KR20230027087A - Rf 전압 및 전류(v-i) 센서 및 측정 방법 - Google Patents

Abstract

무선 주파수(RF) 시스템은, RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 RF 전원; RF 전원을 부하에 결합하는 접지에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프; 및 RF 신호를 전달하는 RF 파이프의 중심축에 정렬된 전류 센서를 포함한다. 센서 케이싱이 RF 파이프의 둘레에 배치되며, 센서 케이싱은, RF 파이프의 외측 전도체에 연결된 전도성 재료를 포함한다. 센서 케이싱 내에 그리고 RF 파이프의 외측 전도체의 외부에 갤러리가 배치되며, 전류 센서는 갤러리 내에 배치된다. RF 파이프의 외측 전도체의 슬릿은, RF 파이프의 내측 전도체의 RF 신호의 전류로 인한 자기장에 전류 센서를 노출시킨다.

Description

RF 전압 및 전류(V-I) 센서 및 측정 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 6월 26일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 정규출원 번호 제16/913,545호(대리인 사건표기: 200391US01), 2020년 6월 26일자로 출원된 미국 정규출원 번호 제16/913,548호(대리인 사건표기: 190883US01)에 관한 것이며, 2020년 6월 26일자로 출원된 미국 정규출원 번호 제16/913,526호(대리인 사건표기: 190907US01)에 대한 우선권을 주장하고, 이에 따라 이 출원들은 본원에 참조로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 플라즈마 공정(plasma processing) 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 실시형태는 무선 주파수(RF) 전압 및 전류 센서 및 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 집적 회로(IC)의 발전은, 감소된 비용으로 더 많은 기능이 요구되는 것에 의해 주도된다. 더 적은 비용으로의 더 많은 기능은, 주로 소형화를 통해 부품 패킹(packing) 밀도를 증가시킴으로써 제공된다. IC는, 전도성 라인, 접점, 및 비아(via)의 다층식 시스템에 의해 상호 연결된 전자 부품(예를 들어, 트랜지스터, 저항기, 및 커패시터)의 네트워크이다. 화학 기상 증착(CVD), 포토리소그래피, 및 에칭과 같은 공정 단계를 포함하는 제조 흐름을 사용하여, 반도체 기판 위에 유전체, 전도성 재료, 및 반도체 재료의 층을 순차적으로 증착 및 패터닝(patterning)함으로써, 네트워크의 요소가 함께 집적된다. 액침 리소그래피 및 다중 패터닝과 같은 기술 혁신으로 최소 형상부(feature) 크기를 주기적으로 감소시킴으로써, 회로 요소의 패킹 밀도가 증가되었다. 3차원(3D) 소자 구조물(예를 들어, 핀펫(FinFET) 및 적층형 커패시터 메모리 셀)을 통해 소자 풋프린트(footprint)를 감소시킴으로써, 추가적인 소형화가 달성된다.

반응성 이온 에칭(RIE), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 플라즈마 강화 원자층 에칭 및 증착(PEALE 및 PEALD), 및 주기적 플라즈마 공정(예를 들어, 교호하는 증착 및 에칭의 사이클)과 같은, 플라즈마 공정이 반도체 IC 제조에 사용되는 증착 및 패터닝 단계에서 통상적으로 사용된다. 그러나, 첨단 IC 설계를 위한 제조 가능한 플라즈마 기술을 제공하는 문제는, 원자 규모 치수로 제어되는 구조적 형상부에서 수 나노미터까지 비례 축소된 형상부 크기의 출현에 따라 심화되었다. 제조 가능한 플라즈마 공정은, 넓은(예를 들어, 300 mm) 웨이퍼에 걸친 균일성, 및 플라즈마 에칭(예를 들어, 측벽 각도, 이방성, 및 에칭 정지 층의 선택성) 및 플라즈마 증착(예를 들어, 정합성(conformality), 종횡비 선택성, 및 상향식 패터닝을 위한 영역 선택성) 둘 모두를 위한 정밀하게 제어된 형상부와 함께 정밀한 치수(예를 들어, 선폭, 에칭 깊이, 및 막 두께)를 갖는 구조물을 제공할 것으로 예상된다. IC 제조에 사용되는 다수의 플라즈마 공정에서, 플라즈마는 RF 전력에 의해 지속된다. 플라즈마 특성은 공정 챔버에 전달되는 RF 전력에 의해 영향을 받기 때문에, 플라즈마 공정의 정밀한 제어는, 비간섭적이고 정확한 RF 신호의 혁신적인 계측을 필요로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따라, 무선 주파수(RF) 시스템은, RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 전원; RF 전원을 부하에 결합하는 접지에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프(pipe); 및 RF 신호를 전달하는 RF 파이프의 중심축에 정렬된 전류 센서를 포함한다. 전류 센서는 RF 신호의 전류를 모니터링하도록 구성되며, RF 파이프에 인접하게 배치된 전도성 하프 루프(half-loop)를 포함하고, 전도성 하프 루프는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함한다. 전류 센서는, 제1 단부와 제2 단부 사이의 출력 신호를 출력하도록 구성된다. 센서 케이싱(casing)이 RF 파이프의 둘레에 배치되며, 센서 케이싱은, RF 파이프의 외측 전도체에 연결된 전도성 재료를 포함한다. 센서 케이싱 내에 그리고 RF 파이프의 외측 전도체의 외부에 갤러리(gallery)가 배치되며, 전류 센서는 갤러리 내에 배치된다. RF 파이프의 외측 전도체의 슬릿(slit)은, RF 파이프의 내측 전도체의 RF 신호의 전류로 인한 자기장에 전류 센서를 노출시킨다.

본 발명의 일 실시형태에 따라, 무선 주파수(RF) 시스템은, RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 전원; RF 전원을 부하에 결합하는 기준 전위 노드에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프; 및 RF 신호를 전달하는 RF 파이프의 축의 둘레에 축대칭으로 배치된 제1 전압 센서를 포함하며, 제1 전압 센서는 RF 신호의 전압을 모니터링하도록 구성된다.

본 발명의 일 실시형태에 따라, 무선 주파수(RF) 신호를 측정하는 방법은, RF 신호를 전달하는 RF 파이프의 축에 정렬된 전류 센서를 구비하는 단계를 포함하며, 전류 센서는, 센서 케이싱 내에 그리고 RF 파이프의 외측 전도체의 외부에 배치되는 갤러리 내에 배치된다. 센서 케이싱은 RF 파이프의 둘레에 배치된다. 전류 센서는 전도성 하프 루프를 포함하며, 전도성 하프 루프는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함한다. 방법은, 제1 단부와 제2 단부 사이의 출력 신호를 측정하는 단계에 기초하여, RF 신호의 전류를 결정하는 단계를 포함한다.

이제 본 발명, 및 이의 이점에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 고려되는 이하의 설명을 참조하며, 첨부된 도면으로서:
도 1a는 반도체 IC 제조를 위한 범용 플라즈마 공정 시스템의 블록도를 도시한다;
도 1b는 일 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 단면도를 도시한다;
도 1c는 일 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 전류 센서의 상부 단면도를 도시한다;
도 2a는 일 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 사시도를 도시한다;
도 2b는 도 2a에 도시된 V-I 센서의 절개도를 도시한다;
도 3은 일부 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 절개도를 도시한다;
도 4는 일부 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 절개도를 도시한다;
도 5는 일부 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 절개도를 도시한다;
도 6a는 일부 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 V-I 센서의 사시도를 도시한다;
도 6b는 도 6a에 도시된 V-I 센서의 절개도를 도시한다;
도 6c는 도 6a에 도시된 V-I 센서의 단면도를 도시한다;
도 6d는 일 실시형태에 따라, 도 6a에 도시된 V-I 센서의 전류 센서 요소의 사시도를 도시한다;
도 7a는 일부 실시형태에 따라, RF 파이프를 위한 전류 센서 조립체의 사시도를 도시한다;
도 7b는 도 7a에 도시된 전류 센서 조립체의 분해도를 도시한다;
도 7c는 RF 파이프를 위한 RF 전도체와 함께, 도 7a의 전류 센서 조립체의 절개도의 분해도를 도시한다;
도 7d는 일부 실시형태에 따라, 도 7c에 도시된 RF 파이프를 위한 RF 전도체를 갖는 전류 센서 조립체의 절개도를 도시한다; 그리고
도 7e는 도 7c에 도시된, RF 전도체를 갖는 전류 센서 조립체의 하부 부분의 평면도를 도시한다.
도 1a 내지 도 7e에서 모든 세 자리 참조 번호 중 마지막 두 자리는 항상 유사한 구성 요소를 나타낸다.

본 개시물의 실시형태의 제조 및 사용은 아래에 상세히 설명된다. 그러나, 본원에 개시된 개념은 매우 다양한 구체적인 맥락에서 구현될 수 있으며, 본원에 설명된 구체적인 실시형태는 단지 예시적인 것일 뿐이며, 청구범위의 범위를 제한하는 역할을 하지 않음을 이해해야 한다.

본 개시물은 무선 주파수(RF) 전기 신호의 전압(V), 전류(I), 및 전압과 전류 간의 위상각(Φ)을 정확하게 측정하기 위해 사용되는 센서 설계 및 방법을 설명한다. 본원에 설명된 전압-전류(V-I) 센서의 실시형태는, RF 파이프로 지칭되는 동축 전송 라인을 따라 RF 전자기파의 전기장 및 자기장을 프로빙(probing)하는 데 적용되었다.

반도체 제조 시의 플라즈마 공정(예를 들어, 플라즈마 에칭 및 증착 공정)은, 흔히 플라즈마를 지속시키기 위해 RF 전력을 사용한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마를 지속시키는 RF 신호는 플라즈마 특성에 영향을 준다. 결과적으로, 플라즈마 특성(예를 들어, 전자 밀도, 플라즈마 시스(sheath) 두께, 이온 대 라디칼 플럭스의 비율 등)은, 플라즈마 공정의 에칭 및/또는 증착 특성에 영향을 준다.

다양한 실시형태에서, 본 출원은 RF 파이프를 통하는 RF 신호의 전류 및 전압을 측정하기 위한 RF V-I 센서를 설명한다. 여기서 RF 파이프라는 용어는, 플라즈마 반응기(플라즈마 공정 시스템으로 지칭됨)의 일 부분으로부터 다른 부분으로 RF 전력을 전달하는 동축 전송 라인을 지칭한다. RF 파이프를 통하여 전송되는 파형, I 및 V는 위치(x) 및 시간(t)의 함수이다(I(x, t) 및 V(x, t)). 단일 주파수 성분(f)이 존재하는 경우, 전류 및 전압은,

및

로서 간결하게 작성된 사인파 파형으로 표현되며, 여기서

,

이고, Re는 복소 함수의 실수부이다. 위에 언급된 바와 같이, I 및 V는 크기를 각각 가지며, 각각은 위상각(Φ)만큼 서로 분리된다. 일반적으로, 파형, I 및 V는, 다수의 주파수 성분을 포함할 수 있다. 전압 V(x, t)는, 접지된 외측 전도체(또는 차폐물(shield))에 대한 RF 파이프(또는 동축 전송 라인)의 내측 전도체(또는 코어)의 전위를 지칭하며, 여기서 접지는 RF 시스템의 기준 전위를 나타낸다.

다양한 실시형태에서 설명된 바와 같이, RF V-I 센서는, 센서의 위치에서 높은 정밀도로 V 및 I를 제공하기 위해, 기하학적 대칭 및 차동 측정 방법을 사용할 수 있다. RF 파이프를 따라 다양한 위치에서 다수의 V-I 센서를 사용하여, 거기서 RF 신호를 프로빙할 수 있다. V 및 I는 위치(x)의 함수이기 때문에, 각각의 V-I 센서는, 각각의 원하는 측정 위치에 가능한 한 가깝게 위치될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 챔버에 제공되는 RF 신호의 전압 및 전류의 정확한 측정치를 사용하여 플라즈마 공정을 모니터링 및 제어하는 것이 바람직한 경우, 그러한 목적을 위해 사용되는 V-I 센서는, RF 신호가 플라즈마 챔버에 입력되는 곳에 가깝게 위치될 수 있다. 본원에 설명된 다양한 실시형태는 비용 증가 없이 V-I 센서의 측정 정확도 및 감도를 향상시킴으로써, 동일한 비용으로 더 나은 반복성 및 더 엄격한 공정 제어를 통해 플라즈마 공정을 제공할 수 있는 향상된 능력을 플라즈마 공정 시스템에 제공한다. 추가적으로, RF 프로브는, 제조 흐름에서 플라즈마 공정의 설정 방식에 대한 시간 소모적이고 고비용의 재개발 없이, 개선된 V-I 센서로 기존의 플라즈마 공정 장비를 용이하게 개조할 수 있도록 하기 위해 비간섭적이도록 설계된다.

본 개시물에서, 도 1a에 도시된 블록도를 참조하여, 플라즈마 공정 시스템에서의 V-I 센서의 사용이 먼저 설명된다. 그 다음, 일 실시형태에 따라 도 1b에 도시된 개략도를 참조하여, 플라즈마 공정 시스템에서의 V-I 센서의 기본 구조 및 작동 원리가 설명된다. 그 다음, V-I 센서 설계(도 1b의 개략도의 기본 구조와 유사한 설계)의 일부 혁신적인 양태는 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 V-I 센서의 예시적인 실시형태를 참조하여 설명된다.

도 1b를 참조하여 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4 및 도 5의 실시형태의 전압 센서는 축대칭을 가지며, 전류 흐름 방향에 평행하게 연장되는 중앙 종축의 둘레로 루핑(looping)되는 RF 파이프의 내부에 배치된 전도성 링으로서 설계된다. 축대칭 설계에 의해 제공되는 이점은 도 2b를 참조하여 아래의 논의에 설명되었다.

