JP4903029B2 - ピラニ真空計および圧力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピラニ真空計および圧力測定方法に関するものである。

細い金属線からなるフィラメント（電気抵抗体）を備え、フィラメントと気体との熱交換によるフィラメントの熱損失量から気体の圧力を測定するピラニ真空計が広く知られている。ピラニ真空計は、気体がフィラメントから奪う熱量Ｑｇを、フィラメントに熱量を補充しつつ測定するものである。ただし、実際にフィラメントに加える熱量は、気体によって奪われる熱量Ｑｇだけではなく、フィラメント両端のリード線から流出する熱量Ｑｃ、およびフィラメントから輻射によって流出する熱量Ｑｒの和になる。

ピラニ真空計によって測定可能な圧力範囲は１０^−１〜１０^４Ｐａ程度であるが、この圧力範囲の拡大が望まれている。
測定可能な圧力範囲の上限は、気体の平均自由工程λとフィラメントの半径ｒとの比λ／ｒに比例することが確認されている。したがって、フィラメントの半径ｒを小さくすることにより、測定可能な圧力範囲の上限を引き上げることができる。

また測定可能な圧力範囲の下限は、フィラメント両端のリード線から流出する熱量Ｑｃ、および輻射によって流出する熱量Ｑｒの影響を受ける。低圧の気体がフィラメントから奪う熱量Ｑｇは非常に小さいので、流出熱量Ｑｃ，Ｑｒが大きいと熱量Ｑｇの測定が困難になるからである。これらの流出熱量Ｑｃ，Ｑｒを小さくするには、フィラメントの半径Ｒを小さくすることが有効である。

そこで特許文献１には、フィラメントを巻き線とする技術が提案されている。これによりフィラメントの端子間の距離が小さくなって機械的強度が向上するので、フィラメントの半径Ｒを小さくすることが可能になり、測定可能な圧力範囲の上限を引き上げるとともに、下限を引き下げることができるとされている。
特開平７−１２０３３９号公報

しかしながら、ピラニ真空計には、測定可能な圧力範囲のさらなる拡大が望まれている。また、ピラニ真空計には圧力測定精度の向上が望まれている。
そこで本発明は、測定可能な圧力範囲の拡大が可能であり、また圧力測定精度の向上が可能なピラニ真空計の提供を課題とする。
また、処理装置内の圧力を簡単かつ低コストで測定することが可能な圧力測定方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るピラニ真空計は、気体と熱交換を行う電気抵抗体を備え、前記電気抵抗体の熱損失量から前記気体の圧力を測定するピラニ真空計であって、前記電気抵抗体を表面に配置して、基板の穴部を跨ぐように形成された浮膜と、前記浮膜を囲むように前記基板の表面に形成された周辺膜と、前記電気抵抗体が配置された側における前記周辺膜の表面に形成され、該電気抵抗体の周辺温度の変化を補償する温度補償体と、前記浮膜の中心を挟んで対称に配置され、前記浮膜の外周を前記周辺膜に連結する一対の連結膜と、を備え、前記電気抵抗体の両端部が、前記一対の連結膜の表面を通って、前記周辺膜の表面に形成された電極に引き出され、前記電気抵抗体と前記温度補償体との間における前記周辺膜の表面に、溝部が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、電気抵抗体を薄膜化することが可能になり、測定可能な圧力範囲を拡大することができる。また、電気抵抗体を浮膜の表面に配置したので、電気抵抗体から基板への熱流出を抑制することが可能になり、浮膜の外周を連結膜により周辺膜に連結したので、電気抵抗体から周辺膜への熱流出を抑制することが可能になる。これらにより、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。さらに、電気抵抗体の両端部が、浮膜の中心を挟んで対称に配置された一対の連結膜の表面を通って、周辺膜の表面に形成された電極に引き出されている。これにより、電気抵抗体と浮膜との熱膨張率が異なっても、電気抵抗体を対称に熱変形させることが可能になる。したがって、圧力測定精度を向上させることができる。

また、この構成によれば、電気抵抗体から周辺膜への熱流出を抑制することが可能になり、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。

