JP6556616B2

JP6556616B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP6556616B2
Application number: JP2015248582A
Authority: JP
Inventors: 偉伸栃木; 卓也石原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: US10712220B2; US20190025146A1; WO2017110270A1; JP2017116276A; CN108431571A; CN108431571B

Description

本発明は、ダイアフラムなどの可動部を備えた静電容量式の圧力センサを用いて圧力を測定する圧力センサに関する。

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が用いられている。このような成膜装置では、ｎｍ単位の厚さの薄膜を形成するため、成膜室内の圧力や原料ガスの分圧などを正確に制御しており、圧力を正確に検出することが重要となる。このような圧力の検出のために、静電容量式の圧力センサが用いられている（特許文献１参照）。

この圧力センサは、図３に示すように、絶縁体からなる基台３０１と、基台３０１の上に支持部３０１ａによって支持されて可動領域３０２ａで基台３０１と離間して配置され、可動領域３０２ａで基台３０１の方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受けるダイアフラム３０２と、可動領域３０２ａにおけるダイアフラム３０２と基台３０１との間に形成された気密室３０３とを備える。

また、気密室３０３の内部でダイアフラム３０２の可動領域３０２ａに形成された可動電極３０４と、気密室３０３の内部で基台３０１の上に可動電極３０４に向かい合って形成された固定電極３０５とを備える。また、気密室３０３の内部でダイアフラム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、気密室３０３の内部で固定電極３０５の周囲の基台３０１の上に形成され、可動参照電極３０６に向かい合って形成された固定参照電極３０７とを備える。

上述したように構成されている圧力センサは、測定対象の流体が流れる配管や被測定流体が収容されているタンクに取り付けられて流体の圧力を測定する。静電容量式の圧力センサでは、流体圧を受けたダイアフラム３０２の可動領域３０２ａ変位を、可動電極３０４と固定電極３０５との間の静電容量値に変換している。この圧力センサは、ガス種類に対して依存性が少ないことから、上述したような半導体装置製造設備をはじめ、工業用途に広く使用されている。

特開２０１４−１０９４８４号公報

上述した圧力センサでは、原料ガスなどの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、原料ガスが通過する箇所には堆積が発生し、様々な問題を起こす。

例えば、従来一般的に用いられている化学的気相成長法（ＣＶＤ）に比較し、段差被覆性や膜質において優れているとして近年開発され、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）がある。このＡＬＤは、特性上、原料ガスが通過する様々な箇所に、原料ガスが付着しやすく、上述した無用な堆積が発生しやすい。

このような堆積を防止するために、上述したような成膜装置では、例えば成膜動作時などにおいて、各部分を例えば２００℃程度に加熱している。しかしながら、このような加熱による回避策を行っても堆積は微量ずつ進行する。圧力センサにおいては、図３に示すように、ダイアフラム３０２の受圧領域に堆積物３２１が堆積する。

このように堆積が発生した場合、堆積量に対応して圧力センサにおけるセンサ感度が変化する。このため、堆積が発生した圧力センサは、変化したセンサ感度に対応させて較正する必要がある。このような較正は、圧力センサを装置より取り外して行うことになるため、装置の稼働を長い時間停止することになり、大きな手間となる。

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、堆積が発生したことによる圧力センサのセンサ出力の較正が、より容易に実施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る受圧部の変位による容量変化により圧力を測定し、設定されているセンサ感度を用いて容量変化を圧力値に変換して出力する圧力値出力部と、圧力センサを用いた一定圧力の測定を、電源周波数を変化させて得られる結果より受圧部の共振点を求める共振点測定部と、共振点測定部が求めた共振点より受圧部の厚さまたは弾性率を受圧部の物理特性として求める特性算出部と、特性算出部が求めた物理特性により圧力センサのセンサ感度を補正した補正センサ感度を求め、求めた補正センサ感度で圧力値出力部に設定されているセンサ感度を更新する補正部とを備える。

上記圧力センサにおいて、特性算出部は、受圧部の弾性率を物理特性として求めるようにすればよい。

上記圧力センサにおいて、前回、補正部が補正感度を求めた時点における共振点を基準値とし、基準値と共振点測定部が求めた共振点との差が規定値を超えたことを検出する検出部を備えるようにし、検出部が、求められた共振点と基準値との差が規定値を超えたことを検出すると、特性算出部は物理特性を求め、補正部は補正センサ感度を求めて求めた補正センサ感度で圧力値出力部に設定されているセンサ感度を更新するようにしてもよい。