예시적인 실시형태의 각각의 전류 센서는, RF 파이프 외부의 원주 둘레의 슬리브(sleeve) 또는 갤러리에 위치된다. 갤러리는 센서 케이싱 내부의 공동(cavity)이다. 센서 케이싱은 갤러리를 커버하는 전도성 벽을 가지며, RF 파이프의 외측 전도체에 연결되어, 접지에 연결될 수 있다. 도 1b를 참조하여 아래에 상세히 설명된 바와 같이, 전류 센서는 2개의 개방 단부를 갖는 단일 전도성 루프(하프 루프로 지칭됨)이며; 루프는 예를 들어, 동축 케이블에 의해 전류 센서에 연결된 외부 V-I 분석기의 구성 요소를 사용하여 완료된다. V-I 분석기는, 전류 및 전압 센서로부터 수신된 미가공 신호를 분석하는 측정 시스템이다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 정확한 분석을 위한 차동 측정을 수행하기 위해, 전류 센서의 양단부가 V-I 분석기에 연결될 수 있다. 그러나, 정확도를 희생하여 시스템을 단순화하기 위해, 전류 센서의 단부 중 하나만이 V-I 분석기에 연결될 수 있으며, 다른 단부는 부하 임피던스(예를 들어, 50 옴 부하)로 접지로 종단되거나 접지로 단락될 수 있다. 접지 연결은 센서 케이싱과의 직접 연결일 수 있다. 이러한 구성에서, 갤러리의 외측 접지 커버는, 루프를 완료하는데 크게 기여하는 하프 루프의 2개의 단부 사이의 회로 내에 있다. 본 개시물에 설명된 전류 센서의 실시형태를 사용하는 대안적인 RF 시스템에서, 전체 폐쇄 루프는, 적절한 임피던스 매칭 및 하나 이상의 외부 신호 연결을 통해 갤러리 내에 포함될 수 있다.

도 1b 내지 도 5를 참조하여 설명된 예시적인 실시형태에서, 하프 루프 전류 센서의 전류 루프는, 3개의 전도성 요소를 포함하는 하나의 전도성 턴(turn)을 갖는다. 전류 센서의 하프 루프의 3개의 전도성 요소는, RF 파이프의 중심축에 평행하게 지향된 수평 분기부(branch)에 의해 연결된 2개의 동일한 수직 분기부이다. 따라서, 본원에 설명된 전류 센서 설계는, RF 파이프의 중심축에 수직이고 2개의 수직 분기부 사이의 중간까지 통과하는 미러면(mirror plane)을 중심으로 미러 대칭을 갖는다. 반사 대칭을 갖는 이점은 도 2b를 참조하여 아래의 논의에서 설명되었다. 그러나, RF 파이프의 일측에 위치되는, 단일-턴 하프 루프 전류 센서에는 축대칭이 없다. 축대칭 다중-턴 하프 루프 전류 센서 설계는 도 6a 내지 도 7e를 참조하여 설명되며, 실시형태는 다중-턴 전류 픽업(pickup)을 기계적으로 지지하기 위한 환상 맨드릴(toroidal mandrel)을 사용한다.

본 개시물에 설명된 V-I 센서 설계의 혁신적인 양태는 다수의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전자기파의 전기장 및 자기장에 대한 비간섭적 프로빙을 사용하여, RF 파이프의 RF 신호의 무시 가능한 방해로 V-I 측정을 수행할 수 있다. 또한, V-I 센서의 조립 동안의 위치 설정 오차 뿐만 아니라, 구성 요소를 형성하기 위해 사용된 도구의 표준 공차로 인한 기계 가공 오차에 민감하지 않을 수 있는 측정을 제공하기 위해, 기하학적 대칭 및 차동 측정 기술이 센서 설계에 바람직하게 사용된다. 또한, 다수의 구조적 강화 기술이 사용되었다; 예를 들어, V-I 센서의 요소의 중복 배치가 이루어져서, 기하학적 대칭을 강화할 수 있으며, 추가적인 기계적 지지를 제공하도록 설계된 부분이 배치되어, 조립 동안의 기계적 응력으로 인해 기인하는 중요 센서 구성 요소의 형상의 작은 변형 조차도 감소/억제시킬 수 있다. 따라서, 본 개시물에 설명된 실시형태를 사용함으로써, 더 엄격한 기계 가공 공차의 증가된 비용을 발생시키지 않으면서, 개선된 정밀도를 갖는 RF V-I 측정이 달성될 수 있다.

도 1a는 반도체 IC 제조를 위해 사용될 수 있는 범용 플라즈마 공정 시스템의 블록도이다.

이제 도 1a를 참조하면, 플라즈마 공정 시스템에서, 고출력 RF 전원(10)에 의해, 예를 들어, RF 전력 증폭기에 결합된 RF 발진기에 의해, RF 신호가 생성될 수 있다. RF 신호 파형(예를 들어, 주파수, 진폭, 펄스형/연속적 등)은 프로그래밍 가능 제어기(20) 및 관련 전자 회로에 의해 조정될 수 있다. 도 1a에 플라즈마 챔버(30)로서 나타낸 블록 내부에서 플라즈마에 결합되는 전극에 RF 전력을 제공하기 위해, 도관(예를 들어, RF 파이프(110))을 통해 RF 신호가 전송될 수 있다.

당업자에게 알려진 바와 같이, RF 파이프(110)의 RF 신호는, 이동하는 RF 전자기파의 조합으로서 표현될 수 있다. RF 전원(10)의 출력 임피던스와 부하 임피던스 간의 임피던스 불일치로 인해, RF 전원(10)으로부터 부하를 향해 이동하는 RF 전력의 일부분이 다시 RF 전원(10)으로 반사된다. 이러한 원치 않는 반사를 억제시키기 위해, 도 1a에 도시된 바와 같이, 정합망을 포함하는 정합기(matcher)(40)가 RF 전원(10)과 플라즈마 챔버(30) 사이의 RF 신호 경로 내에 삽입될 수 있다. 정합망의 반사 전력 대 입사 전력의 비율은, (예를 들어, V-I 센서 및 분석기를 사용하여) 정합기(40)에 의해 감지될 수 있으며, 프로그래밍 가능 제어기(20)에 제공될 수 있다. 프로그래밍 가능 제어기(20)는, 예를 들어, 피드백 제어 루프(정합기(40)와 프로그래밍 가능 제어기(20) 사이에 2개의 화살표로 도 1a에 표시됨)를 사용하여 이의 임피던스를 조정함으로써, 정합망으로부터 RF 전원(10)으로 다시 반사되는 RF 전력을 감소시킬 수 있다.

예를 들어, RF 전원(10)으로부터 플라즈마 챔버(30)의 전극으로 RF 파이프(110)에 의해 전달된 RF 전력을 사용하여, 플라즈마가 플라즈마 챔버(30) 내에 지속될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 전극에 제공된 RF 신호의 전류 및 전압을 감지하기 위해, V-I 센서(100)가 사용될 수 있다. 다양한 플라즈마 챔버 설계에서, 전극은 챔버 벽의 내부에 있을 수 있으며, 예를 들어, 챔버 벽 외부의 안테나 또는 용량성 결합 플라즈마(CCP) 챔버 내의 디스크 형상의 전극일 수 있다. 예를 들어, 유도성 결합 플라즈마(ICP) 챔버에서, 안테나는 유전체 윈도우 위에 배치된 전도성 평면형 나선일 수 있거나, 유전체 원통의 둘레에 감겨진 전도성 나선일 수 있다. 도 1a에 플라즈마 챔버(30)로서 표시된 블록은, 플라즈마에 결합된 안테나 및 전극을 포함한다. 단순화를 위해, 본 개시물에서, 전극이란 용어는 전극 및/또는 안테나를 지칭한다. 플라즈마 챔버(30)는 적어도 2개의 전극을 포함하며, 예를 들어, 이들 사이의 플라즈마에 전기적으로 결합되는, 상부 전극 및 하부 전극을 포함한다. 일부 설계에서, 하부 전극은 또한 기판 홀더인 것이 바람직할 수 있다.

도 1a의 블록도는 단일 RF 전원(10)으로부터 플라즈마 챔버(30)로 RF 전력을 전달하는 RF 파이프(110)를 도시하지만, 하나보다 많은 전극에 RF 전력을 제공하는 하나보다 많은 RF 전원이 있을 수 있다. 예를 들어, RF 전원(10)은, 플라즈마 챔버(30)의 전극(예를 들어, 상부 전극)에 RF 전력을 제공할 수 있으며, 제2 RF 바이어스 전원은, 각각의 RF 파이프, 정합기, 및 하부 전극에 제공된 RF 신호의 전압 및 전류를 감지하기 위해 플라즈마 챔버에 가깝게 위치된 V-I 센서를 사용하여, 플라즈마 챔버(30)의 다른 전극(예를 들어, 하부 전극)에 RF 바이어스 전력을 공급할 수 있다.

도 1a에서, RF 신호를 수신하는 전극에 가까운 RF 신호의 전류 및 전압을 감지 및 측정하기 위해 사용되는 V-I 센서(100)는 V-I 분석기(60)에 연결된다. V-I 분석기(60)는, 화살표로 표시된 바와 같이, V(t) 및 I(t)를 반영하는, V-I 센서(100)로부터의 미가공 출력 파형을 수신할 수 있다. V-I 분석기(60)는, 미가공 파형으로부터 다양한 RF 신호 특성을 추출할 수 있는 신호 프로세서, 예를 들어 디지털 신호 프로세서일 수 있다. 다양한 RF 신호 특성은, 크기(|V|, |I|), V와 I 간의 위상각(Φ), 및 피크 RF 전력(|V||I| cos Φ)을 포함할 수 있다. 또한, 다수의 주파수 성분을 추출하기 위해, 고조파 분석이 수행될 수 있다. 측정된 RF 신호 특성은, 자유 전자 및 이온 밀도 및 이온/라디칼 플럭스 및 에너지와 같은, 플라즈마 임피던스 및 플라즈마 특성을 반영할 수 있다. 예를 들어, 다양한 주파수(예를 들어, 약 0.4 MHz 내지 약 1 GHz) 및 전력(예를 들어, 약 0.015 kW 내지 약 30 kW)에 걸친 RF 보정 신호, 표준 부하 임피던스(예를 들어, 단락, 개방 회로, 50 옴 등), 및 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여, V-I 분석기(60)가 사전 보정될 수 있다.

도 1a에 화살표로 표시된 바와 같이, 플라즈마 특성을 반영하는 다양한 RF 신호 특성은, V-I 센서(100) 및 V-I 분석기(60)에 의해 프로그래밍 가능 제어기(20)에 제공될 수 있으며, 예를 들어, 공정 모니터링 또는 종료점 탐지를 위해 사용될 수 있다. 또한, 프로그래밍 가능 제어기(20)는, 공정 제어를 위해 수신된 RF 측정치를 사용할 수 있다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 플라즈마에 결합되는 RF 신호를 변경함으로써, 플라즈마 특성이 변경될 수 있다. 프로그래밍 가능 제어기(20)는, 예를 들어, RF 전원(10)의 설정을 조정함으로써, 또는 정합기(40)의 정합망의 임피던스를 조정함으로써, RF 측정치로부터의 정보를 사용하여 플라즈마 공정을 제어할 수 있다.

플라즈마의 파라미터를 추정 및 제어하기 위해 V-I 센서(100)가 사용되는 실시형태에서, 플라즈마 챔버(30)에 가깝게 V-I 센서(100)를 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 전극 위치에서의 RF 신호의 V 및 I는, 상이한 위치에서, 거기에 위치된 V-I 센서(100)에 의해 측정된 V 및 I로부터 추정될 수 있다. 그러나, 전극과 V-I 센서 사이의 거리가 증가됨에 따라, 전극에서의 V 및 I의 측정 오차가 증가할 수 있다. 이론적으로, 2개의 위치 간에 센서 신호를 변환하기 위해 사용되는 전달 행렬은, 2개의 위치 사이의 거리가 증가함에 따라, 단위 행렬로부터 추가로 벗어난다. 따라서, 전극 위치에 대해 추정된 V 및 I는, 각각의 전달 행렬을 추정할 때의 임의의 오차에 점점 더 민감하게 된다.

이제 도 1b를 참조하면, 일 실시형태에 따라, V-I 센서(100)는 플라즈마 챔버(30)에 연결되는 RF 파이프(110)에 부착된다. RF 파이프(110)는, 공유된 종축을 중심으로 동심으로 배치된 2개의 전도성 튜브(예를 들어, 알루미늄 또는 구리 튜브)를 포함하는 동축 구조물일 수 있다. 내측 전도체(120)로 지칭되는 내측 전도성 튜브는, 좌측으로 향하는 화살표로 표시된 정합기(40)의 출력 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 외측 전도체(130)로 지칭되는 외측 전도성 튜브는, 일반적으로 접지로 지칭되는 기준 전위에 연결된 접지된 시스일 수 있다. RF 파이프(110)는, 정합기(40)로부터 플라즈마 챔버(30)로 RF 전력을 전달하기 때문에, 주 동축 라인으로 지칭될 수 있다. 본 개시물의 다른 동축 라인은 동축 신호 라인(예를 들어, V-I 센서(100)로부터 VI 분석기(60)로 신호를 전달하기 위해 사용될 수 있는 동축 라인)으로 지칭된다.

V-I 센서(100)는, 2개의 주 구성 요소로서, 전류 센서(140) 및 전압 센서(150)를 포함한다. 전류 센서(140)는, 전도성 벽(예를 들어, 알루미늄, 황동, 스테인리스강, 또는 구리)을 갖는 센서 케이싱(165) 내부의 환형 갤러리(160) 내에 배치될 수 있다. 도 1b에 개략적으로 도시된 실시형태에서, 갤러리(160)는, 외측 전도체(130)의 외부의 전체 원주를 따르는 중공 환형 영역이며, RF 파이프(110)의 축을 중심으로 축대칭이다. 갤러리(160)의 축대칭 설계는, RF 파이프(110)에서 전파되는 RF 전자기파의 추가적인 반사 및 비-축대칭 파 모드를 방지하는 이점을 제공한다. 갤러리(160) 및 전도성 센서 케이싱(165)은 RF 파이프(110)와 일체형으로 형성될 수 있거나, RF 파이프(110)의 둘레에 대칭적으로 부착될 수 있으며, RF 파이프(110)의 종축과 전류 센서(140) 간의 정렬 오차를 방지하는 것을 돕도록 조립 동안 위치될 수 있다. 어느 경우이든, 전도성 센서 케이싱(165) 및 외측 전도체(130)는 전기적으로 및 물리적으로 연결된다. 따라서, 센서 케이싱(165)은, 동축 RF 파이프(110)의 외측 전도체(130)의 연장부인 것으로 간주될 수 있다.

