TWI452275B - 真空量測單元 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用以量測壓力範圍很廣之高真空壓力的光學薄膜式真空計。
半導體產業尤其係使用化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、離子佈植和(乾式)蝕刻製程，製造半導體零件。半導體產業之製程的典型的壓力範圍和真空計的壓力範圍示於第1a圖。如第1a圖所示，這些製程操作典型係從10-4
到10mbar。用於這些應用之典型製程真空計係電容薄膜式真空計。
高溫薄膜式真空計的市場需求預期在未來幾年會成長，主要係由於原子層沉積法(ALD)被引入半導體製程，在特定應用方面，其需要量測升溫到300℃時的壓力，甚或更高。ALD製程的工具結構和LPCVD或CVD工具非常類似，其現為升溫到200℃的高溫電容薄膜式真空計(CDGs)的主要顧客。
電容薄膜式真空計(CDG)係根據懸掛在固體上且分隔兩個容器之薄膜的彈性變形。這兩個容器的壓力發生改變會造成薄膜移動。使得罩體和薄膜之間的距離改變。在高壓力下，薄膜的歪曲高於低壓力時(參見第1圖，第5圖，和第6圖)。金屬電極係放置在薄膜的間隙側和面對薄膜的基座上。這些金屬電極形成電容。間隙距離的改變會導致電容改變。因此，電容改變係壓力改變的指示器。此量測原理與氣體的型式無關。
壓力與壓力差可以藉由施加壓力到薄膜，然後量測其撓度，係為習知的方法。一種習知的和適當的量測撓度之方法，
係將薄膜配置設計成可變電容，其中與壓力改變有關的電容改變藉由量測電子工程學以習知方式評估。電容可以藉由配置一個很薄且可彎曲之薄膜，其非常靠近另一面，及藉由沉積導電膜在相對的兩側，或藉由將它們製成導電材料而產生。當壓力被施加到薄膜時，撓度改變，兩個電極之間的距離改變導致配置之可分析的電容改變。此種型式的感測器係由矽量產。平坦的基體和薄膜往往全由矽構成。也可以由合成材料製成，如結合玻璃基板的矽。此種感測器可以非常經濟的方式生產。但是，在真空應用中，此種型式的壓力感測器正常只用於範圍約從10-1
mbar到數bar之較高的壓力。當壓力低於10-1
mbar時，就不能再用矽達成高解析度。其原因之一就是矽表面會與環境反應，而損害靈敏的感測器特性。形成常壓空氣部分的水蒸氣在表面會導致相對應的反應。當感測器係用在化學侵蝕的環境下時，此問題會變得更嚴重。基於此原因，期望可以藉由鈍化表面，以保護矽感測器，而免於受到外部影響。如DE 41.36987之說明，還期望可以在表面上沉積保護塗層，以改善耐久性，並可以抗化學侵蝕環境。此量測成本很高，而且尤其是在高侵蝕性介質中，如氟、溴酸及其典型用在真空蝕刻製程之化合物，只限制在機械可變形部件的情形下，如薄膜，可以成功。
基於此原因，期望可以完全由抗腐蝕材料，如Al2
O3
，製成真空量測單元(vacuum measuring cell)。此種真空量測單元之習知配置揭露在USP 6,591,687，其為本發明的主要部分。
此種電容真空量測單元完全是用陶瓷製作，尤其是Al2
O3
。此會造成很高的抗腐蝕性與長期再製性。若Al2
O3
沒
有融合且沒有外加外部材料，則只有在需要密封或提供貫穿之區域，才少量使用Al2
O3
以外之材料。真空量測單元由平板狀罩體所構成，沿邊緣密封之薄膜係在第一罩體上配置成薄膜包圍住參考真空腔。在指向遠離參考真空腔之側，有一第二罩體，其也是沿其邊緣密封，所以形成量測真空腔。此量測真空腔具有用以連接待測介質之入口。形成參考真空腔之第一罩體和薄膜的表面，蒸着一層導電膜，例如金，然後構成電容量測單元的電極。例如，電極係透過第一罩體或透過在邊緣區域之密封區引出。基本上平行的電極表面間隔為2μm到50μm。在邊緣區域面向兩個罩體之薄膜的密封，最好可以透過焊接達成，例如雷射焊接。抗腐蝕材料之玻璃硬焊材料也非常適合且使用簡單。例如，另一種可能達成密封接合的方法係在未加工基材狀態下，普遍連接罩體部分，其目的係要完全避開除了Al2
O3
以外之材料。
此量測單元配置基本上允許對稱設計，以避免所有的壓力都在罩體中。為了可以達成具有精密度與再現性之高量測靈敏度，這是非常重要的。其也允許利用非常薄的陶瓷薄膜，全陶瓷量測單元其基本上係以電容的方式，確實量測低於100mbar，特別是低於10mbar之真空壓力。為此目的，需要厚度為10μm到250μm之薄膜，而為了可以達成非常好的解析度，薄膜的厚度最好為10μm到120μm。例如，典型的薄膜厚度為：
●在1000Torr：薄膜厚度為760μm±10μm
