KR102197369B1 - 타임 게이팅법을 적용한 초고주파 교차 주파수 플라즈마 진단 방법 - Google Patents

타임 게이팅법을 적용한 초고주파 교차 주파수 플라즈마 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 교차 주파수 플라즈마 진단 장치는, 펄스 형태의 방사 신호를 출력하는 펄스 발생기; 상기 펄스 발생기를 통하여 상기 방사신호를 제공받아 플라즈마로 전자기파를 방출하는 송신 안테나; 상기 송신 안테나와 이격되어 배치되고 상기 플라즈마를 투과한 상기 전자기파를 수신하여 투과 신호로 변환하는 수신 안테나; 상기 방사 신호를 획득하고 제1 게이팅 시간 및 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간 내에 상기 수신 안테나를 통하여 제1 투과신호 및 제2 투과신호를 획득하는 측정부; 상기 펄스 발생기의 상기 방사 신호에 동기화된 트리거 신호를 생성하여 상기 펄스 발생기 및 상기 측정부에 제공하는 지연 신호 발생기; 및 상기 방사 신호, 상기 제1 투과신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하는 신호 처리부;를 포함한다.

Description

타임 게이팅법을 적용한 초고주파 교차 주파수 플라즈마 진단 방법{Microwave Cross Frequency Plasma Diagnostic Method by Applying Time Gating Method}
본 발명은 플라즈마 진단 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 타임 게이팅법을 적용한 교차주파수 플라즈마 진단 방법에 관한 것이다.
반도체, 태양전지, 평면디스플레이 등의 제조 산업에 있어 플라즈마 공정(플라즈마 식각, 증착, 세정 등)은 전체 공정의 30% 정도의 비율을 차지하기 하고 있다. 플라즈마 공정의 중요성이 현재 대두되고 있는 상황이다. 이러한 플라즈마 공정의 효율 및 생산성은 플라즈마의 전자밀도와 밀접한 관련이 있으며, 특히 전자밀도는 플라즈마 실시간 공정 모니터링 변수 중 가장 직관적인 변수로 알려져 있다. 따라서, 과거부터 플라즈마 밀도 진단을 위한 기술이 지속적으로 연구/개발되어졌다.
마이크로파를 이용한 진단기술은 크게 마이크로파의 반사, 흡수 및 투과도를 측정하는 방법으로 분류된다. 현재까지 활발히 연구되고 있는 마이크로파의 반사 스펙트럼을 측정하는 방법은 Multipole Resonance 탐침법과 Hair-pin 탐침법이 있다. 흡수 스펙트럼을 측정하는 Plasma Absorption 탐침법이 있다. 그리고 투과 스펙트럼을 측정하는 컷오프 탐침이 있다. 최근, 플라즈마 방전 전/후 투과 스펙트럼의 교차주파수를 측정하는 교차 주파수 플라즈마 진단 방법이 개발되었다.
본 발명의 발명자들은 초고주파를 이용한 교차주파수 진단 방법이 개발하였다. 교차주파수 플라즈마 진단 방법은 탐침 형태의 송신 및 수신 안테나와 회로망 분석기(network analyzer)를 이용하여 플라즈마 발생 전/후의 투과 스펙트럼이 교차하는 주파수를 측정함으로써 플라즈마 밀도를 측정하는 방법이다. 하지만, 저압 플라즈마 발생 용기에 안테나를 삽입하게 되면, 방전 전/후 투과 스펙트럼이 cavity-공진에 의해 심하게 왜곡되고, 이로 인해 교차주파수의 측정 신뢰도가 현저히 떨어지게 되는 문제가 발생한다. 또한, 방전 전 스펙트럼을 별도로 측정하기 때문에 플라즈마 발생 용기에 따라 측정 신뢰도가 변할 수 있으며, 기본적으로 회로망 분석기를 사용하기 때문에 고속 측정의 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고속 및 높은 신뢰성을 가지고 플라즈마 밀도를 검출할 수 있는 진단 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교차 주파수 플라즈마 진단 방법은, 펄스 발생기를 통하여 송신 안테나에 펄스 형태의 방사신호를 제공하여 플라즈마로 전자기파를 방출하는 단계; 상기 송신 안테나와 이격되어 배치된 수신 안테나를 통하여 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호를 획득하고 상기 수신 안테나를 통하여 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호 및 제2 투과 신호를 획득하는 단계; 상기 방사 신호를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호를 산출하는 단계; 상기 제1 투과 신호를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호를 산출하고 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호를 산출하는 단계; 상기 기준 스펙트럼 신호를 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 기준 스펙트럼 신호를 생성하는 단계; 상기 플라즈마 스펙트럼 신호를 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호를 생성하는 단계; 및 상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호가 교차하는 교차주파수를 