KR100614674B1

KR100614674B1 - 비열측정형 진공게이지

Info

Publication number: KR100614674B1
Application number: KR1020020026006A
Authority: KR
Inventors: 정대화; 정윤희; 정석민; 박종도; 윤영준
Original assignee: 주식회사 한국센시스
Priority date: 2002-05-11
Filing date: 2002-05-11
Publication date: 2006-08-21
Also published as: KR20030088089A

Abstract

본 발명은 진공 용기 내 기체의 비열(heat capacity)을 평면 형태 또는, 와이어 형태의 필라멘트를 사용하여 교류비열측정법(ac calorimetry)으로 측정함으로써, 10^-3 Torr ~ 760 Torr(대기압) 영역대의 진공도를 높은 분해능으로 구할 수 있는 진공게이지에 관한 것이다. 필라멘트를 직류 가열하여 기체의 열전도도(thermal conductivity) 변화로부터 진공도를 구하는 기존의 방법은, 10^-3 Torr ~ 1 Torr 진공 영역에서 높은 분해능을 갖는 반면, 1 Torr ~ 대기압 진공 영역에서는 기체의 평균자유거리(mean free path)가 짧아짐에 따라 필라멘트 주위의 열층(hot air sheath)이 생성되어 기체의 열전도도가 포화되므로 낮은 분해능을 가진다. 반면 본 발명에 의한 비열 측정형 진공게이지는 기체의 열전도도와 진공도와 비례하는 기체의 비열을 측정하므로,

1)1 Torr ~ 대기압 진공도를 높은 민감도(sensitivity)로 구할 수 있고,

2)기존의 열전도도 진공게이지 센서에 비열 측정형 구동 회로를 적용, 간단히 비열 측정형 진공게이지를 구성하여 민감도를 향상시킬 수 있다.

진공게이지, 진공도, 진공도측정, 열전도, 비열, 비열측정형 진공게이지

Description

비열 측정형 진공게이지{Vacuum gauge of heat capacity type}

도 1은 본 발명에 의한 비열 측정형 진공게이지의 구성도이다.

* 도면 주요 부분에대한 부호설명

1: 신호 발생기(Signal Source) - 각주파수 ω의 정현파를 발생시킨다

2: 고정주파수 증폭기(Lock-in Amplifier) - 세체배 주파수 3ω의 신호를 측정한다.

3: 진공 용기(Vacuum Chamber)

4: R1, R2 - 휘스톤브리지를 구성하는 저항들

5: Rv - 휘스톤브리지를 교정(bridge balance)하는 가변저항

6: R - 평면 형태나 와이어 형태의 필라멘트 저항

진공도란 대기압 이하의 압력에서 단위 부피당 기체 분자수의 많고 적음을 정량화 한 것으로, 진공도와 관련된 현상들을 요약하면 1)압력 차에 의한 힘, 2)빠른 증발, 3)소리와 열의 차단, 4)운동 저항의 감소, 5)방전, 6)산화 방지, 7)청정 표면 등이 있다. 진공 기술의 발전과 더불어 현재 응용되는 진공도의 영역은 대기압(760 Torr)에서 10^-13 Torr 정도로 매우 넓으며, 응용 영역에 따라 각기 다른 원리로 작동하는 진공 게이지를 사용하여 진공도를 측정하고 있다. 대기압에서 10^-3 Torr 정도의 진공도 측정은 열전도형 진공게이지(Thermal Conductivity Gauge)와 격막형 진공게이지(Capacitance Diaphragm Gauge) 등이 사용되고 있다.