도 1b의 실시형태는 환형 갤러리(160)를 갖지만, 일부 다른 실시형태에서, 갤러리는 환형이 아닐 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, RF 파이프(110)의 축대칭은, 예를 들어, RF 파이프(110)의 만곡에 의해 불가피하게 단절되었을 수 있으며, 이에 따라, V-I 센서 설계의 비대칭으로 인한 추가적인 축대칭 손실은 미미할 수 있다. 이 경우, V-I 센서 설계 시에 축대칭을 완화시키는 것이 합리적일 수 있다. 예를 들어, 갤러리는 부분적으로 외측 전도체(130)의 원주를 따를 수 있으며, RF 파이프(110)의 완전한 회로를 형성하지 못할 수 있다.

도 1b 및 도 1c를 참조하면, RF 파이프(110) 및 갤러리(160)의 중공 영역을 연결하는 슬릿(132)을 제외하고는, 외측 전도체(130) 및 센서 케이싱(165)의 전도성 표면에 의해 완전히 둘러싸인 갤러리(160)가 도시된다. 슬릿(132) 바로 위의 갤러리(160) 내에 위치된 전류 센서(140)의 전류 픽업(141)이 도시된다. 도 1b에 도시된 실시형태에서, 전류 픽업(141)은, 직사각형의 3개의 면(하프 루프로 지칭됨)으로 배치된 3개의 전도성 분기부(즉, 2개의 수직 분기부(142) 및 수평 분기부(143))를 포함한다. 일 실시형태에서, 2개의 수직 분기부(142)는, 수평 분기부(143)의 개구부 내에 각각 나사로 고정된다.

도 1b의 실시형태에서, 전류 픽업(141)의 수직 및 수평 분기부는, 3개의 별개의 부분을 사용하여 형성된다. 일부 다른 실시형태에서, (더 적거나/더 많은) 상이한 수의 부분이 사용될 수 있다.

슬릿(132)은, 자속이 갤러리(160) 내로 관통할 수 있게 하도록 설계된다. 내측 전도체(120)에 흐르는 전류로 인해, 내측 전도체(120)와 외측 전도체(130) 사이의 영역에서 종축(LA1)을 중심으로 내측 전도체(120)의 둘레로 자속이 순환한다. 슬릿(132)이 없으면, 암페어의 법칙에 따라, 외측 전도체(130)의 내측 표면 상에 흐르는 동일하지만 반대의 리턴 전류가 내측 전도체(120)의 전류로 인한 순환 자속을 상쇄시키기 때문에, 외측 전도체(130) 외부의 자속은 거의 0이다. 슬릿(132)은, 원통형 외측 전도체(130)의 연속성을 단절시킴으로써, 센서 케이싱(165)의 외측 전도성 본체의 내측 표면을 따라 흐르도록 리턴 전류를 전환시킨다. 이에 따라, 하프 루프 전류 픽업(141)을 포함하는 갤러리(160)의 중공 영역은, 내측 전도체(120)에 흐르는 전류와 각각의 리턴 전류 사이의 영역 내에 포함된다. 이제 암페어의 법칙에 따라, 전류 픽업(141)의 직사각형 하프 루프를 관통하는 자기장은 갤러리(160)의 내부에 있다. 일 실시예에서, 전류 픽업(141)의 하프 루프를 관통하는 자속을 극대화하도록 돕기 위해, 슬릿(132)은 원통형 외측 전도체(130)의 전체 원주를 따라 연장될 수 있다.

자속과 더불어, 접지된 외측 전도체(130)와 내측 전도체(120) 간의 전압차로 인해, 내측 전도체(120)로부터 방출되는 전기선속이 있다. 외측 전도체(130)에 형성된 슬릿(132)에 의해 제공되는 접지된 시스의 갭을 통하여, 갤러리(160) 내로 원치 않는 전기선속이 누출될 수 있다. 전류 픽업(141)의 하프 루프를 관통하는 변화되는 자속은, 그러한 위치에서의 I(t)의 측정치인 전기 신호를 유도한다. 그러나, 갤러리(160)에 유입되는 전기선속이 전류 픽업(141)과 결합될 수 있으며, 자속에 의해 생성된 신호를 오염시킬 수 있다. 따라서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 슬릿(132)은, 약 1 mm 내지 약 5 mm의 폭(LA1에 평행한 치수)을 갖도록 설계되었다. 슬릿(132)의 폭은, RF 파이프(110)의 내부로부터 갤러리(160)에 유입되는 전기선속을 감소시키도록 돕기 위해 좁게 유지될 수 있다.

도 1b 내지 도 5를 참조하여 설명된 V-I 센서의 실시형태를 위해 사용된 슬릿 설계는 외측 전도체의 원주를 따르는 링과 같이 형성되지만, 다양한 다른 설계가 가능함을 이해한다. 예를 들어, 지그재그(zig-zag) 슬릿 설계가 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 설명된 전류 센서 조립체에 사용되었다.

전류 센서(140)의 전도성 부분은, 도 1b의 절연 부분(162)(및 도 2a 내지 도 5에 도시된 유사한 다른 부분)과 같이, 기계적 지지를 위해 사용된 절연 구성 요소에 의해 그리고 에어 갭(또는 다른 절연체)에 의해, 센서 케이싱(165) 및 외측 전도체(130)의 전도성 표면으로부터 절연될 수 있다.

전류 픽업(141)은, 이의 2개의 수직 분기부(142) 및 수평 분기부(143)를 갖는 직사각형 단면을 갖는 영역의 둘레로 한 번의 턴을 하는, 위상 기하학적으로 하프 루프(2개의 개방 단부를 갖는 루프)이다. 단일-턴 하프 루프 전류 픽업(141)은, RF 파이프(110)를 따라 이동하는 RF 전자기파로부터 비롯되는 시변 자기장의 존재 하에 위치될 수 있다. 패러데이의 법칙에 따라, 시변 자속에 비례하는 시변 전압차가 전류 픽업(141)의 2개의 단부 사이에 유도될 수 있다. 전류 픽업(141)의 2개의 단부는, 도 1b에서 센서 케이싱(165) 위에 도시된 대칭 쌍의 단자(144)에 부착될 수 있다. 일 실시형태에서, 단자(144)는, 동축 신호 라인을 연결하기 위해 사용된 동축 케이블 커넥터일 수 있다.

아래에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 전류 픽업(141)을 위해 대칭적인 설계를 사용하는 것이 바람직하다. 대칭은 측정 시스템(예를 들어, 도 1a 및 도 1b의 V-I 분석기(60))에 의해 사용되어, 예를 들어, 전류 센서(140)의 2개의 단자(144) 간의 차동 전압을 측정함으로써, 2개의 수직 분기부(142)에서 기생 신호를 상쇄시킨다. 이러한 측정 방법의 경우, 전류 센서(140)로부터의 차동 신호가 이의 출력 신호이며, 예를 들어 차동 증폭기를 사용하여 탐지될 수 있다.

전류 픽업(141)의 하프 루프는, 종단 임피던스, 초기 탐지 시스템의 입력 임피던스, 및 케이블의 임피던스(전류 센서(140)의 출력 신호를 측정 시스템의 초기 탐지 시스템에 전송하기 위해 케이블이 사용되는 경우)의 조합에 의해, V-I 센서의 외부에서 완료된다. 초기 탐지 시스템이 전류 센서(140) 자체에 배치되는 경우, 탐지기 임피던스를 케이블 임피던스에 매칭시키는 요건을 없앨 수 있다. 측정 시스템이 전류 센서(140)로부터 멀리 떨어져 있는 경우, 단자(144)는, 예를 들어 동축 케이블을 포함하는 동축 신호 라인을 사용하여, 측정 시스템의 초기 탐지 시스템에 연결될 수 있다. 동축 케이블은, 전형적으로 약 20 옴 내지 약 300 옴 범위의 임피던스를 갖는다. 임피던스 불일치로 인한 측정 시스템으로부터의 반사를 방지하기 위해, 정합 임피던스로 동축 신호 라인을 종단하는 것이 바람직하다. 또한, 전류 센서(140)의 2개의 단부 단자(144)를 대칭 방식으로 종단된 대칭 동축 신호 라인에 연결함으로써, 전류 센서(140)의 출력 신호의 대칭을 보존하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 50 옴 종단을 갖는 한 쌍의 동일한 50 옴 동축 케이블이 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 차동 신호를 전류 센서의 출력 신호로서 사용함으로써, I를 측정할 때 더 높은 정확도를 제공한다. 차동 신호를 탐지하기 위해, 한 쌍의 단자(144)로부터의 한 쌍의 신호가 예를 들어, 한 쌍의 동축 케이블을 사용하여 초기 탐지 시스템에 제공되어야 한다. 그러나, 약간의 정확도 손실로, 전류 센서는 한 쌍의 단자(144)의 단자 중 하나에서 신호를 탐지하는 측정 시스템과 함께 사용될 수도 있다. (차동 신호를 탐지하는 대신에) 한 쌍의 단자(144)의 제1 단자에서 신호를 탐지하는 시스템에서, 한 쌍의 단자(144)의 제2 단자는, 제1 단자의 임피던스를 가능한 한 가깝게 반영하는 임피던스에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 단자는 제1 50 옴 동축 케이블에 연결되어, 초기 탐지 시스템의 50 옴 입력 포트에 신호를 전송할 수 있으며, 제2 단자는, 탐지기 대신에 케이블의 단부에서 50 옴 종단을 갖는 동일한 제2 50 옴 동축 케이블에 연결될 수 있다. 일부 다른 적절한 임피던스가 종단을 위해 사용될 수 있으며, 임피던스가 50 옴일 필요는 없음을 유의해야 한다. 또한, 제2 동축 케이블은 생략될 수 있으며, 적절한 임피던스 종단이 한 쌍의 단자(144)의 제2 단자에 직접 부착될 수 있다.

전류 센서(140)를 연결하기 위해 사용되는 요소를 포함하는, 측정 시스템의 설계는, 전자 부품의 기생 커패시턴스로 인한 접지의 임피던스를 또한 고려한다. 기생 용량성 임피던스의 주파수 의존성으로 인해, RF 주파수에서의 구성 요소의 임피던스는, 저주파수 또는 DC(제로 주파수)에서의 구성 요소의 임피던스와 크게 상이할 수 있다. 예를 들어, 저항기 구조와 관련된 접지의 기생 커패시턴스로 인해, 전기 신호의 주파수가 RF 범위로 증가됨에 따라, DC에서의 저항기 구성 요소의 임피던스가 감소될 수 있다. 더 높은 저항 값을 갖는 저항기의 임피던스는, RF 신호의 주파수에 더 민감하다. 접지의 기생 커패시턴스는 저항기가 배치되는 기하학적 구조 및 기하학적 환경에 따라 좌우되기 때문에, 저항기가 높은 저항 값을 갖는 경우, 유닛 간의 임피던스의 편차를 제어하기가 어렵다. 따라서, 측정 정확도를 유지하기 위해, 초기 탐지 시스템이 센서 위치에 배치된 경우에도, 저항 값이 이의 기생 RF 리액턴스의 0.1 미만인 저항기를 사용하는 것으로 초기 탐지 시스템의 설계를 제한하는 것이 바람직하다.

전압 센서(150)의 전압 픽업(151)은, 외측 전도체(130)의 내측 표면을 따라 배치될 수 있는 전도성 링을 포함한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 외측 전도체(130) 및 전도성 전압 픽업(151)은 절연 링(152)에 의해 서로 절연될 수 있다. 절연 링(152)은, 테플론(Teflon), 또는 일부 다른 플라스틱 재료, 또는 일부 다른 적합한 유전체를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 전도성 링과 같은 전압 픽업(151)은, 내측 전도체(120)와 외측 전도체(130) 사이의 공기(또는 다른 절연체)에 노출될 수 있다. 다른 실시형태에서, 전압 픽업(151)은 절연 하우징에 내장될 수 있다. 모든 실시형태에서, 전압 픽업(151)(예를 들어, 전도성 링)은 외측 전도체(130)와 전기적으로 절연될 수 있으며, 절연 구조물에 의해 기계적으로 지지될 수 있다.

일 실시형태에서, 전압 픽업(151)(예를 들어, 전도성 링)의 내경은, 외측 전도체(130)의 내경과 동일할 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, 전압 픽업(151)(예를 들어, 전도성 링)의 내경은 상이할 수 있다(외측 전도체(130)의 내경보다 더 작거나 더 큼). 전압 픽업(151)(예를 들어, 전도성 링)의 내경 및 외측 전도체(130)의 내경이 동일한 경우, 전압 픽업(151)을 삽입함으로 인해 기인하는 RF 파이프(110)에서의 전기장 및 자기장의 섭동이 비교적 최소이다. 아래에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 전압 픽업(151)(예를 들어, 전도성 링)의 내경이 감소함에 따라, 전압 픽업(151)으로부터의 출력 신호는 증가한다. 전압 픽업(151)과의 접점은 외측 전도체(130)의 외부로 연장되며, 센서 케이싱(165) 위에 부착된 제3 단자(153)(예를 들어, 제3 동축 케이블 커넥터)에서 종단된다. 전류 픽업(141), 전압 픽업(151), 및 각각의 단자(144 및 153)와의 접점은, 높은 전기 전도성을 갖는 금속(예를 들어, 구리)을 포함할 수 있으며, 외측 전도체(130) 및 전도성 센서 케이싱(165)과 같은 다른 전도성 요소와 모두 절연될 수 있다.