추출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 획득하는 단계는, 상기 제2 투과 신호에서 상기 제1 게이팅 시간 이후에 획득된 데이터를 제거하여 상기 제1 투과 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 교차주파수로부터 전자 밀도를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교차 주파수 플라즈마 진단 장치는, 펄스 형태의 방사 신호를 출력하는 펄스 발생기; 상기 펄스 발생기를 통하여 상기 방사신호를 제공받아 플라즈마로 전자기파를 방출하는 송신 안테나; 상기 송신 안테나와 이격되어 배치되고 상기 플라즈마를 투과한 상기 전자기파를 수신하여 투과 신호로 변환하는 수신 안테나; 상기 방사 신호를 획득하고 제1 게이팅 시간 및 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간 내에 상기 수신 안테나를 통하여 제1 투과신호 및 제2 투과신호를 획득하는 측정부; 상기 펄스 발생기의 상기 방사 신호에 동기화된 트리거 신호를 생성하여 상기 펄스 발생기 및 상기 측정부에 제공하는 지연 신호 발생기; 및 상기 방사 신호, 상기 제1 투과신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하는 신호 처리부;를 포함한다. 상기 신호 처리부는 상기 방사 신호를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호를 산출하고, 상기 신호 처리부는 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호를 산출하고, 상기 신호 처리부는 상기 방사 신호와 동기화되고 상기 제2 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호를 산출하고, 상기 신호 처리부는 상기 기준 스펙트럼 신호를 상기 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 기준 스펙트럼 신호를 생성하고, 상기 신호 처리부는 상기 플라즈마 스펙트럼 신호를 상기 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호를 생성하고, 상기 신호 처리부는 상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호가 교차하는 교차주파수를 추출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법은 (1) 투과 스펙트럼에서 cavity-공진 제거 가능, (2) 교차 주파수 측정 신뢰도 확보, (3) 방전 전 스펙트럼을 별도로 측정하지 않아도 되고, 그리고 (4) 고속 진단이 가능한 장점을 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법의 측정 및 처리에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법을 검증하기 위한 전자기 시뮬레이션에서 사용된 경계조건을 포함한 영역, 송신 안테나 및 송신 안테나를 나타내는 개념도이다.
도 5는 전자기 시뮬레이션으로 계산한 타임 게이팅법을 적용하지 않은 투과 스펙트럼을 압력에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 주파수 플라즈마 진단 방법에서 게이팅 시간에 따른 방사 신호 및 수신 신호를 나타낸다.
도 7은 도 6의 방사 신호 및 투과 신호에 대응하는 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 압력에 따른 규격화된 플라즈마 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 압력에 따른 규격화된 기준 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 8 및 도 9로부터 계산한 압력에 따른 교차 주파수를 나타낸다.
교차 주파수 플라즈마 진단 방법은, 플라즈마가 없는 상태에서 네트워크 분석기의 제1 포트에 연결된 방사 안테나에 초고주파수의 구동 주파수를 스캔하면서 초고주파를 방사하고, 상기 네트워크 분석기의 제2 포트에 연결된 수신 안테나를 통하여 주파수에 따른 제1 투과 계수를 측정한다. 플라즈마가 있는 상태에서 네트워크 분석기의 제1 포트에 연결된 방사 안테나에 초고주파수의 구동 주파수를 스캔하면서 초고주파를 방사하고, 상기 네트워크 분석기의 제2 포트에 연결된 수신 안테나를 통하여 주파수에 따른 제2 투과 계수를 측정한다. 상기 제1 투과 계수과 상기 제2 투과 계수가 일치하는 교차 주파수를 산출한다. 상기 제2 투과 계수를 측정하는 동안 상기 구동 주파수를 스캔하는 범위는 컷오프 주파수 이하일 수 있다. 상기 교차 주파수(fcrossing)는 전자 밀도 또는 플라즈마 밀도(ne)와 다음과 같은 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112019030461389-pat00001
여기서, f pe는 플라즈마 주파수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법은 기존 교차 주파수 진단 원리에 기반하지만, 신호를 측정 및 처리하는 방법에 있어 타임 게이팅법을 이용하여 위에서 상술한 문제들을 해결한 플라즈마 진단 방법을 제공한다.
