JP2012198187A

JP2012198187A - マイクロ圧力センサ

Info

Publication number: JP2012198187A
Application number: JP2011085772A
Authority: JP
Inventors: Yukiko Okano; 夕紀子岡野; Shuichi Tajiri; 修一田尻; Takashi Aozono; 隆司青園; Soichi Ogawa; 倉一小川; Koji Mima; 宏司美馬; Akio Okamoto; 昭夫岡本
Original assignee: OKANO SEISAKUSHO KK; Technology Research Institute of Osaka Prefecture
Current assignee: OKANO SEISAKUSHO KK; Technology Research Institute of Osaka Prefecture
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18

Abstract

【課題】真空環境において環境を乱さずに圧力値を正確に計測する。
【解決手段】真空装置内の必要な箇所に配置される熱伝導型方式の圧力センサ部２と真空装置外壁に配置される制御部３からなるマイクロ圧力センサである。圧力センサ部２は、底面と円筒状または四角状の枠で形成され空洞部を有する高分子フィルム支持体と、高分子フィルム支持体の枠の上面に、高分子フィルム２１が接着剤で貼られ、高分子フィルム２１の中央部に一つの圧力センサ２２と、圧力センサ２２の周辺に、一つ又は複数の温度センサ２３を備え、各圧力センサ２２と、温度センサ２３はそれぞれ、電極を介して制御部３に接続される。制御部３は圧力センサ２２に、加熱電力を与え一定温度に加熱制御し、温度センサ２３で圧力センサ２２の周りの温度を抵抗変化で計測し、抵抗変化で加熱電力に対応する真空装置内の圧力値を補正することで正確な真空装置内の圧力値を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体により奪われる熱量をセンサ材料の温度変化として計測する熱伝導型真空計に用いることができるマイクロ圧力センサに関する。

真空応用加工装置を用いた種々の薄膜形成プロセスにおいて、装置内の適正な真空の質と量は形成される薄膜の特性に大きく影響する。

従来の真空応用加工装置を用いた薄膜形成においては、装置内の圧力を計測する真空計のサイズの問題から装置外にしか取り付けられないため、時間的・場所的平均値しか知ることができない。薄膜形成前もしくは加工中にあらかじめ設定した適正な真空の質と量に何らかの違いが生じても、計測器等の圧力値からでは明確な差が見られないことが多く、形成が完了した薄膜特性を評価して初めてその不具合を知る場合が多い。真空応用加工装置において薄膜を形成する場合は、大気圧（１０^５Ｐａ）から１０^−５Ｐａの広範囲にわたる圧力を計測する必要があり、現状の測定機器においてはそれぞれの計測器における計測可能な圧力範囲が狭いために、複数の異なる方式により圧力を計測するための測定機器を併用する必要がある。
その上、先に述べたように既存の圧力を計測する真空計のサイズが大きいため、配管内や排気口前後などの狭小空間における圧力をリアルタイムで計測することはできない。また、気体の熱伝導変化を検出するセンサのマイクロ化には特許文献１のように、シリコンを基板材料とした微細加工技術が用いられることが一般的であるが、複雑な作成プロセスを必要とする上に架橋構造が脆弱であり、使用可能な温度範囲等に制約がある。

気体分子はＭａｘｗｅｌｌ分布に従い、真空装置のすべての箇所で、圧力は均一であるという前提に基づいて圧力計測を行っていた。しかし実際は、電子部品デバイス形成のための真空装置内には各種ガスが導入されるため、真空装置外壁に取り付けた真空計で圧力値を計測していた。また、センササイズが大きいため真空装置内部にセンサを設置することができず、良くてシミュレーションが出来ていたに過ぎない。
実際に薄膜を形成する際の圧力状態は、出来上がった薄膜特性に大きく影響すると考えられるが、今までは計測する手段がなかった。マイクロ圧力センサにより真空環境内の圧力分布が計測できれば、電子部品デバイス形成分野の発展に大きく貢献できる。

特開２００５−３０８６７６公報

真空応用加工装置を用いた薄膜形成プロセスにおいて、計測が必要な大気圧（１０^５Ｐａ）から１０^−５Ｐａの広範囲にわたる圧力を単一のセンサのみで計測可能な測定機器は存在せず、また現状ではセンササイズの問題から真空装置外壁の特定の場所に設置せざるを得ず、実際に薄膜が形成されている装置内部や、配管部等の狭小スペースの圧力値を知ることはできない。気体の熱伝導変化を検出するセンサのマイクロ化にはシリコンを基板材料とした微細加工技術が用いられることが一般的であるが、複雑な作成プロセスを必要とする上に架橋構造が脆弱であり、使用可能な温度範囲等に制約がある。
また、真空環境という特殊空間内においてその環境を乱さずに圧力値を計測する方法は現在確立されていない。

