KR20160041251A - 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기설정된 편광 상태로 제어되는 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시키는 과정과, 상기 레이저의 집속에 대응되는 플라즈마를 생성하는 과정과, 상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하는 RF 전원을 이용하여 전자장을 유도하여 생성된 상기 플라즈마를 자화시키는 과정과, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

Description

라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING PLASMA RAMAN SCATTERING}
본 발명은 플라즈마 진단에 관한 것이다.
일반적으로, 자화된 플라즈마의 진단법으로는 패러데이 회전(Faraday rotstion) 방법이 사용되었다.
이와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제10-2006-0081808호에는 플라즈마 소스로부터 추출한 이온 빔을 서로 절연된 분할면적에 입사하여 각 면적의 전류량을 측정하는 이온 빔의 전류 측정을 위한 패러데이 시스템이 개시되어 있다.
그런데 이러한 패러데이 회전을 이용한 플라즈마의 진단은 해당 플라즈마의 사이즈, 플라즈마 굴절율에 따른 민감도를 높이는데 한계가 존재하며, 결국 플라즈마 공정에 있어서 높은 민감도를 가지고 플라즈마를 모니터링 가능한 기술이 요구되는 실정이다.
따라서 본 발명은 이를 해결하기 위해 레이저와 플라즈마 상호작용에 의해 발생되는 라만산란을 이용하여 자화된 플라즈마의 밀도, 자기장과 같은 플라즈마 진단 파라미터를 모니터링 가능한 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 견지에 따르면, 기설정된 편광 상태로 제어되는 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시키는 과정과, 상기 레이저의 집속에 대응되는 플라즈마를 생성하는 과정과, 상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하는 RF 전원을 이용하여 전자장을 유도하여 생성된 상기 플라즈마를 자화시키는 과정과, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 진공 챔버와, 상기 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부와, 기설정된 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저를 생성하고, 생성된 상기 레이저를 기설정된 편광 상태로 제어하여 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부와, 상기 진공 챔버 내에 조사되어 가스에 집속된 레이저에 상응하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 플라즈마 생성부로부터 생성된 플라즈마를 RF 전원을 통해 전자장을 유도하여 자화시키고, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행하는 플라즈마 진단 제어부를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명은 다양한 공정에서 요구되는 플라즈마의 자기장의 방향과 세기 및 밀도를 높은 민감율을 가지는 라만 산란에 의한 웨이브를 통해 분석함으로써 플라즈마의 특성을 적응적으로 제어 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 자화된 플라즈마의 밀도 및 자기장의 세기와 방향의 분석을 위한 이론식을 도출을 통해 라만 산란 기반 측정의 자유도가 증가하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 관한 전체 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 있어서, 자화된 플라즈마에 레이저 조사 시 빛의 산란을 개략적으로 도시한 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 있어서, 라만 산란 시 소정 밀도에서 플라즈마의 자기장 세기 관련 이론 및 시뮬레이션 결과를 보인 예시도.
도 4는 저온에서 자화된 플라즈마의 라만 산란 시 레이저 진행방향과 반대방향으로 산란(Raman backed scattering, RBS)되는 RBS의 성장률(growth rate) 관련 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치의 상세 블록도.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
본 발명은 플라즈마 진단에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RF 전원을 통해 챔버 내 전기장을 유도하여 자화시킨 플라즈마에 고출력 레이저를 입사하여 이로 인해 발생되는 라만 산란(Raman scattering)에 의해 산란되는 웨이브를 기설정된 산란식을 통해 분석하여 플라즈마의 진단 파라미터(밀도, 자기장의 세기 및 방향)를 측정함으로써 다양한 공정에서 요구되는 플라즈마의 자기장을 적응적으로 제어 가능한 기술을 제공하고자 한다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 관해 도 1을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명이 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 과한 전체 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 110 과정에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치는 기설정된 편광 상태로 제어되는 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시킨다.
여기서, 상기 진공 챔버는 주입되는 가스를 공급받고 플라즈마 상태로 여기 시키는 공간을 제공하여 플라즈마가 발생되는 공간을 제공한다.
상기 기설정된 편광 상태는, 상기 진공 챔버 내 생성된 플라즈마 입사 면에 수직으로 반사되게 제어되는 선편광 상태로서, 레이저 발생부로부터 발생된 레이저 빔을 진공 챔버 내 가스에 집속하기 위한 빔 접속수단을 통해 선편광된 레이저가 상기 진공 챔버 내 가스에 집속된다.
