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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Temperatursonde,
basierend auf Kontakttechnologie, für die Niederdruckbearbeitung
von Halbleitern und sie betrifft ein verbessertes Verfahren der
Temperaturmessung in solchen Prozessen.
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Die
Herstellung von Halbleitergeräten
wie integrierte Schaltungen aus Halbleiter-Wafers kann eine Anzahl
von Schritten umfassen. Es kann notwendig sein, einige dieser Schritte
in einer Niederdruckumgebung durchzuführen, wo der Druck weniger
als ungefähr
10 torr betragen kann. Da der normale atmosphärische Druck in der Luft auf
Meeresniveau 760 torr beträgt,
kann man ersehen, dass die Verarbeitung nur bei einem kleinen Bruchteil
des atmosphärischen
Drucks stattfinden kann.
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In
der Durchführung
vieler solcher Prozesse ist es notwendig, die Temperatur der Halbleiter-Wafer zu überwachen.
Dies wird üblicherweise
mittels einer Temperatursonde getan, welche einen Temperatursensor
wie ein Thermoelement im Kontakt mit dem Wafer enthält. Es hat
sich herausgestellt, dass, wenn eine Temperatursonde in einer Niederdruckumgebung,
wie oben beschrieben, verwendet wird, der Anzeigewert, welche durch
die Temperatursonde bereitgestellt wird, der tatsächlichen
Temperatur des Wafers nicht genau folgt. Dies verursacht ein Problem, da
genaue Temperaturanzeigen notwendig sind, um den Herstellungsprozess
zu überwachen
und zu steuern.
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Die
hier vorgestellten Erfinder glauben, dass das Problem durch die
Tatsache verursacht wird, dass bei niedrigem Druck die thermische
Leitfähigkeit
der Gase in der Reaktionskammer gering wird. Das heißt, dass,
während
der Wafer und die Temperatursonde für das unbewaffnete Auge miteinander
in Kontakt stehen, der Kontakt auf mikros kopischem Niveau eher sporadisch
als durchgehend ist und der Raum zwischen den Kontaktpunkten sich
auf einem Druck befindet, welcher gleich oder nahe dem Niederdruck
ist, auf welchem der Prozess ausgeführt wird. Da bei solch niedrigem
Druck die thermische Leitfähigkeit
gering ist, ist die Übertragungsrate
zwischen dem Wafer und der Kontaktoberfläche der Sonde nicht gut genug
für die
Temperatursonde, um schnell auf Veränderungen in der tatsächlichen
Temperatur des Wafer zu reagieren.
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Die
US-Patentschrift Nr. 5,791,782 offenbart eine Temperatursonde, wobei
die Sonde sich frei auf dem Träger
unter dem Gewicht des Halbleiter-Wafers dreht, um so in engem Kontakt
mit diesem zu bleiben. Dies verbessert auf geeignete Weise die Reaktionsfähigkeit
der Temperatursonde in einer Umgebung mit höherem Druck. Obwohl eine der
Aufgaben des älteren
Patents darin besteht, Temperaturmessungen bereitzustellen, welche
der tatsächlichen
Temperatur des Wafers in einem Vakuum oder einer Umgebung mit niedrigem
Druck in knappem Abstand folgen, haben die Erfinder festgestellt,
dass die Konfiguration des älteren
Patents dies nicht erfüllt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist anstrebenswert, ein verbessertes Verfahren und Gerät zum Messen
der Temperatur eines Halbleiter-Wafers in einer Niederdruckumgebung
bereitzustellen.
