JP5349366B2 - 複合型圧力計、及び複合型圧力計の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合型圧力計、及び複合型圧力計の製造方法に関する。

特許文献１に記載の真空計は、真空装置などに接続するためのフランジを有する保護管と支持プレートが弾性ばねを介して溶接されている。支持プレートにはガラスシール管を介してセラミック製のダイヤフラムが配置されており、それらで囲まれた空間は基準真空室を形成している。ここで、外部からダイヤフラムに気体圧力が加わると、ダイヤフラムは基準真空室側に撓む。ダイヤフラムと支持プレートの基準真空室側の表面には導電性の電極が形成されており、両電極間の静電容量を測定することで気体圧力を測定することができる。

さらに、本従来技術の真空計はダイヤフラムを囲むようにして保護リングが配置されており、その外側には二本のフィラメントが支持柱によって固定して配置されている。このフィラメントはピラニ真空計を構成するものであり、気体がフィラメントの熱を持ち去る量（このフィラメントは白金やタングステン、ニッケルまたはこれらの金属のうち少なくとも１つを含む合金を材料としており、その抵抗率は温度によって大きく変わる。つまり、その抵抗率は気体がフィラメントから持ち去る熱量、つまり気体の圧力に依存する）から圧力を測定することができる。また、ピラニ真空計の電気的情報は、静電容量型真空計の接続端子とは別の接続端子から外部に出力され、これらの電気的情報は電気回路によって気体圧力に応じた電気情報に補正されて、最終的に圧力値として表示される仕組みとなっている。

また、特許文献２には、圧力測定装置としてＭＥＭＳ技術を用いて、ピラニ真空計と隔膜真空計を作成する旨が開示されている。

特表２００２−５２０６１３号公報 特開２００８−２０９２８４号公報

しかしながら、特許文献１の複合型圧力計は、別々の製造工程を経て形成された静電容量型真空計とピラニ真空計とを、単に接近させて配置させたものである。そのために、製造上でのコスト低減効果は乏しい。さらに、二つの真空計を狭い場所に配置することから、作業効率の低下や場合によっては歩留まりの低下を招き製造コスト面では上昇することもある。
特許文献２では、ピラニ真空計と隔膜真空計を同一基板上に同時に作成するための具体的な製造方法は開示されていないので、プロセスを共通化できず、製造コストの低減もできない。
そこで、本発明は、従来の複合型圧力計及びその製造方法が有する、上記ような問題点を鑑みてなされたものであり、製造コストを低減し、かつ小型の複合型圧力計、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る複合型圧力計の製造方法は、静電容量型隔膜真空計とピラニ真空計を含む複合型圧力計の製造方法であって、
エッチングにより、シリコン基板の第一面側に第一溝部及び該第一溝部に隣接した第二溝部を形成する溝形成工程と、前記シリコン基板の前記第一面側で前記第一溝部と前記第二溝部を覆うように、前記シリコン基板にガラス基板を接合する接合工程と、を含む。
さらに、本発明に係る複合型圧力計は、シリコン基板の第一面側に形成された第一溝部及び該第一溝部に隣接した第二溝部と、前記第一溝部と前記第二溝部とを覆うように前記シリコン基板に接合されたガラス基板と、前記シリコン基板の第二面側で、かつ前記第一溝部に対応する位置に形成された、第三溝部と、前記前記シリコン基板の第二面側で、かつ第二溝部に対応する位置に形成された、第四溝部とを有し、前記第一溝部と前記第三溝部とによって、静電容量型隔膜真空計が形成され、前記第二溝部と前記第四溝部によって、ピラニ真空計が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る複合型圧力計によれば、小型で広範囲の圧力を高精度で測定することが可能な真空計を実現することができる。更に詳しくは、本発明に係る複合型圧力計の製造方法によればマイクロマシン技術によって静電容量型隔膜真空計とピラニ真空計を単一のシリコン基板上に製造することが可能で、これにより製品の小型化と大量生産による製造コストの低減が可能となる。また、本発明の複合型圧力計を製造するプロセスにおいても、両真空計を同時に加工製造することが可能であるために製造プロセスの共通化を図ることが可能となり、従来のように個々の真空計を別々に製造してその後合体して組み立てるよりも、製造プロセスの大幅な短縮化が可能となり、これによっても製造コスト低減の面で大きな効果を得ることが可能である。