真空装置内の必要な箇所に配置される熱伝導型方式の圧力センサ部２と真空装置外壁に配置される制御部３からなるマイクロ圧力センサであって、
圧力センサ部２は、底面と円筒状または四角状の枠で形成され空洞部２５を有する高分子フィルム支持体２４と、その高分子フィルム支持体２４の枠の上面に、高分子フィルム２１が接着剤２６で貼られ、その高分子フィルム２１の中央部に一つの圧力センサ２２と、その圧力センサ２２の周辺に、一つ又は複数の温度センサ２３を備え、各圧力センサ２２と、温度センサ２３はそれぞれ、電極を介して制御部３に接続され、
制御部３は圧力センサ２２に、加熱電力を与え一定温度に加熱制御し、温度センサ２３で圧力センサ２２の周りの温度を抵抗変化で計測し、その計測した抵抗変化で加熱電力に対応する真空装置内の圧力値を補正することで正確な真空装置内の圧力値を計測するようにしたことを特徴とするマイクロ圧力センサ。

圧力センサ２２はタンタルーアルミニウム複合窒化物であることを特徴とするマイクロ圧力センサ。

圧力センサ２２が搭載された高分子フィルム２１の下部は、高分子フィルム支持体２４の空洞部２５にすることにより、熱容量を小さくして、圧力センサ２２感度と応答性を向上させたことを特徴とするマイクロ圧力センサ。

高分子フィルム２１の材料はポリイミドであることを特徴とするマイクロ圧力センサ。

１）有効熱交換面積を確保したまま微小化が可能な上に、薄膜ならびに高分子フィルムの使用によるセンサ熱容量の低減により応答速度も速いことから、装置内の適正な真空の質と量の計測・制御が実現できる。
２）大気圧（１０^５Ｐａ）から１０^−５Ｐａの広範囲にわたる圧力を計測できる。
３）薄膜を用いるため、有効熱交換面積を保持したまま、小型化できる。
４）実際に薄膜が形成されている真空装置におけるチャンバ内における圧力値の位置的・時間的変化ならびに、配管部等の狭小スペースの圧力値をリアルタイムで計測することが可能となる
５）圧力センサの材料であるタンタルーアルミニウム複合窒化物材料の特性より、単純なセンサパターンを用いることができ、基板に極薄の耐熱性高分子フィルムを用いたセンサ形成プロセスで、必要に応じて有効熱交換面積の変更やセンサパターンの変更を容易に行うことができる。

本発明のマイクロ圧力センサの構成本発明のマイクロ圧力センサの図１のＡ−Ａ断面図本発明のマイクロ圧力センサの原理本発明のマイクロ圧力センサの温度補正の原理本発明のマイクロ圧力センサの制御回路

本発明のマイクロ圧力センサは、高い抵抗温度係数を持つ薄膜材料を高分子フィルム上に形成し、センサ温度と周囲温度（温度定点）との差を精密に測定できる構造を有することにより、従来型では不可能であった大気圧から１０^−５Ｐａまでの広い圧力範囲を単一の熱伝導センサにより計測するものである。

高い抵抗温度係数を持つセンサ材料の薄膜化と、高分子フィルムとして非常に薄いポリイミドの基板を用いることにより熱容量の低減をはかり、センサ温度と周囲温度（温度定点）との差を精密に測定できる構造とし、小型、広範囲、高速応答を実現した。成膜にメタルマスクを用いることで、複雑な微細加工技術を必要としない簡単な作製プロセスであるため、必要に応じて有効熱交換面積の変更やセンサパターンの変更を容易に行うことができる。

