JP2012137435A

JP2012137435A - 圧力検出装置

Info

Publication number: JP2012137435A
Application number: JP2010291240A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Mukai; 伸幸向井; Keisoku Onuma; 恵則大沼; Seiichi Hata; 誠一秦; Junpei Sakurai; 淳平桜井; Hiroshi Kozako; 景嗣小迫
Original assignee: Nabtesco Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Nabtesco Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP5663120B2

Abstract

【課題】耐食性を有しながらも圧力の検出の性能を従来より向上することができる圧力検出装置を提供する。
【解決手段】圧力検出装置１０は、気体が接触する接ガス面２０ａが形成されて気体の圧力を検出する静電容量型の圧力センサモジュール２０を備えており、圧力センサモジュール２０は、接ガス面２０ａに施されたアモルファス金属の保護膜２５と、保護膜２５に覆われて気体の圧力に応じて変位するシリコンダイヤフラム２２ａとを備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体の圧力を検出する圧力検出装置に関する。

半導体製造装置は、処理容器内においてウェハに所定の減圧雰囲気下で処理を施す。そこで、半導体製造装置の処理容器内の圧力を検出するために、圧力検出装置が用いられる。

半導体製造装置の処理容器内には、ウェハの処理の過程などにおいて、腐食性が高い気体が存在することがある。そのため、圧力検出装置は、耐食性が高いことが望まれる。

従来の圧力検出装置として、シリコンダイヤフラムの接ガス面に酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化チタンの何れか１つを保護膜として被覆することによって、耐食性を向上した静電容量型真空計が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−２１４０５９号公報

本願の発明者は、上記従来の圧力検出装置がシリコンダイヤフラムに金属酸化物の保護膜を施しているため、シリコンダイヤフラムの変位が保護膜によって妨げられ、圧力の検出の範囲が狭くなり精度も落ちるということを見出した。

そこで、本発明は、耐食性を有しながらも圧力の検出の性能を従来より向上することができる圧力検出装置を提供することを目的とする。

本発明の圧力検出装置は、気体が接触する接ガス面が形成されて前記気体の圧力を検出する静電容量型の圧力センサモジュールを備えており、前記圧力センサモジュールは、前記接ガス面に施されたアモルファス金属の保護膜と、前記保護膜に覆われて前記気体の圧力に応じて変位するシリコンダイヤフラムとを備えていることを特徴とする。

この構成により、本発明の圧力検出装置は、耐食性を有するアモルファス金属によって保護膜が形成されているので、耐食性を有している。また、本発明の圧力検出装置は、金属酸化物より弾性が高いアモルファス金属によって保護膜が形成されているので、保護膜の弾性が従来より向上する。したがって、本発明の圧力検出装置は、シリコンダイヤフラムの変位が保護膜によって従来より妨げられ難く、圧力の検出の性能を従来より向上することができる。

また、本発明の圧力検出装置の前記アモルファス金属は、ニッケル基アモルファス金属であっても良い。

この構成により、本発明の圧力検出装置は、耐食性に優れたニッケルを主成分とするアモルファス金属によって保護膜が形成されているので、耐食性を更に向上することができる。

また、本発明の圧力検出装置は、前記シリコンダイヤフラムと、前記保護膜との間に密着層を備えていても良い。

この構成により、本発明の圧力検出装置は、シリコンダイヤフラムと、保護膜との密着性を密着層によって向上することができる。

本発明の圧力検出装置は、耐食性を有しながらも圧力の検出の性能を従来より向上することができる。

本発明の一実施の形態に係る圧力検出装置の断面図である。図１に示す圧力検出装置の圧力センサモジュールの底面図である。気体の圧力変化に対する図１に示すシリコンダイヤフラムの変位量と、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属の保護膜の膜厚との関係を示す図である。保護膜が酸化アルミニウムによって形成されたときの、気体の圧力変化に対する図１に示すシリコンダイヤフラムの変位量と、保護膜の膜厚との関係を示す図である。図１に示す保護膜に適したＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の組成比の一覧を示す図である。図１に示す保護膜に適したＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の組成比の一覧であって、図５に示す一覧とは異なる一覧を示す図である。図５および図６に示す一覧に表されたＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の分布を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。

