KR20160135731A - 마이크로 피라니 진공 게이지 - Google Patents

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KR20160135731A
KR20160135731A KR1020167026092A KR20167026092A KR20160135731A KR 20160135731 A KR20160135731 A KR 20160135731A KR 1020167026092 A KR1020167026092 A KR 1020167026092A KR 20167026092 A KR20167026092 A KR 20167026092A KR 20160135731 A KR20160135731 A KR 20160135731A
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KR
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vacuum sensor
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thermal conductivity
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micropilani
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KR1020167026092A
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레이 구
스테픈 에프. 바트
올리 웬젤
Original Assignee
엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
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    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/10—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured
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Abstract

낮은 열 전도도 지지 요소를 이용하는 마이크로 피라니 진공 게이지가 설명된다. 마이크로 피라니 게이지 또는 진공 센서는, 가스를 가열하고, 가스의 압력에 대응하는 신호를 생성하도록 동작하는 가열 요소; 가열 요소를 수용하도록 구성되고, 제1 열전도 계수를 갖는 플랫폼; 및 기판에 연결되고, 기판 내에 배치된 어퍼처 내에서 가열 요소가 있는 플랫폼을 지지하도록 구성된 지지 요소를 포함할 수 있고, 지지 요소는 제2 열전도 계수를 가지며, 제2 열전도 계수는 제1 열전도 계수보다 더 작다. 마이크로 피라니 게이지를 포함하는 다중 모드 압력 감지도 설명된다.

Description

마이크로 피라니 진공 게이지{MICRO-PIRANI VACUUM GAUGES}
[관련 기술에 대한 교차 참조]
본 출원은, 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는, 2014년 3월 25일 출원되고 발명의 명칭이 "MICRO-PIRANI VACUUM GAUGES"인 미국 특허 출원 제14/224,927호에 기초하며, 그에 대한 우선권을 주장한다.
진공 게이지는 다수의 애플리케이션에 대하여 유용하다. 많은 산업계에서, 소정의 공정은 대략 1000 Torr로부터 10-9 Torr 미만까지와 같은 넓은 압력 범위에 대한 압력 측정을 필요로 한다. 일부 반도체 및 전자 소자 제조 공정은, 예를 들어, 전형적으로 초고진공(ultrahigh vacuum)으로부터 대기압까지 정확한 압력 측정을 필요로 한다.
한 종류의 진공 게이지는 진공이 측정되는 시스템에 연결된 튜브에 현수된 금속 필라멘트(일반적으로 플래티넘)을 포함한다. 연결은 보통 개스킷이나 O링으로 밀봉된 그라인딩된 유리 조인트(ground glass joint) 또는 플랜지형 금속 커넥터에 의해 이루어진다. 필라멘트는, 캘리브레이션 후에, 압력 판독값이 얻어지는 전기 회로에 연결된다. 이러한 게이지는, 최초 개발자와 관련하여, 보통 "피라니(Pirani)" 게이지라 불린다. 피라니 게이지의 동작은 현수형 히터(suspended heater)로부터 가스를 통한 히트 싱크로의 열 전달에 기초한다. 가스를 통한 열 컨덕턴스는 가스 압력의 함수이다. 따라서, 가스를 통한 열 컨덕턴스는 이의 압력의 계산을 허용한다. 가스를 통한 열 전달에 더하여 3가지 다른 열 전달 메커니즘이 있다: (1) 기계적 지지부를 통한 전도, (2) 가스에 의한 대류 및 (3) 복사.
도 1a 내지 1c는 종래 기술의 마이크로 피라니 센서(100)의 일례를 도시한다. 이 센서(100)의 핵심은 도 1a에서의 구조의 중심에 도시된 구불구불한 전기 필라멘트 히터(102)다. 이 필라멘트(102)는 개방된 캐비티가 아래에 있는(미도시) 얇은 절연 격판(diaphragm)(104)(예를 들어, SiN) 내에 매립된다. 이 얇은 격판(104)은 전기적으로 그리고 열적으로 모두 절연성이다. 이 격판(104)은 기판(106)에 연결된다. 도 1b는 히트 싱크 재료의 캡(112)을 수용할 수 있는 접합 재료층의 추가를 도시한다.
도 1a 내지 1c를 계속 참조하면, 전기 절연은 히터(102)로부터의 누설 전류를 제거하는데 사용될 수 있다. 열 절연은 격판(104)의 평면에서 전도에 기인하여 발생하는 기생 열 손실을 감소시킨다. 이 SiN 절연 격판의 단점은 (i) 진공에서 상당한 열을 기판에 전달하고, (ii) 가스 분자 교환을 통한 열 전달을 제한하고, (iii) 필라멘트 영역에서 불균일한 온도 분포를 나타낸다는 것이다.