本発明に係る複合型圧力計の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る複合型圧力計の一実施形態を示す斜視構造図である。 本発明に係る複合型圧力計の一実施形態を示す斜視構造図である。 本発明に係る複合型圧力計の製造プロセスの一実施形態を示す図である。 本発明に係る複合型圧力計の製造プロセスの一実施形態を示す図である。

近年はマイクロマシン(Microelectro Mechanical Systems:MEMS)技術の進歩により、微細な機械構造体を低価格で大量に製造することが可能となった。この技術は真空計の製造技術にも応用され、静電容量型真空計やピラニ真空計もマイクロマシン技術によって製造することは可能である。本発明は両真空計を別々に製造して一つの複合型圧力計として組み上げるのではなく、ＭＥＭＳ技術を用いた製造過程から複合型の真空計として加工し、両真空計の製造プロセスを共通化することによって効率的に製造し、両真空計素子の配置プロセスを簡略して製造、組み上げコストを低減した複合型圧力計の製造方法である。
以下、図１、図２、及び図３を用いて本発明の複合型圧力計の構造について説明する。

図１は、本発明の複合型圧力計３０の断面図である。図２は複合型圧力計３０の構成を上面から見た斜視図である。図３は複合型圧力計３０の構成を下面から見た斜視図である。
図１に示すように、複合型圧力計３０は、静電容量型隔膜真空計１０１及びピラニ真空計１０２を有している。

静電容量型隔膜真空計１０１は、ダイヤフラム３構造を有し、そのダイヤフラム３に気体の圧力が加わるとダイヤフラム３が撓み、その撓み量をダイヤフラム３に対向した容量電極６との静電容量から検出してそれを圧力に換算する原理の真空計である。静電容量型真空計１０１は、気体の圧力によって引き起こされる現象を直接測定するため、ガスの種類に依存せずに高い精度で圧力を測定することができる。また、ダイヤフラム３の厚さや大きさを変えることで気体圧力の測定領域を変えることができる。
しかしながら、静電容量型隔膜真空計１０１は、ダイヤフラムは気体圧力だけではなく、ダイヤフラム３及びダイヤフラム３を支えている周辺材料の熱膨張係数の違いからも撓み量が変化することもあり、それが測定誤差の発生原因になるという問題がある。さらに、静電容量型隔膜真空計１０１は、構造が複雑なために製造コストが高いなどの問題がある。特に、大気圧の１０分の１、１００分の１以下の圧力(１００００Ｐａ以下)を測定するためにはダイヤフラム３の厚さが１００μｍ以下となるのが一般的で、高度な機械加工精度が要求され、その結果製造コストは上昇する。

一方、ピラニ真空計１０２は、気体の熱伝導率が気体圧力に依存して変化する現象で動作する原理の真空計である。例えば、白金やタングステン、ニッケルやその合金材料で作られたフィラメント１１に一定電流を流すことで、フィラメント１１は加熱されて温度が上昇する。このとき、フィラメント周辺に気体が存在すると気体が熱を奪い去っていくためにフィラメント温度は低下する。また、フィラメント材料である白金やタングステン、ニッケルやその合金材料は、その温度変化に対する抵抗率の変化量、つまり温度係数が他の金属に比べて大きいために、その抵抗率の変化量から気体の圧力を知ることができる。つまり、ピラニ真空計１０２は、このような簡単な構造で０．００１〜１００００Ｐａ程度の気体圧力を簡単に測定することができる。一方で、気体の熱伝導率はガス種によって異なるために、正確な圧力を知るためにはガス種類に合わせて測定値を補正しなければならず、また大気圧付近の圧力領域では圧力変化に対して気体の熱伝導率の変化量がほとんど変化せずに飽和状態となるために、大気圧付近の圧力測定には不向きであると言う問題がある。

