KR20220152931A - 격막 진공계 - Google Patents

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KR20220152931A
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diaphragm
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야스히데 요시카와
게이스케 오바라
준 이치하라
기미히로 사토
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아즈빌주식회사
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Abstract

[과제] 가열 온도 설정치의 전환을 용이하게 한다.
[해결수단] 격막 진공계는, 피측정 매체의 압력에 의한 다이어프램의 변위에 따라서 전기 특성이 변화되는 수압부(10)와, 수압부(10)를 가열하는 히터(5)와, 수압부(10)의 온도를 계측하는 온도 센서(9)와, 수압부(10)의 전기 특성의 변화를 압력 계측치로 변환하는 압력 계측부(2021)와, 복수의 가열 온도 설정치를 기억하는 기억부(203)와, 외부로부터 입력되는 디지털 입력 신호에 따라서 복수의 가열 온도 설정치 중 어느 하나를 선택하는 가열 온도 설정부(2024)와, 온도 센서(9)에 의해서 계측된 온도와 가열 온도 설정부(2024)에 의해서 선택된 가열 온도 설정치에 기초하여 히터(5)에의 공급 전력을 제어하는 제어부(2023)를 구비한다.

Description

격막 진공계{DIAPHRAGM VACUUM GAUGE}
본 발명은 격막 진공계에 관한 것이다.
격막 진공계는, 반도체의 프로세스 챔버의 압력 계측을 위해서 사용된다. 반도체의 프로세스 가스는, 온도가 적절하지 않으면, 액화 또는 고화하여 격막 진공계의 센서부에 부착되어 버려, 계측에 영향을 주게 된다. 이 때문에, 격막 진공계는, 액화 또는 고화된 프로세스 가스의 부착을 방지하기 위한 자기 가열 기능을 갖고 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2, 특허문헌 3 참조).
한편, 최근의 반도체 프로세스는 고도화되고 있어, 하나의 프로세스에서 다양한 가스가 사용된다. 프로세스 가스에 따라 적절한 자기 가열 온도가 다른 경우가 있기 때문에, 특허문헌 2, 특허문헌 3, 특허문헌 4에 개시된 격막 진공계와 같이, 자기 가열 온도를 전환하는 기능을 갖는 격막 진공계도 있다. 또한, 격막 진공계를 사용하고 있지 않을 때는, 소비전력을 저감시키기 위해서 자기 가열 기능을 오프로 하는 기능을 구비한 것도 있다.
그러나, 종래의 격막 진공계에서는, 자기 가열 온도를 변경하기 위해서, 사용자는, 통신이나 아날로그 입력으로 가열 온도 설정치를 격막 진공계에 입력해야만 한다고 하는 과제가 있었다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 2010-117154호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허공개 2009-243887호 공보 [특허문헌 3] 일본 특허공개 2019-7906호 공보 [특허문헌 4] 일본 특허공개 2019-100766호 공보
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 통신이나 아날로그 입력으로 가열 온도 설정치를 입력하지 않고서 가열 온도 설정치를 용이하게 전환할 수 있는 격막 진공계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 격막 진공계는, 피측정 매체의 압력에 의한 다이어프램의 변위에 따라서 전기 특성이 변화되도록 구성되는 수압부와, 상기 수압부를 가열하도록 구성되는 히터와, 상기 수압부의 온도를 계측하도록 구성되는 온도 센서와, 상기 수압부의 전기 특성의 변화를 압력 계측치로 변환하도록 구성되는 압력 계측부와, 복수의 가열 온도 설정치를 미리 기억하도록 구성되는 기억부와, 외부로부터 입력되는 디지털 입력 신호에 따라서 상기 복수의 가열 온도 설정치 중 어느 하나를 선택하도록 구성되는 가열 온도 설정부와, 상기 온도 센서에 의해서 계측된 온도와 상기 가열 온도 설정부에 의해서 선택된 가열 온도 설정치에 기초하여 상기 히터에의 공급 전력을 제어하도록 구성되는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 기억부에 기억되어 있는 복수의 가열 온도 설정치 중 적어도 하나를, 사용자로부터의 지시에 따라서 변경하도록 구성되는 변경부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 디지털 입력 신호의 ON/OFF를 전압으로 변환하여 상기 가열 온도 설정부에 입력하도록 구성되는 디지털 입력 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 기억부와 가열 온도 설정부를 설치함으로써, 사용자는 통신이나 아날로그 입력으로 가열 온도 설정치를 입력할 필요가 없고, 가열 온도 설정치를 디지털 입력 신호만으로 용이하게 전환할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 격막 진공계의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩의 주요부의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 격막 진공계의 회로부의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 격막 진공계의 연산 처리부의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 격막 진공계의 연산 처리부를 실현하는 컴퓨터의 구성예를 도시하는 블록도이다.
