KR20200021885A - 압력 센서 - Google Patents

Abstract

막응력 저감을 위한 구조를 현실적인 가공 치수로 실현하여, 센서 다이어프램의 퇴적막을 원인으로 생기는 영점 시프트가 가급적 작아지는 압력 센서를 제공한다.
피측정 유체가 도입되는 압력실(44)의 벽의 일부를 구성하는 센서 다이어프램(41)(다이어프램)을 구비한다. 센서 다이어프램(41)에 있어서의 피측정 유체와 접촉하는 한쪽의 면은, 센서 다이어프램(41)의 두께 방향에 대하여 경사지며 또한 압력실(44)의 내측을 지향하는 복수의 경사면(53, 54)을 포함하고 있다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}

본 발명은 피측정 유체에 접촉하는 다이어프램을 갖는 압력 센서에 관한 것이다.

정전 용량식의 격막 진공계를 이용하는 대표적인 장치로서 반도체 제조 장치가 있다. 반도체 제조 장치에서 격막 진공계가 이용되는 주된 이유는, 열식의 진공계인 피라니 게이지나 전리 진공계 등과 다르게, 가스종에 의존하지 않기 때문이며, 부식성이 있는 프로세스 가스에 대하여 내식성이 있기 때문이고, 센서를 가열함으로써 원료 가스의 흡착이나 부생성물 등의 퇴적을 억제할 수 있기 때문이다.

격막 진공계는, 반도체 제조 장치에서 행해지는 각종 공정 중, 성막 공정 외에 Si 등의 웨이퍼를 에칭하는 공정에서도 사용되고 있다. 성막 공정에서 실시되는 성막 방법으로서는, 스퍼터, CVD(chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition) 등이 있다.

성막 공정에서 프로세스의 가스 압력을 계측·제어하는 격막 진공계의 센서 칩에 상기 물질이 퇴적하면, 이 퇴적막의 수축을 원인으로 센서 다이어프램이 불필요하게 변형하여 버려, 영점의 시프트나 압력 감도의 변화를 가져와, 성막이나 에칭의 품질에 큰 영향을 부여하여 버리는 것이 알려져 있다.

전술한 바와 같은 격막 진공계에의 부생성물의 퇴적을 막기 위해, 센서 칩을 고온으로 유지하거나, 프로세스 가스가 센서 다이어프램에 이르기까지의 경로에 배플을 마련하거나 경로를 미로형으로 복잡하게 형성하여, 부착되기 쉬운 가스를 되도록 도중에 잡아 버리는 방법(특허문헌 1∼3)이 고안·실시되고 있다. 또한, 이러한 배플과 함께 가스의 유입 경로를 제어하기 위해, 센서 다이어프램에 프로세스 가스를 유도하는 기체 도입구의 위치를 퇴적의 영향이 큰 다이어프램 중심 부근을 피하여, 약간 외주부에 마련하는 구조도 제안되어 있다(특허문헌 1, 2, 4, 5).

또한, ALD와 같이 표면의 물리적·화학적 흡착에 기초한 균일한 막이 성막되는 프로세스에 대해서는, 특허문헌 6 및 특허문헌 7에 기재되어 있는 바와 같이, 모멘트를 조정하여 센서 다이어프램의 휨 그 자체를 억제하는 다이어프램 구조가 제안되어 있다.

한편, 격막 진공계의 다이어프램의 구조물로 퇴적막의 영향을 억제하고자 하는 시도로서 특허문헌 8 및 특허문헌 9에 나타내는 구조가 제안되어 있다. 이들 특허문헌 8, 9에는, 다이어프램 상에 테이블형, 역테이퍼형, 또는 사각형 파형의 구조물이나 허니콤 형상이 되도록 대들보 구조를 마련함으로써 퇴적막을 분단하여, 막응력이 다이어프램에 부여하는 영향을 억제하는 방법이 기술되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2011-149946호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제6096380호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2015-34786호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 제2014-126504호 공보 특허문헌 5: 일본 특허 공개 제2014-109484호 공보 특허문헌 6: 일본 특허 공개 제2010-236949호 공보 특허문헌 7: 일본 특허 공개 제2009-265041호 공보 특허문헌 8: 일본 특허 공표 제2009-524024호 공보 특허문헌 9: 일본 특허 공개 제2008-107214호 공보

특허문헌 8이나 특허문헌 9에 개시되어 있는 바와 같이 센서 다이어프램 상의 퇴적막을 분단하여 그 영향을 배제하는 기술은, 효과가 크지만 실현하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다. 이 기술의 구체적인 검증예로서 수치 시뮬레이션을 실시한 결과를 이하에 나타낸다.

도 18은 막분단의 효과를 계산한 모델의 하나이다. 센서 다이어프램은, 통상은 주변이 고정된 원판이지만, 수치 시뮬레이션을 간단하게 실시하기 위해, 양측이 고정된 평판(1)의 2차원 모델을 이용하여 계산을 실시하였다. 계산 결과를 도 19와 도 20에 나타낸다.

