JP7418248B2 - 真空計 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば真空チャンバ内の真空度をモニタリングするために用いられる真空計に関するものである。
近年、半導体製造プロセスの微細化とともに、多種多様な材料ガスが真空チャンバ内に導入されるようになっており、新しい材料ガスの中には従来の材料ガスと比較して蒸気圧が非常に低い低蒸気圧材料も多く存在する。
このような低蒸気圧材料が例えば真空計のセンサ部で冷やされると、その一部が凝縮して結露し、その成分が堆積することで、圧力に対する感度が低下したり、センサ部の寿命が短くなったりするといった問題が生じる。
そこで、従来の真空計としては、特許文献1に示すように、低蒸気圧材料を安定してガス化させるべく、センサ部の周囲にヒータを設けてセンサ部を高温に温調するように構成した高温温調真空計がある。
かかる高温温調真空計において、センサ部との間で信号を授受する回路基板が高温に晒されると、これに搭載されている種々の電子部品の耐熱温度を超えてしまう恐れがあることから、同特許文献1では、ケーシングの回路基板よりもやや低い位置とやや高い位置とに通気口を形成し、回路基板の周囲に空気の流れを生じさせようとしている。
しかしながら、このような通気口を形成したとしても、回路基板のやや低い位置とやや高い位置とでは温度差が殆どなく、実際のところは回路基板を十分に冷却できるほどの空気の流れは生じない。このことから、センサ部を高温にすればするほど、上述した構成では回路基板を耐熱温度以下に保つことができなくなる。
回路基板を十分に冷却するためには、例えば送風機を用いて真空計に風を当てることが考えられるが、この場合は、センサ部に温度分布が生じて出力安定性に影響を与える可能性があったり、ユーザにとっても設備の変更や使用上の制限が課されたりといった別の問題が生じる。
特許第3100986号
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであって、センサ部を高温に温調する真空計において、この真空計に外から風を当てずとも、回路基板を十分に冷却できるようにすることをその主たる課題とするものである。
すなわち、本発明に係る真空計は、測定空間に接続ポートを介して連通するとともに、当該測定空間の圧力に応じた出力信号を出力するセンサ部と、前記センサ部の周囲に設けられて該センサ部を加熱するヒータと、前記センサ部に対して前記接続ポートとは反対側に配置された回路基板と、前記センサ部及び前記ヒータを収容する第1インナーケースと、前記回路基板を収容する第2インナーケースと、前記第1インナーケース及び前記第2インナーケースを取り囲み、これら第1インナーケース及び第2インナーケースとの間で外気が流れる流路を形成するアウターケースとを備えることを特徴とするものである。
このように構成された真空計によれば、外気が流れる流路が、ヒータや高温に温調されているセンサ部を収容する第1インナーケースとアウターケースとの間から、回路基板を収容する第2インナーケースとアウターケースとの間に亘って形成されているので、この流路の上流及び下流の間に大きな温度差を生じさせることができる。
これにより、流路の上流及び下流の間には空気の密度勾配が生じるので、所謂煙突効果を利用して冷たい空気を回路基板に向かって押し上げることができる。その結果、真空計に外から風を当てずとも、回路基板を十分に冷却することが可能となる。
前記回路基板が前記センサ部の上方に位置するように取り付けられた取付姿勢において、前記流路の外気取り込み口が、下方を向いていることが好ましい。
これならば、外気取り込み口が側方を向く構成に比べて、外気を取り込みやすく、より強い上昇気流を生じさせることができ、回路基板の冷却効果を高めることができる。
ところで、外気取り込み口が測定空間に近すぎると、真空計の取付環境によっては、例えば測定空間を形成するチャンバやチャンバの近傍にある部材などが外気の取り込みの妨げとなり、外気を取り込み難くなる恐れがある。
そこで、前記取付姿勢において、前記外気取り込み口が、前記第1インナーケースの下端部よりも上方に位置していることが好ましい。
このような構成であれば、真空計の取付環境によらず、外気を十分に取り込むことができる。
