FR3078776A1 - Procédé de Mesure de Pression sans étalonnage dans des dispositifs de jauge à vide micro-fabriqués - Google Patents

Abstract

Une manière de déterminer la pression (par exemple à l’intérieur d’un boîtier sous vide, tel qu’une puce MEMS), sans étalonnage préalable, est fournie en utilisant un modèle et un ensemble d’une ou de plusieurs jauge(s) (par exemple des jauges de Pirani, des jauges à thermistance, des jauges à thermocouple) ayant des géométries distinctes. Afin de calculer la pression à partir des mesures électriques effectuées sur les jauges, il existe plusieurs étapes intermédiaires et un modèle analytique décrit chacune de ces étapes. Outre les mesures électriques, d’autres entrées sont nécessaires, telles que les propriétés des matériaux et certaines dimensions, qui peuvent ne pas être connues avec précision. Plusieurs géométries de jauge différentes sont proposées qui peuvent être combinées afin de déterminer le niveau de vide (pression) sans connaître au préalable les valeurs de ces entrées. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Titre de l'invention : Dispositifs de Jauge à Vide Micro-fabriqués sans Etalonnage et Procédé de Mesure de Pression [0001] Domaine [0002] La présente divulgation se rapporte à des capteurs micro-fabriqués tels que des jauges à vide (de pression) à conduction thermique et à des dispositifs micro-fabriqués tels que des boîtiers sous vide comportant de telles jauges et plus particulièrement à la mesure de pression en utilisant des jauges de pression micro-fabriquées sans étalonnage.

[0003] Arrière-plan [0004] Les jauges à vide doivent généralement être étalonnées par rapport à la pression. Traditionnellement, les jauges à vide étaient utilisées dans des chambres à vide dans lesquelles la pression pouvait facilement varier, mais une nouvelle application pour les jauges à vide est de les intégrer sur des microplaquettes électroniques ou des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) qui sont enfermées/enfermés dans des boîtiers hermétiques sous vide afin de surveiller la pression. Dans ce cas, la pression ne peut pas être commandée et l’étalonnage des jauges à vide enfermées dans des boîtiers sous vide (au niveau puce ou au niveau tranche) est difficile. Une approche consiste à étalonner la jauge à vide par rapport à la pression avant l’encapsulation sous vide, mais le procédé d’encapsulation nécessite généralement un recuit du dispositif, ce qui peut modifier les propriétés des matériaux de la jauge à vide, rendant ainsi l’étalonnage invalide. L’étalonnage par rapport à la pression après l’encapsulation nécessite un test destructif, ouvrant le boîtier pour faire varier le niveau de vide. Il est possible d’étalonner un sous-ensemble de jauges provenant d’un lot et d’utiliser cet étalonnage pour toutes les autres jauges du lot, mais les variations des propriétés des matériaux rendent cette approche inexacte.

[0005] Une alternative à l’étalonnage est de modéliser la réponse de la jauge en fonction de la pression, et d’adapter ce modèle à la réponse de la jauge pendant le fonctionnement afin d’extraire la pression. Cela nécessite une connaissance précise des propriétés des matériaux et des dimensions de la jauge afin de prédire sa réponse. Cela peut ne pas être possible, en particulier lorsqu’on utilise des techniques de micro-fabrication, où les variations à l’intérieur de la tranche et de tranche à tranche sont courantes.

[0006] Les jauges à conduction thermique sont un type de jauge à vide bien connu et sont disponibles dans le commerce depuis plusieurs décennies. Plus récemment, la technologie de micro-fabrication a été appliquée à la fabrication de jauges miniaturisées, et il existe plusieurs brevets divulguant la conception et la fabrication de ce type de dispositif : les brevets américains 4,682,503, 5,347,869, 5,557,972, 8,171,801 B2, 8,449,177 B2, 9,335,231.

[0007] Un grand nombre de travaux a étudié les moyens d’améliorer la conception et le fonctionnement des jauges à conduction thermique. Étant donné que ces jauges étaient traditionnellement utilisées dans des chambres à vide où la pression pouvait facilement varier, il n’y a que peu de travaux sur les procédés d’étalonnage. Le sujet le plus largement étudié est la compensation de l’effet des variations de température ambiante, par exemple les brevets américains 6,023,979, 6,474,172, 6,658,941 Bl, 7,249,516, 7,331,237 B2.

[0008] Le document US 8,504,313 propose un procédé d’étalonnage où l’étalonnage par rapport à la pression est remplacé par l’étalonnage de la température. Cependant, ce procédé nécessite toujours une exposition à la pression atmosphérique, il n’est donc pas adapté aux jauges à vide à conduction thermique micro-fabriquées encapsulées à l’intérieur de puces fermées.

[0009] Le document US 7,385,199 B2 divulgue un procédé pour utiliser un pixel de bolomètre infrarouge en tant que jauge à vide à conduction thermique. Une stratégie d’étalonnage détaillée est également décrite, mais nécessite encore une fois un étalonnage par rapport à la pression.

[0010] Le document US 8,171,801 B2 présente une jauge à thermistance micro-fabriquée et un procédé de fonctionnement, moyennant quoi la réponse en tension de la jauge est mesurée à deux températures différentes. Ce procédé est conçu pour supprimer l’effet de certains paramètres, tels que les variations de température ambiante, mais nécessite que la différence de tension entre les deux températures soit étalonnée par rapport à la pression.

[0011] Un grand nombre d’articles scientifiques ont été publiés sur le sujet des jauges à conduction thermique micro-fabriquées. Plusieurs articles présentent des jauges qui sont encapsulées à l’intérieur de puces scellées, mais les jauges sont soit étalonnées avant l’encapsulation, ou un trou est pratiqué dans le boîtier pour mesurer leur réponse en pression. Ces articles comportent :

[0012] J. Mitchell, G. R. Lahiji, et K. Najafi, An Improved Performance Poly-Si Pirani Vacuum Gauge Using Heat-Distributing Structural Supports, J. Microelectromech. Syst., Vol. 17, no. 1, pp. 93-102, février 2008.

[0013] Junseok Chae, J. M. Giachino, et K. Najafi, Fabrication and Characterization of a Wafer-Level MEMS Vacuum Package With Vertical Feedthroughs, J. Microelectromech. Syst., Vol. 17, no. 1, pp. 193-200, février. 2008.

