상기 동축 라인은 에너지를 방사하지 않을 뿐 아니라 흡수하지도 않고 따라서 장애를 일으키지 않기 때문이다.
발룬이 프로브 헤드로의 이행부에 배치되는 경우에 특히 바람직하고, 즉 대칭 신호는 프로브 헤드로부터 및 프로브 헤드로 다른 라인 섹션의 중간 접속 없이 프로부 헤드에 직접 도달한다. 따라서 발룬은 바람직하게 프로브 샤프트에 배치된다.
고주파 신호 피드로, 특히 동축 라인으로의 이행부에서 양호한 조정, 즉 반사가 거의 없는 이행부가 고려되어야 한다. 즉, 발룬의 입력 저항이 가능한 동축 라인 내의 라인 임피던스(line impedance)에 상응해야 한다. 이로써 고주파 신호 피드의 치수는 선택된 기판 재료에 따라 이루어진다. 기판 재료는 특히 구리 재료로 이루어진 도전 트랙의 성분이 아니라 절연 재료의 성분이다. 즉, 하기에서 설명되는 도전 트랙과 기지 구조의 전기 및 구조적 파라미터들은 고주파 신호 피드의 접속과 관련해서 필요한 라인 임피던스를 조절하기 위해 조정되어야 한다.
본 발명과 관련해서 다양한 기판이 사용될 수 있고, 이 경우 바람직하게 표준-프린트 회로기판 기술이 사용될 수 있다. 이는 매우 경제적인 구현, 높은 제조 정확성 및 매우 양호한 재생산성을 가능하게 한다. 에폭시 수지에 담궈진 유리섬유 매트가 바람직한 것으로 입증되었고(재료 식별번호 FR 4), 특히 고주파를 위해 개발된 저손실 재료로서 상표 Ro4003®(Rogers Corporation의 등록 상표)를 가진 재료는 실재적인 이용에 특히 적합하다. 이 경우, 구리 피복된, 세라믹 충전식 유리섬유 강화 폴리머 기본 재료이다.
발룬은 프로브 헤드의 전극 영역에 결합된 도전 트랙을 포함한다. 도전 트랙들은 서로 대향 배치된다. 상기 도전 트랙의 디자인은 재료 특성을 고려하여 입력 임피던스에 맞게 설계되고, 상기 입력 임피던스는 동축 라인의 라인 임피던스에 대해 조정된다. 도전 트랙은 일정한 폭을 가질 수 있다. 바람직하게 적어도 하나의 도전 트랙은 다른 도전 트랙에 대해서 가변 폭을 갖는다. 즉, 도전 트랙들의 폭은 프로브 헤드와의 간격이 증가할수록 또는 대안으로서 프로브 헤드에 가까워질수록 증가할 수 있으므로, 개별 도전 트랙의 사다리꼴 형태가 주어진다. 하나의 도전 트랙의 폭 증가는 다른 도전 트랙의 폭 증가보다 크다.
실시예에서, 프로브 헤드는 바람직하게 3축 타원형, 특히 2개의 반구로 이루어진 구형이다. 반구는 중앙 캐리어 플레이트에 의해 분리될 수 있고, 상기 캐리어 플레이트는 프로브 코어를 통해 연장된다. 상기 캐리어 플레이트는 동시에 프로브 샤프트 내로 연장될 수도 있고, 이 경우 캐리어 플레이트의 각각의 측면에 전극 영역으로 안내되는 도전 트랙이 배치된다. 캐리어 플레이트의 프로브 헤드측 단부는 따라서 원형으로 확장되어 형성되는 한편, 프로브 샤프트는 그와 달리 길고 좁다.
본 발명에 따라, 프로브 헤드의 영역에서 전기적 대칭이 추구되고, 이는 반드시 반대 극성의 전극 영역들이 구조적으로 대칭으로 형성되어야 한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 구 형태가 거의 비슷할 수도 있다. 예컨대 제조 기술적인 이유로 성형 방법에서 더 간단한 성형을 가능하게 하는 구조가 필요할 수 있다.
발룬이 프로브 헤드의 전극 영역에서 끝나게 하거나 또는 프로브 헤드의 반대 극성의 영역 내에까지 연장시킬 수 있다. 즉, 공간적으로 발룬의 부분이 프로브 헤드의 영역에 위치하고, 예컨대 프로브 헤드가 금속 반구로서 형성되는 경우에는, 프로브 헤드의 중심까지 연장될 수 있다. 또한, 발룬은 도전 트랙에 의해 둘레를 따라 프로브 헤드의 표면, 즉 전극 영역에 연결되는 것이 고려될 수 있다.