上記圧力センサにおいて、補正部が求めた補正センサ感度が設定されている許容範囲を超えたことを検出して警報を出力する警報出力部を備えるようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、堆積が発生したことによる圧力センサのセンサ出力の較正が、より容易に実施できるという優れた効果が得られる。

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。図２は、本発明の実施の形態における圧力センサの動作例を説明するためのフローチャートである。図３は、圧力センサ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。この圧力センサは、センサチップ１０１と、回路部１０２とを備える。

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１１４，固定電極１１５を備える。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、基台１１１の支持部１１１ａによって支持され、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た可動部である。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、気密に封止された気密室１１３とされている。圧力センサを真空計として用いる場合、気密室１１３はいわゆる真空とされ、基準真空室となる。

また、可動電極１１４は、気密室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、気密室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、実施の形態におけるセンサチップ１０１は、気密室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の周囲に形成された可動参照電極１１６と、気密室１１３の内部で固定電極１１５の周囲の基台１１１の上に形成され、可動参照電極１１６に向かい合って形成された固定参照電極１１７とを備える。

回路部１０２は、圧力値出力部１２１、共振点測定部１２２、特性算出部１２３、および補正部１２４を備える。

圧力値出力部１２１は、設定されているセンサ感度を用いて容量変化を圧力値に変換して出力する。初期に測定されたセンサチップ１０１のセンサ感度が、圧力値出力部１２１に設定されている。回路部１０２は、基台１１１に形成された配線（不図示）、および基台１１１を貫通する貫通配線を介し、気密室１１３内の各電極に電気的に接続している。各電極による容量および容量の変化が、上述した配線および貫通配線を介して圧力値出力部１２１に読み出される。

共振点測定部１２２は、圧力センサを用いた一定圧力の測定を、容量値を検出するために可動電極１１４と固定電極１１５との間に印加する電源の周波数（電源周波数）を変化させて得られる結果より受圧部であるダイアフラム１１２の共振点を求める。例えば、ダイアフラム１１２が受圧していない（撓んでいない）状態のいわゆる０点を測定する状態における電源電圧の周波数を、低周波数から高周波数へ例えば数Ｈｚ単位で徐々に変化させる。このようにして電源電圧の周波数を変化させることでダイアフラム１１２の振動状態を変化させるなかで、センサチップ１０１のセンサ出力値の変化よりダイアフラム１１２の共振点を求める。上述した電源周波数の変化に応じて得られるセンサ出力値の変化が、所定の閾値を超えたときの電源周波数を、ダイアフラム１１２の共振点とする。

特性算出部１２３は、共振点測定部１２２が求めた共振点より受圧部の厚さまたは弾性率を受圧部の物理特性として求める。特性算出部１２３は、例えば、受圧部であるダイアフラム１１２の弾性率を物理特性として求める。

共振点測定部１２２に求められる共振点ｆ_nは、定数である補正係数α，ダイアフラム１１２の厚さｔ，ダイアフラム１１２の弾性率Ｅを用い「ｆ_n＝αｔＥ^1/2・・・（１）」により求めることができる。ここで、ダイアフラム１１２の受圧面に堆積物が堆積している場合、弾性率が変化する。堆積物の厚さは、ダイアフラム１１２の厚さに対して無視できる程度に薄いため、堆積物が堆積していても、式（１）におけるｔは、ダイアフラム１１２の厚さとして近似することができる。従って、求められた共振点ｆ_nにより、堆積物が堆積している状態における弾性率Ｅ’は、「Ｅ’＝（ｆ_n／α／ｔ）²・・・（２）」により求めることができる。

補正部１２４は、特性算出部１２３が求めた物理特性により圧力センサ（センサチップ１０１）のセンサ感度を補正した補正センサ感度を求め、求めた補正センサ感度で圧力値出力部１２１に設定されているセンサ感度を更新する。センサ感度Ｓは、定数である補正係数βを用い「Ｓ＝β−１／Ｅｔ³・・・（３）」により求められる。上述したようにして特性算出部１２３が求めた弾性率Ｅ’で、式（３）のＥを更新した「Ｓ’＝β−１／Ｅ’ｔ³・・・（４）」により、補正センサ感度Ｓ’を求めることができる。なお、センサ感度Ｓは、ダイアフラム１１２に圧力が印加されている状態のセンサ出力値（静電容量値）Ｃ_pと、ダイアフラム１１２に圧力が印加されていない状態のセンサ出力値Ｃ₀とにより、「Ｓ＝Ｃ_p−Ｃ₀・・・（５）」として定義される。