도 18의 (a)는 평판 전체를 나타내는 사시도이고, 도 18의 (b)는 평판의 일부를 확대하여 나타내는 사시도이다. 평판(1) 위에는 다수의 슬릿(2)이 형성되어 있다. 이들 슬릿(2)에 의해 분할된 평판(1)의 표면에 막(3)이 마련되어 있다. 수치 시뮬레이션은, 이 막(3)을 수축시켜 막응력을 발생시켜 행하였다. 이 실시형태에 있어서는, 센서 다이어프램에 퇴적된 막이 성막 시에 수축 또는 팽창하는 것을 원인으로 막 중에 생기는 응력을 「막응력」이라고 한다.

이 막응력을 때문에 평판(1)은 굽힘 모멘트를 받아 예컨대 수축의 경우에는 하측으로 볼록하게 휘게 되고, 이것이 원형의 센서 다이어프램을 이용한 격막 진공계의 경우의 막퇴적에 의한 영점 시프트에 대응한다.

도 19에 계산 결과가 되는 모식도를 나타낸다. 변형 스케일은 통일되어 있고, 평판(1)의 분할수[슬릿(2)의 수]를 늘리면 늘릴수록 그 변형은 작아지기 때문에 효과가 높은 것을 알 수 있다. 도 19의 (a)는 슬릿(2)이 마련되지 않은 경우를 나타내고, 도 19의 (b)는 막(3)이 슬릿(2)에 의해 2분할된 경우를 나타낸다. 도 19의 (c)는 막(3)이 슬릿(2)에 의해 20분할된 경우를 나타내고, 도 19의 (d)는 막(3)이 슬릿(2)에 의해 200분할된 경우를 나타낸다. 도 19는 도트의 밀도가 높을수록 변위가 큰 것을 나타내고 있다.

도 20은 막의 분할수를 횡축에, 분단하지 않은 균일막을 기준(100％)으로 한 경우의 평판 중앙부의 변위의 절대값을 플롯한 것이다. 이들 결과로부터 보면, 막을 미세하게 분단하면 할수록 변위는 작아져, 센서 다이어프램에 막이 성막되었을 때의 효과가 큰 것을 알 수 있다.

그런데, 실제로 막을 분단하고자 특허문헌 8이나 특허문헌 9에 개시되어 있는 구조를 적용하려고 하면, 현실적인 문제로서 센서 제조상, 곤란한 일에 직면한다. 도 18 내지 도 20에 나타낸 계산 모델의 평판(1)의 스팬(양단부의 고정부 사이의 간격)은 5000 ㎛지만, 만약 균일막의 5％ 이하까지 변위를 작게 하고자 하면, 막(3)의 분할수는 500∼1000 정도까지 작게 하지 않으면 안 된다.

따라서, 막분단을 위한 구조는, 횡방향의 치수가 수 ㎛가 된다. 그러나, 통상, MEMS 센서의 제조에 이용되는 콘택트 마스크 얼라이너 및 드라이 에칭 가공의 기술에서는, 수 ㎛ 이하의 치수로 전술한 구조를 재현성 좋게 형성하는 것은 매우 곤란하고, 더구나, 스텝퍼 등의 고가의 설비를 필요로 하여 현실적이지 않다. 또한, 막분단을 위한 구조를 과도하게 미세하게 형성하면, 형성된 구조 그 자체가 퇴적막에 파묻혀 버려, 효과를 기대할 수 없게 되는 일도 용이하게 상상된다. 이 때문에, 현실적인 가공 치수인 수10 ㎛라도 효과가 얻어지는 구조가 요구되고 있다.

본 발명의 목적은, 막응력 저감을 위한 구조를 현실적인 가공 치수로 실현하여, 센서 다이어프램의 퇴적막을 원인으로 생기는 영점 시프트가 가급적 작아지는 압력 센서를 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 압력 센서는, 피측정 유체가 도입되는 압력실의 벽의 일부를 구성하는 다이어프램을 포함하고, 상기 다이어프램에 있어서의 상기 피측정 유체와 접촉하는 한쪽의 면은, 상기 다이어프램의 두께 방향에 대하여 경사지며 또한 압력실의 내측을 지향하는 복수의 경사면을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 경사면은, 상기 한쪽의 면에 돌출 설치된 뿔형의 돌출부의 측면이어도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 경사면은, 상기 한쪽의 면에 돌출 설치된 사다리꼴 단면형의 돌출부의 경사진 측면이어도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 경사면은, 상기 한쪽의 면에 돌출 설치된 반구형의 돌출부의 구면이어도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 돌출부의 높이는, 상기 다이어프램 전체의 두께에 대하여 25％∼75％여도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 돌출부의 돌출단을 포함하며 또한 상기 측면과 교차하는 단면에 있어서 한쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면 및 다른쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면이 이루는 각도가 각각 20°∼90°여도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 돌출부의 돌출단을 포함하며 또한 상기 측면과 교차하는 단면에 있어서 한쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면 및 다른쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면이 이루는 각도가 각각 45°∼80°여도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 돌출부의 꼭대기부가 볼록 곡면에 의해 형성되어 있어도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 복수의 경사면 중, 골이 형성되도록 서로 인접하는 2개의 경사면끼리의 사이에 직사각 단면 형상의 홈이 형성되어 있어도 좋다.

