JP6748006B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に流体からの圧力を受けて変位するダイアフラムを含む検出デバイスを備える圧力センサに関する。

静電容量式の隔膜真空計などの圧力センサは、ダイアフラム（隔膜）を含む検出デバイスを測定対象のガスが流れる配管などに取り付けて、圧力を受けたダイアフラムのたわみ量、すなわち変位を静電容量値に変換し、静電容量値から圧力値を出力する。この圧力センサは、ガス種依存性が少ないことから、半導体設備をはじめ、工業用途で広く使用されている（特許文献１，特許文献２参照）。

上述した隔膜真空計などの圧力センサの検出デバイスは、図６に示すように、測定対象からの圧力を受けるダイアフラム３０２と、平面視中央に凹部を有し、ダイアフラム３０２を支持する支持部３０１ａを有する基台３０１とを有する。ダイアフラム３０２と基台３０１とは容量室３０３を形成する。支持部３０１ａによって支持されたダイアフラム３０２のうち基台３０１と離間した可動領域３０２ａは、基台３０１の方向に変位可能となる。ダイアフラム３０２と基台３０１は、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。

また、圧力センサの検出デバイスは、ダイアフラム３０２の可動領域３０２ａに形成された可動電極３０４と、基台３０１の上に形成されて可動電極３０４に向かい合う固定電極３０５とを備える。また、圧力センサの検出デバイスは、ダイアフラム３０２の可動領域３０２ａにおいて可動電極３０４の周囲に形成された可動参照電極３０６と、固定電極３０５の周囲の基台３０１の上に形成され、可動参照電極３０６に向かい合う固定参照電極３０７とを備える。

上述した圧力センサの検出デバイスは、圧力センサが取り付けられている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、原料ガスに曝される箇所にはプロセス中に生成した副生成物が堆積する。例えば、図３に示すように、ダイアフラム３０２の上に副生成物３２１が堆積する。

例えば、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）は、特性上、原料ガスに曝される様々な箇所に副生成物が堆積する。このような副生成物の堆積を防止するために、例えば成膜動作時などにおいて、副生成物が堆積しやすい成膜装置の各部分を例えば２００℃程度に加熱している。

例えば、圧力センサ側では、検出デバイスを加熱して副生成物の堆積を抑制している。また、成膜装置側では、圧力センサのダイアフラムに圧力を導入するための配管部にヒータを設けて同様に加熱している。

ところで、圧力センサは温度変化に対しても感度（温度特性）を持っている（非特許文献１参照）。このため通常は、圧力センサを組み立てた後に温度特性を評価し、温度変化の影響が小さくなるように、検出デバイスを加熱する温度に基づいて圧力センサの出力を補正する計測回路を調整して出荷している。

特開２００６−００３２３４号公報 特開２０１４−１０９４８４号公報

市田 俊司 他、「ＳＰＳ３００インテリジェント圧力センサーの開発」、Savemation Review、vol.9、 no.1、 pp.8-14、１９９１年。

しかしながら、検出デバイスを加熱する温度に基づいて圧力センサの出力を補正しても、出力される測定値にずれが生じる場合が確認された。これは、何らかの影響で配管部からの熱の伝わりに変化が生じ、検出デバイスの実際の温度が、検出デバイスを加熱するためのヒータを制御するための測定温度と異なるためと推定される。

検出デバイスを加熱する温度制御においては、検出デバイス付近の温度を測定し、測定した温度によりヒータに流れる電流を制御する、フィードバック制御をしている。このように制御している温度値に基づいて、圧力センサの出力を補正する。

ここで、配管部を伝導する熱が変化すると、検出デバイスの温度は直ちに変化する。一方、フィードバック制御のために測定している検出デバイス付近の温度は、上記熱の変化より遅れて変化する。このため、ダイアフラムに圧力を導入するための配管部から熱の伝導が変化すると、制御のために測定している温度が変化に追従しない。この状態では、検出デバイスの実際の温度とは異なる温度により、圧力センサの出力が補正されることになり、この結果、上述した測定値のずれが発生するものと考えられる。このように、圧力センサから出力される測定値のずれは、測定対象の圧力を導入するための配管から圧力センサの検出デバイスに伝わる熱の変動が原因と考えられる。