열전도형 진공게이지의 경우, 진공 속에서 가열된 물체(필라멘트)는 도선을 통한 열전도, 기체 분자를 통한 열전도, 열복사 등의 방법으로 열을 잃는데, 진공도에 따라 기체 분자를 통한 열전도가 달라지는 원리를 이용한 것이 열전도형 진공 게이지이며, 현재 피라니(Pirani) 진공 게이지, 열전쌍(TC) 진공 게이지 등이 널리 사용되고 있다. 피라니 게이지는 진공도에 의한 필라멘트의 온도 변화를 전기 저항의 변화로 바꾸어 측정하고, 열전쌍 진공 게이지는 피라니 게이지와 그 측정 원리는 같으나 열전쌍을 사용하여 필라멘트의 온도를 직접 측정하는 점이 다르다. 이상의 진공 게이지들은 주로 10^-3 Torr에서 1 Torr까지 그 민감도(sensitivity)가 좋으나, 10^-3 Torr 이하에서는 열복사에 의한 열전도가 기체 분자에 의한 열전도보다 좋아지므로 그 민감도가 현저히 낮아지고, 1 Torr 이상에서는 기체 분자의 평균자유거리(mean free path)가 짧아짐에 따라 필라멘트 주위에 뜨거운 열층(hot air sheath)이 생성되어 기체 분자의 원활한 열전도를 방해하므로 역시 그 민감도가 낮아진다. 대류형 진공 게이지는 피라니 진공 게이지에 대류에 의한 냉각 효과를 강화시켜 1 Torr 이상에서 민감도를 향상시킨 것이다.

한편 격막형 진공게이지는, 기준 진공도와 측정하고자 하는 진공 용기 사이에 얇은 격막을 두어 압력차에 의한 기계적 변형도를 전기적 신호로 바꾸어 진공도를 측정하는 장치로서, 1)절대 압력을 측정할 수 있고, 2)원하는 좁은 진공 영역(3 decade 정도)에서 높은 분해능을 가지고 있어, 반도체 공정의 정확한 가스 흐름 조절에 사용되고 있다. 그러나 고가이고, 측정 압력 범위가 제한적이어서 넓은 범위의 진공도를 측정하기 위해서는 압력 범위에 맞는 몇 개의 격막 게이지를 동시에 사용해야한다. 또한, 제조 과정에서 격막 용접기술이 까다롭고 그 기술을 외국 몇몇 생산업체가 독점하고 있어서 국산화가 힘들다.

1) 기존의 TC, Pirani 진공게이지로 측정할 수 없는 진공영역인 10 Torr ~ 대기압 (760 Torr) 에서 높은 민감도(sensitivity)를 가지며 진공도를 정확히 측정하는 게이지를 제공하는것이 그 첫번째 목적이며,

2) 더나아가서, 기존의 열전도형 진공게이지 센서에 본 발명에 의한 비열 측정형 구동 회로를 적용하여, 간단히 비열 측정형 진공게이지를 구성하므로서 그 성능을 크게 향상시키는것을 목적으로한다.

(1) 기체의 비열과 압력

비열이란 단위 질량 혹은 단위 부피당 시료에 가해진 미소 열량에 의한 온도 변화를 기술하는 양이다. 기체 분자의 경우, 부피 V 의 진공 용기 내에 N 개의 분자가 있다면 기체의 비열은 식 (1)과 같이 표현된다.

.

여기서 C 는 기체의 비열, dQ 는 시료에 가해진 열량, dT 는 온도 변화, n 은 분자 밀도를 각각 나타낸다. 분자 밀도 n 은 이상 기체의 상태 방정식으로부터,

,

일정 온도 T 에서 압력 P 에 직접적으로 비례하는 양이다(k는 볼츠만 상수). 따라서 기체의 비열은,

,

압력, 즉 진공도와 비례하는 양임을 알 수 있고, 비열 측정으로부터 진공도를 구할 수 있다.