[0014] L. Zhang, B. Jiao, S. Yun, Y. Kong, C. Ku et D.-P. Chen, A CMOS Compatible MEMS Pirani Vacuum Gauge with Monocrystal Silicon, Chinese Phys. Lett., vol. 34, no. 2, p. 25101,2017.

[0015] R. Kuljic et al., Microelectromechanical system-based vacuum gauge for measuring pressure and outgassing rates in miniaturized vacuum microelectronic devices,, J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 29, no. 2, p. 02B114, 2011.

[0016] Plusieurs articles ont publié des modèles utiles de la réponse des jauges :

[0017] F. Vôlklein, M. Grau, A. Meier, G. Hemer, L. Breuer, et P. Woias, Optimized MEMS Pirani sensor with increased pressure measurement sensitivity in the fine and high vacuum régime, J. Vac . Sci. Technol. A, vol. 31, no. 6, p. 61604, 2013.

[0018] C. H. Mastrangelo et R. S. Muller, Microfabricated thermal absolute-pressure sensor with on-chip digital front-end processor,, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 26, no. 12, pp. 1998-2007, 1991.

[0019] P. Eriksson, J. Y. Andersson, et G. Stemme, Thermal characterization of surfacemicromachined silicon nitride membranes for thermal infrared detectors,, J. Microelectromech. Syst., vol. 6, no. 1, pp 55-61, mars 1997.

[0020] En résumé, de nombreux brevets et articles ont été publiés sur le thème des jauges à conduction thermique, et des jauges micro-fabriquées en particulier. Les sujets de conception, de fabrication et de fonctionnement sont bien abordés, mais à notre connaissance aucun travail n’a été publié qui présente un procédé d’étalonnage qui ne nécessite pas d’étalonnage par rapport à la pression.

[0021] Résumé [0022] Cette divulgation fournit une manière de déterminer la pression, par exemple, à l’intérieur d’un boîtier sous vide, tel qu’une puce MEMS, sans étalonnage préalable, en utilisant un modèle et un ensemble d’une ou de plusieurs jauge(s) à vide incorporée(s) ayant des géométries distinctes. Afin de calculer la pression à partir des mesures électriques effectuées sur les jauges de pression, il existe plusieurs étapes intermédiaires et un modèle analytique décrit chacune de ces étapes. Outre les mesures électriques, d’autres entrées sont nécessaires, telles que les propriétés des matériaux et certaines dimensions, qui peuvent ne pas être connues avec précision. Plusieurs géométries de jauge différentes sont proposées qui peuvent être combinées afin de déterminer le niveau de vide (pression) sans connaître au préalable les valeurs de ces entrées.

[0023] Il est fourni un dispositif micro-fabriqué comprenant : un substrat ; et une pluralité de jauges de détection de pression sur ledit substrat. Chacune des jauges comprend : un élément de détection de température comprenant un élément résistif ou une jonction de thermocouple qui génère un signal de sortie sensible à une température de l’élément résistif ou de la jonction de thermocouple ; et une structure de support couplée pour suspendre l’élément de détection sur la plate-forme de support au-dessus et en isolation thermique du substrat. L’élément de détection a une connectivité électrique pour recevoir un signal électrique pour chauffer, directement ou indirectement, l’élément de détection à une température qui est fonction d’un niveau de pression et pour générer le signal de sortie qui dépend du niveau de pression. La structure de support pour chacune de la pluralité de jauges est configurée avec une géométrie différente de sorte que chaque jauge génère un signal de sortie différent en réponse à un même signal électrique lors de la mesure du même niveau de pression dans un même environnement du dispositif micro-fabriqué.

[0024] La structure de support peut comprendre une plate-forme de support et des pieds de support et où la géométrie différente comprend l’une parmi : la variation d’une géométrie de la plate-forme de support entre chacune des jauges tout en gardant la géométrie des pieds de support identique ; et la variation d’une géométrie des pieds de support entre chacune des jauges tout en gardant la géométrie de la plate-forme de support identique.

[0025] Le dispositif micro-fabriqué peut comprendre un composant configuré pour recevoir chaque signal de sortie différent pour définir des courbes puissance-réponse respectives et adapter un modèle aux courbes pour extraire une conductance thermique de la pluralité de jauges et associer la conductance thermique à la pression pour déterminer un signal de pression.

[0026] Lorsque les jauges comprennent des éléments résistifs, chaque signal de sortie différent comprend une mesure respective de la résistance variable totale pour une jauge respective et chaque résistance variable totale comprend des mesures d’une résistance de pied et d’une résistance d’élément résistif ; et le modèle utilise chaque signal de sortie différent pour séparer la résistance de pied et la résistance d’élément résistif et déterminer une température qui est sensible à la résistance d’élément résistif.

[0027] Pour un élément de détection de température comprenant un élément résistif qui génère un signal de sortie mesurant la résistance, le modèle peut déterminer une réponse initiale (R0) et une température (T0), à température ambiante en l’absence de chauffage de l’élément de détection, par extrapolation des courbes puissance-réponse à puissance nulle. Le modèle peut déterminer une variation de température ΔΤ par rapport à T0 conformément à l’équation :

[0028] [Math.l]

ΔΤ = _t z c.

ta i [0029] où RSE est une mesure du signal de sortie de l’élément de détection lorsqu’il est chauffé, RSE,0 est la réponse initiale de l’élément de détection à T0 et a est le coefficient thermique de résistance (TCR) d’un matériau de l’élément de détection par exemple lorsque les jauges délivrent en sortie une résistance.

[0030] Le modèle peut déterminer la conductance thermique totale en fonction d’une température de l’élément de détection et de la puissance dissipée dans chaque jauge. Le modèle peut utiliser les différents signaux de sortie pour séparer une conductance thermique de pied et une conductance thermique de gaz de la conductance thermique totale et pour déterminer le signal de pression en réponse à la conductance thermique de gaz ; où la conductance thermique de pied est une mesure de la conductance à travers une partie de pied de la structure de support supportant l’élément de détection au-dessus du substrat ; et où la conductance thermique de gaz est une mesure de la conductance à travers un gaz autour de l’élément de détection de chaque jauge. Le modèle peut extrapoler une relation entre la conductance thermique totale et une longueur de la partie de pied de la structure de support pour déterminer la conductance thermique en l’absence de la partie de pied.

