特開 2024-29841 圧力センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024029841

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】圧力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 19/06 20060101AFI20240229BHJP

   G01L 7/08 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

G01L19/06 A

G01L7/08

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022132249

(22)【出願日】2022-08-23

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-01-30

(71)【出願人】

【識別番号】522335273

【氏名又は名称】合同会社エルエーサイエンス・ラボ

(71)【出願人】

【識別番号】522335284

【氏名又は名称】株式会社ジェム－テック

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100173565

【弁理士】

【氏名又は名称】末松 亮太

(74)【代理人】

【識別番号】100195408

【弁理士】

【氏名又は名称】武藤 陽子

(72)【発明者】

【氏名】相澤 満芳

(72)【発明者】

【氏名】増田 久則

(72)【発明者】

【氏名】川村 喜則

(72)【発明者】

【氏名】李 度 昊

【テーマコード（参考）】

2F055

【Ｆターム（参考）】

2F055CC02

2F055DD01

2F055FF04

2F055GG25

(57)【要約】

【課題】より高温の圧力媒体の圧力測定を精度よく行うことができる圧力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体製造装置に用いられる圧力センサ１であって、中空な筒状のハウジング２と、ハウジング２の一端側に設けられた第１基台３と、ハウジング２の他端側に設けられた第２基台４と、第１基台３に支持され、圧力Ｐを受けると弾性変形するダイヤフラム５ａと、第２基台４に支持され、ダイヤフラム５ａの弾性変形による応力を検出して電気信号に変換するセンサ部６と、第１基台３および第２基台４を貫通し、ダイヤフラム５ａとセンサ部６との間に設けられたロッドピン７と、第２基台４の外面とハウジング２の内周面との間に設けられた第１摺動部材１０とを備え、ロッドピン７は、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０－６／℃以下の金属材料により形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体製造装置に用いられる圧力センサであって、
中空な筒状のハウジングと、
前記ハウジングの一端側に設けられた第１基台と、
前記ハウジングの他端側に設けられた第２基台と、
前記第１基台に支持され、圧力を受けると弾性変形するダイヤフラムと、
前記第２基台に支持され、前記ダイヤフラムの弾性変形による応力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、
前記第１基台および前記第２基台を貫通し、前記ダイヤフラムと前記圧力検出素子との間に設けられた圧力伝達部材と、
前記第２基台の外面と前記ハウジングの内周面との間に設けられた第１摺動部材と
を備え、
前記圧力伝達部材は、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０－６／℃以下の金属材料により形成されている
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記第１基台および前記第２基台の各々には、前記ハウジングの長手方向の中心軸に沿った貫通孔が形成され、
前記圧力伝達部材は、前記貫通孔に挿通され、前記中心軸に沿って設けられる
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項3】

請求項２に記載の圧力センサにおいて、
さらに、前記第１基台と前記第２基台との間に設けられた、複数の支柱を備え、
前記複数の支柱は、前記圧力伝達部材の周囲を囲うように、前記中心軸から離間した位置に前記中心軸と平行に設けられている
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力伝達部材の一端は、前記ダイヤフラムに溶接され、
前記圧力伝達部材の他端は、前記圧力検出素子の検出面に溶接されている
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力伝達部材は、スーパーインバー材により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項6】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記第１摺動部材は、熱伝導率が樹脂材料のなかで比較的低い、フッ素樹脂を含む材料により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項7】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力伝達部材は、長手方向に分割可能に構成され、かつ、分割部分は、前記圧力伝達部材の長手方向の長さが調節可能に構成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項8】

請求項３に記載の圧力センサにおいて、
前記複数の支柱は、スーパーインバー材により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項9】

請求項３に記載の圧力センサにおいて、
さらに、前記第１基台と前記第２基台との間に設けられ、前記複数の支柱および前記圧力伝達部材を支持する支持板と、
前記支持板と前記ハウジングの内周面との間に配置された第２摺動部材と
を備え、
前記第２摺動部材は、熱伝導率が樹脂材料のなかで比較的低い、フッ素樹脂を含む材料により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力センサに係り、特に、半導体製造装置に用いられ、高温の圧力媒体の圧力を測定する圧力センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、半導体製造装置、自動車、医療機器等の様々な分野において、液体や気体の圧力を測定するために圧力センサが用いられている。測定する媒体が非常に高温となる場合、圧力センサが高温に耐え得る構造を備えることが重要となる。