図１と図２で本発明のマイクロ圧力センサの構成を示す。
本発明のマイクロ圧力センサ１は、真空装置内の必要な箇所に配置される熱伝導型方式の圧力センサ部２と真空装置外壁に配置される制御部３からなる。
圧力センサ部２は、高分子フィルム２１、圧力センサ２２、温度センサ２３、高分子フィルム支持体２４、空洞部２５、接着剤２６からなる。
高分子フィルム支持体２４は、底面と円筒状または四角状の枠で形成され、内部に空洞部２５を形成する容器形状である。その高分子フィルム支持体２４の枠の上面に、高分子フィルム支持体２４の上面全体を覆うように高分子フィルム２１を接着剤２６で貼り、その高分子フィルム２１の中央部に一つの圧力センサ２２と、その周辺、例えば、高分子フィルム支持体２４の枠の上面に一つ又は複数の温度センサ２３を設ける。各圧力センサ２２と、温度センサ２３はそれぞれ、電極２２１，２２２と電極２３１、２３２を介してリード線４により制御部３に接続される。
高い抵抗温度係数を持つ圧力センサ２２は、高分子フィルム２１の中央部に搭載され、その置かれる高分子フィルム２１の下は、高分子フィルム支持体２４の空洞部２５にすることにより、熱容量を小さくし、感度を応答性を向上させている。

高い抵抗温度係数を持つ温度センサ２３を、高分子フィルム２１の中央部に設けた圧力センサ２２から、距離をとり、高分子フィルム支持体２４の筒型の枠の上部に配置しているので、真空装置の内部温度の計測の精度を得て、後述するような圧力センサの温度補正を正確に行うことができる。
このように、圧力センサ２２と温度センサ２３を、同一高分子フィルム２１上に配置し、センサ温度と周囲温度（温度定点）との差を精密に測定できる構造にすることで、従来型では不可能であった大気圧から１０^−５Ｐａまでの広い圧力範囲を単一の熱伝導センサにより計測可能としている。

圧力センサ２２の材料は、タンタルとアルミニウムからなる複合窒化物で、高い抵抗温度係数をもっている。圧力センサ２２は、制御部３で電圧駆動し、電極２１，２２を介して一定温度に加熱制御する。加熱された圧力センサ２２は気体により熱量を奪われるが、制御部３の圧力センサ駆動部３１より一定温度に加熱制御する。
圧力センサ２２の材料であるタンタルとアルミニウムからなる複合窒化物は、高い抵抗温度係数をもっている。センサ材料である複合窒化物材料の抵抗温度係数は−７０００〜−１４０００ｐｐｍ／℃であるが、特に−１２０００〜−１４０００ｐｐｍ／℃であることが好ましい。また、比抵抗は１．０×１０^−１〜２．０Ω・ｃｍであるが、特に１．０×１０^−１〜１．０Ω・ｃｍであることが好ましい。圧力センサ２２の薄膜の厚みは、２００〜５００ｎｍ程度が好ましい。

温度センサ２３の材料は、圧力センサ２２と同じタンタルとアルミニウムからなる複合窒化物で、高い抵抗温度係数をもっている。微小電流を印加し、得られた抵抗値より周囲温度を算出し補正に用いる。

高分子フィルム２１の材料は、ポリイミドで、厚みは１から５０μｍ程である。

電極２２１、２２２、２３１、２３２の材料は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなどの金属薄膜を用いる。センサの使用環境（雰囲気や温度、腐食性ガスの有無など）に応じて１種もしくは複数選択する。これらの電極の薄膜は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等の気相法で形成する、その中でも、スパッタリング法が好ましい。スパッタリング完了後、必要に応じて、得られた薄膜を１５０〜５００℃で熱処理し、使用する基板材料に応じて適宜選択する。例えば、高分子フィルム２１を基板に用いた場合は、フィルムの耐熱温度を考慮して１５０〜３００℃程度であることが好ましい。

高分子フィルム支持体２４は、底面と円筒状または四角状の枠で形成され、内部に空洞部２５を形成する容器形状である。材質はステンレスである。

接着剤２６は、高分子フィルム支持体２４に高分子フィルム２１を貼るのに用いる。接着剤２６は熱可塑性の熱伝導接着剤である。

リード線は１０〜１００μｍのニッケル線、Ａｇ線、Ａｕ線、Ａｌ線、Ｃｕ線もしくはそれらを原材料とした金属箔をＩｎ、半田、Ａｇペースト等を用いて気密素子に接続し、計測対象外に取り出す。線径１００μｍのニッケル線もしくは５μｍ以下のニッケル箔を用い、Ｉｎもしくは半田で接続することが好ましい。

図３は、本発明のマイクロ圧力センサの原理図である。真空装置の気体分子Ｐが、圧力センサ２２の熱量を奪うと温度が変化して抵抗値が変化する。その抵抗値の変化を圧力値として検出する。

