JP7372062B2 - 圧力センサ - Google Patents

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Description

本発明は、圧力センサに関する。
例えば、圧力を受けたダイアフラムのたわみ量、すなわち変位より圧力値を出力する圧力センサは、半導体設備をはじめ、工業用途で広く使用されている。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や、ドライエッチング装置が用いられている。このような製造装置では、ｎｍ単位の厚さの薄膜を形成するため、処理室内の圧力やプロセスガスの分圧などを正確に制御しており、圧力を正確に計測することが重要となる。このような圧力の計測のために、圧力センサが用いられている。
この種の圧力センサでは、プロセス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、プロセス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。
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。圧力センサのダイアフラムにこのような無用な堆積が発生すると、よく知られているように、零点シフトや圧力感度の変化などをもたらし、正確な測定が阻害され、処理の結果に大きな影響を与える。
上述したダイアフラムへの無用な堆積を防ぐため、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。また、バッフルなどによりプロセスガスがダイアフラムに至るまでの経路を複雑にし、無用な堆積を途中で捉えることで、ダイアフラムへの無用な堆積を防ぐ技術が提案されている（特許文献１～３参照）。また、ダイアフラムへプロセスガスが到達する箇所を、堆積の影響が大きいダイアフラム中心を避け、ダイアフラムの周辺部とする技術も提案されている（特許文献１，２，４，５参照）。
また、ＡＬＤに対応させるため、ダイアフラムの剛性を調整し、ダイアフラムの撓み自体を抑制するようにしたダイアフラム構造も提案されている（特許文献６参照）。また、ダイアフラム表面を、格子状の網目などの構造化された表面とし、ダイアフラムに堆積した測定媒体の材料による曲げ応力が大幅に低減する技術も提案されている（特許文献７参照）。
特開２００１－１４９９４６号公報 特表２０１６－５２６１５３号公報 特開２０１５－０３４７８６号公報 特開２０１４－１２６５０４号公報 特開２０１４－１０９４８４号公報 特開２０１０－２３６９４９号公報 特表２００９－５２４０２４号公報
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いる。このような背景において、前述した関連する技術では、ダイアフラムへの微量な堆積は発生し、また、堆積物によるダイアフラムへの応力（膜応力）が完全には解消されず、これらによる圧力測定精度の低下は無視できない。
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、圧力センサのダイアフラムへの堆積物による影響をより低減することを目的とする。
本発明に係る圧力センサは、変位可能とされて測定対象の気体の圧力を受圧面で受けるダイアフラムと、ダイアフラムの変位を測定する測定部とを備え、ダイアフラムの受圧面は、化学的に不活性な状態とされている。
上記圧力センサの一構成例において、ダイアフラムの受圧面は、気体の分子が吸着しにくい状態である。
上記圧力センサの一構成例において、ダイアフラムの受圧面は、層状物質が形成されていることにより、化学的に不活性な状態とされている、請求項１または２記載の圧力センサ。
上記圧力センサの一構成例において、ダイアフラムの受圧面は、表面終端分子が形成されていることにより、化学的に不活性とされている。
上記圧力センサの一構成例において、測定部は、ダイアフラムの可動領域に形成された可動電極と、可動電極に向かい合って形成された固定電極とを有し、可動電極と固定電極との間の静電容量を計測することにより、ダイアフラムの変位を測定する。
上記圧力センサの一構成例において、測定部は、ダイアフラムの可動領域および非可動領域に向かい合って形成された、反射膜あるいは半反射膜を有し、ダイアフラムの変位を光学的に測定する。
上記圧力センサの一構成例において、測定部は、ダイアフラムに形成されたピエゾ抵抗領域を有し、イアフラムの歪みを計測することにより、ダイアフラムの変位を測定する。