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Aspekte
der Erfindung werden in den begleitenden Ansprüchen dargelegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung steht eine Fluidquelle, vorzugsweise Gas, mit einem Fluidtransportkanal
in einem Sondenkopf zum Erzeugen eines Überdrucks oder eines "Gaspolsters" zwischen dem Sondenkopf
und einem Halbleiter-Wafer in Verbindung. Dies erhöht die thermische
Leitfähigkeit
zwischen dem Sondenkopf und dem Wafer, so dass der Temperatursensor
schneller auf Veränderungen
in der Wafertemperatur reagiert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der thermischen
Reaktionsfähigkeit
einer Temperatursonde bereitgestellt, welche den Schritt des Zuführens von
Fluid zum Bereich zwischen der Temperatursonde und dem Wafer in
einer Menge umfasst, welche ausreicht, um den Druck zwischen dem
Wafer und der Sonde auf über
ungefähr
20 torr zu erhöhen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird besser durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
verstanden, wobei:
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1 eine
Temperatursonde nach dem Stand der Technik zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung eines Sondenkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
weitere schematische Darstellung eines Sondenkopfs gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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4 eine
schematische Darstellung eines Sondenkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5 graphisch
Wärmeleitfähigkeit
eines typischen Gases über
Druck darstellt;
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6 eine
Verfahrenskammer zeigt, welche die Temperatursonde einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung umfasst;
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7 eine
Schnittansicht einer Temperatursonde gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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8 eine
Schnittansicht eines Sondenkopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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9 eine
Schnittansicht einer Temperatursonde gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt, welche den Sondenkopf aus 7 verwendet;
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10 ein
Graph von Temperaturfehler über der
Zeit ist und die verbesserten Ergebnisse darstellt, welche durch
Ausführungsformen
der Erfindung erzielt werden.
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Mit
Bezugnahme auf 1 wird eine Temperatursonde
gemäß dem Stand
der Technik, wie in der oben erwähnten
US-Patentschrift Nr. 5,791,782 dargestellt. Sie umfasst den metallenen
Sondenkopf 1, welcher auf einer Halterung 7 sitzt.
Der Sondenkopf weist eine Kontaktfläche 3 auf, auf welcher
der Halbleiter-Wafer ruht. Der Sondenkopf kann angeordnet sein,
um sich frei auf der Halterung 7 unter dem Gewicht des
Halbleiter-Wafers zu drehen, um den Kontakt mit diesem aufrecht
zu erhalten.
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Ein
diametrisches Loch 5 ist in den Sondenkopf gebohrt und
ein Thermoelement ist darin eingeschoben, wonach der Aufbau gequetscht
oder zusammengefaltet wird, um das Thermoelement in festem Kontakt
mit dem Sondenkopf zu halten. Die Thermoelementdrähte 6A und 6B werden
aus dem Loch 5 herausgeführt.
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Wie
oben besprochen, hat sich herausgestellt, dass die Temperatursonden
nach dem Stand der Technik, darunter die Sonde, gezeigt in 1,
in einer Unterdruckverfahrensumgebung, wie sie in einem Plasmaabzieh-, Ätz-, LPCVD-(Unterdruckablagerung
chemischen Dampfes) und anderen Verfahren, welche bei niedrigem
Druck ausgeführt
werden, eingesetzt werden können,
nicht gut funktionieren. Auch wenn ein sich frei drehender Sondenkopf
verwendet wird, legt ein mikroskopischer 3-Punkt-Kontakt die Grenze
an Nähe
des Kontakts fest, welche zwischen dem Wafer und dem Probenkopf
aufrecht erhalten werden kann. Wie oben erwähnt, ist der Kontakt zwischen
dem Wafer und dem Sondenkopf immer wieder unterbrochen und im Spalt
liegt die Niederdruckumgebung vor.
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5 ist
ein typischer Graph für
die Wärmeleitfähigkeit
für einen
Gas-über-Druck-Zusammenhang.
Wie daraus ersichtlich ist, fällt
die Wärmeleitfähigkeit
steil unter ungefähr
20 torr ab und wird so gering, dass sie in einem sehr hohen Wert
an Wärmewiderstand
mündet,
was für
einen Unterschied in der Temperatur verantwortlich ist.
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Mit
Bezugnahme auf 2 wird eine schematische Darstellung
eines Sondenkopfes 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Der Sondenkopf ist aus Metall und weist eine
ebene Kontaktfläche 12 auf.
Er weist auch einen Temperatursensor 14 wie ein Thermoelement
auf, welches darin durch das Verfahren, beschrieben in Verbindung
mit 1, oder durch ein beliebiges anderes Verfahren,
eingebettet ist, um einen entsprechenden thermischen Kontakt bereitzustellen.