●在100Torr：薄膜厚度為345μm±10μm
●在10Torr：薄膜厚度為150μm±10μm
●在1Torr：薄膜厚度為100μm±10μm
●在0.1Torr：薄膜厚度為60μm±10μm
●在0.01Torr：薄膜厚度為40μm±10μm
此種薄膜非常難以製造，而且在燒結步驟之後，至少還需要一次額外的平滑化步驟。若薄膜材料的晶粒尺寸並不太大，而且範圍保持在<20μm之內，則只可以達成要充分密合氦氣之薄膜是非常重要的。晶粒尺寸<10μm為較佳，<5μm為最佳。在所有的情形下，薄膜的橫截面厚度應至少包含兩個晶粒；若數量大於5的晶粒係彼此相互堆疊在其上，則薄膜特別緊密。
另一種可以達成精確量測單元之重要準則係薄膜表面的平坦度。在所有情形下，橫越整個表面之不平坦度應該不超過電極間隙的30%，最好是不超過15%。此表示橫越整個表面之不平坦度應該不超過10μm，最好是不超過5μm。此處所定義的不平坦度為最低點和最高點之間的差。為了達成期望的長期穩定性，用於薄膜之氧化鋁的純度應至少有94%，而最佳值係高於99%。
為了確定在邊緣區域之薄膜密封的品質不會受到損傷，不是直接經由薄膜密封體或已溶合之接合處，而是經由配置在第一罩體上之鐀通體而將導電層引出是有益的。
為了確定量測單元可以長期具有精確的功能，參考真空腔必須具有長期穩定的高品質真空。在抽空之後，最好小體積配置之捕獲體(getter)應被提供在第一罩體上，而且與參考真空
腔相連。此捕獲體可以確定參考真空壓力低於待測壓力，最好至少低於10倍。為了防止內部量測單元空間的污染，應該要選擇不會蒸發之捕獲體型式。
如上述設計之量測單元可以非常精巧，而且很經濟地生產。此種量測單元的直徑係在5和80mm之間，其中量測單元的直徑宜在5和40mm之間。此種量測單元的厚度範圍宜為2mm到25mm。
為了製造具有上述特性之功能性量測單元，對應製程的說明書必須緊密遵循。尤其薄陶瓷薄膜的製造要特別小心。薄膜和整個單位應該完全沒有內部應力。
如常見於陶瓷產業中，適當的Al2
O3
薄膜係藉由以下方式製造，首先根據特定配方混合泥料，然後將未處理泥料稀釋且平坦地散佈在帶狀承載材料上，例如，塑膠。在乾化之後，檢查這些層的缺陷，如氣泡或凹洞。尚未燒結的泥材稱為未加工基材。在材料仍然留在塑膠之後，期望的薄膜形狀係切成帶狀未加工基材。對於切割，使用如刀類之工具，較佳為雷射。未加工基材的切割或劃割需要特別小心，不要發生也會影響未來陶瓷薄膜表面的表面不平坦度之變位或彎曲。若使用切割刀，可以將壓輪施加在薄膜邊緣，防止未加工基材過度彎曲。接著，以使圓式切割薄膜藉由脫除箔帶(例如橫越邊緣)而與薄膜分離為較佳。然後將薄膜放入高溫爐中燒結。
對於燒結薄膜最好係放置在可以彼此相互堆疊在上方之硬燒結的，平坦的Al2
O3
平板上，而且典型在1630℃燒結。溫度係對應每分鐘約4℃的升溫速率，超過約400分鐘的週
期，漸漸上升到1630℃。然後溫度維持在此程度數分鐘，例如6分鐘，之後以每分鐘約3℃的速率，超過210分鐘，緩緩降溫到1000℃，而在第二步驟，以每分鐘約6℃的速率，超過170分鐘，降溫到室溫。結果為相較於未加工基材之陶瓷薄膜，其具有很硬的純陶瓷結構，而未加工基材的添加物已經蒸發。在此燒結步驟之後，薄膜非常不平，而在40mm的直徑內具有數毫米的彎曲。在此情形下，由於強烈的彎曲和材料內部的應力，所以薄膜不能使用。至少再一個步驟，使薄膜必須很平滑。基於此原因，將薄膜再放置在高溫爐中加熱。薄膜係小心地夾在厚重而非常平坦的硬燒結Al2
O3
平板之間(又稱為〝無凹凸的〞，換言之，即大晶粒Al2
O3
)，其中對於40mm薄膜直徑具有幾10到幾100公克的重量，或例如約為60公克，或對應的負擔。溫度係以每分鐘4℃的速率，超過390分鐘，緩緩上升到約1570℃。在數分鐘的短暫的停留時間之後，在此溫度下約25分鐘，然後溫度以約每分鐘5℃的速率，超過約115分鐘，緩緩下降直到1000℃。接著，溫度以約每分鐘6℃的速率，超過約166分鐘，下降直到環境溫度。在此平滑步驟之後，薄膜只具有幾10毫米之非常小量的剩餘彎曲。在此平滑步驟中重要的是溫度不能上升高於第一次燒結製程的溫度，最好至多上升到低於燒結溫度100℃。為了達到要建構之量測單元所要求的結果，此平滑加熱步驟必須至少執行兩次。
基於經濟上的原因，這些平滑步驟應在不需要超過兩次如此步驟的方式下執行。當在加熱步驟之間，薄膜很小心地與平