[발명의 원리]
발명자는, 격막 진공계에 미리 파라미터로서 복수의 가열 온도 설정치를 유지시켜 놓고, 사용자가 디지털 입력(Digital Input, 이하 DI라고 한다) 신호로 가열 온도 설정치를 선택할 수 있도록 하는 데에 생각이 미쳤다. 이에 따라, 사용자는, 통신이나 아날로그 입력으로 가열 온도 설정치를 입력할 필요가 없고, 단순한 스위치의 ON, OFF 신호만으로 가열 온도 설정치를 전환할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예에 관해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 격막 진공계의 구성을 도시하는 블록도, 도 2는 격막 진공계에 이용되는 센서 칩의 주요부의 구성을 도시하는 단면도이다.
격막 진공계는, 피측정 매체(예컨대 프로세스 가스)의 압력에 의한 다이어프램(격막)의 변위에 따라서 정전 용량이 변화되는 수압부(10)와, 수압부(10)의 정전용량의 변화를 압력 계측치로 변환하는 회로부(11)를 구비한다.
수압부(10)의 센서 칩(1)의 받침대(101)의 중앙부에는 오목부가 형성된다. 이 오목부가 형성된 받침대(101)의 면에는, 피측정 매체의 압력(P)에 따라서 변형 가능하게 구성된 다이어프램(102)이 접합된다. 받침대(101)의 오목부는 다이어프램(102)과 함께 기준 진공실(104)을 형성한다.
센서 칩(1)에 있어서, 받침대(101)의 기준 진공실(104) 측의 면에는 고정 전극(105)이 형성되고, 다이어프램(102)의 기준 진공실(104) 측의 면에는 고정 전극(105)과 대향하도록 가동 전극(106)이 형성된다. 이렇게 해서, 고정 전극(105)과 가동 전극(106)이 갭을 두고서 대향하도록 배치된다. 다이어프램(102)이 피측정 매체의 압력(P)을 받아 휘면, 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 간격이 변화되어, 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량이 변화한다. 이 정전 용량의 변화로부터 다이어프램(102)이 받은 피측정 매체의 압력(P)을 검출할 수 있다. 다이어프램(102)과 받침대(101)는, 예컨대 사파이어 등의 절연체로 구성된다.
도 1에 도시한 격막 진공계는, 이와 같이 구성된 센서 칩(1)과, 센서 칩(1)을 수용하는 하우징(2)과, 센서 칩(1)의 다이어프램(102)으로 피측정 매체의 압력(P)을 유도하는 압력 도입관(3)과, 하우징(2)을 덮는 센서 케이스(4)와, 센서 케이스(4)의 외주면을 둘러싸도록 마련되는 히터(5)를 구비한다. 히터(5)가 설치된 센서 케이스(4)는, 단열재(6)에 의해서 덮인다.
하우징(2)의 내부에는, 격벽(7)이 마련된다. 격벽(7)은 받침판(7a)과 지지판(7b)으로 구성되고, 하우징(2)의 내부 공간을 제1 공간(2a)과 제2 공간(2b)으로 분리한다. 지지판(7b)은 외주가 하우징(2)에 고정되고, 받침판(7a)을 하우징(2)의 내부 공간 안에 부상시킨 상태에서 지지한다. 받침판(7a)의 제2 공간(2b) 측에 센서 칩(1)이 고정된다. 또한, 받침판(7a)에는, 제1 공간(2a) 내의 압력을 센서 칩(1)의 다이어프램(102)으로 유도하는 압력 도입 구멍(7c)이 형성된다. 제2 공간(2b)은 센서 칩(1)의 기준 진공실(104)과 연통되고, 진공 상태로 되어 있다.
