JP4327423B2

JP4327423B2 - ロードロック制御用の差圧・絶対圧変換器

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Publication number: JP4327423B2
Application number: JP2002228745A
Authority: JP
Inventors: グヨウファン; ホルコムガリー; ベンセルオレ
Original assignee: エムケーエスインストゥルメンツインコーポレーテッド
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP2004132698A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概して真空生成チャンバ用のロードロック制御器に関し、より詳細にはロードロック制御器用の混合差・絶対圧変換器およびこのような混合差・絶対圧変換器でロードロックを制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反応チャンバ内での真空生成は、半導体装置の製造時に半導体材料、金属、誘電体、およびその均等物の薄い膜を基板上に蒸着させるために使用される。このような真空の反応チャンバを用いる主な工程は、化学的気相成長法（ＣＶＤ）および物理的気相成長法（ＰＶＤ）およびこれら工程を応用した様々な工程が挙げられ、また基板を清潔にしたり材料の選択された一部を除去したりするためのエッチング工程が挙げられる。一般に、真空処理チャンバは真空ポンプで非常に低圧、例えば０．０１３Ｐａ（１０^-4torr）にせしめられ、さらに幾つかの工程ではより低圧、例えば１．３×１０^-3Ｐａまたは１．３×１０^-4Ｐａ（１０^-6または１０^-7torr）にせしめられる。所望の真空に達すると、所望の材料をウェーハの基板上に反応および／または蒸着させるために、送り気体が所望の割合および比率で処理チャンバ内に流入せしめられる。所望の材料の蒸着が完了すると、ウェーハが処理チャンバからウェーハが取り出され、別のウェーハの基板が処理チャンバ内に挿入され、蒸着工程が繰り返される。
【０００３】
処理チャンバ内の圧力を所望の圧力にまで下げるのには長い真空ポンプ時間が必要とされ、また、処理チャンバが大気に対して開かれている間中ずっと望まない汚染物質が処理チャンバ内に侵入してしまう。したがって、処理チャンバを大気に対して開かないようするため、および処理チャンバ内の圧力をできるだけ蒸着用の所望の低い圧力に近い圧力に維持するために、実質的な努力が図られている。このため、処理チャンバ内の真空を維持しながら、蒸着および／またはエッチング処理を行うのに処理チャンバに基板を挿入するのを容易にするために、および処理チャンバからウェーハを取り出すのにロードロックが用いられる。
【０００４】
基本的に、ロードロックは通常処理チャンバよりも小さい第二真空チャンバであり、この第二真空チャンバは、処理チャンバにウェーハを挿入したり処理チャンバからウェーハを取り出したりするために開かれる内部「ドア」または大きな内部バルブを備えた通路によって処理チャンバと連結される。内部ドアが閉じられているときには、このドアは空気またはガスが上記通路を介して処理チャンバに流入したり処理チャンバから流出したりしないように上記通路をシールする。また、ロードロックは外部「ドア」または大きな外部バルブを有し、この外部ドアはロードロックチャンバにウェーハを挿入したりロードロックチャンバからウェーハを取り出したりすることができるように、ロードロックチャンバを大気に対して開く。外部ドアが閉じられているときには、このドアは空気またはガスがロードロックチャンバに流入したりロードロックチャンバから流出したりしないようにロードロックをシールする。
【０００５】
作動において、処理チャンバの圧力は処理チャンバ用真空ポンプによって所望の真空に維持される。ロードロックの内部ドアが閉じられた状態で、外部ドアが大気に対して開かれ、一つまたはそれ以上のウェーハ基板がロードロックチャンバ内に挿入される。そして、ウェーハがロードロックチャンバ内にある状態で、外部ドアが閉じられ、ロードロックチャンバ内の圧力が処理チャンバ内の圧力と同程度に低くなるまでロードロック用真空ポンプがロードロックチャンバから空気を吸引する。次いで、内部ドアが開かれ、ウェーハ基板が上記通路を介してロードロックチャンバから処理チャンバ内に移動せしめられる。そして、ウェーハが処理チャンバ内にあるときに、処理チャンバ内でウェーハが処理されている間に、すなわち供給ガスが処理チャンバ内に供給されて物質がウェーハに蒸着されたり物質がウェーハからエッチングによって削られたりしている間に、内部ドアは閉じられている。
【０００６】
処理が完了したときには、ウェーハが処理チャンバからロードロックチャンバに取り出される。そして、空気または窒素のような不活性ガスがロードロックチャンバ内に流入することによってロードロック内の圧力が大気圧まで上昇せしめられる間に、処理チャンバ内の真空を維持するために内部ドアが閉じられる。ロードロックチャンバ内の圧力が大気圧または大気圧に近い圧力であると、処理されたウェーハを取り出すために外部ドアが開かれる。
【０００７】
幾つかの複雑な処理システムでは、中央の移送チャンバとこの移送チャンバから分岐した幾つかの処理チャンバが設けられる。このような状態では、通常、ロードロックは通路および内部ドアを介して移送チャンバに連結される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、効果的にロードロックを制御することが困難であった。約１３３ｋＰａ（約１０００torr）から約０．１３３ｋＰａ（約１０^-3torr）の絶対圧力を計測することができる（なお、海抜ゼロでの大気圧は約１０１Ｐａ（約７６０torr））ピラニ対流圧力センサは、ロードロックのドアの開閉を制御するのに適する圧力変換器において使用される。上述したタイプの圧力変換器を用いたロードロックドアの制御は、有利ではあるが問題も存在している。例えば、ピラニ対流圧力センサの測定限界が約０．１３３Ｐａ（１０^-3torr）であり、内部ドアの開閉を効果的に制御するのに十分なほど低くない。これは、通常処理チャンバは測定限界よりも少なくとも１〜３オーダ低い圧力、すなわち約１．３×１０^-2Ｐａ（１０^-4torr）または約１．３×１０^-4Ｐａ（１０^-6torr）またはそれ以下の圧力で作動せしめられることによる。そして、ロードロック圧力が約０．１３３Ｐａ（１０^-3torr）になるまでポンプで吸い出しても、内部ドアを開くと不純微粒子および水蒸気を伴って、処理チャンバへの気体分子の急激な移動が起こってしまう。これにより、処理チャンバおよび／またはロードロックチャンバの真空ポンプに過度な負荷がかかってしまい、内部ドアの開閉の後毎のポンプによる吸い出し時間が長くなり、特に処理チャンバにおいてポンプによる吸い出しで所望の処理圧力にまで圧力を下げるのに時間がかかってしまう。このようにポンプによる吸い出しを付加することは、処理時間を長くし且つ効果を下げてしまう。
【０００９】
高い方の圧力限界、すなわち大気圧またはその近傍（約１０１ｋＰａ（約７６０torr））においても問題がある。これは、上記圧力において気体分子または空気分子の密度が真空処理チャンバで用いられる真空圧における密度よりも高いことによる。したがって、ロードロックチャンバ内の圧力が周囲の大気圧と同一でないときに外部ドアを開けると、強い空気の流れが発生し、ロードロックが清潔な部屋内にあるのに汚染されてしまう。また、ピラニ対流センサは大気圧領域における圧力検知能力を有するが、天気、高度、およびその均等用件によって周囲の大気圧状態が絶えず変化するので外部ドアが効果的に開くように制御するためにピラニ対流センサを設けるのは不可能である。例えば、製造者は、海抜ゼロよりも僅かに高い位置で作動することが多いことを考慮して、ロードロックチャンバの圧力が約１００ｋＰａ（約７５０torr）に達したときにロードロックの外部ドアを開くために信号を発生させるように変換器を設定する。しかしながら、例えばボールダー（Boulder）、コロラド（Colorado）の周囲の大気圧は約８４ｋＰａ（約６３０torr）でありロードロックチャンバ内の圧力が約１００ｋＰａ（約７５０torr）に到達したときに外部ドアを開く変換器をボールダー、コロラドで用いると、不都合な気体の流れが発生し汚染が起きてしまう。さらに、例えば気象状態の変化や特定の位置に近づいたり遠ざかったりする前線により、地理学的な様々な場所において周囲の大気圧は変化する。異なる圧力で制御信号を発生するように上述したような変換器を再設定するのは容易ではなく、ソフトウェアや制御回路の変更を必要とし、通常のユーザによっては行われない。
【００１０】
