KR20180042400A

KR20180042400A - 온도 프로브

Info

Publication number: KR20180042400A
Application number: KR1020187008470A
Authority: KR
Inventors: 테리 엠. 스테이플턴
Original assignee: 루마센스 테크놀로지스 홀딩스, 인코포레이티드
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-04-25
Also published as: JP2018537662A; CA2997985A1; US20180080835A1; WO2018057620A1; US10591365B2; CA2997985C; CN108139275A; CN108139275B

Abstract

챔버에서 사용하기 위한 온도 프로브가 개시된다. 온도 프로브는, 챔버의 바닥 상에 장착되는 사이드-홀이 구비된 중공 스탠드오프를 포함한다. 온도 프로브는, 스탠드오프의 상부에 고정되는 캡을 더 포함한다. 캡의 바닥면은 코팅을 포함한다. 온도 프로브는 또한, 스탠드오프에 수직으로 배치되는 광 파이프, 및 광 파이프 둘레에 배치되는 쉴드를 포함한다. 캡의 상면은, 온도가 측정되는 오브젝트의 바닥면과 동일-평면 상에 있다. 광 파이프의 감지 단부는 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입된다. 쉴드의 개구는, 광 파이프의 감지 단부와 코팅 사이의 광의 송신을 허용한다. 광 파이프 및 쉴드는 챔버의 측벽에서 피드-스루를 통과한다.

Description

온도 프로브

관련 출원에 대한 상호-참조

본 출원은, "TEMPERATURE PROBE"라는 명칭으로 2016년 9월 20일자로 출원된 미국 특허 가출원 일련번호 제62/397,135호에 대해 35 U.S.C. §§ 119(e)하의 우선권을 주장하며, 이로써 상기 출원의 전체 개시내용이 인용에 의해 본원에 명백히 포함된다.

온도의 측정은, 산업 애플리케이션을 포함하는 많은 환경에서 중요한 역할을 수행한다. 예를 들어, 반도체 산업에서, 종종 실리콘으로 제조되는 반도체 웨이퍼는, 웨이퍼를 에칭하는 데 사용된 포토레지스트(photoresist)를 제거하기 위해, 플라즈마 애싱(ashing)으로 또한 알려져 있는 애싱 프로세스를 거칠 수 있다. 이러한 프로세스는 350 ℃ 이상의 온도로 웨이퍼를 가열하도록 플라즈마가 생성될 수 있는 애싱 챔버에서 일어날 수 있다. 온도 측정은 추가로, 예컨대, 플라즈마의 존재, 높거나 낮은 프로세서, 극단적인 온도 등의 존재로 인해, 부적당한(hostile) 환경에서 수행될 수 있다. 따라서, 이러한 환경 조건과 호환 가능한 온도 센서가 필요할 수 있다.

일반적으로, 일 양상에서, 본 발명은 챔버에서 사용하기 위한 온도 프로브(temperature probe)에 관한 것이다. 온도 프로브는: 챔버의 바닥(floor) 상에 장착되는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프(hollow, opaque, insulating standoff) ― 스탠드오프는 사이드-홀을 가짐 ―; 스탠드오프의 상부에 고정되는 캡(cap) ― 캡의 바닥면은 코팅으로 코팅됨 ―; 스탠드오프에 수직으로 배치되는 광 파이프; 및 광 파이프 둘레에 광 파이프와 동축으로 배치되는 쉴드(shield)를 포함하며, 여기서, 캡의 상면은, 온도가 측정되는 오브젝트의 바닥면과 동일-평면(co-planar) 상에 있고, 여기서, 광 파이프의 감지 단부는 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입되고, 여기서, 쉴드는 광 파이프의 감지 단부와 코팅 사이에서의 광의 송신을 허용하는 개구를 가지면서 불투명하고, 개구는 광 파이프의 감지 단부와 정렬되고, 광 파이프의 감지 단부는 광 파이프의 축에 대해 45도 각도로 연마(polish)되고, 그리고 여기서, 광 파이프 및 쉴드는 챔버의 측벽에서 피드-스루(feed-through)를 통과한다.

