JP6804439B2 - 迅速応答センサ筐体 - Google Patents

Description

本開示は、温度センサに関し、より詳細には、小型温度センサおよびそのパッケージングに関する。

この項目中の陳述は、単に本開示に関係する背景情報を提供するものであり、先行技術を構成するものではない。

温度センサは、様々な用途で使用されており、半導体処理のような高精度で速い応答時間が要求される環境でしばしば利用される。さらに、これら温度センサは、特定の用途へのそれらの熱的影響を低減するために、比較的小型のパッケージで提供されなければならない。いくつかの温度センサは、通常、直径が０．１０インチ未満で長さが０．２５インチ未満のオーダーの、製造公差が非常に厳しい非常に小さいパッケージで提供される。これらの小型温度センサは、その製造が難しい場合が多く、保護カバーおよび他の材料によって損傷から保護されなければならず、このことはセンサの応答時間および精度を低下させる傾向にある。

一つの形態では、センサ・アセンブリには、近位端部分および遠位端部分を有する一体型本体を備える筐体が設けられる。前記遠位端部分は、内部空洞を画定（ｄｅｆｉｎｅ）し、前記近位端部分は、前記内部空洞内に延びて開口している複数の内部通路を画定する。薄膜抵抗温度デバイス（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｖｉｃｅ）（ＲＴＤ）は、前記内部空洞内に配置され、前記薄膜ＲＴＤは、前記複数の内部通路の少なくとも一部（ｓｕｂｓｅｔ）を通って前記薄膜ＲＴＤから延びる一対のリードワイヤを有している。

別の形態では、近位端部分および遠位端部分を有する一体型本体を備える筐体を具備するセンサ・アセンブリが提供される。前記遠位端部分は、開口しており、外部環境に露出される内部空洞を画定し、前記近位端部分は、前記内部空洞内に延びて開口している複数の内部通路を画定し、前記複数の内部通路は、中間壁によって分けられている。薄膜抵抗温度デバイス（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｖｉｃｅ）（ＲＴＤ）、または他のマイクロ・センサは、前記内部空洞内に配置され、前記薄膜ＲＴＤは、前記複数の内部通路を通って前記薄膜ＲＴＤから延びる複数のリードワイヤを有し、前記薄膜ＲＴＤは、前記内部空洞の少なくとも一つの壁に接触する。前記薄膜ＲＴＤおよび前記リードワイヤは、前記薄膜ＲＴＤ基板および前記筐体の熱膨張率係数と一致する熱膨張率係数を有する熱接着剤（ｔｈｅｒｍａｌ ａｄｈｅｓｉｖｅ）によって前記筐体内に固定される。

また別の形態では、薄膜抵抗温度デバイス（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｖｉｃｅ）（ＲＴＤ）または他のマイクロ・センサを位置決めするために使用される筐体が提供される。前記筐体は、近位端部分および遠位端部分を有する一体型本体を具備し、前記遠位端部分は、開口しており、内部空洞を画定し、前記近位端部分は、前記内部空洞内に延びて開口する複数の内部通路を画定する。前記内部空洞は、前記内部空洞を前記複数の内部通路から分ける内壁および前記薄膜ＲＴＤの接触表面に幾何学的に一致する少なくとも一つの表面を画定し、前記薄膜ＲＴＤは、前記筐体内の適切な位置決めのために前記内壁に当接（ａｂｕｔ）する。

また別の形態では、近位端部分と遠位端部分とを有する本体を備えた筐体を具備するセンサ・アセンブリが提供される。前記遠位端部分は、内部空洞を画定し、前記近位端部分は、前記内部空洞内に延びて開口している複数の内部通路を画定する。マイクロ・センサは、前記内部空洞内に配置され、前記マイクロ・センサは、前記複数の内部通路の少なくとも一部を通ってマイクロ・センサから延びる一対のリードワイヤを有する。

さらに、マイクロ・センサを位置決めするために使用される別の筐体が提供される。前記筐体は、近位端部分と遠位端部分とを有する一体型本体を具備し、前記遠位端部分は、開口しており、内部空洞を画定し、前記近位端部分は、前記内部空洞内に延びて開口している複数の内部通路を画定する。前記内部空洞は、前記マイクロ・センサの接触表面と幾何学的に一致する少なくとも一つの表面と、前記内部通路から前記内部空洞を分ける内壁とを画定する。前記マイクロ・センサは、前記筐体内の適切な位置決めのために前記内壁に当接する。

