JP2017156098A - 圧力センサ状態検出方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサへの堆積をはじめとする異常状態が、早期に検出できるようにする。【解決手段】特性計測部１２５は、温度制御部の動作によりセンサチップ１０１の温度を変化させた状態で圧力センサ（圧力値出力部１２１）の出力変化を得ることで、出力変化を示すセンサ特性を得る。状態判断部１２６は、特性計測部１２５が得たセンサ特性と、基準値記憶部１２４に記憶されている基準となる基準特性との比較により、ダイアフラム１１２の異常状態を判断する。【選択図】 図１

Description

本発明は、受圧部となるダイアフラムなどの可動部を備えた静電容量式の圧力センサの受圧部の状態を検出する圧力センサ状態検出方法およびシステムに関する。

静電容量式の圧力センサは、例えば、半導体装置の製造における気相成長による様々な成膜装置やエッチング装置に用いられている。成膜装置としては、化学的気相成長（ＣＶＤ）装置、原子層成長（ＡＬＤ）装置、スパッタ成膜装置などがある。このような成膜装置では、ｎｍ単位の厚さの薄膜を形成するため、成膜室内の圧力（真空度）や原料ガスの分圧などを正確に制御しており、圧力を正確に検出することが重要となる。また、エッチング装置では、大気圧以下、主として０．０１Ｐａ〜数Ｐａの腐食性ガスや腐食性ガスを含有するプラズマを用いて加工対象の基板をエッチングする。このような圧力の検出のために、静電容量式の圧力センサが用いられている。

この圧力センサは、図５に示すように、絶縁体からなる基台３０１と、基台３０１の上に支持部３０１ａによって支持されて可動領域３０２ａで基台３０１と離間して配置され、可動領域３０２ａで基台３０１の方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受けるダイアフラム３０２と、可動領域３０２ａにおけるダイアフラム３０２と基台３０１との間に形成された気密室３０３とを備える。

また、気密室３０３の内部でダイアフラム３０２の可動領域３０２ａに形成された可動電極３０４と、気密室３０３の内部で基台３０１の上に可動電極３０４に向かい合って形成された固定電極３０５とを備える。また、気密室３０３の内部でダイアフラム３０２の可動領域３０２ａにおいて可動電極３０４の周囲に形成された可動参照電極３０６と、気密室３０３の内部で固定電極３０５の周囲の基台３０１の上に形成され、可動参照電極３０６に向かい合って形成された固定参照電極３０７とを備える。

上述したように構成されている圧力センサは、測定対象のガスが流れる配管や被測定流体が収容されているタンクに取り付けられてガスの圧力を測定する。静電容量式の圧力センサでは、ガス圧を受けたダイアフラムの変位を、静電容量値に変換している。この圧力センサは、ガス種類に対して依存性が少ないことから、前述したような半導体装置製造設備をはじめ、工業用途に広く使用されている。

特開平０６−３０７９６４号公報 特表２０１０−５２５３２４号公報

上述した圧力センサでは、原料ガスなどの装置に用いられているガスに対する耐腐食性と共に、成膜などのプロセス中で発生する副生成物に対しても耐性が要求される。また、成膜プロセスでは、成膜室内壁、配管内壁、真空ポンプ内部、および圧力センサの受圧部であるダイアフラムなど、原料ガスが通過する箇所には堆積が発生し、様々な問題を起こす（特許文献１，特許文献２参照）。

例えば、従来一般的に用いられている化学的気相成長法（ＣＶＤ）に比較し、段差被覆性や膜質において優れているとして近年開発され、ゲート絶縁膜などの形成に用いられている原子層堆積法（ＡＬＤ）がある。このＡＬＤは、特性上、原料ガスが通過する様々な箇所に、原料ガスが付着しやすく、上述した無用な堆積が発生しやすい。圧力センサにおいては、図４に示すように、ダイアフラム３０２の受圧領域に堆積物３２１が堆積する。