このように外気取り込み口を第1インナーケースの下端部よりも下方に位置させるための具体的な実施態様としては、前記取付姿勢において、前記アウターケースの下端部が、前記第1インナーケースの下端部よりも上方に位置しており、前記アウターケースの下方を向く開口のうち前記第1インナーケースの外周面よりも外側が、前記外気取り込み口として形成されている態様を挙げることができる。
前記アウターケースが、横断面矩形状又は横断面多角形状の筒状をなすものであり、前記第2インナーケースが、前記アウターケースの複数辺に沿って設けられており、前記回路基板が、前記第2インナーケースの内面に沿って支持されていることが好ましい。
このような構成であれば、第2インナーケース及びアウターケースの間に形成される流路と回路基板との接触面積を大きくすることができ、回路基板の冷却効果をより向上させることができる。
前記第1インナーケースが、前記第2インナーケース及び前記アウターケースよりも熱伝導率の低い材料からなることが好ましい。
これならば、第1インナーケースにセンサ部の保温機能を発揮させつつ、第2インナーケースやアウターケースに回路基板の放熱機能を発揮させることができ、これらの機能によっても、センサ部を高温に温調しつつ、回路基板を冷却することができる。
上述した煙突効果を十分に発揮させるためには、前記アウターケースが、筒状をなし、当該アウターケースの前記接続ポートとは反対側を向く開口を塞ぐ蓋体に、前記流路を流れた外気を再び外部に放出する通気口が設けられていることが好ましい。
煙突効果をより顕著に発揮させるためには、前記アウターケースにおいて前記第2インナーケースに対向する位置に、前記流路を流れた外気を再び外部に放出する通気口がさらに設けられていることが好ましい。
また、本発明に係る真空計は、測定空間に接続ポートを介して連通するとともに、当該測定空間の圧力に応じた出力信号を出力するセンサ部と、前記センサ部の周囲に設けられて該センサ部を加熱するヒータと、前記センサ部に対して前記接続ポートとは反対側に配置された回路基板と、前記センサ部及び前記回路基板の周囲に外気が流れる流路を形成するアウターケースとを備えることを特徴とするものである。
このように構成された真空計によれば、外気が流れる流路が、ヒータや高温に温調されているセンサ部の周囲から、回路基板の周囲に亘って形成されているので、この流路の上流及び下流の間に大きな温度差を生じさせることができる。
これにより、流路の上流及び下流の間には空気の密度勾配が生じるので、所謂煙突効果を利用して冷たい空気を回路基板に向かって押し上げることができる。その結果、真空計に外から風を当てずとも、回路基板を十分に冷却することが可能となる。
このように構成した本発明によれば、例えばセンサ部を200℃程度に温調し、環境温度が50℃程度であったとしても、この真空計に外から風を当てることなく、回路基板を耐熱温度以下まで十分に冷却することができる。
本発明の一実施形態に係る真空計を示す模式的斜視図。 同実施形態における真空計の内部構成を示す模式的断面図。 同実施形態の第2インナーケースを示す模式的斜視図。 同実施形態の真空計に形成された流路の構成を示す模式的断面図。 その他の実施形態における回路基板を示す模式斜視図。
以下に、本発明に係る真空計の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の真空計100は、図1に示すように、例えば半導体プロセスにおいて成膜等が行われる測定空間である真空チャンバX内の真空度をモニタリングするために用いられるものである。この真空計100は、真空チャンバXの隔壁の外側に継手VCを介して取り付けられ、真空チャンバX内と連通するように接続される。
具体的にこの真空計100は、先端部に測定空間と連通する接続ポートPが設けられ、基端部に外部へ測定されている圧力値を出力するための出力端子Tが設けられた概略直方体状のものである。
この真空計100は、図2の断面図に示すように、先端側(継手VC側・接続ポートP側)に設けられて真空チャンバX内の雰囲気と連通するセンサモジュール1と、基端側に設けられてセンサモジュールとの間で種々の信号を授受する本体モジュール2とを少なくとも備えている。なお、本実施形態の真空計100は、同図2に示すように、センサモジュール1と本体モジュール2との間に設けられ、センサモジュール1の発熱が本体モジュール2へ伝熱するのを妨げる断熱モジュール3をさらに備えている。
