JP7417698B2 - 圧力センサ用ダイアフラムの撓みを抑制する方法および圧力センサ用ダイアフラム - Google Patents
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Description
成膜工程でプロセスのガス圧力を計測・制御する隔膜真空計のセンサチップに上記物質が堆積すると、この堆積膜の収縮が原因でセンサダイアフラムが不必要に変形してしまい、零点のシフトや圧力感度の変化をもたらし、成膜やエッチングの品質に大きな影響を与えてしまうことが知られている。
一方、隔膜真空計のダイアフラムの構造物で堆積膜の影響を抑制しようとする試みとして特許文献8および特許文献9に示すような構造が提案されている。これらの特許文献8,9には、ダイアフラム上にテーブル型、逆テーパー型、あるいは方形波状の構造物やハニカム形状になるよう梁構造を設けることで堆積膜を分断し、膜応力がダイアフラムに与える影響を抑制する手法が記述されている。
図18は膜分断の効果を計算したモデルの1つである。センサダイアフラムは、通常は周辺が固定された円板であるが、数値シミュレーションを簡単に実施するために、両側が固定された平板1の2次元モデルを用いて計算を実施した。計算結果を図19と図20とに示す。
この膜応力のために平板1は曲げモーメントを受けて例えば収縮の場合には下側に凸に撓むことになり、これが円形のセンサダイアフラムを用いた隔膜真空計の場合の膜堆積による零点シフトに対応する。
ところが、実際に膜を分断しようとして引用文献8や引用文献9に開示されているような構造を適用しようとすると、現実的な問題としてセンサ製造上、困難なことに直面する。図18から図20に示した計算モデルの平板1のスパン(両端の固定部間の間隔)は5000μmであるが、仮に均一膜の5%以下まで変位を小さくしようとすると、膜3の分割数は500~1000程度まで小さくしなければならない。
この結果、ダイアフラムを曲げる力が小さくなり、ダイアフラムが撓み難くなるから、零点シフトを小さく抑えることができる。
傾斜面は、ダイアフラムに多数の溝を形成する場合とは異なり、現実的な加工寸法で実現することができる。
したがって、本発明によれば、膜応力低減のための構造を現実的な加工寸法で実現し、センサダイアフラムの堆積膜が原因で生じる零点シフトが可及的小さくなる圧力センサ用ダイアフラムの撓みを抑制する方法および圧力センサ用ダイアフラムを提供することができる。
図1に示す静電容量型隔膜真空計11は、図1において最も外側に位置するパッケージ12と、このパッケージ12の中に収容されたセンサチップ13などを備えている。この実施の形態においては、センサチップ13が本発明でいう「圧力センサ」に相当する。
第1の台座プレート21は、支持ダイアフラム17を第2の台座プレート25と協働して挟んでいる。第1および第2の台座プレート21,25は、それぞれサファイアによって円板状に形成されており、それぞれ支持ダイアフラム17に接合されている。第1および第2の台座プレート21,25には、被測定流体を通すための連通孔26~28が穿設されている。
センサ台座42の内側底面42aと、センサダイアフラム41におけるセンサ台座42の内側底面42aと対向する一方の面41aとには、それぞれ2種類の電極47~50が設けられている。センサダイアフラム41の中央部とセンサ台座42の内側底面42aの中央部とには、一対の感圧電極47,48が設けられている。センサダイアフラム41の外周部とセンサ台座42の内側底面42aの外周部とには、一対の参照電極が49,50が設けられている。センサチップ13は、感圧電極47,48からなる感圧キャパシタの静電容量と、参照電極49,50からなる参照キャパシタの静電容量とに基づいて、センサダイアフラム41に加えられている圧力を検出する。
発明者は、センサダイアフラム41の膜が堆積する面を分割するのではなく、この面を傾斜させて曲げモーメントの作用する方向をセンサダイアフラムに対して垂直な方向に近付けることにより、センサダイアフラム41が撓み難くなると考えた。