일반적으로, 일 양상에서, 본 발명은 챔버에서 사용하기 위한 열전대 온도 프로브(thermocouple temperature probe)에 관한 것이다. 온도 프로브는, 챔버의 바닥 상에 장착되는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프 ― 스탠드오프는 사이드-홀을 가짐 ―; 열전대; 스탠드오프의 상부에 고정되는 캡 ― 열전대는 캡의 바닥면에 고정됨 ―; 및 스탠드오프에 수직으로 배치되는 쉴드를 포함하며, 여기서, 캡의 상면은, 온도가 측정되는 오브젝트의 바닥면과 동일-평면 상에 있고, 여기서, 쉴드는 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입되고, 여기서, 열전대의 와이어 리드(wire lead)는 스탠드오프를 통해 쉴드를 통과하고, 그리고 여기서, 쉴드는 챔버의 측벽에서 피드-스루를 통과한다.

일반적으로, 일 양상에서, 본 발명은, 광섬유 온도측정 시스템(fiber optic thermometry system)을 사용하여 챔버 내의 오브젝트의 온도를 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 시스템은, 인광체(phosphor) 온도 프로브 ― 프로브는, 챔버의 바닥 상에 장착되는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프(스탠드오프는 사이드-홀을 가짐), 스탠드오프의 상부에 고정되는 캡(캡의 바닥면은 인광체로 코팅됨), 스탠드오프에 수직으로 배치되는 광 파이프, 및 광 파이프 둘레에 광 파이프와 동축으로 배치되는 쉴드를 포함하고, 여기서, 캡의 상면은, 온도가 측정되는 오브젝트의 바닥면과 동일-평면 상에 있고, 여기서, 광 파이프의 감지 단부는 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입되고, 여기서, 쉴드는 광 파이프의 감지 단부와 인광체 사이에서의 광의 송신을 허용하는 개구를 가지면서 불투명하고, 개구는 광 파이프의 감지 단부와 정렬되고, 광 파이프의 감지 단부는 광 파이프의 축에 대해 45도 각도로 연마되고, 그리고 여기서, 광 파이프 및 쉴드는 챔버의 측벽에서 피드-스루를 통과함 ―; 광원 및 광 검출기를 포함하는 광섬유 온도 계기(fiber optic temperature instrument); 및 인광체 온도 프로브와 광섬유 온도 계기 사이에 광학적으로 배치되는 광섬유 케이블을 포함하고, 방법은, 광원에 의해 광 펄스를 생성하는 단계; 광 파이프에 의해 광 펄스를 인광체에 전파시키는 단계; 광 펄스로 인광체를 여기(excite)시키는 단계; 광 파이프에 의해, 여기된 인광체에 의해 방출되는 광을 광 검출기에 전파시키는 단계; 시간의 함수로서, 여기된 인광체에 의해 방출되는 광의 강도(intensity)를 측정하는 단계; 및 시간에 대한 함수로서 측정된 강도를 온도로 변환하는 단계를 포함한다.

도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 애싱 챔버의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 애싱 챔버의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 애싱 챔버의 개략적인 측면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 온도 프로브의 다양한 부분의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 광섬유 온도측정 시스템의 사시도이다.

이제, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 특정 실시예가 상세히 설명될 것이다. 다양한 도면에서 유사한 엘리먼트는 일관성을 위해 동일한 참조 번호로 표시된다.

본 발명의 실시예의 다음의 상세한 설명에서, 본 발명의 보다 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 기재된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예시에서, 설명을 불필요하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 특징은 상세히 설명되지 않는다.

다음의 논의 및 청구항에서, "포함하는" 및 "구비하는"이라는 용어는 제한을 두지 않는(open-ended) 방식으로 사용되며, 따라서 "포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, "커플링(couple)"또는 "커플링하다(couples)"라는 용어는 간접 또는 직접 연결을 의미하는 것으로 의도된다. 따라서, 제1 컴포넌트가 제2 컴포넌트에 커플링되는 경우, 그 연결은 직접 연결을 통해 이루어지거나 또는 다른 컴포넌트, 디바이스, 및 연결을 통한 간접 연결을 통해 이루어질 수 있다. 추가로, "축방향(axial)" 및 "축방향으로(axially)"라는 용어는 일반적으로, 중심 축 또는 길이방향(longitudinal) 축을 따르거나 그에 평행 한 것을 의미하는 반면, "반경방향(radial)" 및 "반경방향으로(radially)"라는 용어는 일반적으로 중앙 길이방향 축에 수직인 것을 의미한다.

