JP6568484B2

JP6568484B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6568484B2
Application number: JP2016011283A
Authority: JP
Inventors: 将添田; 卓也石原; 正志関根; 偉伸栃木
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: JP2017133841A

Description

本発明は、ダイアフラムなどの可動部を備えた静電容量式の圧力センサに関する。

半導体装置の製造においては、気相成長による様々な成膜装置が用いられている。このような成膜装置では、ｎｍ単位の厚さの薄膜を形成するため、成膜室内の圧力や原料ガスの分圧などを正確に制御しており、圧力を正確に検出することが重要となる。このような圧力の検出のために、静電容量式の圧力センサが用いられている。

この圧力センサは、図４に示すように、絶縁体からなる基台３０１と、基台３０１の上に支持部３０１ａによって支持されて可動領域３０２ａで基台３０１と離間して配置され、可動領域３０２ａで基台３０１の方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受けるダイアフラム３０２と、可動領域３０２ａにおけるダイアフラム３０２と基台３０１との間に形成された気密室３０３とを備える。

また、気密室３０３の内部でダイアフラム３０２の可動領域３０２ａに形成された可動電極３０４と、気密室３０３の内部で基台３０１の上に可動電極３０４に向かい合って形成された固定電極３０５とを備える。また、気密室３０３の内部でダイアフラム３０２の可動領域３０２ａにおいて可動電極３０４の周囲に形成された可動参照電極３０６と、気密室３０３の内部で固定電極３０５の周囲の基台３０１の上に形成され、可動参照電極３０６に向かい合って形成された固定参照電極３０７とを備える。

上述したように構成されている圧力センサは、測定対象の流体が流れる配管や被測定流体が収容されているタンクに取り付けられて流体の圧力を測定する。静電容量式の圧力センサでは、流体圧を受けたダイアフラムの変位を、静電容量値に変換している。この圧力センサは、ガス種類に対して依存性が少ないことから、上述したような半導体装置製造設備をはじめ、工業用途に広く使用されている。

特開平０６−３０７９６４号公報特表２０１０−５２５３２４号公報

上述した圧力センサでは、原料ガスなどの装置に用いられているガスに対する耐腐食性と共に、成膜などのプロセス中で発生する副生成物に対しても耐性が要求される。また、成膜プロセスでは、成膜室内壁、配管内壁、真空ポンプ内部、および圧力センサの受圧部であるダイアフラムなど、原料ガスが通過する箇所には堆積が発生し、様々な問題を起こす（特許文献１，特許文献２参照）。

例えば、従来一般的に用いられている化学的気相成長法（ＣＶＤ）に比較し、段差被覆性や膜質において優れているとして近年開発され、ゲート絶縁膜などの形成に用いられている原子層堆積法（ＡＬＤ）がある。このＡＬＤは、特性上、原料ガスが通過する様々な箇所に、原料ガスが付着しやすく、上述した無用な堆積が発生しやすい。

このような堆積を防止するために、上述したような成膜装置では、例えば成膜動作時などにおいて、各部分を例えば２００℃程度に加熱している。しかしながら、このような加熱による回避策を行っても堆積は微量ずつ進行する。圧力センサにおいては、図４に示すように、ダイアフラム３０２の受圧領域に堆積物３２１が堆積する。この堆積量が許容値を超えてダイアフラムに堆積した圧力センサは、所定の精度を確保することが不可能となり故障に至る。現状では、装置の使用回数や積算総膜厚などの履歴情報を基に、圧力センサを交換する、あるいは可能な場合は、クリーニングで対応している。

しかしながら、今日では、膜厚や品質の均一化がより進められ、高精度なプロセスが要求されており、圧力検出精度の低下は無視できない。上述したような履歴情報を元にした対応では、要求される高い圧力検出精度が維持できない場合が発生する。従って、圧力センサにおける堆積状態を、早期に検出できることが求められている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、圧力センサへの堆積状態が、早期に検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る圧力センサは、絶縁体からなる基台と、基台の上に支持部によって支持されて可動領域で基台と離間して配置され、可動領域で基台の方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受ける受圧部と、可動領域における受圧部と基台との間に形成された気密室と、気密室の内部で受圧部の可動領域に形成された可動電極と、気密室の内部で基台の上に可動電極に向かい合って形成された固定電極と、気密室の内部で受圧部の可動領域において可動電極の周囲に形成された可動参照電極と、気密室の内部で固定電極の周囲の基台の上に形成され、可動参照電極に向かい合って形成された固定参照電極と、気密室の内部で受圧部の可動領域に形成された電極部から構成されて受圧部の歪みを計測する計測手段とを備える。

