JP4185088B2 - 標準校正リークの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、標準校正リークに関し、特にキャピラリ形標準校正リークに関する。

標準校正リークとは、所定の条件（入口圧力が１００ｋＰａ±５％、温度が２３±７℃）で、リーク量が既知の校正用のリークである。標準校正リークは真空科学技術及びその応用分野における必要な測定装置である。特に、標準ヘリウム校正リークは、現在広く応用されるヘリウム校正リークディテクターに対して、必要な相対測定標準とされている。標準校正リークを利用して、定期的にヘリウムリークディテクターの最重要のパラメーターであるリーク感度を調整し、システムのリーク量を測定することができる。

一定のリーク量を持つ標準校正リークは定流量弁とも呼ばれ、次の二種がある。
１つは、キャピラリ形校正リークである。例えば、ガラス・白金細線のような標準校正リークや金属フラット型の標準校正リークなどがある。
もう１つは、透過式標準リークである。例えば、石英薄膜の標準校正リークがある。

中国技術監察庁は前記標準校正リークについて、中国計量鑑定規程のＪＪＧ７９３−９２を作成した。

非特許文献１を参照して、現在利用されているガラス・白金細線の標準校正リークは、リーク量が１０^−６〜１０^−８Ｔｏｒｒ・Ｌ／Ｓにされ、口径が０．１〜０．１５ｍｍの白金と硬質ガラスを封じ込め、二種材料の異なる膨張係数によって製造する校正リークである。従って、標準校正リークの寸法及び目数は校正リークの製造工程において制御し難いので、リーク量は他の装置を介して確定しなければならない。又、温度は材料の冷熱による収縮と膨張を引き起こすので、リーク量の安定性は温度が原因で悪化する。

金属フラット型の標準校正リークは、リーク量が１０^−６〜１０^−８Ｔｏｒｒ・Ｌ／Ｓにされ、所定の口径を有する無酸素の銅製パイプ又は切開可能のパイプを圧してスリットを形成したものである。しかし、標準校正リークの寸法及び目数は校正リークの製造工程において制御し難いので、リーク量は他の装置を介して確定しなければならない。

現在広く使用されている石英薄膜の標準校正リークは、リーク量が１０^−７〜１０^−１１Ｔｏｒｒ・Ｌ／Ｓにされ、石英ガラスパイプを吹いて各種の異なる口径及び肉厚を有する薄膜ボールを製造し、石英ガラスにヘリウム分子だけを透過させる特徴を利用してなるものである。しかし、薄膜ボールは吹いてなるもので、その寸法及び透過孔の目数を制御し難いので、リーク量は他の装置を介して確定しなければならない。又、石英薄膜の標準校正リークはヘリウムに限るので、応用範囲が制限される。

つまり、現在の標準校正リークとして、例えば、ガラス・白金細線の標準校正リーク、金属フラット型の標準校正リーク、石英薄膜の標準校正リークなどは、リーク量が製造の工程において制御し難いので、他の装置を介して確定しなければならない（非特許文献２を参照する）。

前記を鑑みて、リーク量を良好に制御し、他の装置を使用せずにリーク量を確定することができる標準校正リークを提供することが必要となる。
「標準校正リーク及びその校正作業」、「航空計測技術」、Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，４３−４５（２００１） 「標準校正リークの校正における問題及び解決方法」、「真空電気技術」Ｎｏ．２，３９−４１（２００２）

前記の従来技術の課題を解決するために、本発明はリーク量を良好に制御し、他の装置を使用せずにリーク量を確定することができる標準校正リークを提供することを目的とする。

前記目的を実現するために、本発明は以下の工程を含む標準校正リークの製造方法を提供する。
（１）基板を準備する段階、
（２）前記基板に所定のパターン（Pattern）を有する、触媒としての薄膜を形成する段階、
（３）前記触媒層に所定の寸法及び目数の一次元ナノ構造体を成長させる段階、
（４）一次元ナノ構造体が成長された基板に第二薄膜を形成する段階、
（５）第二薄膜における一次元ナノ構造体を除去して、前記第二薄膜に前記一次元ナノ構造体の寸法と同じ寸法の透過孔を形成して、標準校正リークを形成する段階。