適用可能なさらなる範囲は、ここに提供される記述から明白になるであろう。記述および特定の例は、例証のみの目的のために意図されており、本開示の範囲を限定することを意図しないことが理解されるべきである。

本開示がよく理解されるようにするために、添付の図面を参照して、例を挙げて、様々な形態をいま説明しよう。
図１は、本開示の教示に従って構成され、半導体処理環境内に配置されるセンサ・アセンブリの一つの形態の断面図である。 図２は、本開示の教示に従って構成されるセンサ・アセンブリの一つの形態の斜視図である。 図３は、図２の３−３線に沿った、図２のセンサ・アセンブリの断面図である。 図４Ａは、本開示の教示にしたがって構成されるセンサ・アセンブリの筐体の遠位端斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａの筐体の近位端斜視図である。 図５は、図４Ａの筐体の遠位端部分からの側面図である。 図６Ａは、本開示の教示に従って構成される筐体およびセンサ・アセンブリの別の形態の斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａの筐体の斜視図である。 図７は、本開示の教示に従って構成され、そこに配置されるマイクロ・センサを備えた筐体の別の形態の遠位端図である。

ここに記述された図面は例証の目的だけのものであり、いかなる方法でも本開示の範囲を限定するようには意図されていない。

以下の記述は事実上単なる例示であり、本開示、応用、または使用を限定することを意図するものではない。図面を通して、対応する参照数字は、同様の又は対応する部分および特徴を示すことが理解されるべきである。

図１を参照すると、本開示に係るセンサ・アセンブリが例証され、参照数字２０によって概略的に示され、チャック（ｃｈｕｃｋ）・アセンブリ１０を有する例示的な半導体アプリケーション内に配置される。一つの形態において、センサ・アセンブリ２０は、一例としては基板１４のようなターゲットの温度を検知するために、チャック・アセンブリ１０の様々な部材を貫通するビア１２内に配置される。

今、図２および図３を参照すると、センサ・アセンブリ２０は、一つの形態においては一体型本体つまり一体部材（ｏｎｅ−ｐｉｅｃｅ ｍｅｍｂｅｒ）である筐体２２を一般に具備する（しかしながら、筐体２２は、本開示の範囲内に留まりながら、複数のピースまたは複数の部分で提供され得ることが理解されるべきである）。筐体２２は、近位端部分２４および遠位端部分２６を画定し、遠位端部２６は、一つの形態では、示されるように外部環境に開口または露出される。遠位端部２６は、外部環境に露出される内部空洞２８を画定する。近位端部２４は、内部空洞２８内に延びて開口している複数の内部通路３０を画定する。さらに示されるように、複数の内部通路３０は中間壁３２によって分けられている。２つの内部通路３０だけが示されているが、３−ワイヤまたは４−ワイヤＲＴＤを収容する三つ（３）および四つ（４）通路を含む、任意の数の通路が、本開示の範囲内に留まりながら、利用され得ることが理解されるべきできである。

この形態では薄膜抵抗温度デバイス(ＲＴＤ)４０であるマイクロ・センサは、内部空洞２８内に配置される。薄膜ＲＴＤ４０は、示されるように方向付けられ、先端感度の増大のために外部環環境に露出される。薄膜ＲＴＤ４０は、複数の内部通路３０を通って薄膜ＲＴＤ４０から延びる複数のリードワイヤ４２を含み、薄膜ＲＴＤ４０は、内部空洞２８の少なくとも一つの壁４２と接触している。一つの形態では、薄膜ＲＴＤ４０から延びるリードワイヤ４２それぞれはより小さな直径であり、示されるようにそれらが内部通路３０を通って延びるにつれてより大きな直径に遷移する。一つの形態では、リードワイヤ４２は、０．１５ｍｍから０．４０ｍｍへ遷移する。