そこで、上記の静電容量型隔膜真空計１０１で、大気圧の１０分の１あるいは１００分の１よりも高い圧力を測定し、それ以下の圧力はピラニ真空計１０２で測定するようにすれば、０．００１Ｐａから大気圧までの広い範囲の圧力を測定できる。

以下、静電容量型隔膜真空計１０１の詳細な構成を説明する。図１に示すように、シリコン基板１の両面には、複数の溝部（凹凸部）が形成されている。具体的には、シリコン基板１の第一面側（ガラス基板側）に設けられた一つの凹部（第一溝部）３１と、シリコン基板１の第二面側の該凹部（第一溝部）３１に対応する位置に設けられた凹部（第三溝部）３３との間には、ダイヤフラム３が形成されている。
シリコン基板１の第一面側の凸部４１、４２上には、ガラス基板２が接合して完全に密着固定されている。凹部（第一溝部）３１とガラス基板２との間に基準圧力室４が形成されている。基準圧力室４は高真空に封止された状態となっており、図示されていないが、基準圧力室４の内部には、残留しているガスを吸着・排気する機能を有する非蒸発型ゲッタが配置されている。

図２に示すように、ダイヤフラム３の凹部３１の底面上には、複数の微細な突起構造体５が互いに離間して形成されている。ダイヤフラム３に外部から気体圧力が加わると、ダイヤフラム３はガラス基板側に撓み、その撓み量はダイヤフラム３の大きさと厚さによって依存する。例えば、ダイヤフラム３に大きな気体圧力が加わるとダイヤフラム３の撓み量は大きくなり、複数の微細な突起構造体５が、場合によってはガラス基板２の基準圧力室４側に配置された容量電極６、参照電極７に密着する。再び気体圧力が低くなったときにダイヤフラム３は元の位置に戻らなければならないが、ダイヤフラム３と容量電極６及び参照電極７との間に弱い吸着力（例えばファンデルワールス力）が働くとダイヤフラム３は上記電極に密着したままとなって真空計として機能しなくなる。突起構造体５はダイヤフラム３と容量電極６や参照電極７との接触面積を小さくすることで、この問題を回避する働きがある。

一方、前述の容量電極６及び参照電極７は、ガラス基板２の基準圧力室４側に配置されている。ダイヤフラム３に外部から気体圧力が加わると、ダイヤフラム３はガラス基板側に近づき、ダイヤフラム３と容量電極６との間の静電容量は増加する。その増加量から気体圧力を測定することができる。また、ダイヤフラム３と参照電極７との間の静電容量も変化するが、参照電極７はダイヤフラム３の中心から外れた位置に配置されているために容量電極６で検出されるほどの静電容量変化は得られない。実際には容量電極６で検出される静電容量変化量から、参照電極７で検出される静電容量変化量を減算した結果の静電容量変化量から圧力を算出することが多い。これは、静電容量型隔膜真空計１０１は、構成材料の熱膨張係数の違いから環境温度の影響を受けやすいと言う問題があるため、容量電極６で検出される静電容量に含まれる環境温度の影響による誤差と、参照電極７で検出される静電容量に含まれる環境温度の影響による誤差を相殺させることで、誤差成分を軽減するためである。

なお、本実施例においては、容量電極６、参照電極７、及びダイヤフラム３は、正方形を基本にした形状で説明を行っているが、その形状を特に限定する必要は無く円形であっても問題は生じない。
なお、ダイヤフラム３、容量電極６、及び参照電極７の電気信号は、ガラス基板２の上下面を貫通する貫通配線８及び電極パッド９を通して、図示されていない外部の電気回路に伝達されて電気的に処理され、最終的に圧力値として外部に出力される。