본 발명은, 상기 압력 센서에 있어서, 상기 홈의 홈폭이 10∼50 ㎛이고, 깊이가 상기 홈폭보다 커도 좋다.

본 발명에 따른 압력 센서를 부생성물이 퇴적하는 환경에서 사용함으로써, 다이어프램의 경사면에 퇴적막이 형성된다. 이 퇴적막이 다이어프램에 대하여 수축함으로써, 다이어프램에 응력(막응력)이 생긴다. 이 결과, 다이어프램에 굽힘 모멘트가 작용하여, 복수의 경사면이 개개로 휘게 된다. 개개의 경사면에 작용하는 굽힘 모멘트의 방향은, 경사면을 따르는 방향이 된다. 즉, 평탄한 다이어프램에 퇴적막이 형성된 경우와는 다르게, 다이어프램의 면방향에 대하여 경사진 방향으로, 바꾸어 말하면 다이어프램에 대하여 수직으로 근접하는 방향으로 굽힘 모멘트가 작용한다.

또한, 경사면에 작용하는 굽힘 모멘트가 인접하는 경사면에 작용하는 굽힘 모멘트와 상쇄되게 되기 때문에, 굽힘 모멘트의 크기를 작게 할 수 있다.

이 결과, 다이어프램을 굽히는 힘이 작아져, 다이어프램이 휘기 어려워지기 때문에, 영점 시프트를 작게 억제할 수 있다.

경사면은, 다이어프램에 다수의 홈을 형성하는 경우와는 다르게, 현실적인 가공 치수로 실현할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 막응력 저감을 위한 구조를 현실적인 가공 치수로 실현하여, 센서 다이어프램의 퇴적막을 원인으로 생기는 영점 시프트가 가급적 작아지는 압력 센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압력 센서를 구비한 격막 진공계의 단면도이다.
도 2는 센서 칩의 단면도이다.
도 3은 산형 구조의 시뮬레이션의 계산 모델을 나타내는 모식도이다.
도 4는 산형 구조의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 사시도이다.
도 5는 산형 구조의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 산형 구조의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 경사면의 각도를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 산과 산 사이에 슬릿이 형성되어 있는 구조를 나타내는 단면도이다.
도 9는 산형 이외의 형상을 나타내는 단면도이다.
도 10은 막에 의한 굽힘 모멘트를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 사각뿔형의 돌출부를 나타내는 사시도이다.
도 12는 원뿔형의 돌출부를 나타내는 사시도이다.
도 13은 각뿔대형의 돌출부를 나타내는 사시도이다.
도 14는 원뿔대형의 돌출부를 나타내는 사시도이다.
도 15는 반구형의 돌출부를 나타내는 사시도이다.
도 16은 3차원 구조의 시뮬레이션의 계산 모델을 나타내는 사시도이다.
도 17은 3차원 구조의 시뮬레이션 결과를 나타내는 모식도이다.
도 18은 막분할 시뮬레이션의 계산 모델을 나타내는 사시도이다.
도 19는 막분할 시뮬레이션의 결과를 나타내는 사시도이다.
도 20은 막분할 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 압력 센서의 일실시형태를 도 1∼도 17을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 나타내는 정전 용량형 격막 진공계(11)는, 도 1에 있어서 가장 외측에 위치하는 패키지(12)와, 이 패키지(12) 안에 수용된 센서 칩(13) 등을 구비하고 있다. 이 실시형태에 있어서는, 센서 칩(13)이 본 발명에서 말하는 「압력 센서」에 상당한다.

패키지(12)는, 복수의 부재를 서로 용접하여 바닥을 갖는 원통형으로 형성되어 있다. 패키지(12)를 구성하는 복수의 부재는, 도 1에 있어서 가장 밑에 위치하는 소직경부(14)를 갖는 로어 패키지(15)와, 이 로어 패키지(15)의 대직경부(16)에 후술하는 지지 다이어프램(17)을 통해 접속된 원통형의 어퍼 패키지(18)와, 이 어퍼 패키지(18)의 개구단을 폐색하는 원판형의 커버(19)이다.

지지 다이어프램(17)은, 내식성을 갖는 금속 재료에 의해 원환판형으로 형성되어 있고, 바깥 가징자리부가 로어 패키지(15)와 어퍼 패키지(18)에 각각 용접되어 이들 부재에 지지되어 있다. 지지 다이어프램(17)의 개구부는, 지지 다이어프램(17)의 두께 방향에서 보아 원형으로 형성되어 있고, 지지 다이어프램(17)에 제1 대좌(臺座) 플레이트(21)를 통해 센서 칩(13)이 접합된 상태로 센서 칩(13)에 의해 폐색되어 있다. 이 때문에, 지지 다이어프램(17)은, 센서 칩(13)과 협동하여 패키지(12) 내를 도입부(22)와 기준 진공실(23)로 나누고 있다. 도입부(22) 내에는 배플(24)이 마련되어 있다.