上記圧力センサにおいて、電極部は、可動電極から構成されていればよい。また、計測手段は、受圧部の歪みに加えて受圧部の温度を計測するようにしてもよい。この場合、受圧部の歪みを可動電極により測定する計測手段は、可動参照電極により受圧部の温度を計測するようにすればよい。

上記圧力センサにおいて、電極部は、可動参照電極から構成されているようにしてもよい。また、計測手段は、受圧部の歪みに加えて受圧部の温度を計測するようにしてもよい。この場合、受圧部の歪みを可動参照電極により測定する計測手段は、可動電極により受圧部の温度を計測するようにすればよい。

上記圧力センサにおいて、電極部は、基台側における受圧部の可動領域に形成されていればよい。電極部は、金属または半導体から構成されていればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、圧力センサへの堆積状態が、早期に検出できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における圧力センサの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態における圧力センサの一部構成を示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態における圧力センサの一部構成を示す平面図である。図４は、静電容量式の圧力センサの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における圧力センサの構成を示す構成図である。この圧力センサは、基台１０１、ダイアフラム１０２、可動電極１０４、固定電極１０５を備える。

受圧部となるダイアフラム１０２は、絶縁体からなる基台１０１の上に支持部１０１ａによって支持されて可動領域１０２ａで基台１０１と離間して配置されている。ダイアフラム１０２は、可動領域１０２ａの外側の接合領域１０２ｂで、支持部１０１ａの上面に接合されている。また、ダイアフラム１０２は、可動領域１０２ａで基台１０１の方向に変位可能とされ、測定対象からの圧力を受ける。ダイアフラム１０２も、基台１０１と同様に絶縁体から構成されている。基台１０１およびダイアフラム１０２は、例えば、サファイアやアルミナセラミックから構成されている。なお、ダイアフラム１０２と支持部１０１ａとを一体に形成し、支持部１０１ａの下面を、基台１０１に接合する構成としてもよい。

可動領域１０２ａにおけるダイアフラム１０２と基台１０１との間には、気密室１０３が形成され、気密室１０３の内部に、可動電極１０４および固定電極１０５が配置されている。可動電極１０４は、ダイアフラム１０２の可動領域１０２ａに形成されている。また、固定電極１０５は、気密室１０３の内部で基台１０１の上に可動電極１０４に向かい合って形成されている。よく知られているように、静電容量式の圧力センサは、可動電極１０４と固定電極１０５との間に形成される容量の変化により、ダイアフラム１０２の受圧領域で受けた圧力を測定する。

また、この圧力センサは、可動参照電極１０６および固定参照電極１０７を備える。可動参照電極１０６および固定参照電極１０７も、気密室１０３の内部に配置されている。可動参照電極１０６は、ダイアフラム１０２の可動領域１０２ａにおいて可動電極１０４の周囲に形成されている。また、固定参照電極１０７は、固定電極１０５の周囲の基台１０１の上に形成され、可動参照電極１０６に向かい合って形成されている。なお、固定電極１０５と固定参照電極１０７とが同電位とされ、また一体に形成されていてもよい。

加えて、この圧力センサは、測定器１０８を備える。測定器１０８は、気密室１０３の内部でダイアフラム１０２の可動領域１０２ａに形成された電極部の電圧を測定することで、ダイアフラム１０２の歪みを計測する。電極部としては、可動電極１０４を用いることができる。可動電極１０４を歪みゲージとして用い、互いに離れた２点間の抵抗変化により、可動電極１０４が設けられているダイアフラム１０２の歪が計測できる。また、可動電極１０４の、互いに離れた２点間の抵抗変化により、可動電極１０４が設けられているダイアフラム１０２の温度（温度変化）が計測できる。