薄膜ＲＴＤ４０およびリードワイヤ４２は、薄膜ＲＴＤ４０の基板および筐体２２の熱膨張率係数と一致する熱膨張率係数を有する、ポッティング化合物としても参照される熱接着剤によって、筐体２２内に固定されている。(薄膜ＲＴＤ４０の基板は、一般に、ＲＴＤ素子を内部に備える、示されるような外側ケーシングであり、この形態では、セラミックケーシング／基板とプラチナ抵抗素子である)。一つの形態では、筐体２２はアルミナであり、熱接着剤は基板４１と共にアルミナベースである。あるいは、薄膜ＲＴＤ４０およびリードワイヤ４２を筐体２２内に固定するために、ガラス接着剤が使用される。グラス接着剤は、一般に、良好な熱伝導を提供し、ホウ珪酸塩のような材料であってもよい。全体として、熱接着剤は、内部コンポーネント(薄膜ＲＴＤ ４０およびリードワイヤ４２)のひずみ緩和（ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌｉｅｆ）、接着、熱伝導のために提供される。

ここに使用されるように、用語「マイクロ・センサ」は、例としては、ナノ粒子を使用するセンサまたは薄膜ＲＴＤのような、非常に小さなセンサを意味するように解釈されるものとする。このようなマイクロ・センサは、直径がおよそ２ｍｍ、長さがおよそ１０ｍｍのオーダーのサイズを有し、製造公差は比較的厳しく±０．２ｍｍのオーダーである。従って、本開示は薄膜ＲＴＤだけに限定されると解釈されるべきものではなく、例としては圧力あるいは湿度のように、温度あるいは他の環境センシングのいずれかのための他のタイプのマイクロ・センサを含み得る。

さらに、用語「熱接着剤」は、所望の伝熱特性で、コンポーネントを固定する化合物または材料を意味するように解釈されるものとする。熱接着剤は、アプリケーション要件に従って接着し熱を伝導する、ポッティング化合物、ガラス、または他の材料を含み得る。

図２に示すように、センサ・アセンブリ内部空洞２８は、この形態では平坦である薄膜ＲＴＤ４０の接触表面４８に幾何学的に一致する少なくとも一つの表面４６を画定する。この幾何学的一致は、薄膜ＲＴＤ４０の改善された熱伝導性、再現性および応答時間を提供する。マイクロ・センサの形状および所望の応答時間／精度に依存して、平坦以外の他の幾何学的プロファイルが利用される得ることが理解されるべきである。このようなプロファイルは、例としては、以下に詳しく説明する、円弧状または多角形プロファイルを含み得る。

今、図４Ａ−Ｂおよび図５を参照すると、この形態における内部通路３０、内部空洞２８は、長方形の形状を画定する。内部空洞２８は、図３に示されているように、内部通路３０の外壁５２をさらに画定するために、近接して延びる２つの対向する側壁５０を画定する。この形態では、筐体２２の製造性は改善される。さらに、内部通路３０は、リードワイヤ４２の電気的絶縁のための中間壁３２によって分離される。さらに示されるように、内壁５６（図２および図５）は、内部通路30から内部空洞２８を分け、一形態では、薄膜ＲＴＤ４０は、内壁５６に、あるいは筐体２２内の適切な位置に当接する。

図６Ａおよび６Ｂを参照すると、センサ・アセンブリの別の形態が例証され、参照数字６０によって概略的に示されている。この形態では、センサ・アセンブリ６０は、円筒状（cylindrical）である内部空洞６４を画定する筐体６２と、示されるような円弧状のまたは小判型の端部６８を伴った長方形の内部通路６６を含む。本開示の範囲内に留まりながら、筐体の内部通路及び内部空洞のための任意の数の形状が利用され得ることが理解されるべきであり、したがって、ここでの長方形／小判型および円筒形状は本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

図７に示されるように、別の形態では、筐体７２の内部空洞７０は、内部空洞７０と薄膜ＲＴＤ４０との間の熱接着剤７６の比較的薄い層を伴って、薄膜ＲＴＤ４０の外部の幾何学的な周囲７４と一致する幾何学的形状を画定する。この形態では、応答時間および精度はさらに改善される。従って、内部空洞および内部通路の両方のための様々な形状は、使用されているマイクロ・センサの外形形状およびアプリケーション要件にしたがって提供され得る。

