KR20180095449A - 정전 용량형 압력 센서 - Google Patents

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medium
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마사루 소에다
다쿠야 이시하라
마사시 세키네
히데노부 도치기
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아즈빌주식회사
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Abstract

본 발명은 피측정 매체로부터의 열 전달에 기인하는 다이어프램의 변형의 영향을 저감하여, 히스테리시스나 시프트 등의 출력 신호 오차를 삭감하는 것을 목적으로 한다.
제2 대좌 플레이트(22)의 다이어프램 지지부(32)에 대면하는 위치에 압력 도입 구멍(22a)을 형성한다. 이에 의해, 다이어프램 지지부(32)와 이 다이어프램 지지부(32)에 접합된 센서 대좌(35)의 두께 부분(두꺼운 부분)(30A)이 방열부 혹은 흡열부가 되어, 피측정 매체가 갖는 열에너지가 센서 다이어프램(31)에 전해지기 어려워진다.

Description

정전 용량형 압력 센서{CAPACITIVE PRESSURE SENSOR}
본 발명은 피측정 매체의 압력에 따른 정전 용량을 검출하는 다이어프램 구조의 센서 칩을 구비한 정전 용량형 압력 센서에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 제조 설비 등에 있어서 사용되는 진공계를 비롯한 압력 센서에 있어서는, 이른바 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 소형의 다이어프램을 갖는 센서 소자를 채용하는 경우가 많다. 이 센서 소자는, 다이어프램으로 압력 매체를 수압(受壓)하고, 이에 의해 발생한 변위를 어떠한 신호로 변환하는 것을 그 주된 검출 원리로 하고 있다.
예컨대, 이러한 종류의 센서 소자를 이용한 압력 센서로서, 피측정 매체의 압력을 받아 휘어지는 다이어프램(격막)의 변위를 정전 용량의 변화로서 검출하는 정전 용량형 압력 센서가 널리 알려져 있다. 이 정전 용량형 압력 센서는, 가스종 의존성이 적기 때문에, 반도체 설비를 비롯하여 공업 용도로 자주 사용되고 있다. 예컨대, 반도체 제조 장치 등에 있어서의 제조 프로세스 중의 진공 상태를 계측하기 위해서 이용되고 있으며, 이 진공 상태를 계측하기 위한 정전 용량형 압력 센서를 격막 진공계라고 부르고 있다. 또한, 피측정 매체의 압력을 받아 휘어지는 다이어프램은, 감압(感壓) 다이어프램이라고 불리거나, 센서 다이어프램이라고 불리거나 하고 있다.
격막 진공계에 대해서는, 재료 가스나 클리닝 가스에 대한 내부식성과 함께, 프로세스 중의 부생성물 등(이하, 이들 물질을 오염 물질이라고 부름)의 퇴적에 대해 내성이 요구된다. 설비의 통상 가동 중에는 프로세스 챔버 내부뿐만이 아니라 배관이나 펌프류, 또한 격막 진공계 내부에도 퇴적이 발생하여, 진공도 계측 오차의 요인이 된다. 이들 오염 물질의 예기하지 못한 퇴적을 저감하기 위해서, 격막 진공계도 포함한 챔버 등의 진공 컴포넌트는 최대로 200℃ 정도의 자기 가열이 이루어지는 것이 통상이다. 따라서 상기한 내부식성과 함께, 격막 진공계에는 이 자기 가열 온도에 대한 내열성도 요구되고 있다.
반도체 제조 장치의 프로세스 시나 메인터넌스 시에는, 상기한 바와 같이 자기 가열 상태에 있는 격막 진공계 내부의 센서 소자에 대해, 계측 레인지의 압력은 물론 그보다 과대한 압력을 갖는 가스 등의 계측 매체가 반복해서 인가되는 상황에 있다. 이 때문에, 센서 제조 시의 잔류 응력이 존재하면, 출력 신호에 히스테리시스 등의 오차가 발생하여, 센서 정밀도에 영향을 준다.
전술한 바와 같이, 격막 진공계에서는, 계측을 위해서 압력을 다이어프램에 인가하는 것이 필수적이다. 그 압력의 크기로서는, 대기압이나 센서의 풀 스케일 압력과 같은 큰 압력이 몇 번이고 인가되는 것이 예상되고, 이후에 센서는 다시 진공 배기되어 제로점으로 되돌아가는 것이 정상이다.
종래, 이러한 인가 압력의 대폭적인 증감에 따르는 히스테리시스(기계적 응력 상태의 변화에 의해 발생하는 압력 유래의 히스테리시스)가 센서 부재의 접합 개소에 발생하는 것으로 생각되고 있었다. 압력이 인가되면, 패키지의 금속 케이스나 센서 부재 그 자체가 변형하고 그 영향이 격막(다이어프램)에 전해져서 형상이 변화하여, 히스테리시스나 시프트를 발생시키는 경우도 있다.
