JP4437336B2 - 静電容量型真空センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度変化に起因する測定誤差を抑え、センサの測定精度を向上させることを目的とした静電容量型真空センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品や半導体製品を製造する過程においては、真空装置内で薄膜を形成したりあるいはエッチングするプロセスは不可欠である。この際に、真空装置内圧力は、一定に保たれながらプロセスが進められるのが普通であるが、真空装置内の圧力測定手段としては、静電容量型真空センサがしばしば用いられる。図２に従来の温度制御機能付き静電容量型真空センサの一例を示す。静電容量型真空センサは、センサ内部に基準圧力となる部屋（基準圧力室１）を設け、この基準圧力室１は、真空装置２に連通する領域３とダイヤフラム電極４で仕切られており、このダイヤフラム電極４（弾性隔膜）に対向して固定電極５が配置されている。前記基準圧力室１と真空装置２に連通する領域３との間に圧力差があるとダイヤフラム電極４は圧力差に応じて変位するが、ダイヤフラム電極４と固定電極５間の静電容量は両者の距離に反比例するので、導線９を通してこれらの電気情報を電気回路７に伝え、静電容量を電圧あるいは電流に変換してセンサ外に出力することで圧力を測定することができる。しかしながら、ダイヤフラム電極４が変位する要因は、真空装置内の圧力だけではなく、ダイヤフラム電極４とその周辺材料の熱膨張係数が異なるために、センサの温度変化とともにダイヤフラム電極４に微量な変位が生じ、圧力測定に誤差を発生させる。そこで、従来の高精度型の静電容量型真空センサは、内部に加熱部６を設け、センサ温度を一定に保ちながら温度変化に起因する測定誤差を防いでいるが、加熱部６はダイヤフラム電極４及び固定電極５を包括するように外側から加熱し、固定電極５近傍に設置した温度測定部８により温度を測定し、センサ内部全体を一定温度に保つ構造となっている。また、加熱部６の外側には断熱材１０を配置し、加熱部６の熱がセンサケース１１へ伝導して高温になるのを防いでいる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
静電容量型真空センサの温度変化に起因する測定誤差を抑える手段として、センサ内部を一定温度に加熱・保存することによりセンサの測定精度は向上した。原理的には、センサ内部のダイヤフラム電極（弾性隔膜）と固定電極、そしてそれらを支えている支持部のみを均一に加熱・保温し、周辺温度の変化がこれらの部分の機械的変形に影響を及ぼさないようにすれば温度変化による測定誤差の問題は解決することができる。しかしながら、前記従来の真空センサでは、これらのダイヤフラム電極（弾性隔膜）や固定電極は機械的加工によって製造されるために小型化や複雑な形状の加工が難しく、したがって、これらの大きい部品を均一の温度に加熱・保温するためにはこれらを全体的に包み込むように加熱手段を配置して外部から加熱する必要がある。その結果、被加熱部の熱容量が大きくなるために昇温時間が長くなり、またセンサ温度を一定に制御している状態でも、センサの急激な温度変化に対して即反応することができない問題点があり、また安定した圧力測定ができるまでに数時間かかり、そのために多くの時間と電力を費す問題点があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は熱容量の小さい導電性薄膜からなるダイヤフラム電極を基板に固定して固定電極に対向させると共に、前記ダイヤフラム電極の周辺を一定温度に制御すべく温度制御手段を設けることにより前記従来の問題点を解決したのである。
【０００５】
