KR101916702B1 - 컷오프 프로브를 이용한 정자기장 측정 방법 - Google Patents

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KR101916702B1 KR1020170140397A KR20170140397A KR101916702B1 KR 101916702 B1 KR101916702 B1 KR 101916702B1 KR 1020170140397 A KR1020170140397 A KR 1020170140397A KR 20170140397 A KR20170140397 A KR 20170140397A KR 101916702 B1 KR101916702 B1 KR 101916702B1
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Abstract

본 발명의 외부 정자기장 측정 장치 및 측정 방법을 제공한다. 이 외부 정자기장 측정 방법은, 외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장과 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나를 구비하는 제1 컷오프 프로브를 삽입하는 단계; 상기 제1 컷오프 프로브를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최대가 되는 제1 각도를 결정하는 단계; 외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나를 구비한 제2 컷오프 프로브를 삽입하는 단계; 상기 제2 컷오프 프로브를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최소가 되는 제2 각도를 결정하는 단계; 및 상기 제1 각도에서 측정된 제1 플라즈마 공명 주파수와 상기 제2 각도에서 측정된 제2 플라즈마 공명 주파수를 이용하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

컷오프 프로브를 이용한 정자기장 측정 방법{A Static Magnetic Field Measuring Method Using a Cutoff Probe}
본 발명은 정자기장 측정 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 컷오프 프로브를 이용한 정자기장 측정 방법에 관한 것이다.
플라즈마 공정은 반도체 제조, 평판 표시 소자 제조, 태양전지 제조 등에 널리 이용되고 있다. 플라즈마 공정의 신뢰성의 확보하기 위하여, 플라즈마 공정 조건 또는 공정 재현성 등을 모니터링하는 기술이 필요하다. 전자 밀도는 라디칼(radicla) 밀도와 직접적인 연관이 있다. 상기 전자 밀도 또는 상기 라디칼 밀도는 증착 또는 식각 공정의 속도와 밀접한 연관이 있다. 상기 전자 밀도를 측정할 수 있는 도구로 랑뮈어 탐침(Langmuir Probe), 레이저 톰슨 산란(Laser Thomson scattering) 등이 있다. 이 방법들은 플라즈마 공정에서 사용하기에 매우 제한적이다. 예를 들어, 랑뮈어 탐침의 경우, 플라즈마 생성용 RF 전원에 의한 노이즈 문제, 박막 증착 시 탐침에 증착되는 문제, 식각 시 탐침이 식각되어 작아지는 문제 등이 있다. 레이저 톰슨 산란의 경우, 시스템이 크고 복잡하다.
이를 개량하기 위해 나온 방법이 투과 스텍트럼의 진폭을 이용한 컷오프 방법(cutoff probe method)이다. 플라즈마는 고유한 플라즈마 주파수를 가진다. 상기 플라즈마 주파수는 플라즈마 밀도와 직접적인 관계가 있다. 상기 플라즈마 주파수는 상기 플라즈마의 전자 밀도를 직접적으로 측정할 수 있게 된다. 전자기파의 주파수가 상기 플라즈마 주파수 이상이면, 상기 전자기파는 플라즈마를 통과하여 진행한다. 한편, 전자기파의 주파수가 상기 플라즈마 주파수 미만이면, 상기 전자기파는 상기 플라즈마를 통과하지 못하고 컷오프(cutoff)된다. 가변 주파수 발진기가 300 KHz 에서 6 GHz 까지의 주파수를 연속적으로 송신 안테나로 보내면, 송신 안테나에서 방출된 전자기파는 수신안테나에 수신되어 수신 전기신호로 바뀐다. 이 경우, 상기 전자 밀도에 따라 정해지는 플라즈마 주파수 미만을 갖는 전자기파는 플라즈마를 통과하지 못하여 수신안테나에 수신이 안 되거나 매우 약한 신호만 수신이 된다. 즉, 투과 스펙트럼의 세기 또는 진폭을 측정을 통해 컷오프를 찾아내었다. 한국등록특허 KR 10-1310766는 외부 정자기장 없는 플라즈마를 회로로 모델링한 회로 모델에 대입하여 쉬스의 두께를 구하는 공정 모니터링 방법을 제안한다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 자화된 플라즈마의 컷오프 주파수를 측정하여 외부 정자기장을 측정하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외부 정자기장 측정 방법은, 외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장과 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나를 구비하는 제1 컷오프 프로브를 삽입하는 단계; 상기 제1 컷오프 프로브를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최대가 되는 제1 각도를 결정하는 단계; 외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나를 구비한 제2 컷오프 프로브를 삽입하는 단계; 상기 제2 컷오프 프로브를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최소가 되는 제2 각도를 결정하는 단계; 및 상기 제1 각도에서 측정된 제1 플라즈마 공명 주파수와 상기 제2 각도에서 측정된 제2 플라즈마 공명 주파수를 이용하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 각도에서 측정된 제1 플라즈마 공명 주파수(ωr1)와 상기 제2 각도에서 측정된 제2 플라즈마 공명 주파수(ωr2)를 이용하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 단계는, 상기 제1 플라즈마 공명 각주파수(ωr1)는 외부 정자기장과 상기 제1 컷오프 프르브에 의하여 생성된 전기장은 서로 수직인 상태이고, 상기 제1 플라즈마 공명 각주파수(ωr1)는