図４は、本発明のマイクロ圧力センサの温度補正原理を示す。
横軸は基準圧力、縦軸は圧力センサの加熱電力から求められた圧力値である。圧力センサ２２を一定温度に保つ加熱制御を行い、その加熱電力から圧力値へ対応付けしている。圧力センサ２２の加熱電力は気体分子Ｐの温度に依存し、温度が低ければ圧力センサ２２から奪う熱量は多いため加熱電力は大きくなり、温度が高ければ圧力センサ２２から奪う熱量は少ないため加熱電力は小さくなる。そのため圧力センサ温度と、気体分子Ｐの温度とを精密に測定し、正規化した温度への補正を行っている。

図５は本発明のマイクロ圧力センサの制御部の構成を示す。制御部３は圧力センサ駆動部３１、温度計測部３２、温度補正部３３及び表示部３４から構成される。
高分子フィルム２１の中央部に配置した圧力センサ２２を、電極２２１、２２２を介して一定温度に加熱制御する。加熱された圧力センサは２２気体により熱量を奪われるが、圧力センサ駆動部３１により一定温度に加熱制御する。

温度センサ計測部３２は、温度センサ２３の抵抗変化を、電極２３１，２３２を介して計測する。温度センサ２３は高分子フィルム支持体２４の枠の高分子フィルム２１上に配置しているため、高分子フィルム２１の中央に配置した圧力センサ２２が加熱しても、その温度の影響を受けない。この構造により気体の温度を正確に計測することが出来る。
温度補正部３３は、圧力センサ駆動部３１で加熱制御した圧力センサ２２は気体により熱量を奪われるが、気体の温度により奪われる熱量が異なる。その気体の温度の変化を温度センサ２３の抵抗変化として温度計測部３２で計測し温度補正部３３で温度の補正演算を行う。温度補正部３３が行った圧力センサ駆動部３１の加熱電力に対応付けされた真空装置の圧力値（予め得られた加熱電力と真空装置の圧力値の対応表に基づく）として表示部３４に表示する。
このように、制御部３は圧力センサ２２を、真空装置内の圧力値と対応付けられる加熱電力で一定温度に加熱制御し、温度センサ２３で圧力センサ２２の周りの温度を抵抗変化で計測し、その計測した抵抗変化で加熱電力と対応する真空装置内の圧力の値を補正することで正確な真空装置内の圧力を測定できる。

センサ材料の温度変化として計測するので真空計への応用だけではなく、幅広い分野へ適用可能である。例えば、赤外線センサ、気体の流速・流量計センサ、水分計測センサなど分野において、従来型では困難な狭小スペースへの設置や、微少温度変化の検出にも有効である。

１マイクロ圧力センサ
２圧力センサ部
２１高分子フィルム
２２圧力センサ
２２１、２２２電極
２３温度センサ
２３１、２３２電極
２４高分子フィルム支持体
２５空洞部
２６接着剤
３制御部
３１圧力センサ駆動部
３２温度計測部
３３温度補正部
３４表示部
４リード線
５Ｐ気体分子

Claims

真空装置内の必要な箇所に配置される熱伝導駆動方式の圧力センサ部２と真空装置外に配置される制御部３からなるマイクロ圧力センサであって、
圧力センサ部２は、底面と円筒状または四角状の枠で形成され空洞部２５を有する高分子フィルム支持体２４と、その高分子フィルム支持体２４の枠の上面に、高分子フィルム２１が接着剤２６で貼られ、その高分子フィルム２１の中央部に一つの圧力センサ２２と、その圧力センサ２２の周辺に、一つ又は複数の温度センサ２３を備え、各圧力センサ２２と、温度センサ２３はそれぞれ、電極を介して制御部３に接続され、
制御部３は圧力センサ２２に、加熱電力を与え一定温度に加熱制御し、温度センサ２３で圧力センサ２２の周りの温度を抵抗変化で計測し、その計測した抵抗変化で加熱電力に対応する真空装置内の圧力値を補正することで正確な真空装置内の圧力値を測定するようにしたことを特徴とするマイクロ圧力センサ。
圧力センサ２２はタンタルーアルミニウム複合窒化物であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ圧力センサ。
圧力センサ２２が搭載された高分子フィルム２１の下部は、高分子フィルム支持体２４の空洞部２５にすることにより、熱容量を小さくして、圧力センサ２２感度と応答性を向上させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロ圧力センサ。
高分子フィルム２１の材料はポリイミドであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のマイクロ圧力センサ。