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、測定対象の圧力を導入するための配管から圧力センサの検出デバイスに伝わる熱の変動が検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る圧力センサは、測定対象からの圧力を受けて変位するダイアフラムを備え、ダイアフラムの変位を他の物理量の変化に変換する検出デバイスと、ダイアフラムの変位による上記他の物理量の変化を圧力値に変換して出力するように構成された圧力値出力部と、検出デバイスを収容する内側容器と、内側容器を収容する外側容器と、内側容器に接続され内側容器の内部に測定対象の圧力を導入するための圧力導入管と、内側容器の内部に設けられ、内側容器の内部空間を圧力導入管を介して測定対象の圧力が導入される圧力検出側の空間と、圧力検出側の空間と反対側の空間で検出デバイスが配置される素子配置側の空間とに分離するとともに、素子配置側の面に検出デバイスが接合され、圧力検出側の圧力を検出デバイスのダイアフラムに導く圧力導入孔を有する隔壁と、内側容器の素子配置側の外側壁面に設けられた第１温度測定機構と、外側容器の外側に壁面に設置されて外側容器の内部を加熱するための加熱機構と、加熱機構の動作を制御して、第１温度測定機構で測定される第１温度値を設定温度に近づけるように構成された温度制御部と、加熱機構の温度を測定する第２温度測定機構と、第１温度測定機構が測定した第１温度値と第２温度測定機構が測定した第２温度値との温度差を求めるように構成された温度差算出部と、温度差算出部が算出した温度差が設定範囲を外れた場合に警報を発令するように構成された警報出力部とを備える。

上記圧力センサにおいて、検出デバイスは、ダイアフラムと離間してダイアフラムを支持する基台と、ダイアフラムに設けられた第１の電極と、基台に設けられ第１の電極と向いあう第２の電極とを有し、圧力値出力部は、ダイアフラムの変位による第１の電極と第２の電極との間の容量変化を圧力値に変換して出力する。

上記圧力センサにおいて、ダイアフラムは、測定対象からの圧力を受ける受圧部と反対側に真空とされた容量室を備える。

以上説明したことにより、本発明によれば、測定対象の圧力を導入するための配管（圧力導入管）から圧力センサの検出デバイスに伝わる熱の変動が検出できるという優れた効果が得られる。

図１は、発明の実施の形態における圧力センサの構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における圧力センサの構成を模式的に示す断面図である。 図３は、圧力導入管２０４の温度変化に対する、第１温度測定機構１０３および第２温度測定機構１０６の測定結果を示す特性図である。 図４は、圧力導入管２０４の温度変化に対する、温度差算出部１０７による温度差の測定結果を示す特性図である。 図５は、実施の形態における圧力センサの温度変化によるゼロ点変動を説明するための特性図である。 図６は、隔膜真空計の検出デバイスの一部構成を一部破断して示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図１，２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における圧力センサの構成を示す構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態における圧力センサの構成を模式的に示す断面図である。

この圧力センサは、検出デバイス（センサチップ）１０１、圧力値出力部１０２、第１温度測定機構１０３、ヒータ（加熱機構）１０４、温度制御部１０５、第２温度測定機構１０６、温度差算出部１０７、警報出力部１０８を備える。また、記憶部１０９、補正部１１０を備える。

実施の形態において、センサチップ１０１は、よく知られた静電容量式であり、基台１１１，ダイアフラム１１２，可動電極（第１の電極）１１４，固定電極（第２の電極）１１５を備える。センサチップ１０１は、ダイアフラム１１２の変位を他の物理量（容量）の変化に変換する。

基台１１１およびダイアフラム１１２は、例えば、サファイアやアルミナセラミックなどの耐熱耐食性を有する絶縁体から構成されている。また、受圧部となるダイアフラム１１２は、平面視中央に凹部を有する基台１１１の支持部１１１ａによって支持されている。ダイアフラム１１２は、支持部１１１ａの内側の可動領域１１２ａにおいて、基台１１１の方向に変位可能とされている。可動領域１１２ａは、例えば、平面視円形とされている。

可動領域１１２ａおけるダイアフラム１１２と基台１１１との間は、容量室１１３とされている。容量室１１３はいわゆる真空とされ、基準真空室となる。この場合、実施の形態における圧力センサは、大気圧より減圧される環境における圧力（真空度）を測定する真空計である。

また、可動電極１１４は、容量室１１３の内部でダイアフラム１１２の可動領域１１２ａに形成されている。また、固定電極１１５は、可動電極１１４と、容量室１１３の内部で基台１１１の上に可動電極１１４に向かい合って形成されている。なお、センサチップ１０１は、可動参照電極１１６および固定参照電極１１７を備える。可動参照電極１１６は、容量室１１３の内部でダイアフラム１１２の可動領域１１２ａにおいて可動電極１１４の周囲に形成されている。固定参照電極１１７は、容量室１１３の内部で固定電極１１５の周囲の基台１１１の上に形成されている。可動参照電極１１６と固定参照電極１１７とは向かい合っている。