압력 도입관(3)은, 하우징(2)의 제1 공간(2a) 측에 접속된다. 압력 도입관(3)과 하우징(2)의 사이에는 배플(8)이 마련된다. 압력 도입관(3)으로부터 도입되는 피측정 매체는, 배플(8)의 판면에 닿고, 배플(8) 주위의 간극을 통과하여, 하우징(2)의 제1 공간(2a) 내로 유입된다.
하우징(2)의 외벽면에는, 온도 센서(9)가 설치된다. 온도 센서(9)는, 수압부(10)의 온도로서 하우징(2)의 온도를 계측한다.
도 3은 회로부(11)의 구성을 도시하는 블록도이다. 회로부(11)는, 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량에 비례하는 진폭의 신호를 출력하는 신호 검출부(200)와, 신호 검출부(200)와 온도 센서(9)의 출력을 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(201)와, 연산 처리부(202)와, 연산 처리부(202)의 프로그램과 데이터를 기억하는 기억부(203)와, 연산 처리부(202)의 출력을 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부(204)와, 외부와의 통신을 위한 통신 포트(205)와, DI 신호의 ON/OFF를 전압으로 변환하여 연산 처리부(202)에 입력하는 디지털 입력 회로(206)를 구비한다.
도 3에 도시하는 것과 같이, 연산 처리부(202)는, 수압부(10)의 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량(전기 특성)을 산출하는 용량 산출부(2020)와, 정전 용량의 변화를 압력 계측치로 변환하는 압력 계측부(2021)와, 온도 센서(9)에 의해서 계측된 온도의 값을 취득하는 온도 검출부(2022)와, 온도 센서(9)에 의해서 계측된 온도와 가열 온도 설정치에 기초하여 히터(5)에의 공급 전력을 제어하는 제어부(2023)와, 입력 포트(PI1∼PI4)의 상태에 따라서 복수의 가열 온도 설정치 중 어느 하나를 선택하는 가열 온도 설정부(2024)와, 기억부(203)에 기억되어 있는 복수의 가열 온도 설정치 중 적어도 하나를, 사용자로부터의 지시에 따라서 변경하는 변경부(2025)를 구비한다.
디지털 입력 회로(206)는, 베이스 단자에 DI 신호(DI1∼DI4)가 입력되고, 이미터 단자에 전원 전압(VCC)이 공급되며, 콜렉터 단자가 연산 처리부(202)의 입력포트(PI1∼PI4)에 접속되는 트랜지스터(Q1∼Q4)와, 일단이 입력 포트(PI1∼PI4)에 접속되고, 타단이 그라운드에 접속되는 저항(R1∼R4)으로 구성된다.
도 4는 연산 처리부(202)의 동작을 설명하는 흐름도이다. 용량 산출부(2020)는, 신호 검출부(200)의 출력 신호의 진폭으로부터 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량의 값을 산출한다(도 4의 단계 S100).
압력 계측부(2021)는, 용량 산출부(2020)에 의해서 산출된 정전 용량의 변화를 압력 계측치로 변환한다(도 4의 단계 S101). 압력 계측부(2021)에 의해서 산출된 압력 계측치는, DA 변환부(204)에 의해서 아날로그 신호로 변환되어 외부로 출력된다. 또한, 압력 계측치는, 통신 포트(205)를 통해 외부 기기(예컨대 컴퓨터)로 송신된다.
이어서, 기억부(203)에는 복수의 가열 온도 설정치가 미리 기억되어 있다. 상기한 것과 같이, 사용자는, 이들 가열 온도 설정치 중 하나를 DI 신호로 선택할 수 있다. 구체적으로 사용자는, 격막 진공계의 디지털 입력 단자에 PLC(programmable logic controller: 프로그램 가능 로직 컨트롤러) 등을 접속하고, PLC의 스위치(SW1∼SW4)를 이용하여 DI 신호(DI1∼DI4)를 ON/OFF한다. DI 신호(DI1∼DI4)의 ON/OFF로 가열 온도 설정치를 선택하는 사례를 표 1에 나타낸다.