초기 탐지 시스템을 전압 센서(150)의 단자(153)에 연결하는 종단 임피던스 및 동축 신호 라인을 위한 설계 고려사항은, 전술한 바와 같이, 초기 탐지 시스템을 전류 센서(140)의 단자(144)에 연결하는 종단 임피던스 및 동축 신호 라인을 위한 설계 고려사항과 유사할 수 있다. 전류 센서(140)를 참조하는 위의 설명은, 차동 출력 신호의 대칭을 보존하기 위한 고려사항을 포함한다. 그러나, V-I 센서(100)의 실시형태에서, 전압 센서(150)는 단지 하나의 링 형상의 전압 픽업(151) 및 하나의 단자(153)를 갖는 반면에, 전류 센서(140)는 한 쌍의 단자(144)를 갖기 때문에, 설명의 그러한 부분은 전압 센서에 적용 가능하지 않다. 대칭 고려사항은 다른 실시형태에 적용 가능할 수 있으며, 예를 들어, 도 3을 참조하여 설명되는 V-I 센서(300)에서, 2개의 전압 픽업 링이 대칭적으로 배치되고, 2개의 신호의 산술 평균이 사용될 수 있다.

도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, RF 파이프(110)의 종축(LA1)은 전류 픽업(141)의 평면(P1)에 있다. 또한, 종축(LA1)은 RF 파이프(110)에서의 전류 방향에 평행하다. 또한, 도 1c에서 보다 용이하게 알 수 있는 바와 같이, RF 파이프(110)의 종축(LA1)에 직교하는 방향을 따라, 전류 픽업(141)은, RF 파이프(110)의 종축(LA1)을 포함하는 제1 미러 대칭면(M1), 및 제1 미러 대칭면(M1)에 직교하는 제2 미러 대칭면(M2)을 포함한다. 하나 이상의 실시형태에서, 전류 픽업(141)의 제1 미러 대칭면(M1) 및 RF 파이프(110)의 종축(LA1)은 동일 평면 상에 있다.

자기장 라인은 종축(LA1)의 둘레에서 거의 동심으로서, 하프 루프의 평면(P1)을 수직으로 통과한다. 이러한 구성에서, 자기장은 (원하는 대로) 전류 픽업(141)에 유도성으로 결합된다. 전류 픽업(141)을 외측 전도체(130)의 외부에 위치시킴으로써, 전기장과의 바람직하지 않은 결합이 크게 약화된다. 유도성 결합된 진동 자기장은, 전류 픽업(141)(삼면 하프 루프)에서 기전력(emf)을 유도한다. 패러데이의 법칙에 따라, 유도된 emf는 변화되는 자속과 관련된다. 전류 전달 전도체 둘레의 자기장의 세기는 각각의 전류를 반영하기 때문에, 전류 센서(140)는, 각각의 위치에서 RF 파이프(110)의 RF 전류를 반영하는 시변 전기 신호를 생성할 수 있다. 전류 센서(140)의 일 양태는, 양 단자(144)에서의 전기 신호가 탐지 시스템에 의해 수신될 수 있고, 2개의 단자(144) 간의 차동 전압이 전류 센서(140)의 출력 신호로서 사용될 수 있다는 점이다. 차동 출력 기술에 의해 제공되는 이점은 도 2b를 참조하여 아래에 추가로 상세히 설명된다.

전위 및 전기장 크기 등고선은, RF 파이프(110)의 종축(LA1) 상에 이들의 중심을 갖는 대략적으로 원형이다. 원형 등고선은, 종축(LA1)에 수직인 평면의 군에 포함된다. 따라서, 전기장 라인은, 종축(LA1)에 수직으로, 내측 전도체(120)로부터 반경 방향으로 지향된다. 링 형상의 전압 픽업(151)은 대략적으로 원형 등고선 중 하나 상에 위치된다. 이러한 구성을 위해, 내측 전도체(120) 외부의 공간에서의 진동 전기장은 전압 픽업(151)에 용량성으로 결합되며, 전도성 링은, 전자기학의 물리 법칙에 따라, 각각의 위치에서 내측 전도체의 전위에 거의 비례하는 진동 전위를 달성한다. 이러한 진동 전위는, 전압 센서(150)의 출력 신호로서 사용될 수 있다. 가우스의 법칙에 따라, 내측 전도체(120)와 외측 전도체(130) 사이의 반경 방향 전기장의 크기는, 종축(LA1)으로부터의 반경 방향 거리가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 이의 전압 픽업(151)을 내측 전도체(120)에 더 가깝게 위치시킴으로써, 예를 들어, 전압 픽업 링의 내경을 감소시킴으로써, 전압 센서(150)의 출력 신호가 증가될 수 있다.

전압 픽업(151)이 전기장에 용량성으로 결합되지만, 링 형상의 전압 픽업(151)의 평면에 수직인 자속은 이러한 기하학적 구조에서 무시 가능하기 때문에, 자기장과의 결합은 거의 없다. 전도성 튜브(이러한 실시예에서 내측 전도체(120)) 둘레의 전기장의 세기는 전도체의 전위를 반영하기 때문에, 전압 센서(150)는, 각각의 위치에서 RF 파이프(110)의 RF 전압을 반영하는 시변 전기 신호를 생성할 수 있다.

미가공 출력 신호(예를 들어, 전류 센서(140)로부터의 한 쌍, 및 전압 센서(150)로부터 다른 쌍)는, 화살표로 표시된 바와 같이, V-I 분석기(60)에 전송될 수 있다(도 1a를 또한 참조).

도 2a는 RF 파이프의 외측 전도체(230)(외측 튜브) 및 V-I 센서(200)의 사시도를 도시한다. 도 2b는 축(2B-2B')을 따라 동일한 V-I 센서(200)의 절개도를 도시한다. 도 2a 및 도 2b의 V-I 센서(200)는 도 1b의 V-I 센서(100)와 유사하다. 전류 센서(240) 및 전압 센서(250)는 V-I 센서(200)의 환형 갤러리(260) 내에 배치된다. 도 2a 및 도 2b에서, 외측 전도체(230) 내부의 전압 센서(250)의 전압 픽업 링(251)을 보다 잘 나타내기 위해, RF 파이프의 내측 전도체가 제거되었다. 사시도(도 2a)는 V-I 센서(200)의 3개 단자(이러한 실시예에서, 동축 케이블 커넥터)를 도시한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 갤러리(260)의 상부 위로 연장되는 한 쌍의 단자(244)는, 전류 센서(240)의 전류 픽업(241)에 연결된다. 제3 단자(253)는 전압 센서(250)의 전압 픽업(251)에 연결된다.

도 2b를 참조하면, 전류 센서(240)의 전류 픽업(241)은 3개의 전도체를 포함하는 하프 루프이다. 전류 픽업(241)의 2개의 전도성 수직 분기부(242)는, 금속성 센서 케이싱(265)으로부터 플라스틱(또는 다른 절연 재료)에 의해 절연된다. 수직 분기부(242)는, 외측 전도체(230) 위의 갤러리(260)의 내부에 수평으로 배치된 제3 전도체인 수평 분기부(243)의 2개의 단부에 연결된다. 외측 전도체(230)의 원주를 따르는 슬릿(232)은, 자기장이 하프 루프의 평면을 관통하여 전류 픽업(241)의 전도성 분기부에 기전력을 유도할 수 있도록 한다. 전류 픽업(241)의 수평 분기부(243)는, 전도체의 측면을 따라 수평 비-전도성(예를 들어, 플라스틱) 부분(262)에 부착될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 V-I 센서(200)의 예시적인 실시형태에서, 수평 분기부(243)는, 수평 분기부(243)의 하부와 외측 전도체(230)의 상부 사이의 갭 내의 공기에 의해, 그리고 측면 상의 플라스틱 부분(262)에 의해, 접지된 금속성 센서 케이싱(265) 및 외측 전도체(230)와 절연된다. 아래에 추가로 상세히 설명되는 다른 실시형태에서, 수평 분기부(243)에 대한 기계적 지지는, 수평 전도체 아래의 에어 갭에 배치된 추가적인 플라스틱 부분에 의해 강화될 수 있다.

전류 픽업(예를 들어, 도 2b의 전류 픽업(240))은, RF 전자기장과의 이의 상호 작용을 통해 전기 신호를 제공한다. 전술한 바와 같이, 이는 RF 전류를 반영하는 자기장이다(전기장이 아님). 슬릿(232)은, RF 파이프로부터 전류 픽업(241)이 위치된 갤러리(260) 내로의 자기장의 관통을 가능하게 한다. 전기장과의 전류 픽업(241)의 임의의 결합은 자기장 측정의 정밀도를 저하시킨다. 전류 센서(240)는, 본원에 설명된 바와 같이, 전기장과의 원치 않는 상호 작용으로 인해 비롯될 수 있는 측정 오차를 억제시킬 수 있다. 먼저, V-I 센서(200)의 전류 센서(240)가 접지된 외측 전도체(230)의 외부에 배치됨으로써, 외측 전도체(230)를 사용하여 전기장을 차폐시킨다. 도 1b 및 도 1c를 참조하여 전술한 바와 같이, RF 전기장은 (RF 파이프의 동축 축(LA1)에 수직인) 반경 방향으로 있으며, 이에 따라, 갤러리 내로 누출되는 전기선속은, LA1에 평행한 치수로서 위에 한정된 슬릿 폭에 거의 정비례한다. 외측 전도체(230)에서 슬릿(232)에 의해 생성된 갭으로 인해 갤러리(260)에 유입되는 전기선속의 양을 감소시키기 위해, 슬릿(232)의 폭은 비교적 작도록 선택될 수 있다. 그 다음, 외측 전도체(230)에도 불구하고, 공동 내로 관통할 수 있는 전기장의 일부의 영향을 추가로 감소시키기 위해, 출력 신호로서 차동 신호가 사용될 수 있다. 이상적으로는, 전류 센서의 2개의 단자(244) 간의 차동 전압은, 전자기학의 이론에 따라, 진동 자기장에 거의 비례한다. 그러나, 슬릿(232)의 존재로 인해, 갤러리(260) 내부의 약한 전기장이 전류 픽업(241)에 용량성으로 결합될 수 있다. 그러나, 전류 픽업(241), 슬릿(232), 및 갤러리(260)는, 슬릿(232)의 중심을 통과하여 RF 파이프의 종축에 수직으로 지향되는 평면을 중심으로 미러 대칭이 되도록 구성될 수 있다. 전술한 하프 루프 전류 픽업(241)의 이러한 기하학적 미러 대칭으로 인해, 2개의 단자(244)에 나타나는 전위에 대한 그리고 수직 분기부(242)를 따르는 섭동은, 크기 및 위상이 거의 동일하다. 이러한 대칭 특성은, 차동 신호가 갤러리(260) 내의 관통 전기장과의 상호 작용으로 인한 전류 픽업(241)의 기생 신호에 영향을 받지 않음을 의미하기 때문에, 바람직하게 사용될 수 있다. 즉, 단자 쌍(244)의 제1 단자와 제2 단자 간의 전위차는, 일차적으로 정확히 비섭동으로 유지된다. 전류 센서(240) 설계의 이러한 양태는, 특히 예를 들어, 플라즈마 챔버 내의 정전 기판 홀더에 RF 바이어스 신호를 제공하는 적용예에서, 높은 정밀도로 전류의 측정을 달성하기 위해 바람직하게 사용될 수 있으며, 부하 임피던스는, RF 신호가 플라즈마 챔버에 유입되는 지점에 가까이에서 자기장의 진폭이 비교적 낮고 전기장의 진폭이 비교적 높도록 할 수 있다.

도 2b를 계속 참조하면, 이의 내측 표면에 가깝게 외측 전도체(230)의 내부에 배치된 링 형상의 전도체는, 전압 센서(250)의 전압 픽업(251)이다. 전압 픽업(251)에 의해 생성된 신호의 세기는 이의 치수에 따라 좌우될 수 있다. 직경은 외측 전도체(230)의 직경에 의해 대략적으로 결정될 수 있지만, 폭 및 두께는 조정 가능한 설계 파라미터이다. 이러한 실시형태의 전도성 전압 픽업(251)은, V-I 센서(200)의 제3 단자(253)(예를 들어, 동축 케이블 커넥터)에 일 지점에서 전기적으로 연결된 링이다. 전도성 전압 픽업(251)은, 전압 픽업(251)에 부착된 링 형상의 유전체 구성 요소(252)에 의해 전도성 외측 전도체(230)와 절연된다.

전술한 바와 같이, 전압 픽업(251)은, RF 전자기장에 의해 유도된 전하 분극으로 인해 비롯되는 전기 신호를 V-I 센서(200)의 제3 단자(253)에 제공한다. 제3 단자(253)의 전위는, 내측 전도체(명확성을 위해 도 2b에 도시되지 않음)의 진동 전압을 반영한다. RF 전기장은 전압 픽업(251)에 용량성으로 결합된다. 그러나, 도 1b를 참조하여 전술한 바와 같이, 종축이 링의 평면에 수직이기 때문에, 자기장과의 상호 작용은 무시 가능하다.

전압 픽업(251)의 링 형상의 설계는, 본원에 설명된 바와 같이, 전압 센서(250)의 출력의 감도를 일부 배치 및 사이징(sizing) 오차까지 감소시키기 위해 축대칭을 사용한다. 먼저, 일차적으로, 링의 전도성 표면에서의 전위가 중심축(도 2a의 축(2B-2B') 및 도 1b의 LA1)으로부터의 링의 중심의 위치의 오프셋과 무관하기 때문에, 원형 대칭은 전압 픽업(251)의 정밀한 배치의 필요성을 없앨 수 있다. 오히려, 전압 픽업(251)의 전위는, 주로 링의 치수(예를 들어, 내경, 외경, 및 두께)에 따라 좌우된다. 대조적으로, 비대칭 전압 픽업 설계에서, 전압 픽업 전도체는, 일차적으로, 비대칭 전압 픽업의 배치 뿐만 아니라 크기에 따라 좌우되는 전위를 획득한다. 예를 들어, 버섯 형상의 전압 픽업은, 버섯 머리의 전도성 표면의 치수에 민감할 수 있을 뿐만 아니라, 내측 전도체에 대한 이의 위치에도 민감할 수 있다. 이러한 설계에서, RF 파이프의 종축과 전압 픽업 사이의 거리는, 때로는 마이크로미터 나사 게이지를 사용하여 수동으로, 조립 동안 정밀하게 조정되어야 할 수 있다. 그 다음, 전압 픽업(251)의 설계는, V-I 센서(200) 내로의 전압 센서(250)의 조립 동안 임의의 센터링 오차를 거의 상쇄시킬 수 있다. 전압 픽업(251)의 축대칭은, 전압 픽업(251)의 원의 중심이 내측 전도체의 종축으로부터 약간 변위되더라도, 일차적으로, 총 전기선속이 변경되지 않도록 보장한다. 내측 전도체에 더 가깝게 변위될 수 있는 링의 하나의 절반부에서의 전기선속의 증가는, 링의 원형 기하학적 구조로 인해 이제 종축으로부터 더 멀리 있는 전도성 링의 다른 절반부에서의 전기선속의 수반되는 감소에 의해 균형을 이룬다.