即ち本発明は内部に空間を隔てて対向する一対のダイヤフラム電極と固定電極とを基板に配置し、前記ダイヤフラム電極と対向する固定電極との間の静電容量の変化から圧力を測定する真空センサにおいて、前記ダイヤフラム電極および前記固定電極が配置されている前記基板上にダイヤフラム電極周辺を一定温度にする為の温度制御手段を設けたことを特徴とする静電容量型真空センサである。また、他の発明は内部に空間を隔てて対向する一対のダイヤフラム電極と固定電極とを基板に配置し、前記ダイヤフラム電極と対向する固定電極との間の静電容量の変化から圧力を測定する真空センサにおいて、前記ダイヤフラム電極および前記固定電極が配置されている前記基板上にダイヤフラム電極周辺を一定温度にする為の温度制御手段を設けると共に、前記真空センサの圧力検出部を複数本の線材で支持したことを特徴とする静電容量型真空センサである。前記において、温度制御手段は、基板上に発熱層と温度測定層を形成したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、弾性隔膜（ダイヤフラム電極）によって複数の領域を空間的に仕切り、前記仕切られた領域の一つあるいは複数の領域内の圧力が変化したとき、前記ダイヤフラム電極で仕切られた複数の部屋内の圧力差に応じて、前記ダイヤフラム電極が変位するので、その変位量を前記ダイヤフラム電極に対向して設けられた固定電極との間の静電容量の変化としてとらえ、これから圧力を測定する方式の真空センサにおいて、前記ダイヤフラム電極および固定電極が形成されている基板上に加熱手段と温度測定手段とを設置し、前記ダイヤフラム電極および固定電極が形成されている基板全体を加熱して温度を一定に制御し、前記ダイヤフラム及び固定電極が形成されている基板の周辺を断熱構造にすることにより、その周辺への熱伝導を抑え、前記ダイヤフラム電極及び固定電極が形成されている基板の昇温時間の短縮化と温度制御性の向上、省電力化を行うことができるように構成したことを特徴とする静電容量型真空センサである。
【０００７】
本発明によれば、前記昇温時間は短縮し、温度制御性の向上によってセンサの精度を著しく向上することができる。
【０００８】
【実施例】
本発明の実施例を図１に基づいて説明する。図１にある静電容量型真空センサは、例えば半導体製造プロセス技術を応用して作製されたものであり、圧力検出部（主に、図中のガラス基板１３とＳｉ基板１２を合わせた構造体）の大きさは数ｍｍ〜数１０ｍｍ程度、厚さは１ｍｍ程度である。
【０００９】
図中の２は、内部の圧力測定を行う真空装置であり、ゲージポートやフランジポート（図中１７）に本真空センサを取り付けて使用する。３は、真空装置２に連通する領域であり、この領域の圧力は、真空装置２の圧力にほぼ等しい。１は基準圧力室で、ダイヤフラム電極１４が形成されているＳｉ基板１２と固定電極１５が形成されているガラス基板１３に挾まれた領域で、高真空圧力に封止されている。
【００１０】
前記ダイヤフラム電極１４は、真空装置２に連通する領域３と接触しており、該領域３の圧力が変化するとそれに応じて、ダイヤフラム電極１４を押す力も変化し、その変化量に応じて、ダイヤフラム電極１４とそれに対向する位置にある固定電極１５との距離は変位する。
【００１１】
前記ダイヤフラム電極１４と固定電極１５の間に電圧を印加した場合、両電極間の静電容量は、ダイヤフラム電極１４と固定電極１５間の距離に反比例することから、真空装置２の内部の圧力は、前記両電極間の静電容量から求めることができる。
【００１２】
ここで、ダイヤフラム電極１４を有するＳｉ基板１２と、固定電極１５を有するガラス基板１３の構造について説明する。
【００１３】
前記ダイヤフラム電極１４を有するＳｉ基板１２と、固定電極１５を有するガラス基板１３は、それぞれ、厚さ０．４ｍｍのシリコンウェハーと厚さ１ｍｍのパイレックスガラス（コーニング社製）である。但し、シリコンウェハーと同じ、あるいは非常に近い熱膨張係数を持つガラス等の材料であれば、その限りではない。
【００１４】
前記ダイヤフラム電極１４は、通常、半導体産業の微細加工で使用されているドライエッチング等の技術により容易に形成される。ダイヤフラム電極１４の厚みは、５μｍである。
【００１５】
また、固定電極１５は、通常、スパッタリング、または蒸着などの真空を利用した薄膜技術によって形成され、ここではＡ１（アルミニウム）を使用している。
【００１６】
前記ダイヤフラム電極１４を有するＳｉ基板１２と、固定電極１５を有するガラス基板１３は、両電極間が、７μｍになるように微細加工され、陽極接合技術により接合される。
【００１７】
次に、図中のガラス基板１３上に形成される発熱層１６、および温度測定層１８について説明する。
【００１８】
前記発熱層１６は、例えば、ニクロム系、タンタル系等の発熱材料からなり、スパッタリング、または蒸着等の真空を利用した薄膜技術とドライエッチング等による微細加工技術によって、基板上に均一に直接形成される。発熱層１６の厚みは、約数μｍであり、これにより、ダイヤフラム電極１４の周辺の空間は、約５０℃〜２００℃の温度範囲で加熱される。