以下、各モジュール1~3について説明する。
<センサモジュール1>
センサモジュール1は、図2に示すように、真空チャンバX内の圧力に応じた出力信号を出力するセンサ部Sと、センサ部Sを加熱するヒータHと、を備えている。
センサ部Sは、隔膜式の静電容量型の圧力検出機構であり、継手VCを介して真空チャンバX内の雰囲気が導入される導入空間11と、例えば大気圧等の基準圧力側との間を仕切るダイアフラム12と、ダイアフラム12に対向配置させた検出電極13と、検出電極13の電位を出力信号として本体モジュール2へ出力するための出力電極14と、を備えたものである。
ダイアフラム12は、薄膜円板状のものであり、その外周部が挟持体により挟まれて支持されている。真空チャンバX内の圧力が変化するとダイアフラム12の両面間の圧力差によって膜変形が生じるように構成されている。ダイアフラム12の導入空間11側には、真空チャンバX内に導入される材料ガスの成分も流入し、そのガスが付着、凝縮して堆積する可能性がある。
検出電極13とダイアフラム12との間にはわずかなギャップが形成されており、ダイアフラム12が変形することで検出電極13の検出面とダイアフラム12の中央部との離間距離が変化する。検出電極13はこの離間距離の変化による静電容量の変化を電位の変化として検出するものである。
ヒータHは、上述したセンサ部の周囲に設けられており、具体的には例えばフィルムヒータHであって、印加される電圧量、又は、電流量によってその設定温度を変更できるように構成されたものである。
ここでのヒータHは、図2に示すように、ダイアフラム12を中心として先端側と基端側に延びるように配置されており、主にダイアフラム12の温度が所望の温度で保たれるようにしてある。また、ヒータHの外周側に断熱のためにインシュレータ15が設けられている。
かかる構成において、上述したセンサ部S及びヒータHは、ケーシングC1(以下、第1インナーケースC1という)に収容されている。
この第1インナーケースC1は、継手VC側の開口が蓋体16により閉塞されるとともに、センサ部S側の開口が開放された筒状をなすものであり、ここでは横断面が矩形状のものである。本実施形態の第1インナーケースC1は、ヒータHにより加熱されたセンサ部Sの保温機能を発揮させるべく、熱伝導率の低い例えばSUSなどから構成されている。
<本体モジュール2>
本体モジュール2は、上述したセンサ部S又はヒータHの少なくとも一方との間で信号を授受する回路を備えた回路基板Bを具備するものである。
本実施形態の回路基板Bは、センサ部Sの出力信号に基づいて圧力値を算出する圧力算出回路PBと、ヒータHへの給電や制御を司るヒータ制御回路CBとを具備している。なお、図2には圧力算出回路PBやヒータ制御回路CBの配置の一例を示しているが、これらの回路PB、CBの配置はこれに限らず適宜変更して構わない。
圧力算出回路PB及びヒータ制御回路CBは、CPU、メモリ、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ等の入出力手段を備えたいわゆるマイクロコンピュータを備えたものであり、メモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協業することによりその機能が実現されるものである。
圧力算出回路PBは、センサ部Sから出力される出力信号の示す電圧値に基づいて、真空チャンバX内の圧力値を算出するものである。具体的に圧力算出回路PBとしては、例えば校正データ記憶部(不図示)に記憶されている校正データをさらに用いて圧力値を算出するように構成されたものを挙げることができる。
ヒータ制御回路CBは、例えばユーザからの外部入力によって設定温度を受け付け、その設定温度となるようにヒータHに印加される電圧値又は電流値をフィードバック制御するものである。本実施形態ではヒータ制御回路CBに受け付けられる設定温度のレンジは100℃以上200℃以下に設定してある。これは、真空チャンバX内に導入される可能性のある材料ガスの凝縮温度の範囲に応じて設定されている。すなわち、ユーザは真空チャンバX内に導入される材料ガスの種類に応じて、凝縮及び分解が生じない適切な温度を選択して、設定温度とすることができる。
かかる構成において、上述した回路基板Bは、図2及び図3に示すように、ケーシングC2(以下、第2インナーケースC2という)に収容されている。
