KR20120036351A - 광학 다이어프램 압력 게이지를 구비한 압력 측정 게이지 장치 - Google Patents

광학 다이어프램 압력 게이지를 구비한 압력 측정 게이지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학 다이어프램 압력 변환기(23)를 구비한 압력 측정 게이지 장치에 관한 것으로, 상기 압력 변환기는 하우징 본체(1)와 당해 하우징 본체로부터 짧은 간격을 두고 배치되는 다이어프램(5)을 포함하고, 다이어프램은 측정할 기체 형태의 매체를 갖는 프로세스 챔버(12)에 노출되며, 이때 하우징 본체(1)는 광 투과성 윈도우(3)를 포함하고, 윈도우(3)에 대해 이격되어 광학 경로(9)를 통해 다이어프램(5)의 표면상으로 광을 결합 및 분리하기 위한 광 유도 섬유(22)를 구비한 신호 수신 유닛(32)이 제공되어, 신호 분석 유닛(24)에 의해 다이어프램(5)의 편향을 검출하기 위한 측정 경로가 형성됨으로써, 패브리-페로 간섭계 장치가 형성된다. 프로세스 챔버(12)는 대기(10)에 대해 격리되도록 챔버 벽(30)에 의해 둘러싸이고, 프로세스 챔버(12)는 분리 수단(25, 31)에 의해 한정되어, 분리 수단(25, 31)과 당해 분리수단으로부터 이격된 챔버 벽(30) 사이에 에어 컨디셔닝 챔버(11) 형성된다. 챔버 벽(30)에는 신호 수신 유닛(32)이 광학적으로 관통하도록 배치되고, 분리 수단(25)은 적어도 광학 경로(9)의 영역에 광 투과 수단(25a)을 구비하여, 광학적 압력 신호를 전달하기 위해 다이어프램 압력 변환기(23)와 신호 수신 유닛(32) 사이에 광학적 연결이 형성된다.

Description

광학 다이어프램 압력 게이지를 구비한 압력 측정 게이지 장치{PRESSURE MEASURING CELL ARRANGEMENT COMPRISING AN OPTICAL DIAPHRAGM PRSSURE MEASUING CELL}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 특징부에 따른 광학 다이어프램 압력 게이지를 구비한 압력 측정 게이지 장치 및 제24항의 특징부에 따른 압력 측정 게이지 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
박막 다이어프램에 압력이 가해짐으로써 압력에 따른 다이어프램의 휨을 측정하여 압력 또는 압력차를 측정하는 것은 공지되어 있다. 이러한 다이어프램의 휨을 측정하는 적합한 공지의 방법은, 다이어프램 장치가 가변 정전 용량을 갖는 것으로 형성되며, 이때 측정 전자 장치는 압력 변동과 상관 관계에 있는 정전 용량의 변동을 공지된 방식으로 분석하는 것이다. 이러한 유형의 다이어프램 압력 게이지는 상응하는 설계에서 대기압을 초과하는, 예컨대 1000bar까지의 높은 압력에 대해 구현될 수 있지만, 또한 대기압보다 낮은 압력에 대해서도, 즉 진공에 대한 적용을 위해서도 구현될 수 있다. 적합한 구조로 형성되는 경우, 상기 유형의 측정 게이지를 사용하여 낮은 압력, 예컨대 mbar 범위이거나 사실상 더 낮은 진공의 압력에서도 매우 높은 분해능을 달성할 수 있다.
특히 기체와 같은 측정 매체에 대해 내부식성이 높으면서 고분해능으로 압력을 측정하기 위해, 바람직하게는 진공에 적용하기 위해, 공지되어 있는 다이어프램 압력 게이지는 금속 산화물, 예컨대 현재 상업적으로 매우 성공리에 사용되는, 특히 Al2O3와 같은 내부식성 재료로 구성된다. 이러한 유형의 공지된 장치는 미국 특허 제6,591,687호에 공개되어 있으며, 당해 문헌의 전체적인 사항은 이후에 기술하는 본 명세서에 전체적으로 참조로 인용된다. 상기 문헌에 제안된 정전 용량 다이어프램 진공 게이지(CDG: Capacitive Diaphragm Gauge)는 순수하게 세라믹으로, 예를 들면, Al2O3와 같은 세라믹으로 제조된다. 이로써 매우 높은 내부식성과 장기간의 반복성이 달성된다. Al2O3가 이물질의 추가 없이는 용접되지 않는 경우에 한하여, 밀봉되어야만 하는 영역 또는 관통부가 제공되는 영역에만 Al2O3 이외의 다른 재료가 소량으로 제공된다. 상기 게이지는 플레이트(plate) 형태의 제1 하우징 본체로 이루어지는데, 당해 본체에 의해 다이어프램은 모서리 영역이 밀봉배치됨으로써 하나의 기준 진공 챔버를 형성한다. 당해 기준 진공 챔버의 반대편에는 마찬가지로 모서리 영역이 밀봉 폐쇄되는 제2 하우징 본체가 간격을 두고 배치되어 하나의 측정 진공 챔버가 형성된다. 당해 측정 진공 챔버에는 측정할 매체의 공급 라인을 위한 연결 포트가 제공된다. 기준 진공 챔버를 형성하는 제1 하우징 본체의 표면과 다이어프램의 표면은 전기 전도성을 띠도록, 예를 들면 금으로 피복되어 정전 용량 게이지의 전극을 형성한다. 이들 전극은, 예를 들면 제1 하우징 본체를 통해 또는 모서리 구역에서의 밀봉 영역을 통해 다시 유도된다. 실질적으로 평행하게 배치된 전극 표면들은 2㎛ 내지 50㎛ 범위의 간격을 갖는다. 모서리 영역에서 두 하우징에 대한 다이어프램의 밀봉은 바람직하게는 용접에 의해, 예를 들면 레이저 용접에 의해 이루어진다. 그러나 마찬가지로 내부식성이 우수한 유리 땜납도 매우 적합하고 간단하게 사용된다. 또한, 밀봉 연결을 위한 다른 방법으로서 Al2O3-이물질을 완전히 배제하기 위한 경우에는, 하우징 부품을, 예를 들면 그린 바디(green body) 단계에서 확산 연결하는 방법이 있다.
실질적으로 이러한 게이지 장치는 하우징 내에서 비틀림을 방지하는 대칭형 구조를 가능하게 한다. 이는 고도의 측정 민감도를 달성하고 낮은 측정 압력에서도 높은 정확도와 반복성을 구현하는 데 특히 중요하다. 또한, 이러한 구조에 의해 세라믹으로 이루어진 매우 얇은 다이어프램을 이용할 수 있게 되는데, 이러한 다이어프램은 게이지가 100mbar보다 낮은 진공 압력, 특히 10mbar보다 낮은 진공 압력을 순수하게 세라믹으로 이루어진 정전 용량형 게이지로 신뢰할 수 있게 검출해야만 하는 경우에 필수적이다. 이를 위해서는 10㎛ 내지 1000㎛의 다이어프램 두께가 필요하며, 이때 매우 우수한 분해능을 달성하기 위해서는 30㎛ 내지 120㎛의 다이어프램 두께가 바람직하다.
이러한 유형의 구조를 갖는 다이어프램 압력 게이지를 판독하기 위한 다른 방법은, 예를 들면 이후에 기술하는 본 명세서에 전체적인 내용이 참조로 인용되는 밸클리(Waelchli) 등의 미국 특허 제 7,305,888 B2호에 기재되어 있는 바와 같이, 정전 용량 원리 대신에 다이어프램의 편향을 측정하기 위한 광학 판독 기술을 이용하는 것이다. 이러한 광학 다이어프램 게이지(ODG: Otical Diaphragm Gauge)의 개념은 CDG 개념의 단점들을 제거한다. 압력에 따른 다이어프램의 편향은 광학 시스템의 도움으로 센서에서 측정되며, 이때 측정된 신호는 광섬유에 의해 광학 신호 처리 유닛에 전송되고, 결국 신호 처리 유닛은 광학 신호를 전기 신호로 전환시킨다. 광학 신호는 주변 장애, 예를 들면 주로 전자기 장애, 진동 및 주변 온도의 변화에 의한 신호의 약화 및 왜곡 없이 장거리(심지어 킬로미터 거리)를 거쳐서 전송될 수 있다.