測定器１０８と可動電極１０４とにより、ダイアフラム１０２の歪みや温度を計測する計測手段が構成できる。また、測定器１０８と可動電極１０４とにより、ダイアフラム１０２の歪みや温度を計測する計測手段を構成し、測定器１０８と可動参照電極１０６とにより、ダイアフラム１０２の温度を計測する計測手段を構成してもよい。これらの場合、電極材料として、測温抵抗体として用いられる白金や、歪みゲージに通常用いられるＮｉ−Ｃｕ合金などの金属材料が適用可能である。また、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｒ、ＳｉやＧｅ等の半導体材料も適用可能である。

例えば、図２の平面図に示すように、可動電極１０４を、交互に往復して屈曲するジグザグ形状の配線パターンから構成し、この配線パターンの一端に引き出し配線１４１ａを電気的に接続し、配線パターンの他端に引き出し配線１４１ｂを電気的に接続すればよい。引き出し配線１４１ａおよび引き出し配線１４１ｂは、可動領域１０２ａから接合領域１０２ｂにかけて引き出されている。

また、引き出し配線１４１ａおよび引き出し配線１４１ｂは、接合領域１０２ｂに設けられた端子部１４２ａおよび端子部１４２ｂに電気的に接続する。端子部１４２ａおよび端子部１４２ｂは、基台１０１に設けられた図示しない貫通配線に電気的に接続し、貫通配線は、基台１０１裏面の図示しない外部端子に電気的に接続する。

また、可動参照電極１０６は、可動電極１０４の周囲を取り巻くように配置し、かつダイアフラムの圧力感度が小さい箇所に配置すればよい。可動参照電極１０６にも、２つの引き出し配線１６１ａおよび引き出し配線１６１ｂを設け、端子部１６２ａおよび端子部１６２ｂに電気的に接続させる。引き出し配線１６１ａおよび引き出し配線１６１ｂは、可動領域１０２ａから接合領域１０２ｂにかけて引き出されている。また、端子部１６２ａおよび端子部１６２ｂは、接合領域１０２ｂに設ける。また、端子部１６２ａおよび端子部１６２ｂも、基台１０１に設けられた図示しない貫通配線に電気的に接続し、貫通配線は、基台１０１裏面の図示しない外部端子に電気的に接続する。

交互に往復して屈曲するジグザグ形状の配線パターンから構成することで、可動電極１０４を、より細い配線から構成でき、また、引き出し配線１４１ａに接続する一端から、引き出し配線１４１ｂに接続する他端までの距離をより長くできる。これにより、可動電極１０４における一端から他端までの間の、配線抵抗をより高くすることができる。このように構成することで、歪みによる抵抗変化や温度変化による抵抗変化の検出感度を向上させることができる。

また、可動電極１０４，可動参照電極１０６とは異なる電極部を設けて計測手段としてもよい。例えば、可動電極１０４，可動参照電極１０６の間隙やこれらの上に、絶縁層を介して新たな電極部を形成してもよい。

以下、計測手段によるダイアフラム１０２の歪み計測、温度計測、およびこれらの測定により得られる測定値を用いた圧力センサへの堆積状態の検出（把握）について説明する。

まず、可動電極１０４と固定電極１０５との間の静電容量は、「静電容量＝誘電率（電極間面積／電極間距離）・・・（１）」となる。

また、可動電極１０４が設けられているダイアフラム１０２に堆積した堆積物の応力σは、ダイアフラム１０２のヤング率Ｅ_s、ダイアフラム１０２の厚さｔ_s、ダイアフラム１０２のポアソン比ν_s、可動領域１０２ａの径ａ、受圧領域に堆積した堆積物の厚さｔ_f、ダイアフラム１０２の可動領域１０２ａにおける変位量Δｄにより、「σ＝（Ｅ_s・ｔ_s ²・Δｄ）／［３（１−ν_s）・ａ²・ｔ_f］・・・（２）」となる。

ただし、圧力センサを真空計として実際に使用する状態を考えると、ダイアフラム１０２へ堆積した堆積物の厚さは不明であるため、応力σ_depを式（２）からは直接算出するのが困難である。これに対し、歪み値ε_mesは、ダイアフラム１０２のゲージ率Ｋ、測定される抵抗値Ｒ、および測定される抵抗値の変化ΔＲから、「ε_mes＝（１／Ｋ）（ΔＲ／Ｒ）・・・（３）」となり、ゲージ率Ｋ、抵抗値Ｒ、および抵抗値の変化ΔＲから算出できる。