중앙 캐리어 플레이트는 프린트 회로기판으로서 전술한 기본 재료로 제조될 수 있다. 또한, 전극 영역들로 둘러싸인, 프로브 코어의 내측 전극 캐리어를 캐리어 플레이트와 일체형으로, 예컨대 사출 성형부로 형성하는 것이 고려될 수 있다. 일체로 형성된 전극 캐리어를 포함하는 캐리어 플레이트는 후속해서 도전 재료로 코팅될 수 있고, 따라서 프로브 코어의 개별 전극 영역이 형성된다. 동시에 도전 트랙이 증착될 수 있다. 이러한 제조 단계는 특히 금속화이다. 바람직하게 구리층이 증착된다.
도전 트랙은 주변에 대해 차단된다. 따라서 코어 샤프트에 실드가 제공된다. 실드는 외부 금속화된 플라스틱 재킷에 형성될 수 있다. 상기 플라스틱 재킷은 하나의 부분으로 형성될 수 있으므로, 위에 도전 트랙이 배치된 캐리어 플레이트는 플라스틱 재킷 내로 삽입될 수 있다.
플라스틱 재킷을 다수의 부분으로 형성하고 적어도 도전 트랙을 향한 캐리어 플레이트의 상측면 및 하측면을 커버하는 것이 가능하다. 플라스틱 재킷의 횡단면은 원통형 형상을 갖거나 또는 다수의 부분으로 이루어진 경우에 원통형 세그먼트들로 이루어질 수 있다. 상기 원통형 세그먼트들은 캐리어 플레이트의 상측면 및 하측면을 서로 연결하는 좁은 면을 커버할 수도 있다. 또한, 캐리어 플레이트의 좁은 면에 실드가 직접 배치될 수도 있다.
또한, 캐리어 플레이트에 연결된 프린트 회로기판 위에 실드를 배치하는 것도 가능하다. 이로써 다층 회로가 제공되고, 상기 회로를 위한 다양한 제조 방법이 있다. 다층 회로기판 구조를 위한 지지 재료로서 AL2O3 와 같은 세라믹 또는 유리가 사용될 수 있고, 이들은 더 높은 온도의 플라즈마에서 사용을 가능하게 한다.
다층 회로기판 구조가 표준 프린트 회로기판 기술에 따라 선택되는지 또는 다층 회로가 소결된 세라믹 캐리어에 기초하여 선택되는지(Low Temperature Co-fired Ceramic, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC)) 또는 예컨대 도전 트랙과 같은 금속 구조가 플라스틱 캐리어에 제공되고 복잡한 3D구조의 제조도 저렴하게 가능하게 하는 MID-기술(MID = Moldes Interconnected Devices, 3차원 성형 기술)이 선택되는지 여부와 무관하게, 프로브는 공간 분해능 측정에 이용될 수 있고, 이 경우 프로브 코어와 샤프트는 직접 플라즈마에 노출되지 않아도 되고, 유전체로서 이용되고 폐쇄된 프로브 헤드측 단부를 가진 관 내에 배치될 수 있다. 상기 관은 재킷으로서 이용된다. 프로브는 수동으로 또는 컴퓨터를 이용하여 공간 분해능 측정을 위한 액추에이터를 이용하여 이동될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 특히, 플라즈마, 특히 저압 플라즈마의 전자 밀도를 측정하는데 이용된다. 명확하고 수학적으로 간단한 평가 규정의 제공시 고도의 측정 정확성이 달성되고, 이 경우 공간 분해능 측정이 가능하고 또한 산업적으로 적합하다. 입증된 프로브 디자인에 의해 1차 측정 곡선, 즉 임펄스 응답과 플라즈마의 조사된 특성값 사이의 관계를 수학식으로 명시할 수 있고, 따라서 이 방법은 국부적인 전자 밀도에 대해서만 적용되고 떨어져 있는 벽에 대한 커플링에는 적용되지 않는다. 측정 방법에서 프로브 헤드의 전기적 대칭의 형상이 중요하고, 상기 프로브 헤드는 전술한 바와 같이 특히 2개의 반구 또는 2개의 하프 셸이다. 절연된 영역의 적절한 형상에 의해 또는 재킷 직경 대 코어 직경 비의 변경에 의해 개별 다중극 성분으로 이루어진 전체 특성의 구성이 더 넓은 범위에서 변경될 수 있다.