この第2インナーケースC2は、その内周面C2aに沿って回路基板Bが設けられており、ここでは例えばネジ等を介して回路基板Bを支持している。具体的に第2インナーケースは、例えば横断面が矩形状又は矩形状の一部をなす筒状のものであり、この実施形態では横断面がコ字状のものである。かかる構成により、回路基板Bの一部又は全体は、第2インナーケースの内周面C2aに沿うように屈曲させてなり、ここでは横断面コ字状をなす。
本実施形態の第2インナーケースC2は、回路基板Bの放熱機能を発揮させるべく、少なくとも上述した第1インナーケースC1よりも熱伝導率の高い材質である例えばアルミニウムなどから構成されている。
<断熱モジュール3>
断熱モジュール3は、図2に示すように、センサモジュール1と本体モジュール2との間を所定距離離間させるとともに、断熱のための断熱空間を有しているものである。この断熱モジュール3は、前記断熱空間をセンサモジュール1側及び本体モジュール2側とに仕切る断熱仕切部材17を備えており、センサモジュール1内のヒータHの発熱が本体モジュール2へと伝熱しにくくしてある。
なお、この断熱モジュール3により、センサモジュール1と本体モジュール2との間が離れているので、信号の送受信や電力の供給のために、この断熱モジュール3内にはセンサモジュール1と本体モジュール2との間を接続する複数のコネクタが設けられている。
<本真空計100による煙突効果>
然して、本実施形態の真空計100は、特に図4に示すように、上述した第1インナーケースC1及び第2インナーケースC2を取り囲み、これら第1インナーケースC1及び第2インナーケースC1との間で外気が流れる流路Lを形成するアウターケースC3をさらに備えてなり、この流路Lにより煙突効果を発揮するように構成されている。
より具体的に説明すると、アウターケースC3は、本真空計100の外周面を形成する筒状のものであり、ここでは一端及び他端が開口した横断面矩形状の筒状をなす。このアウターケースC3は、ユーザの手に取られることから放熱機能を発揮させるべく、熱伝導性の高い材質からなり、例えば第1インナーケースC1よりも熱伝導性の高く、第2インナーケースC2と同様にアルミニウム製のものである。
このアウターケースC3は、第1インナーケースC1及び第2インナーケースC2に隙間を介して、すなわち径方向に離間して取り付けられており、この隙間が上述した外気が流れる流路Lとして形成されている。
この流路Lは、本真空計100を回路基板Bがセンサ部Sの上方に位置するように取り付けた取付姿勢(図1や図2に示す取付姿勢)において、上下方向に沿って形成されている。これにより、この流路L内において、ヒータHや高温に温調されているセンサ部Sの周り(すなわち流路Lの下方)では、回路基板Bの周り(すなわち流路Lの上方)に比べて、外気が温められるので、この流路Lの上方と下方とでは大きな温度差が生じる。これにより、流路Lの上方及び下方の間には空気の密度勾配が生じるので、煙突効果が発揮され、下方の温められた空気が上昇することになる。つまり、アウターケースC3と第1インナーケースC1との間が上流側流路L1として形成されるとともに、アウターケースC3と第2インナーケースC2との間が下流側流路L2として形成されることになる。
上流側流路L1は、センサ部SやヒータHを取り囲むように設けられており、外気を取り込む外気取り込み口Laに連通している。
外気取り込み口Laは、図4に示すように、上述した取付姿勢において下方を向いて開口している。より詳細に説明すると、取付姿勢において、アウターケースC3の下端部C3aを、第1インナーケースC1の下端部C1aよりも上方に位置させている。これにより、アウターケースC3の接続ポートP側(測定空間側)を向く開口、すなわち取付姿勢において下方を向く開口のうちの第1インナーケースC1の外周面C1bよりも外側が、環状の外気取り込み口Laとして形成されるとともに、この外気取り込み口Laは、取付姿勢において第1インナーケースC1の下端部C1aよりも上方に位置している。
下流側流路L2は、上述した回路基板Bの裏面(電子部品搭載面とは反対側の面)に沿って設けられており、上流側流路L1及び下流側流路L2を流れた外気を外部に放出する通気口Lbに連通している。本実施形態では、上述したように第2インナーケースC2が横断面コ字状をなすことから、上述した取付姿勢において、コ字状の下流側流路L2が上下方向に延びている。