본 개시 내용에 따른 본 기술은 마이크로 피라니 게이지의 다른 구조체 및 부품과 관련하여 낮은 열 전도도를 갖는 지지 구조체 또는 구조체들을 이용함으로써 다양한 이점을 제공한다.
마이크로 피라니 진공 게이지 또는 센서의 일례는, 본 개시 내용에 따라, 가스를 가열하고, 가스의 압력에 대응하는 신호를 생성하도록 동작하는 가열 요소; 가열 요소를 수용하도록 구성되고, 제1 열전도 계수를 갖는 플랫폼; 및 기판에 연결되고, 기판 내에 배치된 어퍼처 내에서 가열 요소가 있는 플랫폼을 지지하도록 구성된 지지 요소를 포함할 수 있고, 지지 요소는 제2 열전도 계수를 가지며, 제2 열전도 계수는 제1 열전도 계수보다 더 작다.
마이크로 피라니 센서는, 임의의 순서 또는 조합으로, 다음의 특징들 중 임의의 특징을 포함하거나 가질 수 있다:
제1 열전도 계수는 가열 요소의 열전도 계수 이상일 수 있다. 제2 열전도 계수는 제1 열전도 계수보다 적어도 한 차수 더 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 열전도 계수는 제1 열전도 계수보다 적어도 2 차수 더 작은 크기를 가질 수 있다. 제2 열전도 계수는 0.2 W/mK 이하일 수 있다. 지지 요소는, 예시적인 실시예에서, 파릴렌(parylene), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene(PTFE)), 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다; 그러나, 다른 재료도 물론 본 개시 내용의 범위 내에 있다. 지지 요소는 연속 격판(continuous diaphragm)일 수 있다. 지지 요소는 천공되거나(perforated) 패터닝될 수 있다. 가열 요소는 니켈, 티타늄 또는 플래티넘을 포함할 수 있다. 가열 요소는 0.003/℃ 이상의 저항 온도 계수를 갖는 재료를 포함할 수 있다. 플랫폼은 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 사파이어, 다이아몬드 또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 가열 요소는 플랫폼 내에 배치되고 가스에 직접 노출되지 않을 수 있다. 플랫폼은 지지 요소 내에 배치되고 가스에 직접 노출되지 않을 수 있다. 마이크로 피라니 센서는 기판에 연결되고 지지 요소를 덮는 캡을 더 포함할 수 있고, 캡은 캡의 벽과 플랫폼을 지지하는 지지 요소 사이에 갭을 갖는 부피부를 형성하도록 구성되고, 갭은 원하는 크기를 가지며, 갭은 부피부 내에서 가스 분자를 위한 원하는 크기의 평균 자유 행로(mean free path)를 제공할 수 있다. 마이크로 피라니 진공 센서는 1x10-6 Torr를 포함하는 동적 압력 측정 범위를 가질 수 있다.
이러한 게이지는 다른 장치, 예를 들어, 다른 종류의 압력 센서를 갖는 다중 모드 압력 게이지 내에 포함되거나 그 일부일 수 있다.
일례에서, 본 개시 내용에 따른 결합된 압력 게이지 또는 듀얼 모드 진공 센서는, (A) 제1 동적 압력 측정 범위를 갖는 제1 진공 센서를 포함할 수 있고, 제1 진공 센서는, (i) 가스를 가열하고, 가스의 압력에 대응하는 신호를 생성하도록 동작하는 가열 요소; (ii) 가열 요소를 수용하도록 구성되고, 제1 열전도 계수를 갖는 플랫폼; 및 (iii) 기판에 연결되고, 기판 내에 배치된 어퍼처 내에서 가열 요소가 있는 플랫폼을 지지하도록 구성된 지지 요소를 갖는 마이크로 피라니 진공 센서를 포함하고, 지지 요소는 제2 열전도 계수를 갖고, 제2 열전도 계수는 제1 열전도 계수보다 더 작다. 결합된 압력 게이지 또는 듀얼 모드 진공 센서는 또한 (B) 제2 동적 압력 측정 범위를 갖는 제2 진공 센서를 포함할 수 있다.