본 출원 전체에 걸쳐, 서수(ordinal number)(예컨대, 제1, 제2, 제3 등)는 엘리먼트(즉, 본 출원 내의 임의의 명사)에 대한 형용사로서 사용될 수 있다. 서수의 사용은, 이를테면, 용어들 "전", "후", "단일", 및 다른 그러한 용어의 사용에 의해 명백히 개시되지 않는 한, 엘리먼트의 임의의 특정 순서를 암시하거나 생성하기 위한 것이 아니며, 임의의 엘리먼트를 오직 단일 엘리먼트인 것으로 제한하려는 것 또한 아니다. 오히려, 서수를 사용하는 것은 엘리먼트 간을 구별하기 위한 것이다. 예로서, 제1 엘리먼트는 제2 엘리먼트와 구별되며, 제1 엘리먼트는 하나 초과의 엘리먼트를 포함할 수 있고 그리고 엘리먼트의 순서에서 제2 엘리먼트에 후속(또는 선행)될 수 있다.

도 1 내지 도 5의 다음의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예에서 도면과 관련하여 설명되는 임의의 컴포넌트는, 임의의 다른 도면과 관련하여 설명되는 하나 이상의 유사하게 명명된 컴포넌트와 등가물일 수 있다. 간결성을 위해, 이러한 컴포넌트의 설명은 각각의 도면과 관련하여 반복되지 않을 것이다. 따라서, 각각의 도면의 컴포넌트의 각각의 그리고 모든 각각의 실시예는 참조에 의해 포함되며, 하나 이상의 유사하게 명명된 컴포넌트를 갖는 모든 각각의 다른 도면 내에서 선택적으로 존재하는 것으로 가정된다. 부가적으로, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 도면의 컴포넌트의 임의의 설명은, 임의의 다른 도면의 대응하는 유사하게 명명된 컴포넌트와 관련하여 설명된 실시예에 부가하여, 그와 함께, 또는 그 대신에 구현될 수 있는 선택적 실시예로서 해석되어야 한다.

본 개시는 온도 프로브로 지칭되는 디바이스에 관련된다. 더 구체적으로는, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 본 개시내용은 온도 프로브에 관한 것으로, 온도 프로브의 센서 표면은, 온도가 모니터링되는 오브젝트, 이를테면 반도체 웨이퍼에 대한 지지부로서 또한 기능한다.

도 1을 참조하면, 하나 이상의 실시예에서, 플라즈마 애싱 챔버(1), 또는 단순히 애싱 챔버가, 반도체 웨이퍼(도시되지 않음)의 생산의 일부로서 반도체 산업에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 애싱 챔버(1)는, 에칭을 겪은 웨이퍼로부터 포토레지스트(photoresist)를 제거하는 데 사용될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 웨이퍼(11)(도 3에 도시됨)는 애싱 챔버(1)에서 350 ℃ 이상으로 가열될 수 있다. 이러한 온도가 달성될 수 있고, 웨이퍼의 세정은 애싱 챔버(1)에서 플라즈마를 생성함으로써 수행될 수 있다. 애싱 챔버(1)는, 예를 들어, 평면을 결정하는 3개의 포인트에서 웨이퍼를 홀딩(hold)하도록 설계된 셀(cell), 가능하게는 원통형 캐비티(cavity)이다. 그러나, 애싱 챔버(1)는 본 발명을 벗어나지 않으면서 또한 다른 형상일 수 있다. 애싱 챔버(1)는 폐쇄될 때 가스-기밀 밀폐(gas-tight seal)를 제공하는 덮개(lid)(8)(도 3에 도시됨)를 가질 수 있다. 3개의 포인트는, 애싱 챔버(1)의 바닥(3) 상에 장착되고 그리고 본질적으로 그에 직교하는 2개의 석영 핀(pin)(2), 및 애싱 챔버(1)의 측벽(6)에서 피드-스루(5)를 통과하는 온도 프로브(4)일 수 있다. 온도 프로브(4)는 피드 스루(5)와 가스-기밀 밀폐를 이룰 수 있다. 가스-기밀 밀폐는, 개스킷(gasket), O-링(o-ring), 또는 당 업계에 공지된 다른 수단으로 생성될 수 있다. 온도 프로브는, 바닥(3) 상에 장착되고 그리고 본질적으로 그에 직교하는 스탠드오프(7)를 포함할 수 있다. 온도 프로브(4)는, 도 4a 내지 도 4c와 함께 아래에서 더 상세히 다루어질 것이다. 하나 이상의 실시예에서, 애싱 챔버(1)는 헬륨, 아르곤, 크세논 또는 다른 희가스(noble gas)로 채워질 수 있다. 하나 이상의 다른 실시예에서, 애싱 챔버(1)는 진공처리(evacuate)될 수 있다. 진공처리된 애싱 챔버(1)의 동작 압력은 수 mTorr 내지 그의 수 배의 Torr의 범위의 임의의 범위에 있을 수 있다. 대안적으로, 애싱 챔버는 또한 대기압에서 동작되거나 심지어 가압될 수 있다. 애싱 챔버의 온도는 200 ℃를 초과할 수 있다.