Figure pat00001
표 1의 예에서는, 4개의 DI 신호(DI1∼DI4)의 ON/OFF로 파라미터 1∼파라미터 16의 16개의 가열 온도 설정치 중 하나를 선택하는 것이 가능하다.
예컨대 스위치(SW1∼SW4)를 전부 OFF로 하고, DI 신호(DI1∼DI4)를 전부 OFF로 한 경우, 디지털 입력 회로(206)의 트랜지스터(Q1∼Q4)가 OFF가 되고, 연산 처리부(202)의 입력 포트(PI1∼PI4)의 전압이 Low가 된다.
가열 온도 설정부(2024)는, 입력 포트(PI1∼PI4)의 상태를 감시하고 있으며, 입력 포트(PI1∼PI4)의 상태에 대응하는 가열 온도 설정치(자기 가열 온도 선택 파라미터)를 기억부(203)로부터 선택하여 독출한다(도 4의 단계 S102). 그리고, 가열 온도 설정부(2024)는 독출한 가열 온도 설정치를 제어부(2023)에 대하여 설정한다(도 4의 단계 S103).
온도 검출부(2022)는, 온도 센서(9)에 의해서 계측된 온도의 값을 취득한다. 제어부(2023)는, 온도 센서(9)에 의해서 계측된 온도가 가열 온도 설정치와 일치하도록 히터(5)에의 공급 전력을 제어한다(도 4의 단계 S104).
예컨대 상기한 예와 같이 DI 신호(DI1∼DI4)가 전부 OFF(입력 포트(PI1∼PI4)가 Low)인 상태에서는, 가열 온도 설정부(2024)는, 기억부(203)로부터 파라미터 1을 독출한다. 표 1의 예에서는, 파라미터 1이 자기 가열 OFF로 되어 있기 때문에, 제어부(2023)는 히터(5)에 전력을 공급하지 않는다.
또한, 스위치(SW1∼SW3)를 OFF, 스위치(SW4)를 ON으로 하고, DI 신호(DI1∼DI3)를 OFF, DI 신호(DI4)를 ON으로 한 경우, 트랜지스터(Q1∼Q3)가 OFF, 트랜지스터(Q4)가 ON으로 되고, 입력 포트(PI1∼PI3)의 전압이 Low, 입력 포트(PI4)의 전압이 High가 된다. 이 경우, 가열 온도 설정부(2024)는, 기억부(203)로부터 파라미터 2를 독출한다. 표 1의 예에서는 파라미터 2가 50℃로 되어 있기 때문에, 제어부(2023)는, 온도 센서(9)에 의해서 계측된 온도가 50℃가 되도록 히터(5)에 전력을 공급한다.
연산 처리부(202)는, 예컨대 사용자의 지시에 의해서 압력 계측 동작이 종료될 때까지(도 4의 단계 S105에 있어서 YES), 단계 S100∼S104의 처리를 계측 주기마다 행한다.
또한, 기억부(203)에 기억되어 있는 가열 온도 설정치(자기 가열 온도 선택 파라미터)는, 사용자가 예컨대 통신 포트(205)를 통한 통신 혹은 디지털 설정기에 의해서 변경할 수 있다. 변경부(2025)는, 기억부(203)에 기억되어 있는 복수의 가열 온도 설정치 중 적어도 하나를, 사용자로부터의 지시에 따라서 변경한다. 이에 따라, 예컨대 파라미터 16을 200℃에서 190℃로 변경할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 가열 온도 설정치를 DI 신호만으로 용이하게 전환할 수 있기 때문에, 통신이나 아날로그 신호에 의한 설정이 불필요하게 되어, 장치 측의 부담이 적어진다. 본 실시예에서는, 디지털 입력 단자에 접속한 PLC 등에 의해 가열 온도 설정치를 전환할 수 있기 때문에, PLC의 프로그램에 의해서, 예컨대 반도체 프로세스 중에 간단히 가열 온도 설정치를 변경할 수 있게 된다.