다중 모드 압력 게이지는, 임의의 순서 또는 조합으로, 다음의 특징들 중 임의의 특징을 포함하거나 가질 수 있다:
제1 열전도 계수는 가열 요소의 열전도 계수 이상일 수 있다. 제2 열전도 계수는 제1 열전도 계수보다 적어도 한 차수 더 작은 크기를 가질 수 있다. 제1 열전도 계수는 가열 요소의 열전도 계수와 동일할 수 있다. 제2 열전도 계수는 0.2 W/mK 이하일 수 있다. 지지 요소는 파릴렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다. 지지 요소는 연속 격판일 수 있다. 지지 요소는 천공되거나 패터닝될 수 있다. 가열 요소는 니켈, 티타늄 또는 플래티넘을 포함할 수 있다. 가열 요소는 0.003/℃ 이상의 저항 온도 계수를 갖는 재료를 포함할 수 있다. 플랫폼은 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 사파이어, 다이아몬드 또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 가열 요소는 플랫폼 내에 배치되고 가스에 직접 노출되지 않을 수 있다. 플랫폼은 지지 요소 내에 배치되고 가스에 직접 노출되지 않을 수 있다. 듀얼 모드 진공 센서는, 기판에 연결되고 지지 요소를 덮는 캡을 더 포함할 수 있고, 캡은 캡의 벽과 플랫폼을 지지하는 지지 요소 사이에 갭을 갖는 부피부를 형성하도록 구성되고, 갭은 원하는 크기를 가지며, 갭은 부피부 내에서 가스 분자를 위한 원하는 크기의 평균 자유 행로를 제공한다. 마이크로 피라니 진공 센서는 1x10-6 Torr를 포함하는 동적 압력 측정 범위를 가질 수 있다. 제2 센서는 마이크로 피라니 진공 센서를 포함할 수 있다. 제2 센서는 커패시턴스 마노미터를 포함할 수 있다. 제2 센서는 압전 저항(piezoresistive) 마노미터를 포함할 수 있다. 제2 센서는 공진기 압력 센서를 포함할 수 있다. 또한, 추가 센서가 포함될 수 있다.
마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 예시적인 방법은, 기판의 제1 측에 플랫폼 재료의 제1 층을 부착하는 단계; 플랫폼 재료의 제1 층에 가열 요소 재료를 부착하는 단계; 가열 요소 재료와 플랫폼 재료의 제1 층에 플랫폼 재료의 제2 층을 부착하는 단계; 가열 요소 재료를 지지하는 플랫폼을 형성하는 단계; 기판의 적어도 일부와 플랫폼의 적어도 일부 위로 지지 요소 재료의 제1 층을 부착하는 단계로서, 지지 요소 재료는 플랫폼 재료보다 더 낮은 열 전도 계수를 갖는 단계; 플랫폼에 인접한 기판 재료를 제거하는 단계로서, 어퍼처가 기판에 형성되고, 지지 요소 재료의 제1 층과 플랫폼의 일부를 노출시키는 단계; 및 기판의 제2 측 상에 그리고 지지 요소 재료의 제1 층 및 플랫폼의 노출된 부분 상에 재료의 제2 층을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법은, 임의의 순서 또는 조합으로, 다음의 특징들 또는 단계들 중 임의의 것을 포함하거나 가질 수 있다:
방법은, 제1 및 제2 측 상에 패시베이션층 또는 절연층을 갖는 기판을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 패시베이션층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물일 수 있다. 방법은, 플랫폼의 표면의 전체(또는 단지 일부) 위로 지지 요소 재료의 제1 층을 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 지지 요소 재료는 파릴렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다. 방법에서, 플랫폼에 인접한 기판 재료를 제거하는 단계는, 뒷측(backside)을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 방법에서, 지지 요소 재료의 제1 층을 부착하는 단계는 플랫폼의 노출된 영역을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 플랫폼 재료는 가열 요소 재료보다 더 높은 열전도 계수를 가질 수 있다.
이와 같은 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및 이점과 다른 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및 이점은 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 도면에 대한 검토로부터 명확하게 될 것이다.
도면은 예시적인 실시예를 개시한다. 이는 모든 실시예들을 예시하지 않는다. 다른 실시예들이 추가로 또는 대체하여 사용될 수 있다. 명료하거나 불필요할 수 있는 상세 사항은 공간을 절약하거나 더욱 효과적인 예시를 위하여 생략될 수 있다. 반대로, 일부 실시예들은 개시된 상세 내용을 전부 이용하지 않으면서 실시될 수 있다. 동일한 도면 부호가 상이한 도면에 나타날 때, 이는 동일하거나 유사한 구성요소나 단계를 지칭한다.
본 개시 내용의 양태는 제한하는 것이 아닌 예시적인 것으로 본질적으로 간주되어야 하는 첨부된 도면과 함께 읽어질 이어지는 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 수 있다. 도면에서는 반드시 축적에 맞추어질 필요는 없으며, 대신 본 개시 내용의 원리가 강조된다.
도 1a 내지 1c는 종래 기술의 피라니 게이지의 일례를 도시한다;
도 2a 및 2b는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지의 일례를 도시한다;
도 3은 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지를 제조하는 과정의 일례를 나타낸다;
도 4a 내지 4c는 본 개시 내용에 따른 소정의 마이크로 피라니 게이지의 이론적인 성능 특성과 시뮬레이션된 성능 특성을 도시하는 그래프이다;
도 5는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지와 함께 사용하기에 적합한 신호 조절/구동 회로의 일례를 나타낸다; 그리고,
도 6a 및 6b는, 본 개시 내용에 따른, 상이한 갭 거리를 갖는 마이크로 피라니 센서 또는 게이지의 이론적인 성능 특성과 시뮬레이션된 성능 특성을 도시하는 그래프이다.
