(57)【要約】【課題】高真空圧から一気圧近い低真空圧までの高帯域で高感度である薄膜ピラニー真空センサと真空計測装置を提供する。【解決手段】基板から熱分離した一個の薄膜１０もしくは、分割された薄膜に、少なくとも一個のヒータと、一個もしくは複数個の温度センサとを備え、加熱された前記薄膜の部分からヒートシンクまでの距離が０．１μｍから１０μｍの範囲内の空隙となるようにヒートシンクに突起部を設けて、この狭い空隙を介して薄膜からヒートシンクに熱伝達を行わせる。また、これを用いた真空計測装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータにより加熱された薄膜に設けた温度センサの出力を利用して真空度を計測するようにした薄膜ピラニー真空センサにおいて、基板（１）から熱分離した一個の薄膜（１０）もしくは分割された薄膜（１０A、１０B）に、少なくとも一個のヒータと、一個もしくは複数個の温度センサ（２０A、２０B）とを備え、前記ヒータにより加熱された前記薄膜（１０、１０A、１０B）の部分から０．１マイクロメートルから１０マイクロメートルの範囲内の空隙を持つようにヒートシンクに突起部を設けたことを特徴とする薄膜ピラニー真空センサ。
【請求項２】
突起部を基板（１）の蓋に設けた請求項１記載の薄膜ピラニー真空センサ。
【請求項３】
薄膜（１０）は、少なくとも薄膜（１０A）と薄膜（１０Ｂ）とに二分割してあり、少なくとも、一方の薄膜（１０A）にはヒータと温度センサ（２０A）を、他方の薄膜（１０Ｂ）には温度センサ（２０A）を備え、ヒートシンクの突起部は、薄膜（１０Ｂ）の近傍に設置されてある請求項１または２のいずれかに記載の薄膜ピラニー真空センサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の薄膜ピラニー真空センサを有し、少なくとも電源回路、演算回路および制御回路を有する真空計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来の薄膜ピラニー真空センサにおいて、一気圧に近い低真空度での感度を上昇させるために改良した薄膜ピラニー真空センサと、これを用いた真空計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体のプロセスガスの真空度制御には、低真空領域を利用するので、ピラニー真空計が用いられていた。この従来の白金ワイヤを用いたピラニー真空計を白金ワイヤの代わりに薄膜にして、真空中の気体との接触面積が増加させて感度を増加させた薄膜ピラニー真空センサがあった。しかし、一気圧に近い真空度では、気体分子の平均自由行程ｌがサブミクロンメートル領域となり極めて小さく、加熱された薄膜から熱エネルギーを得て、薄膜表面から飛び去る気体分子による熱の放散を利用する熱伝導型のピラニー真空計では、真空圧の増加と平均自由行程ｌの減少とが打ち消しあい、この加熱された薄膜からの熱の放散が飽和し、真空管度が得られないと言う問題に直面していた。
【０００３】
しかし、その反面、高真空度になり空気の平均自由行程ｌに対して、加熱された薄膜とヒートシンクとの距離が小さすぎると、その分、低真空度側で早々と薄膜の温度変化が真空度に依存しなくなり、高真空度が測れないと言う問題があった。
【０００４】
また、本発明者は、先に「気体センシングシステムとこれに用いる温度センサ」（特開2004-286492）を発明して、シリコン（Si）基板から熱分離した二分割した薄膜の一方にはヒータと温度センサを、他方の薄膜には温度センサを搭載した薄膜ピラニー真空センサとしても使用できるデバイスを提供した。しかし、やはり、一気圧近い真空圧では、出力が飽和してしまい、このような一気圧近い真空圧である低真空圧でも高感度に検出できる真空計が要望されていた。
【特許文献１】特開2004-286492
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高真空圧から一気圧近い低真空圧までの高帯域で高感度である薄膜ピラニー真空センサと真空計測装置を提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる薄膜ピラニー真空センサは、ヒータにより加熱された薄膜に設けた温度センサの出力を利用して真空度を計測するようにした薄膜ピラニー真空センサにおいて、基板１から熱分離した一個の薄膜１０もしくは、分割された薄膜１０A、１０Bに、少なくとも一個のヒータと、一個もしくは複数個の温度センサ２０A、２０Bとを備え、前記ヒータにより加熱された前記薄膜１０、１０A、１０Bの部分から０．１マイクロメートル（μｍ）から１０マイクロメートル（μｍ）の範囲内の空隙を持つようにヒートシンクに突起部を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