【0003】

例えば、半導体製造プロセスで用いられる多種の特殊ガスなどの高温圧力媒体の圧力を測定するための圧力センサが知られている。特に、半導体製造プロセスにおける重要な工程の中に、拡散炉でシリコンウエハーの表面にＳｉＯ_２等の絶縁膜を形成したり、ＣＶＤ（化学気相成長）と呼ばれるシリコン基板上に薄膜を形成する蒸着法を用いた工程がある。また、これらの工程では、熱酸化装置やＣＶＤ装置における反応容器に薄膜成分を含む原料ガスを供給し、基板表面に化学反応により膜を堆積させる工程がある。

【0004】

近年、これら時間のかかる膜付け工程の経過時間を短縮するために、容器内の温度および供給するガスの温度を高温化し、ガスの化学反応速度を上げる方法が用いられている。このような半導体製造プロセスに用いられる半導体製造装置では、工程制御に用いる圧力センサの耐熱化、特に、２５０℃以上の耐熱性を有する圧力センサの開発が要求されている。

【0005】

しかし、従来の圧力センサは、圧力媒体の温度が１８０℃以上となると、使用が困難となる場合がある。例えば、ＣｒＮｉの材料を用いた金属歪ゲージを備える圧力センサでは、圧力媒体の温度は１５０℃までに制限される。また、一般的なＳｉ半導体の歪ゲージは、１００℃以上になると温度ドリフトが大きく不安定になり使用することが困難である。また、ＳｉＣを用いた歪ゲージも開発されているが、内部に用いられる配線は１８０℃～２５０℃で被覆が炭化してしまい使用することができなくなる。さらに、圧力センサが付帯する電子回路は、高温部に暴露されると破損するため、圧力センサにおいて圧力が印加される受圧部から隔離しなければならない。

【0006】

そこで、圧力センサの圧力検出素子を高温となる受圧部から隔離し、圧力検出素子の温度を、例えば、１００℃以下まで下げるセンサ構造が提案されている。例えば、非特許文献１は、高温環境下にある受圧部から隔離された圧力検出素子に変位を伝達するのに、受圧部と圧力検出素子との間にシリコンオイルを充填したコイル状の細管を備える圧力センサを開示している。非特許文献１に記載の圧力センサでは、受圧部と圧力検出素子との間に設けられた空間により、細管に充填されたシリコンオイルが受けた受圧部からの熱を空冷し、圧力検出素子側への熱の影響を少なくすることで、高温環境下での圧力の測定を行っている。

【0007】

しかし、非特許文献１に記載されている圧力センサは、シリコンオイルを圧力伝達媒体として用いた構造であり、シリコンオイルの耐熱温度が２５０℃であることによる圧力センサの耐熱性は制約される。特に、２５０℃以上の加熱温度では、シリコンオイルが沸騰し蒸気圧が発生するため、測定誤差が生ずる。

【0008】

また、非特許文献１に記載されている圧力センサでは、圧力センサの金属容器および金属の細管は加熱温度の上昇に比例して拡張し、細管の端面にある圧力検出素子の隔膜を押し付けることになる。すなわち、圧力伝達応力と温度上昇とによる細管の拡張応力と、耐熱シリコンオイルの圧力変位応力とが合成された応力となって圧力検出素子のダイヤフラムを押し上げるので、高温での測定誤差はより大きくなる。

【0009】

さらに、非特許文献１に記載されている圧力センサでは、受圧部と圧力検出素子との距離を、空冷のために比較的長く取る必要があり、また、コイル状の細管を用いることにより、受圧部と圧力検出素子との距離がさらに長くなる。そのため、受圧部から圧力検出素子への圧力伝達速度が遅くなる。

【0010】

圧力センサの圧力検出素子を高温となる受圧部から隔離し、圧力検出素子の温度を下げる従来のセンサ構造の別の例として、特許文献１は、受圧部と圧力検出素子との間にロッドピンを設け、受圧部の圧力をロッドピンが圧力検出素子へ伝達する構造を有する圧力センサを開示している。