静電容量式の圧力センサでは、受圧部となるダイアフラムへの堆積は、堆積物の応力により、計測している圧力に関係の無い撓みをダイアフラムに生じさせる。測定対象となる成膜装置の処理室内を真空に引き切った状態において、圧力センサが零点を示すように調整されているが、上述したような状態では、零点のシフトをもたらすことになる。

また、堆積物の堆積によりダイアフラムの厚さが増加すれば、同じ圧力であっても、堆積している状態ではダイアフラムの撓みが小さくなり、圧力測定感度の低下を引き起こす。また、堆積物に粘性がある場合、圧力変化に対するダイアフラムの動きに遅れを生じさせることになり、センサ応答の遅れを招くことになる。

今日では、膜厚や品質の均一化がより進められ、高精度なプロセスが要求されており、上述したような圧力検出精度の低下は問題となる。このため、堆積を防止するために、上述したような成膜装置では、例えば成膜動作時などにおいて、各部分を例えば１００〜２００℃程度に加熱している。しかしながら、このような加熱による回避策を行っても堆積は微量ずつ進行する。

堆積が発生したものと判断された場合、例えば零点シフトの調整を行うことになる。零点シフトの調整などにおいては、一度製造工程を停止し、装置内部を完全に真空状態であると見なせるまで真空排気する必要がある。このためには、長い時間が必要となる。また、この零点シフト調整では、調整できる範囲には限りがあり、この限界を超えた場合、装置から圧力センサを取り外し、再較正をすることになる。この較正には専用の装置が必要となり、非常に面倒なものとなる。

また、堆積量が許容値を超えてダイアフラムに堆積した圧力センサは、所定の精度を確保することが不可能となり故障に至る。現状では、装置の使用回数や積算総膜厚などの履歴情報を基に、圧力センサを交換する、あるいは可能な場合は、クリーニングで対応している。しかしながら、上述したような履歴情報を元にした対応では、要求される高い圧力検出精度が維持できない場合が発生する。

また、上述したような圧力センサの測定精度低下は、ダイアフラムへの堆積に限るものではなく、様々な原因が考えられる。例えば、エッチングプロセスやチャンバーのクリーニング時に発生し得るダイアフラム材料の腐食やエッチング変質などにより、圧力感度が変化することがあり、またダイアフラムに加えられている筐体からの応力が何等かの原因で変化し、これによっても印加圧力による感度が変化することもあり得る。

いずれにしても正確な圧力の計測の為には、前述したような較正作業を実施することが必要になり、どのタイミングで行うのか把握することは極めて重要なことである。特に必要もないのにセンサを較正に出してしまうとプロセス装置を停止しなければならず、大きなむだとなる。従って、圧力センサにおける異常状態を、早期に検出できることが求められている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、圧力センサの異常状態が、早期に検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る圧力センサ状態検出方法は、変位可能とされて測定対象からの圧力を受ける受圧部を備えるセンサチップから構成されて受圧部の変位を静電容量の変化として検出する圧力センサの受圧部の状態を検出する圧力センサ状態検出方法であって、センサチップの温度を変化させた状態で圧力センサの出力変化を得る第１ステップと、第１ステップで得られた出力変化を示すセンサ特性と基準となる基準特性との比較により受圧部の異常状態を判断する第２ステップとを備える。

上記圧力センサ状態検出方法において、第２ステップで判断する異常状態は、受圧部への堆積物の堆積状態である。また、第２ステップで判断する異常状態は、受圧部の被測定媒体のガスとの化学反応による腐食または変質した状態であってもよい。また、第２ステップで判断する異常状態は、受圧部に加わる機械的な応力変化による圧力センサ出力が変化した状態であってもよい。

上記圧力センサ状態検出方法において、センサ特性および基準特性は、圧力センサの出力変化と温度変化との関係を示す特性である。また、センサ特性および基準特性は、圧力センサの出力変化の時系列的な変化を示す特性である。

