JP6002016B2 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサに関するものである。

従来から、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出する隔膜式の圧力センサは広く知られている。この圧力センサの一例として、真空チャンバと隔膜真空計との連通孔にフィルタを被せることにより、未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等が真空チャンバから真空計内に入るのを防止し、これらの生成物やパーティクル等の堆積成分がダイアフラムに付着して堆積することを防ぐようにした静電容量型圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された静電容量型圧力センサにおいては、被測定媒体に含まれる直進性の高い堆積成分のダイアフラムへの付着を低減することは可能である。しかしながら、被測定媒体の圧力をダイアフラムに導く必要上、フィルタによって堆積成分を完全に排除することは不可能である。

被測定媒体中の堆積成分の一部がダイアフラムに付着して堆積すると、ダイアフラムを一方向に撓ませることとなり、零点シフト（零点移動）が発生する。即ち、ダイアフラムに付着した堆積物は、その成分に応じて圧縮応力又は引っ張り応力等の内部応力を発生する。この応力の発生に伴い、被測定媒体と接触する側のダイアフラムの面が引っ張られたり圧縮されたりして、ダイアフラムの厚さ方向での力のバランスが崩れる。これにより、ダイアフラムは、被測定媒体側が凸状若しくは被測定媒体と反対側が凸状となるように撓むことになる。

被測定媒体ごとに異なる堆積物とダイアフラムの材料とを常に一致させることは不可能であり、かつ堆積物とダイアフラムの原子の配列が、ミクロ的に完全に一致することは稀有であるため、ダイアフラムに付着した堆積物は、上述したように収縮若しくは伸長を生じることとなる。そして、ダイアフラムの撓みは、ダイアフラムに付着する堆積物が多くなる程大きくなる。

静電容量型圧力センサは、ダイアフラムの撓みによって変化する静電容量に基づいて圧力差を検出している。ダイアフラムへの堆積物の付着によってダイアフラムが撓んでしまうと、ダイアフラムの両側で圧力差がない状態でも、「圧力差がある」という信号を検出することとなり、いわゆる零点シフトと呼ばれる零点誤差を生じるようになり、圧力測定に誤差が生じる。この圧力測定の誤差を避けるためには、静電容量型圧力センサを頻繁に交換する必要があり、費用が嵩むという問題も発生する。

そこで、ダイアフラムの中央部の厚みを周縁部よりも薄くして、中央部の剛性を周縁部の剛性よりも低くすることで、堆積物の内部応力に起因するダイアフラムの撓みを抑制するようにした静電容量型圧力センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１５３５１０号公報 特開２０１０−２３６９４９号公報

特許文献２に開示された静電容量型圧力センサは、ダイアフラム上に堆積物による均質な膜が形成されることを前提としている。しかしながら、実際にはダイアフラム上への膜の堆積が避けられない上に、実際にはプロセス材料、プロセス条件、真空計の構造、真空計の位置などによりその膜厚分布に偏りが出る成膜プロセスもあり、その場合上記の前提が成り立たない。以下にＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）を具体例として、ＡＬＤの原理と膜厚分布に偏りが出る理由についての推察を示す。

静電容量型圧力センサは、例えば半導体製造プロセスで使用されるチャンバー内に設置され、真空計として利用される。この半導体製造プロセスの中で、主として絶縁膜の成膜に用いられるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）は、表面吸着反応を前提とした成膜方法であり、成膜する膜の元素を含むプリカーサガスと呼ばれる材料ガスと反応ガス（多くの場合、酸化材ガス）とを交互に表面反応させることにより膜を形成する。例えばＡｌＯを成膜する場合、プリカーサガスはトリメチルアルミニウムであり、反応ガス（酸化材ガス）はＨ₂Ｏ、Ｏ₃などである。

ＡＬＤは、具体的には、下記の（Ａ）〜（Ｄ）のようなサイクルを繰り返す。
（Ａ）チャンバー内にプリカーサガスを導入してウエハ表面に吸着させる。
（Ｂ）チャンバー内を真空に引くか若しくはチャンバー内に不活性ガスを導入することにより、ウエハ表面の一原子層以外のプリカーサガスをパージ（除去）する。
（Ｃ）チャンバー内に反応ガスを導入してプリカーサガスと反応させる。
（Ｄ）チャンバー内を真空に引くか若しくはチャンバー内に不活性ガスを導入することにより、反応生成物及び余分の反応ガスをパージする。
このようにＡＬＤは、ウエハ表面への材料ガスの吸着と、その吸着した材料ガスと反応ガスとの化学反応により原子レベルで成膜が一層づつなされるのでウエハ上のアスペクト比が大きいビアホールや複雑な三次元構造をもつ箇所に均一に成膜出来ることが特徴である。ところがその反面、ウエハ上だけでなく、真空計を含めたプロセスチャンバーのあらゆる箇所に成膜がなされ、前述のような問題を引き起こすことが多い。