기준 진공실(23)은, 정해진 진공도로 유지되고 있다.

제1 대좌 플레이트(21)는, 지지 다이어프램(17)을 제2 대좌 플레이트(25)와 협동하여 사이에 끼고 있다. 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 25)는, 각각 사파이어에 의해 원판형으로 형성되어 있고, 각각 지지 다이어프램(17)에 접합되어 있다. 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 25)에는, 피측정 유체를 통과시키기 위한 연통 구멍(26∼28)이 천공되어 있다.

커버(19)에는 허메틱 시일(31)을 통하여 복수의 전극 리드부(32)가 매립되어 있다. 전극 리드부(32)는, 전극 리드핀(33)과 금속제의 실드(34)를 구비하고 있다. 전극 리드핀(33)은, 실드(34) 안에 허메틱 시일(35)을 통해 지지되어 있다. 전극 리드핀(33)의 일단은, 패키지(12) 밖에 노출되어, 도시하지 않는 배선을 통해 외부의 신호 처리부에 접속되어 있다. 전극 리드핀(33)의 타단은, 도전성을 갖는 컨택트 스프링(36)을 통해 후술하는 센서 칩(13)의 컨택트 패드(37)에 접속되어 있다.

센서 칩(13)은, 패키지(12) 내의 도입부(22)의 압력을 정전 용량에 기초하여 검출하는 것으로서, 지지 다이어프램(17)과 제1 및 제2 대좌 플레이트(21, 25)에 의해 패키지(12) 내에서 지지되어 있다. 센서 칩(13)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 도 2에 있어서 하측에 위치하는 센서 다이어프램(41)과, 이 센서 다이어프램(41)에 접합된 센서 대좌(42)를 구비하고 있다. 센서 다이어프램(41)은, 사파이어에 의해 원판형으로 형성되어 있고, 도 1에 나타내는 바와 같이, 스페이서(43)를 통해 제1 대좌 플레이트(21)에 부착되어 있다. 이 센서 다이어프램(41)과 제1 대좌 플레이트(21) 사이에는 피측정 유체가 도입되는 압력실(44)이 형성되어 있다. 이 때문에, 센서 다이어프램(41)은, 압력실(44)의 벽의 일부를 구성하고 있다. 이 실시형태에 있어서는, 이 센서 다이어프램(41)이 본 발명에서 말하는 「다이어프램」에 상당한다.

센서 대좌(42)는, 사파이어에 의해 원통의 오목부를 갖는 각형상으로 형성되어 있다. 센서 대좌(42)의 오목부의 개구부는 센서 다이어프램(41)에 의해 폐색되어 있다. 센서 대좌(42)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 센서 대좌(42)의 내부의 용량실(45)과 센서 대좌(42) 밖의 기준 진공실(23)을 연통하는 연통 구멍(46)이 천공되어 있다. 용량실(45)과 기준 진공실(23)은 동일한 진공도를 유지하고 있다.

센서 대좌(42)의 내측 바닥면(42a)과, 센서 다이어프램(41)에 있어서의 센서 대좌(42)의 내측 바닥면(42a)과 대향하는 한쪽의 면(41a)에는, 각각 2종류의 전극(47∼50)이 마련되어 있다. 센서 다이어프램(41)의 중앙부와 센서 대좌(42)의 내측 바닥면(42a)의 중앙부에는, 한쌍의 감압 전극(47, 48)이 마련되어 있다. 센서 다이어프램(41)의 외주부와 센서 대좌(42)의 내측 바닥면(42a)의 외주부에는, 한쌍의 참조 전극(49, 50)이 마련되어 있다. 센서 칩(13)은, 감압 전극(47, 48)으로 이루어지는 감압 커패시터의 정전 용량과, 참조 전극(49, 50)으로 이루어지는 참조 커패시터의 정전 용량에 기초하여, 센서 다이어프램(41)에 가해지고 있는 압력을 검출한다.

센서 다이어프램(41)에 있어서의, 센서 대좌(42)와는 반대측에 위치하여 피측정 유체와 접촉하는 다른쪽의 면(41b)(도 1에 있어서는 하측의 면)에는, 성막용의 피측정 유체가 압력실(44)에 도입됨으로써 막(도시하지 않음)이 형성된다. 이 실시형태에 따른 센서 다이어프램(41)은, 상세한 것은 후술하지만, 막이 퇴적하여 생기는 막응력에 의한 굽힘 모멘트가 무시할 수 있을 정도로 작아지는 구성이 채용되고 있다.