本発明に係る圧力センサ状態検出システムは、変位可能とされて測定対象からの圧力を受ける受圧部を備えるセンサチップから構成されて受圧部の変位を静電容量の変化として検出する圧力センサと、センサチップの温度を変化させる温度制御部と、温度制御部の動作によりセンサチップの温度を変化させた状態で圧力センサの出力変化を得ることで出力変化を示すセンサ特性を得る特性計測部と、特性計測部が得たセンサ特性と基準となる基準特性との比較により受圧部の異常状態を判断する状態判断部とを備える。

上記圧力センサ状態検出システムにおいて、状態判断部が判断する異常状態は、受圧部への堆積物の堆積状態である。また、状態判断部が判断する異常状態は、受圧部の被測定媒体のガスとの化学反応による腐食または変質した状態であってもよい。また、状態判断部が判断する異常状態は、受圧部に加わる機械的な応力変化による圧力センサ出力が変化した状態であってもよい。

上記圧力センサ状態検出システムにおいて、センサ特性および基準特性は、圧力センサの出力変化と温度変化との関係を示す特性である。また、センサ特性および基準特性は、圧力センサの出力変化の時系列的な変化を示す特性である。

以上説明したことにより、本発明によれば、圧力センサへの堆積をはじめとする異常状態が、早期に検出できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における圧力センサ状態検出システムの構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における圧力センサ状態検出方法を説明するフローチャートである。 図３は、温度センサの温度特性を示す特性図である。 図４は、温度変化に対するセンサ出力の時系列的な変化を示す特性図である。 図５は、静電容量式の圧力センサの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における圧力センサ状態検出システムの構成を示す構成図である。このシステムは、センサチップ１０１、圧力値出力部１２１、加熱部１２２、温度調節部１２３、基準値記憶部１２４、特性計測部１２５、状態判断部１２６、警報出力部１２７を備える。

センサチップ１０１は、よく知られた静電容量式であり、基台１１１，ダイアフラム１１２，可動電極１１４，固定電極１１５を備える。基台１１１およびダイアフラム１１２は、例えば、サファイアやアルミナセラミックなどの耐熱耐食性を有する絶縁体から構成されている。また、受圧部となるダイアフラム１１２は、基台１１１の支持部１１１ａによって支持され、支持部１１１ａの内側の可動領域１１２ａにおいて、基台１１１の方向に変位可能とされた可動部である。可動領域１１２ａは、例えば、平面視円形とされている。

可動領域１１２ａおけるダイアフラム１１２と基台１１１との間は、気密に封止された気密室１１３とされている。圧力センサを真空計として用いる場合、気密室１１３はいわゆる真空とされ、基準真空室となる。

また、可動電極１１４は、気密室１１３の内部でダイアフラム１１２の可動領域１１２ａに形成されている。また、固定電極１１５は、可動電極１１４と、気密室１１３の内部で基台１１１の上に可動電極１１４に向かい合って形成されている。なお、実施の形態におけるセンサチップ１０１は、気密室１１３の内部でダイアフラム１１２の可動領域１１２ａにおいて可動電極１１４の周囲に形成された可動参照電極１１６と、気密室１１３の内部で固定電極１１５の周囲の基台１１１の上に形成され、可動参照電極１１６に向かい合って形成された固定参照電極１１７とを備える。

圧力値出力部１２１は、設定されているセンサ感度を用いて容量変化を圧力値に変換して出力する。センサチップ１０１および圧力値出力部１２１により圧力センサが構成される。

加熱部１２２は、センサチップ１０１の近傍に配置され、温度調節部１２３の制御により、例えば抵抗加熱などによりセンサチップ１０１（ダイアフラム１１２）を加熱し、センサチップ１０１の温度を変化させる。加熱部１２２および温度調節部１２３により温度制御部が構成される。

特性計測部１２５は、温度制御部の動作によりセンサチップ１０１の温度を変化させた状態で圧力センサ（圧力値出力部１２１）の出力変化を得ることで、出力変化を示すセンサ特性を得る。状態判断部１２６は、特性計測部１２５が得たセンサ特性と、基準値記憶部１２４に記憶されている基準となる基準特性との比較により、ダイアフラム１１２の異常状態を判断する。

