KR20080107417A - 마이크로일렉트로닉스 플라스마 공정 툴에서 사용되기 위한고성능 미니어처 ｒｆ 센서 - Google Patents

Abstract

미니어처 패키지에서 이득, 지향성 및 고립을 유지하는 고성능 미니어처 RF 센서가 제공된다. 상기 미니어처 RF 센서는 PCB 구성에서 배열되는 적층된 전류 픽업 및 전압 픽업을 포함하며, 상기 센서는 4분의1파 변환 필터, 3축 차폐부 및 표피 효과 필터링을 더 포함한다.

Description

마이크로일렉트로닉스 플라스마 공정 툴에서 사용되기 위한 고성능 미니어처 ＲＦ 센서{HIGH PERFORMANCE MINIATURE RF SENSOR FOR USE IN MICROELECTRONICS PLASMA PROCESSING TOOLS}

2006년 3월 20일자 출원번호 제60/783,894호와, 2007년 3월 19일자로 출원된 35 U.S.C. 119조의 “HIGH PERFORMANCE MINIATURE RF SENSOR FOR USE IN MICROELECTRONICS PLASMA PROCESSING TOOLS"로부터 우선권을 주장하며, 상기 출원들은 본원에서 참조로서 인용된다.

RF 센서, 즉, 고 전력 RF 공급기에 의해 마이크로일렉트로닉스 공정 툴의 플라스마 공정 챔버로 공급되는 RF 전류 및 전압을 측정하는 장치의 가치는 잘 확립되어 있다. 다수의 특허, 예를 들어, US 특허번호 제6,501,285호가 센서 및 이에 연계된 신호 프로세싱 전자부품 모두의 설계 및 응용분야에 대하여 특허받았다. 그러나 이들 발명의 각각은 이러한 시스템의 전자기적 성능을 최대화하는 것에 초점을 맞춰왔다. 거의 모든 RF 센서 응용예는 원래는 설계되어 있지 않는 기존 공정 챔버로의 개조(retrofitting)를 포함한다. 이러한 성능의 결과에 초점이 맞춰짐에 따라서, 기존 RF 센서는 공정 툴, 또는 RF 센서로의 포괄적이고 바람직하지 않는 수정 없이는, 대부분의 적용예에 맞춰지기에 너무 크다.

도 1에서 도시된 바와 같은 통상의 RF 센서(10)는 동축 전송 라인(coaxial transmission line), 차폐된 픽업(shielded pickup) 및 수동/능동 필터링 회로의 짧은 조각을 포함한다. RF 센서(10) 자체가 다음의 방식으로 동축 전송 라인을 형성한다. 첫째, 센서의 케이스나 박스(14)가 외부 컨덕터 및 픽업을 위한 차폐를 형성한다. 구리, 또는 이와 유사한 그 밖의 다른 물질로 도금된 은으로 만들어진 일정한 직경의 고형 막대가 중앙 컨덕터(18)를 형성한다. 실리콘, 또는 수정, 또는 실리콘 카바이드, 또는 알루미나로 구성된 유전 물질(22)이 중앙 컨덕터(18)와 접지 평면 간의 지정된 지오메트리 관계를 유지하기 위해 사용된다. 용량성 전압 픽업(26) 및 유도성 전류 픽업(30)이 유전 물질(22) 내에 위치된다. 벌크헤드 연결(bulkhead connection, 34)은, 추가적인 가능한 신호 프로세싱 회로와 함께, 이들 픽업(26, 30)으로부터 외부 컨덕터를 통과하여 해당하는 필터 회로(38)로 뻗어 있는 리드(lead)에 급전한다. 그 후, 수정된 신호가 디지털화(digitization)를 위해 추가적인 유닛(도면상 도시되지 않음)으로 전송된다.

통상적인 RF 센서에 대한 앞의 구성은 명백한 성능 이점을 갖는다. 첫째로, 도 1에서 도시된 것과 같은 길이의 전송 라인을 형성함으로써, RF 센서는 주변 지오메트리에 관계없이, 픽업이 균일한 전자기장에 노출됨을 보장한다. 따라서 픽업은 그 적용예에 독립적으로, 전류 및 전압의 함수로서 일정한 이득을 갖는다. 둘째는, 차폐된 외장(enclosure)을 형성함으로써, RF 센서는 픽업이 중앙 컨덕터 상의 전류 및 상기 중앙 컨덕터와 외부 컨덕터 간의 전위차로 인한 장(field)에만 반응하고, 외부의 장에는 반응하지 않다는 것을 보장한다. 마지막으로, 센서 구성이 쉽 게 표준 RF 연결에 적응하고, 이로 인해서, 테스트 표준에 따른 교정이 가능하다. 센서의 설계 때문에, 이러한 교정은 적용예에 독립적으로 유지된다.

