(57)【要約】【課題】  真空容器内を排気し、その後ガスを導入して一定の流量とガス圧に制御するような場合に、容易に制御出来る圧力・流量コントロールシステムを提供する。【解決手段】圧力と流量の両方をセンシングできるセンサチップと、センサチップからの信号を設定値と比較して設定圧力・流量に制御するためのコントローラと、コントローラからの制御信号により圧力・流量を制御するコンダクタンスバルブとニードルバルブとで圧力・流量自動制御システムを構成した。センサチップは、シリコン基板を用いて製作される。基板から熱分離された薄膜上に、薄膜ヒータと１個以上の温度センサを集積化させる。温度センサを用いて圧力または流量変化による温度差を検出できる。時分割で測定すれば、圧力・流量を１個のセンサチップで測定出来る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力・流量を計測できるセンサと、圧力・流量を制御する手段と、圧力・流量の値を表示する手段を備えた圧力・流量コントロールシステム  
【請求項２】
大気圧から１０-3Ｐａより低い範囲の圧力と流量の計測を同一センサで出来るようにすることを特徴とする請求項１記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項３】
圧力と流量の計測を時分割によって交互にセンシングすることを特徴とする請求項１、２記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項４】
センサとしてｐｎ接合あるいはＭＯＳ型半導体素子を使用した請求項１〜３記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項５】
請求項２記載の同一センサとして、基板から空洞を介して熱分離した薄膜に、少なくとも1個の薄膜温度センサを備えており、該薄膜には加熱手段を設けてガス圧力あるいはガス流量の変化で薄膜温度センサの温度が変化するようにしたことを特徴とする請求項１〜４記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項６】
センサからの信号に対して外部温度の影響を、補正回路または補正データ処理プログラムの内の一種類、またはそのどちらも使用して補正することを特徴とする請求項１〜５記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項７】
圧力・流量を計測・制御するときに、計測・制御操作を外部からできるようにしたことを特徴とする請求項１〜６記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項８】
圧力測定と流量測定の導入口を一つとした請求項１〜７記載の圧力・流量コントロールシステム
【請求項９】
センサを含むデバイスに無線アンテナを内蔵し、圧力・流量コントローラとの間を無線で送受信させて計測・制御操作を外部からできるようにしたことを特徴とする請求項１〜８記載の圧力・流量コントロールシステム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内のベース圧力を測定したり、真空容器内にガスを流して流量と圧力を測定制御するような圧力・流量コントロールシステムの分野に関するもので、スパッタやCVDなどの成膜装置やRIEなどのエッチング装置の圧力・流量の制御に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、成膜やエッチングが目的でガスを流し処理する場合、はじめに真空容器内の残留ガスの影響を受けないように真空容器内を排気ポンプでベース圧力まで排気し、次にガスを導入して圧力と流量を一定の値で制御するが、はじめの真空容器内をベース圧力まで排気するときのガス圧のモニターは、大気圧から約１０-5Ｐａ台までのガス圧力を圧力範囲に応じて２から３個の複数の圧力計で測定していた。これは大気圧からベース圧力までの圧力範囲を精度よく測定できる圧力計がなく、一種類の圧力計では、測定出来なかった。そのために複数の圧力計を使用しなければならず、小型化の障害となっていた。また圧力計の切替時の測定値は、それぞれの圧力計で必ずしも同じ値にはならず、そのため時間と圧力の関係は連続的ではなかった。