ダイアフラム１１２の異常状態は、例えば、ダイアフラム１１２への堆積物の堆積状態である。またダイアフラム１１２の異常状態は、ダイアフラム１１２の被測定媒体のガスとの化学反応による腐食または変質した状態である。またダイアフラム１１２の異常状態は、ダイアフラム１１２に加わる機械的な応力変化による圧力センサ出力が変化した状態である。

センサ特性および基準特性は、例えば、圧力センサの出力変化と温度変化との関係を示す特性である。また、センサ特性および基準特性は、圧力センサの出力変化の時系列的な変化を示す特性である。

警報出力部１２７は、状態判断部１２６が、ダイアフラム１１２に、規定値以上の堆積物が堆積したことなどの異常の有無の判断により警報を出力する。このように警報が出力されたことにより、圧力センサの較正が必要な状態になったことが判断できる。

次に、本発明の実施の形態における圧力センサ状態検出システムの動作（圧力センサ状態検出方法）について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１で、計測部１２５が、温度調節部１２３の制御により加熱部１２２を動作させることでセンサチップ１０１の温度を変化させ、この状態で圧力値出力部１２１からの出力変化を取得する。

次に、ステップＳ２０２で、状態判断部１２６が、計測部１２５が得た出力変化を示すセンサ特性と、基準値記憶部１２４に記憶されている基準特性とを比較する。この比較により、センサ特性と基準特性との間に閾値以上の差がある場合（ステップＳ２０３のｙ）、状態判断部１２６は、ダイアフラム１１２に堆積物が堆積しているなどの異常が発生しているものと判断し、ステップＳ２０４で、警報出力部１２７に警報を出力させる。

ここで、センサ特性および基準特性について説明する。以下では、受圧部であるダイアフラムに堆積物が堆積している場合を異常発生の例として説明する。ダイアフラムに何らかの物質が堆積している場合、堆積物はダイアフラムと材料特性が異なるので、堆積していない場合と比較すると、温度と零点の特性に変化が生じる。この変化は、ガスによりダイアフラムが腐食または変質した場合や、ダイアフラムに加わる機械的な応力が変化した場合においても発生する。圧力センサの温度変化に対する出力値の変化を示す温度特性は、センサチップ自体の熱膨張、可動電極とダイアフラムとの熱膨張係数の差、ダイアフラムと基台との溶接や接合状態、センサチップを収容するパッケージからの影響など、様々な原因で発生する。一般には、センサチップの製造直後（出荷時）に温度特性を計測し、この結果によりセンサチップの出力を補正している。

ダイアフラムが変形していない（撓んでいない）状態となる基準温度を原点としたときに、温度の変化によりダイアフラムが変形することで形成される容量変化が、温度特性として現れる。なお、圧力センサは、実使用状態において所定温度（例えば１５０℃）に加熱して動作させている。このため、一般には、動作時の温度において、ダイアフラムが撓んでいない状態となるように、センサチップは設計製造されている。従って、動作時の温度を基準温度とすればよいことになる。

例えば、温度変化をｘ軸として基準温度を０とし、容量変化によるセンサ出力変化をｙ軸として基準温度におけるセンサ出力を０に設定すれば、ダイアフラムに堆積（異常）が発生していない状態における温度特性がｘｙ座標において原点を通る直線として近似される。この状態を、図３（ａ）の直線に示す。

ダイアフラムに堆積物が堆積していれば、この温度特性が変化する。例えば、堆積物の熱膨張係数がダイアフラムの熱膨張係数よりも小さい場合、温度変化によるダイアフラム本来の変化を妨げる力が働くので、温度特性を示す直線の傾きは小さくなる。この状態を、図３（ａ）の一点鎖線に示す。