그러나, 대부분의 경우는 용접부 등의, 압력에 의한 변형에 의해 상태가 변하기 쉬운 접촉 부위가 그 원인이다. 또한, 이종(異種) 재료끼리를 접합하고 있는 접합부도 그 계면에 큰 변형을 갖기 때문에 약간의 기계적 영향이 불가역의 변화를 발생시키는 것도 생각된다. 그 외에도 정전 용량을 형성하는 전극 재료가 압력 인가를 받아 변형해 버리는 경우도 있고, 이러한 시프트나 히스테리시스를 센서에 인가될 수 있는 압력 영역에서 발생시키지 않는 것이 종래부터의 압력 센서의 큰 설계 과제로 되어, 이 과제를 해결하기 위해서 여러 가지 대책이 취해지고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제9-61270호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2002-111011호 공보
그러나, 격막 진공계에서는, 계측 원리상, 수압 시의 피측정 매체로부터의 다이어프램에의 열 전달이 아무리 해도 불가피하며, 전술한 바와 같은 종래부터의 과제와는 다른 과제가 발생한다. 특히, 센서 소자의 부분적인 영역(특히 다이어프램 부위)에 국소적인 온도 변화가 발생하는 경우에는, 센서 출력의 히스테리시스 오차로 직결되기 때문에, 영향을 최저한으로 억제하는 것이 센서 제품의 정밀도 유지에 있어서 중요해진다.
단, 자기 가열의 온도를 제어하여 온도를 균일하게 하고자 시도했다고 해도, 진공 상태의 센서 내부의 국소 온도 분포에 대해서는 효과가 적다. 이것은 가스 분자에 의한 열 전달의 영향이 크기 때문이라고 추측된다. 출력에 나타나는 히스테리시스는, 계측 압력 레인지가 작아짐에 따라, 풀 스케일 압력에 대한 오차의 영향이 커져, 보다 시비어(severe)한 상황이 된다. 따라서, 센서 계측 정밀도상의 큰 문제가 되기 때문에, 개선이 요구되게 된다.
종래에는 전술한 센서 구조 제작 시의 잔류 응력에 대한 대책이 대부분이며, 이러한 미소 압력 레인지에서 현저해지는, 계측 원리상 피할 수 없는 요인(피측정 매체로부터의 다이어프램에의 열 전달)에 대해 대책을 취할 수 없었다고 하는 것이 현상(現狀)이다.
이 과제에 대해, 도 9에 도시된 종래의 격막 진공계의 주요부의 구성을 참조하여, 구체적으로 설명한다. 이 격막 진공계(100)는, 피측정 매체의 압력에 따라 변위하는 다이어프램(센서 다이어프램)(101)과, 이 센서 다이어프램(101)의 주연부(周緣部)를 지지하는 다이어프램 지지부(102)를 구비하는 다이어프램 구성 부재(103)와, 다이어프램 지지부(102)에 접합되며, 센서 다이어프램(101)과 함께 기준 진공실(104)을 형성하는 센서 대좌(台座)(105)와, 다이어프램 지지부(102)의 센서 대좌(105)와는 반대측에 접합되며, 센서 다이어프램(101)과 함께 압력 도입실(106)을 형성하는 대좌 플레이트(107)를 구비하고 있다.
이 격막 진공계(100)에 있어서, 센서 대좌(105)의 기준 진공실(104)측의 면에는 고정 전극(108)이 형성되고, 센서 다이어프램(101)의 기준 진공실(104)측의 면에는 고정 전극(108)과 대향하도록 가동 전극(109)이 형성되어 있다. 또한, 대좌 플레이트(107)에는, 그 플레이트의 중앙부[센서 다이어프램(101)의 중심에 위치하는 부분]에 압력 도입 구멍(107a)이 형성되어 있다. 이 격막 진공계(100)에 있어서, 피측정 매체는, 압력 도입 구멍(107a)을 통해 압력 도입실(106)에 도입되어, 센서 다이어프램(101)을 휘어지게 한다.