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 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법의 측정 및 처리에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법의 흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 교차 주파수 플라즈마 진단 장치(100)는, 펄스 형태의 방사 신호(SIG0)를 출력하는 펄스 발생기(142); 상기 펄스 발생기(142)를 통하여 상기 방사신호(SIG0)를 제공받아 플라즈마로 전자기파를 방출하는 송신 안테나(120); 상기 송신 안테나(120)와 이격되어 배치되고 상기 플라즈마를 투과한 상기 전자기파를 수신하여 투과 신호로 변환하는 수신 안테나(130); 상기 방사 신호(SIG0)를 획득하고 제1 게이팅 시간(TG1) 및 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간(TG2)에 상기 수신 안테나(130)를 통하여 제1 투과신호(SIG1) 및 제2 투과신호(SIG2)를 획득하는 측정부(144); 상기 펄스 발생기(142)의 상기 방사 신호에 동기화된 트리거 신호(TRG)를 생성하여 상기 펄스 발생기(142) 및 상기 측정부(144)에 제공하는 지연 신호 발생기(146); 및 상기 방사 신호(SIG0), 상기 제1 투과신호(SIG1) 및 상기 제2 투과 신호(SIG2)를 푸리어 변환하는 신호 처리부(148);를 포함한다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 방사 신호(SIG0)를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호(Pin)를 산출하고, 상기 신호 처리부(148)는 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간(TG1) 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호(SIG1)를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호(P1)를 산출한다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 방사 신호(SIG0)와 동기화되고 상기 제2 게이팅 시간(TG2) 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호(SIG1) 및 상기 제2 투과 신호(SIG2)를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2)를 산출한다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 기준 스펙트럼 신호(P1)를 상기 입력 스펙트럼 신호(Pin)로 규격화하여 규격화된 기준 스펙트럼 신호(P1/Pin)를 생성한다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2)를 상기 입력 스펙트럼 신호(Pin)로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2/Pin)를 생성한다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호(P1/Pin)와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2/Pin)가 교차하는 교차 주파수(fcrossing)를 추출한다. 상기 교차 주파수(fcrossing)는 전자 밀도 또는 플라즈마 밀도(ne)와 다음과 같은 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112019030461389-pat00002
여기서, fpe는 플라즈마 주파수일 수 있다.
플라즈마 챔버(110)는 플라즈마(111)로 채워진 밀폐된 공간을 제공하고, 외부 전원을 통하여 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 플라즈마(111)는 축전 결합 플라즈마, 유도 결합 플라즈마, 초고주파 플라즈마 또는 DC 방전일 수 있다.
송신 안테나(120)는 동축 케이블 구조에서 돌출된 중심 도선(122)을 포함할 수 있다. 상기 송신 안테나(120)는 돌출된 중심 도선(122), 상기 중심 도선을 감싸는 유전체층(124), 및 상기 유전체층을 감싸는 외피 접지 도선(126)을 포함할 수 있다. 상기 송신 안테나(120)의 특성 임피던스는 50 오옴일 수 있다.
수신 안테나(130)는 동축 케이블 구조에서 돌출된 중심 도선(132)을 포함할 수 있다. 상기 송신 안테나(130)는 돌출된 중심 도선(132), 상기 중심 도선을 감싸는 유전체층(134), 및 상기 유전체층을 감싸는 외피 접지 도선(120)을 포함할 수 있다. 상기 송신 안테나(130)의 특성 임피던스는 50 오옴일 수 있다.
펄스 발생기(142)는 측정하고자 하는 주파수 범위의 최댓값을 fmax라 정의했을 때, 1/fmax (s)의 반치전폭(full width at half maximum)을 가진 방사 신호(SIG0)를 생성한다. 상기 펄스 발생기의 방사 신호(SIG0)는 가우스안 형태일 수 있다.
상기 펄스 발생기(142)의 상기 방사 신호는 지연 신호 발생기(146)의 트리거 신호에 동기화되어 생성될 수 있다. 상기 방사 신호(SIG0)는 상기 송신 안테나(120)에 동축 케이블을 통하여 제공된다.