一方、堆積物の熱膨張係数がダイアフラムの熱膨張係数よりも大きい場合、温度変化によるダイアフラム本来の変化をより大きくする方向に力が働くので、温度特性を示す直線の傾きは大きくなる。この状態を、図３（ａ）の点線に示す。

ここで、零点が＋方向にシフトすると、図３（ｂ）に示すような温度特性となり、零点が−方向にシフトすると、図３（ｃ）に示すような温度特性となる。いずれも、堆積していない場合を直線で示し、堆積物の熱膨張係数がダイアフラムの熱膨張係数よりも小さい場合を一点鎖線で示し、堆積物の熱膨張係数がダイアフラムの熱膨張係数よりも大きい場合を点線で示している。

零点のシフト分をオフセットさせれば、各々の傾きは同様であるので、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図３（ａ）に示す温度特性と同じになる。これらのことより明らかなように、ダイアフラムへの堆積物の状態は、温度特性の傾きによって判断することが可能である。センサチップの製造直後などにおけるダイアフラムに堆積が発生していない状態における温度特性を測定しておき、この温度特性を基準特性とすればよい。

この基準特性と、実使用状態における圧力センサより得られた温度特性であるセンサ特定との間で、上述した傾きを比較することで、ダイアフラムへの堆積物の堆積状態が判断できる。例えば、実質的に問題となる程度に堆積物を堆積させた状態で、センサ特性を測定し、測定したセンサ特性の傾きと基準特性の傾きとの差を求め、この傾きの差を閾値として設定する。実使用状態で測定されたセンサ特性の傾きと基準特性の傾きとの差が、閾値を超えた場合、ダイアフラムに堆積物が発生しているものと判断する。

ところで、上述した温度特性の変化は、堆積物が比較的硬く、また、温度によりあまり硬さ（粘弾性）が変化しない場合に顕著である。一方、堆積物が粘性を持ち、また、温度によって粘弾性が変化する場合、ダイアフラムに堆積が発生していると、ダイアフラムの変位動作の時間遅れが発生する。

例えば、図４（ａ）に示すように、センサチップの温度を時系列的に変化させる。この温度変化に対し、ダイアフラムに堆積が発生していない場合、図４（ｂ）に実線で示すように、センサ出力に時間遅れが発生することがない。これに対し、粘性のある物質がダイアフラムに堆積すると、図４（ｂ）に一点鎖線で示すように、開示時刻ｔ０より後の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３において、センサ出力に時間遅れが発生する。また、粘性が大きい物質がダイアフラムに堆積すると、図４（ｂ）に点線で示すように、センサ出力に時間遅れが発生するばかりではなく、温度を基準温度としても、センサ出力が０に戻らなくなる場合が発生する。

従って、上述した温度の時系列的な変化を基準特性およびセンサ特性として用いることもできる。図４（ｂ）の実線で示すセンサ出力の時系列的な変化を基準特性とする。また、実質的に問題となる程度に堆積物を堆積させた状態で、センサ特性としてセンサ出力の時系列的な変化を測定し、基準特性を基準とした設定したある時刻（ｔ２）における時間遅れを閾値として設定する。実使用状態で測定されたセンサ特性の、時刻ｔ２における基準特性からの時間遅れが閾値を超えた場合、ダイアフラムに堆積（異常）が発生しているものと判断することができる。

また、上述した温度特性および温度変化に対するセンサ出力の時系列的な変化の両方を用いて、ダイアフラムの異常状態を判断してもよい。このようにすることで、より多様な堆積状態が判断できるようになる。また、いずれか一方においてダイアフラムに異常が発生しているものと判断された場合、警報を出力させるようにすればよい。

