JP2002214059A - シリコンダイアフラムを有する静電容量型真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐腐食性の高いシリコンダイアフラムを有
し、長期安定性を確保したシリコンダイアフラムを有す
る静電容量型真空計を提供する。 【解決手段】 シリコンダイアフラム２を形成したシリ
コン基板１の接ガス部に、腐食性ガスに対する保護膜と
して酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン
のうちいずれか一つを、被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンダイアフ
ラムを有する静電容量型型真空計に関する。詳しくは、
真空装置内の圧力を測定するために絶対圧力の値を静電
容量値として測定するシリコンダイアフラムを有する静
電容量型真空計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体プロセス用真空装置等の真
空度を測定するために、隔膜に金属を用いた隔膜真空計
が用いられている。イオンエッチング等の真空装置の場
合には、腐食性の強い酸、アルカリ系気体が使われるこ
とがあり、この気体は真空チャンバと通連しているた
め、隔膜真空計の接ガス部にも影響を与える。

【０００３】また、ダイアフラムにシリコンを用いてい
る真空計では、通連しているチャンバーがアルカリ性雰
囲気である場合やプラズマ雰囲気にアタックされること
でシリコンダイアフラムに劣化が起こる。シリコンダイ
アフラムが劣化すると、シリコンダイアフラムの張力に
変化が起こり、真空計の誤差の原因となり、頻繁に当該
真空計の交換が必要になる。

【０００４】一方、本発明の静電容量型真空計とはダイ
アフラム変位の検出方法が異なるが、ピエゾ抵抗素子が
形成されている半導体基板の半導体圧力センサは、例え
ば特開２０００−１９３５４８号公報に記載されている
ように、半導体基板のダイアフラム部分に、シリコン窒
化膜、シリコン酸化膜を被覆している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】隔膜に金属を用いた隔
膜真空計の場合は、ダイアフラムにニッケル系の耐腐食
性合金のインコネル等を用いて対策としているが、ハロ
ゲンイオン（塩素イオンなど） が存在する場合には腐
食される。また、ダイアフラムにシリコンを用いている
真空計の場合は、劣化防止のためにシリコンダイアフラ
ムに白金、金を保護膜として形成すると、シリコンとの
密着性が弱いため保護膜が容易に剥離する等の問題があ
り、保護膜として長期間機能しない。また、ピエゾ抵抗
素子が形成されているダイアフラム型の圧力センサは、
静電容量型に比べダイアフラムの変位が圧力変化に対し
微小であるため、保護膜の内部応力の影響は受けにく
い。しかし、ダイアフラムが同じ圧力変化に対し容易に
変位する場合、シリコン基板等の保護膜に使用される窒
化シリコン、酸化シリコンをシリコンダイアフラムに被
覆すると、それらの保護膜が持つ内部応力の影響を受
け、ダイアフラムの張力を維持することができず撓みが
発生する。従って、圧力変化に対するダイアフラム変位
量に非線形性が生じて精度の良いセンサとして作用しな
い。且つ、窒化シリコン、酸化シリコンはフッ素系ガス
に対して十分な耐腐食性を持っていないという問題点が
ある。

【０００６】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであって、腐食性気体に強く、長期の安定性を確保
したシリコンダイアフラムを有する静電容量型真空計を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のシリコン基板に形成された、圧力に応じて
変位可能なシリコンダイアフラムを有する静電容量型真
空計は、そのシリコンダイアフラムの接ガス面に、酸化
アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンのうちの
いずれか一つを保護膜として被覆したことを特徴とし、
耐腐食性の高いシリコンダイアフラムと成して長期安定
性を確保した静電容量型真空計を提供できる。

【０００８】また、本発明のシリコンダイアフラムを有
する静電容量型真空計は、保護膜の厚さＸを０．１μｍ
乃至０．５μｍにし、前記シリコンダイアフラムの０ｋ
Ｐａ乃至１．３３ｋＰａの圧力変化に対する変位量Ｙ
を、Ｙ≦５０−４５Ｘの範囲内としたことを特徴とし、
シリコンダイアフラムにセンサ精度にとって障害となる
撓みや剥離が発生せず、より長期安定性を確保した静電
容量型真空計を提供できる。

【０００９】

【発明の実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例
を説明する。図１は本発明の実施例のシリコンダイアフ
ラムを有する静電容量型真空計を示す断面図である。シ
リコン基板１には圧力に応じて変位可能なシリコンダイ
アフラム２を、張力を維持した状態で異方性エッチング
により形成している。シリコンダイアフラム２を含むシ
リコン基板１の接ガス部に、酸化アルミニウムを保護膜
３として被覆する。次にシリコン基板１に、電極７を接
合したパイレックス（登録商標）ガラスからなるケース
４と通連孔付きのパイレックスガラスからなる基板５を
真空接合する。真空室６の真空度（圧力）と反対側の通
連孔側の真空度（圧力）との差でダイアフラム２が変位
し(通常、図上の上方へ移動)、そのときの変位を電極７
により静電容量の変化として検出することにより圧力が
測定される。

【００１０】酸化アルミニウム薄膜の形成は、Ａｌ２０
３ターゲット（アルミナターゲット）を用い、ＲＦスパ
ッタリング装置（高周波スパッタリング装置）で被覆し
た。到達真空度は１×１０−４Ｐａ以下、基板温度２０
０℃、反応ガスとしてアルゴンと酸素の混合ガスを用い
て圧力は０．４Ｐａから０．７Ｐａ、投入電力３００Ｗ
の条件で被覆した。