도 2는 애싱 챔버(1)의 하나 이상의 실시예의 개략적인 평면도를 제공하며, 석영 핀(2)과, 스탠드오프(7) 및 피드-스루(5)를 포함하는 온도 프로브(4)의 상대적인 포지션을 도시하고, 피드-스루(5)는, 온도 프로브(4)가 애싱 챔버(1)의 측벽(6)을 통과하는 것을 허용한다.

도 3은, 하나 이상의 실시예의 개략적인 측면도를 제공한다. 애싱 챔버(1)는 덮개(8)를 통해 접근 가능할 수 있는 내부를 갖는다. 하나 이상의 실시예에서, 온도 프로브(4)는, 스탠드오프(7) 상에 고정되는 캡(9), 및 피드-스루(5)를 통해 측벽(6)을 통과하는 쉴드(10)를 포함한다. 캡(9)은 또한 센서로 지칭될 수 있다. 캡(9)은, 도 4a에 추가로 예시된 바와 같이, 상면(13), 바닥면(14), 및 측면을 갖는 원통형 형상일 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 캡(9)의 상부는, 반도체 웨이퍼(11)에 대한 지지를 제공할 수 있다. 부가하여, 캡(9)의 상부는, 웨이퍼(11)의 바닥면과 동일-평면 상에 있을 수 있어서, 둘 사이에 양호한 열적 접촉이 제공된다.

도 4a 내지 도 4c는, 온도 프로브(4)의 하나 이상의 실시예의 더 상세한 내용을 제공한다. 하나 이상의 실시예에서, 온도 프로브(4)는 인광체 온도측정에 의존하는 광섬유 온도 프로브일 수 있다. 인광체 온도측정은, 인광체를 여기시키는 특정 파장의 광 펄스로 인광체를 일루미네이팅(illuminate)하여, 인광체로 하여금 광을 방출하게 한다. 이러한 방출된 광의 강도는 시간의 경과에 따라 감소하며, 온도의 함수인 특성 감쇠 시간(decay time)을 갖는다. 따라서, 인광체(12)를 여기시키고 방출된 광의 감쇠를 관측함으로써, 인광체의 온도, 그리고 더 나아가, 코팅되는 것의 온도가 결정될 수 있다.

이제 도 4a를 참조하면, 하나 이상의 실시예에서, 인광체 온도 프로브(4)는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프(7)를 포함할 수 있다. 본 개시내용의 목적을 위해, 불투명하다는 것은, 측정에서 사용된 방사(radiation)의 파장(들)에서 불투명함을 의미하는 것으로 정의된다. 스탠드오프(7)의 불투명도는, 온도 측정이 플라즈마로부터의 방사에 의해 오류를 일으키지 않도록 유지하는 데 있어 중요하다. 스탠드오프(7)의 절연 특성은 추가로, 스탠드오프(7)의 내부를 플라즈마의 영향으로부터 격리시킨다. 절연되어 있으므로, 스탠드오프는 또한 불량한 열 전도체이다. 따라서, 웨이퍼(11)로부터의 열은 스탠드오프(7)로 끌어 들여지지 않는다. 결과적으로, 캡(9)은, 스탠드오프(7)가 양호한 절연체가 아닌 경우보다 더 반응적으로 웨이퍼의 온도를 따를 수 있다. 스탠드오프는, 인광체(12)를 향해 지향되는 펄스형의 자극성(stimulating) 방사 및 인광체에 의해 방출되는 방사 둘 모두에 대한 광학 경로를 제공하기 위한 중공이다. 캡(9)은 스탠드오프(7)의 상부에 고정될 수 있다. 캡(9)은, 접착제, 가능하게는 세라믹 접착제를 사용하여 고정될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 캡(9)은 알루미늄을 포함한다. 알루미늄은 비교적 낮은 열용량을 가지며, 이에 따라, 알루미늄이 노출되는 상황의 온도 변화에 신속하게 응답한다. 반도체 산업에서, 애싱 챔버(1)의 경우, 캡(9)의 상부(13)가 웨이퍼(11)의 바닥면과 동일 평면 상에 있을 수 있어서, 웨이퍼(11)에 대한 지지 및 양호한 열 접촉 둘 모두가 제공된다. 캡(9)의 하부(14)는 인광체(12)로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 결합제(binder), 예컨대, 측정될 온도 범위와 호환 가능한 화학적 화합물로 적용될 수 있다. 대안적으로, 코팅은, 본 발명을 벗어나지 않으면서, 온도 감응성 형광체(fluorophore)를 포함할 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 스탠드오프(7)에는 광 파이프 삽입을 위한 사이드-홀(15)이 제공된다.