도 3은 센서 케이싱(365) 내부의 갤러리(360) 내에 위치된 전류 센서(340)를 갖는 다른 실시형태의 V-I 센서(300)의 절개도를 도시한다. 절연 부분(362)에 의해 지지되어 전류 센서(340)의 2개의 수직 분기부(342)에 연결되는, 수평 분기부(343)가 도시된다. 미러 대칭면(M2)의 둘레를 도는 슬릿(332)이 수평 분기부(343) 위에 도시된다.

제1 전압 센서(350)는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명된 V-I 센서(200)와 유사하게, 외측 전도체(330)의 내부에 도시된다. 또한, V-I 센서(300)는, 전류 센서(340)의 반대편에 대칭적으로 위치된 제2 전압 센서(355)를 갖는다. 이러한 실시형태에서, 외측 전도체(330)의 내부 표면을 가능한 한 평활하게 유지하기 위해, 제1 및 제2 전압 센서(350 및 355)의 전압 픽업 및 하우징은 외측 전도체(330)의 본체 내에 함입되었다. 외측 전도체(330)의 평활한 내측 표면은, 전압 센서(350 및 355)를 삽입함으로 인해 기인하는 전자기장의 섭동을 감소시키는 이점을 제공한다. 이러한 실시형태에서, V-I 센서(300)는 RF 파이프에서 전자기장의 무시 가능한 섭동을 유발한다.

제1 전압 센서(350) 및 전류 센서(340)로부터의 측정치는, 이들 간의 측정 위치의 차이로 인해 상대 위상 오차를 갖는다. 이러한 실시형태에서, 대향하게 배치된 제2 전압 센서(355)는, 전류 센서(340)에 대한 이러한 대칭적 위치(즉, 전류 센서(340)의 미러 대칭면(M2)이 제1 전압 센서(350) 및 제2 전압 센서(355)로부터 등거리에 있음)로 인해, 역 위상 오차를 갖는다. 대칭으로 인해, 제1 전압 센서(350)에 의해 감지된 RF 신호 파형에서의 전압과 전류 간의 상대 위상의 오차, 및 제2 전압 센서(355)에 의해 감지된 RF 신호 파형에서의 각각의 오차는, 적어도 일차적으로, 감지된 2개의 전압 신호의 합에서 상쇄된다. 따라서, 제1 및 제2 전압 센서(350 및 355)로부터의 신호를 조합함으로써, 보다 정확한 전압 측정치가 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 전압 센서(350) 및 제2 전압 센서(355)로부터의 측정치의 산술 평균을 사용함으로써, 미러 대칭면에서의 전압을 반영하는 전압 측정치를 산출하도록, 위상 오차가 감소될 수 있거나 심지어 제거될 수 있다.

또한, 제2 전압 센서(355)의 존재는, 전류 픽업(341)의 수평 분기부(343)의 좌측 절반부 및 우측 절반부 뿐만 아니라 2개의 수직 분기부(342)가 동일한 전기장 및 자기장을 받도록 보장하는 것을 돕는다. 전술한 바와 같이, 갤러리(360) 내의 공동 내로 관통하는 전기장과의 전류 픽업의 원치 않는 결합에 의해, 기생 전기 신호가 생성될 수 있다. 기하학적 대칭을 개선함으로써, 제2 전압 센서(351)는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 바와 같이, 차동 전류 측정을 사용하여, 전류 센서(340)의 제1 및 제2 단자(344)에서 확인되는 전위의 섭동이 보다 정확하게 상쇄되도록 보장하는 것을 돕는다. 일부 실시형태에서, 제2 전압 센서(355)의 출력을 사용하는 것은 선택적일 수 있다.

도 4는 내측 전도체(420) 및 외측 전도체(430)를 포함하는 RF 파이프(410)에 부착된 V-I 센서(400)의 또 다른 실시형태를 도시한다.

V-I 센서(400)는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명된 V-I 센서(200)와 유사하게, 갤러리(460) 내에 배치된 전압 센서(450) 및 전류 센서(440)를 포함한다. V-I 센서(400)의 설계는, 전류 센서(440)의 전류 픽업(441)의 수평 전도체(443)에 추가적인 기계적 지지를 제공함으로써, V-I 센서(200)(도 2a 및 도 2b 참조)의 설계에 비해 개선되었다.

도 4에 도시된 V-I 센서(400)의 설계에서, 지지 구성 요소(예를 들어, 플라스틱 부분(462 및 470))는, 도 2b에 도시된 V-I 센서(200)의 각각의 부분(예를 들어, 플라스틱 부분(262))보다 더 견고하게 수평 분기부(443)를 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, V-I 센서(200)의 수평 분기부(243)의 2개의 단부의 플라스틱 부분(262)은, 수평 분기부(243)가 그 안에 배치될 수 있는 홀의 세트를 갖는 링인 반면에, V-I 센서(400)의 설계에서, 부분(462 및 470)과 같은 플라스틱 부분은 더 많은 수평 분기부(443)를 둘러싸며, 외측 전도체(430)의 금속성 외측 표면 및 금속 센서 케이싱(465)의 매칭 공동 내로 억지 끼워 맞춰지는 보스(boss)를 가질 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 절연 지지체(462)와 더불어 배치된 지지 구조물(470)(예를 들어, 플라스틱 또는 다른 비전도성 재료로 제조됨)은, 전류 픽업(441)의 전도성 수평 분기부(443)를 사방에서 홀딩한다. 지지 구조물(470)은, 수평 분기부의 제1 일부를 지지하기 위한 제1 부분, 및 수평 분기부의 제2 일부를 지지하기 위한 제2 부분을 포함하며, 갭에 의해 분리된다. 대조적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, (지지체(462)와 유사한) 플라스틱 부분(262)은, 아래로부터 수평 분기부를 지지하지 않는다. 도 2b에서, 전류 센서(240)의 전류 픽업(241)의 수평 분기부(243)와 외측 전도체(230) 사이에 빈 공간이 있다. 전류 픽업(441)의 수직 분기부(442)가 수평 분기부(443)와 접촉되게 배치되는 경우, 추가적인 지지체는 수평 전도체(443)가 만곡되는 것을 방지한다. 또한, 지지 구조물(470)은, 수평 분기부(443)와의 수직 분기부(442)의 과도한 조임을 방지할 수 있다. 전류 픽업(441)에 결합되는 자속의 변화는, 전류 픽업(441)의 하프 루프 기하학적 구조의 형상 및 면적의 변화에 의해 영향을 받는다. 따라서, 전류 픽업(441)의 형상을 안정화시킴으로써, 전류 센서(440)의 전기 출력의 변화를 감소시키고, 전류의 측정 정밀도를 개선한다.

도 5는 내측 전도체(520) 및 외측 전도체(530)를 포함하는 RF 파이프(510)에 부착된 V-I 센서(500)를 도시한다. 센서 케이싱(565) 위에 배치된 한 쌍의 단자(544), 및 갤러리(560)의 내부에 배치된 단일-턴 하프 루프 전류 픽업(541)을 갖는 전류 센서(540)가 도시된다. 전류 픽업(541)은, 수평 분기부(543)에 부착된 2개의 수직 분기부(542)를 포함한다. 도 4의 V-I 센서(400)와 유사하게, 전류 센서(540)의 조립 동안 전류 픽업(541)의 수평 분기부(543)의 만곡 및 수직 분기부(542)의 과도한 조임을 방지하기 위해, 플라스틱 부분(570)이 사용되었다.

V-I 센서(500)는, 기계 가공 복잡성을 감소시킴으로써, V-I 센서(400)(도 4에 도시됨)에 비해 제조 비용을 감소시키는 개선점을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, RF 파이프(510)의 내측 전도체(520)를 중심에 두는 절연체 단편(555)이 또한 전압 센서(550)의 전도성 전압 픽업 링을 지지하기 위해 사용되는 전압 센서(550)를 사용함으로써, V-I 센서(500)의 설계는 V-I 센서(400)의 설계에 비해 개선되었다. 동일한 플라스틱 부분(555)을 다목적으로 사용함으로써, 예를 들어, V-I 센서(400)에 사용된 플라스틱 부분 중 일부를 제거할 수 있다. 이에 따라, V-I 센서(500)에 대한 기계 가공 복잡성 및 제조 비용을 감소시킨다.

도 5의 전압 센서(550)의 전도성 전압 픽업 링은, 전압 픽업 링의 직경을 외측 전도체(530)의 직경보다 더 작도록 설계함으로써, 내측 전도체(520)에 더 가깝게 위치되었다. 도 1b 및 도 1c를 참조하여 전술한 바와 같이, 전압 픽업 링의 직경이 더 작을수록, 전압 센서(550)의 출력 신호 세기가 증가한다.

단일 턴 하프 루프 전류 픽업이 도 1 내지 도 5를 참조하여 전술한 V-I 센서에 사용되었지만, 전류 센서의 전류 픽업의 설계에서 다수의 턴이 사용될 수도 있음을 이해한다. 예를 들어, 도 1 내지 도 5에 도시된 V-I 센서의 전류 픽업은, 전류 센서의 2개의 단자에 연결된 전류 픽업의 2개의 단부 사이의 복수의 직사각형 턴을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 맨드릴(예를 들어, 환상 맨드릴)의 둘레에 전도성 와이어를 감음으로써, 다중-턴 전류 픽업이 구성될 수도 있다. 전도성 와이어는, 환상체의 중앙 홀을 수직으로 통과하는 RF 파이프의 내측 전도체의 둘레를 대칭적으로 둘러싸는 도넛 형상의 절연 재료의 원형 축을 중심으로 코일에 감길 수 있다. 환상 맨드릴을 사용하는 다중-턴 전류 픽업은 도 6a 내지 도 7e를 참조하여 아래에 설명된다.

맨드릴은 환상체의 수학적 정의와 정확히 일치하지 않을 수 있지만, 이는 코일을 부착하기 위한 구조물, 단자와의 연결부를 형성하기 위한 구조물 등을 갖는 환상체와 같이 대체로 형성됨을 이해한다.

도 6a는 V-I 센서(600)의 사시도를 도시하며, 도 6b는 절개도를 도시하고, 도 6c는 V-I 센서(600)의 축(A-A')을 따르는 단면도를 도시한다.

도 6a는 V-I 센서(600)의 전도성 센서 케이싱(665)을 도시한다. 도 6a에서 보이지 않는 전류 및 전압 픽업은, 전도성 센서 케이싱(665)에 의해 둘러싸인 공간 내에 수용된다. 도 6a 내지 도 6c에서, 내측 전도체는 중앙 홀(621)을 통과한다. 명확성을 위해, 내측 전도체 자체는 도 6a 내지 도 6c의 V-I 센서(600)의 다양한 도면에서 생략된다. RF 파이프의 외측 전도체는, 전도성 센서 케이싱(665)의 상부 및 하부에서 플랜지에 연결된다. 도 6a에서, 센서 케이싱(665)의 상부 및 하부 부분의 플랜지에 인접한 2개의 경부(neck) 영역(631)이 도시된다. 경부 영역(631)의 형상 및 치수는, RF 파이프의 외측 전도체의 그것과 유사하도록 설계될 수 있다. 따라서, 센서 케이싱(665)은, 경부 영역(631)으로부터 더 큰 직경의 전도성 벽을 갖는 상부 커버(663) 및 하부 커버(666)를 포함하는 더 넓은 중앙 부분으로 확장되는 외측 전도체의 연장부로서 이해될 수 있다. 센서 케이싱(665) 및 외측 전도체는 동축 구조의 외측 차폐물을 형성하며, 접지에 연결될 수 있다. 도 6b 및 도 6c를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, 센서 케이싱(665)의 더 넓은 중앙 부분은, 중앙 홀(621)을 통과하는 내측 전도체 둘레의 환형 유전체 공동(661)을 수용한다.

또한, 도 6a의 사시도는 센서 케이싱(665)의 외부에 조립된 3개의 동축 케이블 커넥터를 도시한다. 3개의 동축 케이블 커넥터는 V-I 센서(600)의 3개 단자이다. 외부의 한 쌍의 동축 커넥터(645)는, 전류 픽업에 연결된 전류 센서(641)의 단자에 연결되며, 중간의 동축 커넥터는, 전압 센서의 전압 픽업(651)에 연결된 중앙 단자(654)에 연결된다. 전류 및 전압 픽업은, 상부 커버(663)와 하부 커버(666) 사이에 위치된다.

절개면(A-A')(도 6a에 도시됨)을 따르는 도 6c의 단면도 및 도 6b의 절개도는 V-I 센서(600)의 내부 구조를 도시한다. RF 파이프의 내측 전도체는 명확성을 위해 생략된다. 도 6b 및 도 6c의 경부 영역(631)의 내부에 도시된 바와 같은, 중앙 홀(621)의 내측 표면(638)은, RF 파이프로서 이해될 수 있는 주 동축 구조물의 내부에 측벽을 형성한다. 경부 영역(631)은, V-I 센서 조립체(600)의 중앙 홀(621) 둘레의 섹션에서 유전체 공동(661)을 둘러싸는 센서 케이싱(665)의 더 넓은 직경의 상부 및 하부 커버(663 및 666) 내로 확장된다. 내벽(638)은, 슬릿(671)에 의해 중단될 때까지, 상부 및 하부 커버(663 및 666)의 표면(627)으로서 계속된다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 유전체 공동(661)은, 중앙 홀(621)의 중심으로부터 반경 방향을 따라, 제1 주 외측 표면(627)과 제2 주 외측 표면(628) 사이에 있다. 제1 주 외측 표면(627)은, 중앙 홀(621)과 물리적으로 접촉되는 연속적인 원형 링 형상의 영역을 포함한다. 링 형상의 제1 주 외측 표면(627)은, 슬릿 영역(671)에 의해 2개의 부분으로 수직으로 분리된다. 제2 주 외측 표면(628)은, 제1 주 외측 표면(627)의 반경보다 더 큰 반경 방향 거리에 위치된다.