이 격막 진공계(100)를 반도체 제조 프로세스 중의 진공 상태를 계측하기 위해서 이용하는 경우, 소정의 설정 압력에서의 프로세스 시나 대기 해방되는 메인터넌스 시를 제외하고, 챔버는 진공 배기되어 있어, 격막 진공계(100)는 제로점을 유지하고 있는 것이 통상이다. 도 10에 반도체 제조 프로세스 중의 격막 진공계(100)의 설치 상황의 개략을 도시한다. 도 10에 있어서, 참조 부호 111은 메인 챔버, 참조 부호 112는 배관이다. 계측 개시 시, 메인 챔버(111)나 배관(112)에는, 이전회의 계측 시의 피측정 매체의 잔류 기체가 남아 있다. 이 피측정 매체의 잔류 기체는, 풀 스케일의 압력을 인가한 후, 진공화한 상태에 있어서도, 메인 챔버(111)로부터 배관(112)을 통해 몇 번이고 벽면과 충돌하여 열에너지를 주고받으면서 최종적으로 격막 진공계(100)의 내부의 센서 다이어프램(101)에 도달한다.
만약, 이때, 압력 인가 전의 메인 챔버(111)로부터 배관(112), 격막 진공계(100)의 패키지의 내면의 온도와 센서 다이어프램(101) 근방의 온도에 차이가 있으면, 센서 다이어프램(101)에 기체가 최초로 도달하는 개소의 온도는 열에너지의 수수(授受)에 의해 국소적으로 상승하거나, 하강하거나 한다. 측정 대상의 압력 레인지가 높으면, 센서 다이어프램(101)이 상대적으로 두꺼워지기 때문에 열이 확산되어, 국소적인 팽창은 발생하지 않거나 혹은 그 영향은 매우 작은 것이 된다.
그러나, 보다 미압(微壓)의 레인지에서는, 압력 감도를 얻기 위해서 센서 다이어프램(101)이 얇아, 열이 확산되지 않기 때문에, 국소적으로 팽창 혹은 수축하는 것과 같은 현상이 발생한다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 센서 다이어프램(101)의 중앙부에 열이 모여, 미소 온도 분포가 발생하여, 국소적으로 팽창 혹은 수축하는 것과 같은 현상이 발생한다.
이러한 국소적인 팽창이나 수축이 발생하면, 센서 다이어프램(101)의 형상이나 원래 가지고 있는 초기 휘어짐, 혹은 고정 방법 등이 원인이 되어 압력에 의하지 않는 휘어짐을 발생시켜, 센서 출력의 시프트를 발생시킨다고 생각된다. 또한, 센서 다이어프램(101)과 온도가 상이한 기체는 배관(112)으로부터 차례차례 공급되고, 백그라운드의 진공도가 예컨대 10-4 ㎩ 정도(13 ㎩ 레인지 센서의 0.001% FS)라고 하면, 잔류 기체 분자에 의한 열에너지의 교환에 의한 배관 및 센서 내벽의 균열화(均熱化)에는 큰 시간을 필요로 하기 때문에, 원래의 상태가 될 때까지 길게 뻗친 완만한 시프트가 관찰되게 된다. 완전히 원래의 상태로 되돌아가지 않으면 그것은 오프셋으로서 출력에 나타난다.
발명자는, 초기 휘어짐 0.1 um, 직경 7.5 ㎜의 다이어프램의 중심 φ 2 ㎜의 위치에 일정한 열 유속(熱流束)을 부여하여, 어느 정도의 온도 상승과 휘어짐이 발생하는지를 계산하였다. 다이어프램의 두께가 배(예컨대, 25 ㎛로부터 50 ㎛)가 되면 온도 상승은 약 절반이 되고, 이 열 유속에 기인하는 휘어짐은 1/8을 조금 넘게 되어, 두꺼운 다이어프램 쪽이 이 현상이 발생하기 어려운 것을 알 수 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 피측정 매체로부터의 열 전달에 기인하는 다이어프램의 변형을 저감하여, 히스테리시스나 시프트 등의 출력 신호 오차를 삭감하는 것이 가능한 정전 용량형 압력 센서를 제공하는 것에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 피측정 매체의 압력에 따라 변위하는 다이어프램(31)과, 이 다이어프램의 주연부를 지지하는 다이어프램 지지부(32)를 구비하는 다이어프램 구성 부재(33)와, 다이어프램 지지부에 접합되며, 다이어프램과 함께 기준 진공실(34)을 형성하는 센서 대좌(35)와, 다이어프램 지지부의 센서 대좌와는 반대측에 접합되며, 다이어프램과 함께 압력 도입실(36)을 형성하는 제2 대좌 플레이트(22)와, 센서 대좌의 기준 진공실측의 면에 형성된 고정 전극(37)과, 다이어프램의 기준 진공실측의 면에 고정 전극과 대향하도록 형성된 가동 전극(38)을 구비하고, 제2 대좌 플레이트(22)는, 다이어프램 지지부(32)에 대면하는 위치에 형성된 피측정 매체를 압력 도입실(36)에 도입하는 압력 도입 구멍(22a)을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 대좌 플레이트에는 다이어프램 지지부에 대면하는 위치에 압력 도입 구멍이 형성되어 있고, 이 압력 도입 구멍으로부터 피측정 매체가 압력 도입실에 도입된다. 즉, 본 발명에서는, 피측정 매체가 다이어프램 지지부를 경유하고 나서 다이어프램 표면으로 유도된다. 이에 의해, 다이어프램 지지부와 이 다이어프램 지지부에 접합되어 있는 센서 대좌의 두께 부분(두꺼운 부분)이 방열부 혹은 흡열부가 되어, 피측정 매체가 갖는 열에너지가 다이어프램에 전해지기 어려워진다.