도 2의 표(42)에서 도시된 것처럼, 표준 유도성 전류 픽업 및 용량성 전압 픽업은, 증가하는 RF 주파수에 따라 증가하는 이득을 갖는다. 이러한 도시된 특징은 RF 센서 일렉트로닉스에 의해 정확하게 디지털화되어야 할 신호 크기의 다이나믹 범위(dynamic range)가 증가한다는 단점을 갖는다. 증가하는 이득을 보정하기 위한 가장 간단한 알려진 방법은 도 1에서 나타나는 것처럼 센서에 능동, 또는 수동 필터링을 삽입시키고, 이에 따라서, 도 2의 표(46)에 따라 도시되는 것처럼, 주파수에 따라 더 평탄한 응답이 도출된다. 센서에 필터링을 삽입함으로써, 픽업과 필터 사이의 전송 라인의 길이의 복잡화를 피할 수 있다. 전송 라인 효과 때문에, 회로의 총 이득은 주파수에 따라서 기대하지 못한 방식으로 변할 수 있다.

또한 픽업으로부터의 신호를 최대화하기 위해 필터링 회로가 사용되어, 그 크기를 최소화할 수 있다. 최소한의 크기는 혼선(crosstalk)을 초래하는 포유 임피던스(stray impedance)를 최소화하기에 필수적이다. 더 세부적으로, 용량성 픽업의 임의의 인덕턴스가 전압 신호에 영향을 미치는 전류 레벨을 도출하고, 유도성 픽업의 임의의 커패시턴스가 전류 신호에 영향을 미치는 전압 레벨을 도출한다.

마지막으로, 통상의 RF 센서에서 이뤄지는 것과 같은 신호 프로세싱을 사용하는 것은 또 다른 성능 이점을 갖는다. 픽업에 의해 발생되는 전압은 플라스마 툴에서 발견되는 레벨보다 낮은 크기를 갖는다. 센서에서의 신호 프로세싱, 가령, 중간 주파수(intermediate frequency), 또는 심지어 완전한 디지털화로의 믹 싱(mixing)이, 픽업으로부터의 신호가 양자화되기 전에, 그 품질이 저하되는 것에 대한 위험을 크게 감소시킨다.

표준 RF 센서는 표준 RF 커넥터를 이용하여 표준 전송 라인으로 매우 쉽게 짝을 이룬다. 그러나 이러한 옵션은 좀처럼 사용가능하지 않다. 심지어, RF 센서는 플라스마 공정 툴에서의 기존 RF 전력 경로에서 개조되어야 한다. 이 경로는 통상적으로 가변 직경을 갖는 중앙 컨덕터와, 에어 유전체(air dielectric)와, 형편없이 형성된 접지 평면으로 구성된다. 이러한 상태에서의 RF 센서의 설치는 기존 전력 경로에서의 수정을 요구한다. 상당한 노력과 특수 용도의 부품을 필요로 하는 것에 추가로, 이러한 수정은 전력 경로의 전자기 특성에 대한 수용할 수 없는 변화를 초래할 수 있다.

또 다른 어려움이 센서 장치의 물리적 크기로부터 초래되며, 이때 이러한 장치는 구성의 각각의 면이 수 인치(inch)의 길이와 폭을 갖는 입방체 형태의 구성에 의해 일반적으로 형성된다. 많은 경우에서, 설치를 위한 공간은 간단히 이용가능하지 않다. 이는 2가지 바람직하지 않은 해결책 중 하나를 초래한다. 첫째, 포괄적인 수정, 가령, 스페이서(spacer), 추가적인 컨덕터 및 사용자 맞춤 설계(custom fitting)의 형태로의 수정이 요구된다. 이들 포괄적인 수정의 설치는 비용이 많이 들고, 시간 소모적이며, 또한 툴 성능을 변경시킬 수 있다. 플라스마 챔버에 인접하게 RF 센서를 장착하는 것(이때, 공정을 가장 효과적으로 모니터링할 수 있다)을 대신하여, 센서는 더 넓은, 그러나 더 멀리 떨어진 곳에 위치한다(이때, 성능은 약화된다).

결론적으로, 통상의 RF 센서는 성능에 대한 유용성을 해쳐왔다. 표준 설계는 쉽게 교정되며, 공정 챔버에서의 판독이 테스트 표준에서 얻어진 것과 동일함이 보장된다. 이러한 성능은 공정 챔버의 전기적 경로, 또는 전력 경로의 상당한 수정을 통해, 얻어진다. 이러한 수정은 비용이 많이 들고, 시간 소모적이며, 툴의 전자기적 특성을 상당히 절충시키며, 공정 성능에 영향을 미칠 수 있다.

저 성능 미니어처 RF 센서를 성취하는 것은 비교적 수월하다. 커패시터 및 인덕터가 중앙 컨덕터에 인접하게 위치하는 한, 전압 및 전류에 대강 비례하는 신호가 발생될 것이다. 그러나 미니어처 RF 센서에서 높은 성능을 유지하는 것에 대한 문제가 존재한다. 높은 성능을 획득하기 위해, 당해업계 종사자는 이득, 지향성(directivity) 및 미니어처 센서 패키지 내에서의 고립(isolation)을 성공적으로 유지해야 한다. 지금까지, 출원인은 이들 과제들을 해결하는 미니어처 RF 센서 패키지를 인지하지 않는다.