【0011】

しかし、特許文献１に記載の圧力センサでは、圧力センサの金属容器は、例えば、３００℃の加熱温度に耐え得るが、金属容器に用いられるステンレス等の金属は、熱膨張が比較的大きい。また、ロッドピンについても、ステンレスなどの金属が用いられるため、熱膨張率が比較的大きい。圧力センサの金属容器およびロッドピンは、ともに加熱温度の上昇に伴い熱膨張して圧力検出素子の中心部に応力として押し付けることになる。そのため、圧力の応力と熱膨張応力とで合成された応力が圧力検出素子の検出面に伝達され、測定圧力の誤差が生ずる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開平４－２９０９３７号公報

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】ケラー社，“シリーズ３５ＸＨＴＣ データシート”，［ｏｎｌｉｎｅ］，令和２年９月１５日，［令和４年６月２７日検索］，インターネット ＜ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｋｅｌｌｅｒ－ｄｒｕｃｋ．ｃｏｍ／ａｐｉ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｈＨ７ｑＫｙＹＨＨ２ｇＤｈＵ７ＣＰｑｅＣｇＸ／ｅｎ／２０２０－０９．ｐｄｆ＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

従来の技術によれば、より高温の圧力媒体の圧力測定を精度よく行うことは困難であった。

【0015】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、より高温の圧力媒体の圧力測定を精度よく行うことができる圧力センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上述した課題を解決するために、本発明に係る圧力センサは、半導体製造装置に用いられる圧力センサであって、中空な筒状のハウジングと、前記ハウジングの一端側に設けられた第１基台と、前記ハウジングの他端側に設けられた第２基台と、前記第１基台に支持され、圧力を受けると弾性変形するダイヤフラムと、前記第２基台に支持され、前記ダイヤフラムの弾性変形による応力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、前記第１基台および前記第２基台を貫通し、前記ダイヤフラムと前記圧力検出素子との間に設けられた圧力伝達部材と、前記第２基台の外面と前記ハウジングの内周面との間に設けられた第１摺動部材とを備え、前記圧力伝達部材は、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０^－６／℃以下の金属材料により形成されていることを特徴とする。

【0017】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、前記第１基台および前記第２基台の各々には、前記ハウジングの長手方向の中心軸に沿った貫通孔が形成され、前記圧力伝達部材は、前記貫通孔に挿通され、前記中心軸に沿って設けられてもよい。

【0018】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、さらに、前記第１基台と前記第２基台との間に設けられた、複数の支柱を備え、前記複数の支柱は、前記圧力伝達部材の周囲を囲うように、前記中心軸から離間した位置に前記中心軸と平行に設けられていてもよい。

【0019】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力伝達部材の一端は、前記ダイヤフラムに溶接され、前記圧力伝達部材の他端は、前記圧力検出素子の検出面に溶接されていいてもよい。

【0020】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力伝達部材は、スーパーインバー材により形成されていてもよい。

【0021】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、前記第１摺動部材は、熱伝導率が樹脂材料のなかで比較的低い、フッ素樹脂を含む材料により形成されていてもよい。

【0022】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力伝達部材は、長手方向に分割可能に構成され、かつ、分割部分は、前記圧力伝達部材の長手方向の長さが調節可能に構成されていてもよい。

【0023】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、前記複数の支柱は、スーパーインバー材により形成されていてもよい。

【0024】

また、本発明に係る圧力センサにおいて、さらに、前記第１基台と前記第２基台との間に設けられ、前記複数の支柱および前記圧力伝達部材を支持する支持板と、前記支持板と前記ハウジングの内周面との間に配置された第２摺動部材とを備え、前記第２摺動部材は、熱伝導率が樹脂材料のなかで比較的低い、フッ素樹脂を含む材料により形成されていてもよい。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、第１基台および第２基台を貫通し、ダイヤフラムと圧力検出素子との間に設けられた圧力伝達部材と、第２基台の外面とハウジングの内周面との間に設けられた第１摺動部材とを備え、圧力伝達部材は、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０^－６／℃以下の金属材料により形成されている。そのため、より高温の圧力媒体の圧力測定を精度よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの要部を示す図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視概略平面図である。

【図2】図２は、本実施の形態に係る圧力センサの本体部の分解斜視図である。

【図3】図３は、本実施の形態に係る圧力センサのハウジングの構造例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ矢視概略平面図である。

【図4】図４は、本実施の形態に係る圧力センサのロッドピンの材料を説明するための図である。

【図5A】図５Ａは、本実施の形態に係る圧力センサのロッドピンの材料を説明するための図である。

【図5B】図５Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサのロッドピンの材料を説明するための図である。

