JP2022123546A

JP2022123546A - 圧力測定装置

Info

Publication number: JP2022123546A
Application number: JP2021020923A
Authority: JP
Inventors: 里奈小笠原; Rina Ogasawara; 興仁結城; Koji Yuki
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2022-08-24

Abstract

【課題】広い圧力範囲を高精度に計測可能な圧力測定装置を提供する。【解決手段】圧力測定装置は、変位可能とされて測定対象の圧力を受圧面１０１ａで受けるセンサダイヤフラム１０１と、センサダイヤフラム１０１の変位を測定する測定部（不図示）とを備え、センサダイヤフラム１０１は、基準の状態で受圧面１０１ａの側に凸の状態とされている。センサダイヤフラム１０１は、センサ素子１０２の中に配置され、センサ素子１０２の内壁と受圧面１０１ａの反対側の面との間に形成された基準室１０２ａを備え、基準室１０２ａの方向あるいは逆方向に変位可能とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力測定装置に関する。

例えば、圧力を受けたダイヤフラムのたわみ量、すなわち変位より圧力値を測定する圧力測定装置は、半導体設備をはじめ、工業用途で広く使用されている。半導体装置の製造においては、気相成長による様々な成膜装置や、ドライエッチング装置が用いられている。このような製造装置では、ｎｍ単位の厚さの薄膜を数パーセント以下の膜厚精度で安定的に形成することが求められるため、処理室内の圧力やプロセスガスの分圧などを正確に制御しており、圧力を正確に計測することが重要となる。このような圧力の計測のために、圧力測定装置が用いられている。

この種の圧力測定装置において、絶対圧を計測するために、ダイヤフラムの片側に真空基準室を設け、測定対象の圧力に応じたダイヤフラムの変位に基づき検出する技術がある。また、このような絶対圧を測定する圧力測定装置の中で、封入液が圧力伝達媒体として広く用いられている（特許文献１参照）。

特許第３２８５９７１号公報

上記のような絶対圧センサにおいては、圧力領域が一定以上広くなると、圧力感度が非線形となり、高感度を維持することが困難である。また、この結果として、計測精度が低下してしまう。このため、現在、広い圧力範囲を高精度に計測可能な絶対圧を計測する圧力測定装置が望まれている。

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、広い圧力範囲を高精度に計測可能な圧力測定装置の提供を目的とする。

本発明に係る圧力測定装置は、変位可能とされて測定対象の圧力を受圧面で受けるセンサダイヤフラムと、センサダイヤフラムの変位を測定する測定部とを備え、センサダイヤフラムは、基準の状態で受圧面の側に凸の状態とされている。

上記圧力測定装置の一構成例において、センサダイヤフラムは、センサ素子の中に配置され、センサ素子の内壁と受圧面の反対側の面との間に形成された基準室を備え、基準室の方向あるいは逆方向に変位可能とされている。

上記圧力測定装置の一構成例において、基準室は、密閉され、基準の状態は、基準室の圧力と受圧面で受ける圧力とが同一の状態である。

上記圧力測定装置の一構成例において、測定部は、センサダイヤフラムの可動領域に形成された可動電極と、可動電極に向かい合って形成された固定電極とを有する。

上記圧力測定装置の一構成例において、測定部は、センサダイヤフラムの歪みを計測する。

上記圧力測定装置の一構成例において、測定対象の圧力を直接受ける受圧ダイヤフラムと、受圧ダイヤフラムが受けた圧力をセンサダイヤフラムに伝達する圧力伝達物質とをさらに備え、センサダイヤフラムは、圧力伝達物質を介して測定対象の圧力を受圧面で受ける。

上記圧力測定装置の一構成例において、測定部は、センサダイヤフラムに形成されたピエゾ抵抗領域を備える。

以上説明したように、本発明によれば、センサダイヤフラムを、基準の状態で受圧面の側に凸の状態としているので、広い圧力範囲を高精度に計測可能な圧力測定装置が提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧力測定装置の構成を示す断面図である。図２は、圧力感度の状態を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態に係る圧力測定装置について図１を参照して説明する。この圧力測定装置は、変位可能とされて測定対象の圧力を受圧面１０１ａで受けるセンサダイヤフラム１０１と、センサダイヤフラム１０１の変位を測定する測定部（不図示）とを備え、センサダイヤフラム１０１は、基準の状態で受圧面１０１ａの側に凸の状態とされている。