이러한 유형의 진공 게이지는 각각 Al2O3-세라믹 또는 사파이어로 이루어진 제1 하우징 본체와 다이어프램을 갖는다. 다이어프램은 기준 진공 챔버를 형성하기 위해, 제1 밀봉부에 의해 제1 하우징 본체에 연결되는 외측 모서리를 구비하여 평평하게 형성된다. 측정할 매체와 진공 게이지는 연결부에 의해 연결된다. 적어도 제1 하우징 본체 중 중심 영역에는 다이어프램을 향한 내측면에 제1 부분 반사 표면을 갖는 광 투과성 윈도우가 형성되고, 적어도 다이어프램의 중심 구역은 제1 반사 표면에 대면하여 위치하는 제2 반사 광학 표면을 갖는다. 기준 진공 챔버의 외부에서 윈도우에 대해 그리고 이로부터 거리를 두고 떨어져 광섬유가 배치됨으로써 광을 다이어프램 표면으로 도입 안내하거나 다이어프램 표면으로부터 도출 안내한다. 탄성 다이어프램의 두 개의 상이한 측면 사이의 압력차에 의해 다이어프램의 휨이 유발됨으로써, 광학 공동(cavity)의 길이가 상응하게 변경된다. 광은 사파이어 하우징을 통해 또는 윈도우를 통해 세미 반사형(semi-reflective) 다이어프램 표면에 포커싱되며, 그곳으로부터 광은 두 개의 거울 사이의 다수 반사에 의한 간섭 현상이 전개된 이후에 다수의 이용 가능한 방법들[예컨대 피체라우(Fizerau) 간섭계(FISO사 제품), 백색광 편광 간섭계(OPSENS사 제품), 마이클손(Michelson) 간섭계, 분광계 등] 중 하나를 이용하여 집속되고 분석되는데, 이때 다이어프램에 의한 광학 공동의 길이 및 그에 따른 압력차가 검출된다. 따라서, 게이지 장치는 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer) 인식 장치 또는 분석 장치의 일부가 된다. 다이어프램의 두께는 다이어프램의 자유 직경 및 원하는 최대 휨과 함께 적용할 압력 범위를 규정한다. 다이어프램 직경은, 예를 들면, 11mm일 수 있고, 두께는 300㎛일 수 있다. 다이어프램의 직경에 대한 바람직한 범위는 5.0mm 내지 80mm, 바람직하게는 5.0mm 내지 40mm이고, 다이어프램의 두께는 특히 진공에 적용하기 위해서는 10㎛ 내지 10mm의 범위, 바람직하게 10㎛ 내지 1.0mm이고, 고압에 적용하기 위해서는 600㎛ 내지 9mm의 범위이다.
앞서 기술한 바람직한 센서 게이지는, 예컨대 구형 렌즈(spherical lens)에 의한 광학적 외부 판독이 가능하도록, 단결정 사파이어 윈도우 또는 사파이어 다이어프램을 갖는 단결정 사파이어 본체를 갖는다. 이어서, 그 위치로부터 신호를 판독 유닛으로 전송하기 위해 광섬유가 사용될 수 있다. 센서 게이지에 순수하게 사파이어만 사용하면 비용 문제가 발생하는 단점이 있는데, 가공된 단결정 사파이어는 매우 고가이기 때문이다. 두번째로, 사파이어와 세라믹-Al2O3로 이루어진 배합의 경우, 열팽창계수(CTE)가 약간 불일치하여, 예를 들면 온도 변동 거동 측면에서 문제를 유발할 수 있다. 이러한 효과를 감소시키기 위해, 정확한 결정 배향 공정, 즉 비용과 시간이 많이 드는 공정이 불가피하다. 세번째로, 세라믹 본체와 연결된 결정 윈도우가 사용되면, 광학 공동의 평행도를 위한 기계적 공차 요건이 까다로워진다.
지금까지의 종래 기술에 따른 실시의 경우, 광을 다이어프램에 포커싱하기 위해, 예를 들어 구형 렌즈와 같은 외부 광학 장치가 사용된다. 사용되는 재료들의 상이한 열팽창계수로 인해 다이어프램의 측정 지점이 변위될 수 있거나 광선이 휠 수도 있다. 그 결과, 시스템 거동이 불안정해 질 수 있다. 또한, 많은 수의 구성 부품들이 필요하게 되므로, 이러한 유형의 센서 게이지의 제조 비용에 영향을 끼친다.
광학 다이어프램 압력 게이지의 또 다른 실시예가 미국 특허출원 제12/163,303호에 기재되어 있는데, 다이어프램 압력 게이지에는 압력 측정 게이지의 하우징 본체 내에서 다이어프램에 광을 결합 및 분리시키기 위한 광 유도 섬유가 일체화되어 있다. 여기서 주로 세라믹 재료로 제조되는 광학 다이어프램 압력 게이지, 센서(ODG-센서) 및 광 유도 섬유는 하우징 본체에 직접 연결된다. 섬유와 세라믹과의 연결, 세라믹-세라믹 결합, 및 적합한 패브리-페로-공동의 형성은 특수한 접착 밀봉공정에 의해 이루어진다. 생성되는 게이지의 경우, 압력을 인가하는 다이어프램의 움직임은 백색광 간섭계 또는 쇼트 코히어런스(shot coherence) 간섭계(WLI)에 의해 검출된다.
이러한 유형의 압력 게이지는 제1 하우징 본체와 당해 하우징 본체에 인접하여 배치되는 다이어프램을 가지며, 이들 둘 모두는 세라믹으로 이루어진다. 다이어프램은 기준 진공 챔버를 형성하기 위해 제1 하우징 본체와 연결된 외측 모서리를 갖는다. 세라믹 재료로 제조된 제2 하우징 본체는 다이어프램에 대면하여 위치하고 다이어프램의 외측 모서리와 연결되며, 이때 제2 하우징 본체는 다이어프램과 함께 압력 측정 챔버를 형성한다. 제2 하우징 본체는 압력 측정 게이지에 측정할 매체를 연결하기 위한 연결부를 갖는다. 제1 하우징 본체, 제2 하우징 본체 및 다이어프램은 다이어프램의 외측 모서리에서 서로 밀봉 연결되고, 제1 하우징 본체의 중심 영역에는 하나의 구멍이 형성되며, 당해 구멍은 제1 하우징 본체를 통과하여 적어도 다이어프램의 중심 영역 내에까지 이르고 구멍에 대면한 위치에 다이어프램의 표면이 제1 광학 반사면으로서 형성된다. 구멍 안에는 광을 다이어프램의 표면으로 안내하기 위한 광 유도 섬유가 배치되어 밀봉 고정된다. 섬유의 단부는 적어도 제1 하우징 본체의 표면에까지 이르고 제2 광학 반사면으로서 형성되는데, 광학 반사면은 섬유 단부와 반사면 사이에 광학 공동이 제공되도록 하우징 본체 표면을 연결하고, 광학 공동은 다이어프램의 변형 크기를 결정하기 위한 측정 섹션을 형성하여 패브리-페로 간섭계의 일부가 된다.
이러한 공지된 다이어프램 압력 게이지의 경우, 게이지는 판독 유닛과 함께 하나의 콤팩트한 유닛으로서 다이어프램 압력 게이지 장치를 형성한다.
정전 용량 다이어프램 진공 게이지(CDG)의 경우, 제1 하우징 본체의 바로 뒤에서 전기 신호를 수신하여 그곳에서 최소 경로로 전자 처리된다. 요구되는 고도의 신호 분해능에서 외적인 장애의 영향을 충분히 작게 유지하기 위해서는, 처리할 신호 레벨이 약하기 때문에, 이러한 경로가 짧을 수밖에 없다. 게이지의 측면은 분석 전자 시스템과 함께 대기측에 위치한다. 측정측에 대해 다이어프램에 대면하여 연결부가 배치되며, 연결부는 게이지를 측정할 매체와 연결시킨다. 게이지 장치는 연결부를 통해 프로세스 챔버 벽에서 프로세스 챔버와 통신 연결되어 있는 전체적으로 하나의 구조 유닛을 형성한다.