又、前記基板としてはシリコン基板も使用される。

前記シリコン基板の結晶方位はＳｉ（１１１）、Ｓｉ（１００）、Ｓｉ（１１０）のいずれか一つを選択すればよいが、Ｓｉ（１１１）は好ましい。

前記触媒層は金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）などのいずれか一種から成る。

前記触媒層の厚さは０．２ｍｍ〜１０ｍｍにされ、１ｎｍが好ましい。

前記パターンの寸法は１μｍ以下にされることが好ましい。

前記一次元ナノ構造体の口径は１０ｎｍ〜５００ｎｍにされることが好ましい。

前記一次元ナノ構造体の長さは１００ｎｍ〜１００μｍにされることが好ましい。

前記触媒層の形成方法は堆積、スパッター、電気めっきなどを含むことが好ましい。

前記パターンの形成方法は光描画及び電子線描画を含むことが好ましい。

前記一次元ナノ構造体はＳｉ（シリコン）ナノワイヤ、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）ナノワイヤ、ＧａＮ（窒化ガリウム）ナノワイヤ、ＩｎＰ（インジウムリン）ナノワイヤ、ＺｎＯ（酸化亜鉛）ナノワイヤのいずれか一つの形態に形成する。

前記第二薄膜は金属、ガラス、セラミックなどのいずれか一種から成る。

前記金属材料は銅、ニッケル、モリブデンなどのいずれか一種を選択しても良い。

前記第二薄膜の形成方法は堆積、スパッター、電気めっき、有機金属化学気相堆積法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、MOCVD）などを含む。

前記一次元ナノ構造体及びその傍らの基板材料を除去する方法は、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching）、ウェットエッチング（Wet Etching）、プラズマエッチング（Plasma Etching）などを含む。

従来技術と比べて、本発明にかかる標準校正リークの製造方法によれば、触媒層のパターン構成部の数量を制限し、単パターン構成部の寸法が１μｍ以下にされ、それに一つの一次元ナノ構造体だけを成長させて、所定数量の一次元ナノ構造体を実現するようにする。又、単パターン構成部の寸法を規定したり、一次元ナノ構造体の成長温度や気相濃度、成長時間を正確に制御することによって、所定の寸法を有する一次元ナノ構造体を実現することができる。そのため、前記一次元ナノ構造体を基準として、所定の数量及び寸法の透過孔を有する標準校正リークを実現することができる。従って、標準校正リークはリーク量を良好に制御することができる。なお、
λ＞（１／３）Ｄ及びＬ≧２０Ｄ
（λは被測定の気体分子の自由行程、Ｄは透過孔の口径、Ｌは透過孔の長さ）の条件を全て満足する場合、クヌーセン（Ｋｎｕｓｅｎ）式の
Ｑ＝ｎ×（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｙ
（ｎ（ｎ≧１）は透過孔の目数、Ｐ_１は校正リークの気体流入端における圧力度、Ｐ_２は校正リークの気体流出端における圧力度、
Ｙ=１２．１×（√（２９／Ｍ））×（Ｄ^３／Ｌ)
（Ｍは透過孔における被測定の気体分子量））により、リーク量を計算して、他の装置を使用せずに標準を規定することができる。

以下、本発明について図面を参考して詳しく説明する。

図５に示すように、本発明にかかる標準校正リーク１０は、金属膜３と、金属膜３に形成した透過孔３１と、を含む。前記透過孔３１は所定の口径及び目数を有する。この口径はナノのレベルに達するので、前記標準校正リーク１０はヘリウムリークディテクターによる標準の確定、小型真空ポンプの作業率の測定、気固二相の界面技術、並びに小流量の気体の提供などに利用される。