도 4b는, 광 파이프(16)와 연관된 특징과 함께 인광체 온도 프로브(4)의 광 파이프(16)의 하나 이상의 실시예를 제시한다. 하나 이상의 실시예에서, 광 파이프(16)는 실리카, 석영 또는 사파이어를 포함할 수 있다. 대안적으로, 광 파이프는 중공 튜브(hollow tube)일 수 있다. 광 파이프(16)의 감지 단부(17)는 스탠드오프(7)의 사이드-홀(15)에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 광 파이프(16)의 감지 단부(17)는 45°의 각도로 연마될 수 있다. 중공 튜브가 광 파이프(16)로서 사용되는 경우, 광 파이프는 45° 각도에서 감지 단부(17)에 배치되는 미러(mirror)를 구비할 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 캡(9)의 축(18)은 광 파이프(16)의 축(19)과 직각으로 배치될 수 있다. 따라서, 광 파이프(16)의 연마된 감지 단부(17)는, 광이 광 파이프(16)로부터 스탠드오프(7)를 통해 인광체 코팅(12)으로 그리고 그 반대로 전파되는 것을 허용하는 반사 표면을 제공한다. 대안적으로, 미러는, 광이 스탠드오프를 통해 광 파이프(16)로부터 전파될 수 있도록 광을 편향시킬 것이다. 광 파이프(16)에는, 챔버 내의 플라즈마로의 노출에 의해 파이프(16)가 열화되는 것을 보호하고 그리고 플라즈마에 의해 도입될 수 있는 측정 잡음을 최소화하기 위해 쉴드(10)가 제공될 수 있다. 쉴드(10)는 광 파이프(16) 둘레에 그리고 그(광 파이프(16))와 동축으로 배치될 수 있다. 쉴드(10)는 복수의 동축 층을 포함할 수 있다. 복수의 동축 층의 최내측 층은 금속 피복(20, metal sheath)일 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 금속 피복(20)은 스테인리스 강(stainless steel)으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 세라믹이 금속 대신에 사용될 수 있다. 금속 피복(20)은 인광체(12)와의 광통신을 허용하기 위한 개구(21)를 가질 수 있다. 쉴드(10)는 또한, 금속 피복(20)으로부터 반경방향으로 외측에 배치되는 석영의 층(22)을 가질 수 있다. 석영의 층(22)은 애싱 챔버(1)의 동작 동안 생성되는 플라즈마로부터 금속 피복(20)을 보호할 수 있다.

도 4c는, 광 파이프(16)의 연마된 감지 단부(17)에서 반사되어 인광체(12)를 자극하는, 광 파이프(16)에 따른 광의 양방향 전파를 도시한다.

위에 설명된 온도 프로브(4)는 약간의 수정으로 고온측정(pyrometry)용으로 사용될 수 있다. 고온측정은, 오브젝트의 온도를, 그 오브젝트에 의해 방출되는 열 방사를 수동적으로 관측함으로써 측정한다. 오브젝트에 의해 방출되는 열 방사는 온도의 함수이다. 온도 프로브(4)가 고온측정에 기반할 때, 인광체 코팅(12)은, 예를 들어, 흑체(blackbody) 코팅 또는 공지된 방사율(emissivity)을 갖는 임의의 다른 코팅으로 대체된다.

