JP2022174404A - 隔膜真空計 - Google Patents

Abstract

【課題】自己加熱温度を自動的に切り替える。【解決手段】隔膜真空計は、被測定媒体の圧力によるダイアフラムの変位に応じて電気特性が変化する受圧部１０と、受圧部１０を加熱するヒータ５と、受圧部１０の温度を計測する温度センサ９と、受圧部１０の電気特性の変化を計測圧力値に変換する圧力計測部１３と、計測圧力値に応じて加熱温度設定値を設定する温度設定部１４と、温度センサ９によって計測された温度と加熱温度設定値とに基づいてヒータ５への供給電力を制御するヒータ制御部１６とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、隔膜真空計に関するものである。

隔膜真空計は、半導体のプロセスチャンバーの圧力計測のために使用される。半導体のプロセスガスは、温度が適切でないと、液化または固化して隔膜真空計のセンサ部に付着してしまい計測に影響してしまう。このため、隔膜真空計は、液化または固化したプロセスガスの付着を防止するための自己加熱機能を有している（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

一方で、近年の半導体プロセスは高度化しており、１つのプロセスで様々なガスが使用される。プロセスガスにより適切な自己加熱温度が異なっている場合があるので、特許文献２、特許文献３に開示された隔膜真空計のように自己加熱温度を切り替える機能を有する隔膜真空計もある。さらに、隔膜真空計を使用していない時は、消費電力を低減させるために自己加熱機能をオフにする機能を備えているものもある。

しかしながら、従来の隔膜真空計では、自己加熱温度を切り替えるために、外部から切替信号を隔膜真空計に入力しなければならないという課題があった。

特開２０１０－１１７１５４号公報 特開２００９－２４３８８７号公報 特開２０１９－７９０６号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、自己加熱温度を自動的に切り替えることができる隔膜真空計を提供することを目的とする。

本発明の隔膜真空計は、被測定媒体の圧力によるダイアフラムの変位に応じて電気特性が変化するように構成された受圧部と、前記受圧部を加熱するように構成されたヒータと、前記受圧部の温度を計測するように構成された温度センサと、前記受圧部の電気特性の変化を計測圧力値に変換するように構成された圧力計測部と、前記圧力計測部によって得られた計測圧力値に応じて加熱温度設定値を設定するように構成された温度設定部と、前記温度センサによって計測された温度と前記加熱温度設定値とに基づいて前記ヒータへの供給電力を制御するように構成されたヒータ制御部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例は、前記計測圧力値と前記加熱温度設定値とを対応付けて記憶するように構成された記憶部をさらに備え、前記温度設定部は、前記圧力計測部によって得られた計測圧力値に対応する加熱温度設定値を前記記憶部から取得することを特徴とするものである。

また、本発明の隔膜真空計の１構成例において、前記記憶部は、圧力上昇時自動設定無効化フラグと圧力下降時自動設定無効化フラグとをさらに記憶し、前記温度設定部は、前記圧力上昇時自動設定無効化フラグがセット状態の場合に、前記計測圧力値の上昇時の前記加熱温度設定値の切り替えを無効とし、前記圧力下降時自動設定無効化フラグがセット状態の場合に、前記計測圧力値の下降時の前記加熱温度設定値の切り替えを無効とすることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例において、前記記憶部は、前記加熱温度設定値を切り替えるまでの遅延時間をさらに記憶し、前記温度設定部は、前記加熱温度設定値を切り替える際に、前記遅延時間の経過後に前記加熱温度設定値を切り替えることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例において、前記記憶部は、前記遅延時間として、圧力上昇時遅延時間と圧力下降時遅延時間とを記憶し、前記温度設定部は、前記計測圧力値の上昇時に前記加熱温度設定値を切り替える際に、前記圧力上昇時遅延時間の経過後に前記加熱温度設定値を切り替え、前記計測圧力値の下降時に前記加熱温度設定値を切り替える際に、前記圧力下降時遅延時間の経過後に前記加熱温度設定値を切り替えることを特徴とするものである。

また、本発明の隔膜真空計の１構成例は、前記記憶部の記憶内容を外部からの指示に応じて変更可能な設定変更部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例は、前記加熱温度設定値を外部に知らせるように構成された通知部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例は、前記温度センサによって計測された温度が前記加熱温度設定値に到達したときに、隔膜真空計の自己加熱温度が加熱温度設定値に到達したことを外部に知らせるように構成された通知部をさらに備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、計測圧力値に応じて加熱温度設定値を設定する温度設定部を設けることにより、隔膜真空計の自己加熱温度を自動的に切り替えることができ、自己加熱温度の切り替えのための外部からの信号が不要となるので、自己加熱温度の切替信号発生のためのハードウェアの製作が不要となる。