以上説明したことにより、本発明によれば、圧力センサのダイアフラムへの堆積物による影響をより低減することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図２は、物質の表面の原子配列の状態を説明する説明図である。 図３は、物質の表面に層状物質２０５が形成された状態を示す構成図である。 図４は、物質の表面に自己組織化単分子層２０６形成された状態を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る他の圧力センサの構成を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る他の圧力センサの一部構成を示す平面図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る他の圧力センサの一部構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る圧力センサについて図１を参照して説明する。この圧力センサは、変位可能とされて測定対象の気体の圧力を受圧面で受けるダイアフラム１０２と、ダイアフラムの変位を測定するように構成された測定部とを備える。この圧力センサの測定部は、ダイアフラム１０２の可動領域１０２ａに形成された可動電極１０４と、可動電極１０４に向かい合って形成された固定電極１０５とを備える。この圧力センサは、いわゆる静電容量式の圧力センサである。
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。
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。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。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は、測定器１１１において、設定されているセンサ感度を用いて圧力値に変換されて出力される。
なお、圧力センサは、ダイアフラムの可動領域に形成された可動電極と、可動電極に向かい合って形成された第１の固定電極とを有する第１の電極対と、ダイアフラムの非可動領域に形成された非可動電極と、非可動電極に向かい合って形成された第２の固定電極とを有する第２の電極対とを有する構成とすることもできる。この圧力センサは、第１の電極対の容量と第２の電極対の容量との差分に基づく値を計測する。
この圧力センサにおいて、ダイアフラム１０２の受圧面は、化学的に不活性な状態とされている。ダイアフラム１０２の受圧面は、測定対象の気体の分子およびプロセスによって発生した残渣やガスなどの気体が吸着しにくい状態である。所定の表面処理により、ダイアフラム１０２の受圧面を不活性な状態とすることができる。表面処理により、ダイアフラム１０２の受圧面を不活性な状態とする層が形成され、この層の存在により、ダイアフラム１０２の受圧面が不活性となる。
例えば、表面処理により、ダイアフラム１０２の受圧面に、層状物質による数分子層の被膜を形成することで、ダイアフラム１０２の受圧面を不活性な状態とすることができる。この場合、ダイアフラム１０２の受圧面には、層状物質の層が形成されている状態となる。
また、表面処理により、ダイアフラム１０２の受圧面（のダングリングボンド）を、表面終端分子により終端することで、ダイアフラム１０２の受圧面を不活性な状態とすることができる。この場合、ダイアフラム１０２の不活性とされている受圧面には、表面終端分子が形成されている状態となる。
よく知られているように、物質の表面では、原子配列が途切れている。例えば、図２の（ａ）に示すように、原子２０１から構成される物質の表面では、原子配列が途切れ、表面原子２０２と、ダングリングボンド２０３とが存在している。ダングリングボンド２０３の部分は、本来結合している原子が無いので、表面原子２０２は、内部の原子２０１に比べ、近接する原子やイオンからの作用が不均一となっている。また、物質の表面には、表面原子欠陥が存在する場合もある。これらの理由により、表面原子２０２のエネルギーポテンシャルは、内部の原子２０１とは異なり、表面原子２０２自体のエネルギー（表面自由エネルギー）が高く、不安定（活性）な状態になる。