板分離且以輕微補償位置重新沉積時，可以達成特別好的結果。較佳地，薄膜係上面向下放置。利用具有薄膜夾在之間的幾個平板堆疊特別經濟。在這些步驟之後，就可以使用薄膜，其可選擇的厚度範圍為10μm到250μm，較佳為<120μm。對於上述之製程，整個表面可以達成的薄膜平坦度優於10μm，甚至優於5μm。薄膜材料的平均晶粒尺寸小於20μm，甚至小於10μm，更有甚至小於5μm。整厚度至少2晶粒，最好至少5晶粒粒要求之情形，可以很容易達成。在此情形下，可以製造要求用於真空量測單元應用之氦氣密薄膜。現在已經可以使用薄膜建構量測單元。
薄膜和Al2
O3
製之第一罩體的平坦面塗着導電膜，用以製造電極。例如，可以使用之金屬塗料，例如含有金的塗料，例如，以塗刷或噴著的方式塗著，最好以印刷的方式塗著。另一種方法係以蒸著的方式，最好以濺鍍的方式產生導電層。為了允許可以精確的沉積和界定薄膜，例如，若金層開始沉積1μm之相當厚的厚度，接著藉由蝕刻製程，最好是離子蝕刻或濺鍍蝕刻製程，將內部區域減薄到約5nm，則是有利的。在此情形下，例如，若執行硬焊步驟，則會產生可以補償擴散損失之較厚邊緣區域。實際上可以簡單處理之較佳製程係先在整個表面上沉積數nm的薄層，然後在藉由網版印刷在邊緣形成較厚的金層(換言之，組合製程和不同的膜厚)。接著將以此方式製作之薄膜或罩體在幾100℃，最好在650℃的範圍內回火。即使當升溫到850℃時，提供適當選擇的塗佈和接合材料，也可以得到較佳的結果。
放置在量測側之第二陶瓷罩體，由位在薄膜側上方之平坦的陶瓷板構成，其可以具有平坦的凹槽，以形成足夠大的真空腔。連接埠係藉由硬焊，接合或膠黏，最好是藉由玻璃硬焊，連接到此陶瓷罩體，在此情形下，連接開口可以與未來的量測真空腔相通。
在製作密封之周邊區域，最好藉由網版印刷，用玻璃膏塗在薄膜的兩側。在乾化之後，具有玻璃膏之薄膜放在幾100℃，最好在670℃的烤箱中烘烤。接著將玻璃表面的兩側拋光，於是最好也界定未來的電極間距。
藉由該塗著製程的幫助，在電極側上方之上陶瓷罩體可以在塗著導電膜之額外的外部表面上，以達成遮蔽。此處之連接點也形成在罩體上。在額外的步驟中，最好用銀金屬化用於電極連接之電性鐀通體的鑽孔。
在測試階段，具有電極和鐀通體之第一罩體，與沉積的薄膜一起檢查氣密性並校正電極距離。接著，放置下罩體部分，並承擔整組重量，以測試功能和距離。在捕獲體連接可以額外放置並承擔約200公克的重量之放置框架下，在數百℃，最好在約630℃下烘烤玻璃封條。接著，執行測試，以檢查保持要求的距離。若有需要，則透過額外的重量承擔或減輕及額外的烘乾製程，可以校正薄膜間距。密封製程必須非常小心地執行，而且如上所述，在量測單元裝置中不會發生應力。或者，也可以使用直接接合，以取代玻璃或其他密封物，最好是用雷射接合。
此習知的電容式量測單元裝置會根據下面範例的圖式圖
解說明：具有基本上對稱薄膜的結構，由Al2
O3
製成之電容式量測單元裝置，如第1圖的橫截面圖所示。第一罩體(1)係由Al2
O3
製成之陶瓷板構成，其邊緣係在離陶瓷薄膜2相對2μm到50μm的距離緊密接合，而且其係包圍住參考真空腔25裡。兩個表面之間的距離，通常係在藉由位於薄膜邊緣和罩體之間的密封材料3組合時直接建立。在此情形下，可以使用完全平坦的罩體板1。在相同的情形下，在相對薄膜側之第二罩體4中形成量測真空腔26；透過罩體4之開口，此真空腔易受到經由連接埠5之待測介質的影響。
第2圖為量測單元之邊緣區域的細部橫截面放大圖。如上所述，在薄膜2的兩側上之密封物3界定兩個罩體1和4之間的距離。例如且最好是，此密封物係由玻璃膏構成，其可以很容易處理，而且例如，可以藉由網版印刷施加。在具有外徑為38mm，而自由內薄膜直徑為30mm的典型量測單元中，距離3約為2到50μm，最好為12到35μm。在此範例中，第一罩體1具有5mm的厚度，第二罩體4的厚度為3mm。第二罩體4的內部區域較佳之凹槽深度設計約為0.5mm，如第1圖所示，以加大量測真空腔26。在參考真空側，薄膜2和罩體1各自塗著導電膜7。這兩個導電膜並沒有電性相連。例如，導電膜7可以塗刷、印刷、噴著或藉由真空製程沉積。較佳地，它們可以藉由真空製程沉積，如藉由蒸著或濺鍍。金特別適合當作導電膜材料，例如，其沉積的膜厚為1μm，然後藉由濺鍍蝕刻減薄到幾奈米，較佳為5nm。在此情形下，可以界定膜
厚，使其夠薄且沒有應力。薄膜2的電性連接最好由真空氣密，導電鐀通體6建立，最好透過罩體1，其可以在後續連接到預定的電子裝置。通過第一罩體板1和捕獲裝置之抽真空路線並未圖示在第2圖。