図１〜図５に示すように、本発明にかかる標準校正リークの製造方法は、次の工程を含む。
（１）シリコン基板１を提供する。この基板１の結晶方位はＳｉ（１１１）、Ｓｉ（１００）、Ｓｉ（１１０）のいずれか一つを選択すればよいが、本実施例ではＳｉ（１１１）が好ましい。
（２）前記シリコン基板１に触媒層として一次元ナノ構造体を成長させる。この触媒層は金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）又はそれらの合金のいずれか一種から成る。触媒層は、厚さが０．２ｎｍ〜１０ｎｍにされることが好ましく、本実施例では、１ｎｍである金膜２を採用することが好ましい。ここで、前記金膜２の形成方法は堆積、スパッター、電気めっきなどを含む。そして、光描画又は電子線描画により、前記金膜２に所定の目数及び寸法のパターン構成部２１を形成する。単パターン構成部２１に一つだけのナノワイヤを成長させるために、このパターン構成部２１は１μｍ以下にされる。又、シリコン基板１に印刷技術によって所定の寸法により規則的に配列されたパターン構成部２１を有する金膜２を形成する。ここで、パターン構成部２１は微小のブロックやその変型体などに形成される。
（３）前記金膜２を有するシリコン基板はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）の反応室（図示せず）に配置され、ＣＶＤ反応室にシリコン元素を含む気体を提供する。本実施例ではＳｉＣｌ_４の気体を採用する。ＳｉＣｌ_４の濃度を制御し、ＣＶＤ反応室の温度を７００℃〜９００℃に設定する。前記金膜２の触媒機能を介して、パターン構成部２１に一次元ナノ構造体、例えば、ナノワイヤ、ナノ棒などを成長させる。本実施例において、シリコン基板１に成長されたシリコンナノワイヤ１１は、円柱形にされて、Ｓｉ（１１１）の方向、即ち、シリコン基板１に垂直して配列される。ここで、シリコンナノワイヤ１１は口径が１０ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１００ｎｍ〜１００μｍになる。シリコンナノワイヤ１１の口径及び長さは、金膜２のパターン構成部２１の寸法、一次元ナノ構造体の成長温度、前記シリコン元素を含む気体の濃度及び成長時間を制御することによって決定される。パターン構成部２１の寸法は１μｍ以下である場合、ＣＶＤ反応の条件を制御して、ナノワイヤ１１の目数をパターン構成部２１と同じようにする。なお、後続の工程のため、シリコンナノワイヤ１１をＳｉＯ_２ナノワイヤに酸化する場合もある。Ｋｎｕｓｅｎ式によって得られたリーク量の計算結果が５％以下になるために、シリコンナノワイヤ１１の長さはその口径の２０倍以上に設計される必要がある。
（４）シリコンナノワイヤ１１が成長されたシリコン基板１には、第二薄膜を堆積する。この第二薄膜は金属、ガラス、セラミックなどのいずれか一種からなるが、使用材料により、成型品である標準校正リークの適用範囲を決定する。例えば、金属はヘリウムを透過させないので、ヘリウムのリーク量の測定に利用すればよい。ガラス及びセラミックは空気、酸素、アルゴンを透過させないので、空気、酸素、アルゴンのリーク量の測定に利用すればよい。本実施例によれば、銅、ニッケル、モリブデンのいずれか一種から成った金属膜３を利用することもできる。この金属膜３の堆積の厚さは、実際には、ナノワイヤ１１の高さの範囲に調整される。又、金属膜３を堆積してから、機械又は電気化学研磨などを介して、金属膜３の表面をスムースにしたり、露出したシリコンナノワイヤ１１の端部を除去したり、所定のリーク量によって金属膜の厚さを調整し、シリコンナノワイヤ１１の口径の２０倍以上になるようにする。
（５）金属膜３にシリコンナノワイヤ１１と同じ口径と所定の目数の透過孔３１（透過孔３１はシリコン基板１に垂直である）を形成するように、反応イオンエッチング方法（Reactive Ion Etching、RIE）により、シリコンナノワイヤ１１及びシリコン基板を除去する。このようにすれば、金属膜３が損傷されなく、シリコンナノワイヤ１１を完全に除去できる。ナノワイヤ及び第二薄膜の材料により、異なる除去技術を利用してもよい。

前記標準校正リークの製作工程において、他の結晶方位のシリコン基板を利用する場合、シリコンナノワイヤとシリコン基板とは、一定の角度を成すことがある。それに応じて、標準校正リークの透過孔も基板と一定の角度を成す。ただし、透過孔の口径及び目数はシリコンナノワイヤの口径、目数によって決定される。

単に前記標準校正リークの製作工程においてシリコンナノワイヤを成長させることを例示したが、例えば、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＺｎＯなどの形状として前記シリコンナノワイヤ１１の特徴に対応する一次元ナノ構造体が構成されても良い。

以下、本発明にかかる標準校正リークによるリーク量の計算について説明する。前記のように形成された標準校正リーク１０は、透過孔３１の形状が標準であり（円柱形）、その寸法及び目数が既知であり、透過孔の口径がナノのレベルに達するので、真空科学の典型的な理論計算によってリーク量を計算することができる。例えば、圧力度が大気圧であるヘリウムは、平均自由行程λが５０ｎｍ以上であるので、本発明にかかる標準校正リークのリーク量は、クヌーセン（Ｋｎｕｓｅｎ）式によって計算される。透過孔の口径がＤ、長さがＬ、又、Ｌ≧２０Ｄの単透過孔としては、ヘリウムのリーク量（透過孔が安定の状態における単位の圧力差でのリーク量）がＫｎｕｓｅｎ式により、２０℃で次の式１を満足する。）
Ｙ＝１２．１×（√（２９／Ｍ））×（Ｄ^３／Ｌ）……（式１）
ここで、Ｙは単透過孔からのヘリウムのリーク量であり、単位がＬ／ｓである。Ｍは透過孔におけるヘリウムの分子量であり、且つ、Ｍ＝４とされる。Ｄは透過孔の口径であり、単位がセンチメートル（ｃｍ）とされる。Ｌは透過孔の長さであり、単位がセンチメートル（ｃｍ）とされる。