Figure 112017106146257-pat00001
로 주어진다. 상기 제2 플라즈마 공명 각주파수(ωr2)는 외부 정자기장과 상기 제2 컷오프 프르브에 의하여 생성된 전기장은 서로 평행한 상태이고, 상기 제2 플라즈마 공명 각주파수(ωr2)는
Figure 112017106146257-pat00002
로 주어진다. 여기서, ωce = eB/me 이고,
Figure 112017106146257-pat00003
이고, me 는 전자의 질량이고, e는 전자의 전하량이고, ne는 전자 밀도이고, εo는 진공의 유전율이고, B는 외부 정자기장의 세기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외부 정자기장 측정 장치는, 외부 정자기장 하에서 동작하고 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나를 구비한 제1 컷오프 프로브; 외부 정자기장 하에서 동작하고 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나를 구비한 제2 컷오프 프로브; 상기 제1 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제1 수신 안테나를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제1 투과계수를 측정하고, 상기 제2 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제2 수신 안테나를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제2 투과계수를 측정하는 네트워크 분석기; 및 상기 네트워크 분석기에서 측정된 제1 투과 계수 및 제2 투과 계수를 분석하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 분석부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 컷오프 프로브를 회전시키는 제1 회전 부재; 및 상기 제2 컷오프 프로브를 회전시키는 제2 회전 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컷오프 프로브를 사용하여 외부 자기장의 세기를 구할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 정자기장 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 외부 정자기장 측정 장치의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 외부 정자기장 측정 장치의 정면도를 나타내는 도면이다.
도 4는 외부 정자기장에 나란히 정렬된 제1 컷오프 프로브의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 외부 정자기장에 수직하게 정렬된 제2 컷오프 프로브의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실예에 따른 스캔 주파수에 따른 제1 컷오프 프로브의 투과 계수(S21)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실예에 따른 스캔 주파수에 따른 제2 컷오프 프로브의 투과 계수(S21)를 나타낸다.
도 8은 도 6의 제1 플라즈마 공명 주파수 및 도 7의 제2 플라즈마 공명 주파수를 외부 자기장에 따라 표시된다.
도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 자기장 측정 방법에 의하여 산출된 외부 자기장을 별도의 자기 센서를 측정한 결과로 나눈 결과이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 정자기장 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 외부 정자기장 측정 장치의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 외부 정자기장 측정 장치의 정면도를 나타내는 도면이다.
도 4는 외부 정자기장에 나란히 정렬된 제1 컷오프 프로브의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 외부 정자기장에 수직하게 정렬된 제2 컷오프 프로브의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 1 내지도 도 5를 참조하면, 외부 정자기장 측정 장치(100)는, 외부 정자기장(B) 하에서 동작하고 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장(B)과 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나(111)와 제1 수신 안테나(112)를 구비한 제1 컷오프 프로브(110); 외부 정자기장(B) 하에서 동작하고 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장(B)에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나(121)와 제2 수신 안테나(121)를 구비한 제2 컷오프 프로브(120); 상기 제1 방사 안테나(111)에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제1 수신 안테나(112)를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제1 투과계수를 측정하고, 상기 제2 방사 안테나(121)에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제2 수신 안테나(122)를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제2 투과계수를 측정하는 네트워크 분석기(130); 및 상기 네트워크 분석기에서 측정된 제1 투과 계수 및 제2 투과 계수를 분석하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 외부 자기장 분석부(140)를 포함한다.
진공 챔버(11)는 원형 또는 사각형 챔버이고, 진공 펌프에 의하여 배기되고 공급가스에 의하여 일정한 압력을 유지할 수 있다. 상기 진공 챔버(11)는 플라즈마를 감금할 수 있다.