差圧・絶対圧変換器（差圧変換器と絶対圧変換器を組み合わせたもの）は、係続中の米国特許出願番号第６０／１９１２２３号の主題であり、外部ドアの作動を制御するための差圧センサと内部ドアの作動を制御するための絶対圧センサを用いることで上述した様々な問題が除去されている。このように組み合わせたシステムでは、変換器は、処理チャンバの真空圧レベルに適合する予め定められた圧力にまでロードロックが下げられていることを絶対圧センサが検知すると、処理チャンバへの内部ドアを開くための信号を発生させる。他方、変換器は、差圧センサがロードロックチャンバの圧力が周囲の大気圧と等しいことを検出したときにロードロックの外部ドアを開くための信号を発生させる。
【００１１】
このような差圧・絶対圧変換器は従来のロードロック制御システムを大きく改良したものだが、問題は残っている。例えば、現在のロードロック圧力は約１．３×１０^-2Ｐａ（１０^-4torr）またはそれよりも低く、システムの好適な実施形態で使用される従来のピラニ絶対圧センサは、圧力が低いと、例えば約０．１３３Ｐａ（１０^-3torr）より低い圧力であると正確且つ反復可能に読みを行うことができない。このような従来のピラニ対流センサは約１．３３〜１３．３Ｐａ（約１０〜１００torr）の範囲にフラットな領域を有し、この領域では正確性に欠ける。上述したように他の圧力では影響を与え、圧力範囲におけるフラットな領域は変換器によるドア制御操作に影響を与えないが、高い圧力領域におけるロードロックチャンバのポンプによる遅い吸出率から低い圧力領域におけるポンプによる速い吸出率への切替のような、他の圧力監査機能および圧力制御機能に干渉する。通常、このような切替は幾つかの所望の設定ポイントにおいて１３．３Ｐａ（０．１torr）と１．３ｋＰａ（１０torr）との間の圧力で起こるように設定される。これは、高い圧力における最初のポンプダウンは乱気流を引き起こし、この乱気流が微粒子および汚染されたウェーハをかき乱すことによる。従来のピラニセンサは、遅いまたは「荒い」状態から速いまたは「ターボ」割合への切替を制御するのに、圧力の変化に所望の速さで応答しない。さらに、圧力の正確な読みは様々な理由で常に重要である。例えば、圧力ゲージの読みが高いと、設定値に到達するまでに時間がかかってしまい、これにより製品のスループットを低下させてしまう。圧力ゲージの読みが低いと、汚染問題を招いてしまうことがある。
【００１２】
また、外部ドアが開かれたときにロードロック圧力を周囲の大気圧に戻すのに使用される非常に速い戻し充填割合により、差圧を検出するときの応答性および精度には幾つかの問題がある。
【００１３】
最後に、係続中の米国特許出願第６０／１９１２２３号に記載された従来の差圧・絶対圧変換器は大きく、設置、接続および使用が困難であり、多少効率が悪く、また所望な程に信頼性が高くない。
【００１４】
よって、本発明の目的は、より正確に、より信頼性高く、より正しく、より良好にまとめられ、より速くロードロック制御用の差圧・絶対圧変換器を使用することができるようにすることにある。
【００１５】
本発明の付加的な目的、利点、および新しい特徴は以下の記述で部分的に説明され、考察の上、部分的に以下の記述から当業者には明らかであるか、または本発明の実行によって学習される。目的および利点は特許請求の範囲に特に指摘した手段およびその組合せによって実現され、達成される。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的および他の目的を達成するために、本発明の装置は大気圧の空間と１３３Ｐａ以下の圧力に維持された真空処理チャンバとの間での部品の移送を容易にするためのロードロックを制御するための差圧・絶対圧変換装置であって、該ロードロック装置は気体を抜くことができるロードロックチャンバと、該ロードロックチャンバと上記空間との間に配置された外部ドアと、ロードロックチャンバと処理チャンバとの間に配置された内部ドアと、上記外部ドアを開閉するように外部ドア制御信号に応答する外部ドアアクチュエータと、上記内部ドアを開閉するように内部ドア制御信号に応答する内部ドアアクチュエータと、ロードロックチャンバに連結されると共にロードロックチャンバから気体を抜く真空ポンプとを有する差圧・絶対圧変換装置を具備するが、限定するものではない。二段階バルブのような遅いポンプ制御装置が真空ポンプとロードロックチャンバとの間に設けられてもよい。差圧・絶対圧変換器は空間内の周囲の大気圧とロードロックチャンバ内の圧力との間の差圧を検出することができる差圧センサと、ロードロックチャンバ内の絶対圧を検出することができる絶対圧センサとを有する。差圧センサは差圧センサの第一の側が周囲の大気圧に晒され且つ第二の側がロードロックチャンバ内の圧力に晒されるように取付けられる。絶対圧センサはロードロックチャンバ内の圧力に晒されるように取付けられる。差圧センサおよび絶対圧センサは流体が流れるような関係をもって共通のマニホルドによってロードロックチャンバに連結される。差圧変換回路は差圧センサに接続され、予め設定された差圧値において外部ドア制御信号を発生させることができ、絶対圧変換回路は絶対圧センサに接続され、予め設定された絶対圧において内部ドア制御信号を発生させることができる。差圧変換回路と外部ドアとの間に接続された外部ドア制御リンクは差圧変換回路によって発生せしめられた外部ドア制御信号を外部ドアアクチュエータに送ることができ、絶対圧変換回路と内部ドアとの間に接続された内部ドア制御リンクは絶対圧変換回路によって発生せしめられた内部ドア制御信号を内部ドアアクチュエータに送ることができる。これらリンクは信号を伝達するための如何なる装置であってもよく、例えばワイヤ、赤外線発信器および受信機、またはその均等物であってよい。また、これらリンクは当業者が原理を理解すれば当業者には分かるように適切な入力／出力構成要素、増幅器、および他の装置を有する。
【００１７】
絶対圧センサはロードロックチャンバ内の圧力の関数（熱いフィラメントとそれより冷たい周囲環境との熱交換）として変化する抵抗を備えたマイクロピラニセンサを具備し、絶対圧変換回路はブリッジ回路内のマイクロピラニセンサ抵抗要素に組み込まれたマイクロピラニブリッジ回路を有し、このマイクロピラニブリッジ回路はロードロック内の圧力が変化すると信号電圧を提供する。第二の温度比較回路はマイクロピラニセンサの抵抗要素を使用し、好ましくは同じ基板上に組み立てられるが、ロードロック圧力には晒されずロードロック内の絶対圧変化ではなく温度変化によって起こるブリッジ出力信号の変化を修正する。この抵抗要素を同一の基板上に配置することにより温度比較の正確性および反応時間が改良される。マイクロピラニブリッジ回路に接続されるアナログ処理回路はブリッジ回路からの信号電圧を調節、増幅、調整し、ロードロックと処理チャンバとの間の内部ドアを開くのを制御するのに使用され、このことは零スケールおよびフルスケール調整特性を有する。また、アナログ処理回路は、特に標準の出力信号が正確に且つ信頼して使用するには弱すぎる低圧領域において増幅される補助的出力信号を生成する。電圧が調整可能な設定ポイント絶対圧値に対応する値であるときにはリレー制御回路は内部ドア制御信号を発生させるのに調節され、増幅され、且つ調整された電圧を使用する。設定ポイント圧力におけるまたはその近傍の圧力におけるリレーの行き来、またはびびりを防止するためにヒステリシスが提供される。
【００１８】
差圧センサは薄膜ダイアフラムのピエゾ半導体圧力センサを具備するのが好ましく、薄膜ダイアフラムは、ダイアフラムの一方の側にロードロックチャンバの圧力が加わり、ダイアフラムの他方の側に空間内の周囲の大気圧が加わるように配置され、ダイアフラムは一方の方向または他方の方向に撓む。このような撓みの方向および大きさはダイアフラム両側の差圧の方向および大きさに依存する。ピエゾ半導体要素の抵抗（好ましくはポリシリコン抵抗）はダイアフラム両側の差圧の関数として変化する。アナログ処理回路はブリッジ回路からの信号電圧をより有用な信号へと調節、増幅、調整する。リレー制御回路はアナログ処理回路からの電圧を監視し、アナログ処理回路が現在の差圧値に対応するときに外部ドア制御信号を発生させる。リレーを作動させるための設定ポイント差圧と、設定ポイント差圧におけるまたはその近傍の圧力におけるリレーの行き来、またはびびりを防止するためのヒステリシスとが提供される。
【００１９】
本発明の小型化された圧力変換器は非常にコンパクトな構造をもち、マニホルド取付ベースがロードロックの内部の圧力で回路板に取付けられた絶対圧センサおよび差圧センサを連結する。ロードロックは非常に複雑であるため、ロードロックチャンバの周りではスペースが非常に制限されており、これにより最小化された構成により取付が容易になると共に他の構成要素に対して邪魔にならなくなり、またロードロックの機能を有する。
【００２０】
さらに上述した目的および他の目的を達成するために、本発明は、外部ドアが開く所望の差圧および内部ドアが開く予め定められた所望の差圧値を予め定めることを含む、自動的にロードロックを制御する方法を具備するが、限定されるものではない。そして、本方法はロードロックチャンバと空間内の周囲の圧力との間の実際の差圧を検出する工程と、実際の差圧を予め定められた差圧値と比較する工程と、実際の差圧と予め定められた差圧値とが等しいときに外部ドアアクチュエータに外部ドア制御信号を生成し、送る工程とを有する。また、本方法は、ロードロックチャンバ内の実際の絶対圧を検出する工程と、実際の絶対圧を予め定められた絶対圧と比較する工程と、実際の絶対圧と予め定められた絶対圧とが等しいときに内部ドアアクチュエータに内部ドア制御信号を生成し、送る工程とを具備する。