지연 신호 발생기(146)는 상기 방사 신호를 위한 트리거 신호와 시간 이격을 둔 다음 방사 신호를 위한 트리거 신호를 생성할 수 있다. 상기 트리거 신호는 상기 측정부(144)에 제공되어 방사 신호와 측정 신호를 동기화할 수 있다. 또한, 상기 지연 신호 발생기로부터 시간에 따른 방사 및 측정 신호를 얻어낼 수 있다.
측정부(144)는 고속 데이터 획득 장치일 수 있다. 구체적으로, 상기 측정부(144)는 고속 오실로스코프일 수 있다. 상기 측정부(144)는 상기 방사 신호(SIG0)를 획득하고, 제1 게이트 시간(TD1)에서 샘플링된 상기 제1 투과신호(SIG1) 및 제2 게이트 시간(TD2)에서 샘플링된 상기 제1 투과신호(SIG1) 및 상기 제2 투과신호(SIG2)를 획득할 수 있다.
신호 처리부(148)는 상기 방사 신호(SIG0)를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호(Pin)를 산출할 수 있다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간(TG1) 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호(SIG1)를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호(P1)를 산출할 수 있다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 방사 신호(SIG0)와 동기화되고 상기 제2 게이팅 시간(TG2) 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과신호(SIG1)와 상기 제2 투과 신호(SIG2)를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2)를 산출할 수 있다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2)를 상기 입력 스펙트럼 신호(Pin)로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2/Pin)를 생성한다. 상기 신호 처리부(148)는 상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호(P1/Pin)와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2/Pin)가 교차하는 교차 주파수(fcrossing)를 추출한다.
송신 안테나(120)에 1/fmax (s) 반치전폭을 갖는 펄스 형태의 방사 신호가 인가되면, 상기 송신 안테나(120)로부터 전자기파가 방사(radiation)된다. 이렇게 방사된 전자기파는 크게 세 가지 경로를 거쳐 수신 안테나(detecting antenna)로 측정될 수 있다. 첫 번째로, 제1 신호(SIG1)는 플라즈마의 응답 시간(response time)보다 빠른 시간 내에 플라즈마를 통과하여 수신 안테나(130)로 측정된다. 두 번째로, 제2 신호(SIG2)는 플라즈마 응답 시간 이후, 플라즈마를 통과하여 수신 안테나(130)로 측정된다. 마지막으로, 제3 신호(SIG3)는 플라즈마를 통과하여 플라즈마 챔버(110)의 벽에 반사된 후 수신 안테나(130)로 측정된다.
제1 내지 제3 신호(SIG1,SIG2,SIG3)는 시간에 따라 순차적으로 생성된다. 제1 신호(SIG1)는 플라즈마 응답 시간보다 빠르게 플라즈마를 통과하기 때문에 플라즈마의 정보를 포함하지 않고, 송신 안테나(120) 및 수신 안테나(130)에 대한 정보만을 포함한다.
제2 신호(SIG2)는 플라즈마 응답시간 이후 플라즈마를 통과하기 때문에 플라즈마의 정보를 포함하고 있다. 상기 제1 투과 신호(SIG1)는 상기 제1 투과 신호(SIG1) 및 상기 제2 투과 신호(SIG2)에서 상기 제1 게이팅 시간(TD1) 이후에 획득된 데이터를 제거하여 획득될 수 있다.
제3 신호(SIG3)는 상기 플라즈마 챔버(110)의 반사에 의한 cavity-공진 정보를 포함하고 있다.
신호 처리부(148)는 타임 게이팅법을 적용해서 관심있는 신호인 제1 및 제2 신호(SIG1,SIG2)만을 선별한다. 제1 신호(SIG1)는 푸리어 변환되어 기준 스펙트럼(reference spectrum)을 제공한다. 제1 신호(SIG1) 및 제2 신호(SIG2)는 푸리어 변환되어 플라즈마 스펙트럼(plasma spectrum)을 제공한다.
투과 스펙트럼에서 cavity-공진을 제거하기 위해 제2 신호(SIG2) 이후의 신호는 모두 제거된다. 제1 신호(SIG1)는 고속-푸리에 변환(Fast Fourier Transformation)을 통해 주파수 공간에서 제1 기준 스펙트럼(P1)으로 변환된다. 제1 신호(SIG1) 및 제2 신호(SIG2)는 고속-푸리에 변환(Fast Fourier Transformation)을 통해 주파수 공간에서 플라즈마 스펙트럼(P1+2)으로 변환된다. 상기 송신 안테나(120)로부터 전자기파가 방사되는 방사 신호(SIG0)는 고속-푸리에 변환(Fast Fourier Transformation)을 통해 주파수 공간에서 방사 스펙트럼(Pin)으로 변환된다.