[0031] Les jauges peuvent être configurées pour déterminer un niveau de vide dans un boîtier sous vide du dispositif micro-fabriqué.

[0032] Dans un autre aspect, il est fourni un dispositif de détermination de pression configuré pour : recevoir différents signaux de sortie définissant des courbes puissance-réponse respectives ; et adapter un modèle aux courbes pour extraire une conductance thermique de la pluralité de jauges et associer la conductance thermique pour déterminer un signal de pression. Les différents signaux de sortie sont reçus à partir d’une pluralité de jauges de détection de température sur un substrat d’un dispositif micro-fabriqué, où chacune des jauges comprend : un élément de détection comprenant un élément résistif ou une jonction de thermocouple qui génère un signal de sortie sensible à une température de l’élément résistif ou de la jonction de thermocouple, laquelle température est sensible à un niveau de pression ; et une structure de support couplée pour suspendre l’élément de détection sur la plate-forme de support au-dessus et en isolation thermique du substrat. La structure de support pour chacune de la pluralité de jauges est configurée avec une géométrie différente de sorte que chaque jauge génère un signal de sortie différent en réponse à un même signal électrique lors de la mesure de la même pression dans un même environnement.

[0033] Les caractéristiques du modèle pour le dispositif de détermination de pression sont telles que décrites pour le dispositif micro-fabriqué tel qu’énoncé ci-dessus.

[0034] Le dispositif de détermination de pression peut être l’un parmi a) un dispositif de traitement séparé en communication avec un dispositif micro-fabriqué comprenant le substrat et une pluralité de jauges et b) un composant du dispositif micro-fabriqué.

[0035] Dans un autre aspect, il est fourni un procédé pour un composant de traitement comprenant : l’application de mêmes signaux électriques à plusieurs jauges de pression d’un même type de jauge colocalisées dans un même dispositif micro-fabriqué, chaque jauge ayant un élément de détection et une structure de support supportant l’élément de détection, une géométrie de la structure de support variait entre l’ensemble des plusieurs jauges de sorte que chaque jauge génère un signal de sortie différent en réponse à un même niveau de pression dans un même environnement du dispositif micro-fabriqué ; la réception du signal de sortie différent de chacune des jauges pour définir des courbes puissance-réponse respectives ; l’extraction à partir des courbes d’une conductance thermique de la pluralité de jauges ; et l’association de la conductance thermique à la pression pour déterminer un signal de pression.

[0036] L’extraction dans le procédé peut comprendre : la détermination d’une mesure de réponse initiale RO à une température T0 des jauges par extrapolation des courbes puissance-réponse à puissance nulle, où T0 est une température ambiante en l’absence de puissance chauffant les jauges ; la détermination d’une mesure de réponse des jauges après un chauffage par les signaux électriques, chaque mesure de réponse comportant a) une composante de mesure de réponse provenant d’un élément résistif ou d’une jonction de thermocouple de l’élément de détection et b) une composante de mesure de réponse provenant de la structure de support ; la détermination d’une mesure de la variation de température ΔΤ par rapport à T0 et d’une mesure de la puissance dissipée dans la jauge, la séparation et la conversion de la composante de mesure de réponse provenant de l’élément résistif ou de la jonction de thermocouple pour déterminer la ΔΤ ; la détermination de la conductance thermique totale en fonction de la puissance dissipée où la conductance thermique totale comporte a) une première composante de conductance thermique sensible à la conductance à travers un composant de pieds de la structure de support de la jauge et b) une deuxième composante de conductance thermique sensible à la conductance à travers un gaz autour de la jauge ; et la détermination d’un signal de pression en réponse à la deuxième composante de conductance thermique, en utilisant les différentes résistances variables pour séparer la deuxième composante de conductance thermique de la conductance thermique totale par extrapolation de la conductance thermique totale en l’absence du composant de pieds.

[0037] Dans l’un quelconque des aspects discutés ici, le dispositif micro-fabriqué peut comprendre un composant de détection supplémentaire ayant un signal de sortie dont l’intégrité est sensible à la pression. Le signal de pression peut être fourni pour signaler, ou utilisé comme une mesure de, l’intégrité du signal de sortie de composant de détection supplémentaire. Dans l’un quelconque des aspects ici, les jauges peuvent être des jauges de type Pirani, à thermistance ou à thermocouple.

[0038] Ces aspects et d’autres, y compris les aspects de dispositif de stockage où des instructions sont stockées pour configurer l’exécution d’un procédé par un dispositif de traitement apparaîtront à l’homme du métier.

Brève description des dessins [0039] [fig. 1] est une représentation en coupe transversale des principaux éléments d’une jauge de Pirani, et des principales voies de perte de chaleur selon l’art antérieur.

[0040] [fig.2] est une illustration d’un ensemble simplifié de jauges à vide couplées à un composant de détermination de signal de pression conformément à un mode de réalisation pour mesurer la pression sans étalonnage.

[0041] [fig.3] est un organigramme d’opérations pour déterminer la pression sans étalonnage, conformément à un mode de réalisation.

[0042] [fig.4A] est une représentation graphiques de a) la résistance de jauge en fonction du courant pour une jauge de Pirani à trois pressions différentes.

[0043] [fig.4B] est une représentation graphique de b) les mêmes données tracées sous forme de logarithme de résistance en fonction de la puissance, utilisées pour trouver la résistance à T0.

[0044] [fig.5] est une vue de dessus de deux jauges à vide représentatives ayant des longueurs de pied différentes.

[0045] [fig.6A] est une représentation graphique de a) la résistance de jauge en fonction de la longueur de pied pour trois jauges ayant différentes longueurs de pied où la ligne est extrapolée pour extraire la résistance de la plate-forme de jauge.

[0046] [fig.6B] est une représentation graphique de b) la résistance de jauge en fonction de l’inverse de la longueur de pied où la ligne est extrapolée pour extraire la conductance thermique du gaz.

[0047] [fig.7] est une vue de dessus d’une jauge suspendue par quatre pieds, dont les paires ont des longueurs différentes.