為了長期保持參考真空腔25之穩定的參考真空，如第4圖所示，提供捕獲體10。此捕獲體最好是非蒸發型捕獲體，以保持參考真空腔25內的任何微粒。罩體1包含形成在其中用以包含捕獲體10之捕獲體腔13；捕獲體腔13經由連接路線14連接到參考真空腔25。真空邦浦連接到參考真空腔25。連接路線14和用以容納捕獲體10之容體13藉由蓋體8蓋封；蓋體8最好係由金屬或陶瓷材料製成。參考真空腔被抽真空，使得捕獲體10活化且除氣。在抽真空之後，蓋體8以密封材料9密封罩體1。例如，密封材料可以為玻璃硬焊材料。彈簧11壓制捕獲體10對抗蓋體8，及確保捕獲體10與蓋體8有良好的熱接觸。
另一種捕獲體裝置示於第4圖，其中觸媒(contacting agent)12，最好為硬焊材料，係放置在捕獲體10和蓋體8之間，以達成較佳的熱接觸。此處需要優異的導熱性，使得捕獲體10可以經由蓋體8自外部作熱活化。此外，此捕獲體裝置允許捕獲體的活化和蓋體8後續的硬焊在單一工作步驟，提供捕獲體10的活化溫度和硬焊材料9的焊接溫度基本上係相同的。
根據上述觀念實現為產品而且已大量銷售之量測單元，圖示在第5圖當作範例。
但是，在實際應用時，用電容薄膜式真空計量測真空壓力
仍然有各種不同的問題。在半導體和鍍膜產業中，感測器係曝露在熱的和腐蝕性氣體中。這些製程的其中一些發出氣體，而製程生成物往往容易凝結在較冷的表面。為了防止或減少凝結，薄膜式真空計會被加熱，使得曝露在製程當中的薄膜具有高於製程氣體的溫度，所以氣體最好凝結在除了敏感的薄膜之外的系統某處。如此做係因為薄膜成長在薄膜上，導致薄膜加壓力在薄膜上，使得薄膜上有收縮或張應力，因此感測器會漂移。整個製程工具往往會加熱，使得在所有地方都很難發生任何凝結。
電容量測法非常靈敏，而且係一種非常長期穩定的技術，但是其對電磁干擾(EMI)也非常敏感。因此，前端電子裝置，如前置放大器或頻率轉換器的電容，最好放置非常靠近電容元件。
300℃且會更高之製程和環境溫度，對於任何電性系統而言，都是一種挑戰要求。典型地，電子裝置的環境溫度為80℃，或在特殊應用中，如軍事，會上升到120℃。
對於200℃的溫度，遙控型CDGs(藉由電纜線分隔之熱式感測器和電子裝置)係標準的。當位在感測頭和電子裝置之間的連接電纜線係靈敏的電容量測區部分時，此解決方案會遇到電容量測超過溫度梯度的問題，而且其還會遇到對EMI(電磁干擾)更敏感的問題。實際上，兩種效應會使CDG的品質以不想要的方式劣化。
光學薄膜式真空計(ODG)設計排除這些CDG設計的主要
缺點。取決於薄膜撓度之壓力可以藉由感測器的光學系統量測，然後將量測訊號藉由光纖傳輸到光訊號調節器單元，其後續可以將光訊號轉換成電訊號。此訊號可以長距離傳輸(即使為數公里)，訊號也不會退化，而且也不會受到主要為電磁雜訊、振動和環境溫度變化的環境干擾的影響。
光學薄膜式真空計已有文獻說明(如2002年Lopez-Higuera；2003年Totsu等人)。此種儀器基本上是薄膜式真空計。真空計的讀取主要是藉由光學裝置完成。有許多光學技術可以量測兩個物件之間的距離。但是，實際上必須量測範圍在數十埃(10-10
)到毫米之距離壓力量測，主要是使用Fabry-Perot原理。主要的應用為化學製程監視和生物醫學應用。這些感測器典型係操作在高於常壓之壓力下。
在某些商業產品中，像使用外部Fabry-Perot干涉儀之Luna Innovations公司的光纖壓力感測器，在高於550℃的溫度下，用以量測薄膜位移的光學方法已經施行。由Davidson Instruments的FISO Technologies公司，Taitech製造之感測器係使用矽MEMS技術。
將燈光導引進入玻璃光纖。再將光引導到感測頭，並通過半反射鏡映射在薄膜上的第二鏡。再次通過反射鏡之反射光被聚焦進入玻璃光纖且引導到干涉儀。
本發明的ODG-感測器裝置係以氧化鋁製的CDG感測器為基礎。基本上，此氧化鋁感測器概念係要進一步發展可以允許薄膜變形的光學讀取。此氧化鋁感測器概念和根據Fabry-Perot技術的光學讀取原理的結合，可以導致顯著的結果。
結構基本上對稱薄膜之Al2
O3
製ODG(光學薄膜式量測單元)的優選發明裝置，橫截面圖示在第10圖。第一罩體(1)係由Al2
O3
製成之陶瓷板構成，其邊緣係在離陶瓷薄膜2相對2μm到50μm的距離緊密接合，而且其係包圍住真空腔25裡。兩個表面之間的距離，通常係在藉由位於薄膜邊緣和罩體之間的密封材料3，3’組合時直接建立。在此情形下，可以使用完全平坦的罩體1。在相同的情形下，在相對薄膜側之第二罩體4中形成量測真空腔26；透過罩體4之開口，此真空腔易受到經由連接埠5之待測介質的影響。