112 과정에서는 레이저 집속에 대응되는 플라즈마를 생성한다.
이때, 상기 플라즈마는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치에 의해 반응 가스가 활성화되어 플라즈마 상태로 변형되는 것으로, 상기 레이저 발생부로부터 발생된 고강도의 레이저 빔이 상기 빔 접속수단에 조사되면, 해당 레이저 빔은 빔 접속수단에 의해 반사되어 진공 챔버 내의 소정 위치에 집속되고, 상기 진공 챔버 내의 소정 위치에 존재하는 공간적으로 서로 다른 압력을 가지는 가스는 이온화되어 플라즈마가 생성된다.
114 과정에서는 구동 주파수를 가지고 주기적인 RF 펄스를 제공하는 RF 전원을 상기 진공 챔버에 인가하여 진공 챔버 내 전자장을 유도하여 116 과정에서 생성된 플라즈마를 자화시킨다.
118 과정에서는 자화된 플라즈마에 레이저를 조사하여 이를 통해 120 과정에서는 라만 산란이 발생된다.
상기 자화된 플라즈마에 입사되는 레이저는, 기설정된 크기 이상의 에너지를 가지는 고출력 레이저이고, 상기 라만 산란은 플라즈마의 밀도에 따라 플라즈마 진동수만큼 이동되는 특성을 가진다.
이후, 122 과정에서는 상기 120 과정의 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 상기 자화된 플라즈마에 선편광되어 조사된 레이저의 회전을 통해 기설정된 주기별 가장 크게 산란된 웨이브로부터 플라즈마 자기장의 세기 및 방향, 밀도가 측정되어 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행한다.
이때, 상기 산란광은 해당 플라즈마의 밀도에 따라 플라즈마 진동수에 대응하여 이동되는 라만 산란되며, 상기 입사되는 레이저 진행방향에 수직한다.
보다 상세하게 도 2를 참조하여 설명하면, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 있어서, 자화된 플라즈마에 레이저 조사 시 빛의 산란을 개략적으로 도시한 예시도로서 도 2와 같은 구조일 때 플라즈마 산란식은 하기의 수학식 1 및 2와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
(여기서,
Figure pat00003
)
선편광된 레이저를 자화된 플라즈마에 조사 시, 자기장의 방향은 상기 선편광과 수직하며, 레이저의 선편광은 방향이 자기장의 방향과 수직일 때 가장 큰 산란 크기를 만들어 내므로, 이로부터
Figure pat00004
는 자기장에 따라 거의 변화가 없으며,
Figure pat00005
는 상대적으로 민감하게 변한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 있어서, 라만 산란 시 소정 밀도에서 플라즈마의 자기장 세기 관련 이론 및 시뮬레이션 결과를 보인 예시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이,
Figure pat00006
의 크기는 하기 수학식 3에서처럼 이론[C. Grebogi, phys. Fluids 23. 1330(1908]으로부터 자기장이 커질수록 작아진다.
Figure pat00007
(이때,
Figure pat00008
)
한편, 도 4는 저온에서 자화된 플라즈마의 라만 산란 시 레이저 진행방향과 반대방향으로 산란(Raman backward scattering, RBS)되는 RBS의 성장률(growth rate) 관련 예시도를 보인 것으로, 하기의 수학식 4를 통해 상술한 도 3에서의 시뮬레이션 결과로부터의 RBS 성장률이 측정된다.
Figure pat00009
이어서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 있어서, 자화된 플라즈마에 고출력 레이저를 입사하면 라만 산란에 의해 입사되는 레이저 진행방향으로 산란되는 웨이브를 통해 플라즈마의 밀도 정보가 확인되고, 상기 레이저 진향방향과 반대방향으로 산란되는 웨이브를 통해 밀도와 자기장 상태에 대응되는 정보가 확인된다.
이때, 자기장 측정을 위해서는 레이저의 선편광을 소정의 레이저 제어 장치를 통해 회전시키되, 상기 레이저 회전 시 가장 크게 산란된 웨이브에서 자기장의 방향과 세기를 측정할 수 있다.
