JPH085494A

JPH085494A - 真空センサ

Info

Publication number: JPH085494A
Application number: JP13433394A
Authority: JP
Inventors: Koji Henmi; 浩二逸見; Masaki Esashi; 正喜江刺
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1996-01-12
Anticipated expiration: 2018-03-10
Also published as: JP3385392B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、真空センサに関し、構造が簡単、
且つ小型で、しかも広範囲の真空圧力を１台で測定する
ことを目的とする。【構成】導電性で、且つ成形可能な材料の第１基板
と、絶縁性で、且つ高剛性を有する材料の第２基板と、
第１基板と第２基板との間に、互いに離隔して形成され
た空間と、空間の各々に対応する第１基板に形成された
開孔部と、開孔部毎に面積が異なり、開孔部に印加され
る真空圧力に応じて変位する導電性ダイアフラム電極
と、第２基板上に空間を介して導電性ダイアフラム電極
と対向配置された導電性薄膜電極と、第１基板を第２基
板と共に密着挟持し、第１基板の開孔部毎に開孔部を設
けた絶縁性で、且つ高剛性を有する材料の第３基板と、
導電性薄膜電極別に外部に引き出される導電性引き出し
部とを設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空装置内の圧力を測
定するための真空センサに関し、更に詳しく言えば、絶
対圧力の値を静電容量の値の変化から測定する真空セン
サの改良に関する。

【０００２】半導体プロセス工業等では、真空装置に装
着される真空センサは、信頼性、小型化等への要求が高
まっており、真空装置内の圧力を測定するための真空セ
ンサとして従来、例えばピラニ真空計、ダイアフラム型
真空計が良く用いられている。

【０００３】

【従来の技術】従来公知のピラニ真空計の検出部を示し
たのが、図７である。この検出部は、図７に示すよう
に、真空容器５１の内部に白金製のフィラメント５２が
張設され、真空装置内の真空部内に配置される導入部５
３が設けられて構成されている。

【０００４】この検出部は、次のように動作する。即
ち、ピラニ真空計の導入部５３が真空装置内の真空部に
配置されて真空装置内部の圧力を測定するに際して、検
出部のフィラメント５２に所定の電流を通電してフィラ
メント５２を加熱する。そのフィラメント５２から発生
する熱は、フィラメント５２の周囲のガス内へ当該ガス
の熱伝導作用により吸収される。そして、ガス分子によ
る熱の吸収量は、フィラメント５２の周囲を取り巻くガ
スの圧力に応じて変化する。従って、フィラメント５２
の温度を一定に保つためにフィラメント５２に供給され
る電力、又はこれを表す信号が検出回路へフィードバッ
クされてガスの圧力の測定を行うのに用いられる。

【０００５】又、ダイアフラム型真空計の検出部を示し
たのが、図８である。この検出部は、図８に示すよう
に、気密容器６１の中央部に金属薄膜の可動ダイアフラ
ム電極６２が配設される。気密容器６１の中央部に中央
固定電極６３が、又気密容器６１の外周部に外周固定電
極６４が、それぞれ可動ダイアフラム電極６２に対向接
近した状態で設けられている。中央固定電極６３と、可
動ダイアフラム電極６２とは、図示しない交流ブリッジ
の被測定端子間に接続される。

【０００６】そして、真空装置内部の圧力を測定するに
際して、気密容器６１内の気密空間６１Ｓが真空導入部
６５を経て真空装置内部へ連通される。この状態におい
て、真空装置内の圧力は、真空導入部６５を経てダイア
フラム型真空計の気密空間に伝達される。その圧力に応
じて可動ダイアフラム電極６２は変位する。この可動ダ
イアフラム電極６２の変位により、中央固定電極６３
と、可動ダイアフラム電極６２との間の静電容量が変化
する。その静電容量は、交流ブリッジによって測定さ
れ、その測定値が、真空装置の圧力を表すのに用いられ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のピラニ真空
計は、ガスの熱伝導率を用いているので、ガスの熱伝導
率の違いにより感度が変わってしまい、測定対象ガスに
よりその都度校正を行う必要がある。又、通電された金
属製フィラメント５２が直接測定対象のガスに触れる構
造となっているため、腐食性ガスの圧力測定等ではフィ
ラメント５２とガスとの境界での熱伝導に変化が生じ、
使用中にピラニ真空計の出力が変化する原因になってい
る。