광학 다이어프램 게이지(ODG)의 경우, 제1 하우징 본체의 바로 뒤에서 광학 신호가 수신된 다음, 광 유도 섬유를 사용하여 신호 분석 장치에 전달된다. 여기서, 광 유도 섬유와 신호 분석 장치 사이에는 더 긴 거리가 가능하다. 한편, 광 유도 섬유의 연결은 게이지 바로 뒤에서 정확하게 이루어지고, 이러한 분리 장치는 앞서 기술한 정전 용량 진공 게이지에서와 유사하게 전체적인 게이지 장치의 고정된 구성 부품이다. 게이지 장치는 정전 용량 게이지 장치에서와 같이 연결부에 의해 프로세스 챔버 벽에서 프로세스 챔버와 통신 연결되어 있는 전체적으로 하나의 구조 유닛을 형성한다.
또한, 오래전부터 공지된 나머지 진공 압력 게이지, 예를 들면 다이어프램 장치에 기반하지 않는 피라니(Pirani), 펜닝(Penning), 바이야드 알퍼트(Bayard Alpert), 인버티드 마그네트론(inverted Magnetron) 및 질량 분광 분석계와 같은 진공 압력 게이지는 앞서 기술한 바와 같이 콤팩트한 구조 유닛을 형성한다. 이러한 유형의 모든 구조 유닛은 마찬가지로 종종 플랜지를 갖는 연결부를 통해 프로세스 챔버 벽에 배치된다.
특히 진공 프로세스, 예를 들면 플라즈마 프로세스의 경우, 프로세스 챔버 내에는 사용된 기체 또는 기체 혼합물의 압력들이 부분적으로 상이할 수 있다. 프로세스에 따라, 예를 들면 상기 유형의 압력차는 동일 프로세스 챔버 내에서 상이하거나 심지어 특수한 프로세스의 수행을 위해 원하는 질량에서 변량으로서 만들어지기도 한다. 이는 특히 플라즈마 프로세스에서 종종 발생하는데, 이러한 프로세스에서는 챔버 내에 상이한 플라즈마 밀도 분포가 발생하거나 의도적으로 생성되기 때문이다. 이러한 주요 과정은 상기 유형의 복잡한 프로세스 환경에서, 예를 들면 프로세스 챔버 내에 국부적으로 하나의 특정 영역에서 또는 다수의 영역에서 발생할 수 있다. 챔버 벽의 영역에서 플랜지 연결된 압력 게이지를 사용하는 지금까지의 통상적인 압력 측정에 의해서는, 앞서 언급한 경우의 주요 프로세스 과정이 발생하는 챔버 내의 위치에서 직접 압력을 검출할 수가 없다. 이러한 경우 상기 유형의 통상적인 압력 측정은 간접적이거나, 심지어 불가피하게 부정확한 프로세스의 수행을 야기하거나, 특히 매우 높은 정확도를 요구하는 특수한 경우에는 전혀 가능하지 않다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 따르는 광학 간섭계 다이어프램 압력 게이지를 사용하는 압력 측정 게이지 장치의 상술한 단점을 극복하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 과제는 특허청구범위 제1항의 특징부에 상응하는 장치에 의해 해결될 뿐만 아니라, 제24항에 따른 압력 측정 게이지 장치의 제조 방법에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 다른 바람직한 실시예들을 한정한다.
본 발명에 따르는 압력 측정 게이지 장치는 광학 다이어프램 압력 게이지를 포함하며, 광학 다이어프램 압력 게이지는 금속 산화물로 이루어진 하우징 본체와 당해 하우징 본체로부터 짧은 간격을 두고 배치되면서 모서리 영역이 밀봉되어 하우징 본체와의 사이에 기준 압력 챔버가 형성되는 다이어프램을 포함하고, 당해 다이어프램은 측정할 기체 형태의 매체를 갖는 프로세스 챔버에 노출되며, 이때 하우징 본체는 적어도 중심 영역에 광 투과성 윈도우를 포함하고, 당해 광 투과성 윈도우의 표면은 기준 압력 챔버를 향한 측면이 부분 반사되도록 형성되며, 윈도우를 향한 다이어프램의 표면은 적어도 중심 영역에서 광학적으로 반사되도록 형성되고, 윈도우에 대해 이격되어 광학 경로를 형성하면서 다이어프램의 표면으로 광을 결합 및 분리하기 위한 광 유도 섬유를 구비한 신호 수신 유닛이 기준 압력 챔버 외부에 제공되어, 신호 분석 유닛에 의해 다이어프램의 편향을 검출하기 위한 측정 경로가 형성됨으로써, 패브리-페로 간섭계 장치가 형성된다. 이러한 경우, 프로세스 챔버는 대기에 대해 격리되도록 챔버 벽에 의해 둘러싸이고, 프로세스 챔버는 적어도 일부 영역에서 분리 수단에 의해 한정되어, 분리 수단과 당해 분리수단으로부터 이격된 챔버 벽 사이에 에어 컨디셔닝 챔버가 형성되며, 챔버 벽에는 신호 수신 유닛이 광학적으로 관통하도록 배치되고, 분리 수단은 적어도 광학 경로의 영역에 광 투과 수단을 구비하여, 다이어프램 압력 게이지와 신호 수신 유닛 사이에 광학적 연결이 형성된다.
이로써, 압력 측정 게이지 장치는 더 이상 지금까지 통용되던 구성 부품들과 같은 콤팩트한 압력 게이지 유닛을 형성하지 않는다. 압력 측정 게이지 장치는 본 발명에 따라 광학 다이어프램 압력 변환기와 이로부터 간격을 두고 배치된 광학 신호 수신 유닛으로 분할되며, 신호 수신 유닛은 프로세스 챔버 내에 그리고 이에 접하는 적합한 위치에 위치할 수 있다. 이제 다이어프램 압력 변환기는 프로세스 챔버 내에서 측정할 관련 프로세스 조건들이 발생하는 해당 위치에 직접 위치할 수 있다. 반면, 신호 수신 유닛은 프로세스 챔버의 벽에 배치되고 다이어프램 압력 변환기와는 광학적으로 연결되어 신호를 프로세스 챔버로부터 대기측으로 안내하여 신호 분석 유닛을 사용하여 추가로 처리하게 한다. 이러한 장치는 패브리-페로 간섭계 측정 장치를 형성한다. 다이어프램 압력 변환기와 신호 수신 유닛 사이에는 적어도 일부 영역에 분리 수단이 제공됨으로써, 챔버 벽과 분리 수단 사이에 추가의 챔버, 즉 프로세스 챔버를 분리하기 위한 에어 컨디셔닝 챔버가 형성된다. 분리 수단은 시브(sieve) 유형의 평평한 요소일 수 있거나 폐쇄형 벽일 수도 있는데, 이때 광 경로의 영역에는 광의 투과를 위한 윈도우가 제공된다. 윈도우는 장치의 요건 및 크기에 따라 단순한 구멍으로 이루어지거나 광 투과성 재료로 이루어질 수 있다. 에어 컨디셔닝 챔버는 단지 일부 영역만을 커버하거나, 추가의 챔버가 둘러싸듯이 전체 프로세스 챔버를 커버할 수 있다. 바람직하게는, 에어 컨디셔닝 챔버 내에는 효과적인 분리를 위해 프로세스 챔버와는 다른 대기로 형성된다. 예를 들면 추가의 펌핑에 의해 에어 컨디셔닝 챔버에는 다른 기체 및/또는 압력이 세팅된다. 또한, 이는 적합한 압력 단계 또는 부분적인 펌핑에 의한 방식과 같이 단지 일부 영역에서만 이루어질 수도 있다.
다이어프램 압력 변환기는 이러한 방식으로 신호 수신 유닛으로부터 이격되어, 예를 들면 전력 공급 또는 전자 신호 처리와 같은 추가의 매체(이는 종종 프로세스 특성상 곤란하거나 심지어 실현 불가능할 수도 있다)를 구비할 필요 없이 원거리 작동될 수 있다. 이러한 유형의 프로세스는 종종 예를 들어 매우 공격적이고 부식성이 강한 기체들을 사용하여 작동된다. 아울러, 고온이 발생할 수도 있다. 또한, 상당한 장애를 유발할 수 있는 강한 전기장 또는 전자기장이 제공될 수도 있다. 이러한 조건들의 심한 변동으로 인해 문제들이 유발될 수 있다. 다이어프램 압력 변환기의 광학적 신호 판독은 이러한 유형의 험한 조건들에 의해 악영향을 받지 않게 되어 다이어프램 압력 변환기는 목적하는 중요한 프로세스의 핵심에 접근할 수 있다.