【００２１】
本発明の方法は、限定するものではないが、検出された差圧を該検出された差圧を示す電圧または検出された差圧に値的に対応する電圧に変換する工程と、差圧が外部ドアを開きたい所望の差圧値にあるときに差圧から変換された電圧に値的に対応する差圧基準電圧を生成する工程と、差圧基準電圧をこのように変換された電圧と比較する工程と、変換された電圧が差圧基準電圧と等しいときに外部ドア制御信号を外部ドアアクチュエータに生成し、送る工程とを具備する。本発明はさらに検出された絶対圧を該検出された絶対圧を示す電圧または検出された差圧に値的に対応する電圧に変換する工程と、絶対圧が内部ドアを開きたい所望の絶対圧にあるときに絶対圧から変換された電圧に値的に対応する絶対圧基準電圧を生成する工程と、絶対圧基準電圧をこのように変換された電圧と比較する工程と、変換された電圧が絶対圧基準電圧と等しいときに内部ドア制御信号を内部ドアアクチュエータに生成し、送る工程をさらに有してもよい。絶対圧信号および差圧信号においてヒステリシスを提供することにより、設定ポイント絶対圧および設定ポイント差圧におけるまたはその近傍におけるリレーの行き来、またはびびりを防止することができるようになる。
【００２２】
本発明の方法はさらに絶対圧センサおよび差圧センサを回路板に取付ける工程と、絶対圧センサおよび差圧センサがロードロックの内部の圧力に触れるように回路板をマニホルド基部に取付ける工程とを具備する。
【００２３】
本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の好適な実施形態を示し、説明と共に本発明の原理を説明するために使用される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
ロードロックチャンバ６０に取付けられた本発明の小型圧力変換組立体１０を図１および図２に示す。一般に、小型圧力変換器組立体１０は、図２に明示したように絶対圧センサ組立体２０と差圧センサ組立体３０とを具備し、各組立体は気体が流れるような関係で共通のマニホルド４０に連結される。マニホルド４０は、後述するようにマニホルド４０をロードロックチャンバ６０に連結するために、従来のフランジ型パイプ取付具４３のようなコネクタ４２を有する。この連結部は従来のようにＯリングシール４５によってシールされ、且つクランプ４７で繋止される。信号生成・制御回路８０を備えた回路板１２（以下で詳述する）が図２に示されており、図２ではこの回路板１２の底端部に絶対圧センサ組立体２０および差圧センサ組立体３０が取付けられている。回路板１２は複数のネジ１３によってマニホルド４０に取付られ且つ締結され、ネジ１３は圧力センサ２０、３０をそれぞれＯリング４８、４９で頂面４１にシールするように締め付けられる。絶対圧センサ組立体２０および差圧センサ組立体３０を備えた回路板１２を囲い且つカバーするダストカバー１４がマニホルド４０にネジ１５によって取付けられる。ロードロックドア（後述する）用のアクチュエータ（図示せず）およびその均等物を制御するために電力／データ用コード１８を介して回路板１２を外部の電力源に接続するように、９ピン式Ｋ１コネクタ１６が回路板１２からハウジング１４を通って延びる。
【００２５】
図１および図２と合わせて図３を参照すると、内部ドア６２を備えた通路６１によって真空処理チャンバ７０に連結されるロードロック６０が線図的に示される。処理チャンバ７０は処理チャンバ７０内を真空、通常、１３３〜１．３×１０^-6Ｐａ（約１〜１０^-8torr）に維持するための真空ポンプ７１を有する。通常、処理中、例えば供給ガス源７４、７５、７６から誘導される半導体薄膜の蒸着中に、一つまたはそれ以上のウェーハ７３を支持するためにプラットフォーム７２が設けられる。ロードロック６０はロードロックチャンバ６０内の圧力をポンプで下げるための真空ポンプ６５を有する。ロードロックチャンバ６０内の圧力を大気圧に戻すために、窒素、または時には空気のようなガス６３の源が使用され、こうしてウェーハ７３をロードロックチャンバ６０内に挿入したり該チャンバ６０から取り出したりするために外部ドア６４が開かれる。
【００２６】
図１、２および３に示した小型圧力変換組立体１０は、マニホルド４０、すなわち絶対圧センサ組立体２０および差圧センサ組立体３０が効果的にロードロックチャンバ６０の内部６１と同じ圧力に晒されるように、ロードロックチャンバ６０に流体が流れるような関係で連結される。図３に概略的に示した外部電力供給源８２はコネクタ１６を介して回路板１２に接続される。回路板１２と外部ドア６４との間の処理制御リンク８３と、電力／データコード１８とは、電気回路８０から適切なアクチュエータ（図示せず）またはアクチュエータ回路（図示せず）、例えばソレノイドまたはモータアクチュエータ（図示せず）へ制御信号を送り、これにより外部ドア６４の開閉が制御される。ロードロックチャンバの外部ドア６４を開閉するための上記アクチュエータまたはアクチュエータ回路、およびこのようなアクチュエータまたはアクチュエータ回路を操作するのに制御信号を使用する方法は、当業者には公知であり、本発明を理解するためまたは実行するために説明する必要はない。コネクタ１６および電力／データコード１８を介した回路板１２と内部ドア６２との間の処理制御リンク８４は、電気回路８０から適切なアクチュエータ（図示せず）またはアクチュエータ回路（図示せず）、例えばソレノイドまたはモータアクチュエータ（図示せず）へ制御信号を送り、これにより内部ドア６２の開閉が制御される。また、ロードロックチャンバの内部ドア６２を開閉するために上記アクチュエータまたはアクチュエータ回路、およびこのようなアクチュエータまたはアクチュエータ回路を操作するのに制御信号を使用する方法は、当業者には公知であり、本発明を理解するためまたは実行するために説明する必要はない。
【００２７】
スロットルバルブ６６を制御することによって真空ポンプ６５のポンプ速度を効果的に制御するために、図３に破線で示された、他の付加的な処理制御リンク６８が使用されてもよい。ここでスロットルバルブ６６は、二段階バルブを含む調整可能な様々な閉鎖装置である。スロットルバルブ６６を部分的に閉じて有効なポンプ速度を低下させることによって、ポンプライン６７およびロードロックチャンバ６０内における乱流が減少せしめられ、よってポンプライン６７およびロードロックチャンバ６０内でかき混ぜられる微粒子および汚染からロードロックチャンバ６０内の微粒子汚染が減少せしめられる。ロードロックチャンバ６０が真空にせしめられ且つほとんどの空気が取り出されると、気体の密度が低くなるため乱流は形成されにくくなる。したがって、ロードロックチャンバ６０内の圧力が或る閾圧力にまでポンプで下げられると、処理制御リンク６８はスロットルバルブ６６を完全に開くように使用され、これにより真空ポンプの有効なポンプ速度が最高速度になる。
【００２８】
処理制御リンク６８、８３、および８４は一つの構成要素から別の構成要素へ信号を伝達することができれば当業者には公知の如何なる構成要素または装置であってもよい。例えば、処理制御リンク６８、８３、８４は、単なる導電ワイヤ、例えば赤外線送信機、受信機および無線送信機、受信機のようなワイヤレスリンク、または他の技術、および関連の入力／出力構成要素、アンプ、および当業者に理解可能な均等物を含む。
【００２９】
図４の機能ブロック線図に示したように、絶対圧センサ組立体２０、好ましくは以下に詳述する薄膜マイクロピラニセンサ（１３３ｋＰａ（約１０００torr）から１．３３×１０^-3Ｐａ（約１０^-5torr）またはそれ以下まで絶対圧を検出することができる）は、ロードロックチャンバ６０内の圧力を検出する。マイクロピラニブリッジ回路９０は、マイクロピラニセンサ組立体２０によって検出されたロードロックチャンバ６０内の絶対圧を示す電圧信号を生成する。二次的温度補償回路９２は、温度変化による信号電圧変動を補償するように上記電気信号に電圧補正を加え、この補償により以下に詳述するように圧力検出精度が上がり、またシステムの絶対圧検出能力が低圧側へ伸びる。アナログ処理回路９３はブリッジ回路９０を駆動し、調節し、増幅し、ブリッジ回路９０から電圧信号への調整および校正することができるようにする。リレー制御回路９４は、アナログ処理回路９３からの電圧信号を用いてリレー９５（「真空スイッチ」）を操作するのに使用される制御信号を発生させ、処理チャンバ７０（図３）が作動する圧力と同じ圧力または少なくともその圧力に近い圧力である所定の最小圧力にロードロックチャンバ６０内の圧力が到達したときに内部ドア６２を開くようにデータライン８４を介して内部ドア６０アクチュエータへ信号を送る。あるいは、リレー制御回路９４からの制御信号は、ロードロックチャンバ６０内の圧力が最小閾圧力に到達するまで内部ドア６２が開いてしまうのを防止するように用いられる。