【０００８】又、ダイアフラム型真空計は、ピラニ真空
計のようにガスの種類により測定値に変化は生じない。
又、可動ダイアフラム電極６２の材質を適当に選ぶこと
により、腐食性ガスの圧力測定も可能である。

【０００９】しかし、圧力感度を高めるためには、可動
ダイアフラム電極６２の厚さを１０ミクロン程度の非常
に薄い薄膜にしたり、１辺を数センチメートルの面積に
することが必要になる。

【００１０】可動ダイアフラム電極の厚さを薄くしてダ
イアフラム真空計を製造しようとすると、その加工や、
気密容器６１への固定が難しくなるという技術的課題が
新たに発生する。

【００１１】又、可動ダイアフラム電極６２の面積を大
きくしようとすると、装置全体の大きさが大きくなる
し、デッドスペースが増大するほか、所定の真空度に到
達するまでの時間が長く掛かったり、圧力変化に対する
応答性が悪くなる。

【００１２】又、圧力感度を高めるためには、可動ダイ
アフラム電極６２の厚さを非常に薄く加工した精密機器
にする必要がある。これに加えて、その取り扱いに十分
に注意をする必要性もある。又、交流ブリッジ等の信号
処理回路を組み込んだ真空計は大きくなるし、非常に高
価な計器ともなる。

【００１３】更に、ダイアフラム型真空計は、前述のよ
うに可動ダイアフラムの変位を利用しているため、１つ
のダイアフラムで広範囲の真空圧力を測定することは不
可能である。従って、広範囲の真空圧力を測定するに
は、複数台のダイアフラム型真空計を設ける必要があ
り、デッドスペースが増大し、ダイアフラム型真空計が
大型化してしまう。

【００１４】本発明は、斯かる技術的課題に鑑みて創作
されたもので、構造が簡単、且つ小型で、しかも広範囲
の真空圧力を１台で測定することのできる真空センサを
提供することをその目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、導電性で、且つ成形可能な材料の第１の基板と、絶
縁性で、且つ高剛性を有する材料の第２の基板と、第１
の基板と第２の基板との間の所要位置毎に、互いに離隔
して形成された空間と、該空間の各々に対応する第１の
基板に形成された開孔部と、各開孔部の周辺に密着され
たものであって、開孔部毎に面積が異なり、開孔部に印
加される真空圧力に応じて変位する導電性ダイアフラム
電極と、前記第２の基板上に前記空間を介して前記導電
性ダイアフラム電極と対向配置された導電性薄膜電極
と、前記第１の基板を前記第２の基板と共に密着挟持
し、前記第１の基板の開孔部毎に開孔部を設けた絶縁性
で、且つ高剛性を有する材料の第３の基板と、導電性薄
膜電極別に外部に引き出される導電性引き出し部とを設
け、前記空間の各々を相互に連通させ、高真空に封止し
て各導電性ダイアフラム電極と対向する導電性薄膜電極
との間の静電容量から真空度を測定することを特徴とす
る。

【００１６】請求項２に記載の発明は、請求項１、又は
請求項２に記載の真空センサにおいて、少なくとも１つ
の導電性ダイアフラム電極は、シリコン基板の肉厚部に
設けられたことを特徴とする。

【００１７】請求項３に記載の発明は、請求項２、又は
請求項３に記載の真空センサにおいて、第１の基板と第
２及び第３の基板との間に形成され、ゲッタ材を収容し
た真空室に前記第１の基板と第２の基板との間の空間を
連通したことを特徴とする。