以上に説明したように、本発明によれば、センサチップの温度を変化させた状態で得られた圧力センサの出力変化と基準特性との比較により受圧部の異常状態を判断するようにしたので、圧力センサの異常状態が、早期に検出できるようになる。本発明によれば、用いられている装置より圧力センサを取り外すことなく、装置が稼働している状態で圧力センサの異常状態が検出（判断）できるので、装置内部を大気状態とし、また、装置内部を完全に真空状態であると見なせるまで真空排気するなどの作業を必要とせず、迅速に異常状態が把握できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…センサチップ、１１１…基台、１１１ａ…支持部、１１２…ダイアフラム、１１２ａ…可動領域、１１３…気密室、１１４…可動電極、１１５…固定電極、１１６…可動参照電極、１１７…固定参照電極、１２１…圧力値出力部、１２２…加熱部、１２３…温度調節部、１２４…基準値記憶部、１２５…特性計測部、１２６…状態判断部、１２７…警報出力部。

Claims (12)

1. 変位可能とされて測定対象からの圧力を受ける受圧部を備えるセンサチップから構成されて前記受圧部の変位を静電容量の変化として検出する圧力センサの前記受圧部の状態を検出する圧力センサ状態検出方法であって、
   前記センサチップの温度を変化させた状態で前記圧力センサの出力変化を得る第１ステップと、
   前記第１ステップで得られた出力変化を示すセンサ特性と基準となる基準特性との比較により前記受圧部の異常状態を判断する第２ステップと
   を備えることを特徴とする圧力センサ状態検出方法。
2. 請求項１記載の圧力センサ状態検出方法において、
   前記第２ステップで判断する前記異常状態は、前記受圧部への堆積物の堆積状態であることを特徴とする圧力センサ状態検出方法。
3. 請求項１記載の圧力センサ状態検出方法において、
   前記第２ステップで判断する前記異常状態は、前記受圧部の被測定媒体のガスとの化学反応による腐食または変質した状態であることを特徴とする圧力センサ状態検出方法。
4. 請求項１記載の圧力センサ状態検出方法において、
   前記第２ステップで判断する前記異常状態は、前記受圧部に加わる機械的な応力変化による圧力センサ出力が変化した状態であることを特徴とする圧力センサ状態検出方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ状態検出方法において、
   前記センサ特性および前記基準特性は、前記圧力センサの出力変化と温度変化との関係を示す特性であることを特徴とする圧力センサ状態検出方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ状態検出方法において、
   前記センサ特性および前記基準特性は、前記圧力センサの出力変化の時系列的な変化を示す特性であることを特徴とする圧力センサ状態検出方法。
7. 変位可能とされて測定対象からの圧力を受ける受圧部を備えるセンサチップから構成されて前記受圧部の変位を静電容量の変化として検出する圧力センサと、
   前記センサチップの温度を変化させる温度制御部と、
   前記温度制御部の動作により前記センサチップの温度を変化させた状態で前記圧力センサの出力変化を得ることで出力変化を示すセンサ特性を得る特性計測部と、
   前記特性計測部が得たセンサ特性と基準となる基準特性との比較により前記受圧部の異常状態を判断する状態判断部と
   を備えることを特徴とする圧力センサ状態検出システム。
8. 請求項７記載の圧力センサ状態検出システムにおいて、
   前記状態判断部が判断する前記異常状態は、前記受圧部への堆積物の堆積状態であることを特徴とする圧力センサ状態検システム。
9. 請求項７記載の圧力センサ状態検出システムにおいて、
   前記状態判断部が判断する前記異常状態は、前記受圧部の被測定媒体のガスとの化学反応による腐食または変質した状態であることを特徴とする圧力センサ状態検出システム。
10. 請求項７記載の圧力センサ状態検出システムにおいて、
    前記状態判断部が判断する前記異常状態は、前記受圧部に加わる機械的な応力変化による圧力センサ出力が変化した状態であることを特徴とする圧力センサ状態検出システム。
11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の圧力センサ状態検出システムにおいて、
    前記センサ特性および前記基準特性は、前記圧力センサの出力変化と温度変化との関係を示す特性であることを特徴とする圧力センサ状態検出システム。
12. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の圧力センサ状態検出システムにおいて、
    前記センサ特性および前記基準特性は、前記圧力センサの出力変化の時系列的な変化を示す特性であることを特徴とする圧力センサ状態検出システム。

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