１気圧では、空気の平均自由行程ｌは、３００ｎｍ（０．３μｍ）程度と言われている。ヒートシンクが加熱された薄膜からこの平均自由行程ｌ以内あれば、加熱された薄膜から熱エネルギーを得た気体分子は、ヒートシンクに熱エネルギーを伝達するので、１気圧に近い低真空度でも真空度に関係した熱伝達が行われて高感度で計測できる。
【０００８】
本発明の薄膜ピラニー真空センサでは、例えば、加熱された薄膜、例えば、薄膜１０Bから２００ｎｍ程度の空隙を介して対向させた突起部をヒートシンクに形成しているので、薄膜１０Bからヒートシンクまでの距離がほぼ連続的に２００ｎｍ程度から実質的に無限大まで存在することになる。このために、周囲ガスの分子が種々の真空度における種々の平均自由行程を有していても、それぞれに対応して加熱された薄膜１０Bからヒートシンクまでの距離が連続的に存在していることになるので、極めて広範囲の真空度を計測することができる。
【０００９】
上述の温度センサとして、IC化可能で、薄膜化できるｐｎ接合ダイオードやトランジスタを用いることができる。これらはサーミスタのように取り扱うことができるので、薄膜の温度を極めて高感度に計測することができるし、大量生産性があるので、安価となる。
【００１０】
本発明の請求項２に係わる薄膜ピラニー真空センサは、突起部を基板１の蓋に設けた場合である。例えば、薄膜１０を有する基板と同様に、例えば、厚み６５０μｍの単結晶シリコン（Si）基板を蓋として利用し、薄膜を有する基板１に蓋をしたときに丁度、真空度を検出する温度センサを有する部分の薄膜（例えば、薄膜１０B）から２００ｎｍ（０．２μｍ）程度の距離の空隙を持つようにするために、蓋となる単結晶シリコン（Si）基板に熱酸化膜を２００ｎｍ程度の厚さに形成しておき、対応する箇所のシリコンの熱酸化膜をエッチング除去するなどで凹部を形成して、この凹部をヒートシンクの突起部と薄膜との空隙として利用することができる。  更に、蓋とヒートシンクとを兼用するシリコンの蓋のうち、突起部の周囲の部分をエッチングなどで除去する。これは、ヒートシンクとしても兼用する蓋が、基板１と接合したときに、薄膜１０Ｂからの距離が徐々に（連続的に）離れるようにエッチングなどで除去してスリットや空洞を形成するためである。このときの蓋となる単結晶シリコン（Si）基板のエッチング除去は、異方性エッチング液等を用いて行うことができる。この単結晶シリコン（Si）基板の蓋として、（１００）面の表面を持つ基板を用いて、その突起部の側面が（１１１）面となり、頂上が平らなピラミッド状に残り、その周囲の部分が貫通孔（スリット）となるようにエッチング除去すると良い。
【００１１】
上述では、真空度を検出する温度センサを有する部分の薄膜から２００ｎｍ程度の距離の空隙を持つように、蓋に凹部を形成しておく場合を述べたが、これは薄膜を有する基板と蓋とが陽極接合などのように直接接合できる場合である。もし、接着剤などを用いて接合する場合は、２００ｎｍ程度の距離を接着剤などの接着層の厚みで形成することができるので、蓋に２００ｎｍ程度の距離の空隙用の凹部を形成しておく必要はない。
【００１２】
本発明の請求項３に係わる薄膜ピラニー真空センサは、薄膜（１０）が、少なくとも薄膜（１０A）と薄膜（１０Ｂ）とに二分割してあり、少なくとも、一方の薄膜（１０A）にはヒータと温度センサ（２０A）を、他方の薄膜（１０Ｂ）には温度センサ（２０A）を備え、ヒートシンクの突起部は、薄膜（１０Ｂ）の近傍に設置されてある場合である。
【００１３】
ヒートシンクの突起部は、蓋に形成しても良いし、薄膜を形成している基板１に形成しても良い。
【００１４】
ヒータで熱せられた薄膜１０Ａから薄膜１０Ｂへの熱伝導が、主に真空中の気体を媒介とした熱伝導になるようにするために、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとを一枚の薄膜１０にスリットを形成して熱抵抗が大きくなるようにしても良いし、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとを一枚の薄膜１０を横断するスリットで完全に空間的に接触させずに分離して、互いに近接して形成しておいても良い。