공동(661)은 슬릿 영역(671)을 포함한다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 슬릿 영역(671)은, 센서 케이싱(665)의 상부 및 하부 커버(663 및 666) 사이의 접합부에 갭을 형성하는 중앙 홀(621)의 원통형 벽의 내측 표면(627)의 물리적 단절부(break)를 포함한다. 표면(627)은 중앙 홀(621)의 원통형 벽의 표면(638)의 연장부이다. 중앙 홀(621)의 중심으로부터 반경 방향으로 보았을 때, 슬릿 영역(671)은, 중앙 홀(621)과 물리적으로 접촉되는 절연 링의 외관을 갖는다. 또한, 도 6b 및 도 6c에서 지그재그 점선으로 나타낸 바와 같이, 슬릿 영역(671)은, 반경 방향으로 외향하게, 링 형상의 전도성 전압 픽업(651)을 우회하는 지그재그 형상을 갖는다. 중앙 홀(621)과의 물리적 접점과 환상 전류 센서(641)의 내측 반경 사이에 반경 방향으로 배치된 공동(661)의 연속적인 절연 환형 영역은, V-I 센서(600)의 슬릿 영역(671)으로 지칭된다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 슬릿 영역(671)은, 전도성 전압 픽업(651)과 전류 센서(641) 사이에 개재된 유전체 장벽을 형성할 뿐만 아니라 센서 케이싱(665)을 형성한다. 제1 주 외측 표면(627)과 제2 주 외측 표면(628) 사이의 반경 방향 영역에서, (절연 슬릿 영역(671)을 포함하는) 공동(661)은, 상부 커버(663) 및 하부 커버(666)를 전기적으로 절연시킨다. 제1 주 외측 표면(627)보다 더 작은 반경 방향 거리의 경우, 상부 커버(663)는, 중앙 홀(621)에 의해 하부 커버(666)와 전기적으로 절연된다. 상부 커버(663)는, 유전체 공동(661)의 제2 주 외측 표면(628)을 넘어서 반경 방향으로 결합 영역(629)을 통하여 하부 커버(666)에 전기적으로 결합된다.

이러한 설계를 통해, 접지된 센서 케이싱(665)에 흐르는 RF 전류가 환상 전류 센서(641)에 의해 둘러싸인 영역에 거의 흐르지 않을 수 있다. 전류는 내벽(638)을 따라 경부 영역(631)에 수직으로 흐른 다음, 유전체 슬릿(671)에 의해 생성된 내측 표면(638)의 물리적 단절부로 인해, 전류 센서(641)의 둘레로 전도된다. 슬릿(671)으로 인해, 전류는 환상 전류 센서(641)의 둘레로 반경 방향으로 외향하게 전환되어, 환형 유전체 공동(661)의 전도성 벽을 따라 측방향으로 흐르며, 반경 방향으로 다시 복귀된 다음, 경부 영역(631)의 내벽(638)을 따라 수직으로 계속된다.

도 6b 및 도 6c를 참조하면, 전류 센서(641)는, 공동의 외측 부분에서, 즉 중앙 홀(621)로부터 더 먼 영역에서, 환형 유전체 공동(661) 내부의 환상 구조물이다. 전류 센서(641)는, 전도성 코일(647) 및 환상 맨드릴(642)을 포함한다. 코일(647)은, 환상 맨드릴(642)의 중앙 원형 축을 중심으로 감겨진 복수의 턴의 연속적인 전도성 와이어를 포함한다. 코일(647)의 2개의 대향 단부는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 동축 커넥터(645)에 부착될 수 있다. 코일(647)의 전도성 와이어는, 미가공(bare) 전도체, 에나멜 전도체, 또는 절연체로 코팅된 전도체일 수 있다. 환상 맨드릴(642)은 도 6d를 참조하여 아래에 추가로 상세히 설명된다. 전류 센서(641)는 전도성 센서 케이싱(665)과 전기적으로 절연된다.

도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 전압 센서의 전도성 전압 픽업(651)은 전도성 링과 같이 형성된다. 전압 픽업(651)은, 환상 전류 센서(641)와 중앙 홀(621) 사이의 환형 유전체 공동(661)의 영역에 배치된 것으로 도시된다. 전압 픽업(651)을 위한 기계적 지지를 제공하기 위해 사용되는 부분을 위해, 고체 유전체 재료(예를 들어, 플라스틱)가 사용될 수 있다. 공동(661)의 슬릿 영역(671) 및 유전체 지지 부분은, 전도성 전압 픽업(651)을 전도성 센서 케이싱(665)과 전기적으로 절연시킨다. 전압 픽업(651)과 중앙 단자(654) 사이의 연결은 도 6b에 도시된다. (동축 커넥터(645) 및 중앙 단자(654)는 절개면(A-A')에 포함되지 않으므로, 도 6c에 도시된 단면도에서 보이지 않는다.)

전압 픽업(651)의 기능은, RF 파이프의 내측 전도체와 외측 전도체 사이의 반경 방향 전기장을 감지함으로써, 중앙 홀의 중심에서 내측 전도체의 RF 전압을 감지하는 것이다. 일반적으로, RF 파이프의 외측 전도체 및 전도성 센서 케이싱(665)은 접지된다. 따라서, 예를 들어, 내측 전도체와 전압 픽업(651) 사이의 환형 유전체 영역에 배치된 접지된 금속 링에 의해, 전압 픽업(651)의 전도성 링이 RF 파이프의 내측 전도체로부터 차폐된 경우, 전압 픽업(651)이 적절하게 기능하지 못할 수 있다. 과도한 차폐를 사용하면, 전압 센서 출력이 너무 약해서 사용 가능하지 않다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 전압 픽업(651)은, 공동(661)의 슬릿 영역(671)의 위 및 아래에서 환형 유전체 공동(661) 내로 수직으로 부분적으로 연장된다. 공동은, 위의 금속 상부 커버(663)의 홈, 및 아래의 금속 하부 커버(666)의 각각의 홈에 의해 형성된다. 이러한 홈의 접지된 전도성 내벽은, 전압 픽업(651)의 전도성 링과 내측 전도체를 위한 중앙 홀(621)의 중심축 사이에 개재되지만, 접지된 금속은 전압 픽업(651)을 완전히 차폐하지는 못한다. 도 6b 및 도 6c에 도시된, 상부 커버(663)를 하부 커버(666)와 분리시키는 유전체 슬릿(671)이 있다. 중앙 홀(621)에 존재하는 내측 전도체가 없기 때문에, 슬릿(671)은, 미러면(M)(도 6c에서 점선으로 표시됨)에서 원통형 디스크와 같은 형상의 유전체 영역으로서 보인다. 내측 전도체가 제자리에 있는 경우, 유전체 슬릿(671)은 내측 전도체 둘레의 환형 디스크와 같이 형성된다. 유전체 슬릿(671)의 차폐되지 않은 반경 방향 전기장은, 링 형상의 전압 픽업(651)의 중앙 부분과 내측 전도체 사이의 용량성 결합에 의해 감지된다. 이제 전압 픽업(651)은, 그러한 위치에서의 내측 전도체의 RF 전압에 비례하는 가용 전기 신호를 제공할 수 있다.

전류 픽업 코일(647)의 기능은, 환상 맨드릴(642)의 원형 중심축에 평행한 방향으로 코일을 관통하는 순환 자기장을 감지함으로써, 중앙 홀의 중심에서 내측 전도체의 RF 전류를 감지하는 것이다. 패러데이의 법칙에 따라, 코일(647)의 전도성 와이어의 턴 내에 둘러싸인 환상 맨드릴(642)의 진동 자속에 비례하는 진동 전기 신호가 코일에 유도된다. 암페어의 법칙에 따라, 전류 센서(641)를 관통하는 자기장의 세기는, (도넛의 도넛 홀과 유사한) 환상 전류 센서의 중앙 홀의 중앙 홀 내에 둘러싸인 평면의 영역을 가로지르는 총 전류에 비례한다. 임의의 동축 구조물에 대해 해당되는 바와 같이, RF 파이프의 임의의 위치에서 내측 전도체를 통하는 전류는, 외측 전도체의 반대 전류와 정확히 동일하다. V-I 센서(600)의 센서 케이싱(665)은, 내측 전도체가 중앙 홀(621)을 통과하는 RF 파이프의 등가 외측 전도체인 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 센서 케이싱(665)의 RF 전류가 환상 맨드릴(642)의 외측 원주에 의해 둘러싸인 원형 디스크 형상의 영역의 외부로 흐르도록 제한되지 않는 한, 전류 센서(641)는 적절하게 기능하지 못할 수 있다. 예를 들어, 상부 커버(663) 및 하부 커버(666)가 환상 맨드릴(642)의 내측 반경보다 더 짧은 중심축으로부터의 반경 방향 거리에서 전기적으로 접촉되는 경우, 전도성 케이싱의 전류의 일부가 그러한 접촉을 통하여 흐를 수 있다. 내측 전도체의 전류와 반대인 이러한 전류는, 전류 센서(641)에 의해 둘러싸인 총 전류의 크기를 감소시키므로, 코일(647)을 관통하는 자속을 감소시킨다. 환상 전류 센서(641)에 의해 둘러싸인 영역의 내부에서의 접촉을 통한 총 전류가 너무 낮은 경우, 자기장은 전류 픽업 코일(647)에서 가용 전기 신호를 유도하기에 불충분할 수 있다. 또 다시, 유전체 슬릿 영역(671)은, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 환상 전류 센서(641)의 내측 반경보다 더 작은 반경 방향 거리에서 상부 커버(663)와 하부 커버(666) 간의 전기적 접촉을 방지한다.

전압 픽업(651)을 공동(661)의 수직 높이보다 더 작도록 설계함으로써, 환상 전류 센서(641)의 외측 원까지 상부 커버(663) 및 하부 커버(666)를 분리시키는, 중단되지 않는 연속적인 유전체 영역이 달성된다. 전압 픽업(651)의 전도성 링은, 절연 재료를 포함하는 지지 부분에 의해 상부 커버(663)와 하부 커버(666) 사이에 거의 대칭적으로 위치될 수 있다. 따라서, 모든 방향에서, 전도성 전압 픽업(651)의 바로 부근은 절연 재료이다. 전술한 바와 같이, 이러한 절연 재료는 공동(661)의 슬릿 영역(671) 내에 있다. 전압 픽업(651)의 전도성 링 위의 유전체의 형상은, 도 6b의 지그재그 점선으로 도시된다. 전압 픽업(651)의 전도성 링은 접지된 센서 케이싱(665)과 전기적으로 절연되어야 하기 때문에, 도 6c에서 점선으로 도시된 바와 같이, 지그재그 유전체 슬릿 영역(671)은 전압 픽업(651)의 위 및 아래에 모두 존재함을 유의할 수 있다.

전류 센서의 전류 픽업은, 접지된 전도성 부분에 의해 RF 전기장으로부터 대체로 차폐된다. 전류 픽업을 차폐시키는 것은, 전기장이 강하고 자기장이 약한(예를 들어, 높은 임피던스 부하에 가까운) 적용예에서 바람직하다. V-I 센서(600)에서, 전류 픽업 코일(647)은, 센서 케이싱(665) 내부의 유전체 공동(661)에 위치된다. 환상 전류 센서(641)로부터 내측 전도체로 반경 방향으로 내향하게 이동하면서 직면하는 전도성 부분은, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 그리고 또한 전술한 바와 같이, 전도성 전압 픽업(651)을 먼저 포함하고, 그 다음, 전도성 센서 케이싱(665)의 내벽의 일부분을 포함한다. 이러한 개재되는 전도성 부분은, 반경 방향 전기장으로부터 전류 센서(641)를 차폐시키도록 도울 수 있다. 내측 전도체로부터 방출되는 전기장 라인 중 일부는, 전도성 센서 케이싱(665)의 접지된 내벽 상에서 종단될 수 있다. 또한, 전도성 전압 픽업(651)은, RF 전기장으로부터 코일(647)을 부분적으로 차폐시킴으로써, 이중 목적을 충족시킨다. 전압 픽업(651)은 접지와 단락되지 않기 때문에, 전도성 링에 의해 제공되는 전기장의 감소는, 중앙 단자(654)에서의 접지에 대한 임피던스의 크기에 따라 좌우된다.

V-I 센서(600)의 전류 센서(641) 및 전압 픽업(651) 둘 모두의 구조물은, 중앙 홀(621)의 평면에 수직인 방향으로 그리고 중심을 통과하는 공유 축에 대하여 축대칭이다. 또한, 전류 센서(641) 및 전압 픽업(651) 둘 모두는, 종축에 수직인 동일한 미러면(도 6c에서 점선(M)으로 표시됨)을 공유한다. V-I 센서(600)의 구조물의 대칭은, 전압과 전류 간의 위상각(Φ)의 측정 시의 임의의 불일치를 감소/제거하도록 돕는다. 또한, 축대칭으로 인한 일차적인 상쇄 효과는, V-I 센서(600)의 센서 출력 신호가 조립 동안의 위치 설정 오차 및 기계 가공 공차에 덜 민감하도록 만든다.