通気口Lbは、アウターケースC3の測定空間とは反対側を向く開口、すなわち取付姿勢における上方を向く開口を塞ぐ蓋体18に形成されている。この蓋体18は、図3に示すように、この実施形態では第2インナーケースC2の一部をなすものであり、例えば圧力値を出力するための出力端子TやLANケーブルの挿通口などが設けられており、これらを避ける位置に1又は複数の通気口Lbが形成されている。なお、蓋体18は第2インナーケースC2と別体であっても良い。
また、本実施形態では、取付姿勢におけるアウターケースC3の上部にも1又は複数の通気口Lbが設けられている。具体的にこれらの通気口Lbは、少なくとも第2インナーケースC2の外周面に対向する位置に設けられており、上述した煙突効果をより顕著に発揮させるためには、第2インナーケースC2より上側に設けることが好ましい。ここでは、アウターケースC3が断面矩形状のものであり、その複数の側面に亘って通気口Lbを設けてあるが、例えば1つの側面にのみ通気口Lbを設けたり、全ての側面に通気孔口Lbを設けたりしても良い。
このように構成された本実施形態の真空計100であれば、外気が流れる流路Lが、ヒータHや高温に温調されているセンサ部Sを収容する第1インナーケースC1とアウターケースC3との間から、回路基板Bを収容する第2インナーケースC2とアウターケースC3との間に亘って形成されているので、この流路Lの上流及び下流の間に大きな温度差を生じさせることができる。
これにより、流路Lの上流及び下流の間には空気の密度勾配が生じるので、上述したように煙突効果を利用して冷たい空気を回路基板Bに向かって押し上げることができる。その結果、本真空計100に外から風を当てずとも、回路基板Bを十分に冷却することが可能となる。
また、取付姿勢において流路Lの外気取り込み口Laが下方を向いているので、外気取り込み口Laが側方を向く構成に比べて、外気を取り込みやすく、より強い上昇気流を生じさせることができ、回路基板Bの冷却効果を高めることができる。
さらに、取付姿勢において外気取り込み口Laが第1インナーケースC1の下端部C1aよりも上方に位置しているので、例えばチャンバXやチャンバXの近傍にある部材などが外気の取り込みの妨げとなるのを防ぐことができ、真空計100の取付環境によらず、外気を十分に取り込むことができる。
加えて、回路基板Bが、第2インナーケースC2の内周面C2aに沿って支持されているので、第2インナーケースC2及びアウターケースC3の間に形成される下流側流路L2と回路基板Bとの接触面積を大きくすることができ、回路基板Bの冷却効果のさらなる向上を図れる。
さらに加えて、第1インナーケースC1が、第2インナーケースC2やアウターケースC3よりも熱伝導率の低い材料からなるので、第1インナーケースC1にセンサ部Sの保温機能を発揮させつつ、第2インナーケースC2やアウターケースC3に放熱機能を発揮させることができ、これらの機能によっても、センサ部Sを高温に温調しつつ、回路基板Bを冷却することができる。
そのうえ、アウターケースC3の上端開口を塞ぐ蓋体18やアウターケースC3の上部に通気口Lbを設けているので、煙突効果を十分に発揮させることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、センサモジュール1と本体モジュール2との間を所定距離離間させるように断熱モジュール3を設けていたが、例えばセンサモジュール1での発熱が本体モジュール2へ伝熱するのを十分に遮断できるのであれば、断熱モジュール3を省略してもよい。すなわち、センサモジュール1と本体モジュール2が隣接して設けられるようにしても構わない。
また、前記実施形態では、第2インナーケースC2を横断面コ字状にするとともに、回路基板Bをコ字状に屈曲させていたが、回路基板Bは例えば横断面矩形状をなすものであっても良いし、横断面多角形状又はその一部をなすものであっても良い。
さらに回路基板Bは、図5に示すように、屈曲することなく第2インナーケースC2の内周面C2aに沿って設けられた平板状のものであっても良い。この場合の第2インナーケースC2は、この平板状の回路基板Bを支持するものであれば良いので、必ずしも筒状である必要はなく、平板状のものであっても良い。すなわち、この場合の第2インナーケースC2は、回路基板Bを収容する必要はなく、例えば回路基板Bを支持していれば良い。