また、この構成によれば、電気抵抗体から温度補償体への熱伝達を抑制することが可能になり、温度補償体の温度変化を防止することができる。したがって、電気抵抗体の周辺温度の変化を確実に補償することが可能になり、圧力測定精度を向上させることができる。

また前記電気抵抗体は、Ｐｔ、ＮｉＣｒまたはＷを主成分とする材料で形成されていることが望ましい。
これらの温度係数が高い材料で電気抵抗体を形成することにより、圧力測定精度を向上させることができる。

また前記電気抵抗体と前記浮膜との間に、ＣｒまたはＴｉを主成分とする密着層が設けられていることが望ましい。
この構成によれば、電気抵抗体と浮膜との密着性を向上させることができる。

また前記浮膜、前記連結膜および前記周辺膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とする材料で形成されていることが望ましい。
これらの熱伝導率が低い材料で浮膜、連結膜および周辺膜を形成することにより、電気抵抗体から浮膜、連結膜および周辺膜への熱流出を抑制することが可能になる。したがって、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。

また前記基板は、シリコンを主成分とする材料で形成されていることが望ましい。
この構成によれば、基板の穴部の形成プロセスを簡略化することができる。

一方、本発明に係る圧力測定方法は、上述したピラニ真空計を被処理基板上に搭載し、前記被処理基板を処理装置内に導入して、前記処理装置内の圧力を測定することを特徴とする。
この構成によれば、処理装置の改造を伴うことなく、処理装置内の圧力を簡単かつ低コストで測定することができる。

また、前記被処理基板上に複数の前記ピラニ真空計を搭載して、前記被処理基板上における圧力分布を測定することが望ましい。
この構成によれば、被処理基板上における圧力分布を簡単かつ低コストで測定することができる。

本発明に係るピラニ真空計によれば、電気抵抗体を薄膜化することが可能になり、測定可能な圧力範囲を拡大することができる。また、電気抵抗体からの熱流出を抑制することが可能になり、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。さらに、電気抵抗体を対称に熱変形させることが可能になり、圧力測定精度を向上させることができる。
本発明に係る圧力測定方法によれば、処理装置の改造を伴うことなく、処理装置内の圧力を簡単かつ低コストで測定することができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本実施形態に係るピラニ真空計の使用形態の説明図であり、図３のＡ−Ａ線に相当する部分における断面図である。図１に示すように、本実施形態に係るピラニ真空計１０は、真空チャンバの壁面２の開口部２ａに配置して使用される。その開口部２ａを外側から塞ぐように、Ｏリング３を介してフランジ４が配置されている。そのフランジ４の内面中央部にピラニ真空計１０が装着され、フランジ４の周縁部に複数の貫通電極６が立設されている。

ピラニ真空計１０は、フィラメントに相当する電気抵抗体４０が形成されたセンサ部２０と、センサ部２０の表面を覆う第１カバー部１２と、センサ部２０の裏面を覆う第２カバー部１８とを備えている。センサ部２０には、電気抵抗体４０に通電するための電極４２が形成されている。この電極４２は、ワイヤ７により貫通電極６の内側端部と接続されている。その貫通電極６の外側端部は、後述するブリッジ回路に接続されている。

図２は、本実施形態に係るピラニ真空計の分解斜視図である。上述したように、本実施形態に係るピラニ真空計１０は、電気抵抗体４０が形成されたセンサ部２０と、センサ部２０の表面を覆う第１カバー部１２と、センサ部２０の裏面を覆う第２カバー部１８とを備えている。

センサ部２０は基板２２を備えている。基板２２の中央には、貫通孔２４（図１参照）が形成されている。その貫通孔を跨ぐように、図２に示す基板２２の表面に、電気絶縁膜３０が形成されている。電気絶縁膜３０の表面には、電気抵抗体４０と、電気抵抗体４０に通電するための電極４２（４２ａ，４２ｂ）とが形成されている。また電気絶縁膜３０の表面の周辺には、Ａｕ膜からなる封止膜２８が形成されている。封止膜２８の厚さは、例えば２００ｎｍ程度に形成されている。