【００１５】
本発明の請求項４に係わる真空計測装置は、上述の請求項１から３のいずれかに記載の薄膜ピラニー真空センサを有し、少なくとも電源回路、演算回路および制御回路を有するものである。電源回路は、ヒータを駆動したり、他の回路の電源の供給に関わる回路であり、演算回路は、温度センサ２０Aや温度センサ２０Bからの出力を利用し、更にメモリ回路との組み合わせにより真空度を算出することを主にした回路である。また、制御回路は、ヒータの温度制御やヒータのパルス駆動時の通電時間と間隔などの制御を行う回路である。１気圧程度の低真空度においても計測できるので、極めて広帯域の真空計測装置が提供できる。
【００１６】
薄膜１０を二分割した場合には、その薄膜１０Ａまたは薄膜１０Ｂのいずれかを室温よりも高く設定した所定の一定温度になるように制御した方が良いし、基板１や蓋が余り加熱されないように、所定の周期でヒータを短時間加熱するように制御した方が良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の薄膜ピラニー真空センサでは、熱型真空センサとして、真空度を熱的に検出する部分が薄膜なので、真空中の気体と接触する面が大きく、高感度となるばかりでなく、更に、この薄膜に１気圧近い低真空のガスの平均自由行程程度の距離になるように近接したヒートシンクの突起部を形成しているので、１気圧程度でも薄膜１０Ｂに形成した温度センサ２０Bの出力も飽和せずに低真空も高感度に真空度の計測が可能となると言う利点がある。
【００１８】
本発明の薄膜ピラニー真空センサでは、ヒートシンクの少なくとも一部として基板１の蓋を用い、この蓋に突起部を形成してあるので、基板と蓋との接着剤を、加熱された薄膜と突起部との空隙として用いたり、蓋に微細な深さの凹部をエッチングなどで形成できるので、必要な空隙を有する突起部を容易に形成できるという利点がある。
【００１９】
本発明の薄膜ピラニー真空センサでは薄膜は、少なくとも薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに二分割してあり、少なくとも、一方の薄膜１０Ａにはヒータとその温度を計測するための温度センサ２０Aを、他方の薄膜１０Ｂには真空度を計測するための温度センサ２０Bが備えてあるので、薄膜１０Ｂは薄膜１０Ａに対して大きな熱抵抗を有する。従って、薄膜１０Ａから薄膜１０Ｂへの熱伝達は、真空中の気体を通して行われるので、その分、高感度に真空度を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の薄膜ピラニー真空センサは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板で形成できる。このシリコン（Si）基板を用いて製作した場合の図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。また、本発明の薄膜ピラニー真空センサを用いた真空計測装置は、そのブロック図を用いて説明する。  
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の薄膜ピラニー真空センサの一実施例を示す概略断面図である。ここでは、基板１と蓋５の両方ともSOI基板を用いて実施した場合であり、基板１と蓋５とは、水ガラスなどの接着層８０を用いて接合した場合である。また、基板１からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜１０は、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに二分割した場合である。
【００２２】
薄膜１０を薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとの二分割する場合、薄膜１０に形成したスリット４１により薄膜１０Ａと薄膜１０Bとに熱抵抗を持たせて分割する方法と、薄膜１０Ａと薄膜１０Bとは、宙に浮いた薄膜１０ではあるが、一枚ではなく、薄膜１０を切断するスリット４１を介して完全に分離した状態で近接配置してあり、それぞれを基板１からの梁１８を介して支持する分割する方法とがある。薄膜１０Ａに形成されているヒータ２５を熱したときに、薄膜１０Ａから薄膜１０Bへの熱伝導は、前者では、真空中の気体とスリット４１の周囲の梁部を通して行われるのに対して、後者では、ほとんど、真空中の気体を通して熱伝達が行われることになる。