まず、本実施の形態に係る圧力検出装置の構成について説明する。

図１は、本実施の形態に係る圧力検出装置１０の断面図である。

図１に示すように、圧力検出装置１０は、気体の圧力を検出する静電容量型の圧力センサモジュール２０と、圧力センサモジュール２０の出力を外部に取り出す電極ピン３０ａ、３０ｂと、圧力センサモジュール２０を支持するための支持部材３１と、支持部材３１に設置されて圧力センサモジュール２０および支持部材３１の間の気体の漏れを防止するＯリング３２と、支持部材３１に固定されることによって圧力センサモジュール２０をＯリング３２に押し付ける押え部材３３と、押え部材３３を支持部材３１に固定するネジ３４と、支持部材３１に固定されることによって圧力センサモジュール２０、Ｏリング３２、押え部材３３およびネジ３４を覆うカバー３５とを備えている。

圧力センサモジュール２０は、Ｏリング３２によって囲まれている部分に、気体が接触する接ガス面２０ａが形成されている。

支持部材３１は、気体が導入される気体導入孔３１ａが形成されている。支持部材３１は、ＳＵＳ３１６Ｌ製であり、耐食性を有している。

Ｏリング３２は、耐食性を有するゴムによって形成されている。

押え部材３３は、圧力センサモジュール２０に接触する突起部３３ａが形成されている。

図２は、圧力検出装置１０の圧力センサモジュール２０の底面図である。

図１および図２に示すように、圧力センサモジュール２０は、中心に円錐台状の穴２１ａが形成された板状の基台ガラス２１と、基台ガラス２１の一面に固定されたシリコン基板２２と、シリコン基板２２に対して基台ガラス２１とは反対側に固定されてシリコン基板２２とともに真空室２０ｂを形成するガラス蓋２３と、真空室２０ｂ内においてシリコン基板２２と対向する位置でガラス蓋２３上に固定されたシリコン電極板２４と、基台ガラス２１およびシリコン基板２２を保護する保護膜２５と、シリコン基板２２と保護膜２５との密着性を高めるための密着層（中間層）２６とを備えている。

基台ガラス２１は、パイレックス（登録商標）ガラス製である。

シリコン基板２２は、基台ガラス２１の穴２１ａに対応している部分に、圧力に応じて変位可能なシリコンダイヤフラム２２ａが形成されている。

ガラス蓋２３は、パイレックスガラス製である。ガラス蓋２３は、電極ピン３０ａを内部に通してシリコン基板２２および電極ピン３０ａを電気的に接続しており、電極ピン３０ｂを内部に通してシリコン電極板２４および電極ピン３０ａを電気的に接続している。

保護膜２５は、基台ガラス２１のうちシリコン基板２２側の面とは反対側の面と、シリコン基板２２のうち基台ガラス２１の穴２１ａに囲まれた部分とを覆っている。保護膜２５は、アモルファス金属によって形成されている。保護膜２５を形成するアモルファス金属としては、Ｎｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のアモルファス金属など、ニッケル基アモルファス金属が好ましいが、ニッケル基アモルファス金属以外のアモルファス金属であっても良い。また、保護膜２５を形成するアモルファス金属としては、Ｒｕ−Ｚｒ−Ｓｉの三元系の金属ガラスなど、金属ガラスのアモルファス金属であっても良い。

密着層２６は、Ｃｒ膜によって形成されている。

圧力検出装置１０は、真空室２０ｂ内の真空度（圧力）と、気体導入孔３１ａ内の真空度（圧力）との差によるシリコンダイヤフラム２２ａの変位を、シリコンダイヤフラム２２ａと、シリコン電極板２４との間の静電容量の変化として検出することによって、気体導入孔３１ａ内の気体の圧力を測定する装置である。

次に、圧力センサモジュール２０の製造方法について説明する。

まず、シリコンダイヤフラム２２ａが張力を維持した状態で異方性エッチングによりシリコン基板２２に形成される。また、シリコン電極板２４がガラス蓋２３に接合される。

次いで、シリコン基板２２がガラス蓋２３および基台ガラス２１に真空接合される。

最後に、基台ガラス２１のうちシリコン基板２２側の面とは反対側の面と、シリコン基板２２のうち基台ガラス２１の穴２１ａに囲まれた部分とに、アモルファス金属が保護膜２５として被覆される。

次に、保護膜２５の形成方法について具体例で説明する。

まず、基台ガラス２１のうちシリコン基板２２側の面とは反対側の面と、シリコン基板２２のうち基台ガラス２１の穴２１ａに囲まれた部分とに、ＲＦスパッタリング装置（高周波スパッタリング装置）によってＣｒ膜が被膜されることによって、密着層２６が形成される。スパッタリング条件としては、ターゲットがＣｒターゲットであり、到達真空度が１×１０^−４Ｐａ（パスカル）以下であり、基板温度が１５℃であり、反応ガスがアルゴンガスであり、圧力が０．４Ｐａから１．０Ｐａであり、投入電力が３００Ｗである。