하나 이상의 실시예에서, 온도 프로브(4)는 열전대(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 열전대는 캡(9)에 피닝될(peened)수 있고 그리고 와이어 리드가 열전대에 제공될 수 있으며, 여기서, 광 파이프(16)는 인광체 및 고온측정 온도 프로브를 위한 것일 수 있다. 그런 다음, 와이어 리드는 열전대로부터의 신호를 온도로 변환하기 위해 적절한 계측기에 연결될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예는 유리하게, 캡(9)의 바닥면(14)에서 인광체(12)에 대한 직접적인 플라즈마 노출이 없도록, 전체 측정 경로를 둘러싼다. 온도 프로브(4)의 또 다른 이점은, 고정된 표면, 즉, 웨이퍼(11)의 바닥면과 동일-평면 상에 있는 캡(9)의 상면(13)을 제공한다는 것이다. 이는, 웨이퍼와의 양호하고 재현 가능한 열 접촉을 보장하며, 이에 따라, 프로세스 일관성을 개선시킨다. 따라서, 설계는, 부적당한 환경에 노출된 경우조차 긴 시간 동안 정확하고 신뢰 가능한 온도 측정을 제공할 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 온도 프로브(4)는 광섬유 온도측정 시스템(30, fiber optic thermometry system)에 통합될 수 있다. 도 5를 참조하면, 인광체 온도 프로브(4, phosphor temperature probe)가 도시된다. 인광체 온도 프로브(4)는, 사이드-홀(15)을 갖는 스탠드오프(7), 및 캡(9)을 포함할 수 있으며, 캡(9)의 상면(13)은, 웨이퍼(도시되지 않음)를 지지하고 웨이퍼와 양호한 열 접촉을 이루게 한다. 인광체 온도 프로브(4)는, 석영 층(22)에 의해 둘러싸이는 개구(21)를 갖는 금속 피복(20)을 포함하는 쉴드(10)에 의해 차폐된 광 파이프(16)를 더 포함할 수 있다. 프로브(4)는 피드-스루(5)를 통해 애싱 챔버의 측벽(6)에서 가스-기밀 밀폐를 이룬다. 인광체 온도 프로브(4)는, 광섬유 케이블(32)을 통해 광섬유 온도 계기(31, fiber optic temperature instrument)에 연결될 수 있다. 광섬유 온도 계기(31)는, 광원, 광 검출기, 및 시간의 함수로서 검출된 광을 온도로 변환하는 유닛을 포함할 수 있다. 변환은, 인광체 코팅(12)의 온도의 함수인 특성 감쇠 시간과, 신호의 지수적 감쇠를 맞추는 것에 기반할 수 있다.

광섬유 온도측정 시스템을 이용하여, 상이한 광원 및 인광체가 특정 온도 범위의 온도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 레이저 또는 LED는, 측정 요건을 충족시키기 위해 호환 가능한 인광체와 결합될 수 있다. 예를 들어, 가시광(visible) LED 또는 레이저는, 최대 400℃의 온도를 커버하기 위한 인광체와 매칭될 수 있다. 이러한 인광체는 자외선 - 근적외선 범위에 위치한 특정 파장 또는 파장 범위의 광에 의해 여기 가능(excitable)할 수 있다.

도 5에 개시된 시스템과 유사한 시스템이 또한 고온측정 및 열전대 측정에 사용될 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 온도 프로브(4)는 고온측정 시스템에 통합될 수 있다. 고온측정을 이용하여, 오브젝트의 표면 온도를 결정하기 위해, 오브젝트의 표면에서 방출되는 열 방사를 측정할 수 있다. 오브젝트의 표면에서 방출되는 열 방사는, 표면 온도의 함수로서 증가하며, 방사율로 호칭되는, 오브젝트 또는 오브젝트의 표면의 특성에 직접 비례한다. 방사율은, 열 방사로 에너지를 방출하는 오브젝트 또는 표면의 유효성(effectiveness)을 측정한 것이다. 고온측정 시스템을 이용하여, 표면의 방사율이 알려져 있는 경우, 관측되는 오브젝트의 수동적 관측이, 온도의 결정을 허용한다. 따라서, 광원은 고온측정 시스템에서 요구되지 않는다. 고온측정 센서, 예컨대, 적외선 방사선 속(radiation flux) 감지는, 흑체 코팅에 의한 방출을, 예컨대 중공 튜브로서 설계된 광 파이프를 통해 직접 측정하는 데 사용될 수 있다.