次に、ピラニ真空計１０２の詳細な構成を説明する。
シリコン基板１の第一面側には上述の静電容量型隔膜真空計１０１の第一溝部３１と隣接して凹部（第二溝部）３２が形成されている。凹部（第二溝部）３２は前述の基準圧力室４の様な閉ざされた溝ではなく、シリコン基板１の厚さ方向に完全に貫通した開口部と、ガラス基板２の切り欠きによって形成された開口部が存在する。また、凹部（第二溝部）３２は一面絶縁膜１０で覆われている。その絶縁膜１０の一部はシリコン基板１によって底部から支えられることが無く、絶縁膜１０が完全に単膜で浮いた状態となっている。また、絶縁膜１０の一部は開口構造となってシリコン基板１の上面から下面までが連通した空間となっている。そして、前述の絶縁膜１０が完全に単膜で浮いた部分には、白金やニッケル、タングステンあるいはその合金を材料として形成されたフィラメント１１が形成されている。このフィラメント１１は適当な長さと発熱部面積、抵抗率を調整するために形や大きさ、膜厚を調整して形成している。フィラメント１１の両端は絶縁膜上電極パッド１２に電気的に結合されており、この絶縁膜上電極パッド１２を通してフィラメント１１に電力が供給される。
また、シリコン基板１の第二面側には、凹部（第二溝部）３２に対応する位置に凹部（第四溝部）３４が設けられている。

また、フィラメント１１が形成された凹部（第二溝部）３２に対向する、ガラス基板２の底面部には、温度センサ１３が形成されている。この温度センサ１３もフィラメント１１と同様に抵抗率の温度係数が大きい材料（例えば、白金）で形成されるのが好ましい。この温度センサ１３は、ガラス基板２を貫通した貫通配線８を通して、フィラメント１１が配置された溝の外壁部分の温度情報を外部に伝達する機能を有する。

ガラス基板２の下面側には、貫通配線８を介して電極パッド９と接続された温度センサ１３が、フィラメント１１と対向して配置されている。
ピラニ真空計１０２の基本的な動作原理は前述の通りであるが、圧力の測定精度を上げるためには温度センサ１３によってフィラメント１１が配置された空間の壁面温度を知ることは非常に重要である。つまり、気体はフィラメント１１との熱交換を行っていると同時にフィラメント１１が配置された空間の壁面とも熱交換を行っているため、実際にはフィラメント１１とフィラメント１１が配置された空間の壁面温度との温度差を常に測定することによってより高精度な圧力測定を行うことができる。

次に図４及び図５を参照して、本発明に係る複合型圧力計を製造するプロセスについて説明する。図４は、ガラス基板２の加工プロセスを説明するための図である。ガラス基板２としては、予め貫通配線８が所定の位置に配置されたコーニング社のパイレック基板あるいはショット社のテンパックスガラス（あるいはＳｉと接合が可能な絶縁性基板）を用いる（図４Ａ）。このガラス基板２の上面にレジスト２０を塗布し（図４Ｂ）、フォトリソグラフィ技術でパターニングを行う（図４Ｃ）。そしてその上から金属膜２１をスパッタ、CVD、蒸着などで成膜し（図４Ｄ）た後、レジスト２０を剥離することで金属膜２１のパターンをガラス基板上面に形成することができる（図４Ｅ）。これと同様の作業によりガラス基板２の下面にも金属膜を形成することができる（図４Ｆ）。具体的には、ガラス基板２の上面の金属膜は電極パッド９となるが、その膜材料としてはＡｕ／Ｃｒなどが挙げられる。またガラス基板２の下面の金属膜は容量電極６、参照電極７、温度センサ１３となるが、温度センサ１３の抵抗率の温度係数を考慮すれば白金、ニッケル、タングステンなどが好ましく、これにより静電容量型隔膜真空計の電極とピラニ真空計の温度センサを一括同時に形成することができる。また、これらの金属膜を別の材料で形成したい場合はプロセスを分けて形成すれば良い。

次に図５を用いてシリコン基板１の加工プロセスを説明する。まず、シリコン基板１は通常に市販されている単結晶シリコン基板であり、サイズもそのプロセスに使用される設備に合わせてφ２インチ〜１２インチなどのものを使用する（図５Ａ）。また、その抵抗率はダイヤフラム３に導電性を持たせる意味で０．１Ω・ｃｍ以下の低抵抗率のものを用いることが好ましいが、プロセスの途中でダイヤフラムにイオン注入や不純物拡散を行うことであれば必ずしも低抵抗のシリコン基板を使用する必要は無い。そして、このシリコン基板１の表面全体に熱酸化膜２２を形成した後（図５Ｂ）、全面にレジスト２０を塗布して（図５Ｃ）パターニングを行い（図５Ｄ）、所定の位置の酸化膜をフッ酸などでエッチングする（図５Ｅ）。