図１は、本発明の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る隔膜真空計のセンサチップの要部の構成を示す図である。 図３は、本発明の実施例に係る隔膜真空計の動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施例に係る隔膜真空計の記憶部に記憶されるパラメータの１例を示す図である。 図５は、本発明の実施例に係る隔膜真空計の自己加熱温度の切り替え動作の１例を示す図である。 図６は、本発明の実施例に係る隔膜真空計の回路部を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図、図２は隔膜真空計に用いられるセンサチップの要部の構成を示す図である。

隔膜真空計は、被測定媒体（例えばプロセスガス）の圧力によるダイアフラム（隔膜）の変位に応じて静電容量（電気特性）が変化する受圧部１０と、受圧部１０の静電容量の変化を計測圧力値に変換する回路部１１とを備えている。

受圧部１０のセンサチップ１は、ダイアフラム構成部材１００と台座１０１とを備えている。ダイアフラム構成部材１００は、被測定媒体（例えばプロセスガス）の圧力Ｐに応じて変形可能に構成されたダイアフラム１０２と、このダイアフラム１０２よりも肉厚に形成されてダイアフラム１０２の周縁部を変位不能に支持するダイアフラム支持部１０３とを備える。台座１０１は、ダイアフラム支持部１０３に接合され、ダイアフラム１０２と共に基準真空室１０４を形成する。

センサチップ１において、台座１０１の基準真空室１０４側の面には固定電極１０５が形成され、ダイアフラム１０２の基準真空室１０４側の面には固定電極１０５と対向するように可動電極１０６が形成されている。ダイアフラム１０２が被測定媒体の圧力Ｐを受けて撓むと、可動電極１０６と固定電極１０５との間の間隔が変化し、可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化からダイアフラム１０２が受けた被測定媒体の圧力Ｐを検出することができる。ダイアフラム構成部材１００と台座１０１とは、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。

図１に示した隔膜真空計は、このように構成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収容したハウジング２と、センサチップ１のダイアフラム１０２に被測定媒体の圧力Ｐを導く圧力導入管３と、ハウジング２を覆うセンサケース４と、センサケース４の外周面を取り囲むようにして設けられたヒータ５とを備えている。ヒータ５が設けられたセンサケース４は、断熱材６によって覆われている。

ハウジング２の内部には隔壁７が設けられている。隔壁７は、台座板７ａと支持板７ｂとから構成されており、ハウジング２の内部空間を第１の空間２ａと第２の空間２ｂとに分離する。支持板７ｂは、外周がハウジング２に固定されており、台座板７ａをハウジング２の内部空間内に浮上させた状態で支持する。台座板７ａの第２の空間２ｂ側にセンサチップ１が固定されている。また、台座板７ａには、第１の空間２ａ内の圧力をセンサチップ１のダイアフラム１０２に導く圧力導入孔７ｃが形成されている。第２の空間２ｂは、センサチップ１の基準真空室１０４と連通しており、真空状態とされている。

圧力導入管３は、ハウジング２の第１の空間２ａ側に接続されている。圧力導入管３とハウジング２との間にはバッフル８が設けられている。圧力導入管３より導入される被測定媒体は、バッフル８の板面に当たり、バッフル８の周囲の隙間を通して、ハウジング２の第１の空間２ａ内に流入する。
ハウジング２の外壁面には温度センサ９が設けられている。温度センサ９は、受圧部１０の温度としてハウジング２の温度を計測する。

隔膜真空計の回路部１１は、容量検出部１２と、圧力計測部１３と、温度設定部１４と、記憶部１５と、ヒータ制御部１６と、通知部１７と、設定変更部１８とから構成される。

次に、本実施例の動作について説明する。図３は本実施例の隔膜真空計の動作を説明するフローチャートである。
容量検出部１２は、受圧部１０のダイアフラム１０２の変位による可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量（電気特性）の変化を検出する（図３ステップＳ１００）。

圧力計測部１３は、容量検出部１２によって検出された静電容量の変化を計測圧力値ＭＰに変換して出力する（図３ステップＳ１０１）。
温度設定部１４は、圧力計測部１３によって得られた計測圧力値ＭＰに応じて加熱温度設定値ｔｓｐを設定する（図３ステップＳ１０２）。