센서 다이어프램(41)에 평탄한 면이 존재하면, 그것을 어떻게 미세하게 분단하여도, 각각에 대하여 막응력에 의한 굽힘 모멘트가 작용하여, 다이어프램 전체로서 영향을 완전하게 배제하는 것이 현실적으로는 곤란하다.

발명자는, 센서 다이어프램(41)의 막이 퇴적하는 면을 분할하는 것이 아니라, 이 면을 경사시켜 굽힘 모멘트가 작용하는 방향을 센서 다이어프램에 대하여 수직인 방향에 근접시킴으로써, 센서 다이어프램(41)이 휘기 어려워진다고 생각하였다.

즉, 센서 다이어프램(41)의 표면에 센서 다이어프램(41)의 두께 방향과는 수직인 평탄 부분이 되도록 적어지도록, 경사면을 이용하여 요철 구조를 구성하여, 막응력에 의한 휨을 억제한다.

여기서는 먼저, 발명자가 본 발명의 압력 센서에 상도하는 데 있어서 행한 시뮬레이션에 대해서 도 3∼도 6을 참조하여 설명한다.

도 3의 (a)는 산형 구조의 시뮬레이션의 계산 모델을 나타내는 단면도이고, 도 3의 (b)는 산형 구조의 일부를 확대하여 나타내는 단면도이고, 도 3의 (c)는 산형 구조의 일부를 확대하여 나타내는 사시도이다.

도 3에 나타내는 평판(51)의 한쪽의 면에는, 다수의 산형 단면 형상의 돌출부(52)가 배열되어 형성되어 있다. 도 3이 나타내는 돌출부(52)는, 평판(51)의 두께 방향과는 수직인 방향으로 연장되는 돌조이다. 이 때문에, 평판(51)의 한쪽의 면은, 돌출부(52)의 측면, 바꾸어 말하면 평판(51)의 두께 방향[평판(51)의 평탄한 다른쪽의 면(51a)과는 수직인 방향]에 대하여 경사지는 복수의 경사면(53, 54)에 의해 형성되어 있다. 이 실시형태에 있어서는, 평판(51)의 평탄한 다른쪽의 면(51a)이 청구항 6 및 청구항 7에 기재한 발명에서 말하는 「다이어프램에 평행한 면」에 상당한다.

이들 경사면(53, 54)은, 도 3에 있어서 상방, 즉 평판(51)의 밖을 지향하고 있다. 이 평판(51)을 센서 다이어프램(41)이라고 하면, 경사면(53, 54)은 압력실(44)의 내측을 지향하게 된다. 이러한 돌출부(52)는, 예컨대 드라이 에칭법에 의해 형성할 수 있다. 경사면(53, 54)에 퇴적막(55)이 형성되어 있다.

이 시뮬레이션을 실시하는 데 있어서는, 막분할의 계산과 마찬가지로, 5000 ㎛의 스팬의 평판(51)에 산형의 구조를 배치하고, 전체의 두께(T)가 200 ㎛가 되도록 산[돌출부(52)]의 높이(H)와 폭(W)을 설정하여 계산을 행하였다. 퇴적막(55)의 두께는 10 ㎛로 하였다.

시뮬레이션을 행한 바, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같은 결과가 얻어졌다. 도 4의 (a)는 산형 구조를 채용한 다이어프램 모델의 결과를 나타내고, 도 4의 (b)는 평탄한 다이어프램 모델의 결과를 나타낸다. 도 4의 (a)와 도 4의 (b)는 변형 스케일을 함께 표시하고 있다. 도 4에 있어서는, 변위의 정도를 도트의 밀도로 표현하고 있다. 산형 구조의 산[돌출부(52)]의 폭은 100 ㎛, 높이도 100 ㎛이며, 분할수는 50이지만, 거의 휘지 않은 것을 알 수 있다.

도 5는 산의 구조의 폭(W), 높이(H)를 바꾸어 계산하여 센서 다이어프램의 중심부의 변위를 나타낸 그래프이다. 도 5에 있어서는, 횡축에 분할수, 종축에 200 ㎛의 플랫인 평판의 시프트를 100％로 하였을 때의 변위값을 취하고 있다. 구조를 변화시키면 막을 변화시킨 경우뿐만 아니라, 압력을 받았을 때의 휨도 변화하기 때문에, 일정 압력을 받았을 때의 최대 변위값으로 규격화하고 있다. 산의 높이(H)가 높을수록 효과도 높고, 분할수가 50에서 충분한 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 분할수 50은 100 ㎛에 상당하기 때문에, 가공 공정상 매우 현실적이다.

산의 높이는, 다이어프램 두께의 25％(도 5에 있어서는 50 ㎛) 이하가 되는 사면 각도를 확보하기 위해서는 패턴도 작게 하지 않으면 안 되어, 가공이 곤란해지는 데다가 프로세스 중의 퇴적에 의해 산형 구조가 메워져 버릴 가능성이 있다. 산의 높이가 75％(도 5에 있어서는 150 ㎛)를 넘으면 대기압 등의 과대 압력을 받았을 때에 강도적인 문제가 생길 가능성이 있다. 이 때문에, 돌출부(52)의 높이는, 다이어프램 전체의 두께에 대하여 25％∼75％인 것이 바람직하다.