프로브의 구조가 예를 들어 설명된다: 프로브 코어의 반경 Re이 재킷의 반경 Rd에 비해 작은 경우에, 쌍극 성분이 우세하다. 예컨대 재킷의 유전상수 εr = 2 이고, 프로브의 내부 반경 대 외부 반경 Re/Rd의 비 = 0.5가 선택되었고, 프로브를 둘러싸는 플라즈마 가장자리 층의 두께 δ가 Rd보다 작다는 전제 하에, 공명 주파수ωres 는 이러한 특수한 경우에 해당하는 하기 방정식으로부터 얻어진다:
상기 식에서 ωp 는 플라즈마의 국부적 플라즈마 주파수이고, 이것은 전자 밀도 ne와 밀접한 관련을 갖는다. 이에 따라 풀어보면 하기식이 성립한다.
각각의 타원형 특히 반구형의 프로브 형태에 맞추어진 비교적 간단하고 특히 명확한 평가 규정은 국부적 플라즈마 밀도의 매우 정확한 측정을 가능하게 한다.
소위 다중극 공명 프로브는 플라즈마 밀도의 검출뿐만 아니라 동시에 저압 플라즈마 내에서 전자 온도 및 충돌률, 즉 충돌 빈도의 검출에도 적합하다.
본 발명은 하기에서 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명된다.
도 1은 제 1 실시예의 프로브의 기본도.
도 2는 도 1에 따른 프로브의 실시예의 분해도.
도 3은 도 2의 발룬의 상부 도전 트랙의 평면도.
도 4는 도 2의 발룬의 하부 도전 트랙의 평면도.
도 5는 사출 성형된 전극 캐리어를 포함하는 플라스틱 캐리어 플레이트의 사시도.
도 6은 상측면 및 전극 캐리어의 금속화 후에 도 5의 캐리어 플레이트틀 도시한 도면.
도 7은 하측면의 금속화 후에 하측면에서 본 도 5 및 도 6의 캐리어 플레이트를 도시한 도면.
도 8은 도 5 내지 도 7의 형태에 따른 프로브를 위한 실드로서 외부 금속화된 플라스틱 재킷을 도시한 도면.
도 9는 프로브를 위한 실드의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 따른 프로브의 실시예의 분해도.
도 3은 도 2의 발룬의 상부 도전 트랙의 평면도.
도 4는 도 2의 발룬의 하부 도전 트랙의 평면도.
도 5는 사출 성형된 전극 캐리어를 포함하는 플라스틱 캐리어 플레이트의 사시도.
도 6은 상측면 및 전극 캐리어의 금속화 후에 도 5의 캐리어 플레이트틀 도시한 도면.
도 7은 하측면의 금속화 후에 하측면에서 본 도 5 및 도 6의 캐리어 플레이트를 도시한 도면.
도 8은 도 5 내지 도 7의 형태에 따른 프로브를 위한 실드로서 외부 금속화된 플라스틱 재킷을 도시한 도면.
도 9는 프로브를 위한 실드의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 1은 플라즈마의 밀도 및/또는 전자 온도 및/또는 충돌률을 측정하기 위한 장치의 구성을 사시도에 도시한다. 이 경우 플라즈마 내로 삽입될 수 있는 프로브(1)가 도시된다. 프로브(1)는 자유 단부에 프로브 헤드(2)를 갖고, 상기 프로브 헤드는 2개의 반구형 전극 영역들(3, 4)로 이루어진 프로브 코어(8)를 포함한다. 프로브 코어(8)는 전기적 대칭으로 형성된다. 프로브 코어(8)는 프로브 샤프트(5)에 의해 지지되고, 상기 샤프트는 실시예에서 길고 좁다. 프로브 샤프트(5)에 동축 라인 형태의 고주파 신호 피드(6)가 연결된다. 고주파 신호 피드(6)는 상세히 도시되지 않은, 고주파 신호의 커플링 수단, 즉 신호 발생기에 연결된다. 또한, 플라즈마 내로 커플링된 고주파 신호에 대한 임펄스 응답, 특히 공명 주파수를 측정하기 위한 수단 및 주어진 평가 규정에 따라 임펄스 응답의 함수로서 플라즈마의 소정의 특성값을 계산하기 위한 수단이 제공된다. 반구형의 프로브 형태에 매칭되는 평가 규정은 특히 국부적인 플라즈마 밀도의 고도의 정확한 측정을 가능하게 한다. 프로브 코어(8)는 단부가 폐쇄된 석영관 내에 배치되고, 상기 석영관은 재킷(7)을 형성한다. 프로브 코어(8)의 중심점을 기준으로 프로브 코어(8) 또는 재킷(7)의 반경은 플라즈마의 전자 밀도 측정에 중요한 변수이다. 재킷(7)은 프로브 코어(8)와 함께 기능 유닛으로서 프로브(1)의 프로브 코어(2)를 형성한다. 즉, 이 실시예에서 재킷(7)은 프로브(1)의 부분이다.