【００１８】

【作用】請求項１に記載の発明は、第１の基板と第２の
基板の所要位置毎に、面積が異なる導電性ダイアフラム
電極と、これに対向して設けられた導電性薄膜電極とに
よりセンサキャパシタを形成し、その静電容量により真
空度を検出するようにしたので、１個の真空センサで広
範囲の絶対圧力を１個の真空センサで検出することがで
きる。そして、センサキャパシタの空間を相互に連通さ
せる構造としたので、各空間を真空にするための装置を
簡単に、コンパクトに構成することができる。従って、
従来の真空センサよりも、小型で、デッドスペースの小
さい真空センサを提供でき、排気に掛かる時間が少なく
て済み、応答速度が速くなる。又、センサキャパシタの
空間は相互に連通させているので、それらの空間を独立
して真空にする必要性を除くことができる。

【００１９】請求項２に記載の発明は、参照センサキャ
パシタを提供するので、温度変化の補償を行う機能を持
たせることができる。請求項３に記載の発明は、センサ
キャパシタの空間はゲッタ材を収容した真空室に連通さ
れるので、センサキャパシタの空間の真空を高度に保つ
ことができる。

【００２０】

【実施例】図１及び図２は、請求項１及び請求項２に係
る発明の一実施例を示す。図１は平面図、図２は図１の
線Ｉ−Ｉ矢視断面図である。

【００２１】図２は、第１の平板ガラス基板２と、平板
シリコン基板４と、第２の平板ガラス基板６を密着させ
た積層構造の真空センサを示す。その平板シリコン基板
４と、第２の平板ガラス基板６との予め決められた位置
に、大きさの異なる正方形の穴（請求項１乃至請求項４
の開孔部）が、３個明けられている。それらの３個の穴
を８Ｇ、１０Ｇ、１２Ｇ及び８Ｓ、１０Ｓ、１２Ｓとし
て参照する（図２及び図３参照）。これら穴８Ｓ、１０
Ｓ、１２Ｓの下部に、それぞれ導電性ダイアフラム電極
１４、１６、１８は変位可能で、且つシリコン基板４の
微細加工によりシリコン基板４の肉厚部と一体成形され
ている。導電性ダイアフラム電極１４、１６、１８は、
以下ダイアフラム電極１４、１６、１８として参照す
る。シリコン基板４は接地されている。シリコン基板４
は、必ずしも接地でなくてもよい。ダイアフラム電極１
４、１６、１８の面積は、参照番号が大きくなるにつれ
て小さくなるようにその大きさが決められている。ダイ
アフラム電極１４、１６、１８は、シリコン基板４を経
て静電容量測定回路（例えば、交流ブリッジ回路）（図
示せず）の被測定端子に接続される。

【００２２】前記ダイアフラム電極１４、１６、１８と
シリコン基板４との密着構造部は、真空センサが被測定
装置内に置かれたとき、ガラス基板６に明けられている
穴８Ｇ、１０Ｇ、１２Ｇ及び８Ｓ、１０Ｓ、１２Ｓに被
測定対象の真空装置内のガス圧力が侵入したとき、該ガ
ス圧力に応じた値だけダイアフラム電極１４、１６、１
８を変位させるために設けられた構造部である。シリコ
ン基板４の内の前記ダイアフラム電極１４、１６、１８
を取り付けるシリコン基板部は、シリコン基板４の下面
から空間を形成するのに必要な所定の厚さだけ切欠され
ている。前記空間は、前述のところから明らかになるよ
うに、封止空間として形成され、真空圧力計として用い
られるときは、高真空空間とされるものである。又、図
２には、ダイアフラム電極１４、１６、１８は、平板状
に形成されているが（図４の（Ａ）参照）、図４の
（Ｃ）のように陸橋状に形成されるのがよい。その差異
は、図４の（Ａ）の場合にダイアフラム電極の変位が２
次式で近似し得るのに対して（図４の（Ｂ）参照）、図
４の（Ｃ）の場合は一次式で近似し得るから（図４の
（Ｄ）参照）、真空度の測定値の処理上図４の（Ｂ）の
方が有利であり、処理の簡易化に役立つ。

