CN112384776B - 具有双重密封和压缩元件的光纤电缆探头 - Google Patents
具有双重密封和压缩元件的光纤电缆探头 Download PDFInfo
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Abstract
公开了用于基于荧光感测衬底的温度的温度感测探头。温度感测探头包括光纤电缆，该光纤电缆在冷端具有光接口，在热端具有用于接触衬底的温度感测元件。护套包围光纤电缆的热端的至少一部分。保持构件牢固地且可移除地将护套与支撑构件接合。护套在温度感测元件与衬底之间的接触周围形成真空密封。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月22日提交的美国临时申请No.62/674,885的优先权和权益。上述申请的公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及光学感测，并且更具体地涉及在密封环境中安装光学传感器的方法。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
温度感测探头，诸如热敏电阻、电阻式温度检测器(RTD)和电阻温度计，被用于各种各样的应用中，以提供各种衬底的温度反馈。这样的探头可以例如在工业过程中使用，并且可以进一步与响应于由温度感测探头感测到的温度来保证调节系统温度的控制器电连接。
在这样的环境中，检测温度的温度感测探头的一端通常称为热端。通常被称为冷端的通常是温度感测探头的用于将温度感测探头机械地安装到固定构件的部分。冷端可以或可以不实际上插入衬底和/或探头穿过其而安装的开口中。此外，冷端提供了到远程设备(诸如控制器或温度读数器)的电接口。如上所述，控制器可以进一步控制系统中的温度，从而提供在处理期间在系统中的预定的温度曲线，确保处理期间的温度遵循该预定的曲线等。
这样的一组温度感测探头是光纤传感器。这种探头基于荧光传感器的荧光衰减时间，荧光传感器通常位于光纤电缆的一端。光纤传感器温度感测探头即使在高射频活动、微波辐射和/或高压的环境中，也可以始终如一地可靠地准确测量温度。因此，光纤传感器温度感测探头通常与半导体应用一起使用，在该半导体应用中，半导体衬底被加工成至少一个半导体晶片。在许多这样的半导体应用中，在制造半导体晶片时，使用承受器、静电吸盘或其他支撑构件将至少半导体衬底保持在适当位置。并且许多这样的支撑构件还在其内结合有孔，通常称为通孔，其中布置了光纤传感器温度感测探头以在处理期间更准确和可靠地测量半导体衬底的温度，从而确保在可接受的温度下处理所得的半导体晶片。
尤其是考虑到操作温度、压力和环境以及布置在半导体加工设备内的其他系统，安装光纤传感器温度探头可能具有挑战性。本公开解决了在各种操作环境中可靠地安装诸如光纤传感器温度探头的设备的这些挑战。
发明内容
根据本公开的一种形式，温度感测探头包括光纤电缆，该光纤电缆在冷端具有光接口，在热端具有温度感测元件。温度感测元件用于接触衬底，并且温度感测元件包含荧光化合物。护套包围光纤电缆的热端的至少一部分。保持构件牢固地且可移除地将护套与支撑构件接合，并且在温度感测元件与衬底之间提供真空密封。
根据其他形式，光检测器与光接口光通信。
在其他形式中，光源与光接口光连通。
在进一步的形式中，温度感测探头还包括控制器，该控制器包括与光接口光通信的光检测器和与光接口通信的光源。控制器被配置为控制衬底的温度。
根据其他形式，护套包含硅树脂。
在其他形式中，温度感测探头在真空中感测衬底的温度。
在更进一步的形式中，温度感测探头在低温环境中感测衬底的温度。
在其他形式中，支撑构件是用于半导体加工的静电吸盘。
根据一种形式，温度感测探头包括光纤电缆，该光纤电缆在冷端具有光接口，在热端具有温度感测元件。温度感测元件用于接触衬底，并且衬底包含荧光化合物。护套包围光纤电缆的热端的至少一部分。光检测器与光接口光通信，并且光源与光接口光通信。保持构件牢固地且可移除地将护套与支撑构件接合，并且在护套和衬底之间提供真空密封。
在进一步的形式中，温度感测探头还包括控制器，该控制器包括与光接口光通信的光检测器和与光接口光通信的光源。控制器被配置为控制衬底的温度。
根据其他形式，护套包含硅树脂。
在其他形式中，温度感测探头在真空中感测衬底的温度。
在更进一步的形式中，温度感测探头在低温环境中感测衬底的温度。
在其他形式中，支撑构件是用于半导体加工的静电吸盘。
根据一种形式，组件包括具有通孔的支撑构件。衬底邻近于支撑构件设置。光纤电缆在冷端具有光接口，在热端具有温度感测元件。温度感测元件接触衬底。光纤电缆的热端的至少一部分被护套包围，并且护套的至少一部分设置在通孔中。保持构件牢固地且可移除地将护套接合在支撑构件内。在护套和衬底之间提供真空密封。