如上所述，在薄膜2的兩側上之密封物3，3’界定兩個罩體1和4之間的距離。例如且最好是，此密封物係由玻璃膏構成，其可以很容易處理，而且例如，可以藉由網版印刷施加。此玻璃膏的預熔合或燒結溫度範圍最好在675℃到715℃。而密封溫度範圍最好在600℃到630℃。在具有38(5-50)mm的外徑，而自由內薄膜直徑為30(4-45)mm的典型量測單元中，距離3約為2到50μm，最好為12到35μm。在此優選範例中，第一罩體1的厚度為2到10mm，第二罩體4具有相同的厚度。第一罩體1和第二罩體4必須由和使用的薄膜材料具有相似膨脹係數的材料製成。非常適合的組合係高純度氧化鋁陶瓷(純度>96，最好>99.5%)，藍寶石陶瓷(氧化鋁具有高於99.9%的純度)，及藍寶石(高純度氧化鋁的單晶，人工金剛砂)。
第二罩體4的內部區域較佳之凹槽深度設計約為0.5mm，如第1圖所示，以加大量測真空腔26。
在參考真空側，薄膜2塗佈形成鏡面31之反射膜。塗佈薄膜的方式及將窗口或第一罩體產生Fabry-Perot干涉儀有兩種。可以用在Fabry-Perot之塗佈的主要想法在文獻中有很好的說明(參考Vaughan JM,The Fabry-Perot Interferometer,Adam Hilger Bristol and Philadelphia,2002)。在第9圖中圖示兩種原理方式。可以選擇主要為金屬的或介電質的系統。金屬塗層可以由介電質塗層保護，使較易於處理。
金屬鏡面31最好設計為完全反射膜。例如，此鏡面薄膜可以塗刷、印刷、噴著或藉由真空製程沉積。較佳地，此膜主要含有金且以印刷方式沉積，而厚度範圍為0.3μm到10μm。抽真空路線14通過第一罩體板1，且連接參考真空腔25和捕獲體腔13，其捕獲體裝置之捕獲體10位在其中，第10圖並未圖示。此捕獲體裝置與已在第3圖和第4圖中說明的CDG量測單元之捕獲體裝置相同。
第一罩體1可以完全由透光材料製成，或在中央包含透明區，形成插入的光學窗口33。光學系統可以直接配置，或位在透明罩體1或窗口33後面，用以將Fabry-Perot干涉儀耦合到移動薄膜的反射面，使可以量測跟待測壓力有關之薄膜2的撓度。至少藉由一個玻璃光纖37，37’，將光和光訊號從干涉儀讀送到量測單元。其有利於相對於具有部分透明膜，最好為半透明膜之薄膜2的鏡面31在參考真空腔內，塗著透明罩體1或窗口33的內表面34。當在上述的CDG放置程序之前，量測單元放置且一起烘烤時，此塗著必須經得起數百℃之烘烤溫度。因為光學行為和可以達到之精密度，所以使用藍寶石當作
透明罩體1或窗口33是最有利的。但是此種材料很貴，而使用插入式窗口33比較便宜，同時角度可以調整，且對於量測系統之良好的訊號品質可以優化。若使用插入式窗口33，則其必須藉由密封物32密封，其型式和上述用以密封具有密封物3，3’之薄膜的相同。密封材料最好由藉由加熱到數百℃的烘烤玻璃膏構成。
示於第10圖之優選量測單元被固定器28和加熱器30包圍。對於此加熱器30，量測單元可以加熱到高於待測真空過程之相關物質的凝結溫度。量測單元的溫度最好至少高於凝結溫度10℃。有利的實際溫度範圍為100℃到600℃。這些化學物質往往非常積極，而有效的量測係要加熱，使其保持遠離量測單元的靈敏部分。這些量測可以確保量測單元在長期的執行過程期間，可以高精確度且高再現性的工作。
對於此受熱的量測單元裝置，光學系統，像玻璃光纖，就不會變熱，其不會受到破壞，而且系統的光學精確度不會有壞的影響。如第10圖所示，當光纖37，37’的連接器設置距離熱量測單元夠遠時，光纖的溫度低於100℃，此問題可以解決。例如，藉由固定器28，，像不鏽鋼管承載，光纖可以距離量測單元數cm，以減少溫度。在此情形下，透鏡35係放置在光纖和罩體1或窗口33之間，用以光學耦合光訊號到薄膜。
整個量測單元裝置可以用圍繞它的蓋體29保護。其優點為量測真空腔26的量測埠5，和存在積極的條件，像電漿放電、化學物質等之製程腔的薄膜2不直接曝露。在此情形下，藉由包含保護板41當作阻擋之阻擋空腔42，量測埠5連接到
製程腔的凸緣40。
製造可以反射光之薄膜的參考真空側部分之有利的方式為：一種方法係將一很小，很薄的反射板裝在形成鏡面31的氧化鋁薄膜上。另一種方法係蒸著金鏡31在藍寶石薄膜上。鉻層係位在藍寶石和金之間，以改善金在藍寶石上的黏著性。再一種方法係將其塗刷、印刷或噴著在其上。介電質塗著係取代性置放，或以類似的方式將金屬層置放在薄膜的上方。
薄膜2最好由藍寶石製成。此處的藍寶石定義為具有明確的晶體方向之單晶氧化鋁(Al2
O3
