JP6663284B2 - 真空計状態検出方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、受圧するダイアフラムなどの可動部を備えた静電容量式の真空計の状態を検出する真空計状態検出方法およびシステムに関する。

静電容量式の隔膜真空計は、可動部であるダイアフラム（隔膜）が圧力を受け、圧力を受けたことによるダイアフラムのたわみ量を静電容量値に変換する。この隔膜真空計は、ガス種依存性が少ないことから半導体設備を始め工業用途でよく使用されている（非特許文献１参照）。

上述した隔膜真空計は、図６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。各部分はサファイアから構成されている。

また、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、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、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、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隔膜真空計は、測定対象のガスが流れる配管などに取り付けられて圧力を測定する。静電容量式の隔膜真空計では、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。この隔膜真空計は、用いられているガス種類に対して依存性が少ないことから、前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。

半導体装置の製造に用いられる成膜装置やエッチング装置で使用される場合においては、材料ガスやクリーニングガスに対する耐腐食性と共に、プロセス中の副生成物堆積に対しての耐性や配管加熱に対する耐熱性が要求される。加えて求められるのが、保守整備時の耐久性である。

成膜装置やエッチング装置では、保守整備時に真空チャンバが大気開放される。このため、大気圧以上の過大圧力が、隔膜真空計に印加されることになる。このときに圧力を受ける隔膜ダイアフラムの応力緩和などの理由により、真空計のゼロ点出力が変化することが多い（以下ゼロ点シフトと記載）。出力変化の原因は、上記応力緩和だけではなく、プロセス中の副生成物として隔膜ダイアフラム上へ堆積した膜の状態変化もあり得る。

ゼロ点シフトの対策としては、隔膜真空計のゼロ点を電気的にリセットして調整する場合が多いが、現状は利用者自身が、調整の必要性を判断して実施している。ただし、調整可能範囲を超えた場合にはこの操作は不可能となり、隔膜真空計を交換することになり、交換のための予期せぬ装置停止を余儀なくされる。また、ゼロ点の調整を必要とする頻度やタイミングは、利用者にとって予測するのは困難な状況である。

過大圧印加に関しては、隔膜真空計と真空チャンバの間にバルブを設け、過大圧が印加されるような保守整備時にバルブを閉じて、隔膜真空計に大気圧が加わらないようにすることも可能である。ただしこれは、フェールセーフ上、バルブ設置コスト上の双方において好ましくない。

ゼロ点シフトの許容値は、隔膜真空計の仕様上あらかじめ決まっているため、過大圧印加や副生成物堆積による劣化の予兆を検知する必要が生じている。予兆が把握できることで計画的な予防保全が可能となり、頻度の高い保守整備が不要となるため、設備維持費の削減にも寄与する。

特表２０１０−５２５３２４号公報

関根 正志、石原 卓也、差波 信雄、谷 武夫、「サファイア高温隔膜真空計のセンサ素子・パッケージ開発」、azbil Technical Review、２８〜３３頁、２０１１年１月発行号。

隔膜真空計の劣化（ゼロ点シフト）を把握するために、現状ではゼロ点調整時のバイアス調整量をモニタし、バイアス調整量の積算値がある閾値を超えた場合に計測回路から警報を発するようにしている。この警報情報のレベルやゼロ点到達時の隔膜真空計出力のオフセット量を参考にし、利用者自身が要否を判断して真空計の交換あるいは整備を実施するケースが多い。適切な保全状態かどうかは、利用者の判断に頼っており、ゼロ点の調整可能範囲を超過して真空計が使用不能となる事態に至る可能性がある。

隔膜真空計のゼロ点を自動的に補正する技術として、ゼロ調整を実施した時期の情報を基に点検や交換が必要になる時期を予測し、自動較正を行う技術がある（特許文献１参照）。基となる情報は、利用者が実施したゼロ点調整の時機をきっかけとして収集されるもので、ゼロ点調整の頻度すなわち利用者の行動および判断に左右されてしまう。さらに、設備の使用頻度が変化する場合や異なるプロセス条件が併存する場合では、時期の予測精度は悪化すると考えられる。ゼロ点調整を実施した時期の確認が必須となるため、その後の較正が自動化される可能性を鑑みても、依然として利用者の手動的な操作が不可欠な側面も多分に含んでいる。