さらに、上述したように、リレー制御回路９４は、スロットルバルブ６６コントローラまたはアクチュエータまたは二段階バルブに制御信号を出力するための真空リレースイッチ９５を駆動するように形成され、圧力が比較的高いときにロードロックチャンバ６０をポンプで減圧している間に、およびほとんどの気体が取り除かれてポンプでの減圧処理の速度を速めている間にロードロックチャンバ６０内の気体流、すなわち乱流を維持するために、ロードロックチャンバ６０内の圧力が選択された中間閾圧力（通常１３．３Ｐａ（約０．１torr）〜１．３３ｋＰａ（約１０torr））にまで下げられたときに真空ポンプ６５が遅い（「ラフ」）ポンプモードから速い（「ターボ」）モードに切り換えられる。上述したようにスロー／ターボポンプモードアクチュエータ６６を操作するために真空リレースイッチ９５が使用されると、内部ドア６２アクチュエータは所望の絶対圧レベルにおいて内部ドア６２を開くためにアナログ処理回路９３から絶対圧出力信号９６を使用するためにコントローラ（図示せず）を備える。この絶対圧出力信号９６は、適当な時間におけるロードロックチャンバ６０内の絶対圧を常に示す電圧であり、図４に破線８４’で示したように絶対圧モニタ９８に接続され、ロードロック６０操作サイクルの全てまたはその一部におけるロードロック６０内の絶対圧を監視および／または記録する。予備の絶対圧出力信号９７は、同様にロードロックチャンバ６０内の絶対圧を示す電圧であるが出力信号９６の電圧よりも倍数的に大きく（例えば１０倍）、アナログ処理回路９３によって提供せしめられる。この高い電圧出力信号９７は、図４に破線８４”で示されており、初期の出力信号９６の電圧が効果的に検出および使用するのに低すぎるほど処理チャンバ７０（図３）およびロードロック６０が低い圧力で作動するときに、内部ドアアクチュエータ６２を操作するのに非常に有用な代替的な信号である。この絶対圧出力信号９７の高い電圧は適切なモニタおよび／または記録器９８によって監視されるように用いられてもよい。
【００３０】
差圧センサ組立体３０は、以下に詳述するように周囲の大気圧とロードロックチャンバ６０内の圧力との差圧を検出する。好適な実施形態では、差圧センサ組立体３０はピエゾ抵抗器が膜構造体に組み込まれた薄膜であり、後述するように大気圧とロードロックチャンバ６０内の圧力との差圧が膜の可撓性を高くするので電気抵抗、すなわち電圧が変化する。ピエゾブリッジ回路１００は全体の電気抵抗、および差圧の変化によるピエゾ差圧センサ組立体３０の抵抗の変化を検出し、全体の抵抗を常に差圧を示す電圧信号に変換する。アナログ処理回路１０２は、調整および増幅を行い、ピエゾブリッジ回路から電圧信号用の校正機能および調整機能を提供する。リレー制御回路１０４は処理回路１０２調整、増幅された電圧信号を用い、リレー１０５（「大気スイッチ」）へ制御信号を出力する。これにより圧差圧に達したときに外部ドア６４を開くためまたは或る差圧に到達するまで外部ドア６４が開くのを防止するようにデータライン８３上に外部ドア６４アクチュエータへの制御信号を発生せしめられる。例えば、外部ドア６４は大気圧とロードロックチャンバ６０内の圧力との差圧がゼロである場合、すなわちロードロックチャンバ６０内の圧力と外気圧が等しい場合には外部ドア６４が開かれる。このように差圧がゼロである場合、外部ドア６４が開かれてもロードロックチャンバ６０内へ流入するまたは流出する空気および気体の流れは、あったとしても非常に小さい。もちろん、リレー制御回路１０４は、所望であればゼロ以外の差圧において制御信号を出力するように設定される。例えば、リレー制御回路１０４はロードロックチャンバ６０内の圧力が大気圧よりも僅かに高くなるまで外部ドアを開かないように設定され、これにより外部ドア６４が開かれたときにロードロックチャンバ６０から大気中へ気体が確実にまず流出し、このため大気中からロードロックチャンバ６０内へ汚染物質が流入することが最小限に抑えられる。
【００３１】
上述したようにするために、頂部、底部、上、下および同様な表現は図１の方向を参照して便宣上使用したものであり、限定するものではない。小型圧力変換器およびその構成部品は様々な方向を向けて使用することができる。
【００３２】
図２、図５および図６を参照すると、マニホルド４０は回路板１２、圧力センサ組立体２０の取付ベースとして用いられる。圧力センサ組立体２０は、回路板１２の底部とマニホルド４０の頂面４１との間において回路板１２の底部のパネル１７に取付けられる。マニホルド４０は頂面４１、底面５１およびキャビティ５０を備えた本体４４を有し、キャビティ５０は底面５１に開いていて頂面４１に向かって延びるが頂面４１まで貫通はしない。それぞれ圧力センサ組立体２０、３０と空間的に整列せしめられた二つのダクト５２、５４がキャビティ５０から頂面４１へと延びる。したがって、図２に示したようにマニホルド４０がロードロック６０に取付けられると、マニホルド４０は圧力センサ組立体２０、３０をロードロック６０の内部６１と流体的に接続する。
【００３３】
上述したように、締結ネジ１３は圧力センサ２０、３０をそれぞれＯリング４８、４９で頂面４１に対して密着させるように締め付けられ、これによりそれぞれダクト５２、５４周りで圧力センサ組立体２０、３０が頂面４１にシールされる。絶対圧センサ組立体２０はパネル１７の底面１９に取付けられる円筒状ハウジング２１を有し、この円筒状ハウジング２１はマイクロピラニ絶対圧センサ１１０を収容する。マイクロピラニ絶対圧センサ１１０はマニホルド４０内のダクト５２およびキャビティ５０を介してハウジング２１（図７参照）の開いた底部を介してロードロック６０の内部６１内の圧力に晒される。マイクロピラニ圧力センサ１１０がロードロックチャンバ６０の内部６１内の圧力のみに晒され、且つ大気圧に晒されないようにするために、絶対圧センサハウジング２１はその頂部で閉じられている。マイクロピラニセンサ１００については以下に詳述する。
【００３４】
差圧センサ組立体３０はピエゾ差圧センサ２００を収容する円筒状ハウジング３１を有し、このピエゾ差圧センサ２００は図２には示されていないが図７に破線で示されている。これは、ピエゾ差圧センサ２００がハウジング３１の底面３１に覆われていることによる。ピエゾ差圧センサ２００については以下に詳述する。ハウジング３１は図７に明示したように底面３２によってほとんど閉じられているが、底面３２を貫通する孔３３が存在し、この孔３３によりピエゾ差圧センサ２００が図２に明示したようにマニホルド４０のダクト５４およびキャビティ５０を介してロードロック６０の内部６１の圧力に晒される。ピエゾ差圧センサ２００の頂端面は、以下に詳述するように、大気圧とロードロック６０の内部６１の圧力との間の差、すなわち差圧を検出するために、周囲の（大気）圧力に晒される。したがって、ハウジング３１はその頂部に開口（図示せず）を有し、大気に晒される。図２に破線で示したような回路板１２の底部パネル１７を通る孔は、ピエゾ差圧センサ２００（図２には図示せず）の頂部を大気に容易に晒すためにハウジング３１の頂部にある開口（図示せず）と整列せしめられる。
【００３５】
ダストカバー１４は、頂面４１に近接したマニホルド４０の側方にある凹部４６周りに適合するような大きさであり、ネジ付き穴５６（図５および図６）内にねじ込まれたネジ１５（図２）で所定の位置に取付けられる。キャビティ５０が設けられるのが好ましいが、マニホルドはキャビティ５０が無く且つダクト５２、５４がマニホルド４０の底面５１まで延びても本発明の目的を達成することができる。
【００３６】
マイクロピラニ絶対圧センサ１１０の好適な実施形態の拡大図を図８に示す。主要本体１１２は好ましくはシリコン（Ｓｉ）で製作された基材１１４と、薄膜構成要素と、抵抗要素（図８には図示せず）とを具備し、以下に詳述するように作動時には晒された絶対圧を示す信号を提供する。シリコン以外の物質も基材として作用するが、シリコンは安価であり、またシリコン上に他の材料を蒸着させることは公知の分野であり、よってコスト削減を導く。抵抗要素（図８には図示せず）は、金属接触パッド１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８で終端し、これら金属接触パッドは、金であるのが好ましく、不動態層（保護層）１２０を介して晒され、各リード線１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８は図７に示したようにマイクロピラニ絶対圧センサ１１０を電子的に回路板パネル１７に接続するために接触パッド１２１〜１２８にはんだ付けされる。リード線１３１〜１３８は図７に明示したようにそれぞれセンサ組立体２０のピン１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８に接続される。ピン１４１〜１４８はそれぞれトレースによって回路板パネル１７にある回路板ピン１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、１５８に接続され、回路板ピン１５１〜１５８は以下に詳述するように回路８０の様々な電子構成要素に導かれる。再び図８を参照すると、壊れやすい薄膜構成要素（図示せず）を保護するための主要本体１１２上にカバー１６０が取付けられる。カバー１６０の開口１６２は、上述し且つ図２に示したように、本体１１２内の薄膜構成要素（図８には示さず）をロードロック６０の内部６１の圧力に晒す。