次に、原理的に均一な膜が成膜されるＡＬＤで、部分的に不均一な膜が成膜される理由についての推察を説明する。ＡＬＤのプロセスウエハ上の成膜では、十分にパージがなされないと残留したガスがチャンバー内で混合して表面反応ではなく気相反応が起ってしまい、望ましくない反応生成物の粒子が生じて良好に成膜できないことが知られている。
真空計は、通常、処理対象のウエハが配置されるチャンバー内部のうちウエハの配置箇所ではない周辺部に設置され、多くの場合に配管を介してチャンバー内のガスをダイアフラムに導くようになっている。このため、ダイアフラム付近のガス置換性は、ウエハ上に比べて悪いと想像される。さらに、ダイアフラム付近の構造により、ガスのコンダクタンス（通り易さ）が悪い領域がダイアフラム上に部分的に存在すれば、その領域ではガスの置換性が悪いので良好に成膜できず、コンダクタンスが良い領域に比べてダイアフラム上に堆積する膜が薄くなると予想される。以上のように、ＡＬＤでは原理的にダイアフラム上への膜の堆積が避けられない上に、プロセス材料、プロセス条件、真空計の構造、真空計の位置などによりダイアフラム上の膜厚分布に偏りが出る場合が十分考えられる。

特許文献２に開示された静電容量型圧力センサでは、ダイアフラム上に堆積する膜の厚さが均一であることを前提としているので、ダイアフラム上の膜厚分布に偏りがあると、ダイアフラムの撓みを抑えることができなくなり、零点シフトを抑えることが不可能になる。特に、圧力検出のための電極が配置されるダイアフラム中心部のガスのコンダクタンスが良く、ダイアフラム外周部のガスのコンダクタンスが悪い場合は、ダイアフラム中心部に堆積する膜が厚くなり、膜応力による大きなモーメントが発生するので、大きな零点シフトが発生することとなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ダイアフラム上の膜厚分布に偏りが出る成膜方法を使う装置に静電容量型圧力センサを適用する場合でも、零点シフトを抑制することができる静電容量型圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサは、中央部が被測定媒体の圧力に応じて変位するダイアフラムと、このダイアフラムの周縁部を固定し、前記ダイアフラムと共に基準真空室を形成するセンサ台座と、このセンサ台座と反対側の前記ダイアフラムの周縁部に接合され、前記ダイアフラムと共に圧力導入室を形成するカバープレートと、前記基準真空室側のセンサ台座の面に形成された固定電極と、この固定電極と対向するように、前記基準真空室側のダイアフラムの面に形成された可動電極とを備え、前記カバープレートは、前記ダイアフラムの面と交差する方向から前記圧力導入室に被測定媒体を導入する圧力導入穴を有し、複数個の前記圧力導入穴が、前記ダイアフラムの中心を囲む円周上の位置に前記ダイアフラムの中心に対して略対称に配置され、前記ダイアフラムの半径を１００％としたときに前記ダイアフラムの中心から前記ダイアフラムの面方向に沿って５０．０％〜７０．０％の範囲に位置するように、前記複数個の圧力導入穴が配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の静電容量型圧力センサの１構成例において、前記可動電極は、その中心が前記ダイアフラムの中心と一致するように形成された感圧側可動電極と、この感圧側可動電極の外側に形成された参照側可動電極とからなり、前記固定電極は、前記感圧側可動電極と対向するように形成された感圧側固定電極と、前記参照側可動電極と対向するように形成された参照側固定電極とからなる。

本発明によれば、ダイアフラムの中心からダイアフラムの面方向に沿って５０．０％〜７０．０％の範囲に位置するように圧力導入穴を配置することにより、被測定媒体のコンダクタンス（通り易さ）のバランスの悪さに起因して増大する膜応力によるモーメントを緩和することができ、ＡＬＤのようにダイアフラム上の膜厚分布に偏りが出る成膜方法を使う装置に静電容量型圧力センサを適用する場合でも、零点シフトを抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構成を示す断面図である。 センサ台座に形成された感圧側固定電極および参照側固定電極の配置を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの動作を説明する図である。 圧力導入穴の位置とセンサ出力のシフト率との関係を示す図である。 従来の静電容量型圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における圧力導入穴の配置例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における圧力導入穴の別の配置例を示す平面図である。