また、ダイアフラム１０２の応力σ_depは、「σ_dep＝Ｅ_s・ε_mes・・・（４）」により求めることができる。従って、式（３）と式（４）とによりダイアフラム１０２の応力σ_depが算出でき、これを式（２）と比較することで、堆積物の厚さが推定可能となる。以上のことより、式（２）および式（４）から、堆積物の応力σおよび厚さｔ_fの傾向が把握できる。

また、静電容量による変位量の測定と同時に、可動電極１０４を抵抗体として用い、この温度係数を用いることで温度を実測することで、温度補償型ゲージのような抵抗温度係数の調整を、可動電極１０４を抵抗膜として用いた測定値による歪みなどの算出に適用する必要がない。可動電極１０４を用いて計測されたダイアフラム１０２の温度情報（異なる温度Ｔ₁およびＴ₂）と、計測時点の応力値σ（Ｔ₁）およびσ（Ｔ₂）とから、「Δσ＝［σ（Ｔ₁）−σ（Ｔ₂）］・（Ｔ₁−Ｔ₂）・・・（５）」により、熱応力Δσが算出できる。

このように、温度が変化している時に、各々の温度での応力値を収集することで堆積物の熱応力を把握することができる。このため、装置の使用回数や積算総膜厚などの履歴情報用いることなく、圧力センサへの堆積状態が直ちに把握できるようになる。なお、これらのデータを熱膨張率へ変換し、堆積物による膜の材質変化等の指標にしても良い。

上述したように、管理指標として経時的に算出された値を保管して比較することで、圧力センサの劣化予兆や稼働条件のストレス状況を概要として見積もることができる。

例えば、上述したことにより得られるダイアフラム１０２の温度および歪みの履歴情報のモニタリングおよびそれらの比較により、メンテナンス計画への反映や、堆積による劣化が起こりやすいプロセス条件かどうかも把握でき、装置内部への影響が大きい運転条件であることをアラートによりユーザーへ通知することも可能となる。

加えて、半導体設備で通常計測に用いる圧力センサをそのまま適用するため、個別にセンサなどの新たな検知機構を設ける必要がない。

例えば、まず、ゼロ点（あるいは基準とする圧力印加時）で、圧力センサで測定された静電容量Ｃと抵抗値Ｒを常時モニタリングする。次に、モニタリングしている抵抗値Ｒの変化量から、実測のσ_mesが把握でき、静電容量Ｃの前回測定時と今回測定値との差から、電極間ギャップｄの変化量Δｄが得られる。これらのデータから、ダイアフラム１０２に生じた歪みや堆積物の膜厚等を推測する。

得られたσ_mesの履歴や経緯データを用い、所定の閾値（下記参照）を超えた場合に信号処理回路がアラートを発する。アラートの発生を踏まえ、ユーザーは適切な時期に真空計の交換および修理を実施する。

ここで、「所定の閾値」は、σ_mesおよびΔσが、圧力センサのゼロ点調整可能範囲を超えると見込まれる時期を踏まえて決定すればよい。例えば、フルスケール圧力の２０％程度をゼロ点調整可能範囲とする場合は、これ以下の１０％等を閾値とし、２０％を超える時期をある程度推測可能とする。このように設定しておくことで、ユーザーは、計画的に圧力センサの交換および修理を行うことができる。なお、上記閾値は、圧力センサの用途、圧力センサが用いられる成膜装置における成膜材料や工程の頻度、さらに許容停止可能期間にもよるため、ユーザーが各々の状況を鑑みて適宜に設定すればよい。

また、上述のことに加え、以下に示す熱応力データを維持管理に反映してもよく、この場合より詳細な圧力センサの維持管理が可能となるとものと見込まれる。例えば、まず、測定されるある温度Ｔでの抵抗値Ｒから、抵抗温度係数を用いて実温度を算出する。次に、圧力センサ起動時（ウォームアップ時）の任意の２点で温度を計測し、熱応力Δσを算出する。得られたΔσの履歴や経緯データを用い、所定の閾値を超えた場合に警告を発する。