【００３７】
図８に示されたマイクロピラニ絶対圧センサ１１０は、このセンサ１１０が図２の絶対圧組立体２０内に取付けられるように向けられており、本体１１２およびカバー１６０をこれら構成要素の構造を以下に説明するときに分かり易いように、逆向きに図９および図１０に示した。したがって、図９および図１０の説明ため、上方および下方といった用語は図９および図１０の向きを参照したものであり、図８の向きを参照したものではないが、これら方向に関する用語は説明の都合上のものであり本発明の範囲を限定するものではない。
【００３８】
図９を参照すると、マイクロピラニ絶対圧センサ１１０の主要本体１１２は部分的に（破線で示した）キャビティ１１６で構成されて示されており、このキャビティ１１６は基材１１４内にエッチングされ、且つキャビティ１１６上に薄膜１１８を形成するために窒化ケイ素（Ｓi₃Ｎ₄）または酸化ケイ素（ＳiＯ₂）の誘電性があり且つ非導電性のフィルム１１７が基材１１４に重ねられる。薄膜１１８は、薄膜１１８の上下で気体分子が自由に流れるように且つ薄膜１１８の上下の圧力が等しくなるように、薄膜１１８を介して延びる一つまたはそれ以上の孔１１９を有する。好ましくはニッケル（Ｎｉ）である二つの抵抗要素またはフィラメント１７０、１７２は膜１１８上を含む誘電性フィルム１１７上に蒸着せしめられる。抵抗要素１７０、１７２はそれぞれ金属（好ましくは金（Ａｕ））製接触パッド１２１、１２２および１２３、１２８で終端する。付加的な二つの抵抗要素１７４、１７６が誘電性フィルム１１７上に蒸着せしめられるが、以下に詳述するように温度補償に用いるためにフィルム１１７の膜１１８の一部の上には蒸着せしめられない。抵抗要素１７４、１７６、好ましくはニッケル（Ｎｉ）はそれぞれ接触パッド１２４、１２５（好ましくは金（Ａｕ））および１２６、１２７で終端する。
【００３９】
図１０に明示したように、Ｓi₃Ｎ₄、ＳiＯ₂のような誘電性物質の別の不動態層（保護層）１２０が第一の誘電性フィルム１１７上および抵抗要素１７０、１７２、１７４、１７６上に蒸着せしめられる。説明を分かり易くするのみのために、誘電性層１１７、１２０および基材１１４の一部は構造体の特徴を明らかにするように切除されている。上述したように、接触パッド１２１〜１２８はリード線１３１〜１３８（図８）がこれら接触パッド１２１〜１２８にはんだ付けされるように剥き出しになっている。カバー１６０は、図１０の切除部分から明らかなように、キャビティ１６２を有する。このキャビティ１６２は基材１１４内のキャビティ１１６とほぼ同一な大きさである。また、カバー１６０はカバー１６０の側壁１６３を介してキャビティ１６２内へと延びる孔１６１を有する。シリコン（Ｓi）から形成されるカバー１６０は、キャビティ１１６、１６２が膜１１８の両側で互いに対して並置されるように主要本体１１２上に配置される。
【００４０】
本出願では、二つの抵抗要素１７０、１７２が好ましくは直列に、場合によっては並列に共に接続され、単一の抵抗要素として機能する。このような接続は電気回路８０において行われる。作動時には、以下で詳述するように、抵抗要素１８０、１７２を介して電流が流れるように抵抗要素１７０、１７２を横断して電圧が加えられ、上記電流はブリッジ回路９０（図４および図１６）で監視される。抵抗要素１７０、１７２を介して流れる電流は熱を作り出し、この熱は浪費されてしまう。抵抗要素からの熱の一部は放射によって消失するが、熱の一部はキャビティ１１６、１６２内の気体分子によって導かれる。キャビティ１１６、１６２内の圧力が高くなればなるほど、より多くの分子が抵抗要素１７０、１７２から熱を導く。逆に、キャビティ１１６、１６２内の圧力が下がれば下がるほど、より少ない気体分子しか熱を導かない。キャビティ間に抵抗要素が埋め込まれた小型キャビティ１１６、１６２および薄膜１１８は本出願において幾つかの利点を有する。例えば、薄膜１１８は、抵抗要素１７０、１７２とキャビティ１１６、１６２内の気体分子との間に非常に僅かな物質を残し、抵抗要素１７０、１７２からキャビティ１１６、１６２内の気体分子への熱伝達が妨害される。同時に、薄膜１１８は非常に迅速にセンサの大きなシリコン本体１１２へ横方向へ熱が伝導せず、抵抗要素１７０、１７２からの熱の消失はキャビティ１１６、１６２内の気体分子によって駆動され、このことは圧力に依存する。したがって、抵抗要素またはフィラメント７０、７２からの熱伝導はキャビティ１１６、１６２内の圧力の変化に対して応答性が非常に高い。
【００４１】
熱的境界は熱いフィラメント周りに形成し、その厚さは気体分子の平均自由行路（気体分子が衝突の間に移動する統計的な距離）の約１０〜１５倍である。圧力が高くなると、気体密度が高くなり、より多くの気体分子が短い平均自由行路を提供する。熱いフィラメント表面と冷たいその周囲との間の距離ｄが熱境界層の厚さよりも長いと、室温またはセンサの温度の変化は温度センサの出力にほとんど影響を及ぼさず、このことが従来のピラニゲージおよび従来のゲージにおけるフラット領域の理由である。しかしながら、マイクロピラニセンサ１１０内のキャビティ１１６、１６２が小さい（約２０μｍ）ので、高い圧力領域においてより敏感になる。同様に、熱伝導に影響を与えるキャビティ１１６、１６２内の気体分子の対流を実質的に防止しつつ、小さい開口１６１および１１９を備えた小さいキャビティ１１６、１６２はキャビティ１１６および１１９外の圧力変化と同時に圧力を変化させ、よって圧力変化の関数として出力信号の精度および再現性である。また、小さいキャビティ１１６、１６２は熱源（要素１７０、１７０で示す）とヒートシンク（主要本体１１２およびカバー１６０）との間の小さいギャップを提供し、気体伝導による熱伝達を改善し、よって高い方、例えば約１．３３×１０²〜１．３３×１０⁵Ｐａ（約１〜１０００torr）の圧力変化に対するセンサの感度が改善される。
【００４２】
熱が抵抗要素またはフィラメント７０、７２から伝導されると、これらフィラメント７０、７２は冷却され、冷却されたフィラメント７０、７２は熱いフィラメント７０、７２よりも電流に対する抵抗が低くなる。したがって、ロードロック６０内の圧力が変化して、ピラニ絶対圧センサ１１０のキャビティ１１６、１６２内の圧力が変化すると、圧力変化を示すブリッジ回路９０において以下に詳述するような変化が起こる。ロードロック６０のドア６２、６４および他のロードロック６０の構成要素への信号を生成するために、ブリッジ回路９０におけるこのような変化は回路８０によって検出および使用可能であると言えば十分であろう。図１１のグラフは絶対圧に相当するマイクロピラニ圧力センサ１１０からの生の信号電圧の例を示す。この例では、信号電圧出力の範囲は、１．３Ｅ−０３〜１．３Ｅ＋４（１．０Ｅ−０５〜１．０Ｅ＋０２toor）、すなわち１．３×１０^-3〜１．３×１０⁴（１０^-5〜１００torr）の範囲の絶対圧に相当する０．０００１ボルト〜１０．００００ボルトである。図１１のグラフから高い圧力領域において出力電圧がフラットになっていることが明らかであるが、正確な圧力の読みはマイクロピラニセンサ１１０から少なくとも１０００torr程度の高い圧力でも獲得可能であり、また使用可能である。
【００４３】
主要本体１１２上にあり且つ膜上にはない、すなわち気体分子とは接触しないが主要本体１１２と同一の温度下にある他の抵抗要素またはフィラメント１７４、１７６の一つが、基準用におよび温度安定用にマイクロピラニブリッジ回路９０内に設けられる。本質的には、補正された抵抗要素１７４または１７６は、膜１１８上の二つの抵抗要素１７０、１７２に沿って温度変化で変化する基準電圧を提供し、ブリッジ回路内に設けられると圧力変化に対する温度変化による出力信号電圧のドリフトまたは変化を最小限にする。フィラメント１７４、１７６の別の一つは、異なる回路８０の二次的温度補償部分に用いられ、これは以下に詳述するようにマイクロピラニブリッジ回路の一部ではない。
【００４４】
適切なマイクロピラニセンサ１１０は、参照することで本願の一部を構成する米国特許第４９０２１３８号に記載のセンサ装置を修正することによって得られ、上述したようにマイクロピラニセンサとして機能する。
【００４５】
本発明で使用するのに適切なピエゾ差圧センサ２００はイリノイ州、ノースブルックのモトローラ社（Motorola, Inc.）およびニュージャージ州モリスタウンのハニーウェル社（Honeywell, Inc.）、および複数の他の製造者によって製造される。このようなピエゾ差圧センサは容易に商業的に入手可能であるので、このようなピエゾ差圧センサが如何にして製造され且つ機能するかについては細かく説明する必要はない。したがって、本発明においてピエゾ差圧センサ１１０が如何にして機能するかを理解するのに十分な説明のみを行う。