また、任意の温度に対して、式１は次のように補正される。
Ｙ＝１２．１×（√（２９／Ｍ））×（√（Ｔ／２９３））×（Ｄ^３／Ｌ）……（式２）
ここで、Ｔは絶対温度であり、単位がケルビン（Ｋ）とされる。

また、単位の時間に標準校正リークからのヘリウムのリーク量、即ち、標準校正リークからのリーク量は次の式を満足する。
Ｑ_１＝ｎ×（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｙ……（式３）
ここで、Ｑ_１は標準校正リークのリーク量であり、単位がＴｏｒｒ・Ｌ/ｓとされる。ｎは標準校正リークにおける透過孔の目数（整数で、ｎ≧１）である。Ｐ_１は校正リークの気体流入端における圧力度であり、単位がＴｏｒｒとされる。Ｐ_２は校正リークの気体流出端における圧力度であり、単位がＴｏｒｒとされる。

従って、透過孔の口径Ｄが１００ｎｍ、長さが５μｍ、Ｐ_１が７６０Ｔｏｒｒ、Ｐ_２が０、透過孔の目数ｎが１、温度が２０℃とされる場合、式１及び式３から、単透過孔のヘリウムの流量は
Ｙ＝１２．１×（√（２９／４））×（（１０^−５）^３／（５×１０^−４））≒６．５１×１０^−１１Ｌ／ｓ、
標準校正リークのリーク量は
Ｑ＝（７６０−０）×６．５１×１０^−１１≒４．９５×１０^−８Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓ
となることが分かる。Ｐ_１＝７６０Ｔｏｒｒが成立する場合、本発明にかかる標準校正リークは１０^−１５Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓのリーク量を実現できる。なお、本発明にかかる標準校正リークは、透過孔の口径Ｄ、長さＬ、透過孔の目数が適当に変更されることにより、リーク量が１０^−３Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓに達する。

透過孔の目数ｎは１０００である場合、標準校正リークのリーク量はｎ＝１の場合の１０００倍となることが式３から理解できる。

本発明にかかる標準校正リークによれば、第二薄膜の材料を変更して、ヘリウムが適用される金属膜３をＳｉＯ_２膜に変更し、空気、酸素、アルゴンに適用する標準校正リークを実現できる。リーク量を計算する場合、式１及び式２におけるＭの値を相応して変更すればよい。

又、前記標準校正リークの透過孔の形状は円柱形でもよく、本発明による効果を失わない他の形状としてもよい。例えば、透過孔の形状は多角形にしてもよいが、リーク量の計算式１及び式２に対して、形状の補正係数を考慮する必要がある。

なお、本発明にかかる技術分野の当業者は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において変更をすることができる。例えば、他の方法で基板に触媒層及び第二薄膜を形成したり、他のエッチング方法で一次元ナノ構造体を除去して透過孔を形成したりする設計も適合する。

本発明にかかる実施例のシリコン基板の模式図である。 シリコン基板に形成された触媒層の模式図である。 シリコン基板に一次元ナノ構造体を成長させる模式図である。 一次元ナノ構造体が形成されたシリコン基板に第二薄膜を成長させる模式図である。 一次元ナノ構造体及び基板を除去した構成の模式図である。

符号の説明

１０ 標準校正リーク
２ 金膜
３ 金属薄膜
３１ 透過孔
２１ パターン構成部
１１ シリコンナノワイヤ

Claims (9)

1. 基板を準備する段階と、
   前記基板に所定のパターンを有する、触媒としての薄膜を形成する段階と、
   前記触媒層に所定の寸法及び目数の一次元ナノ構造体を成長させる段階と、
   前記一次元ナノ構造体が成長された前記基板に第二薄膜を形成する段階と、
   前記第二薄膜における前記一次元ナノ構造体を除去して、前記第二薄膜に前記一次元ナノ構造体の寸法と同じ寸法の透過孔を形成して、標準校正リークを形成する段階と、
   を含むことを特徴とする標準校正リークの製造方法。
2. 前記触媒層は金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、並びにそれらの合金のいずれか一種からなることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
3. 前記触媒層の厚さは０．２ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
4. 前記パターンの寸法は１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
5. 前記一次元ナノ構造体の口径は１０ｎｍ〜５００ｎｍにされることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
6. 前記一次元ナノ構造体の長さは１００ｎｍ〜１００μｍにされることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
7. 前記一次元ナノ構造体はＳｉナノワイヤ、ＳｉＯ_２ナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、ＩｎＰナノワイヤ、ＺｎＯナノワイヤのいずれか一つの形態に形成することを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
8. 前記第二薄膜は金属、ガラス、セラミックのいずれか一種から成ることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
9. 前記標準校正リークのリーク量が１０^−３〜１０^−１５Ｔｏｒｒ・Ｌ／Ｓにされることを特徴とする、請求項１に記載の標準校正リークの製造方法。
   

Images