第１カバー部１２は、シリコン基板で形成されている。第１カバー部１２には、センサ部２０の電極４２ａ，４２ｂを露出させるための切り欠き１３，１４が形成されている。また第１カバー部１２の裏面の周辺には、凸部１７が形成されている。この凸部１７の先端面に形成された封止膜（不図示）が、センサ部２０の表面に形成された封止膜２８に接合されて、第１カバー部１２がセンサ部２０に固定されている。これにより、センサ部２０の中央に形成された電気抵抗体４０が、第１カバー部１２によって覆われている。

一方、第１カバー部１２の裏面の中央から周辺にかけて、凹部１６が形成されている。これにより、圧力を測定すべき気体（以下「被測定ガス」という。）を、第１カバー部１２の周辺から中央に流入させて、センサ部２０の電気抵抗体４０に接触させることができるようになっている。

第２カバー部１８は、シリコン基板で形成されている。第２カバー部１８の表面の全体には、封止膜１９が形成されている。この封止膜１９が、センサ部２０の裏面に形成された封止膜（不図示）に接合されて、第２カバー部１８がセンサ部２０に固定されている。これにより、センサ部２０の基板２２に形成された貫通孔が、第２カバー部１８によって覆われている。

（センサ部）
図３はセンサ部の平面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線における断面図である。図４に示すように、センサ部２０は、シリコンや石英等の熱伝導率が低い材料からなる基板２２を備えている。基板２２は平面視略正方形状とされ、その一辺は例えば５ｍｍ程度に形成されている。また基板２２の厚さは、例えば５００±２５μｍ程度に形成されている。基板２２の中央部には、平面視矩形状の貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４は、基板２２の裏面から表面にかけて開口面積が小さくなるように、テーパ状に形成されている。

基板２２の表面には、電気絶縁膜３０が形成されている。電気絶縁膜３０の構成材料として、酸化シリコンや窒化シリコン等の熱伝導率が低い材料を採用することが望ましい。電気絶縁膜３０の厚さは、例えば１〜２μｍ程度に形成されている。基板２２の貫通孔２４を跨ぐように電気絶縁膜３０が配置されて、浮膜（メンブレン）３２が形成されている。その浮膜３２を囲むように、基板２２の表面に電気絶縁膜３０が配置されて、周辺膜３６が形成されている。浮膜３２と周辺膜３６との間には、基板２２の貫通孔２４に連通するスリット３１が設けられている。

図３に示すように、浮膜３２は、貫通孔２４と相似の長方形状に形成され、貫通孔２４の中央部に配置されている。浮膜３２の大きさは、例えば短辺が３００μｍ以下、長辺が１５５０μｍ以下、短辺と長辺との比率が１：５程度に形成されている。その浮膜３２の外周を周辺膜３６に連結するため、スリット３１を横断するように電気絶縁膜が配置されて、連結膜３４，３５が形成されている。具体的には、浮膜３２の中心を挟んで長辺方向の両側に、一対の第１連結膜３４が形成されている。第１連結膜３４は、浮膜３２の短辺の中央部に配置されている。第１連結膜３４の大きさは、例えば幅１００μｍ程度、長さ５００μｍ程度に形成されている。また、浮膜３２の中心を挟んで短辺方向の両側に、一対の第２連結膜３５が形成されている。第２連結膜３５は、浮膜３２の長辺の中央部に配置されている。

浮膜３２の表面には、電気抵抗体４０が形成されている。電気抵抗体４０は、通電によりジュール熱を発生する金属材料により、細線状に形成されている。特に、電気抵抗体４０の構成材料として、ＰｔやＮｉＣｒ、Ｗ等の温度係数（単位温度あたりの電気抵抗値の変化量）の高い材料を採用すれば、ピラニ真空計の測定精度を向上させることができる。電気抵抗体４０は、例えば膜厚が２００〜４００ｎｍ、線幅が１０〜２０μｍ、抵抗値が１００〜１５０Ωに形成されている。なお電気抵抗体４０と浮膜３２との密着性を確保するため、両者間に密着層を形成することが望ましい。密着層は、ＣｒやＴｉ等の金属材料で構成することが可能である。