플라즈마 발생원(12)은 상기 진공 챔버(11)의 내부에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 축전 결합 플라즈마를 발생시키는 전극 또는 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 안테나일 수 있다. 상기 플라즈마 발생원 직류 방전, 또는 초고주파 방전을 사용할 수 있다. 유도 결합 플라즈마인 경우, 플라즈마 발생원(12)은 안테나이고 RF 전원(14)으로부터 RF 전력을 공급받을 수 있다. 상기 보조 진공 챔버(11a)는 유전체 재질이고 상기 보조 진공 챔버(11a)를 투과하는 유도 기전력에 의하여 보조 진공 챔버 내부(11a)에 플라즈마를 형성할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크(13)는 RF 전원(14)과 및 플라즈마 발생원(12) 사이에 배치되어 최대의 전력을 전달할 수 있다.
외부 정자기장은 상기 플라즈마를 구속(confine)할 수 있다. 외부 정자기장은 한 쌍의 자석(151, 152)을 통하여 상기 챔버 내부에 자기장을 생성할 수 있다. 상기 외부 정자기장은 z축 방향으로 정렬된 정자기장일 수 있다. 한 쌍의 자석(151, 152)의 자석은 전자석으로 흐르는 전류를 조절하여 외부 자기장의 세기를 조절할 수 있다.
외부 정자기장은 플라즈마 없는 경우에는 통상적인 자기장 센서를 통하여 측정될 수 있다. 그러나, 외부 정자기장과 플라즈마가 공존하는 경우, 외부 정자기장을 측정할 수 있는 방법이 거의 없었다. 그러나, 본 발명은 플라즈마와 외부 정자기장이 공존하는 경우, 외부 정자기장을 측정하는 방법을 제안한다. 외부 정자기장은 한 쌍의 영구자석을 이용하여 z축 방향으로 형성될 수 있다.
상기 제1 컷오프 프로브(110)는 서로 인접하게 나란히 연장되는 제1 방사 안테나(111)와 제1 수신 안테나(112)를 포함할 수 있다. 제1 방사 안테나(111)와 제1 수신 안테나(112) 사이의 간격은 수 mm일 수 있다. 제1 방사 안테나(111)는 원형 실린더 형상 도전성 프로브(111a), 상기 도전성 프로브 주위를 감싸는 절연체(111b), 상기 절연체를 감싸고 접지된 도전성 외피(111c)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 프로브(111a)의 일단은 절연체 및 도전성 외피에 의하여 감싸지 않고 노출되고, 플라즈마에 노출되어 전자기파를 방사한다. 상기 도전성 프로브(111a)의 일단의 노출된 길이는 수 mm일 수 있다. 상기 도전성 프로브(111a)의 일단은 상기 외부 정자기장에 나란히 정렬될 수 있다.
상기 제1 수신 안테나(112)는 원형 실린더 형상 도전성 프로브(112a), 상기 도전성 프로브 주위를 감싸는 절연체(112b), 상기 절연체를 감싸고 접지된 도전성 외피(112c)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 프로브(112a)의 일단은 절연체 및 도전성 외피에 의하여 감싸지 않고 노출되고, 플라즈마에 노출되어 전자기파를 수신한다. 상기 도전성 프로브(112a)의 일단은 상기 외부 정자기장에 나란히 정렬될 수 있다.
제1 가이드(113)는 상기 제1 컷오프 프로브를 감싸고 안내하도록 연장되고, 진공 챔버의 측면에서 삽입되어 수직한 z축 방향으로 구부러질 수 있다. 이에 따라, 상기 도전성 프로브(111a, 112a)의 일단이 상기 외부 정자기장 방향으로 연장될 수 있다. 상기 도전성 프로브(111a, 112a)의 일단에 의하여 생성되는 전기장(E1)은 외부 정자기장에 수직한 방향일 수 있다.
제1 회전 부재(115)는 제1 가이드(113) 및 상기 제1 컷오프 프로브(110)를 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 컷오프 프로브의 노출된 도전성 프로브(111a,112a)의 일단은 상기 외부 정자기장(B)에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다.