圧力値出力部１０２は、ダイアフラム１１２の変位による上記他の物理量の変化を圧力値に変換して出力する。例えば、圧力値出力部１０２は、ダイアフラム１１２の変位による容量変化を、設定されているセンサ感度を用いて圧力値に変換して出力する。

記憶部１０９は、センサチップ１０１の所定の温度範囲における温度変化に対する圧力値の変化を示す温度特性を記憶する。例えば、センサチップ１０１が設定温度１００℃で使用される場合、温度９０℃〜１１０℃における圧力値の温度特性が記憶部１０９に記憶されている。補正部１１０は、第１温度測定機構１０３で測定されているセンサチップ１０１の温度に基づいて、記憶部１０９に記憶されている温度特性で圧力値出力部１０２が出力する圧力値を補正する。

また、圧力センサは、センサチップ１０１を収容する内側容器２０１と、内側容器２０１を収容する外側容器２０２とを備える。内側容器２０１および外側容器２０２は、例えば、円筒状に形成されている。内側容器２０１の内部には、隔壁２０３が設けられている。隔壁２０３は、内側容器２０１の内部空間を圧力検出側２０１ａとセンサチップ１０１が配置される素子配置側２０１ｂとに分離する。また、隔壁２０３の素子配置側２０１ｂに、センサチップ１０１が固定（接合）されて支持されている。

隔壁２０３は、台座板２０３ａと支持隔壁２０３ｂとから構成されている。台座板２０３ａは、センサチップ１０１が固定される。支持隔壁２０３ｂは、台座板２０３ａを、内側容器２０１の内部側面に支持する。また、隔壁２０３の台座板２０３ａには、圧力検出側２０１ａの圧力をセンサチップ１０１のダイアフラムに導く圧力導入孔２０３ｃが形成されている。

また、内側容器２０１には、圧力導入管２０４が接続されている。圧力導入管２０４により、内側容器２０１の圧力検出側２０１ａと、圧力測定対象となる装置内部とが連通する。圧力導入管２０４により、内側容器２０１の圧力検出側２０１ａに測定対象の圧力が導入される。圧力導入管２０４の内側開口端と圧力導入孔２０３ｃとの間には、バッフル板２０５が設けられている。バッフル板２０５により、圧力導入管２０４より導入される流体を、センサチップ１０１に直接到達させずに迂回させている。

ここで、第１温度測定機構１０３は、内側容器２０１の素子配置側２０１ｂの温度を測定する。第１温度測定機構１０３は、内側容器２０１の素子配置側２０１ｂの外側壁面に設けられている。第１温度測定機構１０３により、内側容器２０１の温度を測定することで、センサチップ１０１の温度としている。

また、ヒータ（電熱器）１０４は、外側容器２０２の外側に壁面に設置されている。例えば、円筒状とされている外側容器２０２の外周面を取り巻くように、ヒータ１０４が設置されている。ヒータ１０４により外側容器２０２の内部を加熱する。

上述したように、外側容器２０２に配置されているヒータ１０４の外側周面に、第２温度測定機構１０６が接して設けられている。第２温度測定機構１０６は、ヒータ１０４の温度を測定する。例えば、第２温度測定機構１０６は、過昇温防止など、ヒータ１０４の動作を監視するために設けられている。なお、ヒータ１０４が設置されている外側容器２０２は、断熱部材２０６により覆われている。

上述したように隔壁２０３により隔てられている内側容器２０１の圧力検出側２０１ａは、例えば、測定対象の流体が導入される側である。これに対し、素子配置側２０１ｂは、いわゆる真空状態とされている。

ここで、センサチップ１０１の容量室１１３は、真空状態に気密とされていることが理想的である。しかしながら、小型なセンサチップ１０１の容量室１１３を、真空状態に気密として製造することは容易ではない。このため、センサチップ１０１には、容量室１１３と外部とを連通する連通口が設けられている。圧力センサの製造過程で、センサチップ１０１を設置した素子配置側２０１ｂを真空排気することで、容量室１１３を真空状態とする。

上述したように構成されている外側容器２０２をヒータ１０４により加熱すると、この熱は、大気圧とされている外側容器２０２の内部の空気層を伝導し、内側容器２０１を加熱する。ここで、内側容器２０１にヒータを設けて直接加熱することも考えられる。しかしながら、直接加熱した場合、内側容器２０１の全体を均一に加熱することが容易ではない。これは、実際に作製した上で確認している。これに対し、実施の形態では、外側容器２０２を設け、内側容器２０１との間に気体（空気）の層を設けている。この状態で外側容器２０２を加熱することで、内側容器２０１の全体を均一に加熱することが可能となる。