도 6d는 도 6b에 도시된 환상 전류 센서(641)의 맨드릴(642)로서 사용될 수 있는 예시적인 환상 구조물을 도시한다. 환상 맨드릴(642)은, 코일(647)(도 6b에 도시됨)을 형성하기 위해 전도성 와이어가 배치될 수 있는 이의 외측 표면 상의 연속적인 홈을 갖는다. 코일(647)의 2개의 대향 단부는 도 6d에 도시된 2개의 개구부(643)를 관통할 수 있으며, 한 쌍의 동축 커넥터(645)(도 6b 참조)에 후속적으로 부착될 수 있다. 전압 픽업(651)(도 6b 참조)은, 중앙 단자(654)에 부착될 개구부(653) 및 환상 맨드릴(642)의 홀을 관통하는 전도성 요소에 의해 연결될 수 있다.

환상 맨드릴(642)은 플라스틱 및 다른 절연 재료를 포함하며, 예를 들어, 3D 프린팅 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 코일(647)이 홈이 있는 환상 맨드릴(642) 상에 장착된 후에, 구조물은, 예를 들어, 내장형-수지 기술을 사용하여, 수지의 코팅으로 선택적으로 둘러싸일 수 있다. 수지 캡슐화는, 코일형 다중-턴 전류 픽업(647)을 견고하게 고정시킨다.

전류 센서(641) 및 조합된 전기장 차폐물 및 전압 픽업(651)을 포함하는, 전술한 V-I 센서(600)의 일체형 조립체는, 소형 V-I 센서 설계의 이점을 제공한다.

도 7a 내지 도 7e는 V-I 센서(600)의 그것과 설계가 유사한 전류 센서 조립체(701)를 도시한다. V-I 센서(600)와 달리, 전류 센서 조립체(701)는 전압을 감지하지 않는다. 또한, 전류 센서 조립체(701)를 위해 사용된 환상 맨드릴(742)의 설계는, 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 홈이 있는 환상 맨드릴(642)과 상이하다.

도 7a는 센서 케이싱(765)의 상부 커버(782)와 하부 커버(784) 사이의 유전체 공동에 배치된 환상 전류 센서(741)를 사용하는 전류 센서 조립체(701)의 사시도를 도시한다. 전류 센서(741)는 도 7c 내지 도 7e를 참조하여 아래에 추가로 설명된다. 상부 및 하부 커버(782 및 784)는 금속(예를 들어, 구리 또는 알루미늄)을 포함할 수 있다. 전류 센서 조립체(701)는 중앙 홀(710)을 갖는다. 전류 센서 조립체(701)가 사용될 수 있는 동축 전송 라인(예를 들어, RF 파이프)의 내측 전도체는 중앙 홀(710)을 통과한다. 이에 따라, 전류 센서 조립체(701)는 동축 전송 라인의 종축을 중심으로 대칭적으로 위치된다.

도 7b는 전류 센서 조립체(701)의 분해도를 도시한다. 도 7b에서, 하부 커버(784) 및 유전체 공동(720)의 하부 절반부의 구조물을 나타내기 위해, 전류 센서(741)가 센서 케이싱(765)으로부터 제거되었다. (구조물의 상부 절반부는 도 7c를 참조하여 아래에 추가로 설명된다.) 유전체 공동(720)은, 지그재그 유전체 슬릿(725)으로 지칭되는, 내측 유전체 영역 및 외측 유전체 영역(723)으로 분할될 수 있다. 외측 유전체 영역은, 하부 커버(784)의 바닥의 최외각 홈에 걸친 영역이다. 이러한 최외각 홈의 외측 원의 외부에서, 금속 상부 커버(782) 및 금속 하부 커버(784)는 물리적으로 그리고 전기적으로 함께 연결될 수 있지만, 최외각 홈의 외측 원의 내부에서는 상부 커버(782)와 하부 커버(784) 간의 전기적 접촉이 이루어지지 않을 수 있다.

지그재그 유전체 슬릿(725)은, 하부 커버(784)의 바닥으로부터 돌출되는 링과 같은 형상의 전도성 융기부(ridge)(750)의 양측에 2개의 홈에 걸친 유전체 영역을 포함한다. 전도성 융기부(750)를 포함하는 유전체 공동(720)의 전도성 바닥은, 단절되지 않은 연속적인 유전체 영역에 의해, 유전체 공동(720)의 각각의 전도성 천장으로부터 전기적으로 그리고 물리적으로 분리된다. 따라서, 전도성 융기부(750)의 상부는 상부 금속 커버(782)의 각각의 홈 내로 돌출될 수 있지만, 천장과 접촉되지 않을 수 있다. 따라서, 지그재그 유전체 슬릿(725)의 조합된 상부 및 하부 부분은, 도 7b에서 지그재그 점선으로 표시된 바와 같이, 전도성 융기부(750)의 위로 그리고 둘레로 도는 지그재그 형상의 유전체 영역이다.

도 7c는 내측 전도체(711)의 둘레에 대칭적으로 위치된 전류 센서 조립체(701)의 중앙 홀(710)을 통과하는 RF 파이프의 내측 전도체(711)를 포함하는 RF 시스템(700)의 일부분을 도시한다. 접지된 외측 전도체는, 위로부터 상부 커버(782)에 그리고 아래로부터 하부 커버(784)에 물리적으로 및 전기적으로 부착됨으로써, 센서 케이싱(765)을 접지시킨다. 센서 케이싱은, V-I 센서(600)의 센서 케이싱(665)과 유사하게, 중앙 홀(710)을 통과하는 내측 전도체(711)의 일부분에 대해 접지된 외측 전도체로서 작용한다.

도 7c에서, 전류 센서(741)를 포함하는 전류 센서 조립체(701)가 분해도의 절개도로 도시된다. 전류 센서(741)는, 전도성 전류 픽업 코일(747)과 함께, 환상 맨드릴(742)을 포함한다. 환상 맨드릴(742)은, 와인딩 통로와 함께 고체 유전체 재료를 포함한다. 와인딩 통로는, 환상 맨드릴(742)의 표면 상의 다양한 위치에서 액세스 홀(749)을 통하여 액세스될 수 있다. 2개의 홀을 갖는 부속물(743)이 액세스 홀(749) 중 하나 위에 배치되었다. 코일(747)의 전도성 와이어의 2개의 대향 단부는, 부속물(743)의 홀을 통하여 상향하게 돌출된 것으로 도시된다. 환상 맨드릴(742)의 고체 유전체 재료의 와인딩 통로를 관통하는 코일(747)의 전도성 와이어를 나타내기 위해, 환상 맨드릴(742)의 일부분이 절개되었다. 코일(747)은 맨드릴(742)의 내부에 끼워진다. 맨드릴(742)의 설계는 맨드릴(642)의 홈이 있는 설계에 비하여 더 큰 기계적 지지를 제공함으로써, 도 6d를 참조하여 앞서 설명된 수지 캡슐화 단계를 없앤다.

도 7c에서, 환상 맨드릴(742)은, 하부 커버(784)의 바닥 상의 각각의 홈(도 7b 참조) 및 외측 유전체 영역(723) 내에 배치되었다. 전류 센서 조립체(701)의 분해도는, 환상 맨드릴(742)의 상부 절반부가 유전체 공동(720)의 외측 유전체 영역(723) 내의 상부 커버(782)의 홈 내로 끼워 맞춰질 수 있음을 도시한다. 마찬가지로, 전도성 융기부(750)는, 유전체 공동(720)의 지그재그 유전체 슬릿(725) 내에서 상부 커버(782)의 인접한 홈 내로 연장될 수 있다. 환상 전류 센서(741)와 내측 전도체(711) 사이에 개재된 연속적인 링인 전도성 융기부(750)는, RF 전기장으로부터 전류 센서(741)를 효과적으로 차폐시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 환상 전류 센서(741)에 의해 둘러싸인 영역에서 접지된 상부 커버(782)와 접지된 하부 커버(784) 간의 전기적 접촉은, 전류 픽업 코일(747)을 관통하는 자기장의 세기를 감소시키며, 전류 신호의 출력 신호를 과도하게 약화시킬 수 있다. 따라서, 전도성 융기부(750)의 상부는, 지그재그 유전체 슬릿(725)에 의해 상부 커버(782)와 전기적으로 절연된다. 유전체 영역의 지그재그 형상은 도 7c에서 지그재그 점선으로 표시된다.

도 7d에 도시된 RF 시스템(700)의 일부분의 절개도는, 상부 커버(782)가 하부 커버(784) 위에 끼워 맞춰진 전류 센서 조립체(701)를 도시한다. 유전체 슬릿(725)의 지그재그 형상은 도 7d에서 점선 지그재그 라인으로 표시되었다.

도 7e는 전류 센서 조립체(701)의 하부 부분, 및 전류 센서 조립체의 중앙 홀(710)을 통과하는 RF 파이프의 내측 전도체(711)의 평면도를 도시한다. 환상 맨드릴(742) 및 전류 픽업 코일(747)을 포함하는 전류 센서(741)는 하부 커버(784) 위에 도시된다. 코일(747)의 2개의 대향 단부는 부속물(743)의 홀을 통과한다. 부속물(743)은, 액세스 홀(749)과 유사한 개구부 위에 배치될 수 있다. 링 형상의 전도성 융기부(750)는, 내측 전도체(711)와 전류 센서(741) 사이에 개재된 것으로 도시된다. 유전체 슬릿(725)은 전도성 융기부(750)의 양측에 도시된다.

맨드릴(642 및 742)과 같은 맨드릴의 사용에 따라, 전류 센서 설계는, 다수의 턴을 갖는 코일을 전류 픽업으로서 사용할 수 있다. 턴의 수가 더 많을수록, 각각의 전류 센서의 감도가 증가한다. 증가된 감도에 따라, 각각의 턴은 더 작은 단면을 가질 수 있으며, 이에 따라, 전체 전류 센서의 크기가 감소될 수 있으므로, 전류 센서가 달리 액세스하기 어려운 영역에 배치될 수 있다.

본 개시물에 설명된 맨드릴은 환상체와 같이 형성되지만, 예를 들어, 임의의 수의 면을 갖는 정다각형 또는 정사각형과 같은 다른 형상이 사용될 수 있음을 이해한다. 또한, 맨드릴의 사용 없이, 다양한 형상의 픽업이 구현될 수 있다.

본 개시물에 설명된 실시형태의 다양한 양태는, 다양한 다른 제조 기술을 사용하여 V-I 센서를 제조하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들어, 전류 픽업은, 인쇄 회로 기판(PCB) 기술에서와 같이, 비아에 의해 연결된 유전체 및 전도성 재료의 층으로 제조될 수 있다.

전술한 환상 전류 센서의 실시형태는, 원환체의 축대칭, 다중-턴 전류 픽업의 노이즈에 대한 더 높은 내성, 및 소형 구조물을 통해 달성되는 사용 용이성의 이점을 제공한다.

본 개시물에 설명된 V-I 센서 및 측정 방법은, 낮은 제조 비용으로 초고정밀도 측정을 가능하게 할 수 있는 실시형태를 제공한다. 기계 가공 오차 및 조립 오차에 대한 V-I 측정치의 민감도를 감소시키도록 의도된 설계 특징을 포함함으로써, 낮은 제조 비용으로 고정밀도가 달성될 수 있다. 전류 센서의 정밀도는, 전류 픽업의 기하학적 구조(예를 들어, 직사각형 하프 루프에 의해 둘러싸인 영역)를 결정하는 치수의 편차를 유발하는 기계 가공 공차에 따라 좌우된다. 또한, 전류 측정의 정밀도는, 예를 들어, 종축으로부터의 반경 방향 거리, 및 하프 루프의 평면과 종축 사이의 각도를 포함하는, 정밀도로 전류 픽업이 배치될 수 있는 조립 공차에 의해 제한될 수 있다. 마찬가지로, 전압 측정의 정밀도는, 기계 가공 공차(예를 들어, 전압 픽업 링의 직경 및 원주의 정확도) 및 조립 공차(예를 들어, 링의 평면과 종축 사이의 각도)에 따라 좌우된다. 본 발명자들은 전류 및 전압 픽업의 치수 및 배치의 편차에 대한 V-I 센서 신호의 민감도에 대한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였으며, 표준 기계에 대해 1%의 고정밀도가 달성될 수 있고, 0.005 인치의 배치 공차 값이 달성될 수 있음을 확인하였다. 컴퓨터 시뮬레이션은, 플라즈마 공정에 사용되는 다양한 RF 전력, RF 주파수, 및 부하 임피던스에 대하여, 맥스웰 방정식의 보정된 3D 유한 요소 해법(finite element solver)을 사용하여 수행된다.

본 출원의 예시적인 실시형태가 여기에 요약된다. 본원에 제출된 청구범위 뿐만 아니라 명세서 전체로부터 다른 실시형태도 이해될 수 있다.

실시예 1. 무선 주파수(RF) 시스템으로서, RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 전원; 상기 RF 전원을 상기 부하에 결합하는 접지에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프; 및 상기 RF 신호를 전달하는 상기 RF 파이프의 중심축에 정렬된 전류 센서로서, 상기 전류 센서는 상기 RF 신호의 전류를 모니터링하도록 구성되고, 상기 RF 파이프에 인접하게 배치된 전도성 하프 루프를 포함하며, 상기 전도성 하프 루프는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함하고, 상기 전류 센서는, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 출력 신호를 출력하도록 구성되는, 전류 센서; 상기 RF 파이프의 둘레에 배치된 센서 케이싱으로서, 상기 센서 케이싱은, 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체에 연결된 전도성 재료를 포함하는, 센서 케이싱; 상기 센서 케이싱 내에 그리고 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체의 외부에 배치된 갤러리로서, 상기 전류 센서는 상기 갤러리 내에 배치되는, 갤러리; 상기 RF 파이프의 상기 내측 전도체의 상기 RF 신호의 전류로 인한 자기장에 상기 전류 센서를 노출시키는, 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체의 슬릿을 포함하는, 무선 주파수(RF) 시스템.

실시예 2. 실시예 1에 있어서, 상기 슬릿은, 상기 외측 전도체의 내측 원주를 따르는 길이, 및 상기 RF 파이프의 상기 중심축에 평행한 폭을 가지며, 상기 폭은 0.5 mm 내지 5 mm인, 시스템.

