JPH07333183A - 金属酸化物半導体薄膜を用いた酸素分圧検出素子および該素子を備えた酸素分圧計ならびに真空装置 - Google Patents

金属酸化物半導体薄膜を用いた酸素分圧検出素子および該素子を備えた酸素分圧計ならびに真空装置

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JPH07333183A
JPH07333183A JP15424294A JP15424294A JPH07333183A JP H07333183 A JPH07333183 A JP H07333183A JP 15424294 A JP15424294 A JP 15424294A JP 15424294 A JP15424294 A JP 15424294A JP H07333183 A JPH07333183 A JP H07333183A
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JP
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partial pressure
oxygen partial
oxygen
thin film
oxide semiconductor
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JP15424294A
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Eriko Chiba
恵里子 千葉
Yasuhiro Sato
康弘 佐藤
Etsuko Fujisawa
悦子 藤沢
Tsutomu Ishida
力 石田
Zenichi Akiyama
善一 秋山
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 選択的に酸素を吸着し酸素濃度を計測するこ
とで、酸素の流入量ではなく、酸素分圧を実測する酸素
分圧検出素子および該素子を備えた酸素分圧計ならびに
真空装置の提供。 【構成】 雰囲気中に存在する酸素分圧の変化に対して
電気伝導度が変化する金属酸化物半導体薄膜を用いた酵
素分圧検出素子および該素子を備えた酸素分圧計ならび
に真空装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素分圧検出素子、酸
素分圧計および酸素分圧を計測する必要のある酸化物ア
ニール装置、製膜装置、真空ケース等の真空装置に関す
る。
【0002】
【従来技術】
(1)酸化物薄膜は各種デバイスの絶縁膜、機能膜とし
て数多く用いられており、その製膜方法はスパッタ法、
蒸着法などの真空製膜法である。これらの製膜方法では
酸素分圧は膜質に大きく関与し、酸素分圧の安定性は膜
の安定性に直接かかわる。したがって、このような酸化
物薄膜の製膜法、あるいは製膜装置においては、酸素分
圧を正確に把握することは重要である。しかしながら多
くの場合、酸素分圧の把握は、酸素の供給量で代用して
いる場合が多いが、装置内で酸素濃度に分布がある場合
などは、膜成長の進行場所での酸素分圧が正確に計測で
きないというような問題がある。酸化物薄膜を酸化アニ
ールする場合についても同様である。 (2)酸素分圧の測定を行なうことのできる分圧計とし
ては、磁場偏向形分析計、マスフィルタなどが知られて
いる。一般的に言って、磁場偏向形分析計は定量分析に
は最も信頼度が高いが、形が大きく重く、漏れ磁場が問
題になることがある。磁場を用いないものは、小型で分
析速度も速く、漏れ磁場もないが、定量性にはやや劣る
ものが多い。また、マスフィルタは、小型で真空装置の
どこにでも取り付けることができ、蒸着中やスパッタ中
のガス分析も行えるが、動作圧力は1×10-2〔Pa〕
以下である(「薄膜作成の基礎」第2版、麻蒔 立男
著、日刊工業新聞社発行)。 (3)試料を保存する場合、大気中保存では水分による
吸湿や酸素による酸化により変質してしまう試料に関し
ては、真空ケースに保存する。酸化により変質してしま
う試料に関しては、温度、湿度、真空度よりも酸素濃度
が重要である。しかしながら試料保存用真空ケースにお
いて、温度、湿度、真空度を測定する計測器が具備され
ているものは公知であるが、さらに酸素分圧を計測する
計測器を備えたものはない。 (4)ガスセンサには、ガス感応物質として金属酸化物
半導体を用いて、ガス吸着により抵抗値の変化を利用し
たものが知られている。これらは酸素が十分に吸着して
いる場合、還元性ガスの共存で酸素が脱離するため抵抗
値が変化することを利用している。このようなセンサに
おいて、酸化スズ薄膜を用いたガスセンサについては本
出願人は既に出願している(特開昭61−20114
9、特開昭57−60887)。
【0003】
【目的】本発明は、選択的に酸素を吸着し酸素濃度を計
測することで、酸素の流入量ではなく、酸素分圧を実測
する酸素分圧検出素子および該素子を備えた酸素分圧計
ならびに真空装置の提供を目的とする。
【0004】
【構成】本発明は、酸素分圧を計測する検出素子および
該素子を備えた酸素分圧計において、前記検出素子とし
て金属酸化物半導体薄膜層を有するものを使用すること
により、前記の従来公知の酸素分圧検出素子と酸素分圧