このようにして加熱された内側容器２０１では、圧力検出側２０１ａにおける副生成物の堆積が低減される。また、加熱された内側容器２０１の内部では、素子配置側２０１ｂに配置されているセンサチップ１０１も、加熱されることになる。加熱されたセンサチップ１０１においては、ダイアフラム１１２に対する副生成物の堆積が低減される。

素子配置側２０１ｂの内側容器２０１外側の側面に設置されている第１温度測定機構１０３は、内側容器２０１の内部温度を測定する。このようにして第１温度測定機構１０３で測定されている第１温度値を元に、温度制御部１０５は、ヒータ１０４の動作を制御してセンサチップ１０１が設定温度に加熱されるようにする。

上述した構成において、本発明の実施の形態では、温度差算出部１０７により、第１温度測定機構１０３が測定した第１温度値と第２温度測定機構１０６が測定した第２温度値との温度差を求めるようにした。また、警報出力部１０８により、温度差算出部１０７が算出した温度差が設定範囲を外れた場合に、圧力導入管２０４に伝わる熱に変動が生じたことを示す警報を発令するようにした。

本発明では、温度差算出部１０７が算出した温度差が設定範囲を外れた状態を、センサチップ１０１に外部より伝わる熱に変動が発生しているものと判断するようにした。例えば、温度差算出部１０７が算出した温度差が、設定範囲より大きくなった場合、圧力導入管２０４からの熱の伝わりが小さくなったこと推定できる。また、一方、温度差算出部１０７が算出した温度差が、設定範囲より小さくなった場合は、圧力導入管２０４からの熱の伝わりが大きくなったことが推定できる。

上述したような熱伝導の変化により、圧力検出側２０１ａの領域の温度分布がわずかに変化し、センサチップ１０１が持つ温度特性により圧力値出力部１０２の出力が変化する。この温度変化に第１温度測定機構１０３の温度測定結果が追従しない場合、補正部１１０による補正が追従せず、出力される測定値に影響を及ぼす。

ここで、圧力導入管２０４の温度を変化させて、第１温度測定機構１０３および第２温度測定機構１０６で測温する実験を実施した。この実験では、圧力導入管２０４の温度を変化させるとともに、ゼロ点の変化を確認した。

実験では、測定のレンジが１０Ｐａの圧力センサ（真空計）を用いた。ヒータ１０４を用いた自己加熱温度は１５０℃に設定した。従って、圧力センサにおいては、温度制御部１０５が、第１温度測定機構１０３による温度測定結果をもとにしたフィードバック制御で、センサチップ１０１が１５０℃となるようにヒータ１０４を制御する。

また、成膜装置においては、配管部に設けられているヒータを使用し、圧力導入管２０４の付近を所定の温度に加熱する。配管部は、主にメインチャンバーから引き出されており、この配管部に、圧力導入管２０４が接続されている。配管部の内部の圧力（真空度）が、圧力センサのセンサチップ１０１で検出される。上述した配管部ヒータを用いた圧力導入管２０４の加熱状態を、圧力導入管２０４の温度およびセンサチップ１０１におけるセンサ特性が安定するまで所定時間維持した。

状態が安定した後、圧力センサのゼロ点調整を実施した。引き続き、圧力導入管２０４の温度を段階的に下げ、最終的には配管部ヒータの動作を停止した。このように圧力導入管２０４の温度を段階的に変化（低下）させる過程で、第１温度測定機構１０３および第２温度測定機構１０６による測温を実施した。また、上述した温度変化の過程で、温度センサのゼロ点変動を確認した。なお、配管部ヒータの動作を停止した状態では、圧力導入管２０４の温度は約６０℃であった。

実験の結果、圧力導入管２０４の温度が変化すると、図３の黒丸で示すように、第１温度測定機構１０３による測定結果は、配管部の温度変化と一致した。一方、図３の黒四角に示すように、第２温度測定機構１０６の温度測定結果は、配管部の温度変化とは一致しない。また、図４に示すように、温度差算出部１０７による温度差の測定結果は、１５０℃−６０℃で、約２．２℃から約６．３℃に拡大した。また、図５に示すように、上述した温度変化によるゼロ点変動（シフト）は、約０．２５％Ｆ．Ｓ．であった。温度差が拡大すると、ゼロ点が正の側に変動した。