すなわち、センサダイアフラム41の表面にセンサダイアフラム41の厚み方向とは垂直な平坦部分がなるべく少なくなるように、傾斜面を用いて凹凸構造を構成し、膜応力による撓みを抑制する。
図3(A)は、山形構造のシミュレーションの計算モデルを示す断面図、図3(B)は、山形構造の一部を拡大して示す断面図、図3(C)は、山形構造の一部を拡大して示す斜視図である。
図3に示す平板51の一方の面には、多数の断面山形状の突出部52が並べて形成されている。図3の示す突出部52は、平板51の厚み方向とは垂直な方向に延びる突条である。このため、平板51の一方の面は、突出部52の側面、言い換えれば平板51の厚み方向(平板51の平坦な他方の面51aとは垂直な方向)に対して傾斜する複数の傾斜面53,54によって形成されている。この実施の形態においては、平板51の平坦な他方の面51aが請求項8に記載した発明でいう「ダイアフラムに平行な面」に相当する。
これらの傾斜面53,54は、図3において上方、すなわち平板51の外を指向している。この平板51をセンサダイアフラム41とすると、傾斜面53,54は圧力室44の内方を指向することになる。このような突出部52は、例えばドライエッチング法によって形成することができる。傾斜面53,54に堆積膜55が形成されている。
シミュレーションを行ったところ、図4および図5に示すような結果が得られた。図4(A)は、山形構造を採用したダイアフラムモデルの結果を示し、図4(B)は、平坦なダイアフラムモデルの結果を示す。図4(A)と図4(B)は、変形スケールを合わせて表示してある。図4においては、変位の度合いをドットの密度で表現している。山形構造の山(突出部52)の幅は100μm、高さも100μmで、分割数は50であるが、殆ど撓んでいないことが分かる。
さらに、山形構造を採る場合は、図8に示すように、互いに隣接する二つの山(突出部52)の間で谷になる部分に断面矩形状のスリット(溝)56を形成することができる。スリット56の幅Wは、成膜に関与する原料ガスの平均自由行程以下の幅である。このようにスリット56を形成することにより、谷の部分に到達しうる原料ガスの分子は激減することが予想され、大きな効果が得られる。
スリット56を設ける場合、互いに隣合う突出部52どうしの間が堆積膜で埋められることがないように、スリット56の溝幅Wを10~50μmとすることが望ましく、スリット深さDを溝幅より大きくすることが望ましい。
図9(B)に示す突出部52は、断面形状が半球状を呈するように形成されている。このように断面半球状の突出部52であっても、突出部52の側面が丸みを帯びた傾斜面(断面円弧状の凸曲面57)であるから、突出部52が山形状である場合と同等の効果が得られる。
図9(C)に示す突出部52は、断面形状が台形状を呈するように形成されている。台形は、上辺58が突出部52の先端面に含まれる形状である。このように断面台形状の突出部52であっても、突出部52の側面が傾斜面53,54であるから、突出部52が山形状である場合と同等の効果が得られる。
図10(A)は、従来の構造の断面図を示し、図10(B)は、本発明の構造の断面図を示す。
図10(A)に示すセンサダイアフラム61は、断面矩形状の複数の突出部62を有している。堆積膜55は、突出部62の平坦な突出端面63と、突出部62どうしの間で露出するセンサダイアフラム61の平坦なダイアフラム表面61aとに形成されている。
このようにセンサダイアフラム61に対して平行な部分(突出端面63とダイアフラム表面61a)がセンサダイアフラム61に形成されていると、センサダイアフラム61に働く膜応力モーメントMは、個々の部分で分断されていても全体で合成されるとそれなりの値となってしまう。
また、個々の膜応力モーメントMが山(突出部52)の対向側の斜面で生じている膜応力モーメントMと打ち消し合うので、センサダイアフラム41の全体として膜応力モーメントMが低減される。
この結果、センサダイアフラム41を曲げる力が小さくなり、センサダイアフラム41が撓み難くなると推察される。