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、真空計の整備時期がより正確に判断できるようにすることを目的とする。

本発明に係る真空計状態検出方法は、変位可能とされて測定対象からの圧力を受けるダイアフラムを備えるセンサチップから構成されてダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する真空計のダイアフラムの状態を検出する真空計状態検出方法であって、真空計の出力を得る第１ステップと、第１ステップで得られた出力と基準となる基準特性とを比較する第２ステップと、第２ステップの比較で出力が基準特性以上とされた過大圧印加状態の回数を積算する第３ステップと、第３ステップで得られた回数が設定されている上限値に達したことを判断する第４ステップとを備える。

上記真空計状態検出方法において、第２ステップの比較で過大圧印加状態とされた時刻情報を取得し、取得した時刻情報、第３ステップで得られた回数，および設定されている上限回数から真空計のゼロ点調整が限界となる日時を予測し、予測した日時から真空計の整備に必要な日時を差し引いて得られた限界日時より上限値を決定するようにしてもよい。

上記真空計状態検出方法において、真空計の直前に実施したゼロ点調整における調整量を第３ステップで得られた回数で除したレート値を求め、現時点における真空計の調整可能量をレート値で除した値より残り回数を決定し、回数に残り回数を加えた値を上限値とするようにしてもよい。

また、本発明に係る真空計状態検出システムは、変位可能とされて測定対象からの圧力を受けるダイアフラムを備えるセンサチップから構成されてダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する真空計と、真空計の出力を得る計測部と、計測部が得た出力と基準となる基準特性とを比較して出力が基準特性以上とされた過大圧印加状態の回数を積算し、回数が設定されている上限値に達したことを判断する状態判断部とを備える。

上記真空状態検出システムにおいて、状態判断部は、比較で過大圧印加状態とされた時刻情報を取得し、取得した時刻情報、回数，および設定されている上限回数から真空計のゼロ点調整が限界となる日時を予測し、予測した日時から真空計の整備に必要な日時を差し引いて得られた限界日時より上限値を決定するようにしてもよい。

上記真空状態検出システムにおいて、状態判断部は、真空計の直前に実施したゼロ点調整における調整量を回数で除したレート値を求め、現時点における真空計の調整可能量をレート値で除した値より残り回数を決定し、回数に残り回数を加えた値を上限値とするようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、真空計の出力が基準特性以上となった過大圧印加状態の回数が、上限値に達したことを判断するようにしたので、真空計の整備時期がより正確に判断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１における圧力センサ状態検出システムの構成を示す構成図である。 図２は、測定可能最大圧力を越える過大圧の印加回数と、過大圧印加回数に伴うゼロ点シフト量の推移の一例を示す特性図である。 図３は、本発明の実施の形態１における圧力センサ状態検出方法を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態２における圧力センサ状態検出方法を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態３における圧力センサ状態検出方法を説明するフローチャートである。 図６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１における真空計状態検出システムの構成を示す構成図である。このシステムは、センサチップ１０１、圧力値出力部１２１、計測部１２２、状態判断部１２３、基準値記憶部１２４、警報出力部１２５を備える。

センサチップ１０１は、よく知られた静電容量式の隔膜真空計であり、基台１１１，ダイアフラム１１２，可動電極１１４，固定電極１１５を備える。基台１１１およびダイアフラム１１２は、例えば、サファイアやアルミナセラミックなどの耐熱耐食性を有する絶縁体から構成されている。また、受圧部となるダイアフラム１１２は、基台１１１の支持部１１１ａによって支持され、支持部１１１ａの内側の可動領域１１２ａにおいて、基台１１１の方向に変位可能とされた可動部である。可動領域１１２ａは、例えば、平面視円形とされている。