在其他形式中，温度感测元件包含荧光材料。
在进一步的形式中，衬底在真空密封的位置处包含荧光材料。
在更进一步的形式中，控制器包括与光接口光通信的光检测器和与光接口光通信的光源。控制器被配置为控制衬底的温度。
根据其他形式，护套包含硅树脂。
在其他形式中，温度感测探头在真空中感测衬底的温度。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅旨在说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
为了使本公开易于理解，现在将通过示例的方式描述本公开的各种形式，并参考附图，其中：
图1是根据本公开的光学传感器的前视图，示出了光学传感器的护套为透明的以便观察光学传感器的内部部件。
图2是根据本公开的光学传感器的放大的端部立体视图；和
图3是组件的截面侧视图，示出了根据衬底、静电吸盘和本公开构造的光学传感器。
本文所述的附图仅用于说明目的，无意以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
通常，利用光纤感测，荧光是材料在暴露于较短、较高能量的波长之后以光的形式的能量的缓慢释放。荧光温度感测基于以下原理：释放能量的速率取决于荧光材料的温度。当正确地测量、校准和控制时，这种随时间变化的行为可以用来精确且重复地测量温度。
如本文中所使用的，术语“光学传感器”应被解释为意指用于感测和确定荧光材料的温度的光纤光导和光信号调节器。
参考图1，示出了根据本公开的第一形式的温度感测探头10。温度感测探头10包括光纤电缆12，在其周围布置有通常为管状的护套20。尽管护套20以这种形式显示为管状，但是护套20可以具有多种几何形状，诸如正方形或多边形，但仍在本公开的范围内。
温度感测探头10的一端可以称为热端14，通常将其插入到支撑构件(例如承受器或静电吸盘)的通孔(如下所述)中。温度感测元件16设置在光纤电缆12的热端14上，用于感测衬底的温度。如下所述，温度感测元件16通常包含荧光化合物。温度感测探头10的另一端，可以称为冷端18，可以可选地安装到固定结构。作为非限制性示例，这种安装件可以包括橡胶索环、压缩配件、焊接配件等，其可以机械地附接到固定结构。
温度感测探头10进一步包括保持构件22，保持构件22可以用于将温度感测探头10固定到支撑构件的通孔中，从而将温度感测探头10可移除地但牢固地连接在支撑构件的相应通孔内。合适的保持构件包括螺纹和螺母组件以及可移除但牢固地将温度感测探头连接在支撑构件内的任何其他组件。在该形式中，保持构件22是外螺纹螺母。在一种形式中，保持构件22在处于可移除但固定的连接中时被构造成对温度感测探头10施加力，该力足以引起护套20在温度感测探头10的热端14处或附近弹性变形，从而在温度感测探头10的温度感测元件16与衬底之间形成基本上不透水的、真空密封的接触。随着护套20的弹性变形，除了向温度感测元件16提供轴向压缩以改善表面到表面的接触之外，在护套20与其周围的环境(诸如如下所示和所述的通孔)之间形成密封，因此温度读数更准确。以这种方式，在温度感测元件16和衬底之间形成牢固的连接，这提供了针对外部的低压环境、真空环境、明显的温度波动和低温环境的保护。
如进一步所示，作为非限制性示例，提供了光接口24，用于将温度感测探头10连接到远端安装的设备，诸如温度控制器和/或温度显示器。光接口24还与光学传感器和光源光连接。光接口24与光纤电缆12光学地连接。光接口24可以与光纤电缆12电连接。保持构件22可以包括一个或多个开放芯部(例如，沿着保持构件22的纵轴的通孔)，光纤电缆12穿过该开放芯部并横穿过到达光接口24。以这种方式，温度传感元件16与光接口24光连接(并且可以电连接)。
再次参考图1并参考图2，护套20设置在温度感测探头10的光纤电缆12的热端14的部分周围。在一种形式中，护套20包含硅树脂材料，并且如下面进一步讨论的那样，通过施加来自保持构件22的轴向压缩而可弹性变形。因此，护套20提供了密封和压缩元件的双重功能，以提高温度读数的准确性，即通过提供温度感测元件16与相邻表面之间的改善的接触。根据一方面，有机硅材料表现出低除气、高度可压缩以及具有大的热可操作范围的特征中的至少一个。表现出这些特性的有机硅材料是可从NuSil Technology商购的Nusil CV1-1142-4。