［発明の原理］
発明者は、静電容量型圧力センサのダイアフラム上の厚く成膜された部分に、膜応力によるダイアフラムの撓みを引き起こす曲げモーメントが強く生じるので、ダイアフラム上の空間のガスのコンダクタンスを制御すれば、ダイアフラム上の膜厚分布を制御することができ、ダイアフラムの撓み、すなわち零点シフトを制御できることに想到した。具体的には、被測定媒体の圧力を導く静電容量型圧力センサの開口部をダイアフラム中心よりも外側に形成する。より具体的には、従来の静電容量型圧力センサにおいてダイアフラムの中心の位置に形成していた１個の開口部の代わりに、この開口部と同じ総開口面積を有する複数個の小さな開口部を、ダイアフラムの中心を囲む円周上の位置に並べる方法が考えられる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構成を示す断面図である。静電容量型圧力センサは、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなるカバープレート１と、カバープレート１に接合された圧力センサチップ２とから構成されている。圧力センサチップ２は、サファイアからなるセンサ台座２０と、センサ台座２０に接合されたサファイアからなるダイアフラム２１と、ダイアフラム２１に接合されたサファイアからなるスペーサ２２と、センサ台座２０に形成された白金等の導体からなる感圧側固定電極２３と、センサ台座２０に形成された白金等の導体からなる参照側固定電極２４と、感圧側固定電極２３と対向するようにダイアフラム２１に形成された白金等の導体からなる感圧側可動電極２５と、参照側固定電極２４と対向するようにダイアフラム２１に形成された白金等の導体からなる参照側可動電極２６とから構成されている。

平面視略円形の貫通穴２２ａが形成されたスペーサ２２をカバープレート１とダイアフラム２１との間に設けることによって、カバープレート１とダイアフラム２１との間に、平面視略円形の空間（以下、圧力導入室と呼ぶ）２７が形成されている。また、センサ台座２０側のダイアフラム２１の面に平面視略円形の凹み部２１ａを設けることによって、センサ台座２０とダイアフラム２１との間に平面視略円形の真空の空間（以下、基準真空室と呼ぶ）２８が形成されている。

センサ台座２０とダイアフラム２１とは、接合後にサファイアに変化する酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。同様に、ダイアフラム２１とスペーサ２２とは、酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。このような接合方法については、特開２００２−１１１０１１号公報において詳しく記載されているので、詳細な説明は省略する。なお、カバープレート１の下部にスペーサ状の突起を形成することで、スペーサ２２を無くしてもよい。

図２はセンサ台座２０に形成された感圧側固定電極２３および参照側固定電極２４の配置を示す平面図である。平面視略円形の感圧側固定電極２３は、その中心がダイアフラム２１の中心とほぼ一致するように、基準真空室２８側のセンサ台座２０の面に形成されている。平面視略円弧状の参照側固定電極２４は、感圧側固定電極２３の外側に略同心円状に配置されるように、基準真空室２８側のセンサ台座２０の面に形成されている。感圧側固定電極２３は、センサ台座２０に形成された配線２９を介してセンサ外部の信号処理装置（不図示）と電気的に接続される。同様に、参照側固定電極２４は、センサ台座２０に形成された配線３０を介して信号処理装置と電気的に接続される。

ダイアフラム２１側の可動電極の構成も固定電極と同様である。すなわち、平面視略円形の感圧側可動電極２５は、感圧側固定電極２３と対向するように、基準真空室２８側のダイアフラム２１の面に形成されている。感圧側可動電極２５の中心は、ダイアフラム２１の中心とほぼ一致している。平面視略円弧状の参照側可動電極２６は、参照側固定電極２４と対向するように、基準真空室２８側のダイアフラム２１の面に形成されている。参照側可動電極２６は、感圧側可動電極２５の外側に略同心円状に配置される。感圧側可動電極２５は、ダイアフラム２１に形成された配線（不図示）を介してセンサ外部の信号処理装置と電気的に接続される。同様に、参照側可動電極２６は、ダイアフラム２１に形成された配線（不図示）を介して信号処理装置と電気的に接続される。

感圧側固定電極２３と感圧側可動電極２５とは、圧力に対して高感度であって、圧力測定を行う役目を果たす。参照側固定電極２４と参照側可動電極２６とは、圧力に対して低感度であって電極間の誘電率を補正する役目を果たしている。