특정 실시예가 도면에 도시되지만, 당해 기술 분야의 통상의 기술자는 도시한 실시예가 예시적인 것이며, 여기에서 설명된 다른 실시예뿐만 아니라, 도시된 것의 변형이 본 개시 내용의 범위 내에서 구상되거나 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
예시적인 실시예가 이제 설명된다. 다른 실시예들이 추가로 또는 대체하여 사용될 수 있다. 명료하거나 불필요할 수 있는 상세 사항은 공간을 절약하거나 더욱 효과적인 예시를 위하여 생략될 수 있다. 반대로, 일부 실시예들은 개시된 상세 내용을 전부 이용하지 않으면서 실시될 수 있다.
전술한 바와 같이, 피라니 게이지의 동작은 현수형 히터로부터 히트 싱크로 가스를 통한 열 전달에 기초한다. 가스를 통한 열 컨덕턴스는 이의 압력의 함수이다. 따라서, 가스를 통한 열 컨덕턴스의 측정은 이의 압력의 측정을 허용한다. 가스를 통한 열 전달에 더하여, 3가지 다른 열 전달 메커니즘이 있다: (1) 기계적 지지부를 통한 전도, (2) 가스에 의한 대류 및 (3) 복사. 이들 중에서, 복사는 마이크로 스케일의 센서에 대하여 무시할 만한 것으로 고려될 수 있고, 대류는 10 Torr 이하의 압력에서 무시할 만한 것으로 고려될 수 있다.
본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지의 실시예는, (i) 고체 지지부를 통한 열 전달을 억제/감소시키거나 최소화하고, 그리고/또는 (ii) 가스를 통한 열 전달을 증가/최대화시킨다. 예시적인 실시예에서, 파릴렌(parylene)과 같은 낮은 열 전도도 재료와 알루미늄 질화물과 같은 높은 전도도 재료로 이루어진 지지 요소가 언급된 이점을 제공하기 위하여 가열 필라멘트를 수용하거나 봉지하기(encapsulate) 위한 플랫폼으로서 사용될 수 있다; 다른 적합한 재료가 물론 본 개시 내용의 범위 내에서 사용될 수 있다. 실시예는 큰 센서 동적 범위를 제공할 수 있고, 그리고/또는 더 낮은 압력 민감도를 제공할 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지(또는 센서)(200)의 일례를 예시하는 도면이다. 전기 가열 요소, 예를 들어 필라멘트 히터(202)는, 도 2a에서 구조의 중심 근처에 도시된다. 이 필라멘트(202)는 열 전도 재료로 이루어진 얇은 플랫폼(204) 내에 매립되거나 또는 그에 의해 유지될 수 있다. 플랫폼(204)은, 기판(208)에 연결되고 기판(208) 내에 형성된 개방된 캐비티(미도시)에 대하여 가열 요소(202)가 있는 플랫폼(204)을 유지하는 격판 또는 지지 요소(206) 상에 위치될 수 있다. 지지 요소(206)는, 바람직하게는, 전기적으로 그리고 열적으로 모두 절연성이다. 가열 요소(202)는 적합한 재료로 이루어질 수 있으며, 그 예는 니켈, 티타늄, 플래티넘, 실리콘 또는 폴리실리콘이나 이와 유사한 것을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
도 2b는 센서(200)의 측면도를 도시하며, 접합 재료(212)에 의해 기판(208)에 연결된 히트 싱크 재료층의 캡(210)의 추가를 포함한다. 지지 요소(206)와 캡(210) 사이에 형성된 캐비티에 의해 제공되는 갭 거리(gap distance)(214)가 또한 도시된다.
본 기술에 따른 마이크로 피라니 게이지의 예시적인 실시예는, 예를 들어 플랫폼으로서 형성된, 알루미늄 질화물(AlN)과 같은, 높은 열 전도성이며, 전기적으로 절연되고, 기계적으로 강력한 재료로 덮인 고온 와이어 필라멘트를 포함한다. 알루미늄 질화물(AlN)은 SiN 16 W/m.K- 1와 비교되는 175 W/m.K-1의 열전도 계수를 갖는 예시적인 재료이다. AlN은 가열 필라멘트를 봉지하는데 사용될 수 있다. 가열 필라멘트와 플랫폼은 모두 매우 낮은 열전도 계수(0.084 W/m.K-1)를 갖는 파릴렌으로 이루어진 둘러싸는 지지 요소(또는 격판)에 의해 지지될 수 있다. 파릴렌(또는 임의의 낮은 열 전도도 재료)의 사용은 지지층을 통한 전도성 열 전달을 억제하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 플랫폼에서, 필라멘트 봉지재(encapsulant)로서의 AlN(또는 임의의 높은 열 전도도 재료)의 사용은 (캐비티 내에서) 플랫폼에 인접한 가스와의 가스 분자 교환을 통한 열 전달을 향상시킬 수 있다. 높은 열 전도도에 더하여, 봉지재 재료는 바람직하게는 고반응성 가스종에 의해 제공되는 것을 포함하는 광범위한 측정 환경에서 필라멘트를 파손 또는 부식으로부터 보호하도록 기계적으로 그리고 화학적으로 강력하다.