한편, 상기 설명에서는, 일례로서, 발명의 구성 요소에 대응하는 도면 상의 구성 요소를, 괄호를 붙인 참조 부호에 의해 나타내고 있다.
이상 설명한 것에 의해, 본 발명에 의하면, 대좌 플레이트의 다이어프램 지지부에 대면하는 위치에 압력 도입 구멍을 형성하도록 했기 때문에, 다이어프램 지지부와 이 다이어프램 지지부에 접합된 센서 대좌의 두께 부분(두꺼운 부분)이 방열부 혹은 흡열부가 되어, 피측정 매체가 갖는 열에너지가 다이어프램에 전해지기 어려워진다. 이에 의해, 피측정 매체로부터의 열 전달에 기인하는 다이어프램의 변형을 저감하여, 히스테리시스나 시프트 등의 출력 신호 오차를 삭감하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 정전 용량형 압력 센서의 일 실시형태(격막 진공계)의 주요부를 도시한 종단면도이다.
도 2는 도 1 중의 주요부를 빼내어 도시한 도면이다.
도 3은 도 2를 화살표 A 방향에서 본 평면도이다.
도 4는 대좌 플레이트에 형성된 압력 도입 구멍의 위치 및 다이어프램 지지부에 형성된 피측정 매체의 통로를 도시한 사시도이다.
도 5는 피측정 매체의 유입구에 설치된 배플의 평면도이다.
도 6은 본 실시형태의 구조를 채용한 격막 진공계의 계측 결과를 예시하는 도면이다.
도 7은 정상적인 경우의 센서 출력의 변화, 플러스측으로 불룩해지는 경우의 센서 출력의 변화, 및 마이너스측으로 불룩해지는 경우의 센서 출력의 변화를 예시하는 도면이다.
도 8은 다이어프램 지지부에 형성하는 통로의 깊이를 깊게 한 예를 도시한 도면이다.
도 9는 종래의 격막 진공계의 주요부의 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 반도체 제조 프로세스 중의 격막 진공계의 설치 상황의 개략을 도시한 도면이다.
도 11은 피측정 매체로부터의 열 전달에 기인하여 발생하는 다이어프램의 변형을 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명을 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 정전 용량형 압력 센서의 일 실시형태(격막 진공계)의 주요부를 도시한 종단면도이다.
이 격막 진공계(1)는, 패키지(10)와, 패키지(10) 내에 수용된 대좌 플레이트 어셈블리(20)와, 마찬가지로 패키지(10) 내에 수용되며 대좌 플레이트 어셈블리(20)에 접합된 센서 칩(30)과, 패키지(10)에 직접 부착되고 패키지(10) 내외를 도통(導通) 접속하는 전극 리드부(40)를 구비하고 있다. 또한, 대좌 플레이트 어셈블리(20)는, 제1 대좌 플레이트(21)와 제2 대좌 플레이트(22)로 구성되고, 패키지(10)에 대해 이격되어 있으며, 지지 다이어프램(50)만을 통해 패키지(10)에 지지되어 있다.
패키지(10)는, 상부 하우징(11), 하부 하우징(12), 및 커버(13)로 구성되어 있다. 한편, 상부 하우징(11), 하부 하우징(12), 및 커버(13)는, 내식성의 금속으로 이루어지고, 각각 용접에 의해 접합되어 있다.
상부 하우징(11)은, 직경이 상이한 원통체를 연결한 형상을 구비하고, 그 대직경부(11a)는 지지 다이어프램(50)과의 접합부를 가지며, 그 소직경부(11b)는 피측정 매체가 유입되는 도입부(10A)를 이루고 있다.
하부 하우징(12)은 대략 원통체 형상을 갖고, 커버(13), 지지 다이어프램(50), 대좌 플레이트 어셈블리(20), 및 센서 칩(30)을 통해 패키지(10) 내에 독립된 진공의 실(室; 10B)을 형성하고 있다. 한편, 진공의 실(10B)에는 이른바 게터(도시하지 않음)라고 불리는 기체 흡착 물질이 구비되어, 진공도를 유지하고 있다.