본 발명에서 프로브 샤프트(5) 및 고주파 신호 피드(6)의 배치가 중요하다. 고주파 신호 피드(6)에 의해 전기적 비대칭 신호가 프로브 샤프트(5) 내로 안내된다. 프로브 샤프트(5) 내에서 상기 전기적 비대칭 신호는 대칭 신호로 변환된다. 프로브 샤프트(5)는 발룬(9)을 포함한다.
프로브 샤프트(5)는 다층 구조로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이 중앙 캐리어 플레이드(10)가 제공된다. 캐리어 플레이트(10)는 길게 연장된 사각형 샤프트(11)와 원판 형태의 뒷부분(12)을 포함하고, 상기 뒷부분의 직경은 프로브 코어(2)의 반구형 전극 영역(3, 4)에 맞추어진다. 캐리어 플레이트(10)는 예컨대 FR4 또는 Ro4003®와 같은 프린트 회로기판용 기본 재료로 이루어진다. 두께는 바람직하게 200 ㎛이다. 땜납 또는 도전 접착제(13)에 의해 2개의 전극 영역들(3, 4)이 뒷부분(12)에 연결된다. 이 경우 동시에 중앙 캐리어 플레이트(10)의 상측면 및 하측면(14, 15)에 배치된 도전 트랙(16, 17)은 각각 반구형 전극 영역들(3, 4)과 접촉한다.
상기 2개의 도전 트랙(16, 17)의 정확한 구성은 도 3 및 도 4에 도시된다. 도전 트랙(16, 17)은 구리 성분으로 이루어지고, 바람직하게 17 ㎛의 두께를 갖는다. 도전 트랙(16, 17)은 경우에 따라서 뒷부분(12)의 중심점 내에까지 그리고 전극 영역(3, 4)의 원형면의 중심점까지 연장된다.
도 2에 따른 도면 평면에서 상부 층은 전극 영역(3) 아래의 시작 영역에서 0.2 mm의 폭(B1)을 갖는다. 이 실시예에서 캐리어 플레이트(10)의 다른 단부에는 0.4 mm의 폭(B2)이 주어진다. B1:B2의 비는 따라서 1:2이다.
대향 배치된 도전 트랙(17)은 원형 뒷부분(12)의 중앙에서 시작된다. 또한, 상기 도전 트랙은 0.2 mm의 시작 폭(B1)을 갖는다. 상기 도전 트랙(17)의 폭(B1)은 샤프트(11)의 단부를 향해 매우 현저히 증가하고, 즉 2.90 mm까지 증가한다. 이는 이 실시예에서 샤프트(11)의 전체 폭에 상응한다. B1 대 단부 폭 B3의 비는 이 실시예에서 1:14.5이다.
도전 트랙(16, 17) 상부에는 도 1의 실시예에서 150 ㎛의 두께를 갖는 프리프레그(18;prepreg)로 이루어진 다른 층이 배치된다. 프리프레그(18)는 2개의 프린트 회로기판 사이의 연결층으로서 이용된다. 도 2에는 프리프레그(18)만 생략되어 도시된다. 층 구조에서 도전 트랙(16, 17) 위에 다시 프린트 회로기판(19)이 연속한다. 프린트 회로기판(19)은 동일하게 구성되고 각각 17 ㎛의 두께를 가진 실드(20)를 포함한다. 실드(20)는 구리 재료로 이루어진다. 프린트 회로기판(19)은 Ro4003®으로 이루어진다.