【図5C】図５Ｃは、本実施の形態に係る圧力センサのロッドピンの材料を説明するための図である。

【図6】図６は、本実施の形態に係る圧力センサにおける熱膨張の影響を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図６を参照して詳細に説明する。
［実施の形態］
まず、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の概要について説明する。図１の（ａ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の要部の概略断面図であり、図１の（ｂ）は、圧力センサ１のＡ矢視概略平面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の本体部の分解斜視図である。圧力センサ１は半導体製造装置に設けられ、例えば、２５０℃以上となる圧力媒体、例えば、ガスなどの圧力Ｐを測定する。

【0028】

図１の（ａ）に示すように、圧力センサ１は、主に、ハウジング２、受圧部５、およびセンサ部（圧力検出素子）６を備え、中空な筒状のハウジング２の内部には、第１基台３、第２基台４、ロッドピン（圧力伝達部材）７、支柱８ａ、８ｂ、８ｃ、および支持板９が収容されている。受圧部５に印加される圧力Ｐは、ロッドピン７によってセンサ部６に伝達される。

【0029】

なお、以下において、ハウジング２を除いた圧力センサ１の構造、つまり、第１基台３、第２基台４、受圧部５、センサ部６、ロッドピン７、支柱８ａ、８ｂ、８ｃ、支持板９、第１摺動部材１０、および第２摺動部材１１を含む構造を、圧力センサ１の本体部と呼ぶ。また、本実施の形態に係る圧力センサ１は、本体部の各構造およびハウジング２が、順次、溶接や接着などにより接続され一体化されたものである。

【0030】

ハウジング２は、軸Ｏ方向に貫通する円形断面の中空部を有する筒状に形成されている。ハウジング２の両端には開口が形成され、一端側には、外部から印加される圧力Ｐを受ける受圧部５が設けられている。ハウジング２の他端側には、受圧部５におけるダイヤフラム５ａの弾性変形による応力を検出して電気信号に変換するセンサ部６が設けられている。ハウジング２の長手方向の長さは、測定する圧力Ｐの温度に応じて設定される。なお、以下においてハウジング２の長手方向の軸Ｏを圧力センサ１の軸Ｏと称することがある。

【0031】

ハウジング２は、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料により形成されている。ハウジング２の外周面は、例えば、受圧部５からの熱を放熱するために、複数のフィンを形成して伝熱面積を広げた構造とすることができる。図３の（ａ）は、フィン構造が形成された外周面を有するハウジング２の正面図を示し、図３の（ｂ）は、フィン構造が形成された外周面を有するハウジング２のＡ矢視平面図を示す。ハウジング２をこのような構造とすることで、高温に曝される受圧部５からの熱を効率よく放熱し、かつ、本体部が収容されているハウジング２内部の温度の変動を抑えることができる。

【0032】

例えば、３００℃の高温となる圧力Ｐを測定する場合、ハウジング２の長手方向の長さを、１４５［ｍｍ］とし、径方向の長さを、５０［ｍｍ］とすることができる。なお、ハウジング２の長手方向の長さ、つまり、圧力センサ１の本体部における受圧部５とセンサ部６との離間距離は、測定する圧力Ｐの温度に応じて設定される。例えば、測定する圧力Ｐの温度が３００℃よりも低い場合には、ハウジング２の長手方向の長さをより短くすることができる。

【0033】

第１基台３は、ハウジング２の一端側、すなわち受圧部５側に設けられている。第１基台３は、ハウジング２の内径に略一致する直径を有した円形断面の略円柱に形成されている。第１基台３は、一方の底面３ａ側において、受圧部５を支持している。また、第１基台３の他方の底面３ｂは、ハウジング２の中空側に面している。

【0034】

第１基台３には、底面３ａから他方の底面３ｂに向けて、軸Ｏに沿った貫通孔３ｃが形成されている。貫通孔３ｃの直径は、後述するロッドピン７の径よりもわずかに大きい。なお、底面３ａの外縁部分には、軸Ｏ方向に沿って突出構造が形成されている。底面３ａの突出構造によって、軸Ｏ周辺の領域に第１基台３の内部側に向けた凹みが形成されている。この凹み構造により、圧力Ｐによる受圧部５のダイヤフラム５ａのたわみを許容する空間が形成される。