【０００３】
一方、真空容器内にガスを流して処理するような場合には、圧力と流量は専用の測定器で測定し、異なる制御回路で制御していた。即ち圧力は、ダイヤフラム式圧力計や電離式圧力計などとコンダクタンスバルブで測定制御し、流量はマスフローメータで測定制御していた。マスフローメータもガスの種類により別々の物を使用していた。このため圧力・流量を別々に測定しなければならず、作業性が悪く、時間も掛かっていた。
また複数の圧力計と流量計を真空容器に取り付けるため、フランジもその数だけ必要であり、部品点数やメンテナンスの箇所などが多くあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする課題は、真空容器内のベース圧力を複数の圧力計で測定する点である。更にガスを流して圧力と流量を測定制御する上で複数の圧力センサと流量センサが必要で、その為にそれぞれのセンサに制御回路や増幅回路などの回路群が必要となり、維持管理も大変であり、作業性も悪く、経済的でないという点である。同様にセンサの数だけ導入フランジが必要であり、場所も取り経済的でなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の問題点を解決するために、本発明の請求項１に関わる圧力・流量コントロールシステムは、圧力・流量センサ部でガス圧と流量を電気信号としてとらえ、その信号を圧力・流量コントローラで圧力と流量の値に変換してこれを測定値として表示する。更に設定値と測定値が異なるかどうか比較して、違っていたら電気信号としてニードルバルブやコンダクタンスバルブなどの駆動回路に送り、バルブを駆動して設定値と同じ値になるように圧力と流量を制御することを可能にしたものである。圧力と流量の両方の測定制御を一個の圧力・流量コントローラで一本化して測定、制御出来るようにした。
【０００６】
また本発明の請求項２に関わる圧力・流量コントロールシステムは、圧力・流量センサを同一のセンサで行なうことを特徴としている。熱型のセンサ、例えば抵抗体に電流を流し、抵抗体を一定の温度にする。圧力変化や流量変化によって、抵抗体からの熱が周りの気体に伝わる度合が変化する。この時の温度変化をセンシングし、これを圧力・流量に換算することで同一センサにより圧力・流量値計測可能とした。
【０００７】
本発明の請求項３に関わる圧力・流量コントロールシステムは、請求項２の同一のセンサで圧力・流量を測定する場合に、それぞれを交互に測定出来る環境にする。つまり圧力を測定するときにはガスが流れているガスラインからセンサまでの配管に設置したバルブを閉めて圧力容器からセンサに続くラインを開ける。逆に流量測定の場合は、圧力容器からセンサまでの配管に設置したバルブを閉じ、ガスラインからセンサまでの配管ラインを開けて測定する。このように時分割によるバルブの開閉で圧力・流量のセンシングが可能となった。
【０００８】
本発明の請求項４に関わる圧力・流量コントロールシステムは、請求項２の同一のセンサで圧力・流量を測定するような場合に温度の変化分の熱量から圧力・流量を換算するような熱型センサの温度の測定方法として、ｐｎ接合あるいはＭＯＳ型半導体素子を使用したサーミスタによりセンシングを可能とした。ｐｎ接合あるいはＭＯＳ型半導体素子は、半導体プロセスを使用してＳｉウェーハ上に作成出来るものであり、微細加工が出来るので量産化にも容易に対応出来るようになった。
【０００９】
本発明の請求項５に関わる圧力・流量コントロールシステムは、請求項２記載の同一のセンサの別の例であり、センサとして基板から空洞を介して熱分離した薄膜に、例えばヒータなどの加熱手段を設けて一定の温度に保ち、ヒータの場所Ａから熱抵抗を有するように薄膜内の離れた場所Ｂに少なくとも1個の温度センサを備えており、ヒータの温度と薄膜の温度の差を利用して周りのガスの状態を計測できるようにした。ヒータの場所Ａと薄膜の場所Ｂの温度を測定するものとして、ｐｎ接合あるいはＭＯＳ型半導体素子を使用した温度センサの場合である。これらの温度センサは、シリコンウェーハ上に作る事が出来、集積化も可能となった。