도 5를 참조하여, 하나 이상의 실시예에 따른, 챔버에서 온도를 측정하는 방법이 개시될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 광섬유 계기(31)의 광원은 광 펄스를 생성할 수 있다. 광 펄스는 광섬유 케이블(32)을 통해 온도 프로브(4)의 광 파이프(16)로 전파될 수 있다. 광 펄스는, 캡(9) 상의 인광체 코팅(12)을 향하여, 광 파이프(16)의 연마된 감지 단부에서 반사될 수 있다. 인광체 코팅(12)을 여기시키기 위해, 펄싱되는 이러한 광의 이러한 컬러(또는 파장 또는 주파수)가 선택될 수 있다. 인광체 코팅(12)은, 광 펄스에 대한 응답으로, 시간의 함수로서 감소하는 강도로 광을 방출할 수 있다. 인광체 코팅(12)으로부터의 이러한 광은, 인광체 코팅에 의해 방출된 광의 강도가 시간의 함수로서 광 검출기에 의해 측정되는 광섬유 계기(31)로 다시 전파될 수 있다. 그런 다음, 광섬유 계기(31)는, 시간의 함수로서 검출된 광을 온도로 변환할 수 있다.

본 발명은 제한된 수의 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자는, 본 개시내용의 이점을 갖는 당업자는 본원에 개시된 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예가 고안될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims

