(57)【要約】【課題】ガスのガス種、圧力、又は流量を正確に測定可能なセンサを提供する。【解決手段】被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層１３と、半導体層１３を加熱するヒータ１３１と、半導体層１３の上部に埋め込まれ、ヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度を検出する温度検出素子（ダイオード）Ｄ１とを備え、加熱前後の半導体層１３の温度差から、ガスのガス種、圧力、又は流量を測定する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層と、
前記半導体層を加熱するヒータと、
前記半導体層の上部に埋め込まれ、前記ヒータによる加熱前後の前記半導体層の温度を検出する温度検出素子
とを備え、前記加熱前後の前記半導体層の温度差から、前記ガスのガス種、圧力、又は流量を測定することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記ヒータが、前記温度検出素子とは離間して前記半導体層の上部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層と、前記半導体層を加熱するヒータと、前記半導体層の上部に埋め込まれ、前記ヒータによる加熱前後の前記半導体層の温度を検出する温度検出素子とを有するセンサと、
前記加熱前後の前記半導体層の温度差を、それぞれ前記温度検出素子より入力し、前記ガスのガス種、圧力、又は流量を計算する測定回路
とを備えることを特徴とする測定装置。
【請求項４】
前記ヒータが、前記温度検出素子とは離間して前記半導体層の上部に埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層をヒータにより加熱するステップと、
前記ヒータによる加熱前後の前記半導体層の温度を前記半導体層の上部に埋め込まれた温度検出素子により検出するステップと、
前記加熱前後の前記温度差から、前記ガスのガス種、圧力、又は流量を測定するステップ
とを含むことを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの圧力等を測定するためのセンサに係り、更にはセンサを用いた測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャンバ内のガスのガス種、圧力又は流量を測定するセンサとしては、２つの温度検出素子（ダイオード）により検出した温度差がチャンバ内のガスのガス種、圧力又は流量に比例することを利用したセンサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。即ち、一方の温度検出素子をヒータの近傍に配置してヒータの温度を検出し、ヒータを一定温度に制御する。他方の温度検出素子をヒータと熱的に分離してガスに接するように配置し、チャンバ内の温度を検出する。２つの温度検出素子で検出した温度差から、予め取得したチャンバ内のガスの圧力等に対する検量線データを参照してチャンバ内のガスの圧力等を測定する。
【０００３】
しかしながら、ヒータから熱的に分離した温度検出素子がチャンバ内の温度を検出するときに、チャンバの外側に配置したチラーユニットの水温等の影響でチャンバ内の温度が変動し、チャンバ内のガスのガス種、圧力又は流量を正確に測定できない場合がある。
【特許文献１】特開２００６−１５３７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ガスのガス種、圧力、又は流量を正確に測定可能なセンサ、測定装置及び測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の一態様によれば、（イ）被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層と、（ロ）半導体層を加熱するヒータと、（ハ）半導体層の上部に埋め込まれ、ヒータによる加熱前後の半導体層の温度を検出する温度検出素子とを備え、加熱前後の半導体層の温度差から、ガスのガス種、圧力、又は流量を測定するセンサが提供される。
【０００６】
本願発明の他の態様によれば、（イ）被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層と、半導体層を加熱するヒータと、半導体層の上部に埋め込まれ、ヒータによる加熱前後の半導体層の温度を検出する温度検出素子とを有するセンサと、（ロ）加熱前後の半導体層の温度差を、それぞれ温度検出素子より入力し、ガスのガス種、圧力、又は流量を計算する測定回路とを備える測定装置が提供される。
【０００７】