【００２３】こうして形成される空間を挟んで対向する
第１のガラス基板２の上面の位置に、ダイアフラム電極
１４、１６、１８と同一の面積の導電性薄膜電極２４、
２６、２８が、ダイアフラム電極１４、１６、１８に対
向して設けられている。これらの導電性薄膜電極２４、
２６、２８は、図５に示すように、島４０の導電部４
２、そして静電容量測定回路（例えば、交流ブリッジ回
路）の被測定端子へ接続するためのフィードスルー部２
２（図２、図３及び図５参照）を経て引き出されてダイ
アフラム電極１４、１６、１８の変位に伴って生ずるダ
イアフラム電極１４、１６、１８と導電性薄膜電極２
４、２６、２８との間の静電容量の変化から真空度を測
定し得るように構成されている。即ち、各島４０は、図
５に示すように、拡散部４２を有し、各拡散部４２は、
それぞれ導電性薄膜電極２４、２６、２８への配線２４
Ａ、２６Ａ、２８Ａを経て導電性薄膜電極２４、２６、
２８へ接続される（図３参照）。従って、導電性薄膜電
極２４、２６、２８は、対応する島４０の拡散部４２に
電気的に接続されている。なお、各島４０は、平板ガラ
ス基板２と平板ガラス基板６との間に陽極接合により密
着挟持され、シリコン基板４とは電気的に絶縁されてい
る。フィードスルー部２２は、図３に示すように、ダイ
アフラム電極２４、２６、２８の各々を電気的に引き出
すための構造部である。引き出し線は、図示してない。

【００２４】そして、ダイアフラム電極１４と導電性薄
膜電極２４との間の封止空間１５と、ダイアフラム電極
１６と導電性薄膜電極２６との間の封止空間１７とは連
通路２１により相互に連通し、又ダイアフラム電極１６
と導電性薄膜電極２６との間の封止空間１７と、ダイア
フラム電極１８と導電性薄膜電極２８との間の封止空間
１９とは連通路２３により相互に連通している。

【００２５】これに加えて、ダイアフラム電極１４、１
６、１８の変位に対して基準静電容量を提供する参照電
極３０がシリコン基板４の肉厚部３４に設けられ、参照
電極３０に対向して導電性薄膜電極３２が第１の平板ガ
ラス基板２上に設けられている。この参照電極３０は、
シリコン基板４にダイアフラム電極１４、１６、１８が
設けられた位置と同一の位置であって、ダイアフラム電
極１８に隣接したシリコン基板４の肉厚部３４にシリコ
ン基板４の下面より切欠された切欠部に設けられてい
る。又、導電性薄膜電極３２は、ガラス基板２の上面に
設けられている。従って、参照電極３０と導電性薄膜電
極３２との間にも、封止空間３３が形成され、真空圧力
計として用いられるときは、高真空空間とされるもので
ある。そして、封止空間３３は、ダイアフラム電極１８
と導電性薄膜電極２８との間の封止空間１９とは連通路
２５により相互に連通している。

【００２６】前記各封止空間３３、１９、１７、１５へ
絶対圧力の測定で基準圧力となる真空圧力を給与するた
めの真空室３６は、シリコン基板４の肉厚部３４の内部
に参照電極３０に隣接して設けられ、封止空間３３に連
通路（図示せず）を経て連通している。真空室３６内に
は、ゲッター材３８が収容されている。このゲッター材
３８は、真空室３６内の基準圧力を高真空に保ち、基準
圧力の変動により真空センサの出力が変動するのを防止
するために用いられる。ゲッター材３８としては、Ｚ_r
−ＡＬ系合金、Ｚ_r−Ｖ−Ｆ_e系合金等を用いる。

【００２７】このような構造の真空センサを組み立てる
に際しては、高真空中でシリコン基板４とガラス基板２
との平板部の間の空間を排気して陽極接合されるが、そ
の排気及び陽極接合に先立って、参照電極３０の形成と
同時に第１の平板ガラス基板２と、第２の平板ガラス基
板６との間に挟まれ、シリコン基板４の平板ガラス基板
２側開放のくり抜き部内にゲッター材３８を収容した
後、前記排気、そして陽極接合により、前記各封止空間
１５、１７、１９、３３は高真空状態にされ、くり抜き
部は真空室３６として作用する。

【００２８】前述のようにして製造された真空センサの
動作を以下に説明する。被測定装置内の真空圧力の変化
を測定するために、前述の真空センサを被測定装置内に
設置する。その真空センサの封止空間１５、１７、１
９、そして封止空間３３は、前述のように真空室３６に
連通されており、真空センサの製造時に高真空圧力状態
に保持され、その際に真空室３６内に封入されたゲッタ
ー材３８の働きにより高真空圧力状態は維持される。