구좌표계에서, 다이폴 안테나 패턴을 보면, 전기 다이폴의 전기장 패턴과 유사하다. 웨이브의 진행방향은 안테나의 수직방향으로 발생한다. 따라서, 제1 방사 안테나(111)와 제1 수신 안테나(112)는 최대의 전력을 전달하도록 서로 나란히 연장될 수 있다. 컷오프 탐침은 약 0.5 GHz~6 GHz의 wave를 사용할 수 있다. 컷오프 탐침에서 제1 방사 안테나(111)와 제1 수신 안테나(112) 사이의 이격 거리는 약 5mm 이내일 수 있다. 제1 방사 안테나(111)의 근접장 영역(near field region)에 제1 수신 안테나(112)가 배치된다.
CST 시뮬레이션 결과에 따르면, 이러한 근접장 영역에서 컷오프 탐침에 사용되는 안테나의 전기장은 두 안테나의 연장 방향에 수직할 수 있다.
상기 제2 컷오프 프로브(120)는 서로 인접하게 나란히 연장되는 제2 방사 안테나(121)와 제2 수신 안테나(122)를 포함할 수 있다. 제2 방사 안테나(121)와 제2 수신 안테나(122) 사이의 간격은 수 mm일 수 있다. 제2 방사 안테나(121)는 원형 실린더 형상 도전성 프로브(121a), 상기 도전성 프로브 주위를 감싸는 절연체(121b), 상기 절연체를 감싸고 접지된 도전성 외피(121c)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 프로브(121a)의 일단은 플라즈마에 노출되어 전자기파를 방사한다. 상기 제2 수신 안테나(122)는 원형 실린더 형상 도전성 프로브(122a), 상기 도전성 프로브 주위를 감싸는 절연체(122b), 상기 절연체를 감싸고 접지된 도전성 외피(122c)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 프로브(122a)의 일단은 플라즈마에 노출되어 전자기파를 수신한다. 상기 도전성 프로브(122a)의 일단의 노출된 길이는 수 mm일 수 있다. 상기 도전성 프로브(122a)의 일단은 상기 외부 정자기장 에 수직하게 정렬될 수 있다. 상기 도전성 프로브(121a, 122a)의 일단에 의하여 생성되는 전기장(E2)은 외부 정자기장에 나란히 정렬될 수 있다.
제2 가이드(123)는 상기 진공 챔버의 측면에 삽입되고 상기 제2 컷오프 프로브(120)를 감싸고 안내하도록 연장될 수 있다. 제2 회전 부재(125)는 제2 가이드(123) 및 상기 제2 컷오프 프로브(120)를 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 컷오프 프로브의 노출된 도전성 프로브(121a,122a)의 일단은 상기 외부 정자기장 에 수직하게 정렬될 수 있다. 이에 따라, 도전성 프로브(121a,122a)의 일단 사이에 생성된 전기장(E2)는 외부 정자기장과 나란히 정렬될 수 있다.
네트워크 분석기(130)는 상기 제1 방사 안테나(111)에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제1 수신 안테나(112)를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제1 투과계수를 측정한다. 네트워크 분석기(130)는 상기 제2 방사 안테나(121)에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제2 수신 안테나(122)를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제2 투과계수를 측정한다.
외부 자기장 분석부(140)는 상기 네트워크 분석기(130)로부터 제1 투과계수 및 제2 투과계수를 제공받아, 제1 투과 계수로부터 제1 플라즈마 공명 주파수를 산출하고, 제2 투과 계수로부터 제2 플라즈마 공명 주파수를 산출할 수 있다. 또한, 외부 자기장 분석부(140)는 제1 플라즈마 공명 주파수 및 제2 플라즈마 공명 주파수를 사용하여 외부 자기장을 산출할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 정자기장 측정 방법이 설명된다.
외부 정자기장 측정 방법은, 외부 정자기장(B) 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장과 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나를 구비하는 제1 컷오프 프로브(110)를 삽입하는 단계; 상기 제1 컷오프 프로브(110)를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최대가 되는 제1 각도를 결정하는 단계; 외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나를 구비한 제2 컷오프 프로브(120)를 삽입하는 단계; 상기 제2 컷오프 프로브(120)를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최소가 되는 제2 각도를 결정하는 단계; 및 상기 제1 각도에서 측정된 제1 플라즈마 공명 주파수와 상기 제2 각도에서 측정된 제2 플라즈마 공명 주파수를 이용하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 단계를 포함한다.
플라즈마와 외부 정자기장이 존재하는 경우, 플라즈마에 의한 유전율은 텐서로 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017106146257-pat00004
여기서, εo는 진공의 유전율이고, κp는 상대 유전율 텐서이다. κ⊥은 외부 정자기장의 수직 성분이고, κx은 교차 수평 성분이다. κ∥는 외부 정자기장의 수평 성분이다.