以上のような圧力センサチップ２と接合されるカバープレート１には、被測定媒体を圧力導入室２７に導くためにカバープレート１を貫通するように形成された圧力導入穴１０が設けられている。この圧力導入穴１０の詳細については後述する。カバープレート１と圧力センサチップ２のスペーサ２２とは、接合後にサファイアに変化する酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。

次に、本実施の形態の静電容量型圧力センサの動作について説明する。図３は静電容量型圧力センサの動作を説明する図である。ダイアフラム２１の面と交差する方向（図１、図３の例ではダイアフラム２１の面と垂直な方向）から被測定媒体が圧力導入穴１０を介して圧力導入室２７に導入されると、図３に示すように被測定媒体の圧力に応じてダイアフラム２１が変形する。静電容量型圧力センサを半導体製造プロセスの真空計として利用する場合、被測定媒体は、チャンバー内部のガスである。

ダイアフラム２１が変形すると、センサ台座２０とダイアフラム２１の距離（基準真空室２８の高さ）が変化し、感圧側固定電極２３と感圧側可動電極２５との間の容量、および参照側固定電極２４と参照側可動電極２６との間の容量が変化する。感圧側固定電極２３と感圧側可動電極２５との間の容量をＣｘ、参照側固定電極２４と参照側可動電極２６との間の容量をＣｒとすると、センサ出力Ｋは次式のように算出される。
Ｋ＝（Ｃｘ−Ｃｒ）／Ｃｘ ・・・（１）
図示しない信号処理装置は、式（１）によりセンサ出力Ｋを算出し、このセンサ出力Ｋ（容量値）を圧力値に換算することで、被測定媒体の圧力を測定することができる。

次に、カバープレート１の圧力導入穴１０について説明する。本実施の形態では、圧力導入室２７内の被測定媒体のコンダクタンスを制御するために、ダイアフラム２１の中心を囲む円周上の位置（ダイアフラム２１の中心と一致する点を中心とする円の周上の位置）に複数個の圧力導入穴１０を配置することで、ダイアフラム２１に付着する堆積物の膜厚分布を制御する。図２の例では、カバープレート１に形成される圧力導入穴１０の位置を破線で示している。この図２の例では、圧力導入穴１０を４個配置している。

図４は圧力導入穴１０の位置とセンサ出力のシフト率との関係を示す図である。図４はダイアフラム半径を１００％としたときにダイアフラム２１の中心からダイアフラム２１の面方向（図２の紙面に対して平行な方向）に沿って４０．０％〜８０．０％の範囲で圧力導入穴１０の位置を変化させたときのセンサ出力シフト率をシミュレーションで求めたものである。ここでは、ダイアフラム２１の中心を囲む円周上に４個の圧力導入穴１０を設けた場合についてセンサ出力シフト率を計算している。なお、凹み部２１ａと貫通穴２２ａとが平面視略円形であることから明らかなように、圧力導入室２７と基準真空室２８に露出するダイアフラム２１は平面視略円形である。ダイアフラム半径とは、図１に示すように、ダイアフラム２１の中心からスペーサ２２の内壁までの距離Ｒのことを言う。図４の横軸は、ダイアフラム２１に付着した堆積物が最も厚い箇所の膜厚Ｔｍａｘとその周囲の箇所の膜厚Ｔとの比Ｔ／Ｔｍａｘを、膜厚Ｔｍａｘを１００％として示したものである。

センサ出力シフト率は、従来の静電容量型圧力センサのセンサ出力に対する本実施の形態の静電容量型圧力センサのセンサ出力のシフト率を示している。ここで、比較のために用いた従来の静電容量型圧力センサの構成を図５に示す。図５では、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。図５に示すように、従来の静電容量型圧力センサでは、ダイアフラム２１の中心の位置に圧力導入穴１０ｂが形成されている。圧力導入穴１０ｂの面積と、４個の圧力導入穴１０の総面積とは同一である。従来の静電容量型圧力センサでは、圧力導入穴１０ｂの直下のダイアフラム２１の中心付近で堆積物が最も厚くなるのに対し、本実施の形態では、ダイアフラム２１の中心よりも外側の圧力導入穴１０の直下で堆積物が最も厚くなる。

ダイアフラム２１に圧力を掛けていないときの従来の静電容量型圧力センサのセンサ出力をＫ０、同様にダイアフラム２１に圧力を掛けていないときの本実施の形態の静電容量型圧力センサのセンサ出力をＫ１とすると、センサ出力シフト率ＳＲは次式のように算出される。
ＳＲ＝（Ｋ１−Ｋ０）／Ｋ０ ・・・（２）