可動領域１１２ａおけるダイアフラム１１２と基台１１１との間は、気密に封止された気密室１１３とされている。気密室１１３はいわゆる真空とされ、基準真空室となる。

また、可動電極１１４は、気密室１１３の内部でダイアフラム１１２の可動領域１１２ａに形成されている。また、固定電極１１５は、可動電極１１４と、気密室１１３の内部で基台１１１の上に可動電極１１４に向かい合って形成されている。なお、センサチップ１０１は、気密室１１３の内部でダイアフラム１１２の可動領域１１２ａにおいて可動電極１１４の周囲に形成された可動参照電極１１６と、気密室１１３の内部で固定電極１１５の周囲の基台１１１の上に形成され、可動参照電極１１６に向かい合って形成された固定参照電極１１７とを備える。

圧力値出力部１２１は、設定されているセンサ感度を用いて容量変化を圧力値に変換して出力する。センサチップ１０１および圧力値出力部１２１により真空計が構成される。また、上記真空計に加え、計測部１２２、状態判断部１２３、基準値記憶部１２４、警報出力部１２５を組み合わせて用いることで、成膜装置やエッチング装置などにおいて、真空度（圧力）の測定や制御などが実施可能となる。

計測部１２２は、真空計（圧力値出力部１２１）の出力を得る。状態判断部１２３は、計測部１２２が得た出力と基準となる基準特性とを比較して出力が基準特性以上とされた過大圧印加状態の回数を積算し、回数が設定されている上限値に達したことを判断する。基準特性は、基準値記憶部１２４に記憶されている。

警報出力部１２５は、状態判断部１２３が、出力が基準特性以上となった回数が設定されている上限値に達したことの判断により警報を出力する。このように警報が出力されたことにより、真空計の整備が必要な状態になったことが判断できる。

図２は、測定可能最大圧力（真空度）を越える過大圧（例えば大気圧）の印加回数（横軸）と、過大圧印加回数に伴うゼロ点シフト量の推移の一例を示す特性図である。ゼロ点調整不可能となるシフト量を例えば±２０％ＦＳとした場合、この値に達する過大圧印加回数（限界印加回数とする）は、約５，０００回と見込まれる。限界印加回数は、真空計の圧力レンジや仕様、製作上のばらつきあるいは真空計使用条件等を考慮して決定される。この限界印加回数に達する十分手前の印加回数で上限印加回数を設定する。この上限印加回数は、装置の稼働状況や真空計交換などの整備までに要する必要期間によって最適値は異なる。

計測された回数が上限印加回数に達した場合の警報は、真空計のインターフェース操作パネルあるいは出力ポートに出力する。出力ポートを経由した場合は、真空計が設置される半導体製造設備側の操作パネル上に表示される。設備オペレーターあるいは管理者はこの表示を把握し、速やかに整備の手続きを開始することで、予期せぬ装置停止を可能な限り回避できる。

次に、本発明の実施の形態１における真空計状態検出システムの動作（真空計状態検出方法）について、図３のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１で、計測部１２２が、圧力値出力部１２１からの出力を取得する。次に、ステップＳ２０２で、状態判断部１２３が、ステップＳ２０１で得られた出力と基準となる基準特性とを比較する。

次に、ステップＳ２０３で、状態判断部１２３が、ステップＳ２０２の比較で出力が基準特性以上かどうかを判断する。この判断で、出力が基準特性以上（過大圧力状態）と判断された場合（ステップＳ２０３のｙ）、ステップＳ２０４で、過大圧印加状態の回数を積算する。次に、ステップＳ２０５で、状態判断部１２３が、ステップＳ２０４で得られた回数が設定されている上限値に達したことを判断する。この判断で、得られた回数が設定されている上限値に達している場合（ステップＳ２０５のｙ）、状態判断部１２３は、真空計（センサチップ１０１）は、整備時期になったものと判断し、ステップＳ２０６で、警報出力部１２５に警報を出力させる。これにより、設備オペレーターあるいは管理者は、整備の手続きを開始することができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２の真空計状態検出システムは、前述した実施の形態１と同様に、センサチップ１０１、圧力値出力部１２１、計測部１２２、状態判断部１２３、基準値記憶部１２４、警報出力部１２５を備える（図１参照）。