이러한 접근에 의해 그리고 추가의 에어 컨디셔닝 챔버의 도움으로 프로세스의 결정적인 영역에서도 고도의 정확성 및 고분해능의 압력 측정이 실현될 수 있다.
이제, 본 발명을 개략적인 도면들에 의해 그리고 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.
도 1a는 하우징 본체 내에 삽입된 광 투과성 윈도우를 구비한 다이어프램 압력 변환기의 단면도이다.
도 1b는 광선을 위한 윈도우를 형성하는 동시에 광 투과성 재료로 이루어진 하우징 본체를 구비한 다이어프램 압력 변환기의 단면도이다.
도 1c는 하우징 본체와 다이어프램이 광 투과성 재료로 형성된 다이어프램 압력 변환기의 단면도이다.
도 1d는 간섭 원리를 도시하기 위해 다이어프램 압력 변환기에서의 광 반사를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 에어 컨디셔닝 챔버를 형성하기 위한 시브 형태의 분리 수단을 갖는 본 발명에 따른 압력 측정 게이지 장치의 단면도이다.
도 2b는 에어 컨디셔닝 챔버를 형성하기 위한 분리 수단으로서 하나의 벽과 내장된 윈도우를 갖는 본 발명에 따른 압력 측정 게이지 장치의 단면도이다.
도 3은 설비 챔버와 그 내부에 배치된 다른 챔버(당해 챔버는 프로세스 챔버를 분리시키고 설비 챔버와 프로세스 챔버 사이에 분리되는 에어 컨디셔닝 챔버를 형성한다)를 구비한 진공 프로세스 설비의 바람직한 실시예의 단면도이며, 이때 본 발명에 상응하게 광학 다이어프램 압력 변환기는 프로세스 챔버의 챔버 벽에 프로세스에 대해 노출 배치되어 설비 챔버에 배치된 신호 수신 유닛과 광학적으로 통신하도록 연결된다.
도 4는 프로세스 챔버를 둘러싸면서 하나의 에어 컨디셔닝 챔버가 외측에 위치하는 서로 둘러싸인 다수의 챔버들, 프로세스 챔버들에 할당된 다이어프램 압력 변환기, 및 이들에 할당된 신호 수신 유닛이 설비 챔버에 배치된, 도 3에 도시된 설비와 유사한 설비 장치의 단면도이다.
본 발명에 따른 압력 측정 게이지 장치는, 예컨대 도 1 내지 도 4에 개략적으로 그리고 예시적으로 도시된 바와 같이, 다이어프램 압력 변환기(23)를 포함하고, 상기 압력 변환기의 다이어프램은 프로세스 위치에 배치됨으로써 관건이 되는 프로세스 영역에 직접 노출되며, 압력 변환기는 신호 수신 유닛(32)과 광학적으로 통신하도록 연결되고, 수신 유닛은 대기를 격리시키는 설비 챔버 벽(30)에 배치된다.
이러한 유형의 압력 측정 게이지 장치는 광학 다이어프램 압력 변환기(23)를 포함하며, 다이어프램 압력 변환기는 금속 산화물, SiO2 또는 SiC 재료들 중 하나 이상으로 이루어진 하우징 본체(1)와 당해 하우징 본체로부터 짧은 간격을 두고 배치되면서 모서리 영역이 밀봉되어 하우징 본체와의 사이에 기준 압력 챔버(8)가 형성되는 다이어프램(5)을 포함하고, 당해 다이어프램(5)은 측정할 기체 형태의 매체를 갖는 프로세스 챔버(12, 34)에 노출되며, 이때 하우징 본체(1)는 적어도 중심 영역에 광 투과성 윈도우(3)를 포함하고, 당해 광 투과성 윈도우의 표면은 기준 압력 챔버(8)를 향한 측면이 부분 반사되는 거울(4)로서 형성되며, 윈도우를 향한 다이어프램(5)의 표면은 적어도 중심 영역에서 광학적으로 반사되도록 형성되고, 윈도우(3)에 대해 이격되어 광학 경로(9)를 형성하면서 다이어프램(5)의 표면으로 광을 결합 및 분리하기 위한 광 유도 섬유(22)를 구비한 신호 수신 유닛(32)이 기준 압력 챔버(8) 외부에 제공되어, 신호 분석 유닛(24)에 의해 다이어프램(5)의 편향을 검출하기 위한 측정 경로가 형성됨으로써, 패브리-페로 간섭계 장치가 형성된다. 이러한 경우, 프로세스 챔버(12, 34)는 대기(10)에 대해 격리되도록 챔버 벽(30)에 의해 둘러싸이고, 프로세스 챔버(12, 34)는 적어도 일부 영역에서 분리 수단(25, 31)에 의해 한정되어, 분리 수단(25, 31)과 당해 분리수단으로부터 이격된 챔버 벽(30) 사이에 에어 컨디셔닝 챔버(11, 33)가 형성되며, 챔버 벽(30)에는 신호 수신 유닛(32)이 광학적으로 관통하도록 배치되고, 분리 수단(25, 31)은 적어도 광학 경로(9)의 영역에 광 투과 수단(25a)을 구비하여, 다이어프램 압력 변환기(23)와 신호 수신 유닛(32) 사이에 광학적 압력 신호를 전달하기 위한 광학적 연결이 형성된다.
이러한 유형의 다이어프램 압력 변환기(23)를 구비한 압력 측정 게이지 장치는 고압의 기체 매체의 측정 및 특히 진공 측정에 특히 적합하다.
다이어프램 압력 변환기(23)의 바람직한 구조의 실시예들이 다양하게 변형되어 도 1a 내지 도 1c의 세부 단면도에 개략적으로 도시되어 있다. 하우징 본체(1)는 바람직하게는 원형의 플레이트 형태이다. 이러한 하우징 본체의 모서리를 따라 다이어프램(5)이 밀봉 연결되면서 하우징 본체(1)와 간격을 두고 위치함으로써, 그 사이에 기준 압력 챔버(8)를 형성하는데, 당해 기준 압력 챔버는 바람직하게는 진공 챔버이다. 통상적으로 두 표면 사이의 거리는 조립 시에 다이어프램과 하우징 본체의 모서리 사이에 배치된 밀봉 재료(2)에 의해 직접 세팅된다. 이러한 방식으로 완전히 평평한 하우징 플레이트(1)가 사용될 수 있고 다이어프램은 외부에서 인가되는 압력에 따라 편향되거나 움직일 수 있다.
하우징 본체는 금속 산화물, SiO2, SiC, 유리 또는 이들의 혼합물을 함유하거나 이로 구성된다. 바람직하게는, 하우징 본체는 금속 산화물, 특히 산화알루미늄(Al2O3)으로 구성된다. 특히 적합한 Al2O3 산화알루미늄은 결정 형태의 고순도 사파이어다. 결국 하우징 본체(1)는 세라믹 플레이트로서 형성될 수 있다.
다이어프램(5)은, 예를 들면, SiC, SiO2 또는 바람직하게는 금속 산화물과 같은 재료들 중 하나 또는 이들의 혼합물을 함유하거나 이로 구성된다. 금속 산화물이 산화알루미늄, 바람직하게는 결정 형태의 고순도 사파이어인 경우에 유리하다.
동일한 유형으로, 다이어프램(5)의 반대편 측면에 다이어프램으로부터 간격을 두고 제2의 플레이트 형태의 하우징 본체가 모서리 주변이 고정되어 배치될 수 있는데, 이로써 측정 압력 챔버가 형성된다(도면에 도시되지 않음). 이러한 측정 압력 챔버는 프로세스의 측정할 매체와 연통하는 개구를 포함한다. 이러한 구조를 통해 필요한 경우에 한 하여, 예를 들면 플라즈마 프로세스로부터의 전하 캐리어 충돌과 같은 원하지 않는 장애를 차단할 수 있다. 또한, 제2의 하우징 플레이트 대신에 다이어프램 측면에도 다른 조치 또는 추가의 조치,예를 들면 시브 형태의 장치, 후드, 덮개, 커버, 차폐판 등이 제공될 수 있다.