【００１０】
本発明の請求項６に関わる圧力・流量コントロールシステムは、センサ部分に熱型の温度センサを使用する場合、室温の高低の変化がセンサに影響を与えるので、この変化の影響を補正して温度測定できるようにしたものである。
【００１１】
本発明の請求項７に関わる圧力・流量コントロールシステムは、計測するための指令、圧力・流量の制御操作、表示するための指令などをセンサから離れ外部の圧力・流量コントローラから出来るようにしたものである。
【００１２】
本発明の請求項８に関わる圧力・流量コントロールシステムは、真空容器に付加されている一個のフランジから真空測定と流量ガス導入を行なえるようにしたものである。時分割により、一個のフランジを通して圧力測定と流量測定・導入をバルブを交互に開閉することにより出来るようにした。
【００１３】
本発明の請求項９に関わる圧力・流量コントロールシステムは、センサを含むデバイスにアンテナを付加し、計測するための指令、圧力・流量の制御操作、表示するための指令などをセンサから離れた圧力・流量コントローラから送受信出来るようにした。
【発明の効果】
【００１４】
真空容器内のベース圧力を１個の圧力計で測定出来るようになり、同時にガスを流して圧力と流量を測定制御することも出来るようになる。そのために制御回路や増幅回路などの回路群が併用できるのでコンパクトになり、経済的にも有利である。また作業上も一箇所で制御出来、作業性が良くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の圧力・流量コントロールシステムの実施例について、図面を参照にして詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の圧力・流量コントロールシステムの一実施例で、このシステムを示すシステム構成図である。真空容器１とこれを排気している排気ポンプ４、真空容器の圧力とガスを流す場合の流量を測定する圧力・流量センサ部３、圧力と流量を制御する圧力・流量コントローラ２、及びバルブ類で構成されている。圧力・流量センサ部３には圧力と流量両方を測定出来る一個のセンサチップをセンサエリア１０に配した(図５)。圧力・流量センサ部３にはバルブ１５、フランジ６を通して真空容器内に繋がっている。バルブ１５を開ける事によって真空容器内の圧力を測定出来るようにした。一方真空容器へのガス導入はバルブ５とニードルバルブ５５を開ける事で達成できる。ニードルバルブ５５からの配管７は、バルブ１５からの配管７と合流してフランジ６から真空容器内に繋がっている。流量の測定は、バルブ５、５５間にバイパス配管を設けており、このバイパス配管には圧力・流量センサ部３が繋がっているので前後についているバルブ３５とバルブ２５を開ける事によって圧力・流量センサ部にガスが流れ込み、流量を測定出来るようにした。バイパスを設けたのは、真空容器に流す流量はさまざまであり、大流量であるとセンシング出来ない場合があるからである。センシングされた圧力と流量に見合った電流値を電圧に変換し、圧力・流量コントローラ２の中の制御プログラム及び回路などの制御部２７、駆動回路２８を通して圧力値、流量値に変換されて表示され、また設定値と比較されてコンダクタンスバルブ４５やニードルバルブ５５で調整されて所定の圧力・流量にコントロールされる。
【００１７】