電気抵抗体４０は、上述した金属材料からなる細線を、蛇腹状にパターニングして形成されている。蛇腹状とすることにより細線の長さが増加するので、電気抵抗体４０の抵抗値を調整することが可能になり、また被測定ガスとの熱交換を行う表面積を確保することが可能になる。なお蛇腹状とする代わりに、後述する温度補償体５０と同様のつづら折り状としてもよい。電気抵抗体４０は、蛇腹の延在方向を浮膜３２の長辺方向に略一致させて配置されている。また電気抵抗体４０の外形と同等の大きさに浮膜３２が形成され、電気抵抗体４０の面積に対する浮膜３２の面積の割合が小さくなっている。

電気抵抗体４０の両端部には、連結配線４４が形成されている。連結配線４４は、一対の第１連結膜３４の表面を通って、周辺膜３６の表面に形成された電極４２（４２ａ，４２ｂ）に引き出されている。この電極４２から、連結配線４４を介して、電気抵抗体４０に通電しうるようになっている。

電気抵抗体４０に被測定ガスが接触すると、熱交換が行われる。被測定ガスが電気抵抗体４０から奪う熱量Ｑｇは、次式で表される。
Ｑｇ＝Ｋｃ（Ｔｆ−Ｔｗ）Ｐ＝Ｉ^２Ｒ ・・・ （１）
ただし、Ｋｃは被測定ガスにより輸送される熱量の熱伝導係数、Ｔｆは電気抵抗体４０の温度、Ｔｗは電気抵抗体４０の周辺温度（室温）、Ｐは被測定ガスの圧力、Ｉは電気抵抗体４０を流れる電流、Ｒは電気抵抗体４０の抵抗値である。

数式（１）によれば、被測定ガスが電気抵抗体４０から奪う熱量Ｑｇは、被測定ガスの圧力Ｐに比例することがわかる。また電気抵抗体４０の抵抗値Ｒは、電気抵抗体４０の温度Ｔｆに略比例するので、Ｔｆが一定となるように電流Ｉを制御すれば、抵抗値Ｒも一定となる。その結果、電流Ｉから被測定ガスの圧力Ｐを算出することができる。

ところで、数式（１）において電気抵抗体の周辺温度Ｔｗが変化すると、電流Ｉから被測定ガスの圧力Ｐを算出することが困難になる。そこで、電気抵抗体の周辺温度Ｔｗの変化を補償するため、温度補償体５０が採用されている。温度補償体５０は、ある圧力ポイントでピラニ真空計の温度変化による影響を０にするものである。

図３に示すように、温度補償体５０は、電気抵抗体４０に隣接して周辺膜３６の表面に形成されている。温度補償体５０は、電気抵抗体４０と同じ材料により細線状に形成されている。ただし、後述するように温度補償体５０の抵抗値は電気抵抗体４０より高く設定する必要がある。そのため温度補償体５０はつづら折り状に形成され、細線の長さを長くすることによって温度補償体５０の抵抗値が確保されている。
温度補償体５０の一方端部は、周辺膜３６の表面に形成された電極５２に接続されている。また温度補償体５０の他方端部は、電気抵抗体４０の一方の電極４２ａに接続されている。これにより電極４２ｂは、電気抵抗体４０および温度補償体５０の共通電極として機能する。

図５は、ピラニ真空計のブリッジ回路図である。上述した電気抵抗体４０および温度補償体５０は並列接続されている。そして、それぞれの電極４２ａ，５２間の電位差Ｖが０となるように、電気抵抗体４０を流れる電流Ｉを制御する。温度補償体５０の抵抗値は電気抵抗体４０より非常に高く設定されているので、温度補償体５０を流れる電流は微小になり、温度補償体５０の温度および抵抗値はほとんど変化しない。ここで電位差Ｖを０とするためには、電気抵抗体４０の周辺温度Ｔｗの変化量に合わせて、温度Ｔｆを変化させることになる。したがって、Ｔｆ−Ｔｗが一定となり、周辺温度の変化が補償されるようになっている。