通気口Lbは、アウターケースC3の上端開口を防ぐ蓋体18とアウターケースC3の上部との双方に設けることが好ましいが、これらのうちの少なくとも一方に設けられていても良い。
第1インナーケースC1、第2インナーケースC2、及びアウターケースC3は前記実施形態で述べた材質に限らず、例えば第1インナーケースC1は、第2インナーケースC2やアウターケースC3よりも熱伝導率の低いものであれば、SUSに限ることはないし、第2インナーケースC2及びアウターケースC3は、互いに異なる材質から構成されていても良い。
センサ部Sについては、隔膜式の圧力検出機構に限られず、例えば電離式の圧力検出機構であってもよいし、構造体の振動数と圧力との関係に基づいて圧力を検出するものであっても構わない。
真空計の測定空間は成膜が行われるような真空チャンバX内に限られるものではなく、その他の空間を測定空間とするものであってもよい。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の変形や、実施形態の一部同士の組み合わせを行っても構わない。
100・・・真空計
X ・・・真空チャンバ
1 ・・・センサモジュール
2 ・・・本体モジュール
S ・・・センサ部
H ・・・ヒータ
B ・・・回路基板
C1 ・・・第1インナーケース
C2 ・・・第2インナーケース
C3 ・・・アウターケース
L ・・・流路
La ・・・外気取り込み口
Lb ・・・通気口

Claims (9)

  1. 測定空間に接続ポートを介して連通するとともに、当該測定空間の圧力に応じた出力信号を出力するセンサ部と、
    前記センサ部の周囲に設けられて該センサ部を加熱するヒータと、
    前記センサ部に対して前記接続ポートとは反対側に配置された回路基板と、
    前記センサ部及び前記ヒータを収容する第1インナーケースと、
    前記回路基板を収容する第2インナーケースと、
    前記第1インナーケース及び前記第2インナーケースを取り囲み、これら第1インナーケース及び第2インナーケースとの間で外気が流れる流路を形成するアウターケースとを備える、真空計。
  2. 前記回路基板が前記センサ部の上方に位置するように取り付けられた取付姿勢において、
    前記流路の外気取り込み口が、下方を向いている、請求項1記載の真空計。
  3. 前記取付姿勢において、前記外気取り込み口が、前記第1インナーケースの下端部よりも上方に位置している、請求項2記載の真空計。
  4. 前記取付姿勢において、前記アウターケースの下端部が、前記第1インナーケースの下端部よりも上方に位置しており、
    前記アウターケースの下方を向く開口のうち前記第1インナーケースの外周面よりも外側が、前記外気取り込み口として形成されている、請求項3記載の真空計。
  5. 前記アウターケースが、横断面矩形状又は横断面多角形状の筒状をなすものであり、
    前記第2インナーケースが、前記アウターケースの複数辺に沿って設けられており、
    前記回路基板が、前記第2インナーケースの内周面に沿って支持されている、請求項1乃至4のうち何れか一項に記載の真空計。
  6. 前記第1インナーケースが、前記第2インナーケース及び前記アウターケースよりも熱伝導率の低い材料からなる、請求項1乃至5のうち何れか一項に記載の真空計。
  7. 前記アウターケースが、筒状をなし、当該アウターケースの前記接続ポートとは反対側を向く開口を塞ぐ蓋体に、前記流路を流れた外気を再び外部に放出する通気口が設けられている、請求項1乃至6のうち何れか一項に記載の真空計。
  8. 前記アウターケースにおいて前記第2インナーケースに対向する位置に、前記流路を流れた外気を再び外部に放出する通気口がさらに設けられている、請求項7記載の真空計。
  9. 測定空間に接続ポートを介して連通するとともに、当該測定空間の圧力に応じた出力信号を出力するセンサ部と、
    前記センサ部の周囲に設けられて該センサ部を加熱するヒータと、
    前記センサ部に対して前記接続ポートとは反対側に配置された回路基板と、
    前記センサ部及び前記回路基板の周囲に外気が流れる流路を形成するアウターケースとを備える、真空計。
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