；人工金鋼砂)。因此許多物理參數取決於方向。
- 對於用在半導體產業之製程氣體，如氟化物(NF3
,CH2
F2
,SF6
,CF4
,CHF3
)和氯化物(如Cl2
,HCl)，溴化物(如HBr)氣體或水蒸氣，具有抗腐蝕性。
- 因為其為單晶，所以其具有比多晶氧化鋁陶瓷更平滑的表面。此允許有較平滑的鏡面。
- 此外，平滑單晶表面可以減少在表面上之薄膜成核位置的數量。此導致沉積在薄膜2的製程側上之薄膜減少，因此由於薄膜薄膜應力建立較慢，所以感測器可以有較少的漂移。
- 其具有很高的可撓性強度。此允許較薄的薄膜2可以達成較大的撓度，因此允許延伸真空計的量測範圍，而且在非常低的壓力範圍下，可以達成較高的精確度。與氧化鋁相較之量
測值表列如下：
由表可知，對於厚度低於150μm之藍寶石薄膜，比Al2
O3
可以達成的撓度高兩倍。對於Al2
O3
撓度中的最後兩個範例(*
)，就是達到可撓性的限制，而薄膜會破裂。
薄膜2係從藍寶石晶體當中切割，使薄膜最好垂直C軸(結構的指數為0001)。此方向可以允許垂直薄膜有較大的熱膨脹係數，而不是垂直該方向。軸方向的選擇導致垂直偏斜之熱膨脹增加，而且較高的感測器漂移係溫度的函數。此選擇期望可以減少薄膜的彎曲。
藍寶石薄膜2的直徑為5-80mm，典型的範圍為5-40mm，而厚度為0.04到0.76mm，典型值為為0.07到1.0mm，以避免彎曲的問題。在鏡片31的區域，頂和底板應平行0.005mm或更佳，而表面粗糙度為N4或Ra0.35或更佳。
在薄膜2的參考真空側上之鏡片31係由貴金屬製成，最好為金。加入鉻層可以改善金和藍寶石的黏著性。貴金屬塗層，像金或銀，之燒結溫度上升到850℃。
單鉻層有時也可以足夠，但是反射率會下降。另一種解決
係由單層或多層介電質鏡片構成。
第一罩體1可以由氧化鋁陶瓷或藍寶石製成。由於基底和薄膜的熱膨脹係數匹配，所以最好使用藍寶石基底。由於成本上的原因，可以使用氧化鋁陶瓷製之第一罩體。
在罩體中，鑽一孔洞，將半反射鏡及用於光纖之附件安裝入該孔洞。
在窗口33的內表面上之半透明鏡材料的選擇是具有挑戰性的。在量測單元的製程期間，燒結和接合溫度到達700℃。此會產生防止鏡片材料升華或擴散之特殊問題。
半反射鏡係由蒸著在乾淨的藍寶石窗表面34上之鉻製成。例如，鉻層的厚度約為5nm。為了可以進一步改善鉻層的保護，使免於氧化，可選擇地，可以將保護的五氧化二鉭(Ta2
O5
)加在鉻層上方當作保護層。
在置放薄膜之前，藍寶石窗用烘烤的玻璃密封以上述相同的方式物置放在罩體上。
為了達到很好的靈敏度，在薄膜2上的鏡片31和在罩體1中的半透明鏡34需要精確地平行。最大容許偏斜|α
+β
+γ
|為很難達到之0.05mrad，如第8圖所示。
較佳地，阻體41放置在感測頭的前端，而且至少有兩個目的，如第10圖所示。首先，其可以確保對靈敏的薄膜2沒
有直接視線。因此，使氣體分子在到達薄膜2之前，至少撞擊其他的真空計表面兩次。很容易凝結的氣體最好在凝結在薄膜表面之前，先沉積在阻體表面。此可以減少感測器漂移且延長感測器的壽命。因為需要撞擊板壁，所以阻體也可以將電漿轉變成低荷電狀態，最好為中性荷電狀態的氣體。
ODG感測器-概念也可以用在類似第11圖所示之其他優選實施例的潛入裝置。
在此裝置中，感測器單元不會藉由管路從主真空腔縮回。感測器頭可以直接放置在凸緣40，40’上。然後將感測器浸入主真空腔的真空中。薄膜和感測器罩體係由抗腐蝕材料製成。
光學式讀取也允許多重感測器頭讀取單一光譜儀。此可以使用平行堆疊在光譜儀的狹縫入口之個別光纖，或使用分叉光纖或藉由光纖開關可以達成。感測器頭可以在系統或在裝置的不同位置。
但是即使對於放置幾個感測器頭更有利，也可以彼此相互相鄰放置在相同的凸緣40，40’上。此圖示在第11圖具有多重感測器頭之潛入式感測器。感測器頭可以為相同型式，以允許重複，或由不同型式的製成，以覆蓋重疊或相鄰的壓力真空計。當腔體只使用一個凸緣位置時，此允許可以覆蓋較大的範圍。
上述的電容薄膜式壓力計約具有4位數之動態範圍。其表示為了覆蓋從10-5
mbar到常壓之壓力範圍，至少需要兩個不
同的真空計，每一個真空計都使用個別的真空腔埠。當用固定裝置43放置數個感測器在一個凸緣40，40’之上時，藉由改變薄膜的尺寸，對於不同的壓力範圍可以採用各種感測器頭。然後在真空腔只使用一個埠時，其可以量測相同的壓力範圍。因為需要較少的時間接合凸緣，而且感測器與其資料取得系統相接的時間較少，所以此可以降低顧客的成本。