(2) 평면 필름 필라멘트의 신호 특성

평면 필름 형태의 필라멘트를 진공 용기 속에 두고 교류 전류(각주파수 ω)를 흘리면 필라멘트의 온도 진동(δT)은 필라멘트의 기하학적 모양, 전류, 주파수, 기체 분자의 비열, 열전도도 등에 의해 결정된다. 필라멘트의 질량이 충분히 작다고 가정하면, 온도 진동의 크기는,

와 같이 표현되는데, 여기서 A는 필라멘트의 기하학적 모양과 흐르는 전류의 크기에 의해 결정되는 상수이며, C는 기체의 비열, κ는 기체의 열전도도이다. 식 (3)에서 C는 압력에 비례하고, κ는 1 Torr ~ 대기압의 진공도에서는 상수이며, 10^-3 Torr ~ 1 Torr 에서는 압력에 비례한다. 따라서 진공도에 따른 필라멘트의 온도 진동 의존도는,

ⓛ 1 Torr ~ 대기압 :

② 10^-3 Torr ~ 1 Torr :

로 정리할 수 있으며, 이는 기존의 열전도형 진공게이지가 1 Torr ~ 대기압의 영역에서 온도 의존성이 없는 것과는 구별된다.

(3) 와이어 필라멘트의 신호 특성

기존의 피라니/열전쌍 진공게이지 센서(와이어 형태의 미세선)에 교류 전류(각주파수 ω)를 흘리면, 주파수가 낮을 때 필라멘트의 온도 진동(δT)은,

와 같이 표현되고, 여기서 P ₀ 는 전류에 의한 단위 길이 당 파워, K ₀ 는 베셀 함수, a는 와이어의 반지름, k는 열파장수로서 k=

이다. 진공도에 따른 온도 진동 의존도는 필름 형태의 의존도보다 복잡하지만 교류 구동으로 인하여 기체의 비열을 측정할 수 있으므로, 역시 1 Torr ~ 대기압의 진공도에서 상당한 민감도를 가진다. 따라서 기존의 열전도형 진공게이지 센서에 교류 비열 측정 구동회로을 적용하면 그 동작 영역을 상당히 확대할 수 있다.

(4) 3ω 방법(3ω Method)을 통한 온도진동의 측정

2)평면 필름 필라멘트의 신호 특성과 3)와이어 필라멘트의 신호 특성에서 살펴 본 온도 진동(δT)을 측정하기 위한 3ω 방법을 간략히 기술한다. 3ω 방법은 저항계수가 큰 금속 저항체를 열선인 동시에 온도 센서로 사용하여 저항체를 둘러싸고 있는 물질의 열물성을 구하는 일반적인 방법이다. 대상 물질이 기체일 경우 측정된 열물성은 기체의 압력과 직접적인 관계를 가지고 있으므로 본 발명에 의한 비열 측정형 진공게이지는 3ω 방법을 통하여 진공 용기 내의 진공도를 측정한다. 필라멘트에 주파수 ω의 전류,

로 구동하면 필라멘트의 온도 진동은 줄열(Joule heating)로 2ω로 진동하므로, 필라멘트가 온도저항계수(

)가 일정할 때 저항의 진동은,

로 주어진다. 여기서 φ는 저항의 진동과 전류구동의 상대적 위상 차이를 나타낸다.

한편 필라멘트 양단의 전압은,

로 주어지는데 여기서 두 번째와 세 번째 항이 필라멘트의 온도 진동(δT) 즉, 압력과 관계되는 신호를 포함하고 있다. α=0.004 K ^-1정도이고 |δT|는 보통 1도 이하이기 때문에 이 항들은 첫째항에 비해 그 크기가 매우 작지만 세 번째 항은 세체배(third harmonic) 주파수이고 만약 우리가 휘스톤브리지를 사용한다면 이 신호를 측정할 수 있다.

(5) 도면의 상세한 설명

[도 1] 비열 측정형 진공게이지는 교류 신호 발생기(Signal Source), 고정 주파수 증폭기(Lock-in Amplifier), 필라멘트를 포함하는 휘스톤브리지 등으로 구성되어 있다. 필라멘트는 평면 필름 형태 또는 와이어 형태의 저항으로서, 열선의 역할과 온도 센서의 두 가지 기능을 동시에 가지고 있다.