도 6은 도 5의 그래프에 관하여, 사면 각도를 횡축에 재차 취하여 플롯한 것이다. 각 선의 ％는 다이어프램에 대한 산의 높이를 나타낸다. 도 5에 따르면, 시프트값은 사면 각도가 45°이상일 때에 플랫인 구조에 대하여 대략 20％ 이하, 20°이상일 때에 50％ 이하가 된다. 각도가 가파르면 그쪽이 유리하지만, 80°를 넘으면 산의 폭이 지나치게 작아져, 컨택트 노광 장치에 의한 포토리소그래피 패터닝 및 드라이 에칭 등에 의한 가공이 곤란해진다. 이 때문에, 돌출부의 사면 각도가 20°∼90°이면 효과가 얻어진다. 바람직한 사면 각도는 45°∼80°이다.

여기서 말하는 「사면 각도」란, 도 7 중에 부호 α로 나타내는 각도이다. 도 7은 산형상의 돌출부(52)의 단면 형상을 나타내는 모식도이다. 이 도 7에 나타내는 단면은, 돌출부(52)의 돌출단(52a)을 포함하며 또한 돌출부(52)의 경사면(53, 54)과 교차하는 단면이다. 이 단면에 있어서, 한쪽의 경사면(53)에 상당하는 변 및 다른쪽의 경사면(54)에 상당하는 변과 센서 다이어프램(41)에 평행한 평면[면(51a)]이 이루는 각도(α)가 각각 적어도 20°∼90°이며, 45°∼80°인 것이 바람직하다. 도 7에 있어서는, 각도(α)를 이해하기 쉽도록, 가상의 면(51a)을 경사면(53, 54)과 교차하는 위치에 2점 쇄선으로 그리고 있다.

이 계산 과정에서 판명된 것은, 막이 일체인 경우나 산의 정점에 슬릿을 넣은 경우에 효과는 전혀 없고, 슬릿을 골의 부위에 넣으면 효과가 나타난다는 것이다. 산의 정점에 홈을 마련하여 막을 분단하는 구조는, 공급된 원료 가스가 가장 충돌하기 쉬운 부분이기 때문에 홈이 막으로 매립되기 쉬워, 효과를 얻기 어렵다. 그에 대하여 골은 원래 정점에 비하면 원료 가스가 도달하기 어렵고, 막 두께는 얇아지는 경향이 있기 때문에, 큰 효과가 얻어진다.

또한, 산형 구조를 채용하는 경우는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 서로 인접하는 2개의 산[돌출부(52)] 사이에서 골이 되는 부분에 직사각 단면 형상의 슬릿(홈)(56)을 형성할 수 있다. 슬릿(56)의 폭(W)은, 성막에 관여하는 원료 가스의 평균 자유 행정 이하의 폭이다. 이와 같이 슬릿(56)을 형성함으로써, 골 부분에 도달할 수 있는 원료 가스의 분자는 격감하는 것이 예상되며, 큰 효과가 얻어진다.

슬릿(56)을 마련하는 경우, 서로 인접하는 돌출부(52)끼리의 사이가 퇴적막으로 매립되는 일이 없도록, 슬릿(56)의 홈폭(W)을 10∼50 ㎛로 하는 것이 바람직하고, 슬릿 깊이(D)를 홈폭보다 크게 하는 것이 바람직하다.

돌출부(52)는, 도 9의 (a)∼도 9의 (c)에 나타내는 바와 같이 구성할 수 있다. 도 9의 (a)에 나타내는 돌출부(52)는, 꼭대기부(52b)가 볼록 곡면이 되도록 형성되어 있다. 이와 같이 산의 정점이 라운딩을 띠어 볼록 곡면이 되도록 형성되어 있는 경우라도, 돌출부(52)의 측면이 경사면(53, 54)이기 때문에, 산의 정점이 뾰족한 경우와 동등한 효과가 얻어진다.

도 9의 (b)에 나타내는 돌출부(52)는, 단면 형상이 반구형을 나타내도록 형성되어 있다. 이와 같이 단면 반구형의 돌출부(52)라도, 돌출부(52)의 측면이 라운딩을 띤 경사면[단면 원호형의 볼록 곡면(57)]이기 때문에, 돌출부(52)가 산형상인 경우와 동등한 효과가 얻어진다.

도 9의 (c)에 나타내는 돌출부(52)는, 단면 형상이 사다리꼴형을 나타내도록 형성되어 있다. 사다리꼴은, 상변(58)이 돌출부(52)의 선단면에 포함되는 형상이다. 이와 같이 사다리꼴 단면형의 돌출부(52)라도, 돌출부(52)의 측면이 경사면(53, 54)이기 때문에, 돌출부(52)가 산형상인 경우와 동등한 효과가 얻어진다.