[0048] La description fournie dans la présente est présentée principalement en référence aux jauges de Pirani, mais pourrait être appliquée à d’autres types de capteurs à conduction thermique qui peuvent être utiles pour déterminer la pression, tels que les jauges à thermocouple ou les jauges à thermistance. Les jauges à conduction thermique fonctionnent en mesurant la conductivité thermique dépendant de la pression d’un gaz. La jauge est chauffée, généralement par effet Joule, et la température de la jauge dépend de la quantité de chaleur perdue dans son environnement. Les principales sources de perte de chaleur sont la conduction solide depuis la jauge vers la structure la supportant, le rayonnement et la conduction gazeuse. Les deux premières voies de perte de chaleur restent constantes avec la pression, mais la conductivité thermique d’un gaz dépend de sa pression, tant que le trajet libre moyen des espèces gazeuses est supérieur à la dimension typique du système. Par conséquent, la température de la jauge est associée au niveau de pression (vide). Dans une jauge de Pirani, la température est déterminée en mesurant la résistance de l’élément chauffant lui-même.

Dans une jauge à thermistance, il y a une thermistance séparée qui est utilisée pour mesurer la température de la jauge, et dans une jauge à thermocouple, une jonction de thermocouple est utilisée pour mesurer la température, par exemple au moyen d’un signal de sortie de tension variable.

[0049] D’autres informations concernant les capteurs de vide (jauges) et leur fabrication et utilisation dans des boîtiers sous vide sont discutées dans le document US 7,385,199 B2, publié le 10 juin 2008 et intitulé Microbolometer IR Focal Plane Array (FPA) with In-situ Mirco Vacuum Sensor and Method of Fabrication, qui est incorporé ici par référence.

[0050] Une utilisation de jauges à vide micro-fabriquées consiste à les intégrer à des dispositifs devant être encapsulés sous vide, tels que des bolomètres ou des MEMS résonnants, et à les utiliser pour surveiller l’herméticité du boîtier. Cela est particulièrement utile pour des dispositifs encapsulés sur tranche, où l’herméticité est un défi majeur. Comme la pression est fixée pendant l’encapsulation sous vide, un étalonnage non destructif ultérieur par rapport à la pression est impossible, des approches alternatives doivent donc être trouvées. La similitude entre les jauges à vide de Pirani micro-fabriquées et les micro-bolomètres est bien connue, ce qui rend les premières particulièrement appropriées pour la surveillance d’herméticité dans des puces de bolomètre. Les jauges de Pirani pour cette application peuvent être développées en utilisant de l’oxyde de vanadium (VOx) comme matériau de détection, qui est le matériau de détection le plus couramment utilisé dans les bolomètres, en raison de son coefficient thermique de résistance (TCR) élevé.

[0051] Afin de faciliter l’utilisation des jauges de Pirani pour la surveillance de l’herméticité, il est proposé un procédé de fonctionnement qui ne nécessite pas d’étalonnage par rapport à la pression. Cette approche repose sur un modèle de la jauge et l’utilisation de stratégies pour déterminer les valeurs des entrées inconnues, y compris la combinaison de mesures sur plusieurs jauges ayant des géométries différentes.

[0052] Modélisation des Jauges de Pirani [0053] Une jauge de Pirani 100 est illustrée dans la Ligure 1 pour le contexte. La jauge 100 peut comprendre un élément résistif VOx 102 (élément de détection) déposé sur une membrane diélectrique 104, et suspendu au-dessus d’un substrat 106 par des pieds 108 et 110, qui agissent également comme des connexions électriques. Un signal électrique (courant ou tension) passe à travers la jauge 100, provoquant un auto-échauffement de l’élément résistif 102, qui perd de la chaleur dans son environnement par l’intermédiaire de différentes voies de perte de chaleur telles que le rayonnement, la conduction à travers un gaz et la conduction à travers les pieds, et la résistance électrique de la jauge varie avec sa température.

[0054] La Figure 2 est une illustration d’un dispositif micro-fabriqué simplifié 200 (par exemple une partie du dispositif à boîtier sous vide) comprenant une pluralité de jauges à vide 202, 204 et 206 couplées à un composant de détermination de signal de pression 208 conformément à un mode de réalisation pour mesurer la pression sans étalonnage. Les jauges à vide 202, 204 et 206 peuvent être configurées avec des ROIC (circuits intégrés de lecture) respectifs comme représenté et/ou des broches de sortie ou d’autres couplages pour fournir des mesures pour le traitement. Le composant 208 incorpore une fonctionnalité qui modélise les jauges, ce qui permet de déterminer des valeurs d’entrées inconnues comportant la combinaison de mesures provenant des plusieurs jauges ayant chacune des géométries différentes pour déterminer un signal de pression 212. Le composant 208 peut être configuré de façon intégrée (c’est-à-dire conjointement avec les jauges d’une microplaquette/puce MEMS) en tant que circuit(s) (par exemple ROIC) ou peut être un dispositif séparé (composant de traitement) couplé pour recevoir les sorties de mesure des jauges 202, 204 et 206. Le composant 208 peut être un ordinateur ayant un ou plusieurs microprocesseur(s) tel qu’un ordinateur portable, un poste de travail ou un dispositif dédié pour une pièce d’équipement, etc., capable de recevoir les mesures provenant des jauges 202, 204 et 206 et de déterminer la pression telle que décrite ici. Le composant 208 peut être un réseau prédiffusé programmable par l’utilisateur (FPGA), un circuit intégré à application spécifique (ASIC) ou un autre composant matériel capable de recevoir les mesures provenant des jauges 202, 204 et 206 et de déterminer la pression comme décrit ici. Le composant 208 peut être configuré en utilisant un logiciel (instructions) stocké dans un dispositif de stockage (non représenté) tel qu’une mémoire pour configurer l’exécution/le fonctionnement du composant 208. Le composant 208 peut également être configuré pour appliquer ou invoquer l’application des signaux électriques aux jauges 202, 204 et 206 et/ou pour afficher ou autrement fournir (par exemple communiquer à un autre dispositif) ou utiliser le signal de pression.