記憶部１５は、計測圧力値ＭＰと加熱温度設定値ｔｓｐとを対応付けて記憶している。温度設定部１４は、計測圧力値ＭＰに対応する加熱温度設定値ｔｓｐを記憶部１５から取得する。計測圧力値ＭＰとこれに対応する加熱温度設定値ｔｓｐとの組からなるパラメータは、隔膜真空計の外部からユーザーにより自由に変更することが可能である。

温度検出部１９は、温度センサ９によって計測された温度ｔｐｖの値を取得する。ヒータ制御部１６は、温度センサ９によって計測された温度ｔｐｖが加熱温度設定値ｔｓｐと一致するようにヒータ５への供給電力を制御する（図３ステップＳ１０３）。
通知部１７は、現在の加熱温度設定値ｔｓｐを表示することにより、隔膜真空計の加熱温度設定値ｔｓｐを外部へ、即ちユーザーに知らせる（図３ステップＳ１０４）。

また、通知部１７は、温度センサ９によって計測された温度ｔｐｖが加熱温度設定値ｔｓｐに到達したときに（図３ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、例えば自己加熱温度が加熱温度設定値ｔｓｐに到達した旨のメッセージの表示またはＬＥＤ等の点灯により、隔膜真空計の自己加熱温度が加熱温度設定値ｔｓｐに到達したことをユーザーに知らせる（図３ステップＳ１０６）。

隔膜真空計は、外部からの指示、例えばユーザーの指示によって圧力計測動作が終了するまで（図３ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１０６の処理を一定時間毎に行う。

こうして、本実施例では、隔膜真空計の自己加熱温度を自動的に切り替えることができ、自己加熱温度の切り替えのための外部からの信号が不要となる。

なお、温度設定部１４は、計測圧力値ＭＰがある範囲を超えたことにより、加熱温度設定値ｔｓｐを切り替えるときに、加熱温度設定値ｔｓｐを切り替えるまでの遅延時間を設けて、加熱温度設定値ｔｓｐが直ぐに切り替わらないようにしてもよい。この遅延時間についてもパラメータとして記憶部１５に予め登録しておくことができる。

遅延時間は、計測圧力値ＭＰの上昇時には無効であるが、計測圧力値ＭＰの下降時のみ有効になるようにしてもよい。すなわち、遅延時間としては、圧力上昇時遅延時間と圧力下降時遅延時間とがある。
温度設定部１４は、圧力上昇時遅延時間が設定されている場合、計測圧力値ＭＰの上昇時に加熱温度設定値ｔｓｐを切り替える際に、圧力上昇時遅延時間の経過後に加熱温度設定値ｔｓｐを切り替える。また、温度設定部１４は、圧力下降時遅延時間が設定されている場合、計測圧力値ＭＰの下降時に加熱温度設定値ｔｓｐを切り替える際に、圧力下降時遅延時間の経過後に加熱温度設定値ｔｓｐを切り替える。

また、記憶部１５には、計測圧力値ＭＰの上昇時の加熱温度設定値ｔｓｐの自動設定の無効化化フラグ、計測圧力値ＭＰの下降時の加熱温度設定値ｔｓｐの自動設定の無効化フラグをパラメータとして記憶部１５に予め登録しておくことができる。
温度設定部１４は、圧力上昇時自動設定無効化フラグがセット状態の場合に、計測圧力値ＭＰの上昇時の加熱温度設定値ｔｓｐの切り替えを無効とする。また、温度設定部１４は、圧力下降時自動設定無効化フラグがセット状態の場合に、計測圧力値ＭＰの下降時の加熱温度設定値ｔｓｐの切り替えを無効とする。

設定変更部１８は、以上の記憶部１５に記憶されるパラメータを、外部から、即ちユーザーからの指示に応じて変更することが可能である。

図４は記憶部１５に記憶されるパラメータの１例を示す図、図５は自己加熱温度の切り替え動作の１例を示す図である。
図４に示すように、記憶部１５には、計測圧力値ＭＰの範囲と、加熱温度設定値ｔｓｐと、圧力上昇時遅延時間と、圧力下降時遅延時間と、圧力上昇時自動設定無効化フラグと、圧力下降時自動設定無効化フラグとがパラメータとして記憶される。