도 3은 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 예시적인 방법(300)(또는 이를 위한 공정)을 예시한다. 단계 (a)에서, 제1 및 제2 패시베이션 또는 절연층(304)을 갖는 기판(302)이 제공된다. 단계 (b)에서, 제1 플랫폼 재료층(306)은 기판(302)의 제1 측에 부착된다. 단계 (c)에서, 가열 요소 재료(308)는 제1 플랫폼 재료층(306)에 부착된다. 단계 (d)에서, 제2 플랫폼 재료층(310)이 가열 요소 재료(308) 및 제1 플랫폼 재료층(306)에 부착되어, 이에 의해 가열 요소 재료를 지지하는 플랫폼을 형성한다. 단계 (e)에서, 제1 지지 요소 재료층(312)이 기판의 적어도 일부와 플랫폼의 적어도 일부 위로 부착되고, 지지 요소 재료는 플랫폼 재료보다 더 낮은 열전도 계수를 가진다. 선택적으로, 어퍼처(314)(aperture)가 도시된 바와 같이 지지 요소 내에 만들어지거나 형성된다. 어퍼처(314)를 가지지 않는 실시예에서, 지지 요소 재료는 플랫폼을 덮을 수 있고, 이와 같이 지지 요소 재료를 덮는 것은 임의의 원하는 실용적인 깊이/높이를 가질 수 있다. 단계 (f)에서, 플랫폼에 인접한 기판 재료는, 예를 들어, DRIE(deep reactive ion etching)과 같은 적합한 기술에 의해, 기판의 뒷측(backside)으로부터 제거되거나 에칭되고, 어퍼처(318)가 기판에 제조되어, 제1 지지 요소 재료층과 플랫폼의 일부를 노출시킨다. 단계 (f)를 위하여 또한 도시된 바와 같이, 선택적인 제2 지지 요소 재료층(316)이 기판의 제2 측에, 그리고 제1 지지 요소 재료층과 플랫폼의 노출된 부분에 부착될 수 있다. 방법(300)을 위하여, 임의의 적합한 제조 기술이 당해 기술 분야에서의 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이 채용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 알루미늄 질화물(AlN)이 플랫폼을 위하여 사용될 수 있고, 그리고/또는 파릴렌이 지지 요소를 위하여 사용될 수 있다. 다른 예시적인 재료도 도시된다.
도 4a 내지 4c는 본 개시 내용에 따른 소정의 마이크로 피라니 게이지의 이론적인 성능 특성과 시뮬레이션된 성능 특성을 예시하는 그래프이다. 도 4a의 그래프는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지의 이론적인 성능을 압력에 대하여 그려진 열 컨덕턴스에 관하여 도시한다. 복사에 기인하는 열 컨덕턴스(또는 손실)는 "GRadiation"으로 표시되고, 가스 및 고체(게이지의 구조)의 열 컨덕턴스는 각각 "GGas" 및 "GSolid"로 표시된다. 마이크로 피라니 게이지의 전체 또는 결합된 열 컨덕턴스는 "GTotal"로 표시된다. 동적 범위 및 기울기 민감도도 또한 도시된다. 도 4b의 그래프는 실리콘 질화물(SiN)로 이루어진 막(membrane)을 이용하는 종래 기술의 마이크로 피라니 게이지에 비교되는, 파릴렌으로 이루어진 지지 요소를 이용하는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지의 이론적인 열 전도도를 도시한다. 도 4c의 그래프는 파릴렌으로 이루어진 지지 요소와 알루미늄 질화물(AlN)로 이루어진 플랫폼을 이용하는 예시적인 유망한 실시예의 동작 시뮬레이션을 도시한다. G_solid_SiN으로 표시된 직선은 전체 격판이 SiN으로 이루어진 경우에 발생할 수 있는 측방향 전도도(lateral conductivity)를 도시한다. G_solid_parylene으로 표시된 직선은, 격판 또는 지지 요소가 파릴렌으로 이루어지고 가열 요소가 AlN으로 이루어진 플랫폼 내에 봉지될 때 발생하는 측방향 전도도를 도시한다. 격판을 통한 열 전도가 파릴렌의 사용에 의해 감소된다는 것을 알 수 있다. 그 결과, 가장 낮게 검출된 압력은 SiN 격판을 사용하는 피라니 게이지에 비하여 델타-P(ΔP)만큼 더 낮다.