図５に圧力・流量センサ部３に搭載するセンサチップの平面図とＸ−Ｘ‘での断面図を示した。これは、請求項５のセンサを表したものであり、このセンサチップは、密閉されたステンレス製の圧力・流量センサ容器に固定されており、センサチップ自体はシリコンのＳＯＩ基板である基板１２を用いたものである。基板には空洞１３が形成されており、空洞の上部に溝３０を設け、残された梁１７と梁に支えられている薄膜１６が宙に浮いた構造であり、基板からは熱分離された状態である。この薄膜は単結晶シリコン薄膜ｐ型層の場合であり、ここにｎ型の不純物拡散によって薄膜中央に形成したｎ型拡散層をヒータ８とした。ヒータから基板１２端の電極パッド１１ｈまで配線で繋ぎ、電極パッドから外部の回路に取り出してある。１８薄膜の両端とヒータの中央にはヒータと同時に形成されたｎ型層が存在し、ｐｎ接合ダイオード９ａ、９b1、９b2が形成され、その場所の温度を測定する温度センサとして用いている。これらのｐｎ接合ダイオードと基板１２端に設置した電極パッド１１ａ、１１ｂは、配線で繋がれており、これらの電極パッドから外部の回路に取り出してある。ヒータから離して配したｐｎ接合ダイオード９b1、９b2は、ヒータからの温度と熱勾配をつけるためにスリット１４が入れてある。このセンサチップの中央のヒータを一定の温度にし、両側のｐｎ接合ダイオードの温度が圧力と流量により変化することから、圧力・流量を測定できる。今までのものは感度が低く、そのために圧力測定を複数の圧力計で測定していた。しかしこのような薄膜上でｐｎ接合ダイオードによる温度測定は、薄膜であるがゆえに感度が高く、応答性が速い。加えて熱を媒介としているために圧力・流量両方とも測定可能である。そのために圧力測定可能範囲が大気圧から１０−５Ｐａ以下であるベース圧力測定と、ガス流量時の流量と圧力を両方同時に一つのセンサで測定することが可能になった。
【００１８】
上述は、ｐｎ接合ダイオードを用いた場合であるがバイポーラトランジスタのエミッタ〜ベース間のｐｎ接合を用いるトランジスタサーミスタを用いても良いし、熱電対やサーモパイルなどを用いても良い。
【００１９】
図３に本発明の圧力・流量コントロールシステムの構成図を示す。システム構成としては、圧力・流量センサ部３と圧力・流量コントローラ２、表示部３３、メカニカル部３４で構成されている。更に圧力・流量コントローラ２は制御プログラム及び回路などの制御部２７と駆動部２８で構成されている。圧力・流量センサ部３で圧力や流量による温度の変化をｐｎ接合ダイオードの電流値でセンシングしたのち、これを電圧値に変換して取得する。電圧値としての信号を制御部に取り込む。複数の信号をマルチプレクサにより切替えて信号を取り出し、それを増幅してＡ/Ｄ変換したのち、補正回路と制御回路、ヒータコントロール回路に送られる。マルチプレクサを使用しないでセンサの信号をそれぞれにアンプやＡ/Ｄ変換回路、Ｄ/Ａ変換回路、駆動回路を設けてもかまわない。また制御プログラム及び回路などの制御部２７は、マイコンを使用することも出来る。
【００２０】
補正回路を通った信号は補正されて圧力値、流量値として表示部３３のディスプレイに表示される。一方制御回路を通った信号は、圧力・流量の設定値になるように制御信号を駆動回路を経てコンダクタンスバルブやニードルバルブなどのバルブ類を駆動する。駆動には、モーターやエアーを使用する。ヒータコントロール回路に送られた信号は、ヒータ温度が設定した温度になるように、ヒータコントロールを介してフィードバックされ、Ｄ/Ａ変換後、ヒータ駆動回路を通してヒータ温度を制御する。
【００２１】
図４は、圧力・流量コントロールシステムの時分割例を示す模式グラフである。複数の圧力センサと流量センサの信号を共通の回路で制御するために時分割で信号を操作している。圧力測定中には、流量測定用のバルブ２５、３５を閉じ、バルブ１５を開けて圧力用のヒータ温度にして信号を取出し、設定値と比較し圧力調整用のコンダクタンスバルブを開閉して圧力調整する。次に流量測定する。まず、圧力測定用のバルブ１５を閉め、流量測定用のバルブ２５,３５を開けて信号を取出す。これを設定値と比較してニードルバルブ５５の開閉で調整する。図４に圧力・流量測定を０．５秒という一定の間隔で切替えて測定したときのベース圧力の測定値と流量の測定値を時間を横軸に表している。時分割の時間は、主に０．０１〜１００秒で変えることが出来る。
【実施例２】
【００２２】