따라서 첫 번째 양태에 따라서, 고 전력 RF 전력 공급기에 의해, 마이크로일렉트로닉스 공정 툴의 플라스마 공정 챔버로 공급되는 RF 전류 및 전압을 측정하기 위한 미니어처 RF 센서가 제공되며, 이때, 조립체는 센서 헤드를 포함하고, 하우징을 형성하는 박스 형태의 구조의 하나의 측부로서 형성되는 전도체를 포함하고, 상기 구조물은 전류 픽업(current pickup) 및 전압 픽업(voltage pickup)을 포함하고, 상기 픽업들 각각은 서로에 대하여, 그리고 상기 컨덕터에 대하여 적층된다.

하나의 버전으로, 인쇄 회로 보드 구조로 전류 및 전압 픽업이 제공되며, 전압 픽업은 상기 컨덕터와 이격되어 격자(grid), 또는 망(mesh) 소자로 형성되며, 이때, 상기 컨덕터는 플라스마 툴의 스트랩 컨덕터일 수 있다. PCB 구성, 4분의 일 파 변형 필터(quarter wave transforming filter), 적층된 픽업, 3축 차폐(triaxial shielding) 및 표피 효과 필터링(skin-effect filtering)의 각각의 특징은 고 성능 미니어처 RF 센서를 도출한다. 제안된 설계안은 개조(retrofitting)와 전자기적 성능 목표를 모두 충족시킨다.

도 1은 종래 기술의 RF 센서를 도시한다.

도 2는 필터링 효과를 포함하는 픽업 이득 변화 대 증가하는 RF 주파수의 그래픽적 도시이다.

도 3(a) 및 3(b)는 하나의 실시예에 따르는 미니어처 RF 센서의 5면 박스 구조의 평면도와 미드-플레인 섹션을 도시한다.

도 4(a) 및 4(b)는 배향된 전기장 차폐부와 전압 픽업의 평면도와 정면도를 도시한다.

도 5(a) 및 5(b)는 하나의 실시예에 따르는 RF 센서에 대한 보드 내 인덕터의 평면도와 미드-플레인 섹션을 도시한다.

도 6(a) 및 6(b)는 도 5에서 부분적으로 나타난, PCB 조립체로의 도 3의 5면 박스의 평면도와 측면도를 도시한다.

도 7은 표피 효과 차폐부 및 상부 차폐부를 포함하는 RF 센서의 미드-플레인을 도시한다.

도 8(a) 및 8(b)는 각각 하나의 단일 상부 차폐부와 균형 상부 차폐부에 대한 대안 실시예를 도시한다.

도 9는 미니어처 RF 센서와 함께 사용되기 위한 3축 케이블 구성을 도시한다.

도 10은 도 9의 센서 헤드에 부착된 가변 임피던스 종단 설계를 도시한다.

본원에서 다수의 특징들이 개선된 미니어처 RF 센서 조립체에 관련하여 설명된다. 최종 설계안은 개조(retrofitting)와 전자기적 성능 목표를 모두 충족하는 고 성능 미니어처 RF 센서이다.

명료성을 위해, 본원에서 정의되는 RF 센서를 위한 여러 가지 목표/요구사항이 우선 설명된다.

1. 적용예에 독립적인 일정한 이득

RF 센서의 전압 및 전류 이득은, 측정 포인트에서의 실제 전압 및 전류 레벨의 함수로서 각각의 트랜스듀서(transducer)의 출력 레벨로서 정의된다. 이용가능한 RF 센서에 대한 핵심 요구사항은 센서의 적용예에 독립적으로, 센서의 이득이 동일하다는 것이며, 특히, 이득은 RF 전기적 경로의 지오메트리의 변형예에 민감하지 않는다는 것이다. 이러한 방식으로 테스트 표준에서 얻어진 교정 값은, 적용예에 독립적으로, 센서 출력을 공학 단위(engineering unit)로 변환시키도록 사용될 수 있다.

2. RF 주파수에 독립적인 일정한 이득

플라스마 공정 툴은 수 백 킬로헤르츠에서 거의 100㎒까지의 주파수 범위에 걸쳐 동작하는 RF 전력 공급기를 이용한다. 표준 픽업이 유도성 전류 픽업과 용량성 전압 픽업 간의 패러데이 결합(faraday coupling)을 이용한다. 이들 센서의 최종 이득은 도 2에 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 주파수에 정비례한다. 그래프(46)에서 도시된 바와 같이, 정정되지 않는, 이러한 효과는 저 주파수에서의 측정할 수 없는 약한 신호를 초래하고, 고 주파수에서 파괴적인 강력한 신호를 초래한다.

3. 높은 지향성(high directivity)

지향성은 신호, 특히 고 전력 RF 전압의 전압 픽업으로의, 그리고 고 전력 RF 전류의 전류 픽업으로의 방향성 흐름을 일컫는다. 앞서 설명된 바와 같이, 어떠한 구조도 순수하게 유도성이거나 용량성이지 않는다. 따라서 전압 픽업에서의 신호 중 일부는 실제 전류 레벨로 인한 것이며, 전류 픽업에서의 신호 중 일부는 전압으로 인한 것이다. 높은 지향성은 이러한 혼선이 최소화됨을 의미한다.