【００４６】
したがって、図２、１２、１３および１４を参照すると、図２の差圧センサ組立体３０はハウジング３１内に収容されたピエゾ差圧センサ２００（図１２）を有し、このピエゾ差圧センサ２００の頂面２０１は周囲の大気圧Ｐ_Aにのみ晒され、底面２０２はロードロック６０（図３）の内部６１の圧力Ｐ_Lにのみ晒される。例えば、図１２に示したように、ハウジング３１内に差圧センサ２００を取付けるために、適切な注入材料２０３、例えばエポキシが使用される。
【００４７】
まず図１２、１３および１４を参照すると、ピエゾ差圧センサ２００は大きなシリコンのような主要本体２０４を具備し、この主要本体２０４は底面２０２内へエッチングされ且つ頂面２０１に向かって延びるが頂面２０１にまでは到達しないキャビティ２０６を備える。一つまたはそれ以上の、好ましくは二つのピエゾ抵抗要素２１０、２１２が、キャビティ２０６を覆うように延びる主要本体２０４の薄膜部分２０８に埋め込まれる。膜部分２０８を有する主要本体２０４およびピエゾ抵抗要素２１０、２１２は、抵抗要素の電気抵抗を変えることによって膜部分２０８の撓みに反応する半導体材料でドープされる。このような半導体材料は当業者には公知であって且つ上述したようにピエゾ差圧センサ１１０の商業的モデルとして入手可能である。好ましくは、少なくとも一つの、好ましくは二つの付加的な抵抗要素２１４、２１６が、膜部分２０８付近であって膜部分２０８以外の場所において主要本体２０６内に埋め込まれ、膜２０８およびピエゾ抵抗要素２１０、２１２が撓んでも上記付加的な抵抗要素２１４、２１６は撓まない。ピエゾ抵抗要素２１０、２１２、２１４、２１６はホイートストンブリッジを形成するために導電性トレース２１１、２１３、２１５、２１７に接続される。好ましくは金のような金属である導電性接触部２２０、２２２、２２４、２２６が各ピエゾ抵抗要素２１０、２１２、２１４、２１６に接触し、二酸化ケイ素（ＳiＯ₂）のような不動態膜２０９を通って頂面２０１まで延び、晒される。したがって、リード線２３０、２３２、２３４、２３６は電気回路８０に電気接続するためにそれぞれ接触パッド２２０、２２２、２２４、２２６にはんだ付けされる。
【００４８】
図１３に明示したように、大気圧Ｐ_Aが膜部分２０８の頂面２０１に加えられ、一方、ロードロック６０（図３）の内部６１のＰ_Lが膜部分２０８の手面２０５に加えられる。ロードロック圧力Ｐ_Lが大気圧Ｐ_Aよりも大きい場合、膜部分は破線２０８’に示したように上方に可撓する。他方、大気圧Ｐ_Aがロードロック圧力Ｐ_Lよりも大きい場合、膜部分２０８は破線２０８”で示したように下方に可撓する。大気圧Ｐ_Aとロードロック圧力Ｐ_Lが同一である場合、すなわちＰ_A＝Ｐ_Lである場合、膜部分２０８は撓まない。
【００４９】
膜部分２０８が上方へまたは下方へ撓むと、膜部分２０８内に埋め込まれた二つのピエゾ抵抗要素２１０、２１２も膜部分２０８と共に撓む。このような撓みによりピエゾ抵抗要素２１０、２１２はその電気抵抗が比例して変化し、この電気抵抗の変化が電気回路８０によって検出され且つ使用され、以下に詳述するように予め選択された差圧で外側のロードロック°６２用の制御信号が生成される。膜部分２０８にない他の二つのピエゾ抵抗要素２１４、２１６は大気圧Ｐ_Aとロードロック圧力Ｐ_Lとの差圧に関係なく撓まず、したがってピエゾ抵抗要素２１４、２１６はピエゾブリッジ回路１００で使用するための基準電圧を提供する。同様に、これら基準ピエゾ抵抗要素２１４、２１６が膜部分２０８に近接して主要本体２０４に取付けられているため、これら基準ピエゾ抵抗要素２１４、２１６は本質的にピエゾ抵抗要素２１０、２１２と同じ温度にある。したがって、温度が変化したことによるピエゾ抵抗要素２１０、２１２の抵抗値の変化は基準ピエゾ抵抗要素２１４、２１６における抵抗値の変化と比較することによって補正せしめられる。その結果、ピエゾブリッジ回路１００からの出力信号は温度変化に全く反応しない。図１５のグラフは、約−３．７３ｋＰａ〜＋３．７３ｋＰａ（約−２８．００torr〜＋２８．００torr）差圧に相当するピエゾ出力信号の電圧の例である。この差圧範囲において、信号電圧は約−３．７３ｋＰａ（約−２８torr）に対する０．０００ボルトと約＋３．７３ｋＰａ（約＋２８．００torr）に対する３．００ボルトとの間であり、この範囲において、圧力変化に対する電圧変化は直線的である。
【００５０】
リード線２３０、２３２、２３４、２３６は、図７に明示したようにまずハウジング３１の側方から延びる外部ピン２４０、２４２、２４４、２４６へ接続することによって電気回路板１２に接続される。これら外部ピン２４０、２４２、２４４、２４６は底部パネル１７内のトレースに接続され、次いで、底部パネル１７を通って主要回路板１２（図２）へと延びるピン２５０、２５２、２５４、２５６に接続される。
【００５１】
回路板１２（図２）上の電気回路８０の回路図を図１６に示す。図１６では、図４に示した機能ブロックに対応する回路８０の部分が破線で示されており、この機能ブロックには、マイクロピラニブリッジ回路９０、二次的温度補償回路９２、アナログ処理回路９３、リレー制御回路９４、および真空スイッチリレー９５、ピエゾブリッジ回路１００、アナログ処理回路１０２、リレー制御回路１０４、大気スイッチリレー１０５、電力供給源９１、およびコネクタ１６が破線でまとめられている。当業者は説明した機能および特徴をこの電気回路８０から容易に理解できるであろうが、幾つかの顕著な特徴について説明する。マイクロピラニセンサ１１０の二つの抵抗要素またはフィラメント１７０、１７２と、補正用の温度を検出する一つの抵抗要素１７４とがマイクロピラニブリッジ回路９０に示されている。ブリッジは本質的に電圧ノードＧ（接地）とＶとの間にフィラメント１７０、１７２を共に具備する。
【００５２】
ロードロックチャンバ６０（図３）内の圧力、すなわちフィラメント１７０、１７２近傍の気体の圧力が低下すると、気体分子によるフィラメント１７０、１７２からの熱伝導が減少する。フィラメント１７０、１７２からの熱の消失の減少により、調整がない限り、フィラメント１７０、１７２の温度、すなわちフィラメント１７０、１７２の抵抗値が増大する。フィラメント１７０、１７２の抵抗値が増大するとブリッジ回路９０における電流が変化し、ブリッジ電圧Ｖ₁および電圧Ｖ₂のバランスを悪化させ、すなわち電圧Ｖ₁と電圧Ｖ₂とが等しくなく、このことが電圧比較測定器１７８によって検出され、ブリッジ回路９０内の電圧を駆動する。これに応答して、ブリッジ回路９０内のトランジスタコントローラ１８０がブリッジ回路９０内の電圧Ｖ₀を下げ、これによりフィラメント１７０、１７２にかかる電圧Ｖ_Fが下げられ、よってフィラメント１７０、１７２を通る電流Ｉが下げられる。フィラメント１７０、１７２の電流Ｉが下がると、熱生成にはＩ²Ｒに等しい電力が必要であることによりフィラメント１７０、１７２内の熱生成量が減少する。熱生成量が少なくなると、フィラメント１７０、１７２の温度が下がり、フィラメント１７０、１７２の抵抗値が下がる。これによりブリッジ回路９０における電流が再調整されてバランスのとれた状態、すなわちＶ₁＝Ｖ₂となる。
【００５３】
逆に、ロードロックチャンバ６０の圧力、すなわちフィラメント１７０、１７２近傍の圧力が増大すると、より多くの気体分子がフィラメント１７０から熱を奪う。このことは調整がない限り、フィラメント１７０、１７２の温度、すなわちフィラメント１７０、１７２の抵抗値を低下させる。フィラメント１７０、１７２の抵抗値が下がると、ブリッジ回路における電流が変化し、ブリッジ回路９０のバランスを悪化させ、すなわち電圧Ｖ₁と電圧Ｖ₂とが等しくなくなる。そして、このようなバランスの悪化が電圧比較測定器１７８によって検出され、これによりトランジスタコントローラ１８０がＶ₀を増大させる。Ｖ₀が増大することにより、フィラメント１７０、１７２にかかる電圧Ｖ_Fが増大し、フィラメント１７０、１７２の電流Ｉが増大し、これにより電力（Ｉ²Ｒ）が大きくなって、フィラメント１７０、１７２の温度、すなわちフィラメント１７０、１７２の抵抗値が増大し、よってブリッジ回路９０がバランスのとれた状態、すなわちＶ₁＝Ｖ₂となる。その結果、電圧Ｖ₀をこのように調整することで、フィラメント１７０、１７２の温度が一定に維持される。さらに、フィラメント１７０、１７２の温度を一定に維持するのに必要とされるこのような電圧Ｖ₀の増減は、上述したように、ロードロックチャンバ６０内の圧力変化を指し示す。
【００５４】
したがって、後述するように調整、増幅、修正することで電圧Ｖ0を電子的に監視し、リレー制御回路９４を作動させるのに使用することができる。これにより、処理チャンバ７０内の圧力に適合する、または処理チャンバ７０内の圧力に近い、選択されたロードロックチャンバ６０の最小の圧力において内部ドア６２を開くために、または内部ドア６２を開くことができるようにするためにリンク８４（図３および図４）において制御信号が発生、出力される。付加的に、上述したように、電圧Ｖ₀は、リレー制御回路９４または別のリレー制御回路（図示せず）を作動させるために調整、増幅、修正後に使用され、リンク６８の制御信号をスロットルバルブ６６（図４および図４）へと発生、出力し、ロードロックチャンバ６０の圧力がロードロックチャンバ６０の所望の中間閾圧力にまで低下した後に、真空ポンプ６５のポンプ速度を効果的に増大させる。