ところが、温度補償体５０の温度は、電気抵抗体４０からの熱伝達によって変化するおそれがある。図３に示すように、電気抵抗体４０において発生した熱は、浮膜３２、連結膜３４，３５および周辺膜３６を経て温度補償体５０に伝達される。そこで本実施形態では、電気抵抗体４０と温度補償体５０との間における周辺膜に、溝部３９が形成されている。溝部３９の大きさは、例えば幅２００μｍ、長さ４００μｍ程度に形成されている。これにより、電気抵抗体４０から温度補償体５０への熱伝達を抑制することが可能になり、温度補償体５０の温度変化を防止することができる。したがって、電気抵抗体４０の周辺温度の変化を確実に補償することが可能になり、圧力測定精度を向上させることができる。

（製造方法）
次に、本実施形態に係るピラニ真空計の製造方法につき、図６ないし図９を用いて説明する。図６ないし図９は、ピラニ真空計のセンサ部の製造工程図である。
ここでは、素子の数μｍレベルの微細化に有利な電気機械システム（Micro Electro Mechanical System；ＭＥＭＳ）技術を用いて、マイクロピラニセンサを形成する。ＭＥＭＳ技術とは、金属の蒸着やスパッタリング法などを用いる成膜技術や、基板上に数μｍレベルのパターンを作製することができるリソグラフィ技術、さらには金属や半導体、酸化物などの膜を酸性やアルカリ性の薬液や、気体の放電現象により発生するイオンの化学反応を用いて、部分的に取り除くエッチング技術などを用いて、３次元構造の素子を基板上に多数作製するものである。

まず図６（ａ）に示すように、基板２２の表面に電気絶縁膜３０を形成するとともに、基板２２の裏面にも電気絶縁膜６０を形成する。ＳｉＯ_２からなる電気絶縁膜３０，６０は、シリコン基板２２を熱酸化することによって形成することが可能である。またＳｉＮからなる電気絶縁膜３０，６０は、蒸着法やＣＶＤ法等によって形成することが可能である。次に、電気絶縁膜３０の表面全体にレジスト７０を形成する。さらにフォトリソグラフィ技術（露光および現像）により、電気抵抗体、温度補償体およびそれらの電極の形成領域に存在するレジスト７０を除去して、凹部７１を形成する。

次に図６（ｂ）に示すように、基板２２の表面全体にＰｔ／Ｃｒ膜４０ａを形成する。Ｐｔ／Ｃｒ膜４０ａは、密着層となる下層のＣｒ層と、電気抵抗体となる上層のＰｔ層で構成される。Ｐｔ／Ｃｒ膜４０ａは、スパッタ法等を用いて、凹部７１の内部およびレジスト７０の表面全体に形成する。

次に図６（ｃ）に示すように、レジスト７０を剥離する。レジスト７０の剥離は、プラズマアッシング装置等を用いたドライプロセスまたはレジスト剥離液等を用いたウエットプロセスによって行うことが可能である。このレジスト７０の剥離とともに、レジスト７０に積層されたＰｔ／Ｃｒ膜４０ａを除去する（いわゆるリフトオフ）。これにより、凹部７１の内部に形成されたＰｔ／Ｃｒ膜４０ａが電気絶縁膜３０の表面に残り、電気抵抗体４０が形成される。なお電気抵抗体４０と同時に、温度補償体および各電極（いずれも不図示）が形成される。

次に図６（ｄ）に示すように、電気絶縁膜３０の表面全体にレジスト７４を形成する。さらにフォトリソグラフィ技術により、封止膜の形成領域に存在するレジスト７４を除去して、凹部７５を形成する。
次に図７（ａ）に示すように、凹部７５の内部およびレジスト７４の表面全体に、スパッタ法等によりＡｕ膜２８ａを形成する。
次に図７（ｂ）に示すように、レジスト７４を剥離するとともに、レジスト７４に積層されたＡｕ膜２８ａを除去する。これにより、凹部７５の内部に形成されたＡｕ膜２８ａが電気絶縁膜３０の表面に残り、封止膜２８が形成される。