【００１９】
また発熱層１６の上には、加熱温度を測定するために、抵抗値と温度の関係を利用したＳｉＣなどの抵抗体、または、熱起電力と温度の関係を利用した金属材料からなる温度測定層１８が形成されている。温度測定層１８は発熱層１６と同様の薄膜技術、及び微細加工技術で形成され、導線９を介して電気回路７に出力し、モニターできる構造をしている。前記導線９は、真空センサを支持する支持体の役割も兼ねている。
【００２０】
導線９は、固定電極１５、発熱層１６、及び温度測定層１８に接触する各種導線があり、そのため、少なくても３点以上で支持されることになる。また、導線９は、数ミリオーダーの長さであるため、約１０ミリ角の圧力検出部（Ｓｉ基板１２とガラス基板１３の接合体）を支持するには充分の強度と振動等に対する安定性を備える。
【００２１】
このような形態を採ることで、導線９を介しての熱伝導以外に周辺構造から熱的影響を受けることがなくなるため、真空中に隔絶した形で固定された圧力検出部は、優れた断熱構造を有することになる。
【００２２】
従って、従来型に比べ、小型で熱容量が格段に小さい、本発明による静電容量型真空センサでは、圧力測定が可能となる安定化時間の短縮化と温度制御性の向上が図られる。
【００２３】
図３は、従来型静電容量型真空センサの圧力検出部の出力電圧の変動を示す。測定は、圧力変化の要因を除くため、一定の減圧下で行い、加熱温度を５０℃にした。図は、本来、圧力変化が無いため、センサの出力電圧に変動はなく、一定となるはずであるが、加熱後、熱的要因により、センサの出力電圧が、上下変動の振幅を狭めながらも、安定化するまで２時間以上を要していることを示している。
【００２４】
一方、本発明による静電容量型真空センサによれば、上記安定化時間が約１／１００程度に短縮され、加熱後、約２分以内でセンサの出力電圧が一定となることが確認された。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の温度制御機能付き静電容量型真空センサによれば、大きさ数ｍｍから数十ｍｍ程度、厚さ１ｍｍ程度のものが実現できるので、著しく小型化し得る効果がある。更に本発明のセンサは真空内に設置されるためにセンサからの放熱は細い導線や希薄な周辺ガスへの熱伝導や熱輻射だけなので、優れた断熱構造となり、保温性にも優れているなどの諸効果がある。従ってセンサ自体の熱容量も、従来の静電容量型真空センサより格段に小型になる為に、省電力での加熱、昇温時間の短縮、急激なセンサの温度変化に対する迅速なセンサ温度制御が可能で、特別な機構によらなくても均一加熱ができるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の一部を省略した説明図。
【図２】従来の静電容量型真空センサの構造の説明図。
【図３】同じく出力電圧の変動グラフ。
【符号の説明】
１ 基準圧力室
２ 真空装置
３ 真空装置に連通する領域
４、１４ ダイヤフラム電極
５、１５ 固定電極
６ 加熱部
７ 電気回路
８ 温度測定部
９ 導線
１０ 断熱材
１１ センサケース
１２ Ｓｉ基板
１３ ガラス基板
１６ 加熱層
１７ フランジポート
１８ 温度測定層

Claims (2)

1. 真空空間の圧力を測定する静電容量型真空センサにおいて、
   一の基板に設けられたダイアフラム電極と、
   他の基板に設けられた前記ダイアフラム電極に対向する第一の面に設けられた固定電極と、
   前記他の基板の前記第一の面の反対側の第二の面に設けられた発熱層と、
   前記発熱層の前記第二の面の反対側の第三の面に設けられた温度測定層と、を有する真空センサ部を有し、
   更に、前記真空空間に連通するセンサケースと、前記固定電極に接触固定した第一の導線と、前記発熱層に接触固定した第二の導線と、前記温度測定層に接触固定した第三の導線と、を有し、
   前記真空センサ部が前記センサケースの内部に、前記第一の導線、第二の導線及び第三の導線により中空支持されていることを特徴とする静電容量型真空センサ。
2. 前記発熱層と前記温度測定層は温度制御手段を構成することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型真空センサ。

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