챔버에서 사용하기 위한 온도 프로브(temperature probe)로서,
상기 챔버의 바닥(floor) 상에 장착되는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프(hollow, opaque, insulating standoff) ― 상기 스탠드오프는 사이드-홀을 가짐 ―;
상기 스탠드오프의 상부(top)에 고정되는 캡(cap) ― 상기 캡의 바닥면은 코팅으로 코팅됨 ―;
상기 스탠드오프에 수직으로 배치되는 광 파이프; 및
상기 광 파이프 둘레에 그리고 상기 광 파이프와 동축으로 배치되는 쉴드(shield)를 포함하며,
상기 캡의 상면(top surface)은, 온도가 측정되는 오브젝트의 바닥면(bottom surface)과 동일-평면(co-planar) 상에 있고,
상기 광 파이프의 감지 단부(sensing end)는 상기 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입되고,
상기 쉴드는 상기 광 파이프의 감지 단부와 상기 코팅 사이에서의 광의 송신을 허용하는 개구를 가지면서 불투명하고, 상기 개구는 상기 광 파이프의 감지 단부와 정렬되고, 상기 광 파이프의 감지 단부는 상기 광 파이프의 축에 대해 45도 각도로 연마(polish)되고,
상기 광 파이프 및 상기 쉴드는 상기 챔버의 측벽에서 피드-스루(feed-through)를 통과하는, 챔버에서 사용하기 위한 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 캡은 알루미늄으로 구성되는, 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 광 파이프는, 실리카, 석영, 및 사파이어로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 광 파이프는 중공 튜브(hollow tube)인, 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 쉴드는 복수의 동축 층(coaxial layers)을 포함하는, 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 복수의 동축 층의 최내측 층은 금속 피복(metal sheath)이고, 상기 금속 피복으로부터 반경방형으로 외측에 석영의 층이 배치되는, 온도 프로브.
제6항에 있어서,
상기 금속 피복은 스테인리스 강(stainless steel)으로 구성되는, 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 피드-스루는 상기 쉴드와 가스-기밀 밀폐(gas-tight seal)를 이루는, 온도 프로브.
제1항에 있어서,
상기 코팅은 인광체(phosphor)를 포함하는, 온도 프로브.
제9항에 있어서,
상기 인광체는, 자외선 - 근적외선 범위의 광에 의해 여기 가능한(excitable) 인광체로 이루어진 그룹의 멤버인, 온도 프로브.
광섬유 온도측정 시스템(fiber optic thermometry system)으로서,
제9항에 따른 온도 프로브;
광원 및 광 검출기를 포함하는 광섬유 온도 계기(fiber optic temperature instrument); 및
상기 온도 프로브와 상기 광섬유 온도 계기 사이에 광학적으로 배치되는 광섬유 케이블을 포함하는, 광섬유 온도측정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 코팅은 공지된 방사율(emissivity)의 흑체(blackbody) 코팅을 포함하는, 챔버에서 사용하기 위한 온도 프로브.
고온측정(pyrometry) 시스템으로서,
제12항에 따른 온도 프로브; 및
공지된 방사율을 갖는 상기 흑체 코팅으로부터 방출되는 방사(radiation)를 측정하는 검출기를 포함하는, 고온측정 시스템.
챔버에서 사용하기 위한 열전대 온도 프로브(thermocouple temperature probe)로서,
상기 챔버의 바닥(floor) 상에 장착되는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프(hollow, opaque, insulating standoff) ― 상기 스탠드오프는 사이드-홀을 가짐 ―;
열전대;
상기 스탠드오프의 상부에 고정되는 캡 ― 상기 열전대는 상기 캡의 바닥면에 고정됨 ―; 및
상기 스탠드오프에 수직으로 배치되는 쉴드를 포함하며,
상기 캡의 상면은, 온도가 측정되는 오브젝트의 바닥면과 동일-평면 상에 있고,
상기 쉴드는 상기 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입되고,
상기 열전대의 와이어 리드(wire lead)는 상기 스탠드오프를 통해 상기 쉴드를 통과하고,
상기 쉴드는 상기 챔버의 측벽에서 피드-스루를 통과하는, 챔버에서 사용하기 위한 열전대 온도 프로브.
제14항에 있어서,
상기 캡은 알루미늄으로 구성되는, 열전대 온도 프로브.
제14항에 있어서,
상기 쉴드는 복수의 동축 층을 포함하는, 열전대 온도 프로브.
제16항에 있어서,
상기 복수의 동축 층의 최내측 층은 금속 피복이고, 상기 금속 피복으로부터 반경방형으로 외측에 석영의 층이 배치되는, 열전대 온도 프로브.
제17항에 있어서,
상기 금속 피복은 스테인리스 강으로 구성되는, 열전대 온도 프로브.
제14항에 있어서,
상기 피드-스루는 상기 쉴드와 가스-기밀 밀폐를 이루는, 열전대 온도 프로브.
광섬유 온도측정 시스템을 사용하여 챔버 내의 오브젝트의 온도를 측정하기 위한 방법으로서,
상기 시스템은,
인광체 온도 프로브;
광원 및 광 검출기를 포함하는 광섬유 온도 계기; 및
상기 인광체 온도 프로브와 상기 광섬유 온도 계기 사이에 광학적으로 배치되는 광섬유 케이블;을 포함하며,
상기 프로브는,
상기 챔버의 바닥 상에 장착되는 중공의 불투명한 절연 스탠드오프 ― 상기 스탠드오프는 사이드-홀을 가짐 ―;
상기 스탠드오프의 상부에 고정되는 캡 ― 상기 캡의 바닥면은 인광체로 코팅됨 ―;
상기 스탠드오프에 수직으로 배치되는 광 파이프; 및
상기 광 파이프 둘레에 그리고 상기 광 파이프와 동축으로 배치되는 쉴드;
를 포함하고,
상기 캡의 상면은, 온도가 측정되는 상기 오브젝트의 바닥면과 동일-평면 상에 있고,
상기 광 파이프의 감지 단부는 상기 스탠드오프의 사이드-홀에 삽입되고,
상기 쉴드는 상기 광 파이프의 감지 단부와 상기 인광체 사이에서의 광의 송신을 허용하는 개구를 가지면서 불투명하고, 상기 개구는 상기 광 파이프의 감지 단부와 정렬되고, 상기 광 파이프의 감지 단부는 상기 광 파이프의 축에 대해 45도 각도로 연마되고,
상기 광 파이프 및 상기 쉴드는 상기 챔버의 측벽에서 피드-스루를 통과하고,
상기 방법은,
상기 광원에 의해 광 펄스를 생성하는 단계;
상기 광 파이프에 의해 상기 광 펄스를 상기 인광체에 전파시키는 단계;
상기 광 펄스로 인광체를 여기(excite)시키는 단계;
상기 광 파이프에 의해, 여기된 인광체에 의해 방출되는 광을 상기 광 검출기에 전파시키는 단계;
시간의 함수로서, 상기 여기된 인광체에 의해 방출되는 광의 강도(intensity)를 측정하는 단계; 및
시간에 대한 함수로서 상기 측정된 강도를 온도로 변환하는 단계;
를 포함하는, 광섬유 온도측정 시스템을 사용하여 챔버 내의 오브젝트의 온도를 측정하기 위한 방법.