なお、図５の従来の静電容量型圧力センサのダイアフラムに均一な堆積がある場合、センサ出力シフト率ＳＲは１００％になる。
図４においては、センサ出力シフト率ＳＲが−１００％〜１００％の範囲であるときに、従来の静電容量型圧力センサに対して零点シフトが改善することを示している。センサ出力シフト率ＳＲが−１００％〜１００％の範囲に入るのは、圧力導入穴１０の中心位置がダイアフラム２１の中心から５０．０％〜７０．０％の範囲にあるときである。したがって、各圧力導入穴１０の中心位置をダイアフラム２１の中心から５０．０％〜７０．０％の範囲で設定すれば、零点シフトを抑制できることが分かる。

このような数値範囲が良いのは、以下のような理由によると考えられる。従来の静電容量型圧力センサでは、ダイアフラム２１の中心付近で堆積物が最も厚くなるため、この堆積物に起因するダイアフラム２１の撓みが大きくなる。この撓みによる影響は、式（１）に示した演算を行っても相殺することができない。

具体的な膜厚分布の制御方法としては、図６に示すように、圧力導入穴１０の中心位置をダイアフラム２１の中心Ｏから５０．０％の所に設定すればよい。この方法は、ダイアフラム２１の中心Ｏから圧力導入穴１０までの距離と圧力導入穴１０からダイアフラム２１の端までの距離とを均等にするという方法である。また、別の制御方法としては、図７に示すように、圧力導入穴１０の中心位置をダイアフラム２１の中心Ｏから７０．０％の所に設定すればよい。この方法は、圧力導入穴１０よりも内側の円１００の面積と、ダイアフラム２１の面積から円１００の面積を引いた面積とを均等にするという方法である。このような方法により、ダイアフラム２１上の膜厚分布を理論的に望ましい形にすることができる。

本実施の形態においても、圧力導入穴１０の直下で堆積物が最も厚くなるが、このような膜厚の偏りがあっても、この膜厚の偏りに起因するダイアフラム２１の撓みの影響は、式（１）に示した演算によって相殺することができる。

以上のように、本実施の形態では、圧力導入穴１０の中心がダイアフラム２１の中心から５０．０％〜７０．０％の範囲に位置するようにすることで、ＡＬＤのようにダイアフラム上の膜厚分布に偏りが出る成膜方法を使う装置に静電容量型圧力センサを適用する場合でも、静電容量型圧力センサの零点シフトを抑制することができる。

本発明は、ダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサに適用することができる。

１…カバープレート、２…圧力センサチップ、１０…圧力導入穴、２０…センサ台座、２１…ダイアフラム、２１ａ…凹み部、２２…スペーサ、２２ａ…貫通穴、２３…感圧側固定電極、２４…参照側固定電極、２５…感圧側可動電極、２６…参照側可動電極、２７…圧力導入室、２８…基準真空室、２９，３０…配線。

Claims (2)

1. 中央部が被測定媒体の圧力に応じて変位するダイアフラムと、
   このダイアフラムの周縁部を固定し、前記ダイアフラムと共に基準真空室を形成するセンサ台座と、
   このセンサ台座と反対側の前記ダイアフラムの周縁部に接合され、前記ダイアフラムと共に圧力導入室を形成するカバープレートと、
   前記基準真空室側のセンサ台座の面に形成された固定電極と、
   この固定電極と対向するように、前記基準真空室側のダイアフラムの面に形成された可動電極とを備え、
   前記カバープレートは、前記ダイアフラムの面と交差する方向から前記圧力導入室に被測定媒体を導入する圧力導入穴を有し、
   複数個の前記圧力導入穴が、前記ダイアフラムの中心を囲む円周上の位置に前記ダイアフラムの中心に対して略対称に配置され、前記ダイアフラムの半径を１００％としたときに前記ダイアフラムの中心から前記ダイアフラムの面方向に沿って５０．０％〜７０．０％の範囲に位置するように、前記複数個の圧力導入穴が配置されることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 請求項１記載の静電容量型圧力センサにおいて、
   前記可動電極は、その中心が前記ダイアフラムの中心と一致するように形成された感圧側可動電極と、この感圧側可動電極の外側に形成された参照側可動電極とからなり、
   前記固定電極は、前記感圧側可動電極と対向するように形成された感圧側固定電極と、前記参照側可動電極と対向するように形成された参照側固定電極とからなることを特徴とする静電容量型圧力センサ。