또한, 하부 하우징(12)의 지지 다이어프램(50)의 부착측에는 둘레 방향 적소에 스토퍼(12a)가 돌출 형성되어 있다. 한편, 이 스토퍼(12a)는, 피측정 매체의 급격한 압력 상승에 의해 대좌 플레이트 어셈블리(20)가 과도하게 변이하는 것을 규제하는 역할을 수행하고 있다.
또한, 커버(13)는 원형의 플레이트로 이루어지며, 커버(13)의 소정 위치에는 전극 리드 삽입 관통 구멍(13a)이 형성되어 있고, 허메틱 시일(hermetic seal; 60)을 통해 전극 리드부(40)가 매립되어, 이 부분의 시일성이 확보되어 있다.
한편, 지지 다이어프램(50)은, 패키지(10)의 형상에 맞춘 외형 형상을 갖는 금속제의 박판으로 이루어지며, 제1 대좌 플레이트(21)와 제2 대좌 플레이트(22) 사이에 끼워진 상태로, 그 외주부(주위 가장자리부)가 전술한 상부 하우징(11)과 하부 하우징(12)의 가장자리부에 끼워져 용접 등에 의해 접합되어 있다.
한편, 지지 다이어프램(50)의 두께는, 예컨대 본 실시형태의 경우 수십 미크론이며, 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 22) 각각보다 충분히 얇은 두께로 되어 있다. 또한, 지지 다이어프램(50)의 중앙부에는, 제1 대좌 플레이트(21)와 제2 대좌 플레이트(22) 사이에 슬릿형의 공간(캐비티)(20A)을 만드는 대직경의 구멍(50a)이 형성되어 있다.
제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 22)는, 산화알루미늄의 단결정체인 사파이어로 이루어지며, 제1 대좌 플레이트(21)는 패키지(10)의 내면으로부터 이격시킨 상태로 지지 다이어프램(50)의 상면에 접합되고, 제2 대좌 플레이트(22)는 패키지(10)의 내면으로부터 이격시킨 상태로 지지 다이어프램(50)의 하면에 접합되어 있다.
또한, 제1 대좌 플레이트(21)에는, 슬릿형의 공간(캐비티)(20A)에 연통되는 피측정 매체의 도입 구멍(21a)이 그 중앙부에 형성되어 있고, 제2 대좌 플레이트(22)에는, 슬릿형의 공간(캐비티)(20A) 및 센서 칩(30)의 압력 도입실(36)에 연통되는 피측정 매체의 도출 구멍(22a)이 복수개(이 예에서는, 4개) 형성되어 있다.
도 2 및 도 3에 제1 대좌 플레이트(21)에 형성된 도입 구멍(21a)과 제2 대좌 플레이트(22)에 형성된 도출 구멍(22a)의 위치 관계를 도시한다. 도 2는 도 1 중의 주요부를 빼내어 도시한 도면(종단면도)이고, 도 3은 도 2를 화살표 A 방향에서 본 평면도이다.
도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 대좌 플레이트(21)의 도입 구멍(21a)과 제2 대좌 플레이트(22)의 도출 구멍(22a)은, 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 22)의 두께 방향에 있어서 겹쳐지지 않는 위치에 형성되어 있다. 이 예에서는, 제1 대좌 플레이트(21)의 중앙부에 피측정 매체의 도입 구멍(21a)이 하나 형성되고, 제2 대좌 플레이트(22)의 중앙부로부터 떨어진 위치에 피측정 매체의 도출 구멍(22a)이 4개 형성되어 있다. 이 도출 구멍(22a)이 본 발명에서 말하는 대좌 플레이트에 형성된 압력 도입 구멍에 상당한다. 이 제2 대좌 플레이트(22)에 형성되어 있는 도출 구멍(압력 도입 구멍)(22a)의 상세한 내용에 대해서는 후술한다. 이 예에서는, 중앙부에 피측정 매체의 도입 구멍(21a)이 하나만 형성된 제1 대좌 플레이트(21)를 나타내고 있으나, 구멍수나 위치는 이에 한하지 않는다.
한편, 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 22) 각각은, 지지 다이어프램(50)의 두께에 대해 전술한 바와 같이 충분히 두껍게 되어 있고, 또한 지지 다이어프램(50)을 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 22) 둘 다에 의해 이른바 샌드위치형으로 끼워 넣는 구조를 갖고 있다. 이에 의해, 지지 다이어프램(50)과 대좌 플레이트 어셈블리(20)의 열팽창률의 차이에 의해 발생하는 열응력으로 이 부분이 휘어지는 것을 방지하고 있다.