【００２９】今、被測定装置の真空圧力が低下したとす
る。その真空圧力の変化に応答してダイアフラム電極１
４、１６、１８の間隔が大きくなり、ダイアフラム電極
１４、１６、１８とこれら各電極に対向する導電性薄膜
電極２４、２６、２８との間の静電容量の値が減少す
る。その静電容量の減少は、ダイアフラム電極１４と導
電性薄膜電極２４との間に生ずる静電容量の減少量が一
番大きく、次にダイアフラム電極１６と導電性薄膜電極
２６との間に生ずる静電容量の減少量が次に大きく、ダ
イアフラム電極１８と導電性薄膜電極２８との間に生ず
る静電容量の減少量が一番小さい。それらの静電容量
は、交流ブリッジへ導かれてそこで測定されて前記低下
した圧力の値として出力表示される。

【００３０】前述のように、静電容量の減少量は電極１
４、２４間で一番大きく、次に大きいのは電極１６、２
６間で、電極１８、２８間が一番少くない。従って、電
極１４、２４間の静電容量から真空度の高い領域の真空
圧力を測定することができ、電極１６、２６間の静電容
量から中間の圧力領域の真空圧力を測定することがて
き、電極１８、２８間の静電容量から一番低い真空度の
圧力領域の真空圧力を測定することがてきる。

【００３１】このような真空圧力の測定において、その
測定の温度補償を行うことができる。即ち、参照電極３
０は、シリコン基板４の肉厚部３４に設けられているか
ら、参照電極３０は、周囲のガス圧力により変位するこ
とはない。従って、参照電極３０と導電性薄膜電極３２
との間の静電容量は圧力によって変化することはない。
電極３０、３２間の距離は電極３０、３２を取り付けて
いる構成材料の熱膨張係数の差によって変化するから、
参照電極３０と導電性薄膜電極３２との間の静電容量
は、温度によってのみ変化する。従って、ダイアフラム
電極１４、１６、１８とこれらに対向する導電性薄膜電
極２４、２６、２８との間の静電容量の変化分（圧力に
よる変化分及び温度による変化分）を測定し、参照電極
３０と導電性薄膜電極３２との間の温度による静電容量
の変化分を用いて測定されたダイアフラム電極１４、１
６、１８とこれらに対向する導電性薄膜電極２４、２
６、２８との間の温度による静電容量の変化分を相殺す
れば、圧力変化により生じたダイアフラム電極１４、１
６、１８とこれらに対向する導電性薄膜電極２４、２
６、２８との間の静電容量のみを測定することができ
る。結果として、測定の温度補正を行うことができる。

【００３２】前述のように、面積の異なる複数組のダイ
アフラム電極１４、１６、１８と導電性薄膜電極２４、
２６、２８とを対向配設して構成したことにより、広い
範囲の絶対圧力を１個の真空センサで測定することがて
きる。このような測定を可能にするダイアフラム電極１
４、１６、１８と導電性薄膜電極２４、２６、２８との
間の封止空間１５、１７、１９を相互に連通させ、そし
て真空室３６に連通させた構造にしたので、封止空間１
５、１７、１９を所定の真空に維持させるための装置の
構造を簡易化できる。

【００３３】これにより、真空センサの大きさを数ミリ
メートルとコンパクトに構成することができ、従来の真
空センサに比して超小型にすることが可能になる。この
ような小型化により、真空装置の排気量を少なくし、そ
の排気に要する時間を短縮でき、圧力変化に対するセン
サの応答を速くすることができる。又、真空装置内部の
多点測定や、圧力分布の測定が可能になり、より一層き
め細かいプロセス制御や管理が可能になる。

【００３４】又、真空センサのガラス基板上の金属薄膜
電極取り出し用の島部分の周辺に半導体集積回路技術を
利用して信号処理回路を集積化することも容易である。
更に、封止空間１５、１７、１９は、相互に連通してい
るので、これら各封止空間を同時に高真空にすることが
できて、封止空間１５、１７、１９の各々を独立に真空
にする必要性を除くことができる。