방사 신호 및 두 개의 측정 신호로부터 얻어지는 푸리어 변환된 신호로부터 규격화된 투과 스펙트럼은 다음과 같이 정의될 수 있다. 규격화된 기준 스펙트럼은
P1/Pin 이다. 규격화된 플라즈마 스펙트럼은 P1+2/Pin 이다.
규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)과 규격화된 플라즈마 스펙트럼(P1+2/Pin)이 교차하는 주파수를 교차 주파수라고 정의한다. 상기 교차 주파수(fcrossing)는 전자 밀도 또는 플라즈마 밀도(ne)와 다음과 같은 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112019030461389-pat00003
여기서, f pe는 플라즈마 주파수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교차 주파수 플라즈마 진단 방법은, 펄스 발생기(142)를 통하여 송신 안테나(120)에 펄스 형태의 방사신호를 제공하여 플라즈마(111)로 전자기파를 방출하는 단계(S110); 상기 송신 안테나(120)와 이격되어 배치된 수신 안테나(130)를 통하여 상기 방사 신호(SIG0)와 동기화되고 제1 게이팅 시간(TG1) 내에서 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호(SIG1)를 획득하고 상기 수신 안테나(130)를 통하여 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간(TG2) 내에서 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호(SIG1) 및 제2 투과 신호(SIG2)를 획득하는 단계(S120); 상기 방사 신호(SIG0)를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호(Pin)를 산출하는 단계(S130); 상기 제1 투과 신호를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호(P1)를 산출하고 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2)를 산출하는 단계(S140); 상기 기준 스펙트럼 신호(P1)를 입력 스펙트럼 신호(Pin)로 규격화하여 규격화된 기준 스펙트럼 신호(P1/Pin)를 생성하는 단계(S150); 상기 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2)를 입력 스펙트럼 신호(Pin)로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2/Pin)를 생성하는 단계(S160); 및 상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호(P1/Pin)와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호(P1+2/Pin)가 교차하는 교차주파수를 추출하는 단계(S170);를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 교차 주파수 플라즈마 진단 방법을 검증하기 위한 전자기 시뮬레이션에서 사용된 경계조건을 포함한 영역, 송신 안테나 및 송신 안테나를 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 전자기 시뮬레이션은 Finite-Difference Time-Domain (FDTD) 방법을 기반으로 하여 멕스웰 방정식을 계산하는 상용화 소프트웨어를 사용하였다. 플라즈마는 드루드 모형(Drude model)을 이용하여 유전율이 다음과 같이 근사된다.
Figure 112019030461389-pat00004
플라즈마 챔버는 가로, 세로, 및 높이가 각각 100mm, 150 mm, 및 100 mm인 직사각형 형상이다. 여기서, ε0 는 진공에서의 유전율, ωpe는 플라즈마 각진동수, ω는 인가되는 전자기파의 각진동수, 그리고 νm 은 전자-중성종 충돌 주파수를 의미한다.
본 시뮬레이션에서 전자-중성종 충돌 주파수는 아르곤 가스를 기준으로 운동량 전달(momentum transfer) 충돌 반응만을 고려했고, 전자 온도는 1.0 eV로 가정했다. 추가로, 송신 및 수신 안테나(120,139)의 중심 도선의 지름은 0.52 mm이고, 돌출된 길이는 10.0 mm이다. 신호가 전송되는 동축 케이블의 특성 임피던스는 50 Ω이다. 동축 케이블의 내경은 0.52 mm이고, 외경은 1.74 mm이고, 유전체의 상대유전율은 2.1이다. 쉬스(sheath)는 1.0의 상대유전율을 갖는 유전체로 근사했다. 플라즈마와 송신/수신 안테나, 동축 케이블 및 플라즈마 발생 챔버 경계 사이에 두께 0.574 mm의 쉬스 형상을 제작하였다. 또한, 챔버의 외각 경계에선 접선 방향의 전기장이 0 인 경계조건(
Figure 112019030461389-pat00005
)을 사용하였다. 이러한 조건은 플라즈마 발생 챔버가 전기적으로 접지된 것을 의미한다. 송신 안테나에 펄스 반치전폭이 0.134 ns인 전압 신호를 인가하고, 투과 스펙트럼이 계산된다.