【００１１】また密着性に関しては、膜厚０．１〜０．
５μmの間でシリコンに酸化アルミニウム膜を形成し
て、テープテストを行ったが、結果は全ての膜厚で剥離
等の問題は確認されなかった。また耐食性に関しては、
通常の半導体プロセスで使用されるガス供給量の約１０
倍の濃度で、約１０００時間、塩素ガスとフッ素ガス中
に曝露したがダイアフラムの変位に変化は無く、酸化ア
ルミニウムを保護膜として被覆したものは、従来６ヶ月
のダイアフラムの耐食性が約３倍に向上した。

【００１２】全く同様な方法で、シリコンダイアフラム
の接ガス面に酸化ジルコニウム、あるいは酸化チタンを
被覆しテストした結果も、同等の効果が確認され、従来
のシリコンダイアフラムのみの場合と比較し、それぞれ
の耐久性が2.8倍、2.6倍に向上した。

【００１３】ここで、シリコンダイアフラムの接ガス面
に被覆する保護膜の厚さの限定理由は０．１μm以上で
あれば、空隙なく密度の高い状態で膜を形成できるた
め、保護膜としての腐食性媒体に対する保護効果が大き
いからである。また、０．５μｍ以下に限定した理由
は、保護膜の膜厚が厚くなるほど、保護膜の圧縮応力が
大きくなるためと、厚くなるほど形成に時間がかかるた
め生産性が悪いためである。

【００１４】図２はシリコンダイアフラムの圧力変化に
対する変位量と保護膜の厚さの関係図である。保護膜の
厚さをＸ（単位μｍ）、シリコンダイアフラムの０ｋＰ
ａ乃至１．３３ｋＰａ（キロパスカル）の圧力変化に対
する変位量をＹ（単位μｍ）とすると、図２の斜線の範
囲内は、次式（１）と（２）で表すことができる。

【００１５】 [数１] ０．１＜Ｘ＜０．５ ・・・・（１） [数２] Ｙ≦５０−４５Ｘ ・・・・（２）

【００１６】図２の斜線の範囲内であれば、即ち保護膜
の厚さＸを０．１μｍ乃至０．５μｍにし、前記シリコ
ンダイアフラムの０ｋＰａ乃至１．３３ｋＰａの圧力変
化に対する変位量Ｙを、上記式（２）の範囲内としたも
のであれば、シリコンダイアフラムに撓みが発生せずダ
イアフラムの張力が維持できることを確認した。

【００１７】表１は、圧力変化に対する変位量の異なる
それぞれのシリコンダイアフラムに、種々の保護膜を厚
さ０．１μｍで被覆したときの状態を示したものであっ
て、○印はセンサ精度にとって障害となる撓みの発生が
無いものであり、△印は剥離が発生したものであり、×印
はセンサ精度にとって障害となる撓みが発生したもので
ある。

【００１８】シリコンダイアフラム保護膜としては、
酸、アルカリ系腐食ガスに強く、被覆が容易で、シリコ
ンとの密着性も良好であり、また保護膜形成後の膜の内
部応力が小さいものが適している。酸化アルミニウム膜
の場合は、変位量が４０μｍであっても撓みや剥離が発
生しなかった。酸化ジルコニウムの場合は、変位量が３
０μｍであっても撓みや剥離が発生しなかった。酸化チ
タン膜の場合は変位量が２５μｍであっても撓みや剥離
が発生しなかった。一方、耐食性の良好な絶縁酸化膜で
あっても、五酸化タンタル膜の場合、試験に使用した全
てのダイアフラムでセンサ精度にとって障害となるほど
の撓みや剥離が発生した。白金や金の膜の場合もダイア
フラムでセンサ精度にとって障害となるほどの撓みや剥
離が発生した。

【００１９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、シリコンダイ
アフラムの接ガス面に、酸化アルミニウム、酸化チタ
ン、酸化ジルコニウムのうちのいずれか一つを保護膜と
して被覆したので、耐腐食性の高いシリコンダイアフラ
ムと成して長期安定性を確保した静電容量型真空計を提
供できるまた、請求項２の発明によれば、保護膜の厚さ
Ｘを０．１μｍ乃至０．５μｍにし、前記シリコンダイ
アフラムの０ｋＰａ乃至１．３３ｋＰａの圧力変化に対
する変位量Ｙを、Ｙ≦５０−４５Ｘの範囲内としたの
で、シリコンダイアフラムにセンサ精度にとって障害と
なる撓みや剥離が発生せず、より長期安定性を確保した
静電容量型真空計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコンダイアフラムを有する静電容
量型真空計の実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の保護膜をシリコンダイアフラムに被覆
する場合の限定範囲を示すグラフである。

【符号の説明】

１：シリコン基板 ２：シリコンダイアフラム ３：保護膜（酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸
化チタンのいずれか） ４：凹状基板 ５：台座基板 ６：真空室 ７：電極 ８：真空測定用ポート

【表１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA31 BB08 CC02 DD05 EE25 FF11 FF38 GG11 4M112 AA01 BA07 CA03 CA14 EA03 EA11 FA08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン基板に形成された、圧力に応じて
   変位可能なシリコンダイアフラムを有する静電容量型真
   空計において、そのシリコンダイアフラムの接ガス面
   に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン
   のうちのいずれか一つを保護膜として被覆したことを特
   徴とするシリコンダイアフラムを有する静電容量型真空
   計。
2. 【請求項２】前記保護膜の厚さＸを０．１μｍ乃至０．
   ５μｍにし、前記シリコンダイアフラムの０ｋＰａ乃至
   １．３３ｋＰａの圧力変化に対する変位量Ｙを、Ｙ≦５
   ０−４５Ｘの範囲内としたことを特徴とする請求項１記
   載のシリコンダイアフラムを有する静電容量型真空計。