【００３５】前記実施例においては、ダイアフラム電極
及び導電性薄膜電極の対をそれぞれ、３組設ける例を説
明したが、４組以上を設けることもできる。又、図６に
示すように、ダイアフラム電極１８に肉厚部３５を設け
ることにより、広範囲の圧力変化にダイアフラム電極１
８を応動させることができ、ダイアフラム電極１８によ
る絶対圧力の検出範囲を拡大することができる。図６
は、ダイアフラム電極１８に肉厚部３５を設けたことを
除き、図２と同じであり、その主要な参照番号だけを付
してあるが、その参照番号も同じである。

【００３６】又、前記いずれの実施例と同様に、シリコ
ン基板４は、必ずしも接地された電位でなくてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、異
なる面積のダイアフラム電極及び導電性薄膜電極とを複
数組対向配設して複数のセンサキャパシタを構成したか
ら、広範囲の絶対圧力を１個の真空センサで測定するこ
とができる。この真空センサを構成するセンサキャパシ
タの空間を相互に連通させて構成したので、各空間を真
空にするための装置を簡単にできて真空センサを数ミリ
メートルとコンパクトに構成することを可能にする。従
来の真空センサに比して超小型でデッドスペースの小さ
い真空センサを提供でき、排気速度及び応答速度を速く
することができる。

【００３８】前述のように、各センサキャパシタの空間
を相互に連通させて構成しているので、それらの空間を
独立して真空にする必要性が無い。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１乃至請求項３に記載の発明の一実施例
を示す図である。

【図２】図１の線Ｉ−Ｉ矢視断面図である。

【図３】図１及び図２に示す実施例の分解図である。

【図４】ダイアフラム電極の構造及びその変位状態を示
す図である。

【図５】導電性薄膜電極を島を経て引き出す構造部を示
す図である。

【図６】請求項１乃至請求項３に記載の発明の他の実施
例を示す図である。

【図７】ピラニ真空計の構造を示す図である。

【図８】ダイアフラム型真空計の構造を示す図である。

【符号の説明】

２第１の平板ガラス基板４平板のシリコン基板６第２の平板ガラス基板８Ｇ穴（開孔部）１０Ｇ穴（開孔部）１２Ｇ穴（開孔部）８Ｓ穴（開孔部）１０Ｓ穴（開孔部）１２Ｓ穴（開孔部）１４ダイアフラム電極１５空間１６ダイアフラム電極１７空間１８ダイアフラム電極１９空間２２フィードスルー部２４導電性薄膜電極２６導電性薄膜電極２８導電性薄膜電極３０参照電極３２導電性薄膜電極３３空間４０島４２導電部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性で、且つ成形可能な材料の第１の
基板と、絶縁性で、且つ高剛性を有する材料の第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間の所要位置毎に、互いに
離隔して形成された空間と、該空間の各々に対応する第１の基板に形成された開孔部
と、各開孔部の周辺に密着されたものであって、開孔部毎に
面積が異なり、開孔部に印加される真空圧力に応じて変
位する導電性ダイアフラム電極と、前記第２の基板上に前記空間を介して前記導電性ダイア
フラム電極と対向配置された導電性薄膜電極と、前記第１の基板を前記第２の基板と共に密着挟持し、前
記第１の基板の開孔部毎に開孔部を設けた絶縁性で、且
つ高剛性を有する材料の第３の基板と、導電性薄膜電極別に外部に引き出される導電性引き出し
部とを設け、前記空間の各々を相互に連通させ、高真空に封止して各
導電性ダイアフラム電極と対向する導電性薄膜電極との
間の静電容量から真空度を測定することを特徴とする真
空センサ。
【請求項２】請求項１に記載の真空センサにおいて、少なくとも１つの導電性ダイアフラム電極は、シリコン
基板の肉厚部に設けられたことを特徴とする真空セン
サ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の真空セン
サにおいて、第１の基板と第２及び第３の基板との間に形成され、ゲ
ッタ材を収容した真空室に前記第１の基板と第２の基板
との間の空間を連通したことを特徴とする真空センサ。