次に図７（ｃ）に示すように、基板２２の表面にレジスト７８を形成する。ここでは、基板２２の裏面にもレジスト７８を形成しておく。次に、基板２２の表面に形成されたレジスト７８を露光および現像して、浮膜を囲むスリットおよび溝部の形成領域に凹部７９を形成する。次に、このレジスト７８をマスクとして、電気絶縁膜３０のエッチングを行う。このエッチング処理は、ＣＦ_４等のフルオロカーボンガスをエッチャントとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等により行うことが可能である。
これにより、図７（ｄ）に示すように、電気絶縁膜３０にスリット３１が形成される。このスリット３１により、浮膜３２が周辺膜３６から分離され、浮膜３２の外周が連結膜（不図示）により周辺膜３６に連結された状態になる。なおスリット３１と同時に、電気抵抗体４０と温度補償体（不図示）との間に溝部（不図示）が形成される。その後、レジスト７８を剥離する。

次に図８（ａ）に示すように、基板２２の表面および裏面にレジスト８０を形成する。次に、基板２２の裏面に形成したレジスト８０を露光および現像して、基板２２の貫通孔の形成領域に凹部８１を形成する。次に、このレジスト８０をマスクとして、電気絶縁膜６０のエッチング処理を行う。
これにより、図８（ｂ）に示すように、基板２２の貫通孔の形成領域に存在する電気絶縁膜６０が除去されて、凹部６１が形成される。その後、基板２２の表面のレジスト８０を残して、裏面のレジスト８０のみを剥離する。

次に図８（ｃ）に示すように、基板２２の裏側における電気絶縁膜６０の凹部６１の内部に、レジスト８４を充填する。なお基板２２の裏面全体にレジスト８４を形成しておき、フォトリソグラフィ技術を用いて、電気絶縁膜６０の表面に存在するレジストのみを除去してもよい。
次に図９（ａ）に示すように、基板２２の裏面全体に、スパッタ法等によりＡｕ膜２９ａを形成する。
次に図９（ｂ）に示すように、レジスト８４を剥離するとともに、レジスト８４に積層されたＡｕ膜２９ａを除去する。これにより、電気絶縁膜６０の表面のみにＡｕ膜２９ａが残り、封止膜２９が形成される。

次に図９（ｃ）に示すように、封止膜２９をマスクとして、基板２２をウエットエッチングする。なお電気絶縁膜６０をＳｉＯ_２で構成した場合には、基板２２のエッチング液としてＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）を採用し、電気絶縁膜６０をＳｉＮで構成した場合には、エッチング液としてＫＯＨを採用することが望ましい。これにより、シリコン基板２２と電気絶縁膜６０とのエッチング選択比を確保することが可能になり、電気絶縁膜６０をエッチングすることなく基板２２のみをエッチングすることができる。基板２２のエッチングは、基板２２を構成するシリコンの結晶方位に従って斜めに進行する。これにより貫通孔２４は、基板２２の裏面から表面にかけて開口面積が小さくなるように、テーパ状に形成される。
以上により、本実施形態に係るピラニ真空計のセンサ部２０が形成される。

次に、図２に示す第１カバー部１２および第２カバー部１８を形成する。そして、第１カバー部１２の凸部１７の先端面に形成した封止膜（不図示）を、センサ部２０の表面に形成した封止膜２８に接合して、第１カバー部１２をセンサ部２０に固定する。また、第２カバー部１８の上面に形成した封止膜１９を、センサ部２０の下面に形成した封止膜（不図示）に密着させて、第２カバー部１８をセンサ部２０に固定する。封止膜の接合は、大気中にて基板を１８０〜２００℃に加熱し、２〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力で各基板を押圧しつつ、３〜５分程度保持することによって行う。以上により、本実施形態に係るピラニ真空計１０が形成される。

上述したＭＥＭＳ技術を用いることにより、ピラニ真空計におけるＰｔフィラメントについて、従来不可能であったμｍレベルでの高精度加工を実現することが可能になる。その結果、薄膜の電気抵抗体を形成することが可能になり、測定可能な圧力範囲を拡大することができる。