앞서 기술한 바에 상응하게 다이어프램의 양 측면에서 밀봉부(2)가 다이어프램(5)에 대한 하우징 본체(1)의 간격을 규정한다. 예를 들면 그리고 바람직하게는, 밀봉부(2)는 간단하게 취급될 수 있고 예컨대 실크 스크린 인쇄에 의해 도포될 수 있는 유리 땜납이다. 이러한 유리 페이스트의 용융온도 또는 소결온도는 바람직하게는 630℃ 내지 800℃의 범위이다. 외경이 38mm(바람직하게는 5 내지 80mm의 범위, 특히 바람직하게는 5 내지 40mm의 범위)이고 다이어프램의 자유 내경이 30mm(바람직하게는 4 내지 75mm의 범위)인 바람직한 다이어프램 압력 변환기는, 하우징 본체(1)에 대한 다이어프램(5)의 간격이 2㎛ 내지 200㎛의 범위, 바람직하게는 2㎛ 내지 50㎛, 특히 바람직하게는 12㎛ 내지 35㎛의 범위이다. 이러한 바람직한 예의 경우, 하우징 본체(1)의 두께는 2mm 내지 10mm이다. 가능한 제2의 하우징 본체의 두께는 동일한 범위이다.
다이어프램(5)의 두께는 10㎛ 내지 1000㎛의 범위, 바람직하게는 30㎛ 내지 800㎛의 범위이다. 다이어프램(5)의 비평활도는, 10㎛ 이하가 유리하고 5㎛ 이하가 바람직하다.
하우징 본체(1)는 적어도 중심 영역에 광 투과성 윈도우(3)를 포함하고, 당해 광 투과성 윈도우의 표면은 기준 압력 챔버(8)를 향한 측면이 부분 반사성 제1 거울(4)로서 형성되며, 당해 거울을 향한 다이어프램(5)의 표면은 적어도 중심 영역에서 다이어프램(5)의 표면에, 바람직하게는 다이어프램(5)의 적어도 중심 영역에 제2의 광학 반사 표면(6)을 갖는다. 이들 거울면(4, 6)은 거울층(4, 6)을 형성하는 반사 필름으로 피복된 층으로서 형성될 수 있다. 피복층 대신에, 바람직하게는 다이어프램 표면에 유리 땜납 점(point)을 이용한 제2의 거울(6)이 형성될 수 있는데, 유리 땜납 점은 반사면으로서의 글레이징(glazing) 처리된 표면을 생성하기 위해 고온에서, 예를 들면, 700℃ 내지 800℃의 범위에서 버닝(burning) 처리되어야 고품질의 원하는 거울을 형성한다. 이와 같이 유리 점에 의해 거울을 형성하는 개념이 특히 유리한데, 거울이 간단하게 생성될 수 있고 이러한 방식으로 형성된 거울면의 경우, 필요한 고도의 반사 품질이 저하되지 않으면서 고온을 견디기 때문이다. 부분 반사되도록 형성된 제1 거울(4)은 사용된 하우징 본체(1)의 재료에 따라, 예를 들면 재료가 제1 거울(4) 및 윈도우(3)의 영역에서 폴리싱(polishing) 및/또는 랩핑(lapping)과 같은 적합한 처리에 의해 적합한 광학적 표면 품질을 얻을 수 있는 경우에 한하여, 피복층 없이도 생성될 수 있다. 이러한 경우에 특히 적합한 재료는, 예를 들면 유리, 석영(SiO2), 특히 사파이어다.
다이어프램(5)은 적어도 부분적으로 반사되는 영역을 위해, 예를 들면 피복층, 바람직하게는 가급적 양호한 반사 피복층을 포함한다. 적어도 부분 투과성 하우징 부품(1)의 내측 표면 또는 윈도우(3)의 내측 표면에는, 예를 들면 부분 투과성 피복층, 바람직하게는 반투과성 피복층이 제공된다.
서로 대면하여 위치하는 광학 유효면을 갖는 공동인 기준 압력 챔버(8)는 간섭계 원리에 따른 신호 판독을 위한 특정 품질 요건을 충족하여 양호한 신호값을 달성하도록 형성되어야 한다. 광학적으로 작용하는 표면은 가급적 평행하게 구성되어야 한다. 윈도우(3)의 두 표면의 각도 편차(α), 다이어프램 표면의 각도 편차(β) 및 다이어프램 표면 중 부분 반사 영역의 각도 편차(γ)의 합(｜α+β+γ｜)은 0.05rad의 전체값을 초과하지 않아야 한다.
하우징 본체(1)는 적어도 부분적으로 산화알루미늄으로, 바람직하게는 사파이어 형태로 구성되고, 이러한 부분은 바람직하게는 중심 영역에 위치하여 광 투과성 윈도우(3)를 형성한다. 또한, 예를 들면 하우징 본체(1)의 재료 자체가 충분한 투과성을 갖지 않는 경우에는, 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 광 투과성 윈도우(3)는 투과성 삽입체로서 하우징 본체(1) 내에 배치될 수도 있다. 이러한 경우, 윈도우(3)는 적합한 투과성 재료, 바람직하게는 유리, 석영 또는 사파이어로 이루어진다. 별도의 개별 삽입 부품으로서 윈도우(3)는 하우징 부품(1)의 중심 영역에서 진공 밀봉되도록 밀봉부와 연결된다.
하우징 본체(1) 자체가 적합한 광 투과성 재료로 구성되는 경우, 동시에 이러한 하우징 본체는 광학 경로(9a)를 통해 공급되는 결합될 광선(9)을 위한 윈도우(3)를 형성하므로, 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 별도의 윈도우 부품(3)이 필요하지 않게 된다.
다이어프램(5) 뿐만 아니라 하우징 본체(1)는 앞서 언급된 재료 그룹 중에서 광 투과성 재료 또는 비투과성 재료로 구성될 수 있다. 도 1c에는 다이어프램 압력 변환기(23)에 대한 바람직한 실시예가 예시적으로 도시되어 있는데, 당해 실시예의 경우, 다이어프램(5) 뿐만 아니라 하우징 본체(1)도 광 투과성 재료, 예를 들면 바람직하게는 사파이어로 구성된다.
기준 압력 챔버(8)에는 측정할 압력에 따라 상응하는 적합한 기준 압력이 제공된다. 진공 측정 장치의 경우에는 진공이 제공되고, 1bar를 초과하는 고압 측정의 경우에는 상응하게 맞춰진 더 높은 기준 압력이 제공될 수 있다. 따라서, 기준 압력 챔버(8) 내의 압력은 하우징 본체(1) 내의 공급 라인을 통해 상응하게 규정되어 설정되며, 공급 라인은 커버(7)로 폐쇄된다.
특히 다이어프램 압력 변환기(23)를 진공 측정 장치로서 사용하는 경우, 하우징 본체(1) 내에 또는 이에 접하여 추가의 게터 챔버(getter chamber)가 제공되는 것이 유리한데, 당해 챔버는 압력 게이지의 장시간 사용 기간에 걸쳐서 일정하고 우수한 진공 품질을 보장하기 위해 기준 압력 챔버(8)와 통신한다(도면에 도시되지 않음).
광학 다이어프램 압력 변환기(23)는 패브리-페로 측정 장치의 일부를 형성하며, 이제 본 발명에 따라 프로세스의 원하는 측정 위치에 원활한 자유도로 위치할 수 있다.