4. 높은 고립(High Isolation)

고립은 신호 경로들 간의 격리를 일컫는다. RF 센서 적용예에서, 고립은 측정될 장(field)이 아닌 다른 장에 대한 픽업의 비민감성(insensitivity)을 일컫는다. 플라스마 공정 챔버에서의 RF 전기 경로는 종종 복잡할 수 있으며, 이때, 컨덕터는 종종 역행한다. 이러한 경우, 픽업이 측정 포인트에서의 RF 전기적 경로의 전기적 상태에만 민감하며, 그 밖의 다른 임의의 포인트에서의 전기적 상태에는 민감 하지 않거나 고립되는 것이 중요하다.

5. 최소 로딩(minimum loading)

로딩은 회로를 포함하는 전기 네트워크 상에서의 상기 회로의 흡수되는 전력, 또는 임피던스 변화로 환산된 영향을 설명한다. RF 센서의 경우에서, 로딩은 센서 추가로부터 야기되는 RF 전기 경로의 변화를 일컫는다. 플라스마 공정 툴은 발전기 전력과 공정 시간 등의 설정의 함수로서 요망 결과를 산출하도록 정확하게 교정된다. RF 센서가 RF 전기 경로를 로드(load)하면, 동일한 설정이 동일한 플라스마 조건과 공정 출력 변경을 도출하는 것이 아니다. 명백히, RF 센서의 로딩 효과가 최소화되어야 한다.

도 3(a) 및 3(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라서, 미니어처 RF 센서 조립체(50)가 도시된다. 통상적으로, 대부분의 플라스마 공정 툴은 평탄한 평면 RF 스트랩 전력 컨덕터를 이용한다. 통상적으로, 이 스트랩 전력 컨덕터는 약 0.6", 또는 0.75"의 폭 크기를 갖는다. 앞서 언급된 바와 같이, 대부분의 기존의 RF 센서 설계는 입방체 하우징을 이용한다. 도 3(a) 및 3(b)에서 나타나는 본원에서 설명되는 조립체(50)가 5면 센서 외장(56)을 제공하며, 상기 5면 센서 외장(56)은, 외장의 6번째 벽으로서 플라스마 공정 툴의 기존의 평탄한 전력 컨덕터 스트랩(60)을 추가로 이용하여, 적용예에 독립적인 일정한 전자기적 환경(electromagnetic environment)을 생성할 수 있다. 이 실시예에 따라서, 도 3(a) 및 4(a)에서 도시되는 바와 같이, 5면 외장(56)은 y-방향으로 RF 컨덕터(60)보다 더 넓다. 다음에서 설명되는 방식에서, 결과는 마이크로스트립 전송 라인의 근사치이다. 5면 외장(56) 이, 본원에서 RF 컨덕터로서 기능하는 스트랩을 포함하는 측벽을 갖는 접지 평면으로서 기능한다. 본원에서 설명되는 설계안은 컨덕터와 접지 평면 사이에서 일정한 전기장 및 자기장 세기를 갖는 것처럼 분석되고 보인다. 도 3(b)에서 도시되는 바와 같이, 장의 세기가 스트랩 폭에 독립적으로 일정한 것이 보다 중요하며, 이때, 전기장은 라인(68)으로 도시되며, 자속 라인(magnetic flux line)은 라인(74)으로 도시된다. 효과적으로, 앞의 설계는 동축 전송 라인의 크기, 또는 수정 요구사항 없이, 일정한 전자기적 속성을 갖는 전송 라인의 섹션을 생성한다.

도 4(a) 및 4(b)를 참조하여, RF 컨덕터(60)에 관련된 각각의 전압 및 전류 픽업을 적층시킴으로써, 본원에서 설명되는 RF 센서 설계에서 중요한 공간 절약이 얻어진다. 덧붙이자면, 격자, 또는 라인 소자로부터의 전압 픽업(66)을 생성함으로써, 도 4(b)의 부분 정면도에서 나타나는 자속 라인(74)에 의해 도시되는 바와 같이, RF 컨덕터(60)의 전체 전자기장은 전압 픽업에 의해 포획되지 않는다. 그 후, 도 4(b)의 전류 픽업(78)이 전압 픽업(66)의 상부 상에 배치, 또는 위치되어, 자기장(74)을 여전히 포획할 수 있다. 느슨하게 이격된 코일로부터 전류 픽업(78)을 생성함으로써, 또한 전체 전자기장이 전류 픽업에 의해 포획되지 않는다. 따라서 전류 픽업(78)이 전압 픽업(66) 아래에 위치하도록 배치될 수 있고, 이때, 전압 픽업(66)은 전기장을 여전히 포획할 수 있다.