温度感测元件16至少部分地被护套20包围，并且可以至少部分地容纳在护套20内。温度感测元件16通常位于温度感测探头10的热端14附近。温度感测元件16提供指示温度感测探头10的热端14处的温度的信号。根据一方面，温度感测元件16包含热感测材料。根据其他方面，在操作中，将温度感测元件16压在包含热感测材料的衬底上，使得如下所述，其中可以使用热感测探头(诸如，热感测探头10)的系统可以准确地测量衬底的温度。在一种形式中，热感测材料包括荧光化合物，从而如下所述，其中使用热感测探头(例如，热感测探头10)的系统可以精确地测量衬底的温度。在许多情况下，合适的荧光化合物是那些将从光源发出的光转换为不同波长(例如，将光波长向上转换或向下转换)并将转换后的光反射回感测反射光的传感器的化合物。在许多方面，荧光材料通常是可以通过光子吸收从其基态到处于激发电子态的各种振动态之一的任何种类，诸如分子种类和原子种类。该种类随后失去了振动能量，在此过程中发出了光子。作为非限制性实例，合适的荧光材料的例子包括那些吸收带在约350nm至约550nm之间，并且激发带在约550nm至约100nm之间、在应用的所需温度范围内具有对温度强烈衰减依赖性的材料。选择在给定温度下具有更短衰减时间常数的材料可以实现更快的更新速率。可以采用各种其他材料，并且可以基于它们对温度范围、荧光衰减率、成本和商业可用性的施用适宜性进行选择。类似地，用于测量由荧光化合物转换的光的传感器可以限于测量约由荧光化合物转换的光波长的光波长，从而防止对未转换但反射回传感器的光的不正确的测量。在这样的应用中，原子种类类型的荧光效率不高，因为原子荧光光子在衰减期间的波长处发射的波长基本上与用于引起所使用的原子种类类型的振动水平的波长相似至相同。
当设想包含荧光材料的衬底时，衬底(诸如，如下所述，衬底34)可以包含设置在光透明基质内的、在温度感测元件16可以光学感测衬底的温度的位置中的荧光材料。如果必要，基质可以是衬底的粘结材料；如果必要，可以将荧光材料和基质混合在粘合材料中；和/或荧光材料可以混合在任何基质(如果有的话)中或与之分开。因此，特定公开内容应仅被认为是说明性的，并且不应被解释为限制本公开内容的范围。将荧光材料混合到衬底中的过程取决于荧光材料将仅设置在衬底的一部分中还是整个衬底中。例如，可能期望仅将荧光材料混合到将被暴露于温度感测元件16的衬底的部分中。可选地，可以在形成衬底之后将荧光材料混合到衬底中或施加到衬底的位置上。
现在参考图3，示出了包括温度感测探头10的组件30。组件30包括温度感测探头10、支撑构件32、衬底34和过程控制器36。值得注意的是，温度感测探头10设置在支撑构件32的通孔38内。包围光纤电缆12的热端14的护套20紧贴在通孔38内。此外，温度感测探头12的保持构件22在可移除但牢固地接合时，将护套20的末端压在衬底34上。护套20随而在温度感测元件16与衬底34之间形成密封，沿着通孔38形成密封，并且对温度感测元件16施加压缩。因此，在温度感测元件16和衬底34之间至少基本上没有冷凝物形成。过程控制器36至少包括光源40和光学检测器42。过程控制器36进一步与电接口24电通信。
过程控制器36还可以被配置为监视和/或控制与监视和/或控制加热室(诸如组件30)相关的控制装置，如美国专利No.9,625,923，其与本申请共同转让，并且其内容通过引用整体并入本文。
此外，可以有多个温度感测探头10指向衬底34的选定表面上方，以感测那些位置处的衬底34的表面温度。类似地，可以存在根据本发明处理的多个衬底，并且可以预期，一些或所有衬底可以具有根据本发明感测到的对应温度。
尽管已经描述了根据本公开的温度感测探头用于至少与诸如静电卡盘或承受器的支撑构件结合使用，但是应当理解，这样的温度感测探头可能需要与腔室盖、腔室挡板、边缘环、喷淋头、真空吸盘一起使用，或在真空和/或低温环境中需要光纤温度感测的情况中和/或希望防止光纤温度感测器的热端的光纤温度感测元件与衬底表面之间的冷凝物堆积的情况中的任何其他应用。
除非本文另外明确指出，否则所有表示机械/热性能、组成百分比、尺寸/公差或其他特征的数值应理解为在描述本公开的范围时由词语“约”或“大约”来修饰。
注意，本文描述的各种模块和/或电路(例如，控制器、微控制器、处理器等)可以是单个处理设备或多个处理设备。这样的处理设备可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或基于操作指示操纵信号(模拟和/或数字)的任何设备。操作指示可以存储在存储器中。存储器可以是单个存储器设备或多个存储器设备。这样的存储器设备可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、快闪存储器和/或存储数字信息的任何设备。还应注意，当处理模块通过状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路实现其一个或多个功能时，存储相应操作指示的存储器可以嵌入到包含状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路的电路中。以这种形式，存储器存储与本文示出和/或描述的步骤和/或功能中的至少一些相对应的操作指示，并且耦合到存储器的处理模块执行这些操作指示。