상기 레이저 진행방향(for forward scattering)으로 산란되는 웨이브는, 하기의 수학식 5에 적용되고,
Figure pat00010
상기 레이저 진행방향과 반대방향(for backward scattering)으로 산란되는 웨이브는, 하기의 수학식 6에 적용되어 플라즈마의 자기장 방향과 세기가 측정된다.
Figure pat00011
하기 수학식 7의 X mode dispersion relation(엑스 모드 분산 관계식)에서, 플라즈마 웨이브가 레이저 진행방향과 동일한 방향 및 레이저 진행방향과 반대방향으로 산란되는 경우는 각각 하기 수학식 8(forward scattering : 웨이크 필드 위상 속도(wake field phase velocity) = laser group velocity(
Figure pat00012
) 및 9(backward scattering : wake field phase velocity)와 같고, 수학식 6에 대응하는 재배열 방정식(Rearranging equation)은 하기 수학식 10과 같다.
본 발명의 실시 예에 따른 자화된 플라즈마의 웨이브 산란은 하기 수학식 10을 주파수(ω)에 대한 식으로 수학식 5와 같이 변경하여 이로부터 플라즈마의 자기방 방향과 세기의 측정이 수행된다.
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법에 대해서 살펴보았다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치에 대해 도 5를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치의 블록도를 보인 것으로, 본 발명이 적용된 장치는 가스 조절부(610), 진공 챔버(612), 레이저 발생부(611) 및 RF 전원을 포함한다.
상기 진공 챔버(612)는 플라즈마 생성부(614), 플라즈마 진단 제어부(616)를 포함하고, 주입되는 가스를 공급받고 플라즈마 상태로 여기 시키는 공간을 제공하여 플라즈마가 발생되는 공간을 제공한다.
상기 가스 조절부(610)는 진공 챔버(612)에 설치되어 상기 진공 챔버(612)에 가스를 공급한다.
상기 레이저 발생부(611)는 기설정된 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저를 생성하고, 생성된 상기 레이저를 기설정된 편광 상태로 제어하여 상기 진공 챔버에 조사한다.
이때, 상기 기설정된 편광 상태는, 진공 챔버(612) 내 생성된 플라즈마 입사 면에 수직으로 반사되게 제어되는 선편광 상태로서, 레이저 발생부(611)로부터 발생된 레이저 빔을 진공 챔버(612) 내 가스에 집속하기 위한 빔 접속수단(미도시)을 통해 선편광된 레이저가 상기 진공 챔버(612) 내 가스에 집속된다.
상기 레이저 발생부(611)는 선편광된 레이저를 자화된 플라즈마에 입사되어 기진행 방향으로부터 역전되어 편광되도록 제어한다.
상기 플라즈마 생성부(614)는 진공 챔버(612) 내에 조사되어 가스에 집속된 레이저에 상응하여 플라즈마를 생성한다.
상기 플라즈마 진단 제어부(616)은 플라즈마 생성부(614)로부터 생성된 플라즈마를 RF 전원을 통해 전자장을 유도하여 자화시키고, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행한다.
여기서, 상기 산란광은 해당 플라즈마의 밀도에 따라 플라즈마 진동수에 대응하여 이동되는 라만 산란되며, 상기 입사되는 레이저 진행방향에 수직한다.
또한, 상기 플라즈마 진단 제어부(616)은 상기 라만 산란에 의해 입사되는 레이저 진행방향으로 산란되는 웨이브를 통해 플라즈마의 밀도 정보를 확인하고, 상기 레이저 진향방향과 반대방향으로 산란되는 웨이브를 통해 밀도와 자기장 상태에 대응되는 정보를 확인한다.