ダングリングボンド２０３の反応性は非常に高く、結晶成長などの現象に対して強く作用するため、物質表面に存在するダングリングボンド２０３は、近づく異分子に対しても吸着を促すものと考えられる。また、図２の（ｂ）に示すように、ダングリングボンド２０３に気体を構成する異分子２０４などが吸着することで、物質表面が再構成され、安定な状態になることが多い。ただし、物質表面が曝される環境が、真空状態などの負圧であったり、温度が上がったりする場合、吸着した分子が脱離し、物質表面には再びダングリングボンド２０３が現れ、活性な表面となる可能性が高い。
ここで、表面原子２０２に他の原子が吸着するか否かは、ダングリングボンド２０３の数のみに依存するわけではなく、物質の結晶構造や、分子の極性なども影響するものと考えられる。ただし、一般には、物質の表面が活性か否か（表面ポテンシャルエネルギーの大小）が、物質表面への他の原子、分子の吸着に影響するものと考えられている。従って、表面が不活性な状態であれば、物質表面に対する異物の吸着を防ぐことが可能となる。
例えば、図３に示すように、原子２０１から構成され、表面原子２０２とダングリングボンド２０３とが存在している物質の表面に、層状物質２０５による数分子層の被膜を形成することで、物質の表面を不活性な状態にすることができる。層状物質は、よく知られているように、異なる層間は弱いファンデルワールス力で結合している。また、層状物質の劈開面には、ダングリングボンドが現れにくい。このような層状物質で物質の表面を終端することで、物質の表面を不活性な状態とすることができ、異物が接近しても吸着が防げるようになる。
例えば、グラファイト、グラフェン，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉから構成された層状物質が適用できる。また、ＭＣｈ2（Ｍ＝Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ、Ｃｈ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）などの遷移金属ダイカルコゲナイドから構成された層状物質が適用できる。また、ＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳｅなどの１３族カルコゲナイドから構成された層状物質が適用できる。また、ＧｅＳ，ＳｎＳ2，ＳｎＳｅ2，ＰｂＯなどの１４族カルコゲナイドから構成された層状物質が適用できる。また、Ｂｉ2Ｓｅ3，Ｂｉ2Ｔｅ3などのビスマスカルコゲナイドから構成された層状物質が適用できる。
また、Ｍ（ＯＨ）2（Ｍ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｄ）などの水酸化２価金属から構成された層状物質が適用できる。また、ＭｇＢｒ2，ＣｄＣｌ2，ＣｄＩ2，Ａｇ2Ｆ，ＡｓＩ3，ＡｌＣｌ3などのハロゲン化金属から構成された層状物質が適用できる。また、層状ケイ酸塩，層状酸化物酸化チタン系，ペロブスカイト系ナノシート、ニオブ酸塩酸化物［ＭｏＯ3，ＷＯ3，ＴｉＯ2，ＭｎＯ2，Ｖ2Ｏ5，ＴａＯ3，ＲｕＯ2，ＬａＮｂ2Ｏ7，（Ｃａ，Ｓｒ）2Ｎｂ3Ｏ10，Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12，Ｃａ2Ｔａ2ＴｉＯ10］などから構成された層状物質が適用できる。また、上述した層状物質を形成するための表面処理としては、ＣＶＤ、ＡＬＤ、スパッタ、分子線エピタキシー法などがある。
また、活性化エネルギーを低くするフッ素やフッ素化合物などによって終端されている分子鎖が、物質表面の面方向に垂直な方向に連なる分子層を用い、物質の表面の不活性化が実現できる。各分子鎖（表面終端分子）により、ダングリングボンドが終端できる。
例えば、図４に示すように、原子２０１から構成され、表面原子２０２とダングリングボンド２０３とが存在している物質の表面に、自己組織化単分子層２０６を設けることで、表面の不活性化が実現できる。自己組織化単分子層２０６は、配向性のそろった複数の分子鎖２０７と、これら分子鎖２０７の各々に終端する終端原子２０８とから構成されている。また、分子鎖２０７を、配向ナノチューブから構成することもできる。この種の層は、厚さが数ｎｍ以下とごく薄く、表面処理自体も、圧力センサを作製した後に実施することができる。
自己組織化単分子層としては、チオール系、シラン系、酢酸系などがある。これらは、例えば、反応活性分子の溶液や蒸気を、処理対象の表面に接触させることで形成できる。溶液処理や気相処理により、酸―塩基反応、シランカップリング反応などの化学反応を利用することで、表面に自己組織化単分子層が形成できる。
また、配向ナノチューブとしては、カーボンナノチューブ（フッ素官能基化配向カーボンナノチューブ）がある。