[0055] La jauge à vide 202 est représentée de manière plus détaillée où le ROIC de jauge à vide fournit un signal électrique (par exemple un signal de courant 210 ou un signal de tension 214) qui chauffe l’élément résistif (non représenté) dans un composant de jauge 216 à une température qui est fonction du niveau de vide (pression) et détecte une variation de la tension 214 (ou du courant 210 si un signal de tension est utilisé) aux bornes du capteur. Le composant de jauge 216 est similaire à celui représenté dans la Figure 1 en ce qu’il comprend un élément résistif (par exemple un élément de détection par exemple VOx mais d’autres peuvent être utilisés tels que le Silicium Amorphe (a-Si)) déposé sur une plate-forme de matériau de membrane diélectrique (SiO2 et SiN sont des matériaux typiques), et suspendu au-dessus d’un substrat par des pieds de support. Les pieds agissent également comme des connexions électriques.

Une amplitude de la variation de tension (ou de résistance) est utile pour mesurer le niveau de vide comme décrit plus en détail.

[0056] Les ROIC de jauge à vide 204 et 206 comprennent des composants de jauge 218 et 220 avec des éléments résistifs respectifs (non représentés) et il est entendu que, pour simplifier l’illustration, les aspects de courant et de tension ne sont pas représentés pour les ROIC de jauge à vide 204 et 206 mais sont présents de manière similaire comme montré pour le ROIC de jauge à vide 202. Conformément aux aspects sans étalonnage, des sorties provenant de chacun des ROIC de jauge 202, 204 et 206 sont utilisées pour déterminer le signal de pression 212. Les composants 216, 218 et 220 des trois jauges diffèrent en configuration (géométrie) comme décrit plus loin, par exemple, en ayant des longueurs de pied différentes, de manière à donner différentes sorties de résistance variable lors de la mesure de la même pression dans un même environnement, par exemple dans un boîtier sous vide d’un dispositif. Il est entendu que les jauges dans cet exemple sont des jauges à vide de type Pirani.

[0057] Les jauges de Pirani peuvent être exploitées en mesurant les courbes I-V. Ensuite, plusieurs opérations sont effectuées pour transformer cette mesure électrique en une valeur de pression sans étalonnage. La Ligure 3 est un organigramme d’opérations 300 conformément à un mode de réalisation. La première étape en 302 implique le calcul de la résistance R à partir des données de courant I et de tension V. La résistance en fonction du courant ou de la tension ne sera pas constante, en raison de l’auto-échauffement de la jauge.

[0058] Détermination de la Résistance à T0 [0059] À l’étape 304, le présent procédé détermine la valeur de R0, la résistance à température ambiante T0, qui se produit en l’absence d’auto-échauffement. Le moyen le plus simple d’obtenir R0 est simplement de réduire le courant ou la tension de polarisation jusqu’à ce que l’auto-échauffement devienne négligeable. Cependant, dans certains cas, spécialement sous vide poussé lorsque la conductance thermique de la jauge est faible, cela peut nécessiter de très faibles courants ou tensions que l’instrument de mesure est incapable de fournir. Une approche alternative peut être adoptée comme suit. Les jauges de Pirani proposées (par exemple 202, 204 et 206) utilisent de l’Oxyde de Vanadium (VOx) comme matériau de détection, et sa résistance, RVOx, peut être décrite par l’équation suivante :

[0060] [Math.2]

Aï* = Awv—>

(1) [0061] où AR est un préfacteur exponentiel, Ea est l’énergie d’activation, kB la constante de

Boltzmann et T la température. Cette équation peut être réorganisée comme suit : [0062] [Math.3] =^: Xs zy L- -yw ² [0063] [Math.4]

Γ·?

(2) [0064] où a est le coefficient thermique de résistance (TCR) de VOx. Cette expression peut être réorganisée encore pour être exprimée en fonction de ΔΤ = T - T0 :

[0065] [Math.5] _ _ , ιζΔΖΧ...

•Aæs = s --zx* <· (3) [0066] L’élévation de température peut être associée à la conductance thermique totale de la jauge, Gth, et à la chaleur dissipée dans la jauge, Ph, par AT=Ph/Gth. En combinant cela avec (3) et en traçant la résistance en fonction de la puissance, nous avons :

[0067] [Math.6]

Λ a— = fog(J?_ÏSïe) + —-^pθΔ (4) [0068] Lorsque ΔΤ « T0, cela peut être déterminé approximativement par :

(5) [0070] En d’autres termes, lorsque la puissance dissipée et l’auto-échauffement sont faibles, le logarithme de la résistance en fonction de la puissance est linéaire, et l’ordonnée à l’origine pour la puissance nulle donne log(RVOx,0).

[0071] Si la résistance mesurée comporte des résistances de contact et de conducteur non négligeables, Rconst, alors, en supposant qu’elles ont un petit TCR par rapport à celui de VOx, la résistance totale est RTot = Rconst + RVOx. Après quelques calculs supplémentaires, nous pouvons encore montrer que le logarithme de la résistance totale est une fonction linéaire de la puissance lorsque ΔΤ est petite :

(6) [0073] Pour illustrer ce qui précède, les Ligure 4A et Ligure 4B sont des représentations graphiques de a) la résistance de la jauge en fonction du courant pour une jauge de

Pirani à trois pressions différentes et b) les mêmes données tracées sous forme d’un logarithme de la résistance en fonction de la puissance, utilisées pour trouver la résistance à TO.

[0074] Les équations ci-dessus s’appliquent aux matériaux semi-conducteurs tels que VOx. Cependant, si le matériau de détection est métallique, alors la résistance varie linéairement avec la température, et l’extrapolation pour obtenir RO dans ce cas est inutile.

[0075] Séparation des Résistances de Capteur et de Pied [0076] À l’étape 306, les opérations séparent les résistances de capteur et de pied. Comme indiqué ci-dessus, les jauges de Pirani micro-fabriquées sont généralement conçues sous la forme d’une membrane supportant l’élément de détection, et la membrane est suspendue par deux pieds. La limite de mesure inférieure de la jauge peut être étendue en réduisant autant que possible la conductance thermique des pieds, c’est-à-dire en les rendant longs, étroits et minces. Cela amènera également le pied à avoir une plus grande résistance électrique, qui peut ne pas être négligeable par rapport à celle du capteur réel sur la plate-forme suspendue. Cependant, la valeur de la résistance du capteur doit être extraite de la résistance totale mesurée afin de calculer la pression.