【００２３】
蓋５に形成した突起部３１は、２００ｎｍ程度の空隙１５を介して薄膜１０のうちの真空度に応答する薄膜１０Bに近接配置されているので、１気圧程度の低真空でも真空中の気体が加熱された薄膜１０Bから突起部３１のヒートシンク３０に、真空度に関連した熱伝達で冷やすので、この低真空領域でも出力が飽和せずに真空度を高感度に計測できる。
【００２４】
また、ここでは、薄膜１０Ａと薄膜１０Bに形成してあるそれぞれの温度センサ２０Aと温度センサ２０Bとは、ｐn接合ダイオードをサーミスタのようにして用いており、更にヒータ２５としてもｐn接合ダイオードの順方向電流により加熱するようにしている。これらは同一の工程で形成できるので、好都合である。
【００２５】
図２は、図１に示した本発明の薄膜ピラニー真空センサの概略断面図において、薄膜１０に形成したスリット４１により薄膜１０Ａと薄膜１０Bとに熱抵抗を持たせて分割した場合で、基板１の部分を拡大して図示した一実施例を示す平面概略図である。
【００２６】
基板１の加工の製作工程の概要を説明すると次のようである。基板１のSOI層１１がn 型を用いた場合、温度センサ２０Aと温度センサ２０B及びヒータ２５としてのｐn接合ダイオードは、公知の半導体微細加工技術によりｐ型拡散領域２２を熱拡散により形成し、さらに良好なオーム性接触を得るためにｎ型拡散領域２１を形成する。その後、アルミニウム（Ａl）系の金属のスパッタリング薄膜形成とフォトリソグラフィにより、電極６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの形成、配線１１０と電極パッド７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７１ｃの形成を行う。  更に、スリット４１、４２となるべき箇所をBOX層５５までエッチング除去する。次に、基板１の裏面からDRIEにより空洞４０を形成して、上記スリット４１、４２の貫通も達成させる。このようにして、宙に浮いた薄膜１０がスリット４１を介して二分割されて薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂが形成され、更に、ヒータ２５としてのｐｎ接合ダイオードと温度センサ２０Ａとしてのｐｎ接合ダイオードとが薄膜１０Ａに形成され、温度センサ２０Ｂが薄膜１０Ｂに形成される。これらの薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂからなる薄膜１０は、狭い梁１８で基板１から支持された構造となっている。また、薄膜１０Ｂは、真空度に応答して放熱する領域であるので、薄膜１０Ａからカンチレバのような構造にして、基板１への熱の伝達がし難い構造にしている。
【００２７】
蓋５の製作工程の概略は、次のようである。蓋５のSOI基板として（１００）面を持ち、SOI層１１１の厚み１０マイクロメートル（μｍ）を熱酸化してシリコン酸化膜５２の厚み約２００nｍ程度形成する。このシリコン酸化膜５２のうち、基板１と接合したときに基板１の空洞部に対応する領域をエッチング除去する。ただし、このときに突起部３１となる箇所のシリコン酸化膜５２を直径１００μｍ程度の円形に残しておく。そして、シリコン酸化膜５２がエッチング除去によりなくなっている領域を、シリコンの異方性エッチャントを用いて、シリコン酸化膜５２をマスクとしてSOI層１１１をエッチング除去する。この工程により、先端がほぼ１００μｍの平らな部分を持ち、高さが１０μｍとなるほぼ四角錐のピラミッド形状の突起部３１が形成される。その後、蓋５のSOI基板の下地基板１１２にDRIEによりスリット１４２を形成する。更に、上述のようにして加工した基板１と蓋５を、水ガラスなどを用いた接着層８０により周囲のシリコン酸化膜５１，５２同士を、圧力を加えながら接合する。
【００２８】
基板１に形成した電極パッド７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７１ｃが隠れないように、蓋５の寸法を基板１の幅より小さくしておくと良い。このようにして、突起部３１と真空度に敏感な放熱部となる薄膜１０Ｂとの間の空隙１５が２００nｍ程度となる薄膜ピラニー真空センサが形成される。
【００２９】
薄膜ピラニー真空センサは、この後、電極パッド７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７１ｃからリード線が引き出される。また、ヒートシンク３０として蓋５と基板１を利用しているが、必要に応じて更に、蓋５などに別の大きな銅板などのヒートシンクを追加しても良い。