또한, 제2 대좌 플레이트(22)의 하면에는 산화알루미늄의 단결정체인 사파이어로 된 상면에서 보아 직사각형 형상의 센서 칩(30)이 산화알루미늄 베이스의 접합재를 통해 접합되어 있다. 한편, 이 센서 칩(30)의 접합 방법에 대해서는, 특허문헌 2에 상세히 기재되어 있기 때문에 여기서의 설명은 생략한다.
센서 칩(30)은 상면에서 보아 가로 세로 1 ㎝ 이하의 크기를 가지며, 피측정 매체의 압력에 따라 변위하는 다이어프램(센서 다이어프램)(31)과, 이 센서 다이어프램(31)의 주연부를 지지하는 다이어프램 지지부(32)를 구비하는 다이어프램 구성 부재(33)와, 다이어프램 지지부(32)에 접합되며, 센서 다이어프램(31)과 함께 기준 진공실(34)을 형성하는 센서 대좌(35)를 구비하고 있다.
이 센서 칩(30)에 있어서, 센서 대좌(35)와는 반대측의 다이어프램 지지부(32)는, 제2 대좌 플레이트(22)에 접합되어 있다. 이에 의해, 제2 대좌 플레이트(22)와 센서 다이어프램(31) 사이에 압력 도입실(36)이 형성되어 있다. 또한, 센서 칩(30) 내의 기준 진공실(34)과 패키지(10) 내의 진공의 실(10B)은 센서 대좌(35)의 적소에 뚫려 형성된 도시하지 않은 연통 구멍을 통해 함께 동일한 진공도가 유지되어 있다.
한편, 다이어프램 구성 부재(33)와 센서 대좌(35)는 이른바 직접 접합에 의해 서로 접합되어, 일체화된 센서 칩(30)을 구성하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 센서 다이어프램(31)과 다이어프램 지지부(32)를 일체화한 것을 다이어프램 구성 부재(33)로 하고 있으나, 센서 다이어프램(31)과 다이어프램 지지부(32)를 별체(別體)로 해도 상관없다. 예컨대, 다이어프램 지지부(32)를 상하로 분할하고, 이 사이에 센서 다이어프램(31)을 끼우는 것과 같은 구성으로 해도 좋다. 이 경우, 다이어프램 지지부(32) 사이에 끼워진 부분은, 다이어프램 지지부(32)의 구성 요소로 된다.
또한, 이 센서 칩(30)에 있어서, 센서 대좌(35)의 기준 진공실(34)측의 면에는 금 또는 백금 등의 도체로 된 고정 전극(37)이 형성되고, 센서 다이어프램(31)의 기준 진공실(34)측의 면에는 고정 전극(37)과 대향하도록 금 또는 백금 등의 도체로 된 가동 전극(38)이 형성되어 있다.
또한, 제2 대좌 플레이트(22)에는, 압력 도입실(36)에의 피측정 매체의 압력 도입 구멍으로서, 전술한 4개의 도출 구멍(22a)이 형성되어 있다. 이하, 제2 대좌 플레이트(22)에 형성되어 있는 도출 구멍(22a)을 압력 도입 구멍(22a)이라고도 부른다. 이 4개의 압력 도입 구멍(22a)은, 제2 대좌 플레이트(22)의 중심으로부터 직경 방향으로 등거리, 또한 둘레 방향으로 등간격 이격하여, 다이어프램 지지부(32)에 대면하는 위치에 형성되어 있다. 다이어프램 지지부(32)에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 대좌 플레이트(22)의 압력 도입 구멍(22a) 바로 아래에, 이 압력 도입 구멍(22a)과 압력 도입실(36)을 연통시키는 통로(32a)가 형성되어 있다. 이 통로(32a)의 깊이는 얕게 되어 있다.
한편, 전극 리드부(40)는 전극 리드 핀(41)과 금속제의 실드(42)를 구비하고, 전극 리드 핀(41)은 금속제의 실드(42)에 유리 등의 절연성 재료로 이루어지는 허메틱 시일(43)에 의해 그 중앙 부분이 매설되어, 전극 리드 핀(41)의 양단부 사이에서 기밀 상태를 유지하고 있다.
그리고, 전극 리드 핀(41)의 일단은 패키지(10)의 외부로 노출되어 도시하지 않은 배선에 의해 격막 진공계(1)의 출력을 외부의 신호 처리부에 전달하도록 되어 있다. 한편, 실드(42)와 커버(13) 사이에도 전술한 바와 같이 허메틱 시일(60)이 개재되어 있다. 또한, 전극 리드 핀(41)의 다른쪽의 단부에는 도전성을 갖는 콘택트 스프링(45, 46)이 접속되어 있다.