跟隨上述之本發明的感測器主要特徵係抗腐蝕感測器設計，其包含將往往在現代半導體製程設備周圍可以發現，被使用在高溫，高EMI(電磁干擾)的可能性。
1‧‧‧第一罩體
2‧‧‧薄膜
3‧‧‧密封材料
3’‧‧‧密封材料
4‧‧‧第二罩體
5‧‧‧連接埠
6‧‧‧導電鐀通體
7‧‧‧導電膜
8‧‧‧蓋體
9‧‧‧硬焊材料
10‧‧‧捕獲體
11‧‧‧彈簧
12‧‧‧觸媒
13‧‧‧捕獲體腔
14‧‧‧連接路線
25‧‧‧參考真空腔
26‧‧‧量測真空腔
28‧‧‧固定器裝置
28’‧‧‧固定器裝置
29‧‧‧蓋體
30‧‧‧加熱器
31‧‧‧表面
32‧‧‧密封物
33‧‧‧窗口
34‧‧‧內表面
35‧‧‧透鏡
37‧‧‧光纖
37’‧‧‧光纖
40‧‧‧凸緣
41‧‧‧阻體
42‧‧‧阻擋空腔
43‧‧‧內表面
第1a圖為半導體產業之製程所使用的典型壓力範圍圖；第1圖為習知技術之電容真空量測單元的橫截面圖；第2圖為根據第1圖的細部橫截面放大圖；第3圖為習知技術之捕獲體裝置的細部橫截面圖；第4圖為另一習知技術之捕獲體裝置版本的橫截面圖；第5圖為習知技術之電容真空量測單元結合捕獲體裝置的橫截面圖；第6a圖、第6b圖為在壓力承擔下，具有薄膜歪曲之CDG的橫截面圖；第7圖為根據本發明之干涉儀壓力量測系統；第8圖為根據本發明之光學薄膜式真空計，薄膜的角度、罩體和窗口之定義的橫截面圖；第9圖為本發明之優選鏡片裝置的橫截面圖；第10圖為根據本發明之光學薄膜式真空計，其具有薄膜
鏡片和雙光纖與長焦距；及第11圖為具有多重感測器之感測器裝置的俯瞰橫截面圖。
1‧‧‧第一罩體
2‧‧‧薄膜
3‧‧‧密封材料
3’‧‧‧密封材料
4‧‧‧第二罩體
5‧‧‧連接埠
13‧‧‧捕獲體腔
14‧‧‧連接路線
25‧‧‧參考真空腔
26‧‧‧量測真空腔
28‧‧‧固定器裝置
28’‧‧固定器裝置
29‧‧‧蓋體
30‧‧‧加熱器
31‧‧‧表面
32‧‧‧密封物
33‧‧‧窗口
34‧‧‧內表面
35‧‧‧透鏡
37‧‧‧光纖
37’‧‧‧光纖
40‧‧‧凸緣
41‧‧‧阻體
42‧‧‧阻擋空腔
Claims (31)
- 一種真空量測單元，其包含：第一罩體(1)，其由Al2 O3 陶瓷或藍寶石材料製成；薄膜(2)，其由Al2 O3 陶瓷或藍寶石材料製成，而且被配置成緊鄰該第一罩體，該薄膜大至為平面且具有周圍邊緣，該薄膜的周圍邊緣藉由第一邊緣密封而與該第一罩體接合成，在該第一罩體和該薄膜之間產生參考真空腔(25)，該薄膜具有第一和第二相對表面，該薄膜的第一表面面對該第一罩體，而該第一罩體(1)具有面對該薄膜(2)之內表面(34)；第二罩體(4)，其由Al2 O3 陶瓷或藍寶石材料製成，而且位於該薄膜(2)之相對側，該第二罩體(4)藉由第二邊緣密封而與該薄膜的周圍邊緣接合，該第二罩體與該薄膜一起形成量測真空腔(26)，該罩體包含用以將真空量測單元連接到待測介質之埠(5)；該第一罩體、該第二罩體和該薄膜係沿著該薄膜的周圍邊緣緊密連接；而且至少在第一罩體(1)的中央區域，形成透光窗口(33)，而在此窗口(33)、至少在薄膜(2)的中央區域，薄膜(2)的表面係被形成為可作光學反射而形成一鏡面(31)；及在相對且遠離此窗口(33)的參考真空腔(25)的外部，光纖(37)被配置以饋送光進出薄膜(2)的表面，透鏡(35)被放置在光纖(37)和窗口(33)之間，藉以和薄膜(2)的表面光學連接，使得此配置可以形成一用以藉由法不里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀之檢測，而可以判定薄膜(2)的歪曲程度的量測區，且其中： 透光窗口係由藍寶石型的單獨的插入件所形成，其係藉由密封物(32)真空氣密地裝配在第一罩體的開口中；薄膜的表面，在其中央區域係形成可以光學反射，但在與薄膜及第一罩體連結的周圍區不形成光學反射；光纖的終端係遠離自窗口。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中該薄膜(2)係由藍寶石製成。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中第一罩體(1)至少部分由藍寶石構成。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中一反射薄膜係塗層係提供在該中央區域。
- 如申請專利範圍第4項之真空量測單元，其中該薄膜塗層(31)主要包含貴金屬。
- 如申請專利範圍第4項之真空量測單元，其包含有在薄膜(2)和反射薄膜塗層之間的黏著塗層。