ピラニ真空計により測定可能な圧力範囲の上限を決定する要因として、（１）気体による熱伝導が一定値に近づくこと、（２）フィラメントの取付け姿勢に依存する気体の対流により測定感度が低下することが挙げられる。これらに加えて、測定可能な圧力範囲の上限は、（３）気体の平均自由工程λとフィラメントの半径ｒとの比λ／ｒに比例することが確認されている。そのため本実施形態では、フィラメントに相当する電気抵抗体を薄膜化して半径ｒを小さくすることにより、測定可能な圧力範囲の上限を引き上げることができる。具体的には、従来のピラニ真空計において１０^４Ｐａ程度であった測定範囲の上限を、本実施形態のピラニ真空計では１０^５Ｐａ程度に引き上げることが可能である。

上述したように、ピラニ真空計は、被測定ガスがフィラメントから奪う熱量Ｑｇを測定して、被測定ガスの圧力を算出するものである。熱量Ｑｇの測定は、フィラメントに熱量を補充することによって行う。ただし、実際にフィラメントに加える熱量は、気体によって奪われる熱量Ｑｇだけではなく、フィラメントの両端から流出する熱量Ｑｃ、および輻射によって流出する熱量Ｑｒの和になる。

ピラニ真空計により測定可能な圧力範囲の下限は、（１）流出熱量Ｑｃ，Ｑｒに加えて、（２）フィラメントの周辺温度の変化量の影響を受ける。低圧の被測定ガスがフィラメントから奪う熱量Ｑｇは非常に小さいので、流出熱量Ｑｃ，Ｑｒが大きいと熱量Ｑｇの測定が困難になるからである。また数式（１）において、フィラメントの周辺温度Ｔｗの変化量が大きいと、圧力Ｐの算出が困難になるからである。

これに対して、図３に示す本実施形態のピラニ真空計では、フィラメントに相当する電気抵抗体４０を薄膜化することにより、電気抵抗体４０からの流出熱量Ｑｃ，Ｑｒを小さくすることが可能になる。また上述したように、電気抵抗体から温度補償体への熱伝達を遮断する溝部を設けたので、温度補償体の温度変化を抑制することが可能になり、電気抵抗体の周辺温度の変化を確実に補償することができる。したがって、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。

さらに、熱伝導率が低い酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる浮膜３２の表面に電気抵抗体４０を形成したので、電気抵抗体４０から浮膜３２への熱流出を抑制することが可能になる。また基板に直接接触しない浮膜３２の表面に電気抵抗体４０を配置したので、電気抵抗体４０から基板への熱流出を抑制することが可能になる。また浮膜３２をスリット３１で囲み、浮膜３２の外周を連結膜３４，３５により周辺膜３６に連結し、さらに周辺膜３６に溝部３９を形成することで、電気抵抗体４０から周辺膜３６への熱流出を抑制することが可能になる。これにより、流出熱量Ｑｃ，Ｑｒを小さくすることが可能になり、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。具体的には、従来のピラニ真空計において１０^−１Ｐａ程度であった測定範囲の下限を、本実施形態のピラニ真空計では１０^−２Ｐａ程度に引き下げることができる。

ところで、浮膜３２の中心に対して非対称に一対の連結膜を配置し、その連結膜の表面を通って電気抵抗体４０の両端部を周辺膜３６の表面に引き出す構成が考えられる。しかしながら、この構成では、電気抵抗体４０と浮膜３２との熱膨張率の差により、電気抵抗体４０が非対称に熱変形することになる。その結果、ピラニ真空計の測定精度を低下させるおそれがある。

これに対して、本実施形態に係るピラニ真空計は、浮膜３２の中心を挟んで対称に一対の第１連結膜３４が配置され、その第１連結膜３４の表面を通って、電気抵抗体４０の両端部が周辺膜３６の表面に引き出されている。これにより、電気抵抗体４０と浮膜３２との熱膨張率が異なっても、電気抵抗体４０を対称に熱変形させることが可能になる。したがって、ピラニ真空計の圧力測定精度を向上させることができる。本実施形態では、特に１〜１０００Ｐａの領域で測定感度が向上する。