本願発明の他の態様によれば、（イ）被測定対象となるガスに表面が熱的に接した半導体層をヒータにより加熱するステップと、（ロ）ヒータによる加熱前後の半導体層の温度を半導体層の上部に埋め込まれた温度検出素子により検出するステップと、（ハ）検出素子からの電流または電圧をガスのガス種、圧力、又は流量に変換するステップとを含む測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガスのガス種、圧力、又は流量を正確に測定可能なセンサ、測定装置及び測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
本発明の実施の形態に係る測定装置のセンサ（センサチップ）１の平面図を図１に、対応する断面図を図２に示す。図２は、図１に示したセンサ１のＡ−Ａ方向から見た階段断面構造であり、先に図２を説明する。
【００１２】
図２に示すように、センサ１は、被測定対象となるガスに表面が熱的に接した第１導電型（ｐ型）の半導体層（ＳＯＩ層）１３と、半導体層１３の上部に埋め込まれ、半導体層１３を加熱する第２導電型（ｎ+型）の半導体抵抗領域（ヒータ）１３１と、半導体層１３の上部に半導体抵抗領域（ヒータ）１３１と離間して埋め込まれ、半導体抵抗領域（ヒータ）１３１による加熱前後の半導体層１３の温度を検出する温度検出素子（ダイオード）Ｄ１を備える。温度検出素子Ｄ１は、第１導電型（ｐ+型）の半導体からなるアノード領域１３２と、アノード領域１３２の周囲に形成された第２導電型（ｎ+型）の半導体からなるカソード領域１３３とで構成される。
【００１３】
「第１導電型」と「第２導電型」とは互いに反対導電型である。即ち、第１導電型がｎ型であれば、第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型であれば、第２導電型はｎ型である。したがって、ここでは第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型の場合について例示的に説明するが、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型でもあっても、電気的な極性を反対にすれば同様な効果が得られることは容易に理解できるであろう。
【００１４】
半導体層１３は、支持基板１１上に配置された埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ層）１２上に設けられている。支持基板１１及び半導体層１３の材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能である。
【００１５】
半導体抵抗領域１３１は、熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）等のフィールド絶縁膜１４の開口部を介してヒータ用電極１５ａ，１５ｄに接続している。アノード領域１３２は、フィールド絶縁膜１４の開口部を介してセンサ用電極１５ｂに接続している。カソード領域１３３は、フィールド絶縁膜１４の開口部を介してセンサ用電極１５ｃに接続している。ヒータ用電極１５ａ，１５ｄ及びセンサ用電極１５ｂ，１５ｃの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）等が使用可能である。
【００１６】
半導体抵抗領域１３１は、周囲の半導体層１３とｐｎ接合を形成し、ｐｎ接合分離されている。ｐｎ接合が逆バイアスになるようなバイアス条件でヒータ用電極１５ａ，１５ｄに電流を流すと、半導体抵抗領域１３１のみに電流を流すことができ、半導体抵抗領域１３１のみをジュール加熱することができる。温度検出素子（ダイオード）Ｄ１は、順方向に一定電圧を印加され、半導体層１３の温度に応じた電流（電流信号）を流す。この電流信号又は、オン抵抗の変化、立ち上り電圧の変化（拡散電位の電位）等が半導体層１３の温度として検出される。
【００１７】
なお、図示を省略するが、フィールド絶縁膜１４、ヒータ用電極１５ａ，１５ｄ及びセンサ用電極１５ｂ，１５ｃの全体の上には、酸化膜（ＳｉＯ2膜）、窒化膜（ＳｉＮ膜）、又はＰＳＧ膜等の保護膜（パッシベーション膜）が被覆されている。保護膜の膜厚は、センサ感度を考慮すると、熱的な抵抗が無視できる程度に十分薄いほうが好ましい。図１のＡ−Ａ方向から見た階段断面上では、センサ１の中央部と周辺部は空隙１７で離間している。又、Ａ−Ａ方向から見た階段断面上では、センサ１の中央部ではＢＯＸ層１２の下は空隙１７となっている。
【００１８】
図１に示すように、平面パターンとしては、周辺部は枠状をなし、中央部の周囲を囲むように配置されている。周辺部と中央部とは、断面図としては、図２に示すようなＢＯＸ層１２、半導体層１３、フィールド絶縁膜１４からなる積層構造の梁で接続されている。図１に示すように、この梁のフィールド絶縁膜１４の上には、ヒータ用電極１５ａ，１５ｄ及びセンサ用電極１５ｂ，１５ｃが延伸している。ヒータ用電極１５ａ，１５ｄは、周辺部に配置されたヒータ用電極パッド１６ａ，１６ｄにそれぞれ接続されている。センサ用電極１５ｂ，１５ｃは、周辺部に配置されたセンサ用電極パッド１６ｂ，１６ｃにそれぞれ接続されている。中央部において、半導体抵抗領域１３１が、アノード領域１３２及びカソード領域１３３の周囲に例えば環状に配置されている。
【００１９】