콘택트 스프링(45, 46)은, 도입부(10A)로부터 피측정 매체가 갑자기 유입됨으로써 발생하는 급격한 압력 상승에 의해 지지 다이어프램(50)이 약간 변이해도, 콘택트 스프링(45, 46)의 압박력이 센서 칩(30)의 측정 정밀도에 영향을 주지 않을 정도의 충분한 유연함을 갖고 있다.
이 격막 진공계(1)에 있어서, 센서 칩(30)의 센서 다이어프램(31)과 도입부(10A) 사이에는, 도입부(10A)로부터의 피측정 매체의 유입구에, 피측정 매체의 통과 방향(F)에 그 판면을 직교시켜, 금속제의 배플(70)이 배치되어 있다. 도 5에 배플(70)의 평면도를 도시한다. 배플(70)에는, 그 외주부에 소정의 각도 간격으로 탭(tab; 70a)이 형성되어 있고, 이 탭(70a) 사이의 간극(70b)을 피측정 매체가 통과하여, 센서 다이어프램(31)으로 보내진다. 도시한 배플(70)은 일례이며, 형상·사이즈 등은 이에 한하지 않는다.
다음으로, 이 격막 진공계(1)의 동작에 대해 설명한다. 한편, 이 실시형태에 있어서, 격막 진공계(1)는 반도체 제조 장치에 있어서의 CVD 프로세스 중의 필요한 장소에 부착되어 있는 것으로 한다.
〔피측정 매체의 압력 측정〕
이 격막 진공계(1)에서는, 도입부(10A)로부터의 피측정 매체(기체)가 센서 다이어프램(31)에 도달하고, 이 피측정 매체의 압력과 기준 진공실(34)의 차압에 의해 센서 다이어프램(31)이 휘어지며, 센서 다이어프램(31)의 이면과 센서 대좌(35)의 내면 사이에 설치되어 있는 고정 전극(37)과 가동 전극(38)의 간격이 변화하여, 이 고정 전극(37)과 가동 전극(38)으로 구성되는 콘덴서의 용량값(정전 용량)이 변화한다. 이 정전 용량의 변화를 격막 진공계(1)의 외부로 취출함으로써, 피측정 매체의 압력이 측정된다.
〔오염 물질의 퇴적 방지〕
또한, 이 압력의 측정 시에, 도입부(10A)로부터의 피측정 매체(기체)는, 배플(70)의 판면의 중앙에 닿아 우회하고, 배플(70) 주위의 간극(70b)을 통과하여, 제1 대좌 플레이트(21)의 도입 구멍(21a)으로부터 제1 대좌 플레이트(21)와 제2 대좌 플레이트(22) 사이의 슬릿형의 공간(캐비티)(20A)으로 유입된다.
이 슬릿형의 공간(캐비티)(20A)으로 유입된 피측정 매체는, 제1 대좌 플레이트(21)의 도입 구멍(21a)과 제2 대좌 플레이트(22)의 압력 도입 구멍(22a)이 제1 대좌 플레이트(21) 및 제2 대좌 플레이트(22)의 두께 방향에 있어서 겹쳐지지 않는 위치에 형성되어 있기 때문에, 슬릿형의 공간(캐비티)(20A)을 가로 방향으로 진행하지 않을 수 없다.
이 슬릿형의 공간(캐비티)(20A)을 가로 방향으로 진행할 때, 피측정 매체에 기체의 상태로 혼입되어 있는 오염 물질이 제1 대좌 플레이트(21) 또는 제2 대좌 플레이트(22)의 내측 표면에 퇴적될 기회가 발생한다. 이에 의해, 최종적으로 제2 대좌 플레이트(22)의 압력 도입 구멍(22a)을 빠져나가, 기체의 상태로 센서 칩(30)의 센서 다이어프램(31)에 도달하는 오염 물질의 양이 적어져, 센서 다이어프램(31) 상에 퇴적되는 오염 물질의 양이 저감되는 것이 된다.
〔피측정 매체로부터의 열 전달에 기인하는 다이어프램의 변형의 저감〕
이 실시형태에서는, 제2 대좌 플레이트(22)의 중심으로부터 직경 방향으로 등거리, 또한 둘레 방향으로 등간격 이격하여, 다이어프램 지지부(32)에 대면하는 위치에 4개의 압력 도입 구멍(22a)이 형성되어 있고, 이 압력 도입 구멍(22a)을 통해 피측정 매체가 압력 도입실(36)에 도입된다.