도 1에는, 내부 도체(21)를 가진 동축 라인 형태의 고주파 신호 피드(6)가 도면 평면에서 상부 도전 트랙(16)에 접속되는 한편, 외부 도체(22)는 대향 배치된 도전 트랙(17)에 접속되는 것이 도시된다. 동축 라인의 실드(23)는 프로브 샤프트(5)의 영역에서 실드(20)에 연결된다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 프로브(1a)의 대안적인 제조 방법을 도시한다. 이 경우 금속 구조체가 플라스틱 캐리어 상에 배치되고, 상기 캐리어는 예컨대 사출 성형 기술에 의해 형성된다. 또한, 도 5는 캐리어 플레이트(10a)로 이루어진 본 발명에 따른 프로브(1a)의 블랭크를 도시하고, 상기 플레이트에 구형 전극 캐리어(24)가 일체형으로 사출 성형된다. 전극 캐리어(24)는 별도의 작업 단계에서 사출 성형될 수 있다. 바람직하게 전극 캐리어(24)와 캐리어 플레이트(10a)는 하나의 제조 단계에서 제조된다. 전극 캐리어(24)와 캐리어 플레이트(10a)는 다음 단계에서 금속화되고, 이 경우 반구형 전극 영역(3a, 4a) 및 제 1 실시예에서 설명된 도전 트랙(16;도 6, 17;도 7)이 형성된다.
상기 프로브(1a)의 제조 또는 전극 캐리어(24)를 포함하는 캐리어 플레이트(10a)의 제조는 매우 저렴하게 가능하다. 또한, 실드(20a, 20b)는 도 8 및 도 9를 참고로 설명되는 바와 같이 비교적 간단하게 구현될 수 있다.
도 8은 외부 금속화된 원통형 플라스틱 재킷(25)을 도시한다. 도 1의 실시예에서 별도의 2개의 구리층으로 형성된 실드(20)는 이 경우 실드(20a)에 의해 코팅된 원통 형태로 형성된다. 플라스틱 재킷(25)은 홈(26)을 갖고, 상기 홈에 도 5 내지 도 7에 도시된 프로브(1a)의 샤프트(5a)가 삽입될 수 있다.
도 9는 실드의 두 가지 방법을 도시한다. 도 8의 실시예에서처럼, 표면이 만곡된 실드(20b)가 사용된다. 이 실시예에서 실드는 원통형 섹션 또는 원통형 세그먼트의 형태를 갖는다. 만곡된 표면이 금속화된 2개의 플라스틱 재킷(27, 28)은 샤프트(5a) 상측면(14) 또는 하측면(15)에 고정된다. 또한, 샤프트(5a)의 좁은 측면에 금속부가 배치되고, 도 8의 실시예에서의 경우처럼 상기 금속부는 재킷(27, 28)과 조립시 폐쇄된 실드(20b)를 형성한다.
1 프로브
1a 프로브
2 프로브 헤드
3 전극
3a 전극
4 전극
4a 전극
5 프로브 샤프트
5a 프로브 샤프트
6 고주파 신호 피드
7 재킷
8 프로브 코어
8a 프로브 코어
9 발룬
10 캐리어 플레이트
10a 캐리어 플레이트
11 샤프트
12 뒷부분
13 도전 접착제
14 상측면
15 하측면
16 도전 트랙
17 도전 트랙
18 프리프레그
19 프린트 회로기판
20 실드
20a 실드
20b 실드
21 내부 도체
22 외부 도체
23 실드
24 전극 캐리어
25 플라스틱 재킷
26 홈
27 재킷
28 재킷
B1 폭
B2 폭
B3 폭
1a 프로브
2 프로브 헤드
3 전극
3a 전극
4 전극
4a 전극
5 프로브 샤프트
5a 프로브 샤프트
6 고주파 신호 피드
7 재킷
8 프로브 코어
8a 프로브 코어
9 발룬
10 캐리어 플레이트
10a 캐리어 플레이트
11 샤프트
12 뒷부분
13 도전 접착제
14 상측면
15 하측면
16 도전 트랙
17 도전 트랙
18 프리프레그
19 프린트 회로기판
20 실드
20a 실드
20b 실드
21 내부 도체
22 외부 도체
23 실드
24 전극 캐리어
25 플라스틱 재킷
26 홈
27 재킷
28 재킷
B1 폭
B2 폭
B3 폭
Claims (19)
- 플라즈마 내로 커플링된 고주파 신호에 대한 임펄스 응답을 측정하기 위한 수단, 임펄스 응답의 함수로서 밀도, 전자 온도, 충돌 빈도 중 적어도 하나를 계산하기 위한 수단 및 플라즈마 내로 삽입될 수 있고 프로브 헤드(2)와 프로브 샤프트(5, 11)를 가진 프로브를 포함하고, 상기 프로브 샤프트는 상기 프로브 헤드(2) 내로 고주파 신호의 전기적 커플링을 위한 신호 발생기에 연결되고, 상기 프로브 헤드(2)는 재킷(7)과 상기 재킷(7)으로 둘러싸인 프로브 코어(8)를 포함하고, 상기 프로브 코어(8)의 표면은 반대 극성의 서로 절연된 전극 영역들(3, 4, 3a, 4a)을 포함하는 플라즈마의 밀도를 측정하기 위한 장치에 있어서,
프로브(1)는 발룬(9;Balun)을 포함하고, 상기 발룬은 상기 프로브 헤드(2)와 전기적 비대칭 고주파 신호 피드(6) 사이에서 전기적 비대칭 신호를 대칭 신호로 변환하기 위해 작용하는 것이며,