Jedoch anders als die Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik aus 1 weist der Sondenkopf aus 2 einen
Fluidtransportkanal 16 auf, welcher zwischen der Kontaktfläche 12 und
der Oberfläche 18,
welche gegenüber
der Kontaktfläche
liegt, kommuniziert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Kanal 16 mit einem Gas versorgt, um einen
leichten Überdruck,
welcher ungefähr
20 torr übersteigt,
im Bereich zwischen der Sondenoberfläche und dem Wafer zu erzeugen.
Dies erhöht
die Wärmeleitfähigkeit
in diesem Bereich in ausreichendem Maße, um den Temperaturgradienten
zu beseitigen, was zu einer genaueren Temperaturmessung führt.
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Während in 2 der
Fluidtransportkanal zur Oberfläche
gegenüber
der Kontaktfläche
geht, kann er auch zu einer anderen Oberfläche des Sondenkopfes gehen
und von dort gespeist werden. Dies ist in 3 dargestellt,
wobei der Fluidtransportkanal 22 mit der Seite 24 des
Sondenkopfes kommuniziert. In einer tatsächlichen Ausführungsform
kann der Fluidtransportkanal sehr eng sein und braucht nicht größer sein
als die Öffnung
einer Injektionsnadel Größe #26.
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Mit
Bezugnahme auf 4 ist der Sondenkopf 30 dargestellt,
welcher den Fluidtransportkanal 32 aufweist. Der Sondenkopf
ruht auf der Halterung 34, welche den Fluidtransportkanal 36 umfasst,
der mit einer Quelle für
das Gas zum Erzeugen des Überdrucks über der
Kontaktfläche 38 kommuniziert.
Der Begriff "Halterung", wie hierin verwendet,
bedeutet jede beliebige Art von Element, welches als eine seiner
Funktionen das Tragen des Sondenkopfs aufweist.
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6 zeigt
eine Halbleiter-Wafer-Verfahrenskammer 40. Sie umfasst
einen Prozessgaseinlass 42, eine Gasverteilungsplatte 44 und
einen Gasausstoßauslass 46.
Das Gas kann zum Beispiel Sauerstoff oder eine Mischung aus Sauerstoff,
fluorierten Gasen, Wasserstoff und Stickstoff im Beispiel von Photoresist-
und Ablagerungsentfernung, typischerweise bei 1,5 torr ausgeführt, sein.
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Der
Boden 47 der Kammer ist durchsichtig und Heizlampen 48 sind
unter dem Boden der Kammer 40 angeordnet, um Strahlungsenergie
auf einen Halbleiter-Wafer 50 zu richten, welcher in der
Kammer angeordnet ist. Der Wafer 50 ist über dem
Boden der Kammer durch drei Stützen
gehalten. Zwei der Stützen 53 und 54 sind
Glas- oder Quarzstifte, welche sich vom Boden 47 aus erstrecken,
während
die dritte Stütze
die Temperatursonde darstellt, wie in 4 schematisch
dargestellt.
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Im
Allgemeinen wird für
solch eine Anwendung das Verfahren in der Kammer unter 5 torr und der
Wafer unter 300°C
gehalten. Der Wärmeübergang
in diesen Bedingungen tritt hauptsächlich durch Leitung und Strahlung
auf.
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Die
Temperatur des Sondenkopfes hängt vom
thermischen Kontaktwiderstand zwischen dem Wafer und dem Sondenkopf
und hauptsächlich
vom thermischen Widerstand zwischen dem Sondenkopf und der gesamten
Umgebung ab. Der thermische Widerstand zwischen dem Sondenkopf und
dem Wafer steht in starker Abhängigkeit
von der thermischen Leitfähigkeit
des Gases, welches den Spalt dazwischen füllt. Dieser thermische Widerstand
ist hoch, wenn der Gasdruck unter 10 torr liegt, und gering, wenn
er höher
als 20 torr ist. Ein geringer thermischer Widerstand stellt einen
guten thermischen Kontakt bereit und die Sondentemperatur liegt
knapp bei jener des Wafers.