- 如申請專利範圍第6項之真空量測單元，該黏著塗層包含鉻。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中該中央區域係完全反射。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中該第一罩體至少部分透明及至少部分透明的第一罩體(1)的一內表面(34)用部分透明膜覆蓋。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中該窗口用部分透明膜覆蓋。
- 如申請專利範圍第9或10項之真空量測單元，其中該透明膜係為半透明膜。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中窗口的兩相對表面、面對窗口的薄膜表面及中央區被高度相互平行地配置，因而窗口的兩個相對表面之一偏差角度α、薄膜(2)的表面之偏差角度β及自平行的薄膜表面的中央區之偏差角度γ之和| α +β +γ |，總值不會超過0.05mrad。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中薄膜(2)之氧化鋁的純度高於96%。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中薄膜(2)之氧化鋁的純度高於99.5%。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中包含在該第一及第二罩體外面的加熱器(30)，其配置以使量測單元溫度加熱在100℃到600℃之範圍內。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中光纖(37)的排列，窗口(33)及固定裝置(28’)用以配置光纖使光纖的溫度不超過100℃下。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中第一罩體(1)的內表面(34)和薄膜(2)的面對表面，其之間的距離，範圍為2μm到50μm。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中第一罩體(1)的內表面(34)和薄膜(2)的面對表面，其之間的距離，範圍為12μm到35μm。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中第一罩體(1)和第二罩體(4)與薄膜(2)的周圍邊緣對稱且緊密地連接，解除大部分應力。
- 如申請專利範圍第19項之真空量測單元，其中藉由熔接或 溶合而做連接。
- 如申請專利範圍第19項之真空量測單元，其中藉由焊接或玻璃焊接。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中薄膜(2)的厚度範圍為10μm到250μm。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中薄膜(2)的厚度範圍為10μm到120μm。
- 如申請專利範圍第22項之真空量測單元，其中薄膜材料的平均晶粒尺寸至多為20μm。
- 如申請專利範圍第22項之真空量測單元，其中薄膜材料的平均晶粒尺寸至多為10μm。
- 如申請專利範圍第22項之真空量測單元，其中薄膜(2)之橫截面的厚度寬至少包含5晶粒。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中指向第一罩體的薄膜表面的最高點及最低點的高度差距係不大於10μm。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中指向第一罩體的薄膜表面的最高點及最低點的高度差距係不大於5μm。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中在第一罩體(1)上或內，提供用以容納捕獲體(10)之容體(13)，其藉由連接路線(14)連接到參考真空腔(25)，而且容體(13)用蓋體(8)緊緊密封。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中量測單元裝置的直徑範圍為5到80mm。
- 如申請專利範圍第1項之真空量測單元，其中量測單元裝置的直徑範圍為5到40mm。
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