더 세부적으로, 도 4(a) 및 4(b)에서 도시되는 바와 같이 용량성(전압) 픽업(66)을 위한 수평 스크린(horizontal screen) 구성이 기술되며, 이로 인해서, 배향된 전압 픽업을 이용하여, 지향성(directivity)과 소형화(miniaturization)가 성 취될 수 있다. 이러한 설계에 따르면, 망(mesh)으로 형성되는 전압 픽업, 또는 구리나 그 밖의 다른 비-자성 컨덕터로 구성되는 그 밖의 다른 소자가, 자속(74)의 라인에 평행하는 방향으로 배향되며, 이때, 전류 흐름(70)의 방향은 x-방향을 따라 보여진다. 마찬가지로, 용량성 픽업(66)은 자속에 대하여 효과적으로 투과적이다. 그러나 도 4(b)에서 보여지는 바와 같이, 픽업(66)은 전기장에 관련된 차폐부(shield)로서 더 기능한다. 따라서 단일 소자가 2가지 기능을 수행하는데, 즉, 전압 픽업으로서 기능하는 것과 유도성 픽업으로부터 전기장을 차단하기 위한 차폐부로서 기능하는 것이다. 언급된 바와 같이, 도 4(b)에서 나타난 것처럼, 느슨한 코일의 형태로 된 전류 픽업(78)이 전압 픽업 위에 적층되어, 이로 인해, 공간 절약이 제공되고, 또한 지향성이 개선될 수 있는데, 이때, 더 적은 전기장이 인덕터에게 전송되며, 그 유효 포유 용량(stray capacitance)이 감소되며, 센서의 개선된 지향성이 도출되는 장점이다.

전압 및 전류 픽업의 적층이, 고 성능 미니어처 RF 센서 조립체를 생성하기 위한 다양한 방식으로, 이뤄질 수 있을지라도, 한 가지 바람직한 기술은 전체 트랜스듀서 조립체를 인쇄 회로 보드(PCB) 상으로 제조하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 인쇄 회로 보드의 설계가 본원에서 기술된다. 우선 도 5(a) 및 5(b)를 참조하면, 블라인드 비아(blind via)에 의해 서로 접합되어 있는 인쇄 회로 보드(92)의 2개의 내부 금속 층(84, 88)을 이용함에 따른 인쇄 회로 보드 구성을 이용하여 유도성(전류) 픽업(80)이 형성될 수 있다. 앞에서 언급된 바와 같이, 전류 픽업(80)이 용량성(전압) 픽업(96)을 형성하기 위해 사용되는 금속 층 위에 배치되며, 이때, 상기 금속 층은 x-방향으로 격자를 형성한다. 앞서 언급된 각각의 층들은 전도체(60) 위에서 평행하게 배치된다. 이 인덕터 설계는 전류 이득을 최대화하기 위해, 이용가능한 공간을 최대로 사용할 뿐 아니라, 추후 더 상세히 설명되겠지만, 표준 RF 커넥터(108)가 보드(92)의 중앙라인에 인접하게 장착된다는 이점을 갖는다. 용량성 픽업 층에 대안적으로, 그리고 대체하여, 보드(92)는 보드 내() 용량성 픽업 및 전기장 스크린을 포함할 수 있다.

도 3(a) 및 3(b)에서 나타나는 5-면 센서 외장(56)을 간단히 참조하면 추가적인 구조적 목적이 더 제공된다. 첫째로, 이 실시예에 따르면, 도 6(b) 및 9에서 도시되는 바와 같이 차례로 설명되겠지만, 박스(56)의 상부는 3축 케이블(140)을 부착하기 위해 스트레인 릴리프(strain relief) 및 차폐 구조(110)를 포함할 수 있다. 추가적인 구조적 요구사항은 5면 외장(56)을 PCB 조립체(92)에게 부착하는 것을 포함한다. 차폐 및 구조의 목적은 회로 보드(92)의 외부 둘레 주변에 배치되는 다수의 비아(120)에 의해 충족될 수 있다. 도 6(a) 및 6(b)에서 도시되는 바와 같이, 다수의 비아(120)가 스트레인 릴리프 및 차폐 구조(110)를 납땜할 뿐 아니라, 회로 보드(92)의 각각의 면 둘레의 차폐부를 확장시키기 위한 패드(pad)로서 기능한다.

전자기장이 컨덕터를 관통하는 깊이는 전도율과 주파수 모두의 함수이다. 도 7에서 도시된 바와 같이 이러한 효과는, 표피 효과 차폐부(100)의 구현에 의해 이용될 수 있다. 이 실시예에서, 표피 효과 차폐부(100)는 컨덕터(60)에 가장 가까이 배치되고, 다수의 차폐 비아(120)로 접지되는 인쇄 회로 기판(92)의 극도로 얇은 추가적인 금속 층으로 구성된다. 이러한 차폐부(100)는 로우 패스 필터(low pass filter)로서 기능하여, 주파수에 대한 트랜스듀서 응답을 평탄화할 수 있다. 더 세부적으로, 낮은 주파수에서, 금속 층은 표피 깊이보다 훨씬 더 얇으며, 그 결과로서, 전자기장의 어떠한 감쇠도 거의 만들지 않으며, 전압, 또는 전류 픽업 이득의 어떠한 감쇠도 거의 만들지 않는다. 최종 결과는 적정하게 선택된 하부 층이, 주파수에 대한 트랜스듀서 응답을 효과적으로 평탄화하기 위한 효과적이고 매우 컴팩트한 필터를 도출한다. 도 7은 PCB의 최하부 층이 표피 효과 차폐부(100)를 형성하고, 표피 효과 차폐 층(100) 바로 위에 용량성 픽업(96)이 배치되고, 보드-내 유도성 픽업(80)을 형성하는 2개의 층(84, 88)이 뒤따라 배치되는 기판 구조를 도시하며, 이때, 상기 보드-내 유도성 픽업(80)에서 차폐 비아(120)가 회로 보드(92)의 둘레를 감싸고 있다. PCB(92)의 최상위 층은, 단자에 의해 각각 유도성 및 jsdkq 픽업(80, 96)으로 연결되는 종래의 수단에 의해 부착되는 한 쌍의 표준 RF 커넥터(108)를 더 포함한다.