実施の形態２では、状態判断部１２３が、計測部１２２が得た出力と基準特性との比較で過大圧印加状態とされた時刻情報を取得し、取得した時刻情報、回数，および設定されている上限回数から真空計のゼロ点調整が限界となる日時を予測し、予測した日時から真空計の整備に必要な日時を差し引いて得られた限界日時より上限値を決定する。

以下、図４のフローチャートを用いて、実施の形態２における真空計状態検出システムの動作（真空計状態検出方法）について説明する。

まず、ステップＳ３０１で、計測部１２２が、圧力値出力部１２１からの出力を取得する。次に、ステップＳ３０２で、状態判断部１２３が、ステップＳ３０１で得られた出力と基準となる基準特性とを比較する。

次に、ステップＳ３０３で、状態判断部１２３が、ステップＳ３０２の比較で出力が基準特性以上かどうかを判断する。この判断で、出力が基準特性以上（過大圧力状態）と判断された場合（ステップＳ３０３のｙ）、ステップＳ３０４で、過大圧印加状態の回数を積算する。次に、ステップＳ３０５で、状態判断部１２３が、過大圧印加状態とされた出力値が出力された時刻情報を取得する。

次に、ステップＳ３０６で、状態判断部１２３は、取得した時刻情報、ステップＳ３０４で得られた回数，および設定されている上限回数から真空計のゼロ点調整が限界となる日時を予測し、予測した日時から真空計の整備に必要な日時を差し引いて得られた限界日時より上限値を決定する。

次に、ステップＳ３０７で、状態判断部１２３が、ステップＳ３０４で得られた回数がステップＳ３０６で決定された上限値に達したことを判断する。この判断で、得られた回数が設定されている上限値に達している場合（ステップＳ３０７のｙ）、状態判断部１２３は、真空計（センサチップ１０１）は、整備時期になったものと判断し、ステップＳ３０８で、警報出力部１２５に警報を出力させる。これにより、設備オペレーターあるいは管理者は、整備の手続きを開始することができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３の真空計状態検出システムは、前述した実施の形態１と同様に、センサチップ１０１、圧力値出力部１２１、計測部１２２、状態判断部１２３、基準値記憶部１２４、警報出力部１２５を備える（図１参照）。

実施の形態３では、状態判断部１２３が、真空計の直前に実施したゼロ点調整における調整量を過大圧印加状態の回数で除したレート値を求め、現時点における真空計の調整可能量をレート値で除した値より残り回数を決定し、過大圧印加状態の回数に残り回数を加えた値を上限値とする。

以下、図５のフローチャートを用いて、実施の形態３における真空計状態検出システムの動作（真空計状態検出方法）について説明する。

まず、ステップＳ４０１で、計測部１２２が、圧力値出力部１２１からの出力を取得する。次に、ステップＳ４０２で、状態判断部１２３が、ステップＳ４０１で得られた出力と基準となる基準特性とを比較する。

次に、ステップＳ４０３で、状態判断部１２３が、ステップＳ４０２の比較で出力が基準特性以上かどうかを判断する。この判断で、出力が基準特性以上（過大圧力状態）と判断された場合（ステップＳ４０３のｙ）、ステップＳ４０４で、過大圧印加状態の回数を積算する。次に、ステップＳ４０５で、状態判断部１２３が、真空計の直前に実施したゼロ点調整における調整量を過大圧印加状態の回数で除したレート値を算出する。

次に、ステップＳ４０６で、状態判断部１２３は、現時点における真空計の調整可能量を上記レート値で除した値より残り回数を算出する。次に、ステップＳ４０７で、状態判断部１２３は、ステップＳ４０４で得られた過大圧印加状態の回数に、算出した残り回数を加えた値を上限値とする。