【００５５】
Ｖ0地点の信号が上述した目的で使用される前に、調整、増幅、修正するのが有用である。コンデンサＣ２４および抵抗器Ｒ４９の組合せは、アナログ処理回路９３における増幅の前にマイクロピラニブリッジ回路９０内でＶ₀信号からノイズを除去する。抵抗器Ｒ５１、Ｒ５２、Ｒ５３、Ｒ５４は特定のマイクロピラニセンサ１１０（図８〜図１０）の特性に応じて抵抗器を加えることができる。膜１１８上になく且つキャビティ１１６（図９および図１０）を覆うマイクロピラニセンサ１１０の第四の抵抗要素１７６は、図１６に示したように、二次的温度補償回路９２の電圧比較測定器１８２に沿って使用され、ロードロック圧力Ｐ_Lが変化したことではなく周囲の温度が変化したことによるＶ₀を補償するようにＶ₀信号を調整する。精密な電圧レギュレータ１８４、１８６は、二次的温度補償回路９２において電圧比較測定器１８２によって使用される精密な基準電圧（ＲＥＦ１＝＋６．２ボルトおよびＲＥＦ２＝−６．２ボルト）を提供する。
【００５６】
アナログ処理回路９３において、二次的温度補償回路９２によって調整されて、増幅器１８８はマイクロピラニブリッジ回路９０からのＶ₀信号を式Ｙ＝ａ＋ｂｘによって増幅する。ここでｘは二次的温度補償されたＶ₀であり、ａは１８７で設定されるようなゼロ補正、ｂは１８９で行われる全面補正である。換言すると、ゼロ補正１８７は、増幅されたマイクロピラニ信号電圧を特定の絶対圧Ｐ_Lの範囲、例えば図１１のグラフのように１．３３×１０^-3Ｐａ（１０^-5torr）に相当する０．０００１ボルトから１０１ｋＰａ（７６０torr）に相当する１０．００ボルトの範囲に対応する所望のレベルに設定するために、手動で調整可能である。したがって、図１１のグラフに示したようにノードまたはリンク６６で増幅されたマイクロピラニ信号は、ロードロック６０の内部６１内の絶対圧Ｐ_Lを示し、回路８０内の出力リンク９６（図４および図１６）に提供され、上述したような絶対圧モニタ９８（図４）、スロー／ターボポンプアクチュエータ６６、内部ドアアクチュエータ、およびその均等物のような外部の回路および／またはコントローラに使用される。図１６の補助的な増幅器１９０は、例えば最初の増幅器１８８の十倍の出力信号等、更に増幅された信号を補助リンク９６に提供し、最初の増幅器１８８によって増幅されたリンク９６への増幅信号が上述したように正確に監視し且つ使用するのに弱すぎるような非常に低い絶対圧領域、例えば１．３×１０^-2Ｐａ（１０^-4torr）以下において使用される。アナログ処理回路９４からの第三のリンク９９は、真空リレースイッチ９５を開くのに使用するために、最初に増幅された信号を最初の増幅器１８８からリレー制御回路９４へと送る。
【００５７】
リレー制御回路９４では、演算増幅器１９１がアナログ処理回路９３からのリンク９９の増幅された絶対圧信号を使用し、真空スイッチリレー９５にオン信号またはオフ信号を出力するためにトランジスタスイッチ１９２を駆動する。真空スイッチリレー９５は、上述したように、内部ドア６２アクチュエータ（図３および図４）またはスロー／ターボポンプアクチュエータ６６を操作するのに使用される。しかしながら、リンク９９の絶対圧信号が上述したように演算増幅器１９１に使用される前に、演算増幅器１９１は様々な方法で調整される。まず、図１６に示したように設定ポイント調整部１９３が存在し、この調整部１９３はリレースイッチ９５が作動する絶対圧を設定する。例えば、リレースイッチ９５が内部ドア６２アクチュエータを例えば１．３×１０^-2Ｐａ（１０^-4torr）で操作するように使用したい場合、この設定ポイント調整部１９３は、真空リレースイッチ９５において通常開いている（ＮＯ）接触子１９４を閉鎖して、内部ドア６２アクチュエータに信号を送るようにトランジスタ１９２がリレースイッチ９５を操作する圧力として１．３×１０^-2Ｐａ（１０^-4torr）に設定するように使用される。あるいは、例えば１３３Ｐａ（１torr）でスロー／ターボポンプアクチュエータ６６を操作するようにリレースイッチ９５を使用したい場合、この設定ポイント調整部１９３は、真空リレースイッチ９５において通常開いている（ＮＯ）接触子１９４を閉鎖して、スロー／ターボポンプアクチュエータ６６に信号を送るようにトランジスタ１９２がリレースイッチ９５を操作する圧力として１３３Ｐａ（１torr）に設定するように使用される。
【００５８】
真空リレースイッチ９５が作動した後に真空リレースイッチ９５の作動を停止させるために演算増幅器１９１がトランジスタ１９２を駆動するヒステリシス、すなわち上述した設定ポイント圧力周りの圧力範囲を設定するために、ヒステリシス回路ＩＣ１９６を備えたヒステリシス調整部１９５が使用される。例えば、上述したように真空リレースイッチ９５が１３３Ｐａ（１torr）でターボポンプモードを作動させるように設定されている場合、ヒステリシス調整部１９５は、圧力が６６６Ｐａ（５torr）に上昇するまで真空リレースイッチ９５の作動が停止されるように使用され、これにより演算増幅器１９１およびトランジスタ１９２は１３３Ｐａ（１torr）でまたはその近傍の圧力で真空リレースイッチがオンおよびオフを行き来したり、びびりが起きたりするのを防止する。
【００５９】
四つの抵抗要素２１０、２１２、２１４、２１６を備えるピエゾ差圧センサ２００を、ピエゾブリッジ回路１００の一部として図１６において概略的に回路８０内に示す。二つの抵抗要素２１２、２１４は正圧力を増加させ、二つの抵抗要素２１０、２１６は減少させる。結果的な出力電圧Ｖ０は圧力を示す。演算増幅器２６０はバッファとして機能し、ピエゾブリッジへ電圧を駆動する。演算増幅器２６１、２６２はブリッジポイントにおける差圧を決定し、ノード２６３において大気圧ＰＡとロードロック圧ＰＬとの間の差圧を示すピエゾブリッジ信号を出力する。
【００６０】
アナログ処理回路１０２において、ノード２６３からのピエゾブリッジ回路出力信号はリレー制御回路１０４で使用するために増幅器２７０によって増幅される。零差圧が増幅出力２７２で示されるように、例えば図１５のグラフのように１．５ボルトで示されるように、増幅された圧力を設定するように零調整される。同様に、信号は、図１５のグラフにおいて、増幅された信号が全領域または範囲、例えば−４．０ｋＰａ（−３０torr）における０．０００ボルト〜＋４．０ｋＰａ（＋３０torr）における３．０００ボルトをカバーするように設定されるように２７３において全体的スケールで調整される。これら零スケール調整およびフルスケール調整はオペレータが望んだように手動で行われる。ノード２７２における増幅された電圧信号は図１５に示した信号である。演算増幅器２７４および電位差計２７５はピエゾ温度比較のために使用される。
【００６１】
図１６の回路８０の大気スイッチリレー１０５用のリレー制御回路１０４は、真空スイッチリレー９５に関して説明したリレー制御回路９４と同様に機能する。ノード２７２における増幅されたピエゾ出力信号は、トランジスタスイッチ２８２を「オン」モードまたは「オフ」モードで駆動するように、演算増幅器２８０によって使用され、上述し且つ図３および図４に示したように外部ドア６４アクチュエータ用の制御信号を出力するように大気リレースイッチ１０５を作動させる。図１６に示したように、リレー１０５は、通常開かれている（ＮＯ）接触子と通常閉鎖されている（ＮＣ）接触子との両方を有し、外部ドア６４アクチュエータが如何なる形状をしているかに応じてその一方または両方は外部ドア６４アクチュエータへの出力制御信号として使用される。図１６に示したコネクタ１６内の接続ピン（９）の数が制限されているため、回路８０は、ＮＯまたはＮＣの両方でなく一方がコネクタ１６に設けられるように配設される。例えば、ＮＣモードが使用されている場合、抵抗器２８３は所定位置になければならず、マイクロピラニアナログ処理回路９３の付加的なマイクロピラニ出力リンク９７の抵抗器１９７は取り外されなければならない。これは、これら抵抗器がコネクタ１６のピン６に同時に出力されることができないことによる。もちろん、当業者が可能な範囲内において他の複数のオプションがあり、例えば、多くのコネクタピンを備える長いコネクタ１６は同時に全ての信号を出力するように使用されたり、ＮＯモードおよびＮＣモードの真空スイッチリレーがコネクタ１６のピン２に替わりとして設定されたりする。設定ポイント調整は、演算増幅器２８０およびトランジスタが真空スイッチリレー１０５を作動させる電圧を手動で設定するのに使用され、外部ドア６４を開きたい差圧に対応させる。例えば、差圧が＋１．３ｋＰａ（＋１０torr）、すなわち大気圧Ｐ_Aがロードロック圧Ｐ_Lよりも１．３ｋＰａ（１０torr）小さい場合、設定ポイント調整部２８４はこのような結果を出すように手動で調整される。ヒステリシス回路ＩＣ２８６に関するヒステリシス調整部２８５は、演算増幅器２８０およびトランジスタ２８２がリレー制御信号を大気スイッチリレー１０５に戻さない範囲を設定ポイント差圧から設定する。例えば、大気スイッチリレー１０５への外部ドア６４を開く設定ポイントが−１．３ｋＰａ（−１０torr）である場合、ヒステリシス調整部は、差圧が−６６６Ｐａ（−５torr）に上昇するまで大気スイッチリレー１０５がこの状態を維持するように設定される。この特徴により、演算増幅器２８０およびトランジスタ２８２は大気リレースイッチが迅速にオンおよびオフを行き来したり、びびりが起きたりするのを防止する。