ところで、上述したような不活性化のための表面処理は、測定対象の気体に曝される、ダイアフラム１０２の受圧面が対象となり、圧力センサを作製した後に実施可能である。また、この表面処理では、圧力センサの電気的な出力部分への影響はない。従って、既に実使用されている圧力センサを取り外し、この圧力センサに表面処理を実施することもできる。
また、圧力センサは、ダイアフラムの変位を光学的に計測する測定部を備える圧力センサであってもよい。この圧力センサについて、図５を参照して説明する。この圧力センサは、基台１２１と、基台１２１の支持部１２１ａに支持されたダイアフラム１２２とを備える。ダイアフラム１２２は、変位可能とされて測定対象の気体の圧力を受圧面で受ける。また、ダイアフラム１２２は、可動領域１２２ａの外側の接合領域１２２ｂで、支持部１２１ａの上面に接合され、可動領域１２２ａで基台１２１と離間して配置されている。また、基台１２１は、透光性を有する材料から構成されている。
この圧力センサの測定部は、ダイアフラム１２２の可動領域１２２ａに形成された反射膜１２４と、反射膜１２４に向かい合って形成された半反射膜１２５とを備える。また、第１信号光および第２信号光を出射する光源（不図示）、干渉測定部（不図示）を備える。可動領域１２２ａにおけるダイアフラム１２２と基台１２１との間には、気密室１２３が形成され、気密室１２３の内部に、反射膜１２４および半反射膜１２５が配置されている。光源から出射される信号光は、例えば、光ファイバにより、対象とする箇所に導くことができる。
この圧力センサにおいて、ダイアフラム１２２の受圧面は、不活性な状態とされている。ダイアフラム１２２の受圧面は、測定対象の気体の分子が吸着しにくい状態である。所定の表面処理により、ダイアフラム１２２の受圧面を不活性な状態とすることができる。表面処理により、ダイアフラム１２２の受圧面を不活性とする層が形成され、この層の存在により、ダイアフラム１２２の受圧面を不活性な状態とする。これらの構成は、前述した実施の形態と同様である。
この圧力センサは、光源より出射される第１信号光を、基台１２１および半反射膜１２５を透過させて反射膜１２４で反射させて第１反射光を得る。また、光源より出射される第２信号光を、基台１２１を透過させて半反射膜１２５で反射させて第２反射光を得る。このようにして得た第１反射光と第２反射光との干渉を、干渉測定部で取ることで、反射膜１２４を設けているダイアフラムの変位が計測できる。
次に、本発明に係る他の圧力センサについて、図６，図７を参照して説明する。なお、図７は、図６のｘｘ’線における断面を示している。この圧力センサは、半導体層１５１に形成されたダイアフラム１５９と、ダイアフラム１５９の応力（歪み）を測定するピエゾ素子（測定部）１５０とを備える。ピエゾ素子１５０により、ダイアフラム１５９の歪みを計測することで、ダイアフラム１５９に印加される圧力を測定する。
また、ダイアフラム１５９の受圧面は、前述したダイアフラム１０２と同様に、不活性な状態とされている。ダイアフラム１５９の受圧面は、測定対象の気体の分子が吸着しにくい。ダイアフラム１５９は、周囲の半導体層１５１より薄く形成され、また、平面視矩形とされ、この表面（受圧面）が、不活性な状態とされている。
ダイアフラム１５９の４つの辺の各々に、ピエゾ素子１５０が配置される。ピエゾ素子１５０は、ピエゾ抵抗領域１５２、保護領域１５３、コンタクト領域１５４ａ，１５４ｂ、電極１５５ａ，１５５ｂを備える。電極１５５ａ，１５５ｂは、半導体層１５１の上に絶縁層１５６を介して形成され、絶縁層１５６を貫通して半導体層１５１のコンタクト領域１５４ａ，１５４ｂにオーミック接続している。
この圧力センサは、ピエゾ抵抗型の圧力センサである。４つのピエゾ素子１５０の４個のピエゾ抵抗領域をブリッジ接続し、圧力を受けたダイアフラム１５９の変形に伴う４つのピエゾ抵抗領域の抵抗値の変化を、ブリッジ出力として得ることで、圧力が測定できる。
ピエゾ抵抗領域１５２は、半導体層１５１に形成されたｐ型の不純物が導入された領域である。半導体層１５１は、例えば、シリコンから構成されている。半導体層１５１は、例えば、シリコン基板の表面側の部分である。また、半導体層１５１は、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）の表面シリコン層であってもよい。ピエゾ抵抗領域１５２は、シリコンからなる半導体層１５１に、ｐ型不純物であるホウ素（Ｂ）が導入されたｐ型の領域である。