センサダイヤフラム１０１は、センサ素子１０２の中に配置されている。なお、ここでは、センサダイヤフラム１０１を備え、センサダイヤフラム１０１の変位（歪み）を計測し、圧力値に変換して出力する機構を総称してセンサ素子１０２としている。例えば、センサダイヤフラム１０１は、センサ素子１０２を構成する筐体の内部に配置されている。また、センサ素子１０２の内壁と、センサダイヤフラム１０１の受圧面１０１ａの反対側の面との間に形成された基準室１０２ａを備える。

例えば、センサ素子１０２を構成する筐体の内部に設けられたセンサダイヤフラム１０１を配置する領域の内壁と、センサダイヤフラム１０１の受圧面１０１ａの反対側の面との間に、基準室１０２ａを形成することができる。センサダイヤフラム１０１は、基準室１０２ａの方向あるいは逆方向に変位可能とされている。なお、基準室１０２ａは、受圧面１０１ａの反対側の面に接して設けられていれば良い。例えば、センサダイヤフラム１０１は、基準の状態で、基準室１０２ａから見ると、凹面となっている。

また、基準室１０２ａは、密閉されている。例えば、基準室１０２ａは、内部が基準圧力の状態で密閉されている。この基準圧力は、絶対真空に近い圧力とすることができる。上述した基準の状態は、基準室１０２ａの内部の圧力と受圧面１０１ａで受ける圧力とが同一の状態である。また、基準の状態は、受圧面１０１ａが受圧していない状態とすることもできる。また、センサ素子１０２の受圧面１０１ａの側には、圧力導入口１０２ｂが形成されている。

測定部は、センサダイヤフラム１０１の可動領域に形成された可動電極と、可動電極に向かい合って形成された固定電極とを有する静電容量式とすることができる。可動電極と固定電極との間に形成される容量の変化により、センサダイヤフラム１０１で受けた圧力を測定する。可動電極と固定電極との間に形成される容量の変化は、測定器において、設定されているセンサ感度を用いて圧力値に変換されて出力される。

また、測定部は、センサダイヤフラム１０１の歪みを計測する歪式とすることができる。この場合、測定部は、センサダイヤフラム１０１に形成されたピエゾ抵抗領域を備える。例えば、センサダイヤフラム１０１の周囲４箇所の各々にピエゾ素子を配置し、４つのピエゾ素子の４個のピエゾ抵抗領域をブリッジ接続し、圧力を受けたセンサダイヤフラム１０１の変形に伴う４つのピエゾ抵抗領域の抵抗値の変化を、ブリッジ出力として得ることで、圧力が測定できる。

例えば、センサダイヤフラム１０１をシリコンから構成する場合、ピエゾ素子は、シリコンから構成したセンサダイヤフラム１０１に、拡散抵抗により形成することができる。また、センサダイヤフラム１０１を金属薄板から構成し、金属板から構成したセンサダイヤフラム１０１の上に金属歪ゲージを形成し、センサダイヤフラム１０１の歪みを計測することもできる。

また、圧力測定装置は、センサ素子１０２が搭載される基部１１１を備える。基部１１１には、受圧ダイヤフラム１０３が設けられ、また、受圧ダイヤフラム室１０４、貫通孔１０５、注入孔１０６が形成されている。図１においては、センサダイヤフラム１０１の受圧面１０１ａが向く側に受圧ダイヤフラム１０３を配置しているが、これに限るものではない。例えば、貫通孔１０５を屈曲させて引き回し、受圧ダイヤフラム１０３が、センサダイヤフラム１０１から見て、基準室１０２ａの側に配置される構成とすることができる。また、貫通孔１０５を屈曲させ、受圧ダイヤフラム１０３が、基部１１１の側面に配置される構成とすることもできる。