앞서 언급된 바와 같이, 본원에서 설명되는 센서 조립체(50)는 센서 헤드를 형성하며, 상기 센서 헤드는 표준 RF 커넥터(108)를 통해 케이블로 연결된다. 커넥터(108)와 케이블 모두 픽업으로서 기능하고, 따라서 센서 조립체(50)의 지향성을 위태롭게 한다. 이 실시예에 따라, 단일 상부 차폐부(112)가 도 8(a)에서 도시되며, 이 차폐부는 앞서 언급된 효과와 대항하도록 제공된다. 이 실시예에 따라서, RF 커넥터(108)의 양(positive) 단자를 제외하고, 회로 보드(92)의 전체 상부 층 상에서 금속 플러드(metal flood)가 사용된다. 이 금속 층은 접지되며, 따라서, 임 의의 장(field)이 상부 차폐 층 위에 배치되는 커넥터나 케이블로 연결되는 것을 차단한다. 이 층(112)은 스트레인 릴리프 및 차폐 구조(110)를 위한 납땜 포인트로서 추가로 사용된다(도 9).

이러한 설계의 대안 실시예가 도 8(b)에서 도시되며, 균형 상부 차폐부(balanced top shield, 130)에 관련된다. 추가적인 접지되는 차폐를 이용하는 것은, RF 전기 경로를 로딩하는 것을 희생하여, 고립과 지향성을 크게 개선한다. 접지된 차폐부를 이용함으로써, 센서 헤드는 더 높은 임피던스를 가지며, 따라서, RF 전기 경로로의 더 많은 로드로서 기능한다. 균형 상부 차폐부(130)는 로딩 효과는 최소화하면서, 고립은 최대화한다. 후자의 대안적 접근법에서, 5면 외장은 사용되지 않는데, 왜냐하면, 센서 헤드가 외부에서 접지되지 않기 때문이다. 오히려, 회로 보드(92)의 상부가, 충분히 동일한 2개의 별도의 금속화부(134, 138) 영역에 의해 덮인다. 금속화(134) 중 하나가 전압 픽업(66)의 양의 단자로 연결되며, 이때, 그 밖의 다른 금속화부(138)가 차폐 비아(120)로 접지되고 연결된다. 이 구성에서, 외부 전기장이 각각의 금속화부(134, 138)를 동일하게 충전할 것이다. 전압이 전하 차이(charge difference)로부터 도출되기 때문에, 이 차폐는 용량성 픽업에 어떠한 효과도 가지지 않을 것이며, 따라서 전압 이득은 RF 경로의 외부의 전기장에 독립적일 것이다. 이것이 고립(isolation)의 정의이다. 이러한 접근법은 접지된 차폐를 사용하는 것보다 RF 전기 경로 상에 더 적은 로드를 도출할 것이다. 균형 차폐부가 전하를 구축하는 것이 가능하기 때문에, RF 전기 경로에 대한 커패시터로서 기능하지 않는다.

도 9를 참조하면, 5면 외장(56)이 컨덕터 스트랩(60)과 스트레인 릴리프 및 차폐 구조(110)에 관련하여 도시되며, 이때, 외장의 상부는 오프닝(57)을 포함하는데, 상기 오프닝(57)에 의해, 스트레인 릴리프 및 차폐 구조가 회로 보드(92)의 차폐 비아(120)로 장착될 수 있다. 동축 케이블이 상당한 전기적 길이(electrical length) 너머까지 뻗어 있으며, 또한 전기장의 존재하는 경우에서 픽업으로서 기능하여, 지향성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 도 9에서 도시된 3축 케이블(140)이 환경적 요구조건을 충족시키면서, 이러한 문제도 해결한다.

도 9를 참조하여, 이 실시예에 따르는 3축 케이블(140)은 외부 브레이드(outer braid, 144)를 덮는 외부 자켓(outer jacket, 142)을 포함하는 구조적 외장 동축 접지 차폐부를 포함한다. 여기서 동축 컨덕터(152)와 외부 브레이드(144) 사이에서 유전 층(156)이 제공되며, 이때, 3축 케이블이 한 쌍의 동축 케이블(148, 150)을 감싸고, 이러한 종류의 통상적인 케이블의 경우에서와 같이, 하나의 단일 케이블만 감싸는 것이 아니며, 이때, 각각의 동축 케이블은 동축 컨덕터(152)가 감싸는 케이블의 중심부 내에 배치된다. 이러한 설계에서, 동축 컨덕터(152) 및 유전 물질 층(156)의 통상의 배열은 보류된다. 즉, 통상의 3축 케이블에서, 내부 동축 컨덕터와 외부 동축 컨덕터 사이에 유전 층이 제공된다. 현재의 RF 센서는 고전압 환경에서 설치되기 때문에, 임의의 고전압 표면으로의 쇼팅(shorting)을 방지하기에 충분한 물질에 의해 센서는 고립되어야 한다. 이러한 목적을 충족하기 위해, 도시되는 바와 같이, 유전 층(156)이 외부 동축 컨덕터의 외부 상에 배치된다.