도 1d에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 광(9)은 기준 압력 챔버(8)의 외부로부터 광학 경로(9a)를 거쳐서 윈도우(3)를 통해 다이어프램 표면에 도입 안내되거나 다이어프램 표면으로부터 도출 안내된다. 탄성 다이어프램(5)의 상이한 두 측면 사이의 압력차는 다이어프램(5)의 편향을 야기하고, 이로써 광학 공동(8)(cavity) 내부에서 광학 경로 길이가 상응하게 변경된다. 광(9)은 사파이어 하우징(1)를 통해 또는 세미 반사 표면(4)을 갖는 윈도우(3)를 통해 다이어프램 표면의 거울면(6)에 포커싱되고, 이로부터 광은 두 개의 거울(4, 6) 사이에서 복수의 반사(R)와 투과(T)에 의한 간섭 현상이 진행된 이후 다수의 이용가능한 방법들[예를 들면 피체라우 간섭계(FISO사 제품), 백색광 편광 간섭계(OPSENS사 제품), 마이클손 간섭계, 분광계 등] 중 어느 하나에 의해 분석되는데, 이때 다이어프램에 의한 광학 공동의 길이와 더불어 압력차가 검출된다. 따라서, 게이지 장치는 패브리-페로 간섭계 검출 또는 분석 장치의 일부이다. 광선(9)은 설비 챔버 벽(30)에 배치된 신호 수신 유닛(32)을 통해 대기측으로부터 프로세스 영역을 향해 광 경로(9a)를 통해 다이어프램 압력 변환기(23) 쪽으로 그리고 이의 역방향으로 안내된다. 신호 수신 유닛(32)으로부터 광 신호는 설비 챔버(30) 외부에서 광 유도 섬유(22)를 통해 패브리-페로 신호 분석 유닛(24)에 제공되어, 도 2 내지 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 신호 분석 유닛이 앞서 언급된 압력 측정 신호를 검출하고 제공할 수 있게 된다.
다이어프램의 두께는 다이어프램의 자유 직경 및 원하는 최대 휨과 더불어 사용될 압력 범위를 규정한다.
도 2a에는 신호 수신 유닛(32)과 다이어프램 압력 변환기(23)를 구비한 압력 측정 게이지 장치가 예시적으로 도시되어 있는데, 다이어프램 압력 변환기는 본 발명에 따라 설비 챔버(30)에 대한 프로세스 챔버(12, 34)의 상응하는 분리 수단(25)이 제공된 프로세스 설비 내에 제공된다. 챔버 벽(30)을 갖는 설비 챔버(30) 내에서 통상적인 바와 같이 프로세스가, 바람직하게는 진공 프로세스가 수행된다. 설비 챔버(30)는 프로세스 대기(12)와 통상의 대기(주변)에 상응하는 주변 대기 사이에 일반적인 분리를 형성한다. 이러한 두 영역은 상이한 대기 챔버라고 지칭될 수도 있는데, 프로세스 챔버(12) 내에 다른 대기 또는 상이한 조건들, 예를 들면 압력, 기체의 종류, 프로세스, 전하 캐리어 등이 존재하기 때문이다.
이미 언급한 바와 같이 본 발명에 따르면, 특히 프로세스 챔버(34) 내부의 원하는 규정된 위치에 직접 다이어프램 압력 변환기(23)를 가까이 위치시킴으로써 이러한 위치에서 압력을 직접 측정할 수 있게 된다. 이를 위해, 이러한 위치와 설비 챔버 벽(30) 사이에는 프로세스 구조 자체의 구성에 의한 분리 수단(25)에 의해 형성되는 자연적인 분리 영역(25)이 제공되거나 특별히 배치된 분리 수단(25)이 제공된다. 이로써 분리 수단(25)과 설비 챔버 벽(30) 사이에는 분리되는 방식으로 작용하는 별도의 에어 컨디셔닝 챔버(11, 33)가 형성된다. 이로써 측정 위치는 나머지 주변의 영향들로부터 목적에 맞게 분리된다. 분리 수단(25)은, 예를 들면 진공 기술에 공지되어 있고 통상적인 바와 같이, 예컨대 전하 캐리어를 갖는 프로세스를 위한 자기장 및/또는 전기장 및/또는 기계적인 수단과 같이 간단하게 압력 단계(압력 구배)를 형성하는 조치일 수 있다. 도 2a에는 기계적으로 형성되고 시브 형태로 형성된 분리 수단(25)이 도시되어 있다. 다이어프램 압력 변환기가 프로세스 챔버 내부에서 상응하는 위치에 사용되는 경우, 광선(9)의 투과를 위해 분리 수단(25)에 분리 윈도우(25a)가 제공될 수 있어서 다이어프램 압력 변환기(23)와 신호 수신 유닛(32) 사이의 통신 연결이 이루어진다. 분리 수단(25)으로서 도 2a에 도시된 시브 구조의 경우, 분리 윈도우(25a)는 간단히 시브의 구멍(25a)이다. 도 2b에는 분리 수단(25)이 벽(25, 31)으로서 도시되고, 이러한 경우, 광선(9)의 투과를 위해 광 경로 영역(9a)에 광학 분리 윈도우(25a)가 벽과 밀봉 연결되면서 광 투과를 위해 제공되어야 한다. 벽은, 필요에 따라, 프로세스 장치의 구성 부품 중 일부 및/또는 별도의 구성 부품으로서 형성될 수 있고 임의의 형태를 가질 수 있다. 그러나 특히 상응하게 형성된 판금 부품이거나 챔버 자체의 추가의 벽이 적합하다.
다이어프램 압력 변환기(23)는 도 2a 및 도 2b의 실시예에서 프로세스 대기 내부에 잠기도록 도시되어 있다. 그러나 또한, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 분리 수단(25) 자체의 일부분이 되거나 적어도 부분적으로 분리 수단 내에 밀봉 삽입될 수도 있다. 이러한 경우, 해당 분리 수단(25) 내에 추가의 분리 윈도우(25a)가 전혀 필요하지 않다. 분리 수단(25, 31)은 부분적인 팽창부를 갖도록 형성될 수 있거나 내부 챔버, 특히 프로세스 챔버(12, 34)를 완전히 둘러싸는 것이 가능하다. 또한, 분리 벽(25, 31)은 적어도 부분적으로 개구를 가질 수 있으나, 바람직하게는 전혀 개구를 갖지 않고 기체 밀봉된다.
도 2a 및 도 2b의 두 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 신호 수신 유닛(32)은 설비 챔버 벽(30)에 밀봉 배치되며, 설비 챔버 벽은 대기(10)에 대한 둘레를 형성한다. 설비 챔버 벽은 다시 대기(10)에 대해 광 유도 섬유(22)의 광 안내를 통해 신호 분석 유닛(24)과 연결된다. 신호 분석 유닛(32)은, 예를 들면 플랜지(20)를 갖는 부착 부품으로서 설비 챔버 벽(30)에 위치하여 이 위치에 밀봉 고정될 수 있다. 또한, 예를 들면 광 유도 섬유(22) 또는 광 가이드 장치를 정확하게 고정 및 정렬시키는 고정 장치(21)가 제공된다.
바람직하게는, 신호 수신 유닛들(32 내지 32") 중 하나 이상이 광을 포커싱하는 수단을 포함함으로써, 광선(9)을 할당된 다이어프램 압력 변환기(23)에, 특히 다이어프램 압력 변환기의 윈도우(3) 및 다이어프램(5)에 더욱 정확하고 규정에 맞게 배향 및 포커싱할 수 있다. 이를 위해 다이어프램 압력 변환기(23)의 방향으로 광 유도 섬유(22)의 단부에서 광 경로(9a) 내에 배치되는 구형 렌즈 또는 다른 렌즈나 렌즈 시스템이 제공될 수 있다.
광학 윈도우(3)의 영역에서 다이어프램 압력 변환기(23)의 하우징 본체(1) 표면과 신호 수신 유닛(32) 사이의 거리는 0.1mm 내지 50cm의 범위, 바람직하게는 1.0mm 내지 100.0mm의 범위일 수 있다.
광선(9)과 함께 광학 경로(9a)가 하우징 본체의 윈도우(3) 표면에 ±100 mrad의 최대 편차에서 90°의 각도로 입사하도록 하우징 본체(1) 및 신호 수신 유닛(32)은 서로 정확하게 상응하고 서로에 대해 기울어지지 않게 정렬 배치되어야 하는 점에 유의해야 한다.