図２、図６に別の圧力・流量コントロールシステムの構成とそのとき使用するセンサチップの平面図を示す。圧力・流量センサ部に圧力センサと流量センサを２つを分けて構成したことを特徴としている。圧力センサは、消費電力の低減や応答性の高速化、センサチップの小型化のためには薄膜の面積を小さく薄くしたほうが良い。しかし、小さく薄くすると、機械的振動や大流量による圧力でセンサ本体に強い力がかかり壊れやすくなる。薄膜や梁が破壊されないような強度が必要である。このような相反する要求に対しては、圧力のセンサと流量のセンサのデザインを変えたほうが良く、２個のチップが必要である。図６はこの要求を満たすために同じ基板に、圧力と流量センサチップを形成した例を示す。センサチップはシリコンのＳＯＩ基板であるシリコン基板１２を用いた。基板には空洞１３が形成されており、空洞の上部に溝３０を二つ設けた。残された２個の薄膜１６と薄膜を支えている４個ずつの計８個の梁１７が有り、宙に浮いたダイヤフラム構造を構成している。２個の薄膜１６は二つの基板からは熱分離された状態である。２個の薄膜はそれぞれ流量を測定するためのセンサエリア１０ａと圧力を測定するためのセンサエリア１０ｂである。流量を測定するためのセンサエリア１０ａ内の２配線を通す４個の梁の幅は、薄膜の外周の４／１００以下とし、圧力を測定するためのセンサエリア１０ｂの２配線を通す４個の梁の幅は、強度より感度を優先して外周の２／１００以下と細くした。
【００２３】
この２個の薄膜は単結晶シリコン薄膜ｐ型層の場合であり、薄膜中央にｎ型の不純物拡散によってｎ型拡散層を形成しヒータ８とした。センサエリア１０a、１０bに２個づつ計４個の薄膜ヒータ(８a1,８b1,８a2,８b2)がある。ヒータの中央にはヒータと同時に形成されたｎ型層が存在し、流量センサとしてのセンサエリア１０aにはｐｎ接合ダイオード9ａ1、9ｂ1が形成され、圧力センサとしてのセンサエリア１０ｂには9ａ２、9ｂ2が形成され、その場所の温度を測定する温度センサとして用いている。ｐｎ接合ダイオード9ａ1と9ｂ1の間には、ヒータからの温度と熱勾配をつけるためにスリット１４が入れてある。同様にｐｎ接合ダイオード9ａ2と9ｂ2の間にもスリットが入れてある。
【００２４】
流量測定のセンサエリア１０ａは、二組のヒータとｐｎ接合ダイオードを設置し、二つのヒータの温度は、１００〜１５０℃一定の温度にし、ヒータの中の二つのｐｎ接合ダイオードはヒータの場所を一定の温度に保つための温度センサとして使用する。ガス２９がこのセンサエリア１０aに流れるとそれに伴い温度が低くなる。このため、一定の温度に保とうとしてヒータに電流が増加する。ガス流れの上流側は下流よりも多くの電力を消費し、温度分布がガスを流すことによって変化する。各ヒータで消費した電力を流量に変換して数値化した。
【００２５】
一方圧力測定にはセンサエリア１０ｂを使用する。センサエリアの一方のヒータ８a2に電流を流し一定の温度にする。ヒータ温度は、ヒータ中央の温度センサ９a2でモニターして一定の温度にする。他方のヒータ８b2は、通電せずにＯＦＦにし、ヒータ８a2から伝わった熱をヒータ中央の温度センサでモニターする。ヒータ８a2からの熱は、薄膜の熱伝導でｐｎ接合ダイオード９b2に伝わるが、この熱は雰囲気ガスとの熱伝導やまわりへの熱輻射で熱が放出されるために温度が変化する。温度の変化は、雰囲気ガスに依存する。圧力測定時には、流量の影響を受けないように、流量測定場所から離すか、時分割で圧力測定時のみ流量を止める必要がある。伝達は、二つのセンサエリア10ａ、10ｂのうち、流量測定するためのセンサエリアである10ａにのみガス２９の流れを誘導させている。ヒータ８a1は、予備としている。もちろん両方のヒータ８a1、８a2に電流を流し熱分布の変化から消費した電力をガス圧力値に変換して出すことも出来る。
【００２６】
ここでは、流量が一種類のガスと想定して流量センサのセンサチップを１個としているが何種類かのガスを真空容器に同時に入れる場合、複数のセンサチップが必要であり、同じ基板に半導体微細加工技術によって多数のセンサチップを作成することも出来る。基板も、シリコンＳＯＩ基板だけでなく、シリコン基板を加工して用いることも可能である。