本開示の記述は実際上単なる例示であり、したがって、本開示の本質から逸脱しない変形例は本開示の範囲内になるように意図される。そのような変形例は本開示の範囲および精神からの逸脱と見なされない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］近位端部分および遠位端部分を含む本体を具備する筐体であって、前記遠位端部分が、内部空洞を画定し、前記近位端部分が、前記内部空洞内に延びて開口している複数の内部通路を画定する、筐体と、
前記内部空洞内に配置されるマイクロ・センサであって、前記複数の内部通路の少なくとも一部を通ってマイクロ・センサから延びる複数のリードワイヤを有するマイクロ・センサとを具備するセンサ・アセンブリ。
［２］前記マイクロ・センサは、薄膜抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）である［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［３］前記内部空洞は、前記マイクロ・センサの接触表面と幾何学的に一致する少なくとも一つの表面を画定する［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［４］前記内部空洞の前記少なくとも一つの表面と前記マイクロ・センサの前記接触表面は平坦である［３］に記載のセンサ・アセンブリ。
［５］前記マイクロ・センサは、熱接着剤によって前記内部空洞内に固定される［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［６］前記筐体、前記熱接着剤、および前記マイクロ・センサの基板は、一致した熱膨張率係数を有する［５］に記載のセンサ・アセンブリ。
［７］前記本体は、一体型本体である［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［８］前記リードワイヤは、熱接着剤によって前記内部通路内に固定されている［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［９］前記内部空洞および前記内部通路は、円筒形状を画定する［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［１０］前記内部空洞および前記内部通路は、長方形形状を画定する［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［１１］前記内部空洞は、前記内部通路の外壁をさらに画定するために、近接して延びる２つの対向する側壁を画定する［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［１２］前記内部空洞は、前記マイクロ・センサの外部の幾何学的な周囲と一致する幾何学的形状を画定する［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［１３］前記内部空洞を前記内部通路から分ける内壁をさらに具備し、前記マイクロ・センサは、前記筐体内の適切な位置決めのために前記内壁に当接する［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［１４］前記筐体の前記遠位端部分は、前記内部空洞が外部環境に露出されるように開口している［１］に記載のセンサ・アセンブリ。
［１５］前記マイクロ・センサは、２−ワイヤ、３−ワイヤ、または４−ワイヤＲＴＤのうちの一つである［１］に記載のセンサ・アセンブリ。

Claims (15)

1. 近位端部分および遠位端部分を含む本体を具備する筐体であって、前記遠位端部分が、内部空洞を画定し、且つ前記内部空洞の少なくとも一つの表面を画定し、前記近位端部分が、前記内部空洞内に延びて開口している複数の内部通路を画定する、筐体と、
   前記内部空洞内に配置され、外部環境に露出され、前記筐体の端部表面から引っ込んだ位置にあり、且つ熱伝達を改善するために前記内部空洞の前記少なくとも一つの表面に当接する接触表面を含むマイクロ・センサであって、前記複数の内部通路の少なくとも一部を通ってマイクロ・センサから延びる複数のリードワイヤを有するマイクロ・センサとを具備するセンサ・アセンブリ。
2. 前記マイクロ・センサは、薄膜抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）である請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
3. 前記内部空洞の前記少なくとも一つの表面は、前記マイクロ・センサの前記接触表面と幾何学的に一致する請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
4. 前記内部空洞の前記少なくとも一つの表面と前記マイクロ・センサの前記接触表面は平坦である請求項３に記載のセンサ・アセンブリ。
5. 前記マイクロ・センサは、熱接着剤によって前記内部空洞内に固定される請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
6. 前記筐体、前記熱接着剤、および前記マイクロ・センサの基板は、一致した熱膨張率係数を有する請求項５に記載のセンサ・アセンブリ。
7. 前記本体は、一体型本体である請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
8. 前記リードワイヤは、熱接着剤によって前記内部通路内に固定されている請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
9. 前記内部空洞および前記内部通路は、円筒形状を画定する請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
10. 前記内部空洞および前記内部通路は、長方形形状を画定する請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
11. 前記内部空洞は、前記内部通路の外壁をさらに画定するために、近接して延びる２つの対向する側壁を画定する請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
12. 前記内部空洞は、前記マイクロ・センサの外部の幾何学的な周囲と一致する幾何学的形状を画定する請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
13. 前記内部空洞を前記内部通路から分ける内壁をさらに具備し、前記マイクロ・センサは、前記筐体内の適切な位置決めのために前記内壁に当接する請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
14. 前記筐体の前記遠位端部分は、前記内部空洞が外部環境に露出されるように開口している請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。
15. 前記マイクロ・センサは、２−ワイヤ、３−ワイヤ、または４−ワイヤＲＴＤのうちの一つである請求項１に記載のセンサ・アセンブリ。

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