상기 프로브(1)가 중앙 캐리어 플레이트(10)를 포함하고, 상기 캐리어 플레이트는 상기 프로브 코어(8) 및 상기 프로브 샤프트(5, 11)를 통해 연장되고, 상기 캐리어 플레이트(10)의 한 측면에 상기 프로브 코어(8)의 상기 전극 영역(3, 4)과 도전 트랙(16, 17)이 배치되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서, 전기적 비대칭 라인을 통해 신호 발생기에 대한 접속이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 동축 라인을 통해 전기적 비대칭 고주파 신호 피드(6)가 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발룬(9)은 상기 프로브 샤프트(5, 11) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발룬(9)의 입력 저항은 상기 전기적 비대칭 고주파 신호 피드(6)의 라인 임피던스(line impedance)에 상응하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발룬(9)은 각각 전극 영역(3, 4;3a,4a)에 연결되고, 대향 배치된 도전 트랙(16, 17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 6 항에 있어서, 도전 트랙(16, 17)은 원형 뒷부분(12)의 중앙과 샤프트(11)의 단부에서 폭(B1, B2, B3)이 상이함을 특징으로 하는 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 발룬(9)은 상기 프로브 코어(8)의 상기 전극 영역들(3, 4) 사이까지 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 전극 영역(3a, 4a)이 전극 캐리어(24)를 에워싸며, 전극 캐리어가 캐리어 플레이트(10a)와 일체형인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 전극 영역(3a, 4a)은 비도전성 전극 캐리어(24) 상에 도전 재료가 증착됨으로써 형성되고, 상기 도전 트랙(16, 17)은 비도전성 캐리어 플레이트(10a) 상에 도전 재료가 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 도전 트랙(16, 17)에 대해 이격되어 상기 프로브 샤프트(5, 11)에 실드(20)가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 12 항에 있어서, 상기 실드(20)는 외부 금속화된 플라스틱 재킷(7)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 플라스틱 재킷(7)은 하나의 부분으로 형성되므로, 캐리어 플레이트(10)는 상기 플라스틱 재킷(7) 내로 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 플라스틱 재킷(7)은 다수의 부분으로 형성되고, 상기 도전 트랙(16, 17)을 향한 상기 캐리어 플레이트(10)의 적어도 상측면 및 하측면(14, 15)을 커버하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 실드(20)는 프린트 회로기판(19) 상에 배치되고, 상기 프린트 회로기판은 캐리어 플레이트(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 프로브(1)는 소결된 세라믹 캐리어에 기초한 다층 회로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 프로브(1)는 관으로서 형성된 재킷(7) 내에 배치되고, 상기 관은 유전체로서 이용되고 프로브 헤드측을 향한 상기 관의 단부는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 7항 중 어느 한 항 또는 제 9 항 내지 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치가 플라즈마의 밀도, 전자 온도, 충돌 빈도 중 적어도 하나를 측정하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
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| KR1020137004143A KR101567176B1 (ko) | 2010-10-06 | 2011-10-06 | 플라즈마의 밀도 및/또는 전자 온도 및/또는 충돌 빈도를 측정하기 위한 장치 |
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| KR (1) | KR101567176B1 (ko) |
| DE (1) | DE102010055799B3 (ko) |
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