[0077] Pour aider à la détermination de la résistance du capteur, plusieurs jauges différentes ayant des plates-formes identiques mais des longueurs de pied différentes peuvent être utilisées. D’autres géométries et options de jauge sont discutées ci-dessous. La Figure 5 montre un exemple (c’est-à-dire une image microscopique optique) de deux jauges représentatives 502 et 504, qui ont été fabriquées avec des longueurs de pied différentes. Les jauges 502 et 504 ont été réalisées en utilisant un procédé de fabrication industriel sur des tranches de 200 mm. Les pieds 506A et 506B ont la même grande longueur et les pieds 508A et 508B ont la même longueur courte par rapport à l’autre paire de pieds. Les pieds 508A et 508B supportent une plate-forme VOx 510 ayant un élément de détection tandis que les autres pieds 506A et 506B supportent une plateforme VOx et un élément de détection respectif de l’autre jauge 502. La Figure 5 montre également des montants pour les jauges 502 et 504 tels que le montant 512.

[0078] Un graphique de la résistance totale en fonction de la longueur de pied sera linéaire, et l’ordonnée à l’origine pour la longueur nulle donnera la résistance de l’élément de détection sur la plate-forme. La combinaison de plusieurs jauges (par exemple trois) dans un boîtier de cette manière signifie que la résistance électrique et la géométrie des pieds n’ont pas besoin d’être connues avec précision pour mesurer la pression. Ce procédé est illustré graphiquement dans la Figure 6A. La Figure 6A est une représentation graphique de la résistance de jauge mesurée en fonction de la longueur de pied pour trois jauges ayant des longueurs de pied différentes où la ligne est extrapolée pour extraire la résistance de la plate-forme de jauge. Les longueurs de pied peuvent [0079] [0080] [0079] [0080] [0081] [0082] [0083] [0084] [0081] [0082] [0083] [0084] [0085] [0086] [0085] [0086] être connues à partir des spécifications de conception et utilisées pour tracer le graphique. Bien que trois jauges soient utilisées, il est entendu que seulement deux peuvent être utilisées, cependant les résultats peuvent ne pas être aussi précis, et plus de trois peuvent être utilisées, ce qui peut améliorer la précision.

Calcul de la Température du Capteur

À l’étape 308 les opérations convertissent la résistance de la plate-forme (capteur) en une mesure de température. Si le matériau de détection est un semi-conducteur tel que VOx, alors elle peut être obtenue en réorganisant l’équation (3), comme suit : [Math.9]

Si la résistance du matériau de détection varie linéairement avec la température, alors l’élévation de température peut être calculée en utilisant :

[Math. 10]

Les deux équations (7) et (8) nécessitent la connaissance du TCR du matériau de détection. Cette valeur doit être déterminée, mais contrairement à l’étalonnage par rapport à la pression, cela peut être réalisé de manière non destructive après l’encapsulation sous vide. Il est entendu que, pour des éléments de détection de température (c’est-à-dire des jauges) qui délivrent en sortie une tension (un signal autre que la résistance), un autre coefficient de propriété de matériau associant la température au signal (par exemple la température à la tension) est nécessaire.

Calcul de la Puissance Dissipée et de la Conductance Thermique

En revenant à la Figure 3, à l’étape 310, la puissance dissipée dans la jauge est calculée. À l’étape 312, la température (ΔΤ) en fonction de la puissance dissipée est tracée (par exemple évaluée). À l’étape 314, la conductance thermique totale est déterminée. La puissance dissipée dans la plate-forme de détection de la jauge est donnée par Ph = RV0xI2. Comme mentionné ici, l’élévation de température de la plate-forme est associée à la puissance dissipée par AT=Ph/Gth, où Gth est la conductance thermique totale de la jauge. La perte de chaleur par rayonnement est généralement négligée, donc les composantes principales de Gth sont la conductance thermique du gaz environnant, Ggas, et la conductance thermique des pieds supportant la plate14 [0087] [0087] forme, Glegs. Dans la littérature, la conductance thermique des pieds est simplement décrite comme, Glegs = k(s/l) où k est la conductivité thermique du matériau de pied, s la section des pieds (par exemple largeur par épaisseur), et 1 la longueur de pied. Cependant, la chaleur est également générée dans les pieds, et lorsque leur résistance est trop grande pour être négligée, alors l’effet de la chaleur dissipée dans les pieds doit également être inclus. En résolvant l’équation de chaleur décrivant la conduction le long du pied et la génération de chaleur dans le pied, on peut montrer que :

[Math. 11] [0088] [0088] [0089] [0089]

où Pleg est la puissance dissipée dans les pieds, et Pcond est le flux de chaleur provenant de la plate-forme de détection entrant dans les pieds. Le bilan de puissance du système montre que Ph = Pcond + Pgas et ce dernier terme est donné par Pgas = ATGgas. En substituant l’équation (9), on obtient la relation suivante :

[Math. 12] [0090] [0090] [0091] [0092] [0091] [0092]

La relation précédente montre qu’il existe une relation linéaire entre l’élévation de température de la plate-forme de détection et Ph+(Plegs/2). La pente de cette ligne donne la conductance thermique totale de la jauge à vide. La pente est l’inverse de la conductance thermique totale. La conductance thermique totale contient à la fois la conductance thermique du gaz environnant, qui dépend de la pression, et également la conductance thermique des pieds supportant la plate-forme, qui est constante.

Séparation des Conductances Thermiques de Gaz et de Pied

À l’étape 316 les opérations séparent les conductances thermiques de gaz et de pied de la conductance thermique totale. La pression est associée à la conductance thermique du gaz, qui est extraite de la conductance thermique totale. Cela pourrait être réalisé en calculant et en soustrayant la conductance thermique de pied. Mais la connaissance de la conductivité thermique des matériaux dans les pieds est nécessaire, ce qui peut ne pas être bien caractérisé. Une approche similaire à celle utilisée pour séparer la résistance de capteur de la résistance totale peut être utilisée. Sur un graphique de la conductance thermique en fonction de l’inverse de la longueur de pied, l’intersection avec l’axe des ordonnées (c’est-à-dire pour un pied infiniment long ayant une conductance thermique nulle) donnera la conductance thermique du gaz comme représenté dans la Ligure 6B. Par conséquent, l’extrapolation à x = 0 donne la valeur de Ggas. La Ligure 6B illustre graphiquement la résistance de la jauge en fonction de l’inverse de la longueur de pied où la ligne est extrapolée pour extraire la conductance thermique du gaz. Comme pour la séparation des valeurs de résistance électrique pour la plate-forme et les pieds, l’utilisation de ce procédé signifie qu’il n’est pas nécessaire d’avoir des valeurs précises de la conductivité thermique des matériaux dans les pieds ou de leur géométrie.