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Der
Fluidtransportkanal in der Halterung für den Sondenkopf wird durch
die Gasquelle 52 gespeist, welche außerhalb der Verfahrenskammer
angeordnet ist. Die Gasquelle 52 kann die Umgebungsluft
außerhalb
der Verfahrenskammer sein, d.h. der Kanal könnte einfach von der Umgebung
her belüftet sein.
In der Alternative könnte
die Gasquelle 52 ein Gas sein, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, wie dies Helium ist. In jedem Fall wird der Gasstrom durch
den Druckunterschied zwischen außerhalb und innerhalb der Kammer
erzwungen. Dieser Gasstrom füllt
den Spalt zwischen der Sonde und dem Wafer auf, bis der Spaltdruck
den mechanischen Druck, den der Wafer auf die Sonde ausübt, ausgleicht.
Der erhöhte
Druck zwischen der Sonde und dem Wafer ergibt sich aus dem Gewicht
des Wafers, welcher über
die Sondenfläche
angelegt wird. Jedoch sollte der Gasstrom so gering sein, um nicht das
Verfahren zu beeinflussen.
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Mit
Bezugnahme auf 7 wird eine besondere Ausführungsform
einer Temperatursonde 60 gemäß der Erfindung gezeigt. Die
Sonde umfasst den Sondenkopf 62 und die Halterung 64/65.
Der Sondenkopf weist eine ebene Kontaktfläche 66 und ein Thermoelement 67 auf,
welches darin eingebettet ist, und der Sondenkopf besitzt auch den
Fluidtransportkanal 68, welcher sich von der Kontaktoberfläche 66 zur
Oberfläche 69 hin
erstreckt, die gegenüber
der Kontaktfläche
liegt.
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Die
Halterung umfasst ein starres, inneres Rohr 64, welches
aus rostfreiem Stahl hergestellt sein kann. Das Innere dieses Rohrs
umfasst den Fluidtransportkanal in der Halterung und auch wenigstens
in einem Teil des Sondenkopfes, da das Rohr in die Öffnung im
Sondenkopf teilweise oder für
die gesamte Länge
eingeschoben sein kann. Folglich ist es das andere Ende 70 des
inneren Rohrs 64, welches mit der Gasquelle, die sich außerhalb
der Verfahrenskammer befindet, verbunden werden kann.
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Das
Thermoelement 67 besitzt die Anschlussdrähte 71 und 72,
welche aus dem Sondenkopf austreten und welche zur Überwachungsausrüstung außerhalb
der Verfahrenskammer durch das äußere Rohr 65 geführt sind,
welches aus Quarz hergestellt sein kann, wodurch ein Grad an thermischer und
elektrischer Isolierung gegeben ist. Folglich sind die Anschlussdrähte im Wesentlichen
vor dem Prozessgas geschützt,
welches sie anderen Falls angreifen könnte, und das Quarzrohr bietet
einen Grad an thermischer Isolierung für die Drähte, um so keine falschen Temperaturablesungen
zu verursachen.
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In
der Gestaltung einer Temperatursonde ist es erstrebenswert, dass
der thermische Widerstand zwischen dem Halbleiter-Wafer und dem
Sondenkopf geringer ist als der thermische Widerstand zwischen dem
Sondenkopf und der Halterung. In der Ausführungsform, die in 7 gezeigt
ist, wird dies teilweise dadurch erreicht, dass ein Raum 74 zwischen
dem Sondenkopf, der Halterung und den umgebenden Elementen und dem äußeren Rohr 65 vorgesehen ist.
Die Gestaltung jedes beliebigen machbaren Sondenkopfs kann Kompromisse
erfordern und Abänderungen
der Sonde, gezeigt in 7, könnten gemacht werden, z.B.
der Sondenkopf könnte
so angeordnet sein, um auf der Lippe 75 des äußeren Rohrs 65 den
Kontakt herzustellen und dort schwenkbar zu sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer Temperatursonde gemäß der Erfindung
wird in 8 und 9 gezeigt.
Mit Bezugnahme auf 8 wird ein Metallsondenkopf 80 gezeigt,
welcher eine Keramik- oder Zement-Einlage 82 aufweist.