本公开的描述本质上仅是示例性的，因此，不背离本公开的实质的变型意图在本公开的范围内。这样的变化不应被视为背离本公开的精神和范围。
Claims (20)
1.一种温度感测探头，包括：
光纤电缆，其在冷端具有光接口，在热端具有用于接触衬底的温度感测元件，其中，所述温度感测元件包含荧光材料；
可弹性变形的护套，其包围所述光纤电缆的所述热端的至少一部分；和
保持构件，其用于将所述可弹性变形的护套牢固且可移除地连接于支撑构件，从而当与所述支撑构件固定且可移除地连接时，所述温度感测元件与所述衬底接触，并且所述保持构件在所述温度感测元件上施加足以引起所述可弹性变形的护套的弹性变形的力，使得所述可弹性变形的护套形成与所述衬底的真空密封接触。
2.根据权利要求1所述的温度感测探头，还包括与所述光接口光通信的光检测器。
3.根据权利要求1所述的温度感测探头，还包括与所述光接口光通信的光源。
4.根据权利要求1所述的温度感测探头，还包括控制器，所述控制器包括与所述光接口光通信的光检测器和与所述光接口光通信的光源，其中，所述控制器被配置为控制所述衬底的温度。
5.根据权利要求1所述的温度感测探头，其中，所述可弹性变形的护套包含硅。
6.根据权利要求1所述的温度感测探头，其中，所述温度感测探头在真空中感测衬底的温度。
7.根据权利要求1所述的温度感测探头，其中，所述温度感测探头在低温环境中感测衬底的温度。
8.根据权利要求1所述的温度感测探头，其中，所述支撑构件是用于半导体加工的静电卡盘。
9.一种温度感测探头，包括：
光纤电缆，其在冷端具有光接口，在热端具有用于接触衬底的温度感测元件，其中，所述衬底包含荧光材料；
可弹性变形的护套，其包围所述光纤电缆的所述热端的至少一部分；
光检测器，其与所述光接口光通信；
光源，其与所述光接口光通信；和
保持构件，其用于将所述可弹性变形的护套牢固且可移除地连接于支撑构件，从而当与所述支撑构件固定且可移除地连接时，所述温度感测元件与所述衬底接触，并且所述保持构件在所述温度感测元件上施加足以引起所述可弹性变形的护套的弹性变形的力，使得所述可弹性变形的护套形成与所述衬底的真空密封接触。
10.根据权利要求9所述的温度感测探头，还包括控制器，所述控制器包括与所述光接口光通信的光检测器和与所述光接口光通信的光源，其中，所述控制器被配置为控制所述衬底的温度。
11.根据权利要求9所述的温度感测探头，其中，所述可弹性变形的护套包含硅。
12.根据权利要求9所述的温度感测探头，其中，所述温度感测探头在真空中感测所述衬底的温度。
13.根据权利要求9所述的温度感测探头，其中，所述温度感测探头在低温环境中感测所述衬底的温度。
14.根据权利要求9所述的温度感测探头，其中，所述支撑构件是用于半导体加工的静电卡盘。
15.一种组件，包括：
支撑构件，其包括通孔；
衬底，其与所述支撑构件相邻设置；
光纤电缆，其在冷端具有光接口，在热端具有温度感测元件，其中，所述温度感测元件接触所述衬底；
可弹性变形的护套，其包围所述光纤电缆的所述热端的至少一部分，其中，所述可弹性变形的护套的至少一部分设置在所述通孔中；和
保持构件，其用于将所述可弹性变形的护套牢固且可移除地连接于所述支撑构件，从而所述温度感测元件与所述衬底接触，并且所述保持构件在所述温度感测元件上施加足以引起所述可弹性变形的护套的弹性变形的力，使得所述可弹性变形的护套形成与所述衬底的真空密封接触。
16.根据权利要求15所述的组件，其中，所述温度感测元件包含荧光材料。
17.根据权利要求15所述的组件，其中，所述衬底在所述真空密封的位置处包含荧光材料。
18.根据权利要求15所述的组件，还包括控制器，所述控制器包括与所述光接口光通信的光检测器和与所述光接口光通信的光源，其中，所述控制器被配置为控制所述衬底的温度。
19.根据权利要求15所述的温度感测探头，其中，所述可弹性变形的护套包含硅。
20.根据权利要求15所述的温度感测探头，其中，所述温度感测探头在真空中感测所述衬底的温度。
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