最後に、密着層２６上に、ＲＦスパッタリング装置によって保護膜２５が被膜される。この保護膜２５は、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属である。スパッタリング条件としては、ターゲットがニッケル基アモルファス金属（Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０）ターゲットであり、到達真空度が１×１０^−４Ｐａ以下であり、基板温度が１５℃であり、反応ガスがアルゴンガスであり、圧力が０．４Ｐａから１．０Ｐａであり、投入電力が４００Ｗである。

次に、上述した形成方法によって形成されたＮｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属の保護膜２５を備えた圧力センサモジュール２０の性質について説明する。

まず、保護膜２５の密着性について説明する。

保護膜２５および密着層２６の膜厚が様々である複数の圧力センサモジュール２０に対して保護膜２５のテープテストを行った。ここで、保護膜２５の膜厚は、０．５〜２．５μｍの間として、密着層２６の膜厚は、０．１〜０．５μｍの間とした。テープテストの結果、全ての膜厚で剥離等の問題は確認されなかった。したがって、保護膜２５は、高い密着性を有していることが確認された。

次に、保護膜２５の耐食性について説明する。

半導体プロセスで使用されるクリーニングガス中に圧力センサモジュール２０を約２週間曝露したが、気体の圧力に対するシリコンダイヤフラム２２ａの変位は、曝露前後で変化が無かった。したがって、保護膜２５は、高い耐食性を有していることが確認された。

次に、シリコンダイヤフラム２２ａの変位について説明する。

図３は、気体の圧力変化に対するシリコンダイヤフラム２２ａの変位量と、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属の保護膜２５の膜厚との関係を示す図である。なお、図３において、×印は、保護膜２５が形成される前のシリコンダイヤフラム２２ａの変位量であって、１．３３ｋＰａの気体に対する変位量を示している。

図３において、Ｘは、保護膜２５の膜厚（単位μｍ）であり、Ｙは、シリコンダイヤフラム２２ａの変位量（単位μｍ）である。図３に示す斜線の範囲は、保護膜２５の膜厚が０．５μｍ〜２．５μｍであるときの、気体の０ｋＰａ〜１．３３ｋＰａの圧力変化に対するシリコンダイヤフラム２２ａの変位量を示している。図３に示す斜線の範囲内においては、シリコンダイヤフラム２２ａに撓みが発生せず、シリコンダイヤフラム２２ａの張力が維持できることが確認された。

図４は、保護膜２５が酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）によって形成されたときの、気体の圧力変化に対するシリコンダイヤフラム２２ａの変位量と、保護膜２５の膜厚との関係を示す図である。なお、図４において、×印は、保護膜２５が形成される前のシリコンダイヤフラム２２ａの変位量であって、１．３３ｋＰａの気体に対する変位量を示している。

図４に示す図の基になるデータを取得した圧力センサモジュールは、保護膜２５を除いて、材質およびサイズを含めて圧力センサモジュール２０と同一の構成である。酸化アルミニウムの保護膜２５も、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属の保護膜２５と同様に、ＲＦスパッタリング装置によって被膜される。スパッタリング条件としては、ターゲットがＡｌ_２Ｏ_３ターゲット（アルミナターゲット）であり、到達真空度が１×１０^−４Ｐａ以下であり、基板温度が２００℃であり、反応ガスがアルゴンと酸素の混合ガスであり、圧力が０．４Ｐａから０．７Ｐａであり、投入電力が３００Ｗである。

図４において、Ｘは、保護膜２５の膜厚（単位μｍ）であり、Ｙは、シリコンダイヤフラム２２ａの変位量（単位μｍ）である。図４に示す斜線の範囲は、保護膜２５の膜厚が約０．２μｍ〜１．０μｍであるときの、気体の０ｋＰａ〜１．３３ｋＰａの圧力変化に対するシリコンダイヤフラム２２ａの変位量を示している。図４に示す斜線の範囲内においては、シリコンダイヤフラム２２ａに撓みが発生せず、シリコンダイヤフラム２２ａの張力が維持できることが確認された。

図３および図４に示すように、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属の保護膜２５を備えている圧力センサモジュール２０は、金属酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３の保護膜２５を備えている圧力センサモジュールと比較して、圧力の検出の性能が高いことが確認された。