다음에, 센서 다이어프램에 복수의 경사면이 형성됨으로써 센서 다이어프램의 휨이 억제되는 원리를 도 10을 참조하여 설명한다.

도 10의 (a)는 종래의 구조의 단면도를 나타내고, 도 10의 (b)는 본 발명의 구조의 단면도를 나타낸다.

도 10의 (a)에 나타내는 센서 다이어프램(61)은, 직사각 단면 형상의 복수의 돌출부(62)를 가지고 있다. 퇴적막(55)은, 돌출부(62)의 평탄한 돌출 단면(63)과, 돌출부(62)끼리의 사이에서 노출되는 센서 다이어프램(61)의 평탄한 다이어프램 표면(61a)에 형성되어 있다.

이와 같이 센서 다이어프램(61)에 대하여 평행한 부분[돌출 단면(63)과 다이어프램 표면(61a)]이 센서 다이어프램(61)에 형성되어 있으면, 센서 다이어프램(61)에 작동하는 막응력 모멘트(M)는, 개개의 부분에서 분단되어 있어도 전체로 합성되면 그대로의 값이 되어 버린다.

그런데, 도 10의 (b)에 나타내는 산형 구조와 같이, 센서 다이어프램(41)의 표면을 복수의 경사면(53, 54)으로 형성하면, 개개의 막응력 모멘트(M)의 방향이 변화하여, 센서 다이어프램(41)에 대하여 수평 방향이 아니게 된다. 즉, 평탄한 센서 다이어프램(41)에 퇴적막이 형성된 경우와는 다르게, 센서 다이어프램(41)의 면방향에 대하여 경사진 방향으로, 바꾸어 말하면 센서 다이어프램(41)에 대하여 수직으로 근접하는 방향으로 굽힘 모멘트(M)가 작용한다.

또한, 개개의 막응력 모멘트(M)가 산[돌출부(52)]의 대향측의 사면에서 생기고 있는 막응력 모멘트(M)와 서로 소거되기 때문에, 센서 다이어프램(41)의 전체로서 막응력 모멘트(M)가 저감된다.

이 결과, 센서 다이어프램(41)을 굽히는 힘이 작아져, 센서 다이어프램(41)이 휘기 어려워진다고 추찰된다.

도 3∼도 10에 나타낸 형태에 있어서, 개개의 돌출부(52)는 돌조에 의해 형성되어 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 한정에 얽매이지 않고, 개개의 돌출부(52)를 도 11∼도 15에 나타내는 바와 같이, 센서 다이어프램(41)에 돌출 설치된 각뿔형, 원뿔형, 각뿔대형, 원뿔대형, 반구형 등 여러 가지 형상으로 형성할 수 있다. 이들 각뿔, 원뿔, 각뿔대 및 원뿔대 등이 본 발명에서 말하는 「뿔형의 돌출부」에 상당한다. 각뿔은, 평면상에 있는 다각형의 변 상의 각 점과, 그 평면 밖의 일점을 연결하여 이루어지는 입체 다각 형태이다. 이 때문에, 삼각뿔이나 사각뿔 등, 많은 뿔 형상을 포함한다.

이 돌출부(52)는, 센서 다이어프램(41)에 격자형으로 배치하거나, 압력실(44) 내에서 보아 6각 형상으로 배치하거나, 적절하게 변경 가능하다.

도 11에 나타내는 돌출부(52)는, 사각뿔형으로 형성되어 있다. 이 사각뿔의 4개의 측면(64)이 본 발명에서 말하는 「경사면」에 상당한다.

도 12에 나타내는 돌출부(52)는, 원뿔형으로 형성되어 있다. 원뿔의 측면인 둘레면(65)이 본 발명에서 말하는 「경사면」에 상당한다.

도 13에 나타내는 돌출부(52)는, 바닥면이 사각형의 각뿔대형에 형성되어 있다. 이 각뿔대의 4개의 측면(66)이 본 발명에서 말하는 「경사면」에 상당한다.

도 14에 나타내는 돌출부(52)는, 원뿔대형으로 형성되어 있다. 이 원뿔대의 둘레면(67)이 본 발명에서 말하는 「경사면」에 상당한다.

도 15에 나타내는 돌출부(52)는, 반구형으로 형성되어 있다. 이 반구형의 구면(68)이 본 발명에서 말하는 「경사면」에 상당한다.

사각뿔을 격자형으로 배치하여 시뮬레이션을 행한 경우의 계산 결과를 이하에 나타낸다.

도 16은 3차원의 계산 모델을 나타내는 도면이며, 도 16의 (a)는 사각뿔로 이루어지는 돌출부(52)가 마련된 다이어프램 모델(71)의 일부를 나타내는 사시도이고, 도 16의 (b)는 도 16의 (a)의 일부를 확대하여 나타내는 사시도이다. 도 16의 (c)는 평탄한 다이어프램 모델(72)의 일부를 나타내는 사시도이고, 도 16의 (d)는 도 16의 (c)의 일부를 확대하여 나타내는 사시도이다.