【実施例３】
【００２７】
図７に圧力・流量コントロールシステムに用いる圧力・流量センサチップの別の実施例を示す。同図(ａ)は、センサチップの平面図、同図(ｂ)は、Ｘ−Ｘ‘における断面図である。シリコンのＳＯＩ基板である基板１２に空洞１３が形成されており、空洞の上部に溝３０を設け、残された梁１７支えられている薄膜１６が宙に浮いた構造で、基板からは熱分離されている。この薄膜は単結晶シリコン薄膜ｐ型層であり、ここにｎ型の不純物拡散によって薄膜中央に形成したｎ型拡散層をヒータ８とした。薄膜の端とヒータの中央にはヒータと同時に形成されたｎ型層が存在し、ｐｎ接合ダイオード9ａ、9ｂが形成され、その場所の温度を測定する温度センサとして用いている。これらは、薄膜外の基板に設置した電極パッド１１ａ、１１ｂと接続されており、この電極パッドから信号を取出している。ヒータから離して配したｐｎ接合ダイオード9ｂは、ヒータからの温度と熱勾配をつけるためにスリット１４が入れてある。更にシリコン基板にガラスの蓋１９がついている。蓋１９に導入管３２が開けてあり、ガスの流れる方向２９は流体入口２０から入れる方向であり、その後流体出口２１から出し、ｐｎ接合ダイオード９ｂに集中的に当たるように導入管の出口付近では基板の面に対して導入管の角度を４５度に形成されている。もちろんｐｎ接合ダイオード９ｂにガスが当たる角度を最良の角度で当てることが出来るように調整することが望ましい。また外部の温度の影響を受けた場合に補正するために薄膜の外側の基板にｐｎ接合ダイオード９ｃを設置した。この温度をモニターしこの信号を補正回路に導入して、外気温の影響を無くした。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
真空容器内に流入するガス流量と容器内ガス圧力を１個のセンサユニットで計測・制御することが出来る。さらに無線を使用しての遠隔制御操作が出来るので、込み入った場所や危険な場所など長く留まっていられない場所での使用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の圧力・流量コントロールシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の圧力・流量コントロールシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図３】本発明の圧力・流量コントロールシステムのブロックダイヤグラムである。
【図４】本発明の圧力・流量コントロールシステムの時分割例を示すグラフである。
【図５】本発明のセンサ部であるセンサチップの平面図(ａ)とＸ−Ｘ‘での断面図(ｂ)である。
【図６】本発明のセンサ部であるセンサチップの平面図である。
【図７】本発明のセンサ部である流量センサのセンサチップの平面図(ａ)、蓋(ｂ)及びＸ−Ｘ‘での断面図(ｃ)である。
【符号の説明】
【００３０】
１  真空容器
２  圧力・流量コントローラ
３  圧力・流量センサ部
４  排気ポンプ
５、１５、２５、３５  バルブ
６  フランジ
７  配管
８、８ａ1、８ａ2、８ｂ1、８ｂ2  ヒータ
９、９ａ、９ａ1、９ａ2、９ｂ、９ｂ1、９ｂ2、９ｃ  ｐｎ接合ダイオード
１０、１０ａ、１０ｂ  センサエリア
１１ａ、１１ｂ、１１ｈ  電極パッド
１２  基板
１３  空洞
１４  スリット
１６  薄膜
１７  梁
１８  配線
１９  蓋
２０  流体入口
２１  流体出口
２２  ＣＰＵ
２３  センサモジュール
２６  マイコン
２７  制御部
２８  駆動回路
２９  ガスの流れる方向
３０  溝
３１  圧力・流量センサ容器
３２  管
３３  表示部
３４  メカニカル部
４５  コンダクタンスバルブ
５５  ニードルバルブ
【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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