【0035】

また、底面３ａにおける軸Ｏ周辺のさらに狭い領域を囲うように、外縁部分の突出構造よりも低い突起が形成され、受圧部５のダイヤフラム５ａが受けることができる最大たわみを規定するストッパーとして機能する。また、第１基台３の底面３ｂ側には、後述する支柱８ａ、８ｂ、８ｃの一方の端部が固定的に支持される。第１基台３は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等の金属材料により形成されている。第１基台３とハウジング２および受圧部５とは、それぞれ溶接などにより固定的に接合される。

【0036】

第２基台４は、ハウジング２の他端側、すなわちセンサ部６側に設けられている。第２基台４は、ハウジング２の内径よりもわずかに小さい直径の円形断面を有する略円柱に形成されている。第２基台４は、一方の底面４ａ側において、センサ部６を支持している。また、第２基台４の他方の底面４ｂは、ハウジング２の中空側に面している。

【0037】

第２基台４には、底面４ａから他方の底面４ｂに向けて、軸Ｏに沿った貫通孔４ｃが形成されている。貫通孔４ｃの直径は、後述するロッドピン７の径よりもわずかに大きく、第１基台３に形成されている貫通孔３ｃの直径と同等の大きさとすることができる。

【0038】

また、第２基台４の底面４ｂ側には、後述する支柱８ａ、８ｂ、８ｃの他方の端部が支持される３つの非貫通孔４ｄが形成されている。この非貫通孔４ｄの直径は、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの径よりもわずかに大きい直径とすることができる。また、非貫通孔４ｄの軸Ｏ方向の深さは、図１の（ａ）に示すように、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの他方の端部と非貫通孔４ｄとの間に遊びとなるスペースが形成されるよう、十分な深さとされる。なお、非貫通孔４ｄの遊びスペースの詳細は後述する。

【0039】

第２基台４は、ステンレス等の金属材料により形成されている。第２基台４とセンサ部６とは、溶接などにより固定的に接合されるが、第２基台４とハウジング２とは、後述の第１摺動部材１０を介して、第２基台４がハウジング２に対して軸Ｏ方向に摺動可能となるように設けられる。

【0040】

受圧部５は、圧力Ｐを受けると弾性変形する受圧用のダイヤフラム５ａを備える。ダイヤフラム５ａは、一面が外部に露出した受圧面となっている。この受圧面が、被測定圧力としての外部からの圧力Ｐを受けてたわみ変形し、ダイヤフラム５ａの他面の中央の領域に固定的に接合している後述のロッドピン７の端面７ａに軸Ｏ方向の力を印加する。

【0041】

受圧部５は、例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレスにより形成される。また、ダイヤフラム５ａは、図１の（ｂ）に示すように、円盤状のステンレスの薄膜により形成され、中心点が、圧力センサ１の軸Ｏと一致する。

【0042】

センサ部６は、ダイヤフラム６ａおよび信号処理部６ｂがケース部材６ｃに収容された構造を有する。センサ部６は、例えば、歪抵抗方式、静電容量方式、圧電素子方式などによるセンサ構造とすることができる。例えば、歪抵抗方式においては、ダイヤフラム６ａは、ステンレスなどの金属薄膜、セラミック薄膜、またはシリコン（Ｓｉ）の薄膜に歪抵抗ブリッジ回路を形成することができる。

【0043】

ダイヤフラム６ａの中心点は圧力センサ１の軸Ｏと一致する。ダイヤフラム６ａの一面は、ロッドピン７により伝達された圧力Ｐによる応力を検出する検出面となっており、後述のロッドピン７の他方の端面７ｂが固定的に接合されている。例えば、ロッドピン７の他方の端面７ｂは、ダイヤフラム６ａの中心点の領域にエポキシ樹脂系などの接着剤で固着することができる。ロッドピン７が接合されている面とは反対側の、ダイヤフラム６ａの他面には、図示されないゲージ抵抗が配置され、ロッドピン７により伝達される圧力Ｐの応力によって変化するゲージ抵抗の抵抗値が検出される。

【0044】

ダイヤフラム６ａと信号処理部６ｂとの間には、押さえリング６ｅが設けられている。押さえリング６ｅを設けることにより、ダイヤフラム６ａの軸Ｏに沿った位置が固定されるため、ロッドピン７の端面７ｂがダイヤフラム６ａの中心を押圧する際に、受圧部５のダイヤフラム５ａの圧力変位を確実に伝達することができる。