【００３０】
上述では、接合に接着層８０を用いたが、突起部３１と薄膜１０Ｂとの間の空隙１５が所望の大きさよりも大きくなるときには、突起部３１の先端部にシリコン酸化膜５２を除去せずに残しておくことも良いし、ヒートシンク３０としての熱伝導を改善するために、突起部３１の表面に金属層を堆積するとともに、空隙１５のギャップ調整に利用しても良い。
【実施例２】
【００３１】
図３は、本発明の薄膜ピラニー真空センサを用いた真空計測装置のブロック概略図である。そこには、少なくとも、上述の本発明の薄膜ピラニー真空センサや他の回路に電力を供給するための電源回路、薄膜ピラニー真空センサからの出力を利用して真空度などを求める演算回路、薄膜ピラニー真空センサの駆動のための制御回路を有しており、ここでは、更に、真空度などを表示する表示部も備えた場合を示している。長時間ヒータ２５を加熱しているとシリコンの基板１や蓋５であるヒートシンク３０も加熱されて温度上昇してしまい測定に誤差が生じやすいので、薄膜１０の熱時定数程度の短い時間のヒータ加熱となるように、矩形波パルス電流によるヒータ加熱の駆動にした方が良い。
【００３２】
また、実施例１において、薄膜１０Ｂが所定の二つの温度、例えば、100℃と80℃になるように温度センサ２０Bで、これらの温度を検出して、制御回路を用いてヒータ２５を二重のパルス電流で駆動する。ヒータ温度は、ヒータ２５が搭載されている薄膜１０Ａに一緒に形成されている温度センサ２０Aで計測する。ヒータ加熱のパルス方形波の通電時間は、薄膜１０の熱時定数を越える時間、例えば、１００ミリ秒程度でよく、これらの二重のパルス電流の間隔は、周囲温度が変動しないと近似できる短い時間がよく、例えば、１００ミリ秒程度とすればよい。真空度を計測するのに、加熱された薄膜１０Bから真空中のガスを介してヒートシンク３０への熱放散を利用するので、薄膜１０Bがこれらの所定の二つの温度になるようにヒータ２５の温度制御を行う。  ヒータ加熱時に薄膜１０Bが所定のそれぞれの温度になったときの、それぞれの温度センサ２０Aの出力と温度センサ２０Bの出力の差を利用して、室温に依存しないように真空度を計測することもできる。なお、上述の所定の温度は、室温よりも高く設定しておく必要がある。
【００３３】
本発明の薄膜ピラニー真空センサとこれを用いた真空計測装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の薄膜ピラニー真空センサは、１気圧程度の低真空度においても、その平均自由工程程度の距離にヒートシンクとしての突起部を有しているので、この領域の低真空度でも加熱された薄膜から熱を奪うので高感度となり、更に、高真空度側でもヒートシンクが遠くにもあるように構成されているので、極めて広帯域の真空センサとして利用できる。これを用いた真空計測装置は、半導体ガスなどの微細なガス導入の真空チャンバにおける真空度計測及び制御系に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の薄膜ピラニー真空センサの一実施例を示す概略断面図である。（実施例１）
【図２】図１に示した基板１の部分を拡大して図示した一実施例を示す平面概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の薄膜ピラニー真空センサを用いた真空計測装置のブロック概略図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００３６】
１  基板
５  蓋
１０、１０A、１０B  薄膜
１１、１１１  ＳＯＩ層
１２，１１２  下地基板
１５、１６  空隙
１８  梁
２０A、２０B  温度センサ
２１  ｎ型拡散領域
２２  ｐ型拡散領域
２５  ヒータ
３０  ヒートシンク
３１  突起部
４０  空洞
４１、４２、１４２  スリット
５１、５２，５３，５４  シリコン酸化膜
５５，１５５  BOX層
６０ａ、６０ｂ  電極
６１ａ、６１ｂ  電極
６２ａ、６２ｂ  電極
７０ａ、７０ｂ  電極パッド
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ  電極パッド
８０  接着層
１１０  配線
【図１】
2007147344.tif 000003
【図２】
2007147344.tif 000004
【図３】
2007147344.tif 000005