また、加わる圧力の変化と静電容量の変化との関係が非線形の場合、式（４）においてβを圧力の関数として設定してもよい。補正センサ感度の導出は、用いるセンサチップ１０１の特性や測定環境に適合させて適宜に設定すればよい。

上述したように、実施の形態によれば、ダイアフラム１１２の受圧面に堆積物が堆積したことによる圧力センサの較正を、センサチップ１０１を装置より取り外すことなく、また、迅速に実施することが可能となる。

また、回路部１０２は、基準値記憶部１２５，検出部１２６，警報出力部１２７を備える。

検出部１２６は、前回、補正部１２４が補正感度を求めた時点における共振点を基準値とし、基準値と共振点測定部１２２が求めた共振点との差が規定値を超えたことを検出する。基準値は、基準値記憶部１２５に記憶されている。

検出部１２６が、求められた共振点と基準値との差が規定値を超えたことを検出すると、特性算出部１２３は物理特性を求め、補正部１２４は補正センサ感度を求め、求めた補正センサ感度で圧力値出力部１２１に設定されているセンサ感度を更新する。

ダイアフラム１１２の受圧面に堆積した堆積物が微量であれば、センサ感度の変化は小さく、較正の必要はない。同様に、堆積量の増加分が微量であれば、前回の補正（較正処理）を実施した時点からのセンサ感度の変化は小さく、新たな較正の必要はない。これに対し、堆積物の増加によるセンサ感度の変化が、測定に影響を与える水準となった場合、較正が必要となる。

この較正が必要となる堆積物増加量を、検出部１２６において共振点の変化により検出している。求められた共振点と基準値との差が規定値を超えた状態が、上述した較正が必要となる堆積物増加量に相当するように、規定値を設定しておけばよい。このようにすることで、自動的に較正動作が行われるようになる。

ここで、基準値記憶部１２５に対する基準値の記憶は、例えば、補正部１２４が、補正センサ感度を求めて更新した時点で実施すればよい。この時点において、補正センサ感度の算出に用いた共振点を、基準値として基準値記憶部１２５に記憶する。

例えば、基準値記憶部１２５は、１つの基準値のみ記憶する設定にすればよい。また、基準値記憶部１２５に既に基準値が記憶されている場合、補正部１２４が、補正センサ感度を求めて更新した時点で記憶する基準値は、既に記憶されている基準値を上書きして新たな共振点が記憶された状態とする。このようにすることで、基準値記憶部１２５には、直前に、補正部１２４が補正センサ感度の算出に用いた共振点が記憶されていることになる。なお、初期値として、製造直後のセンサチップ１０１におけるダイアフラム１１２の共振点を設定しておけばよい。

従って、現時点で求められた共振点と、基準値記憶部１２５に記憶されている基準値との差が、規定値を超えたことにより、新たに増加した堆積物の量が、測定に影響を与える水準となり、較正が必要な状態であることが判断できる。

次に、警報出力部１２７は、補正部１２４が求めた補正センサ感度が、設定されている許容範囲を超えたことを検出して警報を出力する。圧力値出力部１２１で用いるセンサ感度が小さくなりすぎると、出力する圧力値のダイナミックレンジが小さくなり、所望とする測定分解能が得られなくなる。このため、補正部１２４が求めた補正センサ感度の、設定されている許容範囲を超えたことの検出により警報を発令することで、センサチップ１０１の交換を促す。

以下、本発明の実施の形態における圧力センサの動作例について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１で、共振点の測定を実施する時点となると（ステップＳ２０１のｙ）、ステップＳ２０２に移行し、共振点測定部１２２が、圧力センサを用いた一定圧力の測定を、電源周波数を変化させて得られる結果よりダイアフラム１１２の共振点を求める。例えば、設定されている時間が経過する毎に、共振点の測定が実施される。また、図示しない入力部より入力された測定実施の指示により、共振点の測定が実施される。