그리고, 상기 플라즈마 진단 제어부(616)는, 상기 자화된 플라즈마에 선편광되어 조사된 레이저의 회전을 통해 기설정된 주기별 가장 크게 산란된 웨이브로부터 플라즈마 자기장의 세기 및 방향, 밀도를 측정하여 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행한다. 이때, 레이저의 입사방향으로 산란되는 웨이브는 플라즈마의 밀도 정보를 알려주고, 반대방향으로 산란되는 웨이브는 밀도와 자기장의 영향을 같이 받은 정보이기 때문에 본 발명의 실시 예에 따라 입사방향(forward scattering)과 반대방향(forward scattering)의 웨이브 2가지를 분석하면 밀도와 자기장 정보를 획득 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 따른 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법 및 장치에 관한 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
610: 가스 조절부 611: 레이저 발생부
612: 진공 챔버 613: RF 전원
616: 플라즈마 진단 제어부 614: 플라즈마 생성부

Claims (13)

  1. 기설정된 편광 상태로 제어되는 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시키는 과정과,
    상기 레이저의 집속에 대응되는 플라즈마를 생성하는 과정과,
    상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하는 RF 전원을 이용하여 전자장을 유도하여 생성된 상기 플라즈마를 자화시키는 과정과,
    자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기설정된 편광 상태는,
    상기 진공 챔버 내 생성된 플라즈마 입사면에 수직으로 반사되게 제어되는 선편광 상태이고, 선편광 상태 레이저가 상기 자화된 플라즈마에 입사되어 기진행 방향으로부터 역전되어 편광됨을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자화된 플라즈마에 입사되는 레이저는,
    기설정된 크기 이상의 에너지를 가지는 고출력 레이저임을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산란광은,
    해당 플라즈마의 밀도에 따라 플라즈마 진동수에 대응하여 이동되는 라만 산란(Raman scattering)되며, 상기 입사되는 레이저 진행방향에 수직함을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 라만 산란에 의해 입사되는 레이저 진행방향으로 산란되는 웨이브를 통해 플라즈마의 밀도 정보과 확인되고,
    상기 레이저 진향방향과 반대방향으로 산란되는 웨이브를 통해 밀도와 자기장 상태에 대응되는 정보가 확인됨을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 레이저 진행방향으로 산란되는 웨이브는,
    Figure pat00017
    에 적용되고,
    상기 레이저 진행방향과 반대방향으로 산란되는 웨이브는,
    Figure pat00018
    에 적용되어, 플라즈마의 자기장 방향과 세기가 측정됨을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행하는 과정은,
    상기 자화된 플라즈마에 선편광되어 조사된 레이저의 회전을 통해 기설정된 주기별 가장 크게 산란된 웨이브로부터 플라즈마 자기장의 세기 및 방향, 밀도가 측정되어 수행됨을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 방법.
  8. 진공 챔버와,
    상기 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부와,
    기설정된 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저를 생성하고, 생성된 상기 레이저를 기설정된 편광 상태로 제어하여 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부와,
    상기 진공 챔버 내에 조사되어 가스에 집속된 레이저에 상응하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와,
    상기 플라즈마 생성부로부터 생성된 플라즈마를 RF 전원을 통해 전자장을 유도하여 자화시키고, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 통해 발생되는 산란광을 기반으로 플라즈마 진단 파라미터별 모니터링을 수행하는 플라즈마 진단 제어부를 포함함을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 레이저 발생부는,
    상기 진공 챔버 내 생성된 플라즈마 입사면에 수직으로 반사되게 제어되는 선편광 상태로 레이저를 제어하여 선편광 상태 레이저가 상기 자화된 플라즈마에 입사되어 기진행 방향으로부터 역전되어 편광되도록 제어함을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 산란광은,
    해당 플라즈마의 밀도에 따라 플라즈마 진동수에 대응하여 이동되는 라만 산란(Raman scattering)되며, 상기 입사되는 레이저 진행방향에 수직함을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 플라즈마 진단 제어부는,
    상기 라만 산란에 의해 입사되는 레이저 진행방향으로 산란되는 웨이브를 통해 플라즈마의 밀도 정보를 확인하고,
    상기 레이저 진향방향과 반대방향으로 산란되는 웨이브를 통해 밀도와 자기장 상태에 대응되는 정보를 확인함을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 진행방향으로 산란되는 웨이브는,
    Figure pat00019
    에 적용되고,
    상기 레이저 진행방향과 반대방향으로 산란되는 웨이브는,
    Figure pat00020
    에 적용되어, 플라즈마의 자기장 방향과 세기가 측정됨을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 플라즈마 진단 제어부는,
    상기 자화된 플라즈마에 선편광되어 조사된 레이저의 회전을 통해 기설정된 주기별 가장 크게 산란된 웨이브로부터 플라즈마 자기장의 세기 및 방향, 밀도가 측정되어 수행됨을 특징으로 하는 라만 산란을 이용한 플라즈마 진단 장치.
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