基部１１１は、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌから構成されている。基部１１１の外形は、平面視で、円形または矩形とされている。センサ素子１０２は、基部１１１の主面１１１ａの側に設けられている。受圧ダイヤフラム１０３は、基部１１１の裏面１１１ｂの側に形成されている。受圧ダイヤフラム１０３と基部１１１との間に、受圧ダイヤフラム室１０４が形成されている。受圧ダイヤフラム室１０４の平面形状は、例えば、円形とされている。

また、貫通孔１０５は、センサ素子１０２の圧力導入口１０２ｂと、受圧ダイヤフラム室１０４とを連通している。また、注入孔１０６は、基部１１１の外部と貫通孔１０５とを連通している。受圧ダイヤフラム室１０４、貫通孔１０５、および注入孔１０６には、圧力伝達物質１０７が充填され、封止材１０８で封止されている。注入孔１０６から圧力伝達物質１０７を注入し、受圧ダイヤフラム室１０４、貫通孔１０５に充填した後、封止材１０８で注入孔１０６の入り口を封止する。

測定対象の圧力は、受圧ダイヤフラム１０３で受圧し、受圧ダイヤフラム１０３で受圧した圧力は、圧力伝達物質１０７により、センサ素子１０２のセンサダイヤフラム１０１（受圧面１０１ａ）に伝達される。実施の形態において、測定対象の圧力は、受圧ダイヤフラム１０３で直接受け、センサダイヤフラム１０１は、圧力伝達物質１０７を介して測定対象の圧力を受圧面１０１ａで受ける。なお、注入孔１０６は、圧力伝達物質１０７が充填される領域と外部とを連通させるものであれば良く、例えば、センサ素子１０２の筐体に設けることもできる。

実施の形態１に係る圧力測定装置によれば、要求計測範囲に対してプロセス圧力が高い領域でも、圧力感度を線形な状態に維持することが可能となるよく知られているように、耐食性が求められる環境で使用される圧力測定装置は、基部１１１や受圧ダイヤフラム室１０４やなどの環境に触れる部分の材料は、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金、セラミックスなどが用いられる。また、圧力伝達物質１０７には、シリコーンオイルなどの非圧縮性流体が用いられる。

実施の形態によれば、センサダイヤフラム１０１は、基準の状態で受圧面１０１ａの側に凸の状態とされているので、センサダイヤフラム１０１の十分な圧力感度を得られる撓み領域（動作領域）が、より広くなる。言い換えると、実施の形態によれば、動作域のスパンは維持したまま、最大撓み量を小さくできるため、高感度が維持できる。

図２の（ａ）に例示するように、従来は、要求計測範囲に対し、点線で囲う領域に示すプロセス圧力が高い領域では、プロセス圧力に対するセンサ素子の出力の変化（圧力感度）が非線形となり高感度が維持できない。これに対し、図２の（ｂ）に示すように、実施の形態によれば、要求計測範囲よりも広い領域で圧力感度が得られ、要求計測範囲に対してプロセス圧力が高い領域でも、圧力感度を線形な状態に維持することが可能となる。もしくは、完全に線形でなくても、必要な圧力感度を維持することが可能となる。

ここで、圧力伝達物質１０７の充填（注入）および封入について説明する。一般に、減圧下にて、圧力伝達物質１０７を注入した後、室温（≒基準温度）において、基準室１０２ａの圧力Ｐ_refと大気圧Ｐ_atmとの圧力差（＝Ｐ_atm－Ｐ_ref）によりセンサダイヤフラム１０１が変位した状態で、圧力伝達物質１０７を注入し、封止材１０８で封止する。このように、圧力伝達物質１０７を注入して封止した後、測定対象のプロセス圧Ｐ₁をＰ₁＝Ｐ_refまで減圧すると、センサダイヤフラム１０１の変位はゼロとなる。ここでは、受圧ダイヤフラムの剛性による圧力損失は十分小さく、無視できると考える。なお、センサダイヤフラム１０１が、受圧面１０１ａの側にも、基準室１０２ａの側にも変位していない（凸となっていない）平坦な状態を、変位がゼロの状態とする。この、一般的な圧力伝達物質１０７の封入では、センサダイヤフラム１０１を、受圧していない状態で受圧面１０１ａの側に凸の状態とすることができない。