즉, 본 실시형태에서는, 피측정 매체가 다이어프램 지지부(32)를 경유하고 나서 센서 다이어프램(31)의 표면으로 유도된다. 이에 의해, 다이어프램 지지부(32)와 이 다이어프램 지지부(32)에 접합되어 있는 센서 대좌(35)의 두께 부분(두꺼운 부분(30A))이 방열부 혹은 흡열부가 되어, 피측정 매체가 갖는 열에너지가 센서 다이어프램(31)에 전해지기 어려워진다. 즉, 도 2에 T×W로서 나타나는 두꺼운 부분(30A)으로부터 피측정 매체가 갖는 열에너지가 외부로 방출되어, 센서 다이어프램(31)에 전해지기 어려워진다. 이에 의해, 피측정 매체로부터의 열 전달에 기인하는 센서 다이어프램(31)의 변형이 저감되어, 히스테리시스나 시프트 등의 출력 신호 오차가 삭감되는 것이 된다.
한편, 본 실시형태에서는, 센서 다이어프램(31)의 두께를 t0으로 했을 때, 두꺼운 부분(30A)의 두께[다이어프램 지지부(32)와 센서 대좌(35)를 합한 두께](T)를 T=30·t0으로 하고, 다이어프램 지지부(32)의 두께(t)를 t=5·t0으로 하고 있다. 또한, 제2 대좌 플레이트(22)에 형성되어 있는 압력 도입 구멍(22a)의 직경을 φ0으로 했을 때, 두꺼운 부분(30A)의 폭(W)[다이어프램 지지부(32)의 폭]을 W>3·φ0으로 하고 있다.
도 6에, 본 실시형태의 구조를 채용한 격막 진공계의 계측 결과를 예시한다. 계측 개시 시, 풀 스케일의 압력을 인가한 후, 진공화한다. 도 6에는, 이때의 복귀 상황을 종래의 것과 비교하여 도시하고 있다. 도 6에 있어서, 점선으로 나타낸 특성 I는 본 실시형태의 구조를 채용한 격막 진공계의 센서 출력의 변화를 나타내고, 실선으로 나타낸 특성 II는 종래의 구조를 채용한 격막 진공계의 센서 출력의 변화를 나타낸다.
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 격막 진공계의 제로점 복귀 시의 신호 추종성은, 본 실시형태의 구조를 채용한 쪽이 제로점으로 되돌아가는 시간이 빠른 것을 알 수 있다. 이와 같이, 복귀에 걸리는 시간을 저감할 수 있었던 결과, 출력으로서 나타나는 히스테리시스를 저감하는 것이 가능해진다. 한편, 참고로서, 도 7에, 정상적인 경우의 센서 출력의 변화를 특성 III으로서, 플러스측으로 불룩해지는 경우의 센서 출력의 변화를 특성 IV로서, 마이너스측으로 불룩해지는 경우의 센서 출력의 변화를 특성 V로서 나타낸다.
한편, 전술한 실시형태에서는, 제2 대좌 플레이트(22)에 압력 도입 구멍(22a)을 4개 형성하도록 하였으나, 반드시 4개에 한정되는 것은 아니며, 하나여도 상관없다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 다이어프램 지지부(32)에 형성하는 통로(32a)의 깊이를 깊게 해도 좋다.
〔실시형태의 확장〕
이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 구성이나 상세에는, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 당업자가 이해할 수 있는 여러 가지 변경을 할 수 있다.
1: 격막 진공계 22: 제2 대좌 플레이트
22a: 도출 구멍(압력 도입 구멍) 30: 센서 칩
31: 센서 다이어프램 32: 다이어프램 지지부
32a: 통로 33: 다이어프램 구성 부재
34: 기준 진공실 35: 센서 대좌
36: 압력 도입실 37: 고정 전극
38: 가동 전극 30A: 두꺼운 부분

Claims (3)

  1. 피측정 매체의 압력에 따라 변위하는 다이어프램과, 이 다이어프램의 주연부(周緣部)를 지지하는 다이어프램 지지부를 구비하는 다이어프램 구성 부재와,
    상기 다이어프램 지지부에 접합되며, 상기 다이어프램과 함께 기준 진공실을 형성하는 센서 대좌(台座)와,
    상기 다이어프램 지지부의 상기 센서 대좌와는 반대측에 접합되며, 상기 다이어프램과 함께 압력 도입실을 형성하는 대좌 플레이트와,
    상기 센서 대좌의 상기 기준 진공실측의 면에 형성된 고정 전극과,
    상기 다이어프램의 상기 기준 진공실측의 면에 상기 고정 전극과 대향하도록 형성된 가동 전극을 구비하고,
    상기 대좌 플레이트는, 상기 다이어프램 지지부에 대면하는 위치에 형성된 상기 피측정 매체를 상기 압력 도입실에 도입하는 압력 도입 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 도입 구멍은, 상기 다이어프램 지지부에 대면하는 위치에 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압력 도입 구멍은, 상기 다이어프램 지지부에 대면하는 개구가 상기 다이어프램을 둘러싸는 원주 상에 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 압력 센서.
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