図４の例では、圧力上昇時遅延時間が設定されていないので、計測圧力値ＭＰの上昇時に加熱温度設定値ｔｓｐを切り替える際には即時に切り替えが行われる。一方、圧力下降時遅延時間Ｔｄｏｗｎが設定されているので、計測圧力値ＭＰの下降時に加熱温度設定値ｔｓｐを切り替える際には、Ｔｄｏｗｎだけ待ってから切り替えが行われる。圧力上昇時自動設定無効化フラグと圧力下降時自動設定無効化フラグは、いずれも「ＲＥＳＥＴ」となっているので、計測圧力値ＭＰの上昇時および下降時のいずれにおいても加熱温度設定値ｔｓｐが自動的に設定される。自動設定を無効化するためには、無効化フラグを「ＳＥＴ」とすればよい。

また、ＭＰ＜ＳＰ１、ＳＰ３≦ＭＰの範囲では、加熱温度設定値ｔｓｐが「ＯＦＦ」となっている。「ＯＦＦ」の場合、ヒータ制御部１６は、ヒータ５に電力を供給しない。
なお、図５の状態遷移を分かり易くするため、図４にプロセス状態を記載しているが、図４のプロセス状態は記憶部１５に記憶されるパラメータではない。

次に、図４の設定に基づく自己加熱温度の切り替え動作を図５を用いて説明する。図５の例は、本実施例の隔膜真空計を半導体のプロセスチャンバーの圧力計測のために使用した例を示している。
まず、真空状態のプロセスチャンバー内にＮ₂等の不活性ガスが導入され、計測圧力値ＭＰが上昇する。温度設定部１４は、計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ１未満の状態では、加熱温度設定値ｔｓｐを「ＯＦＦ」とする。したがって、ヒータ制御部１６は、ヒータ５に電力を供給しない。

温度設定部１４は、計測圧力値ＭＰがさらに上昇して設定値ＳＰ１以上になると、加熱温度設定値ｔｓｐを２００℃とする。ここで圧力上昇時遅延時間が設定されていないので、加熱温度設定値ｔｓｐの切り替えは即時に行われる。そしてヒータ制御部１６は、温度センサ９によって計測された温度ｔｐｖと加熱温度設定値ｔｓｐ＝２００℃とが一致するようにヒータ５への供給電力を制御する。

次に、プロセスチャンバー内にプロセスガスＡが導入される。プロセスガスＡによる成膜処理が行われた後に、プロセスチャンバー内にＮ₂等の不活性ガスが導入され、計測圧力値ＭＰがさらに上昇する。温度設定部１４は、計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ２（ＳＰ１＜ＳＰ２）以上になると、加熱温度設定値ｔｓｐを５０℃とする。上記と同様に、圧力上昇時遅延時間が設定されていないので、加熱温度設定値ｔｓｐの切り替えは即時に行われる。そしてヒータ制御部１６は、温度センサ９によって計測された温度ｔｐｖと加熱温度設定値ｔｓｐ＝５０℃とが一致するようにヒータ５への供給電力を制御する。

続いて、プロセスチャンバー内にプロセスガスＢが導入される。プロセスガスＢによる成膜処理が行われた後に、プロセスチャンバー内にＮ₂等の不活性ガスが導入され、計測圧力値ＭＰがさらに上昇する。温度設定部１４は、計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ３（ＳＰ２＜ＳＰ３）以上になると、加熱温度設定値ｔｓｐを「ＯＦＦ」とする。上記と同様に、圧力上昇時遅延時間が設定されていないので、加熱温度設定値ｔｓｐの切り替えは即時に行われる。そしてヒータ制御部１６は、加熱温度設定値ｔｓｐが「ＯＦＦ」となったことにより、ヒータ５に電力を供給しない。

次に、プロセスチャンバーの真空引きが開始され、計測圧力値ＭＰが下降する。このとき、圧力下降時遅延時間Ｔｄｏｗｎが設定されているので、加熱温度設定値ｔｓｐは「ＯＦＦ」のままである。つまり、計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ３未満となったときに加熱温度設定値ｔｓｐ＝５０℃への切り替えが行われる筈であるが、圧力下降時遅延時間Ｔｄｏｗｎが経過する前に計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ２未満となる。計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ２未満となったときには加熱温度設定値ｔｓｐ＝２００℃への切り替えが行われる筈であるが、圧力下降時遅延時間Ｔｄｏｗｎが経過する前に計測圧力値ＭＰが設定値ＳＰ１未満となる。したがって、いずれの場合においても加熱温度設定値ｔｓｐの切り替えは行われない。