センサ１は、図３に示すように、被測定対象となるガスを収納するチャンバ２内に配置される。チャンバ２内には被測定対象となるガスが、特定のガス圧で充填もしくは、特定のガス流量等で流される。図１及び図２に示したセンサ１は、図３に示すようにパッケージベース３の下面の中央部に裏面側から載置される。パッケージベース３の下面の周辺部は、Ｏリング３ａを介してチャンバ２の開口の周辺部に接し密閉構造を構成している。パッケージベース３は、円筒状の懸架部（懸架リング）４１により固定具４に固定されている。固定具４は押さえ５ａ，５ｂを用いてチャンバ２の固定部（固定リング）４２に固定されている。図１及び図２に示したセンサ１のヒータ用電極１５ａ，１５ｄ及びセンサ用電極１５ｂ，１５ｃは、図３に示した配線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，９ａ，９ｂ及びコネクタ６等を介して測定回路１０に接続されている。チャンバ２の下面側の外側には、チラーユニット７が配置されている。チラーユニット７には、チャンバ２を冷却するために一定温度の水が供給される。
【００２０】
図４に示すように、測定回路１０は、ヒータ１３１に接続されたオペアンプ１０１と、オペアンプ１０１に接続されたタイミング生成部１００を備える。タイミング生成部１００が、ヒータ１３１加熱用の駆動パルスを生成する。オペアンプ１０１が、外部からの制御信号ＣＮＴを受けてタイミング生成部１００からの駆動パルスを増幅し、ヒータ１３１に伝達する。ヒータ１３１は、駆動パルスの電流に応じて半導体層１３を加熱する。
【００２１】
温度検出素子Ｄ１には、オペアンプ１０２，１０３及びＡ／Ｄコンバータ１０４が順次接続されている。オペアンプ１０２は、温度検出素子Ｄ１で検出した半導体層１３の温度に対応する電流信号等を電圧信号に変換する。オペアンプ１０３が、オペアンプ１０２からの電圧信号を所望のレベルまで増幅する。Ａ／Ｄコンバータ１０４が、オペアンプ１０３からのアナログ電圧信号をデジタル信号に変換する。
【００２２】
Ａ／Ｄコンバータ１０４の出力側には、加熱前温度記憶部（レジスタ）１０５及び加熱後温度記憶部（レジスタ）１０６が接続される。加熱前温度記憶部１０５及び加熱後温度記憶部１０６には温度差算出部１０７が接続される。温度差算出部１０７には、温度差記憶部１０８が接続され、温度差記憶部１０８には測定部１０９が接続される。
【００２３】
加熱前温度記憶部１０５は、タイミング生成部１００からヒータ１３１に対する加熱前のクロック信号に同期して、ヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度に対応するＡ／Ｄコンバータ１０４からのデジタル信号を記憶する。加熱後温度記憶部１０６は、タイミング生成部１００からヒータ１３１に対する加熱後のクロック信号に同期して、ヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度に対応するＡ／Ｄコンバータ１０４からのデジタル信号を記憶する。
【００２４】
温度差算出部１０７が、加熱前温度記憶部１０５に記憶したヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度及び加熱後温度記憶部１０６に記憶したヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度を読み出して、ヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度差を算出する。温度差記憶部１０８が、タイミング生成部１００から生成されるクロック信号に同期して、温度差算出部１０７により算出されたヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度差を記憶する。測定部１０９が、温度差記憶部１０８に記憶したヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度差を読み出して、予め取得した検量線データを参照して温度差からチャンバ２内のガスの圧力を測定する。
【００２５】
温度差算出部１０７には、出力部１１０が接続される。出力部１１０は、温度差記憶部１０８に記憶された温度差を出力する。出力部１１０は、ヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度や、測定したチャンバ２内のガスの圧力等を表示するようにしても良い。出力部１１０としては、液晶ディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ、インクジェットプリンタ、又はレーザプリンタ等を用いることができる。
【００２６】
測定部１０９には、表示部１１１が接続される。表示部１１１としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用可能である。表示部１１１は、測定部１０９により測定したガスの圧力に応じて、ガスの圧力の高さが分かるようにＬＥＤ表示する。
【００２７】