この突出部52は、センサダイアフラム41に格子状に配置したり、圧力室44内から見て6角形状に配置したり、適宜変更可能である。
図12に示す突出部52は、円錐状に形成されている。円錐の側面である周面65が本発明でいう「傾斜面」に相当する。
図13に示す突出部52は、底面が四角形の角錐台状に形成されている。この角錐台の4つの側面66が本発明でいう「傾斜面」に相当する。
図14に示す突出部52は、円錐台状に形成されている。この円錐台の周面67が本発明でいう「傾斜面」に相当する。
図15に示す突出部52は、半球状に形成されている。この半球状の球面68が本発明でいう「傾斜面」に相当する。
図16は3次元の計算モデルを示す図で、図16(A)は、四角錐からなる突出部52が設けられたダイアフラムモデル71の一部を示す斜視図、図16(B)は、図16(A)の一部を拡大して示す斜視図である。図16(C)は、平坦なダイアフラムモデル72の一部を示す斜視図、図16(D)は、図16(C)の一部を拡大して示す斜視図である。
ダイアフラムモデル71の厚みは全体で100μmである。突出部52となる四角錐は、底面幅が50μm×50μm、高さが50μmである。この四角錐は格子状に配置されている。ダイアフラムモデル71の径は6.5mmとしたので半径方向の配置数(すなわち分割数)は130である。比較の為の平坦なダイアフラムモデル72は、圧力感度を等しくする為に厚みを63.2μmとした。
したがって、この実施の形態によれば、膜応力低減のための構造を現実的な加工寸法で実現し、センサダイアフラム41の堆積膜55が原因で生じる零点シフトが可及的小さくなる圧力センサを提供することができる。
また、突出部52を角錐状、円錐状、角錐台状、円錐台状に形成する場合であっても、傾斜面53,54がセンサダイアフラム41に平行な面とのなす角度は、図7に示すように、それぞれ少なくとも20°~90°であり、45°~80°であることが望ましい。
さらに、突出部52を角錐状や円錐状などの形状に形成する場合であっても互いに隣接する二つの突出部52どうしの間に断面矩形状のスリット(溝)56を形成することができる。このスリット56も図8に示すように溝幅Wが10~50μmであり、深さDが溝幅より大きいことが望ましい。
Claims (2)
- 壁の一部がダイアフラムによって形成された圧力センサの圧力室に成膜用の被測定流体が導入されて前記ダイアフラムに堆積膜が生成され、前記堆積膜が収縮したときの膜応力による圧力センサ用ダイアフラムの撓みを抑制する方法であって、
前記ダイアフラムにおける前記被測定流体と接触する一方の面に複数の傾斜面を有する複数個の突出部を用いて凹凸構造を構成し、
前記傾斜面は、角錐状の突出部の側面であり、
前記突出部の底辺となる各辺は、互いに隣り合う突出部の対向する辺どうしが密着するように、隣接する突出部にそれぞれ密着し、
前記傾斜面に堆積膜が形成され、前記堆積膜による膜応力が生じたときに、前記傾斜面に前記ダイアフラムに対して垂直に近くなる方向に曲げモーメントが作用し、前記傾斜面に作用する前記曲げモーメントと、隣接する傾斜面に作用する曲げモーメントとを相殺させることを特徴とする圧力センサ用ダイアフラムの撓みを抑制する方法。 - 請求項1記載の圧力センサ用ダイアフラムの撓みを抑制する方法に使用する圧力センサ用ダイアフラムであって、
前記ダイアフラムは、堆積膜を形成し得る被測定流体が導入される圧力室の壁の一部を構成するものであり、
前記ダイアフラムにおける前記被測定流体と接触する一方の面は、前記ダイアフラムに対して垂直に近くなる方向に前記堆積膜による曲げモーメントが作用するように、前記ダイアフラムの厚み方向に対して傾斜しかつ圧力室の内方を指向する複数の傾斜面を有する複数個の突出部を用いて凹凸構造が構成され、
前記傾斜面は、前記一方の面に突設された角錐状の突出部の側面であり、
前記突出部の底辺となる各辺は、互いに隣り合う突出部の対向する辺どうしが密着するように、隣接する突出部にそれぞれ密着していることを特徴とする圧力センサ用ダイアフラム。
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