[0093] Détermination de la Pression du Gaz [0094] À l’étape 318, les opérations déterminent la pression du gaz en relation avec la conductance thermique du gaz. Il existe plusieurs modèles connus dans la littérature (référencés ci-dessus) qui peuvent être utilisés pour associer la conductance thermique d’un gaz à sa pression, ou en variante cela peut être étalonné de manière fiable sur un petit nombre de puces, étant donné que les géométries impliquées sont généralement grandes et moins sensibles aux variations du procédé, et que la conductance gazeuse ne dépend que très faiblement des propriétés du matériau.

[0095] Autres Configurations de Capteur [0096] D’autres conceptions de jauge pourraient également être utilisées pour mettre en œuvre ce procédé. Par exemple, un aspect de la structure de support (par exemple la taille de la plate-forme ou la taille des pieds) peut varier entre chacune des plusieurs jauges de sorte que chacune ait une géométrie différente. Pour des raisons pratiques, il est plus facile de faire varier un aspect commun (partagé) (par exemple le même aspect entre tous les capteurs, en particulier lorsque les jauges sont du même type). C’est-à-dire, lorsqu’on sépare les résistances de pied et de plate-forme de la résistance totale, au lieu d’utiliser une superficie de plate-forme constante avec différentes longueurs de pied, on peut utiliser un ensemble de jauges ayant des longueurs de pied constantes et des superficies de plate-forme différentes. Des opérations spécifiques discutées concernant les longueurs de pied variables peuvent être adaptées pour des superficies de plate-forme variables. Pour une géométrie de plate-forme constante, la résistance totale en fonction de la longueur de pied est tracée, comme indiqué ci-dessus. Pour une longueur de pied constante et une géométrie de plate-forme variable, la résistance totale en fonction du nombre de carrés (rapport longueur-largeur) peut être tracée. L’intersection de cette ligne avec l’axe des ordonnées donne la résistance de pied (en supposant de petites résistances de contact).

[0097] Bien qu’il puisse être pratique et plus simple de concevoir, de fabriquer et d’utiliser des jauges d’un même type (par exemple une pluralité de jauges de Pirani), un mélange de types de jauge peut être utilisé. Pour séparer les résistances de pied et de plateforme, un mélange de jauges de Pirani et de jauges à thermistance peut être utilisé. Pour séparer les conductances thermiques de pied et de gaz, un mélange de jauges de Pirani, de jauges à thermistance et de jauges à thermocouple peut être utilisé.

[0098] Une autre conception possible est représentée dans la Figure 7 où une jauge 700 est suspendue par quatre pieds 702, 704, 706 et 708, qui peut être utilisée pour effectuer des mesures à 4 fils de la jauge 700 et ainsi mesurer directement la résistance de plateforme. Deux des pieds 702 et 706 ont la même longueur courte et deux 704 et 708 ont la même grande longueur.

[0099] Bien que les exemples ici mentionnent principalement les jauges de Pirani et des éléments résistifs VOx, d’autres types de jauges tels que des thermistances ayant un élément chauffant et un élément résistif ou un thermocouple ayant une jonction de thermocouple peuvent être utilisés. Le chauffage de l’élément résistif dans une thermistance est indirect, par l’intermédiaire de l’élément chauffant, alors qu’il est direct dans une jauge de Pirani. Généralement, ces jauges définissent ou comprennent un élément de détection de température ayant un élément résistif ou une jonction de thermocouple qui change sa sortie (par exemple résistance ou tension respectivement) en réponse à une variation de température de l’élément résistif ou de la jonction de thermocouple. Il y a une structure de support couplée pour suspendre l’élément de détection sur la plate-forme de support au-dessus et en isolation thermique du substrat. L’élément de détection de température a une connectivité électrique (souvent à travers des (une paire de) pieds de la structure de support) pour recevoir un signal électrique qui chauffe, directement ou indirectement, l’élément résistif ou la jonction de thermocouple à une température qui est fonction d’un niveau de pression et pour délivrer en sortie un signal variable (par exemple résistance ou tension) qui est sensible au niveau de pression.

[0100] En résumé, dans un boîtier sous vide, chacun des trois ROIC (ou circuits de lecture externes) de capteur de vide fournira périodiquement un courant I et mesurera la tension aux bornes du capteur respectif pour établir différentes mesures de résistance variable à fournir au composant de circuit. D’autres jauges peuvent délivrer en sortie une tension variable ou un autre signal de sortie de réponse. Le composant de circuit reçoit les différents signaux de sortie de chacune des jauges pour définir des courbes puissance-réponse respectives et adapte un modèle aux courbes pour extraire une conductance thermique de la pluralité de jauges et associe la conductance thermique à la pression pour déterminer un signal de pression.

[0101] Le composant de circuit calcule une mesure de réponse initiale (par exemple la résistance) R0 à la température T0 en l’absence d’auto-échauffement (absence de puissance) en extrapolant une relation linéaire avec la puissance (dans les courbes puissance-réponse) pour déterminer R0 à puissance nulle. Pour des capteurs délivrant en sortie un signal mesurant la résistance, ce signal comprend une composante pour l’élément résistif et une composante pour les pieds respectifs de la structure de support. Les opérations séparent la résistance pour le capteur (élément résistif), qui dans l’exemple est la même pour chaque jauge, en utilisant les mesures de résistance totale provenant des trois jauges en fonction des longueurs de pied respectives. Une ligne peut être tracée (par exemple des mesures ou des calculs à partir de celles-ci évaluées/évalués de sorte que la pente et l’ordonnée à l’origine soient déterminées) et la résistance de plate-forme est extrapolée en appliquant une longueur de pied nulle à l’équation linéaire. Cette résistance de plate-forme est convertie en température en utilisant la connaissance de TCR et une équation appropriée.