また、保護領域１５３は、ピエゾ抵抗領域１５２が形成されている領域の上部を覆って半導体層１５１に形成されたｎ型の不純物が導入された領域である。ピエゾ抵抗領域１５２は、シリコンからなる半導体層１５１に、ｎ型不純物であるリン（ｐ）が導入されたｎ型の領域である。なお、ピエゾ抵抗領域１５２の不純物濃度＜保護領域１５３の不純物濃度＜コンタクト領域１５４ａ，１５４ｂの不純物濃度とされている。
また、保護領域１５３は、平面視で、ピエゾ抵抗領域１５２の全域を覆っている。保護領域１５３は、平面視で、ピエゾ抵抗領域１５２以上の面積とされている。なお、保護領域１５３は、半導体層１５１の厚さ方向において、ピエゾ抵抗領域１５２より半導体層１５１の表面側に形成されている。保護領域１５３は、ピエゾ抵抗領域１５２に接して形成されている必要は無い。
また、コンタクト領域１５４ａ，１５４ｂは、ピエゾ抵抗領域１５２に接続し、保護領域が形成されている領域以外で半導体層１５１の表面に到達して形成されたｐ型の不純物が導入された領域である。電極１５５ａ，１５５ｂは、半導体層１５１の表面側で、コンタクト領域１５４ａ，１５４ｂの各々にオーミック接続する。電極１５５ａ，１５５ｂは、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属から構成されている。
以上に説明したように、本発明によれば、ダイアフラムの受圧面を、不活性な状態としたので、圧力センサのダイアフラムへの堆積物による影響をより低減することができる。
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。
１０１…基台２０１、１０１ａ…支持部、１０２…ダイアフラム、１０２ａ…可動領域、１０３…気密室、１０４…可動電極、１０５…固定電極、１１１…測定器。

Claims (4)

  1. 変位可能とされて真空状態の環境下で測定対象の気体の圧力を受圧面で受けるダイアフラムと、
    前記ダイアフラムの変位を測定する測定部と
    を備え、
    前記ダイアフラムの前記受圧面は、グラファイト、Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ、ＭＣｈ2（Ｍ＝Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ、Ｃｈ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）の何れかの遷移金属ダイカルコゲナイド、ＧａＳ，ＧａＳｅ，ＧａＴｅ，ＩｎＳｅの何れかの１３族カルコゲナイド、ＧｅＳ，ＳｎＳ2，ＳｎＳｅ2，ＰｂＯの何れかの１４族カルコゲナイド、Ｂｉ2Ｓｅ3，Ｂｉ2Ｔｅ3 の何れかのビスマスカルコゲナイド、Ｍ（ＯＨ）2（Ｍ＝Ｍｇ，Ｃａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｄ）の何れかの水酸化２価金属、ＭｇＢｒ2，ＣｄＣｌ2，ＣｄＩ2，Ａｇ2Ｆ，ＡｓＩ3，ＡｌＣｌ3 の何れかのハロゲン化金属、層状ケイ酸塩，層状酸化物酸化チタン系，ペロブスカイト系ナノシート、ニオブ酸塩酸化物［ＭｏＯ3，ＷＯ3，ＴｉＯ2，ＭｎＯ2，Ｖ2Ｏ5，ＴａＯ3，ＲｕＯ2，ＬａＮｂ2Ｏ7，（Ｃａ，Ｓｒ）2Ｎｂ3Ｏ10，Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12，Ｃａ2Ｔａ2ＴｉＯ10］の何れかから構成された層状物質が形成されていることにより、化学的に不活性な状態とされていることを特徴とする圧力センサ。
  2. 前記測定部は、
    前記ダイアフラムの可動領域に形成された可動電極と、
    前記可動電極に向かい合って形成された固定電極と
    を有し、
    前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量を計測することにより、前記ダイアフラムの変位を測定する、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 前記測定部は、
    前記ダイアフラムの可動領域に形成された反射膜と、前記反射膜に向かい合って形成された半反射膜とを有し、
    前記ダイアフラムの変位を光学的に測定する、請求項１に記載の圧力センサ。
  4. 前記測定部は、
    前記ダイアフラムに形成されたピエゾ抵抗領域を有し、
    前記ダイアフラムの歪みを計測することにより、前記ダイアフラムの変位を測定する、請求項１に記載の圧力センサ。
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