ところで、受圧部となるダイアフラムを、結晶性などに異方性のある材料から構成する場合や、上述のダイアフラム上に堆積した膜に分布があるような場合、例えば図３に示すように、３つの可動電極２０４ａ、可動電極２０４ｂ、可動電極２０４ｃを、各々異方性の状態や膜分布の状態に合わせて配置すればよい。可動電極２０４ａ、可動電極２０４ｂ、可動電極２０４ｃは、交互に往復して屈曲するジグザグ形状の配線パターンを、配線の配列幅を配線の延在方向より短くして楕円領域に収まる状態としており、配線の延在方向を異方性の状態に合わせている。なお、ジグザグ形状の配線パターンは、楕円領域に限らず対応する長方形の領域に収まるように配置してもよい。また、可動電極２０４ａ、可動電極２０４ｂ、可動電極２０４ｃは、絶縁層（不図示）を介して積層され、各々絶縁分離されている。これらの可動電極あるいは可動参照電極は、積層せずに、同一平面内に配置することも可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、気密室の内部で受圧部の可動領域に形成された電極部より構成した受圧部の歪みを計測する計測手段を設けるようにしたので、圧力センサへの堆積状態が、早期に検出できるようになる。堆積による劣化の予兆が早期に把握できることで計画的な予防保全が可能となり、頻度の高いメンテナンスが不要となるため、設備維持費の低コスト化にも寄与する。

ところで、上述では、可動電極により歪みまたは温度を計測する場合を例示したが、可動参照電極により歪みまたは温度を計測するようにしてもよい。また、上述では、可動電極による歪みの計測と可動参照電極による温度の計測とを組み合わせる場合を例示したが、可動参照電極による歪みの計測と参照電極による温度の計測とを組み合わせるようにしてもよい。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基台、１０１ａ…支持部、１０２…ダイアフラム、１０２ａ…可動領域、１０２ｂ…接合領域、１０３…気密室、１０４…可動電極、１０５…固定電極、１０６…可動参照電極、１０７…固定参照電極、１０８…測定器。

Claims

絶縁体からなる基台と、
前記基台の上に支持部によって支持されて可動領域で前記基台と離間して配置され、前記可動領域で前記基台の方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受ける受圧部と、
前記可動領域における前記受圧部と前記基台との間に形成された気密室と、
前記気密室の内部で前記受圧部の前記可動領域に形成された可動電極と、
前記気密室の内部で前記基台の上に前記可動電極に向かい合って形成された固定電極と、
前記気密室の内部で前記受圧部の前記可動領域において前記可動電極の周囲に形成された可動参照電極と、
前記気密室の内部で前記固定電極の周囲の前記基台の上に形成され、前記可動参照電極に向かい合って形成された固定参照電極と、
前記気密室の内部で前記受圧部の前記可動領域に形成された電極部から構成されて、前記電極部の互いに離れた２点間の抵抗変化により、前記受圧部の歪みを計測する計測手段と
を備え、
前記受圧部で受けた圧力は、前記可動電極と前記固定電極との間に形成される静電容量の変化により測定されることを特徴とする圧力センサ。
請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記電極部は、前記可動電極から構成されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項２記載の圧力センサにおいて、
前記計測手段は、前記受圧部の歪みに加えて前記受圧部の温度を計測する
ことを特徴とする圧力センサ。
請求項３記載の圧力センサにおいて、
前記計測手段は、前記可動参照電極により前記受圧部の温度を計測する
ことを特徴とする圧力センサ。
請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記電極部は、前記可動参照電極から構成されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項５記載の圧力センサにおいて、
前記計測手段は、前記受圧部の歪みに加えて前記受圧部の温度を計測する
ことを特徴とする圧力センサ。
請求項６記載の圧力センサにおいて、
前記計測手段は、前記可動電極により前記受圧部の温度を計測する
ことを特徴とする圧力センサ。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記電極部は、前記基台側における前記受圧部の前記可動領域に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項８記載の圧力センサにおいて、
前記電極部は、金属または半導体から構成されていることを特徴とする圧力センサ。