こうして、本実施例では、プロセスガスに合わせた最適な加熱温度設定値ｔｓｐを設定することができる。また、自己加熱が不要なときにはヒータ５への電力供給を停止することにより、消費電力を低減することができる。

なお、本実施例では、ダイアフラムの変位に応じて静電容量が変化する静電容量方式の隔膜真空計について説明したが、これに限るものではなく、他の方式の隔膜真空計に本発明を適用してもよい。他の方式の隔膜真空計の例としては、例えば拡散抵抗体を形成した半導体シリコンをダイアフラムとして用い、ダイアフラムの変位に応じた抵抗体の抵抗変化を計測圧力値に変換するピエゾ抵抗方式の隔膜真空計がある。

本実施例で説明した回路部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図６に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、容量検出部１２のハードウェア部とヒータ制御部１６のハードウェア部と通知部１７のハードウェア部と設定変更部１８のハードウェア部などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、隔膜真空計に適用することができる。

１…センサチップ、５…ヒータ、９…温度センサ、１０…受圧部、１１…回路部、１２…容量検出部、１３…圧力計測部、１４…温度設定部、１５…記憶部、１６…ヒータ制御部、１７…通知部、１８…設定変更部、１９…温度検出部、１０２…ダイアフラム、１０５…固定電極、１０６…可動電極。

Claims (8)

1. 被測定媒体の圧力によるダイアフラムの変位に応じて電気特性が変化するように構成された受圧部と、
   前記受圧部を加熱するように構成されたヒータと、
   前記受圧部の温度を計測するように構成された温度センサと、
   前記受圧部の電気特性の変化を計測圧力値に変換するように構成された圧力計測部と、
   前記圧力計測部によって得られた計測圧力値に応じて加熱温度設定値を設定するように構成された温度設定部と、
   前記温度センサによって計測された温度と前記加熱温度設定値とに基づいて前記ヒータへの供給電力を制御するように構成されたヒータ制御部とを備えることを特徴とする隔膜真空計。
2. 請求項１記載の隔膜真空計において、
   前記計測圧力値と前記加熱温度設定値とを対応付けて記憶するように構成された記憶部をさらに備え、
   前記温度設定部は、前記圧力計測部によって得られた計測圧力値に対応する加熱温度設定値を前記記憶部から取得することを特徴とする隔膜真空計。
3. 請求項２記載の隔膜真空計において、
   前記記憶部は、圧力上昇時自動設定無効化フラグと圧力下降時自動設定無効化フラグとをさらに記憶し、
   前記温度設定部は、前記圧力上昇時自動設定無効化フラグがセット状態の場合に、前記計測圧力値の上昇時の前記加熱温度設定値の切り替えを無効とし、前記圧力下降時自動設定無効化フラグがセット状態の場合に、前記計測圧力値の下降時の前記加熱温度設定値の切り替えを無効とすることを特徴とする隔膜真空計。
4. 請求項２または３記載の隔膜真空計において、
   前記記憶部は、前記加熱温度設定値を切り替えるまでの遅延時間をさらに記憶し、
   前記温度設定部は、前記加熱温度設定値を切り替える際に、前記遅延時間の経過後に前記加熱温度設定値を切り替えることを特徴とする隔膜真空計。
5. 請求項４記載の隔膜真空計において、
   前記記憶部は、前記遅延時間として、圧力上昇時遅延時間と圧力下降時遅延時間とを記憶し、
   前記温度設定部は、前記計測圧力値の上昇時に前記加熱温度設定値を切り替える際に、前記圧力上昇時遅延時間の経過後に前記加熱温度設定値を切り替え、前記計測圧力値の下降時に前記加熱温度設定値を切り替える際に、前記圧力下降時遅延時間の経過後に前記加熱温度設定値を切り替えることを特徴とする隔膜真空計。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の隔膜真空計において、
   前記記憶部の記憶内容を外部からの指示に応じて変更可能な設定変更部をさらに備えることを特徴とする隔膜真空計。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の隔膜真空計において、
   前記加熱温度設定値を外部に知らせるように構成された通知部をさらに備えることを特徴とする隔膜真空計。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の隔膜真空計において、
   前記温度センサによって計測された温度が前記加熱温度設定値に到達したときに、隔膜真空計の自己加熱温度が加熱温度設定値に到達したことを外部に知らせるように構成された通知部をさらに備えることを特徴とする隔膜真空計。

Images