上述した結果より、圧力導入管２０４の温度が変動することにより、ゼロ点が変動することが分かる。圧力導入管２０４の温度が変動しても、圧力センサはセンサチップ１０１の温度を設定されている自己加熱温度に制御するため、第１温度測定機構１０３の温度測定値は、変動しない。一方、第２温度測定機構１０６の温度測定結果は、圧力導入管２０４の温度の変化が反映される。従って、温度差算出部１０７により求められている温度差には、圧力導入管２０４における温度変動が反映されていることになる。

上述したように、圧力導入管２０４の温度が変動すると、ゼロ点変動を引き起こしている。従って、圧力導入管２０４の温度の変動は、圧力センサから出力される測定値にずれが生じさせることとなる。これに対し、測定値のずれを発生させる温度変動は、温度差算出部１０７により求められている温度差に映されているので、温度差をもとに測定値にずれが発生している状態が判断可能である。

以上に説明したように、本発明では、自己加熱の制御用の温度を測定する第１温度測定機構の測定結果と、自己加熱用の加熱機構に接して設けられた加熱機構の温度を測定する第２温度測定機構の測定結果との差により、圧力導入管への熱伝導に変動が生じたものと判断する。この結果、本発明によれば、圧力導入管などの配管から圧力センサの検出デバイスに伝わる熱の変動が検出できるようになる。

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。例えば、上述では、静電容量式の隔膜真空計を例に説明したが、これに限るものではない、ダイアフラムの変位をピエゾ抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗式の圧力センサであっても同様である。

１０１…センサチップ（検出デバイス）、１０２…圧力値出力部、１０３…第１温度測定機構、１０４…ヒータ（加熱機構）、１０５…温度制御部、１０６…第２温度測定機構、１０７…温度差算出部、１０８…警報出力部、１０９…記憶部、１１０…補正部、１１１…基台、１１１ａ…支持部、１１２…ダイアフラム、１１２ａ…可動領域、１１３…容量室、１１４…可動電極（第１の電極）、１１５…固定電極（第２の電極）、１１６…可動参照電極、１１７…固定参照電極、２０１…内側容器、２０１ａ…圧力検出側、２０１ｂ…素子配置側、２０２…外側容器、２０３…隔壁、２０３ａ…台座板、２０３ｂ…支持隔壁、２０３ｃ…圧力導入孔、２０４…圧力導入管、２０５…バッフル板、２０６…断熱部材。

Claims (3)

1. 測定対象からの圧力を受けて変位するダイアフラムを備え、前記ダイアフラムの変位を他の物理量の変化に変換する検出デバイスと、
   前記ダイアフラムの変位による前記他の物理量の変化を圧力値に変換して出力するように構成された圧力値出力部と、
   前記検出デバイスを収容する内側容器と、
   前記内側容器を収容する外側容器と、
   前記内側容器に接続され前記内側容器の内部に測定対象の圧力を導入するための圧力導入管と、
   前記内側容器の内部に設けられ、前記内側容器の内部空間を前記圧力導入管を介して前記測定対象の圧力が導入される圧力検出側の空間と、前記圧力検出側の空間と反対側の空間で前記検出デバイスが配置される素子配置側の空間とに分離するとともに、前記素子配置側の面に前記検出デバイスが接合され、前記圧力検出側の圧力を前記検出デバイスの前記ダイアフラムに導く圧力導入孔を有する隔壁と
   前記内側容器の前記素子配置側の外側壁面に設けられた第１温度測定機構と、
   前記外側容器の外側に壁面に設置されて前記外側容器の内部を加熱するための加熱機構と、
   前記加熱機構の動作を制御して、前記第１温度測定機構で測定される第１温度値を設定温度に近づけるように構成された温度制御部と、
   前記加熱機構の温度を測定する第２温度測定機構と、
   前記第１温度測定機構が測定した第１温度値と第２温度測定機構が測定した第２温度値との温度差を求めるように構成された温度差算出部と、
   前記温度差算出部が算出した温度差が設定範囲を外れた場合に警報を発令するように構成された警報出力部と
   を備えることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記検出デバイスは、前記ダイアフラムと離間して前記ダイアフラムを支持する基台と、前記ダイアフラムに設けられた第１の電極と、前記基台に設けられ前記第１の電極と向いあう第２の電極とを有し、
   前記圧力値出力部は、前記ダイアフラムの変位による前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量変化を前記圧力値に変換して出力することを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１または２記載の圧力センサにおいて、
   前記検出デバイスは、測定対象からの圧力を受ける受圧部となる前記ダイアフラムと反対側に真空とされた容量室を備えることを特徴とする圧力センサ。

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