제1 컷오프 프로브(110)에서, 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나는 서로 나란히 연장되고, 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나 사이에 전기장(E1)이 생성된다. 이에 따라, 외부 정자기장(B)은 상기 전기장(E1)에 수직하게 정렬된다. 이 경우, κx는 원 전기장 영역(far field region)에서만 고려되고, 근전기장 영역(near field region)에서는 κ⊥은 성분만이 동작한다.
제2 컷오프 프로브(120)에서, 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나는 서로 나란히 연장되고, 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나 사이에 전기장(E2)이 생성된다. 이에 따라, 외부 정자기장(B)은 상기 전기장(E2)와 나란히 정렬된다. 이 경우, κ∥ 성분만이 동작한다.
제2 컷오프 프로브(120)가 외부 정자기장에 수직한 경우, 제2 컷오프 프로브의 전기장(E2)은 외부 정자기장과 평행할 수 있다. κ∥은 자화되지 않은 플라즈마의 유전율과 동일할 수 있다. 이 경우, 제2 컷오프 프로브는 등가회로로 표시될 수 있다.
제2 컷오프 프로브의 전기장(E2)이 외부 정자기장(B)과 평행한 경우,
제2 방사 안테나(121)의 전위는 Vr이고, 제1 수신 안테나(122)의 전위는 Vd이다. 쉬스(sehath) 및 플라즈마의 회로는 서로 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp), 상기 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp)에 병렬 연결된 플라즈마 축전기(Co), 및 상기 병렬된 플라즈마 축전기(Co)의 양단에 각각 연결된 방사 안테나 쉬스 축전기(Cs1) 및 수신 안테나 쉬스 축전기(Cs2)를 포함할 수 있다. 상기 방사 안테나 쉬스 축전기(Cs1) 및 수신 안테나 쉬스 축전기(Cs2)는 동일할 수 있다. 상기 플라즈마의 임피던스(Zp)는 서로 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp), 상기 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp)에 병렬 연결된 플라즈마 축전기(Co)로 모델링될 수 있다.
플라즈마 인덕터(Lp), 플라즈마 저항(Rp), 플라즈마 축전기(Co),방사 안테나 쉬스 축전기(Cs), 회로의 총 임피던스(Ztot), 및 투과 계수(S21)는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112017106146257-pat00005
여기서, ν는 충돌 주파수, ε0는 유전상수, h는 방사 안테나 팁(tip)의 길이, d는 방사 안테나와 수신 안테나 사이의 거리, r은 방사 안테나(수신 안테나)의 반경, s는 쉬스의 두께, ωpe 는 플라즈마 각주파수 또는 컷오프 각주파수이고, ωpe는 전자 밀도에 의존하는 함수이다.
한편, 제1 컷오프 프로브(110)가 외부 정자기장에 평행한 경우, 제2 컷오프 프로브의 전기장(E1)은 외부 정자기장과 수직할 수 있다. κ⊥은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017106146257-pat00006
여기서,
Figure 112017106146257-pat00007
는 전자 사이클로트론 주파수이고,
Figure 112017106146257-pat00008
이고, me 는 전자의 질량이고, e는 전자의 전하량이고, ne는 전자 밀도이고, εo는 진공의 유전율이다.
이에 따라, 제2 컷오프 프로브의 전기장(E1)은 외부 정자기장과 수직한 경우, 회로의 총 임피던스(Ztot)는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112017106146257-pat00009
여기서, Zm은 외부 자기장과 수직한 전기장에 의한 추가적인 자화 임피던스이다.
만약, 네트워크 분석부의 스캔하는 각주파수(ω)가 충돌 주파수(ν)보다 큰 경우, 제1 플라즈마 공명 각주파수(ωr1)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017106146257-pat00010
또한, 상기 제2 플라즈마 공명 각주파수(ωr2)는 외부 정자기장과 상기 제2 컷오프 프로브에 의하여 생성된 전기장은 서로 평행한 상태이고, 상기 제2 플라즈마 공명 각주파수(ωr2)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112017106146257-pat00011
제1 공명 각주파수와 제2 공명 각주파수를 이용하여 연산하며, 외부 자기장(B)이 다음과 같이 산출된다.
Figure 112017106146257-pat00012
도 6은 본 발명의 일 실예에 따른 스캔 주파수에 따른 제1 컷오프 프로브의 투과 계수(S21)를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 외부 자기장이 증가함에 따라, 제1 플라즈마 공명 주파수(fr1 = ωr1/ 2π)가 증가한다.