도 5는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지와 함께 사용하기에 적합한 신호 조절/구동 회로(500)의 일례를 나타낸다. 회로(500)는, 예를 들어 JFET(junction field effect transistor)(504, 506)인 2개의 전계 효과 트랜지스터와 관련되어 구성되는, 도시된 바와 같이 입력과 출력을 갖는 증폭기(502)를 포함할 수 있다. 또한, 소스 레지스터(508)와 가변 저항(예를 들어, 저항 회로망)(510)이, 예를 들어 도 2의 200인 마이크로 피라니 센서로부터 전압 신호를 수신할 수 있는 Vdd(512), Vo(514) 및 접지(516) 전압 단자와 함께, 회로(500)에 포함된다.
전술한 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 게이지는 다른 장치, 예를 들어 하나 이상의 다른 압력/진공 센서(예를 들어, 다른 마이크로 피라니 센서 또는 다른 종류의 압력 센서) 또는 다른 물리적 현상(예를 들어, 빛, 소리, 전기 및/또는 자기 특성 등)을 검출하는 센서를 갖는 다중 모드 압력 게이지 내에 포함되거나 또는 이의 일부일 수 있다. 여러 개의 마이크로 피라니 센서를 포함함으로써, 각각은 다른 갭 거리, 예를 들어 도 2의 갭 거리(214)를 처리한다. 갭 거리가 센서 내에서의 가스 분자에 대한 유효 평균 행로(effective mean path)를 정의할 수 있기 때문에, 상이한 갭 거리를 갖는 마이크로 피라니 센서들을 이용하는 것은, 예를 들어 중첩하는 범위, 연속하는 범위 및 분리되는 범위 등과 같은 원하는 바에 따라 선택/설계될 수 있는 대응하는 상이한 진공/압력 범위의 측정을 허용한다.
도 6a 및 6b는, 본 개시 내용에 따른, 상이한 갭 거리를 갖는 마이크로 피라니 게이지의 이론적인 성능 특성과 시뮬레이션된 성능 특성을 도시하는 그래프이다. 도 6a에서, 도시된 바와 같은 갭 거리를 갖는 3개의 상이한 마이크로 피라니 센서에 대하여, 측정된 열 전도도(세로 좌표)가 압력(가로 좌표)에 대해 도시된다. 도 6b의 그래프는, 각각 상이한 갭 거리에 대한, 열 전도도 대 압력의 4개의 그래프를 도시한다.
전술한 설명이 예시적인 실시예에 대한 것이지만, 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 센서의 지지 요소는 연속 격판/형상(continuous diaphragm/shape)일 필요는 없다는 것이 주목되어야 한다. 이러한 지지 요소는, 예를 들어, RIE(reactive ion etching)에 의한 O2 플라즈마를 이용하여 천공되거나(perforated) 패터닝될 수 있다. 이러한 구성은 측방향 열 전도를 더 감소시켜 이에 따라 센서의 저압 민감도를 증가시키는 역할을 한다.
따라서, 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 센서는 다양한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이는 피라니 센서의 현재 한계(예를 들어, 10-6 Torr까지) 아래의 압력 측정을 제공할 수 있다. 또한, 본 개시 내용에 따른 이러한 마이크로 피라니 센서는 감소된 전력 소비 및/또는 증가된 민감도를 제공할 수 있다.
(예를 들어) 파릴렌 및 AiN를 이용하는 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 센서의 실시예는, 몇 가지 예를 들면, 반도체 소자 처리/제조에서 전형적으로 마주치는 불소 및 다른 반응성 가스종, 예를 들어, 실란, 트리크롤로실란 및 테트라메틸실란과 같은 실리콘을 함유하는 화합물, 실리콘 테트라크롤로라이드 및 실리콘 테트라프로오라이드에 대한 내부식성을 제공할 수 있다. 따라서, 본 개시 내용에 따른 마이크로 피라니 센서의 실시예는 건식 에칭 반응 시스템과 같은 반도체 공정에서 특히 유용할 수 있다.
논의된 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및 이점은 단지 예시적인 것이다. 이들 및 이들과 관련된 논의는 어떠한 방식으로도 보호 범위를 제한하려고 의도되지 않는다. 많은 다른 실시예들도 고려될 수 있다. 이들은 더 적고, 추가적이고, 그리고/또는 상이한 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익 및/또는 이점을 가지는 실시예들을 포함한다. 이들도 구성요소 및/또는 단계가 상이하게 배열되고 그리고/또는 상이한 순서를 가지는 실시예를 포함한다.