【0045】

信号処理部６ｂは、ダイヤフラム６ａにおいて検出されたゲージ抵抗の抵抗値を、圧力Ｐに比例した電圧信号に変換する。より具体的には、信号処理部６ｂは、圧力Ｐを示す電気信号の増幅、ＡＤ変換、ノイズの除去などを含む公知の信号処理を行い、外部に出力する。なお、信号処理部６ｂには、圧力センサ１を外部電子装置に接続する図示されない端子が設けられており、この端子には、センサ出力が供給される信号線６ｄ（図２参照）が接続される。

【0046】

ロッドピン７は、第１基台３および第２基台４を貫通して、受圧部５とセンサ部６との間に設けられている棒状の部材である。より具体的には、ロッドピン７の長手方向の一方の端面７ａは、受圧部５のダイヤフラム５ａに接合され、かつ、他方の端面７ｂについても、センサ部６のダイヤフラム６ａに接合された状態で、第１基台３の貫通孔３ｃおよび第２基台４の貫通孔４ｃに挿通されている。

【0047】

ロッドピン７の径は、第１基台３の貫通孔３ｃおよび第２基台４の貫通孔４ｃに触れない程度の一定のスペースが形成されるよう、貫通孔３ｃ、４ｃの径よりも小さい径とすることができる。また、ロッドピン７の軸は、圧力センサ１の軸Ｏに一致する。このように、ロッドピン７は、第１基台３および第２基台４の貫通孔３ｃ、４ｃに挿通されて、軸Ｏに沿って受圧部５とセンサ部６との間に設けられることで、受圧部５に印加された圧力Ｐをセンサ部６に伝達することができる。

【0048】

また、図２に示すように、ロッドピン７は、長手方向に分割可能に構成され、かつ、分割部分には、ロッドピン７の長手方向の長さを調節可能とするアジャスター部７ｃを有する。例えば、アジャスター部７ｃは、２分割されるロッドピン７の一方の端部に形成された雌ねじ構造と、この雌ねじ構造と嵌まり合う雄ねじ構造が他方の端部に形成されることで構成される。

【0049】

ロッドピン７が分割可能となる構造を採用することで、圧力センサ１を作製する際には、ロッドピン７の端面７ａ、７ｂをそれぞれダイヤフラム５ａ、６ａに接合した後に、２分割されたロッドピン７をアジャスター部７ｃで結合することができる。なお、ロッドピン７の長手方向の長さは、圧力センサ１が測定する圧力媒体によって加熱された本体部の空冷のために必要となる受圧部５とセンサ部６との離間距離に応じて決定される。

【0050】

ロッドピン７は、スーパーインバー等の常温付近での熱膨張率が低く、特に、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０^－６／℃以下の金属材料により形成される。スーパーインバーは、鉄、ニッケル、コバルトの合金である。図４は、各種金属材料の熱線膨張係数の代表値を棒グラフで示す図である。図４において、縦軸は、温度条件（常温３０℃～１００℃、－２０℃～６０℃）に応じたハッチングが付されている。図５Ａ～図５Ｃは、それぞれ、各種金属材料の熱線膨張係数の代表値をテーブル形式で表す図である。

【0051】

図５に示すように、スーパーインバーは、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）の熱線膨張率の１／３５の熱線膨張率を有する金属材料であり、熱線膨張率の低さは、他の金属材料と比較して極めて低い。したがって、ロッドピン７をスーパーインバーにより形成することにより、ロッドピン７自体の熱線膨張による応力の影響を受けない圧力伝達部材が実現される。

【0052】

ロッドピン７の端面７ａ、７ｂはそれぞれ受圧部５のダイヤフラム５ａ、センサ部６のダイヤフラム６ａに溶接や接着剤などにより固定的に接合することができる。

【0053】

支柱８ａ、８ｂ、８ｃは、第１基台３と第２基台４との間に設けられている細長い円柱状の部材である。より具体的には、支柱８ａ、８ｂ、８ｃは、支持板９を貫通して、第１基台３と第２基台４との間に設けられている。支柱８ａ、８ｂ、８ｃの径は、ロッドピン７の径と同等とすることができる。また、支柱８ａ、８ｂ、８ｃは、ハウジング２を矢印Ａの方向から見て、ロッドピン７の周囲を囲うように、軸Ｏ上のロッドピン７から一定の距離だけ離間した位置に軸Ｏと平行となるように設けられている。