신호 발생기에서 주파수(

)로 전류를 흘리게 되면 전류는 브리지 상하를 통과하여 접지로 흐르게 되며, 고정 주파수 증폭기(Lock-in Amplifier)는 휘스톤브 리지의 점 a([도 1]에서 저항 R1과 저항 Rv 사이)와 점 b([도 1]에서 저항 R2와 저항 R 사이)의 전압 차이를 복소 공간에서 읽게 된다. [수학식 7]에 표시한 바와 같이 고정 주파수 증폭기(Lock-in Amplifier)가 읽는 전압 은 필라멘트의 온도 진동에 의한 전압뿐만 아니라 휘스톤브리지 양단의 옴전압 강하(Ohmic Drop) 차이도 읽게 되는데, 필라멘트의 온도 진동에 의한 전압은 세체배 주파수(third harmonic: 3ω) 신호이고 옴전압 강하 전압은 구동 주파수(ω) 신호이므로 고정 주파수 증폭기의 레퍼런스(Reference)를 세체배 주파수에 고정하면, 필라멘트의 온도 진동에 의한 전압만을 얻을 수 있다. 하지만 옴전압 강하 전압이 필라멘트의 온도 진동에 의한 세체배 주파수 전압보다 훨씬 크면 신호대 잡음비(S/N 비)가 나빠져서 세체배 주파수 전압을 정확히 구할 수 없는데, 이 문제는 가변 저항(Rv)을 이용하여 옴전압 강하 전압을 소거할 수 있으므로 해결할 수 있다. 한편, 저항 R1, R2, Rv 등에서도 그 크기는 작지만, 온도 진동에 의한 세체배 주파수 전압이 발생하는데 이를 방지하기 위해 이런 저항들은 온도저항계수가 무시할 만한 저항, 예를 들면 망가닌선(Manganin Wire) 등으로 구성한다.

1)비열 측정형 진공게이지는 기체의 열전도도와 함께 압력에 비례하는 기체의 비열을 측정하기 때문에, 1 Torr 이상에서도 좋은 민감도를 가지고 있다.

2)열전도형 진공게이지와 동작 원리가 비슷하여 성능대비 높은 가격 경쟁력을 가질 수 있다.

3)기존의 열전도형 진공게이지 센서에 비열 측정형 구동 회로를 사용하면 간단히 비열 측정형 진공게이지를 구성할 수 있다.

Claims

진공 용기의 진공도를 측정하는 장치에 있어서,

교류 열 발생 신호를 발생시키기 위한 신호 발생기;

상기 신호 발생기에 연결되어 진공 용기의 내부로 삽입되는 평면 필름 형태의 필라멘트로 구성된 브리지 회로; 및

상기 브리지 회로의 대칭점의 양 단자에 연결되어, 상기 필라멘트에 의하여 검출되는 온도 진동에 의한 전압을 증폭하여 상기 진공 용기의 진공도를 검출하기 위한 고정 주파수 증폭기를 포함함을 특징으로 하는 진공 게이지
진공 용기의 진공도를 측정하는 장치에 있어서,

교류 열 발생 신호를 발생시키기 위한 신호 발생기;

상기 신호 발생기에 연결되어 진공 용기의 내부로 삽입되는 와이어 형태의 필라멘트로 구성된 브리지 회로; 및

상기 브리지 회로의 대칭점의 양 단자에 연결되어, 상기 필라멘트에 의하여 검출되는 온도 진동에 의한 전압을 증폭하여 상기 진공 용기의 진공도를 검출하기 위한 고정 주파수 증폭기를 포함함을 특징으로 하는 진공 게이지
제1항과 제2항에 있어서, 상기 브리지 회로는

상기 신호 발생기의 전압에 의하여 발생되는 오옴 강하 전압을 소거하기 위하여 상 기 브리지 회로에 가변 저항을 추가함을 특징으로 하는 진공 게이지