본 개시 내용을 읽을 때, 통상의 기술자는 본 개시 내용의 실시예가 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 그들의 임의의 조합으로, 그리고 하나 이상의 네트워크를 통해 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 적합한 소프트웨어에는 데이터 획득 및/또는 데이터 조작의 구현을 설계 및/또는 제어하는 방법 및 기술(그리고 이의 일부)을 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능하거나 기계 판독 가능한 명령어를 구비할 수 있다. 임의의 적합한 소프트웨어 언어(기계 종속적 또는 기계 독립적)가 이용될 수 있다. 더욱이, 본 개시 내용의 실시예는, 예를 들어, 무선 RF 또는 IR 통신 링크를 통해 전송되거나 또는 인터넷으로부터 다운로드된 각종 신호에 포함되거나 또는 그에 의해 반송될 수 있다.
달리 언급되지 않는다면, 모든 측정, 값, 등급(rating), 위치, 크기, 사이즈 및 이어지는 특허청구범위를 포함하는 본 명세서에서 설명된 다른 사양은 대략적인 것으로 정확한 것은 아니다. 이들은 관련된 기능 및 속하는 기술분야에서 관례적인 기능과 일관성 있는 타당한 범위를 가지도록 의도된다.
본 개시 내용에 인용된 논문, 특허, 특허 출원 및 다른 간행물은 모두 참조로서 본 명세서에 편입된다.
"~하는 수단"이라는 어구는, 특허청구범위에 사용될 때, 설명된 대응하는 구조 및 재료와 그 균등물을 포함하도록 의도되며 그와 같이 해석되어야만 한다. 유사하게, "~하는 단계"라는 어구는, 특허청구범위에 사용될 때, 설명된 대응하는 작용과 그 균등물을 포함하도록 의도되며 그와 같이 이해되어야만 한다. 특허청구범위에서 이러한 어구들이 없는 것은 이들의 대응하는 구조, 재료 또는 작용이나 그 균등물로 제한되려고 의도되지 않으며, 그에 제한되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
설명되거나 예시된 어떠한 것도, 특허청구범위에 인용되었는지 여부에 관계없이, 공중에 대한 임의의 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익, 이점 또는 균등물의 헌납을 발생시키도록 의도되거나 이해되어서는 안 된다.
보호 범위는 이어지는 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 그 범위는, 특정 의미가 설명된 것을 제외하고는, 본 명세서와 후속 출원 경과에 비추어 이해될 때 특허청구범위에 사용되는 문언의 통상적 의미와 일치하는 만큼 넓게 그리고 모든 구조적 기능적 균등물을 포함하도록 의도되며 그와 같이 해석되어야 한다.

Claims (39)

  1. 가스를 가열하고, 가스의 압력에 대응하는 신호를 생성하도록 동작하는 가열 요소;
    상기 가열 요소를 수용하도록 구성되고, 제1 열전도 계수를 갖는 플랫폼; 및
    기판에 연결되고, 상기 기판 내에 배치된 어퍼처 내에서 상기 가열 요소가 있는 상기 플랫폼을 지지하도록 구성된 지지 요소
    를 포함하고,
    상기 지지 요소는 제2 열전도 계수를 갖고, 상기 제2 열전도 계수는 상기 제1 열전도 계수보다 더 작은,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열전도 계수는 상기 제1 열전도 계수보다 적어도 한 차수 더 작은 크기를 가지는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열전도 계수는 상기 제1 열전도 계수보다 적어도 2 차수 더 작은 크기를 가지는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열전도 계수는 0.2 W/mK 이하인,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 파릴렌(parylene), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene(PTFE)), 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 연속 격판(continuous diaphragm)인,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지 요소는 천공되거나(perforated) 패터닝된,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가열 요소는 니켈, 티타늄, 플래티넘, 실리콘 또는 폴리실리콘을 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가열 요소는 0.003/℃ 이상의 저항 온도 계수를 갖는 재료를 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플랫폼은 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 사파이어, 다이아몬드 또는 알루미늄 산화물을 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가열 요소는 상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 가스에 직접 노출되지 않는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플랫폼은 상기 지지 요소 내에 배치되고 상기 가스에 직접 노출되지 않는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 연결되고 상기 지지 요소를 덮는 캡을 더 포함하고, 상기 캡은 상기 캡의 벽과 상기 플랫폼을 지지하는 상기 지지 요소 사이에 갭을 갖는 부피부를 형성하도록 구성되고, 갭은 원하는 크기를 가지며, 상기 갭은 상기 부피부 내에서 가스 분자를 위한 원하는 크기의 평균 자유 행로(mean free path)를 제공하는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    1x10-6 Torr를 포함하는 동적 압력 측정 범위를 갖는,
    마이크로 피라니 진공 센서.