도 5는 전자기 시뮬레이션으로 계산한 타임 게이팅법을 적용하지 않은 투과 스펙트럼을 압력에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 전자 밀도는 5 X 1010 cm- 3로 설정되었다. 방전 전 (W/O plasma) 투과 스펙트럼은 기존 플라즈마 형상에 상대 유전율이 1.0인 유전체로 물성을 변화시킨 시뮬레이션 결과로부터 얻어진다. 플라즈마가 있는 경우, 투과 스펙트럼은 10 Torr 인 경우를 제외하고 Cavity-공진에 의해 심하게 왜곡된다. 따라서, 방전 후 투과 스펙트럼과의 교차 주파수를 명확히 정의하기가 어렵다. 이에 따라, 측정의 신뢰도를 저하하는 문제가 발생된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 주파수 플라즈마 진단 방법에서 게이팅 시간에 따른 방사 신호 및 수신 신호를 나타낸다.
도 7은 도 6의 방사 신호 및 투과 신호에 대응하는 스펙트럼을 나타낸다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전자 밀도는 1 X 1010 cm-3, 압력은 0.1 Torr로 설정되었다. 송신 안테나(120)의 중심 도선의 지름은 2.16mm이다. 게이팅 시간(tgating)은 2.142 ns, 1.731 ns, 1.033 ns, 그리고 0.738 ns이다. 상기 방사 신호(SIG0)의 펄스 폭은 0.1 ns 내지 0.5 ns 일 수 있다.
게이팅 시간(tgating)이 0.738 ns인 경우, 규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)은 cavity-공진에 의한 스펙트럼 왜곡이 없는 깔끔한 증가함수 프로파일을 제공한다. 규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)은 2-port 시스템의 투과 계수 또는 산란 메트릭스의 S21일 수 있다.
게이팅 시간(tgating)이 1.731 ns인 경우에는 규격화된 플라즈마 스펙트럼(P1+2/Pin)은 cavity-공진에 의한 스펙트럼 왜곡이 없는 신호를 얻을 수 있다. 게이팅 시간(tgating)이 2.142 ns 이상인 경우, 1.5 GHz 이상의 주파수에서 cavity-공진에 의한 스펙트럼 왜곡이 나타난다. 따라서, 게이팅 시간(tgating)은 규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)을 얻고자 하는 경우에는 0.738 ns 근방으로 설정한다. 규격화된 플라즈마 스펙트럼(P1+2/Pin)을 얻고자 하는 경우에는 게이팅 시간(tgating)은 1.731 ns 근방으로 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로, 규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)을 얻기 위하여 상기 제1 게이팅 시간은 0.8 ns 이하일 수 있다. 규격화된 플라즈마 스펙트럼(P1+2/Pin)을 얻기 위하여 상기 제2 게이팅 시간은 0.8 ns 내지 1.8 ns 일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 압력에 따른 규격화된 플라즈마 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법을 적용한 압력에 따른 규격화된 기준 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 전자 밀도는 1 X 1011 cm-3이며, 규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)은 압력이 0.1 Torr인 경우에 대해 0.7559 ns의 제1 게이팅 시간(TD1)으로 얻은 결과이다. 규격화된 플라즈마 스펙트럼(P1+2/Pin)은 압력(0.1 Torr, 1.0 Torr, 10 Torr, 100 Torr, 그리고 760 Torr)에 따라 1.562 ns의 제2 게이팅 시간(TD2)을 기준으로 얻은 결과이다. 타임 게이팅법을 적용하면, cavity-공진 효과로부터 자유로운 스펙트럼이 측정될 수 있다.
규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)은 압력이 증가해도 스펙트럼 모양 및 신호 수준(level)이 크게 변화하지 않는다. 따라서, 타임 게이팅법을 적용하면 규격화된 기준 스펙트럼(P1/Pin)을 별도로 미리 측정하지 않고도 플라즈마 방전 상황에서만으로도 cavity-공진효과를 제거한 교차 주파수를 측정할 수 있다.
도 10은 도 8 및 도 9로부터 계산한 압력에 따른 교차 주파수를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 교차 주파수는 압력에 따라 변화하지 않으며 이는 기존 교차 주파수 플라즈마 진단 방법과 동일한 결과를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타임 게이팅법은 신호 측정 시간이 최대 수 ns이기 때문에 고속 진단을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기존 교차주파수 플라즈마 진단 방법의 한계인 cavity-공진에 의한 투과 스펙트럼 왜곡 및 이로 인한 교차주파수의 측정 신뢰도 하락과 방전 전 스펙트럼 별도 측정의 필요성 그리고 고속 측정의 한계가 있는 문제점들을 극복할 수 있다.
