JP4246733B2 - 標準校正リーク - 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いて、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・白金細線の不整合（アンマッチ）の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・白金細線の不整合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不整合に封じ込め、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。又、より微小なリーク量を測定することができない。

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。又、より微小なリーク量を測定することができない。

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、石英ガラスが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、より微小なリーク量について測定することができない。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・白金細線の不整合の標準校正リーク、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、リーク量を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）。又、より微小なリーク量について測定することができない。

前記を鑑みて、他の装置を使用せずにリーク量を確定し、より微小なリーク量を測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」、「航空計測技術」、２００１年、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．５、ｐ．４３−４５ 「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」、２００１年、Ｎｏ．２、ｐ．３９−４１

前記の従来技術の課題を解決するために、本発明は他の装置を使用せずにリーク量を確定し、より微小なリーク量を測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、測定ガスが透過できない薄膜及びこの薄膜に形成された所定の目数の透過孔を含む標準校正リークを提供する。前記透過孔は所定の口径で形成されている。

前記透過孔の口径はナノの範囲に設定されることが好ましい。

前記透過孔の口径は１０ｎｍ〜５００ｎｍにされることが好ましい。

前記標準校正リークのリーク量は
Ｑ＝ｎ×（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｙ ・・・ 式（１）
を満足することが好ましい。
ここで、Ｑは標準校正リークのリーク量、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と定義される。

又、
Ｙ＝１２．１×（√（２９／Ｍ））×（Ｄ^３／Ｌ） ・・・ 式（２）
も成立する。
ここで、Ｙは単一の透過孔からのガスのリーク量、Ｍは透過孔における被測定の気体分子量、Ｄは透過孔の口径、Ｌは透過孔の深さと定義される。

前記単一の標準校正リークのリーク量は１０^−１５〜１０^−８Ｔｏｒｒ・Ｌ／Ｓにされる。

前記薄膜は金属又はＳｉＯ_２からなる。

前記測定のガスはヘリウム、空気、酸素、アルゴンのいずれか一つを利用しても良い。

前記透過孔は円柱形又は多角形などに形成される。

従来技術と比べて、本発明にかかる標準校正リークの透過孔は、ナノ加工技術によって形成するので、その目数及び寸法は正確に加工することができる。そして、
Ｑ＝ｎ×（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｙ ・・・ 式（１）
により、標準校正リークのリーク量を計算する。ここで、Ｑは標準校正リークのリーク量、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と定義される。λ＞（１／３）×Ｄ、又、Ｌ≧２０Ｄを満足する場合、計算精度の５％より良くなるので、他の装置を使用せずに決定でき、リーク量の範囲が広く、超微小なリーク量を測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６に示すように、本発明にかかる標準校正リーク１００は、測定ガスの透過を防止する薄膜３０と、前記薄膜３０に形成された所定の目数の透過孔３０１と、を含む。前記透過孔３０１の口径は所定の寸法であり、ナノの範囲（１μｍ以下）にされる。前記透過孔３０１の口径は１０ｎｍ〜５００ｎｍにされる。前記標準校正リーク１００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、小流量の気体の提供に利用される。

薄膜３０は金属、ガラス、セラミック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１００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。

図１〜図５に示すように、本発明にかかる標準校正リークは、所定の寸法及び数量のナノワイヤを基準として、次の工程を行う。
（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）のいずれかであるが、本実施例には、Ｓｉ（１１１）が好ましい。
（２）前記シリコン基板１に触媒層を形成する。この触媒層は金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）及びその合金のいずれかの一種から成る。本実施例には、金膜２を触媒層として利用する。この金膜２の厚さは０．２ｎｍ〜１０ｎｍであり、１ｎｍにされることが好ましい。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。それで、光描画や電子線描画により、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。単パターンの構成部２１に一つだけのナノワイヤを成長させるために、このパターンの構成部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したパターン構成部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形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１はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）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。本実施例には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、円柱形にされたり、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にされる。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、シリコン元素を含む気体成長気相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以下にされる場合、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、金属膜３は銅、ニッケル、モリブデンのいずれか一種からなる場合もある。この金属膜３の堆積の厚さは実際の条件によりナノワイヤ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を損傷せず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に垂直する）を形成するように、反応性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。反応性イオンエッチング方法は、シリコンナノワイヤ１１の傍らの金属膜３を損傷せずにシリコンナノワイヤ１１及びシリコン基板１を除去し、シリコンナノワイヤ１１を全て除去する。従って、透過孔３１の口径とシリコンナノワイヤ１１の口径、透過孔３１の深さと最終の金属膜３の厚さ、透過孔３１の目数とシリコンナノワイヤ１１の目数をそれぞれ同じにして、所定の口径及び目数を為す標準校正リーク１０（図５に示すように）を製造する。金属膜３を損傷せずにウェットエッチング（例えば、フッ化水酸素などエッチング液体）又はイオンエッチングなどを介してシリコンナノワイヤ１１及びシリコン基板１を除去する。又は、異な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。

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の形状が標準であるし（円柱形）、その寸法及び目数が既知であるし、透過孔の口径がナノの範囲に達するので、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以上であるが、圧力度が１Ｔｏｒｒであるヘリウムは、平均自由行程λが３８ｎｍ以上である。λ＞（１／３）×Ｄを満足する場合、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の単一の透過孔（透過孔が安定の状態に、単位の圧力差でのリーク量）では、ヘリウムのリーク量が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は単一の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は透過孔における被測定の気体分子量であり、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、単位時間の標準校正リークからのヘリウム、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は１００ｎｍ、長さＬは５μｍ、Ｐ_１＝７６０Ｔｏｒｒ、Ｐ_２＝０、透過孔の目数はｎ＝１、温度は２０℃とされる場合、式（１）及び式（３）から、単一の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。

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。

他の実施例においては、シリコン基板に金属膜を堆積して、フォーカスイオン描画技術により、前記金属膜に口径が１０ｎｍ以上の円柱形の透過孔を形成する。エッチング技術により透過孔の傍らのシリコン基板を除去してから、標準校正リークが形成される。

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、ヘリウムが適用する金属材料を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（２）におけるＭの値を適切に変更すればよい。

又、前記標準校正リークの透過孔の形状は円柱形でも、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（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。 本発明にかかる標準校正リークの断面図である。

符号の説明

１００ 標準校正リーク
２ 金膜
３０ 薄膜
３０１、３１ 透過孔
２１ パターン構成部
１１ シリコンナノワイヤ

Claims (4)

1. 測定ガスが透過できない薄膜と、前記薄膜に形成された所定の目数の透過孔と、を含み、
   前記透過孔は所定の口径をなすことを特徴とする標準校正リーク。
2. 前記透過孔の口径は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。
3. 前記透過孔の深さは該透過孔の口径の２０倍以上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。
4. 前記標準校正リークのリーク量は、
   標準校正リークのリーク量をＱ、透過孔の目数をｎ（ｎ≧１）、校正リークの気体流入端における圧力度をＰ_１、校正リークの気体流出端における圧力度をＰ_２と定義した場合、
   Ｑ＝ｎ×（Ｐ_１−Ｐ_２)×Ｙ ・・・ 式（１）
   を満足し、
   単一の透過孔からのガスのリーク量をＹ、透過孔における被測定の気体分子量をＭ、透過孔の口径をＤ、透過孔の深さをＬと定義した場合、
   Ｙ＝１２．１×（√（２９／Ｍ））×（Ｄ^３／Ｌ） ・・・ 式（２）
   も成立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。