또한, 종래의 격막 진공계에서는, 사용자는 통신이나 아날로그 입력으로 가열 온도 설정치를 격막 진공계에 입력해야만 한다. 그러나, 통신이나 아날로그 입력으로 가열 온도 설정치를 변경하는 경우, 잘못하여 예정하지 않은 값을 설정해 버릴 가능성이 있다.
이에 대하여, 본 실시예에서는, 미리 기억부(203)에 기억되어 있는 가열 온도 설정치 중에서 선택이 이루어지기 때문에, 예정하지 않은 값이 설정되는 일은 없다.
또한, 본 실시예에서는 DI 신호를 (DI1∼DI4)의 4개로 하고 있지만, DI 신호는 하나라도 좋다. DI 신호가 하나인 경우에는, 선택 가능한 가열 온도 설정치는 2개가 된다.
또한, 본 실시예에서는 다이어프램의 변위에 따라서 정전 용량이 변화되는 정전 용량 방식의 격막 진공계에 관해서 설명했지만, 이것에 한하는 것은 아니며, 다른 방식의 격막 진공계에 본 발명을 적용하여도 좋다. 다른 방식의 격막 진공계의 예로서는, 확산 저항체를 형성한 반도체 실리콘을 다이어프램으로서 이용하여, 다이어프램의 변위에 따른 저항체의 저항 변화를 압력 계측치로 변환하는 피에조 저항 방식의 격막 진공계가 있다.
본 실시예에서 설명한 연산 처리부(202)는, CPU(Central Processing Unit),기억 장치 및 인터페이스를 갖춘 컴퓨터와, 이들의 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해서 실현할 수 있다. 이 컴퓨터의 구성예를 도 5에 도시한다.
컴퓨터는 CPU(400)와 기억 장치(401)와 인터페이스 장치(I/F)(402)를 구비한다. I/F(402)에는, 히터(5), AD 변환부(201), DA 변환부(204), 통신 포트(205) 등이 접속된다. 이러한 컴퓨터에 있어서, 본 발명의 방법을 실현시키기 위한 프로그램은, 기억 장치(401)에 저장된다. CPU(400)는, 기억 장치(401)에 저장된 프로그램에 따라서 본 실시예에서 설명한 처리를 실행한다.
본 발명은, 격막 진공계에 적용할 수 있다.
1: 센서 칩, 5: 히터, 9: 온도 센서, 10: 수압부, 11: 회로부, 102: 다이어프램, 105: 고정 전극, 106: 가동 전극, 200: 신호 검출부, 201: AD 변환부, 202: 연산 처리부, 203: 기억부, 204: DA 변환부, 205: 통신 포트, 206: 디지털 입력 회로, 2020: 용량 산출부, 2021: 압력 계측부, 2022: 온도 검출부, 2023: 제어부, 2024: 가열 온도 설정부, 2025: 변경부, Q1∼Q4: 트랜지스터, R1∼R4: 저항.

Claims (3)

  1. 피측정 매체의 압력에 의한 다이어프램의 변위에 따라서 전기 특성이 변화되도록 구성되는 수압부와,
    상기 수압부를 가열하도록 구성되는 히터와,
    상기 수압부의 온도를 계측하도록 구성되는 온도 센서와,
    상기 수압부의 전기 특성의 변화를 압력 계측치로 변환하도록 구성되는 압력 계측부와,
    복수의 가열 온도 설정치를 미리 기억하도록 구성되는 기억부와,
    외부로부터 입력되는 디지털 입력 신호에 따라서 상기 복수의 가열 온도 설정치 중 어느 하나를 선택하도록 구성되는 가열 온도 설정부와,
    상기 온도 센서에 의해서 계측된 온도와 상기 가열 온도 설정부에 의해서 선택된 가열 온도 설정치에 기초하여 상기 히터에의 공급 전력을 제어하도록 구성되는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기억부에 기억되어 있는 복수의 가열 온도 설정치 중 적어도 하나를 사용자로부터의 지시에 따라서 변경하도록 구성되는 변경부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 디지털 입력 신호의 ON/OFF를 전압으로 변환하여 상기 가열 온도 설정부에 입력하도록 구성되는 디지털 입력 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
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