[0102] Pour chaque type de jauge/capteur, la conductance thermique et la pression sont ensuite déterminées. Par exemple, la dissipation de puissance dans la jauge est calculée. La température en fonction de la dissipation de puissance est tracée (en utilisant une relation linéaire) et la conductance thermique totale est déterminée en utilisant la pente (l’inverse) de cette relation. Comme cette conductance thermique totale comporte des composantes de conductance thermique de pied et de conductance thermique de gaz, la composante de conductance thermique de gaz est déterminée en séparant la composante de la conductance thermique de pied. La séparation de la composante de conductance thermique de gaz peut être déterminée en traçant une ligne pour la conductance thermique totale en tant que l’inverse de la longueur de pied pour les trois capteurs. Encore une fois, l’extrapolation de cette ligne à une longueur de pied nulle donne la conductance thermique de gaz. La pression peut être calculée en convertissant la valeur de la conductance thermique de gaz, par exemple en utilisant un modèle approprié ou par un étalonnage non destructif.

[0103] Si le circuit de lecture du composant 208 est intégré dans le boîtier (par exemple dans la Figure 2), aucune broche d’entrée n’est nécessaire pour mesurer le niveau de vide. Si le circuit de lecture est externe ou si le composant est lui-même externe comme un composant de traitement, des broches sont donc nécessaires pour appliquer le courant de signal d’entrée. Le niveau de vide peut être lu (ou fourni autrement) comme étant la valeur réelle mesurée par le composant 208. En variante, (ou en plus) le composant 208 peut être configuré pour déterminer si le niveau de vide est dans la tolérance d’un niveau spécifié et délivrer en sortie un signal de pression binaire 0/1 indiquant si le dispositif à boîtier sous vide fonctionne ou non. Dans la plupart des applications, le niveau de vide est surveillé pour déterminer simplement si le niveau de vide est toujours bon et, sinon, pour mettre le dispositif hors ligne. Il est possible, soit sur microplaquette ou hors microplaquette, d’utiliser le niveau de vide mesuré pour réétalonner le dispositif afin qu’il puisse produire des informations utilisables même dans un vide dégradé. Cela n’est probablement faisable que pour une dégradation relativement faible et même ainsi, une telle dégradation réduira le SNR du dispositif.

[0104] Les jauges ne doivent pas être dans un boîtier sous vide pour l’efficacité opérationnelle. La pression d’un environnement général (par exemple, à l’atmosphère ou à une atmosphère qui n’est pas destinée à être un vide) peut être mesurée en utilisant les techniques et les enseignements décrits ici. Dans un environnement général, on comprendra que l’existence de dissipateurs thermiques autour de la jauge est prise en considération. Dans le cas d’un boîtier sous vide, ce sont le substrat et le bouchon. Pour une utilisation à l’extérieur d’un boîtier sous vide, un bouchon au-dessus de la jauge peut être nécessaire, mais avec des ouvertures pour permettre à la jauge d’être exposée à la pression qu’elle doit mesurer. La plage de pression dans laquelle la jauge est sensible dépend de la géométrie de la jauge, et plus la dimension critique de la jauge est petite, plus la limite de mesure supérieure est élevée. Par exemple, des mesures à la pression atmosphérique peuvent nécessiter un espace entre la membrane et le substrat de l’ordre de dizaines de nanomètres.

[0105] Une utilisation dans un boîtier sous vide est souhaitable car l’étalonnage n’est pas possible dans ce cas. Mais les enseignements et techniques divulgués ici pourraient être utilisés en dehors d’un boîtier sous vide. Dans un tel cas, le temps et les ressources pour l’étalonnage peuvent être sauvegardés.

[0106] Bien que plusieurs modes de réalisation illustratifs de l’invention aient été montrés et décrits, de nombreuses variations et autres modes de réalisation apparaîtront à l’homme du métier. De tels variations et autres modes de réalisation sont envisagés, et peuvent être réalisés sans s’écarter de l’esprit et de l’étendue de l’invention telle que définie dans les revendications annexées.

Claims (1)

1. Procédé pour un composant de traitement comprenant : l’application des mêmes signaux électriques à plusieurs jauges de pression d’un même type de jauge colocalisées dans un même dispositif micro-fabriqué, chaque jauge ayant un élément de détection et une structure de support supportant l’élément de détection, une géométrie de la structure de support variait entre l’ensemble des plusieurs jauges de sorte que chaque jauge génère un signal de sortie différent en réponse à un même niveau de pression dans un même environnement du dispositif micro-fabriqué ;

   la réception du signal de sortie différent de chacune des jauges pour définir des courbes puissance-réponse respectives ;

   l’extraction à partir des courbes d’une conductance thermique de la pluralité de jauges ; et l’association de la conductance thermique à la pression pour déterminer un signal de pression.

   Procédé de la revendication 1, dans lequel l’extraction comprend : la détermination d’une mesure de réponse initiale R ₀ à une température T ₀ des jauges par extrapolation des courbes puissance-réponse à puissance nulle, où T₀ est une température ambiante en l’absence de puissance chauffant les jauges :

   la détermination d’une mesure de réponse des jauges après chauffage par les signaux électriques, chaque mesure de réponse comportant a) une composante de mesure de réponse provenant d’un élément résistif ou d’une jonction de thermocouple de l’élément de détection et b) une composante de mesure de réponse provenant de la structure de support ; la détermination d’une mesure de la variation de température ΔΤpar rapport à T ₀ et d’une mesure de la puissance dissipée dans la jauge, la séparation et la conversion de la composante de mesure de réponse provenant de l’élément résistif ou de la jonction de thermocouple pour déterminer la AT ;

   la détermination de la conductance thermique totale en fonction de la puissance dissipée où la conductance thermique totale comporte a) une première composante de conductance thermique sensible à la conductance à travers un composant de pieds de la structure de support de la jauge et b) une deuxième composante de conductance thermique sensible à la conductance à travers un gaz autour de la jauge ; et la détermination d’un signal de pression en réponse à la deuxième composante de conductance thermique, en utilisant les différentes résistances variables pour séparer la deuxième composante de conductance thermique de la conductance thermique totale par extrapolation de la conductance thermique totale en l’absence du composant de pieds.