続いて、パターニングされた酸化膜２２をマスクとして、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）などの薬品を用いてシリコン基板１を所定の深さだけエッチングすると、静電容量型真空計の第一溝部３１とピラニ真空計の第二溝部３２を、隣接した位置（溝間の間隔は、０．３〜１．５ｍｍ、好ましくは０．７〜１ｍｍ）に同時に形成することができる（溝形成工程：図５Ｇ）。なお、ここでいう「同時に行なう」とは、その一部或いは全部を同時に行なうことをいう。

そして再びこのシリコン基板１を熱酸化するなどして表面に絶縁膜２３を形成する（あるいは上面にＣＶＤなどで酸化膜、窒化膜などの絶縁膜を形成しても良い）（絶縁膜形成工程：図５Ｈ）。
次に、シリコン基板１の下面（第二面側）の絶縁膜２２の一部のみをパターニングする（上面全体をレジストで保護してフッ酸などでエッチングしても良いし、ドライエッチングを用いてパターニングしても良い）（絶縁膜パターニング工程：図５Ｉ）。

続いてシリコン基板１の下面（第二面側）に開けられた絶縁膜２２をマスクにシリコン基板１の一部を上述のエッチング液あるいはドライエッチングでエッチングして、第四溝部３４を形成する（第四溝形成工程：図５Ｊ）。なお、このときのエッチング深さ（第四溝部３４の深さ）は後述の図５Ｑのエッチングを行うことによって基板が貫通するのに適した深さのものでなくてはならない。

そして再びシリコン基板１の上下両面の絶縁膜２２をパターニングすることで、静電容量型隔膜真空計１０１の突起構造体５の形成と、ピラニ真空計１０２の絶縁膜１０のパターニングと、シリコン基板１の下面（第二面側）のダイヤフラム形成予定位置の絶縁膜２２のパターニングとを同時に行なう（パターニング工程：図５Ｋ）。なお、ここでいう「同時に行なう」とは、その一部或いは全部を同時に行なうことをいう。
次にシリコン基板１の上面（第一面側）にレジスト２０を塗布（図５Ｌ）した後にレジスト２０のパターニングを行い（図５Ｍ）、その上から金属膜２４（ニッケルや白金、タングステンやそれらの合金）をスパッタや真空蒸着で成膜する（図５Ｎ）。

そして、レジスト２０を剥離させることでピラニ真空計部分にフィラメント１１と絶縁膜上の電極パッド１２を形成することができる（フィラメント形成工程及び電極パッド形成工程：図５Ｏ）。続いてその上から図４のプロセスで完成したガラス基板２を接合する（接合工程：図５Ｐ）。この接合は真空中で行うが、基板を加熱しながらガラス側に負の高電圧を印加させながら接合を行う陽極接合や、基板を加熱せずに真空中でＡｒプラズマによって基板表面を活性化してそのまま接合を行う常温接合などで行うことができる。また、この接合を行いながら基板の加熱を行ったり、或いは別途基板を加熱するなどして基準圧力室４内部に配置された非蒸発型ゲッタ（図示されていない）を活性化する。

次に、シリコン基板１の下面（第二面側）を上述の水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）或いはドライエッチングなどによって、絶縁膜２３をマスクとして所定の深さのエッチングを行って、第三溝部３３を形成しすることで所定の厚さのダイヤフラム３を形成する（ダイヤフラム形成工程：図５Ｑ）と同時に、ピラニ真空計の溝部（第四溝部）３４をシリコン基板１の下面（第二面側）から貫通させる（貫通孔形成工程：図５Ｑ）。ダイヤフラムの厚さとしては、例えばダイヤフラムの大きさが6.6ｍｍ角ほどの大きさであれば厚さ200μｍほどのダイヤフラムで圧力領域1000〜100,000Paの領域で適度に撓むダイヤフラムを形成することができる。続いて、上ガラスの一部をダイサでカットし、その外側部分を基板全体の厚さでカットすることで（図５Ｒ）絶縁膜上電極パッド１２を露出させた形の複合型圧力計を製造することができる（図５Ｓ）。