図５（ａ）にヒータ１３１の駆動パルスのタイミングを示し、図５（ｂ）にチャンバ２内が大気圧の場合のヒータ１３１の放熱状況を示す。ヒータ１３１による加熱を行う１ｍｓ〜２０ｍｓ程度前の時刻ｔ１において、温度検出素子Ｄ１が、図５（ｂ）に示すようにヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度Ｔ１１を検出する。ヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度Ｔ１１は、チャンバ２内の温度と略等しい。
【００２８】
時刻ｔ２〜ｔ３において、図５（ａ）に示すように、ヒータ１３１に駆動パルスを与える。駆動パルス幅Ｗｐは１ｍｓ〜９００ｍｓ程度、周期は１ｍｓ〜９００ｍｓ程度である。駆動パルスに応じて図５（ｂ）に示すようにヒータ１３１の温度が上昇する。
【００２９】
時刻ｔ３において図５（ａ）に示すように駆動パルスをオフ状態にすると、図５（ｂ）に示すようにヒータ１３１の温度が低下していく。時刻ｔ３から１ｍｓ〜５０ｍｓ程度経過した時刻ｔ４において、温度検出素子Ｄ１が、ヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度Ｔ１２を検出する。
【００３０】
チャンバ２内の温度は、チラーユニット７に供給される水温等の外部の影響を受けて変化する場合がある。このため、時刻ｔ１において検出するヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度Ｔ１１の測定の意味するところは、この外部からの影響を受けた結果の温度を測定することにある。時刻ｔ４において検出するヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度Ｔ１２も外部からの影響を受けるが、この影響は事前にｔ１で測定した結果と同一とであることは自明である。このため時刻ｔ１において検出したヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度Ｔ１１と、時刻ｔ４において検出したヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度Ｔ１２との温度差ΔＴ１は、チャンバ２内のガスの圧力のみに依存し、チャンバ２内の温度が変化しても影響を受けず一定である。したがって、温度差算出部１０７が温度差ΔＴ１を算出し、測定部１０９が温度差ΔＴ１からチャンバ２内のガスの圧力を測定するので、チャンバ２内の温度の影響を受けずに正確にチャンバ２内のガスの圧力を測定可能となる。更に、時刻ｔ４から１ｍｓ〜２０ｍｓ程度経過後に、表示部１１１により測定結果をＬＥＤ表示する。
【００３１】
図５（ｃ）に、チャンバ２内が減圧状態の場合のヒータ１３１の放熱状況を示す。減圧状態中では、大気圧中よりも熱伝導率が低下するので、ヒータ１３１は緩やかに放熱する。大気圧中の場合と同様に、時刻ｔ１において検出されるヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度Ｔ２１と、時刻ｔ４において検出するヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度Ｔ２２との温度差ΔＴ２は、チャンバ２内のガスの圧力のみに依存し、チャンバ２内の温度からは独立して影響を受けない。
【００３２】
図６に、チラーユニットに供給する水温を２５℃、３５℃、４５℃で変化させたときの、ヒータ１３１による加熱前後で検出した半導体層１３の温度差と、チャンバ２内のガスの圧力との関係を示す。チラーユニット７の水温を変化させるとチャンバ２内の温度は変化する。図６から、チャンバ２内の温度が変化しても、ヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度差はチャンバ２内の温度変化に影響されずに略一定であることが分かる。又、チャンバ２内のガスの圧力が高いほど、ヒータ１３１の温度差は小さいことが分かる。したがって、予め取得したチャンバ２内のガスの圧力の検量線データを参照して、ヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度差ΔＴ１，ΔＴ２に基づいてチャンバ２内のガスの圧力を測定することができる。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態に係る測定方法を、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３４】
（イ）ステップＳ１において、温度検出素子Ｄ１が、ヒータ１３１による加熱前の被測定対象（ガス）に表面が熱的に接した半導体層１３の温度を検出する。検出したヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度は、加熱前温度記憶部１０５に記憶される。
【００３５】
（ロ）ステップＳ２において、ヒータ１３１に駆動パルスを与えて加熱し、オフ状態とする。
【００３６】