また本実施形態では、電気抵抗体の面積に対する浮膜の面積の割合を小さくして、気体との熱交換がもっぱら電気抵抗体との間で行われる構造にしたので、圧力測定精度を向上させることができる。

（圧力測定方法）
次に、本実施形態のピラニ真空計を用いた圧力測定方法について説明する。
本実施形態のピラニ真空計は、図１に示すように真空チャンバの壁面２の開口部に配置して使用することも可能であるが、本実施形態のピラニ真空計を被処理基板上に搭載し、その被処理基板を処理装置内に導入して、前記処理装置内の圧力を測定することも可能である。このような可搬型センサを形成することにより、処理装置の改造を伴うことなく、処理装置内の圧力を簡単かつ低コストで測定することが可能になる。特に、複数の処理室で連続処理を行う処理装置において、ピラニ真空計を搭載した被処理基板を各処理室に流通させることが効果的である。なお被処理基板上には、ピラニ真空計とともに、無線通信デバイスや論理回路、メモリ、バッテリ等を搭載することが望ましい。これにより、圧力測定結果の無線出力や、メモリへの記録が可能になる。

また、被処理基板上に複数のピラニ真空計を搭載して、被処理基板上における圧力分布を測定することも可能である。本実施形態のピラニ真空計はＭＥＭＳ技術を用いて微小に形成されているので、被処理基板上に複数のピラニ真空計を搭載することは容易である。これにより、被処理基板上における圧力分布を簡単かつ低コストで測定することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

実施形態に係るピラニ真空計の使用形態の説明図である。 実施形態に係るピラニ真空計の分解斜視図である。 センサ部の平面図である。 図３のＢ−Ｂ線におけるセンサ部の断面図である。 ピラニ真空計のブリッジ回路図である。 ピラニ真空計のセンサ部の製造工程図である。 ピラニ真空計のセンサ部の製造工程図である。 ピラニ真空計のセンサ部の製造工程図である。 ピラニ真空計のセンサ部の製造工程図である。

符号の説明

１０…ピラニ真空計 ２２…基板 ２４…貫通孔（穴部） ３２…浮膜 ３４…第１連結膜（連結膜） ３６…周辺膜 ３９…溝部 ４０…電気抵抗体 ５０…温度補償体

Claims (7)

1. 気体と熱交換を行う電気抵抗体を備え、前記電気抵抗体の熱損失量から前記気体の圧力を測定するピラニ真空計であって、
   前記電気抵抗体を表面に配置して、基板の穴部を跨ぐように形成された浮膜と、
   前記浮膜を囲むように前記基板の表面に形成された周辺膜と、
   前記電気抵抗体が配置された側における前記周辺膜の表面に形成され、該電気抵抗体の周辺温度の変化を補償する温度補償体と、
   前記浮膜の中心を挟んで対称に配置され、前記浮膜の外周を前記周辺膜に連結する一対の連結膜と、を備え、
   前記電気抵抗体の両端部が、前記一対の連結膜の表面を通って、前記周辺膜の表面に形成された電極に引き出され、
   前記電気抵抗体と前記温度補償体との間における前記周辺膜の表面に、溝部が形成されていることを特徴とするピラニ真空計。
2. 前記電気抵抗体は、Ｐｔ、ＮｉＣｒまたはＷを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピラニ真空計。
3. 前記電気抵抗体と前記浮膜との間に、ＣｒまたはＴｉを主成分とする密着層が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のピラニ真空計。
4. 前記浮膜、前記周辺膜および前記連結膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のピラニ真空計。
5. 前記基板は、シリコンを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のピラニ真空計。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のピラニ真空計を被処理基板上に搭載し、前記被処理基板を処理装置内に導入して、前記処理装置内の圧力を測定することを特徴とする圧力測定方法。
7. 前記被処理基板上に複数の前記ピラニ真空計を搭載して、前記被処理基板上における圧力分布を測定することを特徴とする請求項６に記載の圧力測定方法。

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