次に、ステップＳ４０８で、状態判断部１２３が、ステップＳ４０４で得られた回数がステップＳ４０７で決定された上限値に達したことを判断する。この判断で、得られた回数が設定されている上限値に達している場合（ステップＳ４０８のｙ）、状態判断部１２３は、真空計（センサチップ１０１）は、整備時期になったものと判断し、ステップＳ４０９で、警報出力部１２５に警報を出力させる。これにより、設備オペレーターあるいは管理者は、整備の手続きを開始することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、真空計の出力が基準特性以上となった過大圧印加状態の回数が、上限値に達したことにより真空計の整備時期を判断するようにしたので、真空計の整備時期がより正確に判断できるようになる。

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。例えば、上述では、参照電極を用いるようにしたが、これに限るものではなく、固定電極と固定参照電極とが一体とされ、可動電極と可動参照電極とが一体とされていてもよい。

１０１…センサチップ、１１１…基台、１１１ａ…支持部、１１２…ダイアフラム、１１２ａ…可動領域、１１３…気密室、１１４…可動電極、１１５…固定電極、１１６…可動参照電極、１１７…固定参照電極、１２１…圧力値出力部、１２２…計測部、１２３…状態判断部、１２４…基準値記憶部、１２５…警報出力部。

Claims (6)

1. 変位可能とされて測定対象からの圧力を受けるダイアフラムを備えるセンサチップから構成されて前記ダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する真空計の前記ダイアフラムの状態を検出する真空計状態検出方法であって、
   前記真空計の出力を得る第１ステップと、
   前記第１ステップで得られた出力と基準となる基準特性とを比較する第２ステップと、
   前記第２ステップの比較で前記出力が前記基準特性以上とされた過大圧印加状態の回数を積算する第３ステップと、
   前記第３ステップで得られた回数が設定されている上限値に達したことを判断する第４ステップと
   を備えることを特徴とする真空計状態検出方法。
2. 請求項１記載の真空計状態検出方法において、
   前記第２ステップの比較で過大圧印加状態とされた時刻情報を取得し、取得した時刻情報、前記第３ステップで得られた回数，および設定されている上限回数から前記真空計のゼロ点調整が限界となる日時を予測し、予測した日時から前記真空計の整備に必要な日時を差し引いて得られた限界日時より前記上限値を決定する
   ことを特徴とする真空計状態検出方法。
3. 請求項１記載の真空計状態検出方法において、
   前記真空計の直前に実施したゼロ点調整における調整量を前記第３ステップで得られた回数で除したレート値を求め、現時点における前記真空計の調整可能量を前記レート値で除した値より残り回数を決定し、前記回数に前記残り回数を加えた値を上限値とする
   ことを特徴とする真空計状態検出方法。
4. 変位可能とされて測定対象からの圧力を受けるダイアフラムを備えるセンサチップから構成されて前記ダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する真空計と、
   前記真空計の出力を得る計測部と、
   前記計測部が得た出力と基準となる基準特性とを比較して前記出力が前記基準特性以上とされた過大圧印加状態の回数を積算し、回数が設定されている上限値に達したことを判断する状態判断部と
   を備えることを特徴とする真空状態検出システム。
5. 請求項４記載の真空状態検出システムにおいて、
   前記状態判断部は、前記比較で過大圧印加状態とされた時刻情報を取得し、取得した時刻情報、前記回数，および設定されている上限回数から前記真空計のゼロ点調整が限界となる日時を予測し、予測した日時から前記真空計の整備に必要な日時を差し引いて得られた限界日時より前記上限値を決定する
   ことを特徴とする真空状態検出システム。
6. 請求項４記載の真空状態検出システムにおいて、
   前記状態判断部は、前記真空計の直前に実施したゼロ点調整における調整量を前記回数で除したレート値を求め、現時点における前記真空計の調整可能量を前記レート値で除した値より残り回数を決定し、前記回数に前記残り回数を加えた値を上限値とする
   ことを特徴とする真空状態検出システム。