덧붙이자면, 도 2에서 도시되는 바와 같이, 전송 라인 효과를 이용함으로써, 센서 헤드에서의 최소 회로를 이용하여 픽업 이득 응답 대(vs.) 주파수를 평탄화하는 목표가 성취될 수 있다.

픽업 이득 응답을 평탄화하기 위해, 가변 임피던스의 종단(termination)이 요구된다. 저 주파수에서 높은 임피던스를 이용하고, 고 주파수에서 낮은 임피던스를 이용하여 용량성 픽업(96)이 종결되는 경우, 결과는 종단 임피던스(termination impedance)에 걸리는 일정한 전압 강하, 크게 말하자면, 일정한 이득일 것이다. 유도성 픽업(80)에 있어서, 저 주파수에서 최대 전류를 전송하고, 고 주파수에서 최소 전류를 전송하기 위해 전류 분할기가 요구된다. 이는 가변 임피던스 종단과 접지로의 분로 저항을 조합함으로써, 이뤄진다. 저 주파수에서, 낮은 임피던스 종단이 종단으로 흐르는 대부분의 전류를 야기하며, 반면에, 고 주파수에서, 높은 임피던스는 종단으로의 전류 흐름이 거의 없음을 의미한다. 통상적으로, 트랜스듀서 헤드의 필터 회로에 의해 이러한 임피던스 효과가 얻어지며, 이때, 트랜스듀서 헤드로부터 종단으로의 전송 라인 효과에 대한 추가적인 보상이 동반된다.

이때, 도 10에서 도시된 바와 같이, 접근법은 요망 임피던스 프로필을 성취하기 위해, 전송 라인 효과를 이용하는 것이다. 도 9에서 도시된 바와 유사하게, RF 센서의 최대 동작 주파수에서 1/4 파장인 전기적 길이(electrical length)를 갖는 3축 케이블(140)을 이용하여 임피던스 종단(174)을 센서 헤드(56)에 연결함으로써, 요망 임피던스 변화가 얻어진다. 저 주파수에서, 케이블(168)의 전기적 길이는 0인 것이 효과적이며, 픽업에 의해 보여지는 임피던스는 종단의 임피던스이다. 그러나 최대 주파수에서, 전송 라인 효과가 픽업에 의해 보여지는 임피던스를 반전시 킨다. 전압 픽업(96)에 있어서, 높은 임피던스 종단은 고 주파수에서의 낮은 임피던스 종단처럼 동작하며, 반면에, 전류에 대한 낮은 임피던스 종단은 고 주파수에서의 높은 임피던스 종단처럼 동작한다.

트랜스포머에 의해, RF 커넥터에서 정합된 종단을 유지하면서, 요망 종단 임피던스가 획득될 수 있다. 전압 신호에 대하여 저-고 임피던스 트랜스포머(184)가 사용되고, 전류 신호에 대하여 고-저 트랜스포머(188)가 사용된다. RF 및 마이크로파 회로에서의 트랜스포머의 사용은 잘 확립되어 있다. 그러나 이러한 잘 알려진 용도는 보편적으로는 로드를 정합(match)시키는 것을 목표로 하지만, 반면에 본 발명은 의도적으로 로드를 오정합(mismatch)시키는 것이 목표이다.

도 1-10의 참조번호

10 RF 센서

14 센서 케이스

18 중앙 컨덕터

22 유전 물질

26 용량성(전압) 픽업

30 전류 픽업

34 벌크헤드 연결

38 필터 회로

42 그래프

46 그래프

50 센서 조립체

56 외장

57 오프닝

60 컨덕터

66 용량성 픽업

68 전기장 라인

70 전류 방향

74 자속 라인

78 전류 픽업

80 전류 픽업

84 금속 층

88 금속 층

92 회로 보드

96 용량성 픽업

100 표피 차폐 층

108 RF 커넥터

110 스트레인 릴리프 및 차폐부

112 상부 차폐부

120 차폐 비아

130 균형 상부 차폐부

134 금속화부

138 금속화부

140 케이블, 3축

142 외부 자켓

144 외부 브레이드

148 동축 케이블

150 동축 케이블

152 동축 컨덕터

156 유전 물질 층

174 임피던스 종단

184 트랜스포머

188 트랜스포머

본 발명은 도면에 도시된 특히 바람직한 모드를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위 내에서, 다양한 변형예가 유효할 수 있음이 자명하다.