【００６２】
上述した説明は本発明の原理のみを示すものである。さらに、当業者は容易に複数の修正および変更を行うことができるため、上述し且つ図示した正確な構成および処理は本発明を限定しようとするものではない。よって、本発明の範囲内での全ての適切な修正およびそれと同様なことを行うことができる。なお、明細書内で用いられた「具備する」「有する」「含む」「備える」という用語は、特徴、数、構成要素、工程の存在を明確にするようにしているが、一つまたはそれ以上の特徴、数、構成要素、工程またはそれらのグループの存在や付加を排除するものではない。また、圧力に関する「約」という用語は、プラスマイナス１３．３ｋＰａ（１００torr）の範囲を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロードロックチャンバが取付けられた状態で示された本発明の圧力変換器の縮小立面図である。
【図２】図１と同様な圧力変換器の縮小立面図であるが、本発明のセンサおよび変換器取付構造体を示すためにダストカバー、マニホルド、ロードロックチャンバ、および取付構造体の一部が切除されているかまたは断面が示されている。
【図３】ロードロックチャンバを備えた処理チャンバの線図であり、ロードロックチャンバを備えた本発明の小型圧力変換器の使用法を示す。
【図４】本発明の小型圧力変換器用の電子制御回路の機能ブロック線図である。
【図５】本発明の小型圧力変換器用のマニホルドおよび取付ベースの組合せの断面図である。
【図６】図４の断面線６−６に沿ったマニホルドおよび取付ベースの組合せの断面図である。
【図７】回路板構造体の底部パネルに取付けられた絶対圧および差圧センサの底面図であり、図２に沿って図５および図６のマニホルドおよび取付ベースの組合せを備えたセンサのインターフェースを示す。
【図８】本発明の小型圧力変換器の好適な実施形態において使用されるマイクロピラニ絶対圧センサの底面図である。
【図９】図８の取付位置から裏返しにされたマイクロピラニ圧力センサの部分的な構造の図であり、マイクロピラニセンサの構造および作動を示す。
【図１０】図９と同様なマイクロピラニセンサの図である。
【図１１】絶対圧とマイクロピラニセンサおよび電気回路によって生成される電圧信号との間の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の小型圧力変換器の好適な実施形態において用いられるピエゾ差圧センサの拡大図であり、ピエゾ差圧センサがハウジング内に取付けられ且つ収容されている状態を示す。
【図１３】図１２の断面線１３−１３に沿った図１２のピエゾ差圧センサの断面線図である。
【図１４】図１２の断面線１４−１４に沿った図１２のピエゾ差圧センサの断面線図である。
【図１５】差圧とマイクロピラニセンサおよび電気回路によって生成される電圧信号との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明を実行するのに使用される電気回路の概略図である。
【図１７】図１６の左側の部分を拡大した図である。
【図１８】図１６の右上方の部分を拡大した図である。
【図１９】図１６の右下方の部分を拡大した図である。
【符号の説明】
１０…圧力変換器組立体
２０…絶対圧センサ
３０…差圧センサ
４０…マニホルド
６０…ロードロックチャンバ
７０…真空処理チャンバ

Claims

大気圧の空間と圧力が１３３Ｐａ以下に維持された真空処理チャンバ（７０）との間での部品の移送を容易にするロードロック（６０）を制御する差圧・絶対圧変換器（１０）であって、気体を抜くことができるロードロックチャンバ（６１）と、該ロードロックチャンバ（６１）と上記空間との間に配置された外部ドア（６４）と、ロードロックチャンバ（６１）と処理チャンバ（７０）との間に配置された内部ドア（６２）と、外部ドア制御信号に応答して上記外部ドア（６４）を開閉する外部ドアアクチュエータと、内部ドア制御信号に応答して上記内部ドア（６２）を開閉する内部ドアアクチュエータと、ロードロックチャンバ（６１）に連結されると共にロードロックチャンバ（６１）から気体を抜く真空ポンプとを有する、差圧・絶対圧変換器において、
ピラニ絶対圧センサ（１１０）とピエゾ差圧センサ（２００）とを備え、ピラニ絶対圧センサ（１１０）は、並置されたキャビティ（１１６、１６２）の間に配置された薄膜（１１８）及びフィラメント（１７０、１７２）を具備し、これらキャビティ（１１６、１６２）は、薄膜（１１８）及びフィラメント（１７０）から周りの構造体（１１４、１６０）への熱の分子伝導の距離にとって十分に小さく、且つ薄膜（１１８）上になく周囲の構造体（１１４）上にある近接した熱補償フィラメント（１７４、１７６）と共に薄膜（１１８）及びフィラメント（１７０、１７２）周りの熱的境界よりも小さく、ピエゾ差圧センサ（２００）は、可撓性の薄膜（２０８）上になく周囲の構造体（２０４）上のある近接した基準ピエゾ要素（２１４、２１６）と共に可撓性の薄膜（２０８）上にピエゾ要素（２１０、２１２）を具備し、ピラニ絶対圧センサ（１１０）及びピエゾ差圧センサ（２００）は、ロードロックチャンバ（６１）に流体上の関係をもって接続可能なマニホルド（４０）にシールされた状態で取り付けられ、これによりピラニ絶対圧センサ（１１０）及びピエゾ差圧センサ（２００）はロードロックチャンバ（６１）内の圧力に曝されることが可能であると共に、ピラニ絶対圧センサ（１１０）及びピエゾ差圧センサ（２００）によって圧力計測を行う電気回路（８０）に電気的に接続されて外部ドア制御信号及び内部ドア制御信号を発生させる、差圧・絶対圧変換器。
上記ピラニ絶対圧センサ（１１０）は絶対圧センサ組立体（２０）に取り付けられ、ピエゾ差圧センサ（２００）は差圧センサ組立体（３０）に取り付けられ、これら組立体はプリント回路板（１２２）のパネル（１７）に一体的に取り付けられ且つ電気的に接続され、プリント回路板のパネル（１７）は、ピラニ絶対圧センサ（１１０）及びピエゾ差圧センサ（２００）をマニホルド（４０）にシールするような態様でマニホルド（４０）に取り付けられる、請求項１に記載の差圧・絶対圧変換器。
上記マニホルド（４０）内の二つのダクト（５２、５４）を備え、これら二つのダクトは頂面（４１）から流体上の関係をもってマニホルド（４０）内の開口（５０）まで延び、該開口（５０）は流体上の関係をもってロードロックチャンバ（６１）と接続可能であり、上記プリント回路板（１２）は、絶対圧センサ組立体（２０）がダクトの一方（５２）と整列し、差圧センサ組立体（３０）がダクトの他方（５４）と整列した状態で、絶対圧センサ組立体（２０）と差圧センサ組立体（３０）とがプリント回路板（１２）と頂面４１との間に配置されるような態様で、マニホルド（４０）の頂面（４１）にネジで連結される、請求項１又は２に記載の差圧・絶対圧変換器。
上記ダクトの一方（５２）の周りに配置されると共に、プリント回路板（１２）上の絶対圧センサ組立体（２０）とマニホルド（４０）の頂面（４１）との間で締め付けられるＯリングシール（４８）を備える、請求項３に記載の差圧・絶対圧変換器。
上記ダクトの一方（５４）の周りに配置されると共に、プリント回路板（１２）上の差圧センサ組立体（３０）とマニホルド（４０）の頂面（４１）との間で締め付けられるＯリングシール（４９）を備える、請求項３に記載の差圧・絶対圧変換器。
上記プリント回路板（１２）はマニホルド（４０）の頂面（４１）とほぼ平行に延びるパネル（１７）を備え、絶対圧センサ組立体（２０）及び差圧センサ組立体（４０）は上記パネル（１７）に取り付けられ、該パネル（１７）内の導電性トレースは差圧センサ組立体３０を差圧変換回路に接続し、上記パネル（１７）内の導電性トレースは絶対圧センサ組立体（２０）を絶対圧変換回路に接続し、上記パネル（１７）を通って延びるネジは差圧センサ組立体及び絶対圧センサ組立体（２０、３０）を備えたプリント回路板（１２）をマニホルド（４０）に接続する、請求項１に記載の差圧・絶対圧変換器。
上記キャビティ（１１８、１６２）の圧力がキャビティ（１１８、１６２）外の圧力変化と同時に変化するように、上記薄膜（１１８）上のキャビティ（１６２）が孔（１６１）によってマニホルド（４０）内の圧力に接続され、上記薄膜（１１８）の下方のキャビティ（１１６）が一つまたはそれ以上の孔（１１９）によって該薄膜（１１８）上のキャビティ（１６２）に流体的に接続され、上記孔（１１９、１６１）はキャビティ（１１６、１６２）内の気体分子の対流気流が事実上生じることのないほど小さい、請求項１に記載の差圧・絶対圧変換器。