（ハ）ステップＳ３では、温度検出素子Ｄ１によりヒータ１３１による加熱後のオフ状態において、被測定対象（ガス）に表面が熱的に接した半導体層１３の温度を検出する（加熱後のオフ状態においては図５に示すように半導体層１３の温度は徐々に低下していく。）。検出したヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度は、加熱後温度記憶部１０６に記憶される。
【００３７】
（ニ）ステップＳ４において、温度差算出部１０７が、加熱前温度記憶部１０５に記憶されたヒータ１３１による加熱前の半導体層１３の温度と、加熱後温度記憶部１０６に記憶されたヒータ１３１による加熱後の半導体層１３の温度を読み出して、ヒータ１３１による加熱前後の半導体層１３の温度差を算出する。算出された温度差は、温度差記憶部１０８に記憶される。
【００３８】
（ホ）ステップＳ５において、測定部１０９が、温度差記憶部１０８に記憶された温度差を読み出して、温度差からチャンバ２内のガスの圧力変換する。表示部１１１は、測定結果をＬＥＤ表示する。
【００３９】
本発明の実施の形態に係るセンサ１、センサ１を用いた測定装置及び測定方法によれば、チャンバ２内の温度の変動の影響を受けずに、チャンバ２内のガスの圧力を正確に測定することができる。
【００４０】
更に、センサ１の構造が簡単でありサイズも小さいので、低コストで製造可能で、歩留まりを向上することができる。
【００４１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４２】
既に述べた実施の形態の説明においては、ヒータとなる半導体抵抗領域１３１が半導体層１３の表面に埋め込まれた場合を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、多結晶シリコンや高融点金属の薄膜からなる抵抗層を半導体層１３の表面の上に堆積して形成しても良い。
【００４３】
又、温度検出素子Ｄ１としてダイオードを説明したが、温度検出素子Ｄ１としてダイオードの代わりにバイポーラトランジスタを使用し、ベースとエミッタのダイオード特性を利用しても構わない。又、予めチャンバ２内のガス種やガス流量との検量線データを取得しておけば、チャンバ２内のガスの圧力の他にも、ガス種やガス流量を測定することも可能である。
【００４４】
更には上記の実施の形態では、チャンバ２の内部のガスの圧力等を測定する場合について説明したが、チャンバは必ずしも必要ではない。例えば、配管中のガスの流量、空調ダクト内の空気の流量等の測定に用いることも可能であり、更には無限大の容積とみなせる地球の大気の圧力を測定対象としても良い。
【００４５】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態に係る測定装置のセンサの一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る測定装置のセンサの一例を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る測定装置のセンサの実装例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る測定装置の一例を示すブロック図である。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る測定方法を説明するためのグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係る圧力とヒータ加熱前後の半導体層の温度差との関係を表すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係る測定方法の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
Ｄ１…温度検出素子（ダイオード）
１…センサ
２…チャンバ
３…パッケージベース
３ａ…Ｏリング
４…固定具
５ａ，５ｂ…押さえ
６…コネクタ
７…チラーユニット
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，９ａ，９ｂ…配線
１０…測定回路
１１…支持基板
１２…埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ層）
１３…半導体層（ＳＯＩ層）
１４…フィールド絶縁膜
１５…金属膜
１５ａ，１５ｄ…ヒータ用電極
１５ｂ，１５ｃ…センサ用電極
１６ａ，１６ｄ…ヒータ用電極パッド
１６ｂ，１６ｃ…センサ用電極パッド
１７…空隙
１００…タイミング生成部
１０１，１０２，１０３…オペアンプ
１０４…Ａ／Ｄコンバータ
１０５…加熱前温度記憶部
１０６…加熱後温度記憶部
１０７…温度差算出部
１０８…温度差記憶部
１０９…測定部
１１０…出力部
１１１…表示部
１３１…半導体抵抗領域（ヒータ）
１３２…アノード領域
１３３…カソード領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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