실시예 3. 실시예 1 또는 2 중 하나에 있어서, 상기 RF 파이프의 상기 중심축에 직교하는 방향을 따라, 상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 중심축을 포함하는 제1 미러 대칭면, 및 상기 제1 미러 대칭면에 직교하는 제2 미러 대칭면을 포함하며, 상기 전도성 하프 루프의 상기 제1 미러 대칭면 및 상기 RF 파이프의 상기 중심축은 동일 평면 상에 있는, 시스템.

실시예 4. 실시예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 축에 평행하게 정렬된 분기부; 상기 제1 분기부의 제1 단부에 결합된 제2 분기부로서, 상기 제2 분기부는 상기 제1 분기부에 직교하는, 제2 분기부; 및 상기 제1 분기부의 제2 단부에 결합된 제3 분기부로서, 상기 제3 분기부는 상기 제1 분기부에 직교하고 상기 제2에 평행한, 제3 분기부를 포함하는, 시스템.

실시예 5. 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 전도성 하프 루프의 다양한 분기부를 지지하기 위한 절연 지지 구조물을 더 포함하는, 시스템.

실시예 6. 실시예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 파이프는, 상기 부하 및 상기 RF 전원에 전기적으로 결합된 내측 전도체; 및 기준 전위 노드에 전기적으로 결합된 외측 전도체를 포함하는, 시스템.

실시예 7. 실시예 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 신호의 전압을 모니터링하기 위한 제1 전압 센서를 더 포함하며, 상기 전압 센서는 상기 RF 파이프의 둘레에 축대칭으로 배치되는, 시스템.

실시예 8. 실시예 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 전압 센서는, 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체의 내측 표면을 따라 배치된 전도성 링; 및 상기 전도성 링과 상기 RF 파이프 외측 전도체 사이에 배치된 절연 링을 포함하며, 상기 절연 링은 상기 전도성 링을 상기 RF 파이프와 전기적으로 절연시키는, 시스템.

실시예 9. 실시예 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 파이프의 둘레에 대칭적으로 배치된 제2 전압 센서를 더 포함하며, 상기 제1 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제1 위치에 위치되고, 상기 제2 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제2 위치에 위치되며, 상기 전류 센서의 미러 대칭면과 상기 제1 위치 사이의 제1 거리는, 상기 미러 대칭면과 상기 제2 위치 사이의 제2 거리와 거의 동일한, 시스템.

실시예 10. 무선 주파수(RF) 시스템으로서, RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 전원; 상기 RF 전원을 상기 부하에 결합하는 기준 전위 노드에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프; 및 상기 RF 신호를 전달하는 상기 RF 파이프의 축의 둘레에 축대칭으로 배치된 제1 전압 센서를 포함하며, 상기 제1 전압 센서는 상기 RF 신호의 전압을 모니터링하도록 구성되는, 무선 주파수(RF) 시스템.

실시예 11. 실시예 10에 있어서, 상기 RF 파이프의 둘레에 대칭적으로 배치된 제2 전압 센서를 더 포함하며, 상기 제1 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제1 위치에 위치되고, 상기 제2 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제2 위치에 위치되는, 시스템.

실시예 12. 실시예 10 또는 11 중 하나에 있어서, 제3 위치에서 상기 RF 파이프의 둘레에 배치된 전류 센서를 더 포함하며, 상기 전류 센서는 상기 RF 신호를 전달하는 상기 RF 파이프의 상기 축에 정렬되고, 상기 전류 센서는 상기 RF 신호의 전류를 모니터링하도록 구성되는, 시스템.

실시예 13. 실시예 10 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 제3 위치는, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에 배치되는, 시스템.

실시예 14. 실시예 10 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 전류 센서는, 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함하는 전도성 하프 루프를 포함하며, 상기 RF 파이프의 상기 축에 직교하는 방향을 따라, 상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 축을 포함하는 제1 미러 대칭면, 및 상기 제1 미러 대칭면에 직교하는 제2 미러 대칭면을 포함하고, 상기 전도성 하프 루프의 상기 제1 미러 대칭면 및 상기 RF 파이프의 상기 축은 동일 평면 상에 있는, 시스템.

실시예 15. 실시예 10 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 위치와 상기 미러 대칭면 사이의 제1 거리는, 상기 제2 위치와 상기 미러 대칭면 사이의 제2 거리와 거의 동일한, 시스템.

실시예 16. 무선 주파수(RF) 신호를 측정하는 방법으로서, RF 신호를 전달하는 RF 파이프의 축에 정렬된 전류 센서를 구비하는 단계로서, 상기 전류 센서는, 상기 RF 파이프의 외측 전도체의 외부에 그리고 센서 케이싱 내에 배치되는 갤러리 내에 배치되고, 상기 센서 케이싱은 상기 RF 파이프의 둘레에 배치되며, 상기 전류 센서는 전도성 하프 루프를 포함하고, 상기 전도성 하프 루프는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함하는, 단계; 및 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 출력 신호를 측정하는 단계에 기초하여, 상기 RF 신호의 전류를 결정하는 단계를 포함하는, 무선 주파수(RF) 신호를 측정하는 방법.

실시예 17. 실시예 16에 있어서, 상기 RF 파이프는, 부하 및 RF 전원에 전기적으로 결합된 내측 전도체, 및 외측 전도체를 포함하며, 상기 방법은 상기 외측 전도체를 접지시키는 단계를 더 포함하는, 방법.

실시예 18. 실시예 16 또는 17에 있어서, 상기 RF 파이프의 둘레에 축대칭으로 배치된 제1 전압 센서를 구비하는 단계; 및 상기 제1 전압 센서의 단자에서 전기 신호를 측정하는 단계에 기초하여, 상기 RF 신호의 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.

실시예 19. 실시예 16 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 파이프의 둘레에 대칭적으로 배치된 제2 전압 센서를 구비하는 단계로서, 상기 제1 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제1 위치에 위치되고, 상기 제2 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제2 위치에 위치되는, 단계; 및 상기 제2 전압 센서의 단자에서 다른 전기 신호를 측정하는 단계를 더 포함하며, 상기 RF 신호의 상기 전압은, 상기 전기 신호 및 상기 다른 전기 신호에 기초하여 결정되는, 방법.

실시예 20. 실시예 16 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 축을 포함하는 제1 미러 대칭면, 및 상기 제1 미러 대칭면에 직교하는 제2 미러 대칭면을 포함하며, 상기 전도성 하프 루프의 상기 제1 미러 대칭면 및 상기 RF 파이프의 상기 축은 동일 평면 상에 있는, 방법.

본 발명은 예시적인 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 이러한 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 설명을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태 뿐만 아니라, 예시적인 실시형태의 다양한 변경 및 조합은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 임의의 그러한 변경 또는 실시형태를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 무선 주파수(RF) 시스템으로서,
   RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 전원;
   상기 RF 전원을 상기 부하에 결합하는 접지에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프;
   상기 RF 신호를 전달하는 상기 RF 파이프의 중심축에 정렬된 전류 센서로서, 상기 전류 센서는 상기 RF 신호의 전류를 모니터링하도록 구성되고, 상기 전류 센서는 상기 RF 파이프에 인접하게 배치된 전도성 하프 루프를 포함하며, 상기 전도성 하프 루프는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함하고, 상기 전류 센서는 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 출력 신호를 출력하도록 구성되는, 전류 센서;
   상기 RF 파이프의 둘레에 배치된 센서 케이싱으로서, 상기 센서 케이싱은, 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체에 연결된 전도성 재료를 포함하는, 센서 케이싱;
   상기 센서 케이싱 내에 그리고 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체의 외부에 배치된 갤러리로서, 상기 전류 센서는 상기 갤러리 내에 배치되는, 갤러리; 및
   상기 RF 파이프의 상기 내측 전도체의 상기 RF 신호의 전류로 인한 자기장에 상기 전류 센서를 노출시키기 위한 상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체의 슬릿을 포함하는,
   무선 주파수(RF) 시스템.
2. 제2항에 있어서,
   상기 슬릿은, 상기 외측 전도체의 내측 원주를 따르는 길이, 및 상기 RF 파이프의 상기 중심축에 평행한 폭을 가지며,
   상기 폭은 0.5 mm 내지 5 mm인, 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 RF 파이프의 상기 중심축에 직교하는 방향을 따라, 상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 중심축을 포함하는 제1 미러 대칭면, 및 상기 제1 미러 대칭면에 직교하는 제2 미러 대칭면을 포함하며,
   상기 전도성 하프 루프의 상기 제1 미러 대칭면 및 상기 RF 파이프의 상기 중심축은 동일 평면 상에 있는, 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전도성 하프 루프는,
   상기 RF 파이프의 상기 축에 평행하게 정렬된 분기부;
   상기 제1 분기부의 제1 단부에 결합된 제2 분기부로서, 상기 제2 분기부는 상기 제1 분기부에 직교하는, 제2 분기부; 및
   상기 제1 분기부의 제2 단부에 결합된 제3 분기부로서, 상기 제3 분기부는 상기 제1 분기부에 직교하고 상기 제2에 평행한, 제3 분기부를 포함하는, 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전도성 하프 루프의 다양한 분기부를 지지하기 위한 절연 지지 구조물을 더 포함하는, 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 RF 파이프는,
   상기 부하 및 상기 RF 전원에 전기적으로 결합된 내측 전도체; 및
   기준 전위 노드에 전기적으로 결합된 외측 전도체를 포함하는, 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 RF 신호의 전압을 모니터링하기 위한 제1 전압 센서를 더 포함하며,
   상기 전압 센서는 상기 RF 파이프의 둘레에 축대칭으로 배치되는, 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 전압 센서는,
   상기 RF 파이프의 상기 외측 전도체의 내측 표면을 따라 배치된 전도성 링; 및
   상기 전도성 링과 상기 RF 파이프 외측 전도체 사이에 배치된 절연 링을 포함하며,
   상기 절연 링은 상기 전도성 링을 상기 RF 파이프와 전기적으로 절연시키는, 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 RF 파이프의 둘레에 대칭적으로 배치된 제2 전압 센서를 더 포함하며,
   상기 제1 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제1 위치에 위치되고, 상기 제2 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제2 위치에 위치되며,
   상기 전류 센서의 미러 대칭면과 상기 제1 위치 사이의 제1 거리는, 상기 미러 대칭면과 상기 제2 위치 사이의 제2 거리와 거의 동일한, 시스템.
10. 무선 주파수(RF) 시스템으로서,
    RF 신호를 통해 부하에 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 전원;
    상기 RF 전원을 상기 부하에 결합하는 기준 전위 노드에 연결된 외측 전도체 및 내측 전도체를 포함하는 RF 파이프; 및
    상기 RF 신호를 전달하는 상기 RF 파이프의 축의 둘레에 축대칭으로 배치된 제1 전압 센서를 포함하며,
    상기 제1 전압 센서는 상기 RF 신호의 전압을 모니터링하도록 구성되는,
    무선 주파수(RF) 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 RF 파이프의 둘레에 대칭적으로 배치된 제2 전압 센서를 더 포함하며,
    상기 제1 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제1 위치에 위치되고, 상기 제2 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제2 위치에 위치되는, 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    제3 위치에서 상기 RF 파이프의 둘레에 배치된 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 전류 센서는 상기 RF 신호를 전달하는 상기 RF 파이프의 상기 축에 정렬되고,
    상기 전류 센서는 상기 RF 신호의 전류를 모니터링하도록 구성되는, 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 위치는, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에 배치되는, 시스템.
14. 제12항에 있어서,
    상기 전류 센서는, 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함하는 전도성 하프 루프를 포함하며,
    상기 RF 파이프의 상기 축에 직교하는 방향을 따라, 상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 축을 포함하는 제1 미러 대칭면, 및 상기 제1 미러 대칭면에 직교하는 제2 미러 대칭면을 포함하고,
    상기 전도성 하프 루프의 상기 제1 미러 대칭면 및 상기 RF 파이프의 상기 축은 동일 평면 상에 있는, 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 위치와 상기 미러 대칭면 사이의 제1 거리는, 상기 제2 위치와 상기 미러 대칭면 사이의 제2 거리와 거의 동일한, 시스템.
16. 무선 주파수(RF) 신호를 측정하는 방법으로서,
    RF 신호를 전달하는 RF 파이프의 축에 정렬된 전류 센서를 구비하는 단계로서, 상기 전류 센서는, 상기 RF 파이프의 외측 전도체의 외부에 그리고 센서 케이싱 내에 배치되는 갤러리 내에 배치되고, 상기 센서 케이싱은 상기 RF 파이프의 둘레에 배치되며, 상기 전류 센서는 전도성 하프 루프를 포함하고, 상기 전도성 하프 루프는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 포함하는, 단계; 및
    상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 출력 신호를 측정하는 단계에 기초하여, 상기 RF 신호의 전류를 결정하는 단계를 포함하는,
    무선 주파수(RF) 신호를 측정하는 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 RF 파이프는, 부하 및 RF 전원에 전기적으로 결합된 내측 전도체, 및 외측 전도체를 포함하며,
    상기 방법은 상기 외측 전도체를 접지시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
18. 제16항에 있어서,
    상기 RF 파이프의 둘레에 축대칭으로 배치된 제1 전압 센서를 구비하는 단계; 및
    상기 제1 전압 센서의 단자에서 전기 신호를 측정하는 단계에 기초하여, 상기 RF 신호의 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 RF 파이프의 둘레에 대칭적으로 배치된 제2 전압 센서를 구비하는 단계로서, 상기 제1 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제1 위치에 위치되고, 상기 제2 전압 센서는 상기 RF 파이프의 상기 축 상의 제2 위치에 위치되는, 단계; 및
    상기 제2 전압 센서의 단자에서 다른 전기 신호를 측정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 RF 신호의 상기 전압은, 상기 전기 신호 및 상기 다른 전기 신호에 기초하여 결정되는, 방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 전도성 하프 루프는, 상기 RF 파이프의 상기 축을 포함하는 제1 미러 대칭면, 및 상기 제1 미러 대칭면에 직교하는 제2 미러 대칭면을 포함하며,
    상기 전도성 하프 루프의 상기 제1 미러 대칭면 및 상기 RF 파이프의 상기 축은 동일 평면 상에 있는, 방법.

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