Die Einlage 82 ist im Sondenkopf 80 durch gut
bekannte Mikrozerspanungstechniken eingesetzt. Bevor die Einlage
im Sondenkopf angeordnet wird, wird das Thermoelement 84 darin
eingebettet. Die Einlage 82 kann in einer Form ausgebildet
werden und das Thermoelement kann, bevor die Keramik oder der Zement
trocken ist, eingebettet werden.
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Der
Sondenkopf 80 weist Kanäle 83a und 84b auf,
durch welche die Anschlussdrähte 85 und 86 des
Thermoelements 84 geführt
werden. Der Sondenkopf 80 weist auch den Gastransportkanal 88 auf, welcher
von der Kontaktfläche 81 zu
einer gegenüberliegenden
Oberfläche 90 eine
Verbindung errichtet. Die Oberfläche 90 weist
eine Ausnehmung 91 in sich auf, welche in der Form eines
kugelförmigen Auflagers
vorliegen kann.
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Mit
Bezugnahme auf 9 wird die Sondenkopf-Halterung/Kombination
gezeigt. Die Halterung 92 weist das Ende 93 auf,
welches so gestaltet ist, um mit der Ausnehmung 91 zusammenzupassen,
so dass der Sondenkopf sich frei auf der Halterung unter dem Gewicht
des Halbleiter-Wafers schwenken kann. Die Halterung 92 weist
den Gastransportkanal 96 und die Thermoelementanschlussdrahtkanäle 94 und 95 auf.
Gas von außerhalb
der Verfahrenskammer wird durch den Gastransportkanal 96 zugeführt, um
den Druck zwischen dem Sondenkopf und dem Wafer zu erhöhen.
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10 stellt
graphisch die verbesserten Ergebnisse durch eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar. Eine Temperatursonde ähnlich jener,
die in 7 verwendet wurde, verwendete ein Stickstoffgas
mit einem Druck von 1 torr, während
das Verfahren am Halbleiter-Wafer umgesetzt wurde. Mit dem Einsatz
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wurde ein Gaspolster, welcher 20 torr übersteigt, über dem
Sondenkopf erzeugt.
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Um 10 zu
verstehen, sollte man wissen, dass es eine Anlaufphase, wenn die
maximale Leistung an die Heizlampen angelegt wird, während welcher
der Strom zu den Heizlampen aufgedreht wird, während welcher die Wafer-Temperatur
schnell steigt, und einen Dauerzustand gibt, in welchem die Lampen
mit einer geringen Leistung arbeiten und folglich die Wafer-Temperatur
mehr oder weniger konstant ist.
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In 10 stellt
die gestrichelte Linie den Einsatz der Temperatursonde nach dem
Stand der Technik dar, d.h. die Luft ist "aus".
Wie ersichtlich ist, besteht während
des Übergangs,
welcher durch die Anlaufphase geschaffen wird, ungefähr ein 35° Temperaturunterschied
zwischen der tatsächlichen
und der gemessenen Temperatur. Andererseits fällt, wenn die Temperatursonde
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung verwendet wird, d.h. wenn die Luft "ein" ist, wie durch die
obere durchgezogene Linie dargestellt, dieser Temperaturunterschied
auf ungefähr
15°C. Mit
dem Einsatz von Helium, welches eine höhere Temperaturleitfähigkeit
als Luft aufweist, wie durch die untere durchgezogene Linie dargestellt, fällt der
Unterschied auf ungefähr
5°C.
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Die
Situation, wo die Luft "aus" während der Anlaufphase
und die Luft "ein" während der
Dauerzustandsphase ist, wird durch die gepunktete Linie gezeigt.
Ein hoher Vergleichsfehler ist während
der Anlaufphase ersichtlich, aber ein viel geringerer Vergleichsfehler
besteht während
der Dauerzustandsphase.
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Es
ist daher ersichtlich, dass ein vorteilhaftes Verfahren und ebensolche
Vorrichtungen offenbart wurden, um die Temperaturmessung in Niederdruckprozessen
in großem
Maße zu
verbessern. Es versteht sich von selbst, dass sich, während die
Erfindung hierin gemäß bevorzugter
und veranschaulichender Ausführungsformen
gezeigt wird, Veränderungen
für Fachleute
auf diesem Gebiet der Technik ergeben werden.