다이어프램 모델(71)의 두께는 전체로 100 ㎛이다. 돌출부(52)가 되는 사각뿔은, 바닥면 폭이 50 ㎛×50 ㎛, 높이가 50 ㎛이다. 이 사각뿔은 격자형으로 배치되어 있다. 다이어프램 모델(71)의 직경은 6.5 ㎜로 하였기 때문에 반경 방향의 배치수(즉 분할수)는 130이다. 비교를 위한 평탄한 다이어프램 모델(72)은, 압력 감도를 같게 하기 위해 두께를 63.2 ㎛로 하였다.

이 시뮬레이션의 결과를 도 17에 나타낸다. 도 17의 (a)는 사각뿔을 갖는 다이어프램 모델(71)의 변위의 정도를 도트의 밀도로 나타내는 사시도이고, 도 17의 (b)는 평탄한 다이어프램 모델(72)의 변위의 정도를 도트의 밀도로 나타내는 사시도이다. 도 17은 도트의 밀도가 높을수록 변위가 큰 것을 나타낸다. 다이어프램 모델(71)의 중심부의 변위는, 다이어프램 모델(72)의 변위의 대략 1/12이 되며, 3차원의 경우라도 충분한 효과가 얻어지는 것이 검증되었다.

이러한 돌출부(52)는, 센서 다이어프램(41)의 표면을 500∼1000 정도로 분할하는 경우와는 다르게, 현실적인 가공 치수로 실현할 수 있다.

따라서, 이 실시형태에 따르면, 막응력 저감을 위한 구조를 현실적인 가공 치수로 실현하여, 센서 다이어프램(41)의 퇴적막(55)을 원인으로 생기는 영점 시프트가 가급적 작아지는 압력 센서를 제공할 수 있다.

돌출부(52)를 각뿔형, 원뿔형, 각뿔대형, 원뿔대형, 반구형 등의 형상으로 형성하는 경우라도, 높이는, 센서 다이어프램(41)의 전체의 두께에 대하여 25％∼75％인 것이 바람직하다.

또한, 돌출부(52)를 각뿔형, 원뿔형, 각뿔대형, 원뿔대형으로 형성하는 경우라도, 경사면(53, 54)이 센서 다이어프램(41)에 평행한 면과 이루는 각도는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 각각 적어도 20°∼90°이고, 45°∼80°인 것이 바람직하다.

또한, 돌출부(52)를 각뿔형이나 원뿔형 등의 형상으로 형성하는 경우라도 서로 인접하는 2개의 돌출부(52)끼리의 사이에 직사각 단면 형상의 슬릿(홈)(56)을 형성할 수 있다. 이 슬릿(56)도 도 8에 나타내는 바와 같이 홈폭(W)이 10∼50 ㎛이고, 깊이(D)가 홈폭보다 큰 것이 바람직하다.

1…정전 용량형 격막 진공계, 13…센서 칩(압력 센서), 41…센서 다이어프램(다이어프램), 44…압력실, 52…돌출부, 53, 54…경사면, 56…슬릿(홈), 64…측면, 65, 67…둘레면, 68…구면.

Claims (10)

1. 피측정 유체가 도입되는 압력실의 벽의 일부를 구성하는 다이어프램을 포함하고,
   상기 다이어프램에 있어서의 상기 피측정 유체와 접촉하는 한쪽의 면은, 상기 다이어프램의 두께 방향에 대하여 경사지며 또한 압력실의 내측을 지향하는 복수의 경사면을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 경사면은, 상기 한쪽의 면에 돌출 설치된 뿔형의 돌출부의 측면인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 경사면은, 상기 한쪽의 면에 돌출 설치된 사다리꼴 단면형의 돌출부의 경사진 측면인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 경사면은, 상기 한쪽의 면에 돌출 설치된 반구형의 돌출부의 구면인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 돌출부의 높이는, 상기 다이어프램 전체의 두께에 대하여 25％∼75％인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 돌출부의 돌출단을 포함하며 또한 상기 측면과 교차하는 단면에 있어서 한쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면 및 다른쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면이 이루는 각도가 각각 20°∼90°인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 돌출부의 돌출단을 포함하며 또한 상기 측면과 교차하는 단면에 있어서 한쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면 및 다른쪽의 측면에 상당하는 변과 상기 다이어프램에 평행한 면이 이루는 각도가 각각 45°∼80°인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
8. 제2항에 있어서,
   상기 돌출부의 꼭대기부가 볼록 곡면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
9. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 경사면 중, 골이 형성되도록 서로 인접하는 2개의 경사면끼리의 사이에 직사각 단면 형상의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
10. 제9항에 있어서,
    상기 홈의 홈폭이 10∼50 ㎛이고, 깊이가 상기 홈폭보다 큰 것을 특징으로 하는 압력 센서.

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