【0054】

支柱８ａ、８ｂ、８ｃは、例えば、スーパーインバー等の常温付近での熱膨張率が低い、特に、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０^－６／℃以下の金属材料により形成することができる。支柱８ａ、８ｂ、８ｃについてもロッドピン７と同様に熱膨張率の極めて低いスーパーインバーにより形成することで、ロッドピン７だけでなく、本体部全体における熱膨張を抑えることができる。

【0055】

支柱８ａ、８ｂ、８ｃの長手方向の一方の端部は、それぞれ第１基台３に固定的に接合されている。支柱８ａ、８ｂ、８ｃの他方の端部は、それぞれ第２基台４の非貫通孔４ｄに挿入され、第２基台４に対して軸Ｏ方向に可動に設けられる。より詳細には、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの他方の端部と非貫通孔４ｄの底面との間には、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの軸Ｏ方向に沿った移動を可能とする遊びスペースが形成されている。

【0056】

支持板９は、ハウジング２の中空部において、第１基台３と第２基台４との間に配設される。支持板９は、例えば、第１基台３から第２基台４までの軸Ｏに沿った長さの半分の位置に配置することができる。支持板９は、ハウジング２の内径に略一致する直径の円形断面を有した略円柱に形成されている。支持板９の円形断面の中心点は、軸Ｏに一致する。支持板９の軸Ｏ方向には貫通孔９ａが形成され、この貫通孔９ａにロッドピン７が挿通される。貫通孔９ａは、第１基台３および第２基台４の貫通孔３ｃ、４ｃと同様の径を有し、ロッドピン７の径よりもわずかに大きい。

【0057】

支持板９には、さらに、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの各々が挿通される貫通孔が形成されている。支柱８ａ、８ｂ、８ｃが挿通される貫通孔は、支柱８ａ、８ｂ、８ｃと隙間なく接することができる程度の大きさの径とすることができる。

【0058】

支持板９と支柱８ａ、８ｂ、８ｃとはそれぞれ固定的に接合される。一方において、支持板９とハウジング２とは、後述する第２摺動部材１１を介して摺動可能に配置される。具体的には、支持板９はハウジング２に対して、軸Ｏ方向に摺動可能となるように配置される。支持板９は、ステンレス等の金属材料により形成されている。支持板９を設けることで、ロッドピン７を含む本体部がハウジング２内でより安定的に支持されるが、省略してもよい。

【0059】

第１摺動部材１０は、第２基台４の側面（外面）とハウジング２の内周面との間に設けられているフィルム状の部材である。第１摺動部材１０は、第２基台４の側面全体を覆うように設けられる。第１摺動部材１０は、例えば、フッ素樹脂（テフロン（登録商標））などの摩擦係数が小さく、滑り特性が良好で、かつ、例えば、他の樹脂材料と比較して熱伝導率が比較的低い材料により形成される。

【0060】

第２摺動部材１１は、支持板９の側面とハウジング２の内周面との間に設けられているフィルム状の部材である。第２摺動部材１１は、支持板９の側面全体を覆うように設けられる。第２摺動部材１１についても、第１摺動部材１０と同様にフッ素樹脂などにより形成される。

【0061】

ここで、図６の（ａ）および（ｂ）に示す、高温の圧力Ｐが印加される前と後とにおける圧力センサ１の概略断面図を参照して、ハウジング２および本体部における熱膨張の影響について説明する。図６の（ａ）は、圧力Ｐが受圧部５に印加される前の圧力センサ１の概略断面図を示している。図６の（ｂ）は、圧力Ｐが受圧部５に印加された際の圧力センサ１の概略断面図を示している。

【0062】

高温のガスなどの圧力Ｐが受圧部５に印加されると、図６の（ｂ）に示すように、アルミニウム等の金属材料で形成されているハウジング２は熱膨張し、軸Ｏ方向に伸長する。具体的には、アルミニウムで形成されたハウジング２は、熱伝導に優れるが熱線膨張率が高いため、図６の（ｂ）の軸Ｏ方向の長さｈ’に示すように、圧力Ｐの印加前の長さｈから熱膨張により長さｄだけ軸Ｏ方向に伸長する。一方、ステンレスで形成された受圧部５は、放熱材として機能するハウジング２に接合しているため、高温に曝された際には、受圧部５の熱がハウジング２を介して放熱され、受圧部５の熱膨張は抑えられる。