計、および酸素分圧を計測する際の問題点を解決した。
本発明の酸素分圧検出素子は、金属酸化物半導体薄膜を
主材料として構成されるものであるが、本発明において
は、金属酸化物半導体は表面に酸素が吸着することによ
り膜の電気抵抗が変化し、還元性ガスが存在しない場
合、電気抵抗は酸素濃度を示すことを利用したものであ
る。例えばSnO2薄膜を用いた場合の窒素、酸素分圧
と検出部抵抗値の関係を示した図7から分かるように、
抵抗値は1×10-2〔Pa〕以上の低真空度において酸
素分圧に依存して変化するが、窒素分圧には依存しな
い。金属酸化物半導体層を形成する金属酸化物半導体と
しては、前記のSnO2のようなスズ酸化物が好ましい
が、それ以外に例えば亜鉛、インジウム等の酸化物があ
る。また、前記金属酸化物半導体層は薄膜でも厚膜でも
よいが、通常0.1〜10μmである。該金属酸化物半
導体層の作製方法としては、蒸着、スパッタリング、イ
オンプレーティング、CVD等の物理的手法、CVD等
の気相化学反応法、Sol−Gel法等の液相を利用し
た公知の薄膜形成法を挙げることができる。本発明の検
出素子としては、例えば以下のような構成のものがあ
る。すなわち、空中に張り出して設けられた電気絶縁性
材料からなる張り出し部、該張り出し部上に設けられた
ガス検出用の酸化物半導体層、該半導体層に接触する電
極リードおよび該電極リードにほぼ並設して設けられた
ヒータリードを有するガス検出装置は公知であるが(特
開昭61−191953号公報)、このような構造の装
置に酸素分圧検出用の金属酸化物半導体薄膜を設けたも
のである。前記検出素子の張り出し部の形状は、図1の
ような架橋構造でも、図3のような片持梁構造でも良
く、その形状については任意に設定することができる。
また、図2は図1に示す架橋構造の酸素分圧検出素子を
(A)−(A′)線で切断した断面構造を示すものであ
り、図4は図3に示す片持梁構造を(B)−(B′)線
で切断した断面構造を示すものである。
【0005】
【実施例】本発明に関して以下の実施例を用いて詳細に
説明する。
【0006】実施例1 図5及び図6に本実施例に用いた素子の構成を示す。S
i基板上に形成した空中に張り出して設けられた電気絶
縁性材料からなる張り出し部上(構成図は図6に相当)
に、金属半導体層がSnO2薄膜〔膜厚0.3(μ
m)〕である酸素分圧検出素子を設けた。前記酸素分圧
検出素子に接触する電極リードおよび該電極リードにほ
ぼ並設してヒータリードを形成し、請求項3の発明に対
応する酸素分圧計を作製した。本実施例では、電極とし
ては白金薄膜〔Pt 膜厚0.1(μm)〕、基板には
酸化物基板ここではTa2O5、電極リードとしてはPt
を用いたが、用途により各種基板および各種酸化物を自
由に組み合わせることができる。電極材料としては白金
(Pt)に限定されず、それ以外に例えばPd、Au、
Rh、Ir、Mo、W、Ni、Co及びこれら合金等を
挙げることができ、用途により幅広く選択することがで
きる。空中に張出して設けられた電気絶縁性部材もTa
2O5に限定されず、それ以外に例えばSiO2、シリコ
ンナイトライド、オキシシリコンナイトライド、アルミ
ナ及びサイアロン等を挙げることができる。
【0007】実施例2 図8に実施例1で説明した酸素分圧検出素子を備えたプ
ラズマ蒸着装置の例を示す。図8の装置の使用法として
は、まずベルジャー102を開き、酸化物形成用の蒸発
物質を蒸発源104に保持させた後、ベルジャー102
を閉じ、真空排気系(図示せず)により排気して真空槽
102′内の圧力を予め10-4[Pa]のオーダーに
し、次に酸素ガスを真空槽102′内に導入し、その圧
力を0.1[Pa]程度に保つ。ここで、酸素分圧検出
素子118により酸素分圧を検出していれば、製膜され
る位置に近いところの酸素濃度が計測される。また、ア
ースシールド119を設けることによりノイズの低減が
可能となり、より精度良く測定できる。この雰囲気状態
で前述の蒸発源104を抵抗加熱により加熱し、対電極
110を零電位にし、グリッド108に100[V]の
電圧を印加しフィラメント106に400[W]の電力
を与える。前記抵抗加熱の投入電力を制御し、製膜速度
を制御する。図8では、プラズマ蒸着装置を例にした
が、スパッタ装置等ほかの製膜装置やアニール装置にお
いても同様に、基板近くに検出素子を配置することで、
膜の酸化に寄与している酸素濃度がより正確に測定でき
る。また、図には示さないが、素子出力から酸素供給側
にフィードバック回路を設けることで安定した酸素供給
を行うことも可能である。更には、複数個の酸素分圧検
出素子を備えることで真空槽102′内の酸素分圧分布
を見ることも可能である。
【0008】実施例3 図9に実施例1で説明した酸素分圧検出素子を備えたサ
ンプルケースの図を示す。サンプルケース30内に試料
を入れた後、真空ポンプを減圧用ポート31に接続し、
真空計32と酸素分圧計33で確認しながら所望の真空
度及び酸素分圧になるまで減圧する。
【0009】
【発明の効果】本発明の酸素分圧検出素子は、酸素分圧
検出機構が簡単であり、またそのため前記検出素子およ
び該素子を用いた酸素分圧計を小型化することができる
ので、測定したい位置の近くで酸素分圧の測定が可能
で、使用も容易となる。特に請求項1および2の酸素分