なお、図４に示す保護膜２５の膜厚は、図３に示す保護膜２５の膜厚よりも薄い範囲に集中している。この理由として、金属酸化物の保護膜２５と、アモルファス金属の保護膜２５との間の加工性および生産性の違いが挙げられる。

＜加工性＞酸化アルミニウムなどの金属酸化物の保護膜２５は、厚く成膜されると、内部応力によって反りや割れが発生し易い。つまり、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属などのアモルファス金属の保護膜２５は、酸化アルミニウムなどの金属酸化物の保護膜２５と比較して、加工性が良い。

＜生産性＞酸化アルミニウムなどの金属酸化物の保護膜２５は、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属などのアモルファス金属の保護膜２５と比較して、成膜スピードが著しく遅い。つまり、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属などのアモルファス金属の保護膜２５は、酸化アルミニウムなどの金属酸化物の保護膜２５と比較して、生産性が良い。例えば、酸化アルミニウムの保護膜２５の成膜スピードが０．０２８μｍ／ｍｉｎであるときのスパッタリング条件と同一の条件でスパッタリングが行われると、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属の保護膜２５の成膜スピードは、０．６５０μｍ／ｍｉｎであり、酸化アルミニウムの保護膜２５の成膜スピードの２０倍以上である。

以上に説明したように、圧力検出装置１０は、耐食性を有するアモルファス金属によって保護膜２５が形成されているので、耐食性を有している。

また、圧力検出装置１０は、金属酸化物より弾性が高いアモルファス金属によって保護膜２５が形成されているので、保護膜２５の弾性が従来より向上する。したがって、圧力検出装置１０は、シリコンダイヤフラム２２ａの変位が保護膜２５によって従来より妨げられ難く、圧力の検出の性能を従来より向上することができる。

また、圧力検出装置１０は、ニッケル基アモルファス金属である場合、耐食性に優れたニッケルを主成分とするアモルファス金属によって保護膜２５が形成されているので、耐食性を更に向上することができる。

また、圧力検出装置１０は、シリコンダイヤフラム２２ａと、保護膜２５との間に密着層２６を備えている場合、シリコンダイヤフラム２２ａと、保護膜２５との密着性を密着層２６によって向上することができる。

なお、本実施の形態においては、Ｎｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の例として、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０の三元系のニッケル基アモルファス金属について説明したが、これに限られるものではない。本願の発明者は、約５００種類の組成比のＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属をコンビナトリアル・スパッタ法でセラミック板上に成膜し、このセラミック板を半導体製造クリーニングガスであるＣｌＦ_３、ＣＯＦ_２、ＮＦ_３それぞれに約２９０時間曝露することによって、何れのガス中でも腐食しなかったＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の組成比を探すという試験を行った。図５および図６は、上述した試験の結果、ＣｌＦ_３、ＣＯＦ_２、ＮＦ_３の何れのガス中でも腐食しなかったＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属、すなわち、保護膜２５に適したＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の組成比の一覧を示す図である。図７は、図５および図６に示す一覧に表されたＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属の分布を示す図である。上述した試験の結果、Ｎｉ４７−Ｎｂ４６−Ｔｉ０７、Ｎｉ４９−Ｎｂ３５−Ｔｉ１６、Ｎｉ５６−Ｎｂ３３−Ｔｉ１１、Ｎｉ６０−Ｎｂ３０−Ｔｉ１０、Ｎｉ５４−Ｎｂ３０−Ｔｉ１６など、Ｎｉが４２〜６５％であり、Ｎｂが２５〜５１％であり、Ｔｉが２〜２１％であるＮｉ−Ｎｂ−Ｔｉの三元系のニッケル基アモルファス金属が最適であることが判明した。特に、Ｎｉ５６−Ｎｂ３３−Ｔｉ１１の三元系のニッケル基アモルファス金属が理想的であった。

１０圧力検出装置
２０圧力センサモジュール
２０ａ接ガス面
２２ａシリコンダイヤフラム
２５保護膜
２６密着層

Claims

気体が接触する接ガス面が形成されて前記気体の圧力を検出する静電容量型の圧力センサモジュールを備えており、
前記圧力センサモジュールは、前記接ガス面に施されたアモルファス金属の保護膜と、前記保護膜に覆われて前記気体の圧力に応じて変位するシリコンダイヤフラムとを備えていることを特徴とする圧力検出装置。
前記アモルファス金属は、ニッケル基アモルファス金属であることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
前記シリコンダイヤフラムと、前記保護膜との間に密着層を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力検出装置。