도 3에는 설비 챔버(30)가 프로세스 챔버(31)를 완전히 둘러싸서 이들 두 챔버 사이에 프로세스와 분리된 에어 컨디셔닝 챔버(33, 11)가 형성되는 프로세스 설비가 예시적으로 도시되어 있다. 이러한 실시예에서 에어 컨디셔닝 챔버(33, 11)는 진공 펌프(35)에 의해 진공 배기되고 밸브(37)를 통해 프로세스 기체 공급원(36)으로부터 프로세스 기체가, 예를 들면 플라즈마 프로세스를 위해 프로세스 챔버(31) 내의 프로세스 공간(34) 속으로 공급된다. 또한, 예를 들면 챔버 벽(31) 또는 프로세스의 다른 위치에서는 가열 장치(38)에 의해 가열 작동될 수도 있다. 이러한 실시예의 경우, 다이어프램 압력 변환기(23)는 프로세스 챔버의 벽(31) 내에 일체되어 배치된다. 그러나, 이러한 다이어프램 압력 변환기는 프로세스 챔버(31) 내부에 잠기도록 배치될 수도 있는데, 이러한 경우, 앞서 언급한 바와 같이, 광 경로(9a)의 영역에서 프로세스 챔버 벽(31)에 분리 윈도우(25a)가 제공되며, 당해 분리 윈도우는 다이어프램 압력 변환기(23)를 외측 챔버 벽(30)에 배치된 신호 수신 유닛과 광학적으로 연결시킬 수 있다. 또한, 중간 챔버인 에어 컨디셔닝 챔버 내에 상응하는 다이어프램 압력 변환기(23)가 제공되어, 챔버에서 별도의 추가 프로세스를 수행하고 구현할 수도 있다.
도 4에는 서로에 의해 완전히 둘러싸여 배치되는 다수의 프로세스 챔버들(31 내지 31")을 둘러싸는 설비 챔버(30)를 구비한 프로세스 설비가 예시적으로 도시되어 있다. 도시된 실시예에는 각각의 프로세스 공간(34 내지 34")을 갖는 서로의 내부에 배치된 3개의 프로세스 챔버(31 내지 31")가 도시되며, 당해 챔버들은 상이한 에어 컨디셔닝 공간(33, 34)을 형성하기 위해 분리 수단(25)을 나타낸다. 그러나 프로세스 챔버들은 설비 챔버(30) 내에서 옆으로 나란히 또는 혼성 배열로 배치될 수도 있다. 각각의 챔버 벽에 다이어프램 압력 변환기(23 내지 23")가 배치된다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이, 다이어프램 압력 변환기는 프로세스 공간들(34 내지 34") 중 어느 하나의 내부에 선택적으로 배치될 수도 있다. 다이어프램 압력 변환기(23 내지 23")는 광학 경로(9 내지 9")를 통해 설비 챔버(30)의 외부에 위치하는 벽에 할당된 신호 분석 유닛(32 내지 32")과 통신 연결된다. 광학 경로와 벽이 교차하는 곳에는 광 투과가 가능하도록, 상응하는 분리 윈도우(25a)가 제공되어야 한다. 제1 프로세스 챔버의 외피(31)와 설비 챔버(30)의 외벽 사이에 다시 에어 컨디셔닝 공간(33)이 형성된다. 서로 둘러싼 다수의 프로세스 챔버들(34 내지 34")을 갖는 본 실시예의 장치에서 프로세스 챔버 벽(31 내지 31") 자체를 갖는 장치는 상이한 에어 컨디셔닝 공간을 형성하는데, 분리 수단(25, 31)에 의해 분리되어야 하는, 각각의 챔버 내에 상이한 조건들이 존재하기 때문이다. 이들 챔버는 필요에 따라 상이하게 작동될 수 있다.
바람직한 장치의 경우, 2개 이상의 프로세스 챔버(12, 34, 34')가 제공되고 이들 프로세스 챔버들 중 하나 이상의 프로세스 챔버 내에 하나 이상의 다이어프램 압력 변환기(23)가 제공되며, 이때 각각의 측정 게이지(23)를 위해 서로 상응하는 해당 신호 수신 유닛(32, 32')은 챔버 벽(30)에 배치되고, 신호 수신 유닛은 각각 광학 경로(9, 9')를 통해 서로 작동 연결된다.
또한, 바람직하게는, 2개 이상의 프로세스 챔버(12, 34, 34')는 서로 둘러싸이고 이들 모두를 둘러싸는 에어 컨디셔닝 챔버(33) 내에 분리 수단(25, 31, 31')에 의해 분리되어 배치되며, 이때 분리 수단(25, 31, 31')은 바람직하게는 프로세스 챔버를 둘러싸서 서로 분리시키는 벽으로서 형성된다.
또한, 바람직하게는, 적어도 에어 컨디셔닝 챔버(11, 33)는 펌프(35), 바람직하게는 진공 펌프(35)와 연결된다.
또한, 바람직하게는, 에어 컨디셔닝 챔버들(11, 33) 및/또는 프로세스 챔버들(12, 34, 34') 중 하나 이상은 프로세스 기체 공급원(36)과 연결된다.
앞서 언급한 유형의 압력 측정 게이지 장치의 제조 방법은
- 광학 다이어프램 압력 변환기(23)를 제조하는 단계로서, 다이어프램 압력 변환기는 금속 산화물, SiO2 또는 SiC 재료들 중 하나 이상으로 이루어진 하우징 본체(1)와 당해 하우징 본체로부터 짧은 간격을 두고 배치되면서 모서리 영역이 밀봉되어 하우징 본체와의 사이에 기준 압력 챔버(8)가 형성되는 다이어프램(5)을 포함하고, 다이어프램(5)은 측정할 기체 형태의 매체를 갖는 프로세스 챔버(12, 34)에 노출되며, 이때 하우징 본체(1)는 적어도 중심 영역에 광 투과성 윈도우(3)를 포함하고, 광 투과성 윈도우의 표면은 기준 압력 챔버(8)를 향한 측면이 부분 반사되도록 형성되며, 윈도우를 향한 다이어프램(5)의 표면은 적어도 중심 영역에서 광학적으로 반사되도록 형성되는 단계,
- 다이어프램(5)의 표면으로 광을 결합 및 분리하기 위한 광 유도 섬유(22)를 구비한 신호 수신 유닛(32)을 기준 압력 챔버(8) 외부에 배치하는 단계로서, 윈도우(3)에 대해 이격되어 그 사이에 광학 경로(9)를 형성하면서 신호 분석 유닛(24)에 의해 다이어프램(5)의 편향을 검출하기 위한 측정 경로가 형성됨으로써, 패브리-페로 간섭계 장치가 형성되는 단계,
- 대기(10)에 대해 격리되도록 챔버 벽(30)으로 프로세스 챔버(12, 34)를 둘러싸는 단계,
- 프로세스 챔버(12, 34)를 적어도 일부 영역에서 분리 수단(25, 31)에 의해 한정하는 단계로서, 분리 수단(25, 31)과 당해 분리수단으로부터 이격된 챔버 벽(30) 사이에 에어 컨디셔닝 공간(11, 33)이 형성되는 단계, 및
- 챔버 벽(30)을 통해 광이 광학적으로 투과되도록 챔버 벽에 신호 수신 유닛(32)을 배치하는 단계로서, 이때 분리 수단(25, 31)에는 적어도 광학 경로(9)의 영역에 광 투과 수단(25a)이 배치되어, 다이어프램 압력 변환기(23)와 신호 수신 유닛(32) 사이에 광학적 연결이 형성되는 단계를 포함한다.
제안된 압력 측정 게이지 장치 및 이러한 장치의 제조 방법은 진공 프로세스 장치의 사용에 특히 적합하다.