一方で、まず、圧力伝達物質１０７の温度（液温）を、基準温度より高いＴ℃（Ｔ＞基準温度）として注入し、Ｐ_atm－Ｐ_refの圧力の差分、センサダイヤフラム１０１が変位した状態で、封止材１０８で封止する。室温で圧力伝達物質１０７注入した後、基部１１１を含めて圧力伝達物質１０７の温度をＴ℃にした状態で封止することもできる。封止した後、基準温度まで冷却すると、Ｔ℃－基準温度の温度変化に応じ、封入した圧力伝達物質１０７の体積が収縮する。

上述した圧力伝達物質１０７の体積の収縮に伴い、センサダイヤフラム１０１の変位が減少する方向へオフセットする。この状態から、例えばプロセス圧Ｐ₁をＰ₁＝Ｐ_refまで減圧すると、センサダイヤフラム１０１は、冷却時にオフセットさせた分だけ、受圧面１０１ａの側、言い換えると基準室１０２ａと逆方向に変位した状態となる。圧力伝達物質１０７の封止時の温度Ｔは、センサダイヤフラム１０１の所望のオフセット量に合わせて調整可能である。また、センサダイヤフラム１０１のオフセット量を厳密に調整し、再現性の良い出力を得るためには、圧力伝達物質１０７とこれが封入される領域を構成している基部１１１を含めた部材全体の温度を一定温度に加温することが好適である。なお、温度は、例えばセンサ素子１０２に予め形成されている温度センサの信号に基づき管理することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、センサダイヤフラムを、基準の状態で受圧面の側に凸の状態としているので、広い圧力範囲を高精度に計測可能な、絶対圧を計測する圧力測定装置が提供できる。上述した実施の形態では、圧力伝達物質１０７の封止時の温度調整による方法を示したが、これに限定されるものではない。例えば、構成部材の接合応力や膜応力によるセンサダイヤフラムの変形を利用することもできる。

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。

１０１…センサダイヤフラム、１０１ａ…受圧面、１０２…センサ素子、１０２ａ…基準室、１０２ｂ…圧力導入口、１０３…受圧ダイヤフラム、１０４…受圧ダイヤフラム室、１０５…貫通孔、１０６…注入孔、１０７…圧力伝達物質、１０８…封止材、１１１…基部、１１１ａ…主面、１１１ｂ…裏面。

Claims

変位可能とされて測定対象の圧力を受圧面で受けるセンサダイヤフラムと、
前記センサダイヤフラムの変位を測定する測定部と
を備え、
前記センサダイヤフラムは、基準の状態で前記受圧面の側に凸の状態とされていることを特徴とする圧力測定装置。
請求項１記載の圧力測定装置において、
前記センサダイヤフラムは、センサ素子の中に配置され、前記センサ素子の内壁と前記受圧面の反対側の面との間に形成された基準室を備え、前記基準室の方向あるいは逆方向に変位可能とされている
ことを特徴とする圧力測定装置。
請求項２記載の圧力測定装置において、
前記基準室は、密閉され、前記基準の状態は、前記基準室の圧力と前記受圧面で受ける圧力とが同一の状態であることを特徴とする圧力測定装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の圧力測定装置において、
前記測定部は、
前記センサダイヤフラムの可動領域に形成された可動電極と、
前記可動電極に向かい合って形成された固定電極と
を有することを特徴とする圧力測定装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の圧力測定装置において、
前記測定部は、前記センサダイヤフラムの歪みを計測することを特徴とする圧力測定装置。
請求項５記載の圧力測定装置において、
前記測定部は、前記センサダイヤフラムに形成されたピエゾ抵抗領域を備えることを特徴とする圧力測定装置。
請求項１～６のいずれか１項に記載の圧力測定装置において、
前記測定対象の圧力を直接受ける受圧ダイヤフラムと、
前記受圧ダイヤフラムが受けた圧力を前記前記センサダイヤフラムに伝達する圧力伝達物質とをさらに備え、
前記センサダイヤフラムは、前記圧力伝達物質を介して前記測定対象の圧力を前記受圧面で受けることを特徴とする圧力測定装置。