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.
110: 플라즈마 챔버
120: 송신 안테나
130: 수신 안테나
142: 펄스 발생기
144: 측정부
146: 지연 신호 발생기
148: 신호 처리부

Claims (4)

  1. 펄스 발생기를 통하여 송신 안테나에 펄스 형태의 방사신호를 제공하여 플라즈마로 전자기파를 방출하는 단계;
    상기 송신 안테나와 이격되어 배치된 수신 안테나를 통하여 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호를 획득하고 상기 수신 안테나를 통하여 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호 및 제2 투과 신호를 획득하는 단계;
    상기 방사 신호를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호를 산출하는 단계;
    상기 제1 투과 신호를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호를 산출하고 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호를 산출하는 단계;
    상기 기준 스펙트럼 신호를 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 기준 스펙트럼 신호를 생성하는 단계;
    상기 플라즈마 스펙트럼 신호를 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호가 교차하는 교차주파수를 추출하는 단계;를 포함하 고,
    상기 제1 투과신호 및 상기 제2 투과신호는 시간에 따라 순차적으로 생성되고,
    상기 제2 투과 신호는 상기 제1 게이팅 시간 이후 상기 제2 게이팅 시간 내에서 측정된 신호인 것을 특징으로 하는 교차 주파수 플라즈마 진단 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 획득하는 단계는,
    상기 제2 게이팅 시간에 획득된 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호에서 상기 제1 게이팅 시간 이후에 획득된 데이터를 제거하여 상기 제1 투과 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 교차 주파수 플라즈마 진단 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 교차주파수로부터 전자 밀도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교차 주파수 플라즈마 진단 방법.
  4. 펄스 형태의 방사 신호를 출력하는 펄스 발생기;
    상기 펄스 발생기를 통하여 상기 방사신호를 제공받아 플라즈마로 전자기파를 방출하는 송신 안테나;
    상기 송신 안테나와 이격되어 배치되고 상기 플라즈마를 투과한 상기 전자기파를 수신하여 투과 신호로 변환하는 수신 안테나;
    상기 방사 신호를 획득하고 제1 게이팅 시간 내에서 상기 수신 안테나를 통하여 상기 플라즈마를 투과한 제1 투과 신호를 획득하고 및 상기 제1 게이팅 시간보다 큰 제2 게이팅 시간 내에 상기 수신 안테나를 통하여 상기 제1 투과신호 및 제2 투과신호를 획득하는 측정부;
    상기 펄스 발생기의 상기 방사 신호에 동기화된 트리거 신호를 생성하여 상기 펄스 발생기 및 상기 측정부에 제공하는 지연 신호 발생기; 및
    상기 방사 신호, 상기 제1 투과신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하는 신호 처리부;를 포함하고,
    상기 신호 처리부는 상기 방사 신호를 푸리어 변환하여 입력 스펙트럼 신호를 산출하고,
    상기 신호 처리부는 상기 방사 신호와 동기화되고 제1 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호를 푸리어 변환하여 기준 스펙트럼 신호를 산출하고,
    상기 신호 처리부는 상기 방사 신호와 동기화되고 상기 제2 게이팅 시간 내에서 상기 플라즈마를 투과한 상기 제1 투과 신호 및 상기 제2 투과 신호를 푸리어 변환하여 플라즈마 스펙트럼 신호를 산출하고,
    상기 신호 처리부는 상기 기준 스펙트럼 신호를 상기 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 기준 스펙트럼 신호를 생성하고,
    상기 신호 처리부는 상기 플라즈마 스펙트럼 신호를 상기 입력 스펙트럼 신호로 규격화하여 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호를 생성하고,
    상기 신호 처리부는 상기 규격화된 기준 스펙트럼 신호와 규격화된 플라즈마 스펙트럼 신호가 교차하는 교차주파수를 추출하고,
    상기 제1 투과신호 및 상기 제2 투과신호는 시간에 따라 순차적으로 생성되고,
    상기 제2 투과 신호는 상기 제1 게이팅 시간 이후 상기 제2 게이팅 시간 내에서 측정된 신호인 것을 특징으로 하는 교차 주파수 플라즈마 진단 장치.
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