도 7은 본 발명의 일 실예에 따른 스캔 주파수에 따른 제2 컷오프 프로브의 투과 계수(S21)를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 외부 자기장이 증가함에 따라, 제2 플라즈마 공명 주파수(fr2 = ωr2/ 2π)가 증가한다.
도 8은 도 6의 제1 플라즈마 공명 주파수 및 도 7의 제2 플라즈마 공명 주파수를 외부 자기장에 따라 표시된다.
도 8을 참조하면, 측정된 진공 챔버의 압력은 10 mTorr 이다. 사각형은 외부 자기장(B)과 전기장(E2)이 서로 평행한 경우이다. 원형은 외부 자기장과 전기장(E2)이 서로 수직한 경우이다. 역삼각형은 회로 시뮬레이션을 통하여 구한 공명 주파수이다.
도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 자기장 측정 방법에 의하여 산출된 외부 자기장을 별도의 자기 센서를 측정한 결과로 나눈 결과이다.
도 9를 참조하면, 자기장 비는 (Bmea - Bgauge) / Bgauge 이다. Bmea 는 본 발명에 의하여 산출된 외부 자기장의 세기이고, Bgauge 는 별도의 자기장 센서를 사용하여 측정한 외부 자기장의 세기이다. 약 100 가우스 근처에서 가장 작은 오차를 보였다.
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.
100: 외부 정자기장 측정 장치
110: 제1 컷오프 프로브
120: 제2 컷오프 프로브
130: 네트워크 분석기
140: 외부 자기장 분석부

Claims (4)

  1. 외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장과 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나를 구비하는 제1 컷오프 프로브를 삽입하는 단계;
    상기 제1 컷오프 프로브를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최대가 되는 제1 각도를 결정하는 단계;
    외부 정자기장 하에서 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나를 구비한 제2 컷오프 프로브를 삽입하는 단계; 및
    상기 제2 컷오프 프로브를 회전시키어 플라즈마 공명 주파수가 최소가 되는 제2 각도를 결정하는 단계;
    상기 제1 각도에서 측정된 제1 플라즈마 공명 주파수와 상기 제2 각도에서 측정된 제2 플라즈마 공명 주파수를 이용하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 정자기장 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 각도에서 측정된 제1 플라즈마 공명 주파수(ωr1)와 상기 제2 각도에서 측정된 제2 플라즈마 공명 주파수(ωr2)를 이용하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 단계는:
    상기 제1 플라즈마 공명 각주파수(ωr1)는 외부 정자기장과 상기 제1 컷오프 프르브에 의하여 생성된 전기장은 서로 수직인 상태이고,
    상기 제1 플라즈마 공명 각주파수(ωr1)는
    Figure 112017106146257-pat00013

    로 주어지고,
    상기 제2 플라즈마 공명 각주파수(ωr2)는 외부 정자기장과 상기 제2 컷오프 프르브에 의하여 생성된 전기장은 서로 평행한 상태이고,
    상기 제2 플라즈마 공명 각주파수(ωr2)는
    Figure 112017106146257-pat00014

    로 주어지고,
    여기서, ωce = eB/me 이고,
    Figure 112017106146257-pat00015
    이고, me 는 전자의 질량이고, e는 전자의 전하량이고, ne는 전자 밀도이고, εo는 진공의 유전율이고, B는 외부 정자기장의 세기인 것을 특징으로 하는 외부 정자기장 측정 방법.
  3. 외부 정자기장 하에서 동작하고 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 나란히 연장되는 한 쌍의 제1 방사 안테나와 제1 수신 안테나를 구비한 제1 컷오프 프로브;
    외부 정자기장 하에서 동작하고 플라즈마 내부에서 상기 외부 정자기장에 수직하게 연장되는 한 쌍의 제2 방사 안테나와 제2 수신 안테나를 구비한 제2 컷오프 프로브;
    상기 제1 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제1 수신 안테나를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제1 투과계수를 측정하고, 상기 제2 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 제2 수신 안테나를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 제2 투과계수를 측정하는 네트워크 분석기; 및
    상기 네트워크 분석기에서 측정된 제1 투과 계수 및 제2 투과 계수를 분석하여 상기 외부 정자기장의 세기를 산출하는 외부 자기장 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 정자기장 측정 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 컷오프 프로브를 회전시키는 제1 회전 부재; 및
    상기 제2 컷오프 프로브를 회전시키는 제2 회전 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 정자기장 측정 장치.

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