次に、ステップＳ２０３で、検出部１２６が、基準値記憶部１２５に記憶されている基準値と、共振点測定部１２２により測定された共振点との差が、規定値を超えたことを検出する。基準値と共振点との差が規定値を超えたことが検出されると（ステップＳ２０３のｙ）、ステップＳ２０４で、特性算出部１２３が、共振点を測定した時点におけるダイアフラム１１２の弾性率Ｅ’を、測定された共振点ｆ_n，および補正係数α，ダイアフラム１１２の厚さｔにより、式（２）を用いて算出する。

次に、ステップＳ２０５で、補正部１２４が、特性算出部１２３が求めた物理特性である弾性率Ｅ’によりセンサチップ１０１のセンサ感度を補正した補正センサ感度Ｓ’を、式（４）により算出する。

次に、ステップＳ２０６で、警報出力部１２７が、算出された補正センサ感度Ｓ’が、設定されている許容範囲を超えたことを検出する。補正センサ感度Ｓ’が、許容範囲を超えず、許容範囲内である場合（ステップＳ２０６のｙ）、ステップＳ２０７で、補正部１２４が、算出した補正センサ感度Ｓ’で圧力値出力部１２１に設定されているセンサ感度を更新する。一方、補正センサ感度Ｓ’が、許容範囲を超えていることが検出されると（ステップＳ２０６のｎ）、警報出力部１２７が、警報を発令（出力）する。

上述したように、測定された共振点との差が規定値を超え、算出された補正センサ感度が許容範囲内であれば、補正センサ感度で圧力値出力部１２１に設定されているセンサ感度が更新される。この較正動作は、センサチップ１０１を装置に装着した状態で実施されるので、圧力センサが用いられる装置の稼働をほとんど停止することなく実施される。

以上に説明したように、本発明によれば、一定圧力の測定を、電源周波数を変化させて得られる結果より受圧部の共振点を求め、求めた共振点より求めることができる受圧部の物理特性より、圧力センサのセンサ感度を補正した補正センサ感度を求めるようにしたので、堆積が発生したことによるセンサ出力の較正が、より容易に実施できるようになる。

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、受圧部の物理特性として、弾性率を求めるようにしたが、これに限るものではなく、受圧部の厚さを物理特性として求めるようにしてもよい。受圧部の特性、堆積物の堆積による不具合の状態などにより、適宜に選択すればよい。

１０１…センサチップ、１０２…回路部、１１１…基台、１１１ａ…支持部、１１２…ダイアフラム、１１２ａ…可動領域、１１３…気密室、１１４…可動電極、１１５…固定電極、１１６…可動参照電極、１１７…固定参照電極、１２１…圧力値出力部、１２２…共振点測定部、１２３…特性算出部、１２４…補正部、１２５…基準値記憶部、１２６…検出部、１２７…警報出力部。

Claims

測定対象からの圧力を受ける受圧部の変位による容量変化により前記圧力を測定する圧力センサにおいて、
設定されているセンサ感度を用いて前記容量変化を圧力値に変換して出力する圧力値出力部と、
前記圧力センサを用いた一定圧力の測定を電源周波数を変化させて行って得られる結果より前記受圧部の共振点を求める共振点測定部と、
前記共振点測定部が求めた共振点より前記受圧部の厚さまたは弾性率を前記受圧部の物理特性として求める特性算出部と、
前記特性算出部が求めた前記物理特性により前記圧力センサのセンサ感度を補正した補正センサ感度を求め、求めた補正センサ感度で前記圧力値出力部に設定されているセンサ感度を更新する補正部と
を備えることを特徴とする圧力センサ。
請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記特性算出部は、前記受圧部の弾性率を前記物理特性として求めることを特徴とする圧力センサ。
請求項１または２記載の圧力センサにおいて、
前回、前記補正部が補正感度を求めた時点における共振点を基準値とし、前記基準値と前記共振点測定部が求めた共振点との差が規定値を超えたことを検出する検出部を備え、
前記検出部が、求められた共振点と前記基準値との差が規定値を超えたことを検出すると、前記特性算出部は前記物理特性を求め、前記補正部は補正センサ感度を求めて求めた補正センサ感度で前記圧力値出力部に設定されているセンサ感度を更新する
ことを特徴とする圧力センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記補正部が求めた補正センサ感度が設定されている許容範囲を超えたことを検出して警報を出力する警報出力部
を備えることを特徴とする圧力センサ。