圧検出素子は、選択的に酸素を吸着し、酸素の濃度(還
元性ガスが共存しない場合)に依存して電気抵抗値が変
化するので、簡便に酸素分圧が測定できる。請求項3の
酸素分圧検出素子は、周囲にアースシールドを備えてい
るので、ノイズが少なく感度よく測定できる。請求項4
の酸素分圧計は、片持梁構造なので熱伝達が速く、検知
スピードが速い。請求項5の製膜装置は、低真空度まで
基板近くでの酸素分圧が測定できるので、より安定した
製膜ができる。請求項6のアニール装置は、基板近くで
低真空度まで酸素分圧が測定できるので、安定した酸素
供給によるアニールができる。請求項7の真空ケース
は、酸素分圧が計測できるので、酸化による試料の変質
を防ぐことができる。また、低真空度で酸素分圧が測定
できるので、専用ポートを設けたり差動排気する必要が
ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の架橋構造の酸素分圧計の一例を示す平
面図である。
【図2】図1の酸素分圧計の(A)−(A′)線の断面
図である。
【図3】本発明の片持梁構造の酸素分圧計の一例を示す
平面図である。
【図4】図3の酸素分圧計の(B)−(B′)線の断面
図である。
【図5】図3の酸素分圧計のデバイス構成と回路を示す
平面図である。
【図6】図5の酸素分圧計の片持梁先端の(A−A)線
の断面図であり、膜構成を示す図である。
【図7】本発明の実施で得られたヒータ温度450℃に
おける、窒素、酸素分圧と素子抵抗特性を示す。
【図8】本発明の実施例に用いたプラズマ蒸着装置を示
す。
【図9】本発明の実施例に用いたサンプルキーパーを示
す。
【符号の説明】
0 空洞 1 基板 2 張り出し部 3 張り出し部 4 ヒータリード 5 ヒータリード 6 金属酸化物半導体層 7 金属酸化物半導体層 8 電極リード(検出リード) 9 電極リード(検出リード) 10 電気絶縁性材料 20 センサ電極 21 センサ電極 22 空洞 23 基板 24 酸素分圧検出部 25 ヒータ電極 30 サンプルケース 31 減圧用ポート 32 真空計 33 酸素分圧計 101 ベースプレート 102 ベルジャー 102′ 真空槽 103 支持体兼用電極 104 蒸発物質用蒸発源 105 支持体兼用電極 106 フィラメント 107 支持体兼用電極 108 グリッド 109 支持体兼用電極 110 基板支持体兼用電極 111 基板 112 蒸発源用電源 113 フィラメント用電源 114 直流電圧電源 115 パッキン 116 バルブ 117 ガス導入用ポート 118 酸素分圧検出素子 119 アースシールド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 力 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 秋山 善一 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 雰囲気中に存在する酸素分圧の変化に対
    して電気伝導度が変化する金属酸化物半導体薄膜を用い
    た酵素分圧検出素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の酸素分圧検出素子におい
    て、金属酸化物半導体薄膜がn型の半導性を示す酸化ス
    ズを主材料として構成されたものである酸素分圧検出素
    子。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の酸素分圧検出素
    子において、周囲にアースシールドを備えたことを特徴
    とする酸素分圧検出素子。
  4. 【請求項4】 空中に張り出して設けられた電気絶縁性
    材料からなる張り出し部、該張り出し部上に設けられた
    請求項1または2記載の酸素分圧検出素子、該素子に接
    触する電極リードおよび該電極リードに並設して設けら
    れたヒータリードを有することを特徴とする酸素分圧
    計。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の酸素分圧計を備えたこと
    を特徴とする製膜装置。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の酸素分圧計を備えたこと
    を特徴とする酸化物薄膜のアニール装置。
  7. 【請求項7】 請求項4記載の酸素分圧計を備えたこと
    を特徴とする真空ケース。
JP15424294A 1994-06-13 1994-06-13 金属酸化物半導体薄膜を用いた酸素分圧検出素子および該素子を備えた酸素分圧計ならびに真空装置 Pending JPH07333183A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100429659B1 (ko) * 2002-03-25 2004-05-03 전자부품연구원 다종 가스 분압 측정소자 및 측정방법
CN112984163A (zh) * 2021-04-29 2021-06-18 成都康拓兴业科技有限责任公司 用于机载氧气系统的膜片式氧源分配器

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