Claims (21)

1. 고 전력의 RF 전력 공급기에 의해 마이크로일렉트로닉스 공정 툴의 플라스마 공정 챔버로 공급되는 RF 전류 및 전압을 측정하기 위한 미니어처 RF 센서 조립체에 있어서, 상기 조립체는

   - 센서 헤드(sensor head),

   - 컨덕터(conductor),

   - 전압 픽업(voltage pickup), 그리고

   - 전류 픽업(current pickup)

   을 포함하며, 각각의 상기 전압 픽업과 상기 전류 픽업은 상기 센서 헤드 내에 배치되며, 이때, 각각의 상기 전압 픽업과 상기 전류 픽업은 상기 컨덕터에 대하여, 상기 센서 헤드 내에서 서로 서로 적층되는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 픽업 및 상기 전압 픽업 중 하나 이상은 인쇄 회로 보드 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 전압 픽업과 상기 전류 픽업은 상기 인쇄 회로 보드 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 전류 픽업은 상기 인쇄 회로 기판의 2개의 층으로 형성되는 인덕터(inductor)이며, 상기 층들은 블라인드 비아(blind via)에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 센서 헤드는 다면 외장(multi-sided enclosure)에 의해 형성되며, 상기 컨덕터는 플라스마 툴의 스트랩 컨덕터(strap conductor)에 의해 형성되고, 상기 컨덕터는 상기 외장의 하나의 면을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 회로 보드는 상기 다면 외장 내에 배치되며, 상기 회로 보드는 외곽부 가까이에 배치된 다수의 차폐 비아(shielding via)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 인쇄 회로 보드는, 일정한 이득을 생성하기 위해, 주파수에 따른 상기 컨덕터의 응답을 평탄화(flatten)하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 응답 평탄화 수단은 상기 컨덕터에 인접하게 배치되는 표피 효과 차폐 층(skin effect shield layer)을 포함하며, 상기 층은 로우 패스 필터(low pass filter)로서 기능하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조 립체.
9. 제 2 항에 있어서, 상기 전압 픽업은, 상기 컨덕터로부터의 자속(magnetic flux) 라인의 방향에 평행하도록 배향된 격자(grid)나 망(mesh) 구조를 갖는 상기 인쇄 회로 보드의 금속 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 인쇄 회로 보드는 어떠한 장(field)도 상기 센서 헤드로 연결되는 커넥터 및 케이블로 결합되는 것을 차단하기 위한 차폐부(shield)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 인쇄 회로 보드는 접지되는 금속 상부 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
12. 제 2 항에 있어서,

    상기 센서 헤드로 연결되는 3축 케이블(triaxial cable)

    을 포함하며, 상기 케이블은 상기 센서로부터 전압 및 전류 신호를 운반하는 2개의 동축 케이블을 감싸는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 3축 케이블은 외부 동축 컨덕터 및 상기 외부 동축 컨덕터 위에 배치되는 유전체 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
14. 제 13 항에 있어서,

    - 임피던스 종단(impedance termination)

    을 포함하며, 이때, RF 센서의 최대 동작 주파수에서 1/4파장인 전기적 길이(electrical length)를 갖는 3축 케이블을 이용하여 상기 임피던스 종단은 상기 센서 헤드로 연결되는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 임피던스 종단은 한 쌍의 트랜스포머(transformer)를 포함하며, 각각의 상기 트랜스포머는 상기 센서 헤드로부터의 전압 및 전류 픽업 신호에 대하여 사용되며, 상기 트랜스포머는 각각의 상기 신호의 로드를 오정합(mismatch)하여, 고립(isolation)을 제공하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 한 쌍의 트랜스포머는 상기 전압 신호에 대한 저-고 임피던스(low to high impedance) 트랜스포머와, 상기 전류 신호에 대한 고-저 임피던스(high-low impedance) 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
17. 제 12 항에 있어서, 상기 센서 헤드는 상기 케이블과 상기 회로 보드에 부착되는 스트레인 릴리프(strain relief)를 수용하기 위한 오프닝을 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 스트레인 릴리프는 전기 차폐부(electrical shield)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미니어처 RF 센서 조립체.
19. - 다면 유전체 외장(multi-side dielectric enclosure)을 포함하는 센서 헤드(sensor head),

    - 상기 센서 헤드의 하나의 면으로서 배열되는 컨덕터(conductor)로서, 플라스마 공정 툴의 컨덕터 스트랩(conductor strap)인 상기 컨덕터(conductor),

    - 전류 픽업(current pickup),

    - 전압 픽업(voltage pickup)

    을 포함하며, 이때, 각각의 전류 픽업 및 전압 픽업은 인쇄 회로 보드 내에서 배열되고, 상기 전압 픽업 및 상기 전류 픽업은 상기 컨덕터 위에서, 하나 위에 다른 하나가 배열되는 것을 특징으로 하는 센서 조립체.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 전류 픽업은 인덕터를 형성하는 블라인드 비아(blind via)에 의해 연결되는 상기 보드의 한 쌍의 평행하는 층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 조립체.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 전압 픽업은 상기 컨덕터에 의해 발생되는 전자기장(EM field)에 평행인 방향으로 배향된 망(mesh)이나 격자(grid) 구조로부터 형성되는 금속 층인 것을 특징으로 하는 센서 조립체.

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