Claims (24)

  1. 광학 다이어프램 압력 변환기(23)를 구비한 압력 측정 게이지 장치로서, 압력 변환기는 금속 산화물, SiO2 또는 SiC 재료들 중 하나 이상으로 이루어진 하우징 본체(1)와 당해 하우징 본체로부터 짧은 간격을 두고 배치되면서 모서리 영역이 밀봉되어 하우징 본체와의 사이에 기준 압력 챔버(8)가 형성되는 다이어프램(5)을 포함하고, 당해 다이어프램(5)은 측정할 기체 형태의 매체를 갖는 프로세스 챔버(12, 34)에 노출되며, 이때 하우징 본체(1)는 적어도 중심 영역에 광 투과성 윈도우(3)를 포함하고, 당해 윈도우의 표면은 기준 압력 챔버(8)를 향한 측면이 부분 반사되도록 형성되며, 윈도우를 향한 다이어프램(5)의 표면은 적어도 중심 영역에서 광학적으로 반사되도록 형성되고, 윈도우(3)에 대해 이격되어 광학 경로(9)를 형성하면서 다이어프램(5)의 표면으로 광을 결합 및 분리하기 위한 광 유도 섬유(22)를 구비한 신호 수신 유닛(32)이 기준 압력 챔버(8) 외부에 제공되어, 신호 분석 유닛(24)에 의해 다이어프램(5)의 편향을 검출하기 위한 측정 경로가 형성됨으로써, 패브리-페로 간섭계 장치가 형성되는 압력 측정 게이지 장치에 있어서,
    프로세스 챔버(12, 34)는 대기(10)에 대해 격리되도록 챔버 벽(30)에 의해 둘러싸이고, 프로세스 챔버(12, 34)는 적어도 일부 영역에서 분리 수단(25, 31)에 의해 한정되어, 분리 수단(25, 31)과 당해 분리수단으로부터 이격된 챔버 벽(30) 사이에 에어 컨디셔닝 챔버(11, 33)가 형성되며, 챔버 벽(30)에는 신호 수신 유닛(32)이 광학적으로 관통하도록 배치되고, 분리 수단(25, 31)은 적어도 광학 경로(9)의 영역에 광 투과 수단(25a)을 구비하여, 다이어프램 압력 변환기(23)와 신호 수신 유닛(32) 사이에 광학적 연결이 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 다이어프램(5)이, 예를 들면, SiC, SiO2 또는 바람직하게는 금속 산화물과 같은 재료들 중 하나를 함유하거나 이들의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 금속 산화물이 바람직하게는 사파이어 형태의 산화알루미늄인 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징 본체(1)가 적어도 부분적으로 산화알루미늄, 바람직하게는 사파이어 형태의 산화알루미늄으로 구성되고, 이러한 재료 부분은 광 투과성 윈도우(3)를 형성하기 위해 중심 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 윈도우(3)가 사파이어 형태의 산화알루미늄으로 이루어진 별도의 삽입 부품으로 형성되고 밀봉부에 의해 하우징 부품(1)의 중심 영역에 진공 밀봉되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 다이어프램(5)이 적어도 부분 반사성 영역을 위해 피복층, 바람직하게는 완전 반사 피복층을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 부분 투과성 하우징 부품(1)의 내측 표면 또는 윈도우(3)의 내측 표면에는 부분 투과성 피복층, 바람직하게는 반투과성 피복층이 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적으로 작용하는 표면이 가급적 평행하게 형성되며, 이때 윈도우의 두 표면의 각도 편차(α), 다이어프램 표면의 각도 편차(β) 및 다이어프램 표면 중 부분 반사 영역의 각도 편차(γ)의 합(｜α+β+γ｜)이 0.05rad의 전체값을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 압력 챔버(8)를 포함하는 하우징 부품(1)의 내측 표면과 다이어프램(5)의 대면하는 표면이 2㎛ 내지 50㎛의 범위, 바람직하게는 12 내지 35㎛의 범위로 이격되고, 기준 압력 챔버(8)가 바람직하게는 진공 챔버인 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 다이어프램(9)의 두께가 10㎛ 내지 1000㎛의 범위, 바람직하게는 30㎛ 내지 800㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다이어프램(5)의 비평활도가 10㎛ 이하, 바람직하게는 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 윈도우의 영역에서 다이어프램 압력 변환기(23)의 하우징 본체(1) 표면과 신호 수신 유닛(32) 사이의 거리가 0.1mm 내지 50cm의 범위, 바람직하게는 1.0mm 내지 100.0mm의 범위인 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징 본체(1)와 신호 수신 유닛(32)이, 광선과 함께 광학 경로(9)가 하우징 본체의 윈도우(3) 표면에 ±100 mrad의 최대 편차에서 90°의 각도로 입사하도록, 서로 정렬 배치되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 수단이 분리 벽(25, 31)으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  15. 제14항에 있어서, 분리 벽(25, 31)이 적어도 부분적으로 개구를 갖고, 바람직하게는 전혀 개구를 갖지 않으며 기체 밀봉되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 다이어프램 압력 변환기(23) 자체가 적어도 부분적으로 분리 수단(25, 31), 특히 분리 벽의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 수단(25, 31) 및 이에 의해 형성된 에어 컨디셔닝 챔버(11, 33)가 프로세스 챔버(12, 34)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 프로세스 챔버(12, 34, 34')가 제공되고 이들 프로세스 챔버들 중 하나 이상의 프로세스 챔버 내에 하나 이상의 다이어프램 압력 변환기(23)가 제공되며, 각각의 측정 게이지(23)를 위해 서로 상응하는 해당 신호 수신 유닛(32, 32')이 챔버 벽(30)에 배치되고, 당해 신호 수신 유닛이 각각 광학 경로(9, 9')를 통해 서로 작동 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  19. 제18항에 있어서, 2개 이상의 프로세스 챔버(12, 34, 34')가 서로 둘러싸이고 이들 모두를 둘러싸는 에어 컨디셔닝 챔버(33) 내에 분리 수단(25, 31, 31')에 의해 분리되어 배치되며, 이때 분리 수단(25, 31, 31')이 바람직하게는 프로세스 챔버를 둘러싸서 서로 분리시키는 벽으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 에어 컨디셔닝 챔버(11, 33)가 펌프(35), 바람직하게는 진공 펌프(35)와 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 에어 컨디셔닝 챔버들(11, 33) 및/또는 프로세스 챔버들(12, 34, 34') 중 하나 이상이 프로세스 기체 공급원(36)과 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 신호 수신 유닛(32)이 광을 포커싱하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 진공 프로세스 장치인 것을 특징으로 하는 압력 측정 게이지 장치.
  24. 압력 측정 게이지 장치의 제조 방법으로서,
    - 광학 다이어프램 압력 변환기(23)를 제조하는 단계로서, 다이어프램 압력 변환기는 금속 산화물, SiO2 또는 SiC 재료들 중 하나 이상으로 이루어진 하우징 본체(1)와 당해 하우징 본체로부터 짧은 간격을 두고 배치되면서 모서리 영역이 밀봉되어 하우징 본체와의 사이에 기준 압력 챔버(8)가 형성되는 다이어프램(5)을 포함하고, 다이어프램(5)은 측정할 기체 형태의 매체를 갖는 프로세스 챔버(12, 34)에 노출되며, 이때 하우징 본체(1)는 적어도 중심 영역에 광 투과성 윈도우(3)를 포함하고, 광 투과성 윈도우의 표면은 기준 압력 챔버(8)를 향한 측면이 부분 반사되도록 형성되며, 윈도우를 향한 다이어프램(5)의 표면은 적어도 중심 영역에서 광학적으로 반사되도록 형성되는 단계,
    - 다이어프램(5)의 표면으로 광을 결합 및 분리하기 위한 광 유도 섬유(22)를 구비한 신호 수신 유닛(32)을 기준 압력 챔버(8) 외부에 배치하는 단계로서, 윈도우(3)에 대해 이격되어 그 사이에 광학 경로(9)를 형성하면서 신호 분석 유닛(24)에 의해 다이어프램(5)의 편향을 검출하기 위한 측정 경로가 형성됨으로써, 패브리-페로 간섭계 장치가 형성되는 단계,
    - 대기(10)에 대해 격리되도록 챔버 벽(30)으로 프로세스 챔버(12, 34)를 둘러싸는 단계,
    - 프로세스 챔버(12, 34)를 적어도 일부 영역에서 분리 수단(25, 31)에 의해 한정하는 단계로서, 분리 수단(25, 31)과 당해 분리수단으로부터 이격된 챔버 벽(30) 사이에 에어 컨디셔닝 공간(11, 33)이 형성되는 단계, 및
    - 챔버 벽(30)을 통해 광이 광학적으로 투과되도록 챔버 벽에 신호 수신 유닛(32)을 배치하는 단계로서, 이때 분리 수단(25, 31)에는 적어도 광학 경로(9)의 영역에 광 투과 수단(25a)이 배치되어, 다이어프램 압력 변환기(23)와 신호 수신 유닛(32) 사이에 광학적 연결이 형성되는 단계를 포함하는, 압력 측정 게이지 장치의 제조 방법.
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