なお、本発明の複合型圧力計は動作原理の異なる２種類の圧力センサが搭載されているため、静電容量型隔膜真空計が出力する静電容量情報と、ピラニ真空計が出力する抵抗値情報（実際にはブリッジ回路を使用して効率良く抵抗値情報を引き出すのが一般的である）を圧力値として出力する電気回路がそれぞれ必要であるが、この電気回路も一枚の回路上に形成することで小型且つ低価格化を実現することができる。

１ シリコン基板
２ ガラス基板
３ ダイヤフラム
４ 基準圧力室
５ 突起構造体
６ 容量電極
７ 参照電極
８ 貫通配線
９ 電極パッド
１０ 絶縁膜
１１ フィラメント
１２ 絶縁膜上電極パッド
１３ 温度センサ
２０ レジスト
２１ 金属膜
２３ 絶縁膜
２４ 金属膜
３０ 複合型圧力計
３１ 第一溝部
３２ 第二溝部
３３ 第三溝部
３４ 第四溝部
４１ 第一凸部
４２ 第二凸部
４３ 第三凸部
４４ 第四凸部
１０１ 静電容量型隔膜真空計
１０２ ピラニ真空計

Claims (6)

1. 静電容量型隔膜真空計とピラニ真空計を含む複合型圧力計の製造方法であって、
   エッチングにより、シリコン基板の第一面側に第一溝部及び、前記第一溝部に隣接した第二溝部を形成する溝形成工程と、
   前記シリコン基板の前記第一面側で前記第一溝部と前記第二溝部を覆うように、前記シリコン基板にガラス基板を接合する接合工程と、
   を含む複合型圧力計の製造方法。
2. 前記溝形成工程は、前記第一溝部及び前記第二溝の一部或いは全部を同時に形成することを特徴とする請求項１に記載の複合型圧力計の製造方法。
3. 前記シリコン基板の前記第一面側で、前記第二溝部底面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記絶縁膜をパターニングする絶縁膜パターニング工程と、
   前記パターニングされた絶縁膜上にフィラメントを形成するフィラメント形成工程と、
   前記シリコン基板の第二面側で、前記第一溝部に対応する位置をエッチングして、ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程と、
   前記第二溝部に対応する位置をエッチングして、前記第二溝部と貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、含む請求項１又は２に記載の複合型圧力計の製造方法。
4. 前記ダイヤフラム形成工程と前記貫通孔形成工程は、その一部或いは全部を同時に行なわれることを特徴とする請求項３に記載の複合型圧力計の製造方法。
5. シリコン基板の第一面側に形成された第一溝部及び該第一溝部に隣接した第二溝部と、
   前記第一溝部と前記第二溝部とを覆うように前記シリコン基板に接合されたガラス基板と、
   前記シリコン基板の第二面側で、かつ前記第一溝部に対応する位置に形成された、第三溝部と、
   前記前記シリコン基板の第二面側で、かつ第二溝部に対応する位置に形成された、第四溝部とを有し、
   前記第一溝部と前記第三溝部とによって、静電容量型隔膜真空計が形成され、
   前記第二溝部と前記第四溝部によって、ピラニ真空計が形成されていることを特徴とする複合型圧力計。
6. 前記第一溝部と前記第三溝部との間に形成されたダイヤフラムと、
   前記ガラス基板の、前記第一溝部に対向した面に設けられた参照電極と、
   前記第二溝部に設けられたフィラメントと、
   前記ガラス基板の、前記第二溝部に対向した面に設けられた温度センサと、
   を有し、前記シリコン基板の前記第二溝部と前記第四溝部との間には、貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の複合型圧力計。