  15. (A) 제1 동적 압력 측정 범위를 갖는 제1 진공 센서; 및
    (B) 제2 동적 압력 측정 범위를 갖는 제2 진공 센서
    를 포함하고,
    상기 제1 진공 센서는,
    (i) 가스를 가열하고, 가스의 압력에 대응하는 신호를 생성하도록 동작하는 가열 요소;
    (ii) 상기 가열 요소를 수용하도록 구성되고, 제1 열전도 계수를 갖는 플랫폼; 및
    (iii) 기판에 연결되고, 상기 기판 내에 배치된 어퍼처 내에서 상기 가열 요소가 있는 상기 플랫폼을 지지하도록 구성되고, 상기 제1 열전도 계수보다 더 작은 제2 열전도 계수를 갖는 지지 요소
    를 갖는 마이크로 피라니 진공 센서를 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 열전도 계수는 상기 제1 열전도 계수보다 적어도 한 차수 더 작은 크기를 가지는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제2 열전도 계수는 0.2 W/mK 이하인,
    듀얼 모드 진공 센서.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 지지 요소는 파릴렌(parylene), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene(PTFE))을 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 지지 요소는 연속 격판(continuous diaphragm)인,
    듀얼 모드 진공 센서.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 지지 요소는 천공되거나(perforated) 패터닝된,
    듀얼 모드 진공 센서.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 가열 요소는 니켈, 티타늄, 플래티넘, 실리콘 또는 폴리실리콘을 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 가열 요소는 0.003/℃ 이상의 저항 온도 계수를 갖는 재료를 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 플랫폼은 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 사파이어, 다이아몬드 또는 알루미늄 산화물을 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 가열 요소는 상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 가스에 직접 노출되지 않는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 플랫폼은 상기 지지 요소 내에 배치되고 상기 가스에 직접 노출되지 않는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 기판에 연결되고 상기 지지 요소를 덮는 캡을 더 포함하고, 상기 캡은 상기 캡의 벽과 상기 플랫폼을 지지하는 상기 지지 요소 사이에 갭을 갖는 부피부를 형성하도록 구성되고, 갭은 원하는 크기를 가지며, 상기 갭은 상기 부피부 내에서 가스 분자를 위한 원하는 크기의 평균 자유 행로를 제공하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 마이크로 피라니 진공 센서는 1x10-6 Torr를 포함하는 동적 압력 측정 범위를 갖는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 제2 센서는 마이크로 피라니 진공 센서를 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 제2 센서는 커패시턴스 마노미터를 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  30. 제15항에 있어서,
    상기 제2 센서는 압전 저항(piezoresistive) 마노미터를 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  31. 제15항에 있어서,
    상기 제2 센서는 공진기 압력 센서를 포함하는,
    듀얼 모드 진공 센서.
  32. 기판의 제1 측에 플랫폼 재료의 제1 층을 부착하는 단계;
    상기 플랫폼 재료의 제1 층에 가열 요소 재료를 부착하는 단계;
    상기 가열 요소 재료 및 상기 플랫폼 재료의 제1 층에 플랫폼 재료의 제2 층을 부착하는 단계;
    상기 가열 요소 재료를 지지하는 플랫폼을 형성하는 단계;
    상기 기판의 적어도 일부와 상기 플랫폼의 적어도 일부 위로 지지 요소 재료의 제1 층을 부착하는 단계로서, 상기 지지 요소 재료는 상기 플랫폼 재료보다 더 낮은 열 전도 계수를 갖는 단계; 및
    상기 플랫폼에 인접한 기판 재료를 제거하는 단계로서, 어퍼처가 상기 기판에 형성되고, 상기 지지 요소 재료의 제1 층과 상기 플랫폼의 일부를 노출시키는 단계
    를 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 기판의 제2 측과, 상기 지지 요소 재료의 제1 층 및 상기 플랫폼의 노출된 부분에 제2 재료층을 부착하는 단계를 더 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 측 상에 패시베이션층을 갖는 기판을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 지지 요소 재료의 제1 층을 부착하는 단계는, 상기 플랫폼의 표면의 전체 위로 상기 재료를 부착하는 단계
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  37. 제32항에 있어서,
    상기 지지 요소 재료는 파릴렌(parylene), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene(PTFE))을 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  38. 제32항에 있어서,
    상기 플랫폼에 인접한 기판 재료를 제거하는 단계는, 뒷측(backside)을 에칭하는 단계를 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
  39. 제32항에 있어서,
    상기 지지 요소 재료의 제1 층을 부착하는 단계는 상기 플랫폼의 노출된 영역을 패터닝하는 단계를 포함하는,
    마이크로 피라니 진공 센서를 제조하는 방법.
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