【0063】

次に、受圧部５を支持する第１基台３は、放熱材として機能するハウジング２に直接接しているため、ある程度の熱膨張は抑えられる。しかし、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、圧力Ｐの印加後では、第１基台３は熱膨張によって長さｂ分だけ軸Ｏ方向に伸長している。

【0064】

前述したように、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの一方の端部は第１基台３に固定的に接合されている。そのため、熱膨張により第１基台３が軸Ｏ方向に伸長すると、第１基台３とともに支柱８ａ、８ｂ、８ｃも軸Ｏ方向に押し上げられる。しかし、図６の（ｂ）に示すように、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの他方の端部は非貫通孔４ｄ内において軸Ｏ方向に移動するのみである。つまり、支柱８ａ、８ｂ、８ｃの他方の端部は、非貫通孔４ｄの底面に触れて第２基台４を押し上げるようなことはない。

【0065】

このように、非貫通孔４ｄの遊びスペースにより、熱膨張による第１基台３の伸長分の長さが吸収されるので、第２基台４は、第１基台３の熱線膨張の影響を受けない。なお、支柱８ａ、８ｂ、８ｃは前述したようにスーパーインバーにより形成されているため、支柱８ａ、８ｂ、８ｃ自体の熱線膨張は影響しない。

【0066】

次に、ロッドピン７に着目すると、受圧部５に高温の圧力Ｐが印加された場合、ダイヤフラム５ａが圧力Ｐによりたわみ、ロッドピン７に応力が伝わる。さらに、ロッドピン７は、圧力Ｐをセンサ部６のダイヤフラム６ａに伝達する。ロッドピン７は、前述したように熱線膨張率が低い材料であるスーパーインバーにより形成されているため、高温の圧力Ｐを伝達する場合であっても、熱による軸Ｏ方向への伸長はほとんどない（図６の（ａ）（ｂ）の長さｒ）。

【0067】

なお、受圧部５のダイヤフラム５ａは、極薄の金属薄膜により形成されており、ダイヤフラム５ａ自体の熱線膨張率は極めて小さく、熱による軸Ｏ方向への伸長は極めて小さい。そのため、ダイヤフラム５ａの熱線膨張のロッドピン７に対する影響は極めて小さい。

【0068】

つまり、高温の圧力Ｐが印加されると、ハウジング２は熱膨張により軸Ｏ方向に伸長するのに対して、低熱膨張のロッドピン７および支柱８ａ、８ｂ、８ｃを含む本体部は、熱による軸Ｏ方向の伸長がほとんどない。さらに、本体部が備える第１基台３の熱膨張による軸Ｏ方向への伸長分は、第２基台４の非貫通孔４ｄにより吸収される。つまり、本体部は、第１基台３の熱線膨張の影響を抑制できる構造を有する。

【0069】

また、圧力センサ１の本体部のうち、第１基台３、第２基台４、および支持板９がハウジング２と接する面であるところ、第２基台４および支持板９は、それぞれの側面を覆うように配設された第１摺動部材１０、および第２摺動部材１１を介してハウジング２の内周面に接している。第１摺動部材１０および第２摺動部材１１と接するハウジング２の内周面が摺動面となり、本体部に対してハウジング２が軸Ｏ方向に伸長することになる。

【0070】

具体的には、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、高温の圧力Ｐの印加後における第２基台４および支持板９の軸Ｏ方向の位置は、ハウジング２が軸Ｏ方向への伸長（長さｈから長さｈ’）しているのに対して、ロッドピン７の長さｒに対応する位置が維持されている。このように、ロッドピン７が支持されている本体部が、第１摺動部材１０および第２摺動部材１１を介してハウジング２と接することで、ハウジング２の熱膨張と、熱不動のロッドピン７との熱線膨張変位の差（長さｄ）を吸収させることができる。

【0071】

このように、圧力伝達部材であるロッドピン７は、ハウジング２に収容されつつも、熱的にはハウジング２からは隔離された、フローティング構造とされる。ロッドピン７をこのようなフローティング構造とすることで、ハウジング２の熱膨張による応力はロッドピン７によって伝達されることはない。

【0072】

また、ロッドピン７だけでなく、ロッドピン７を囲う支柱８ａ、８ｂ、８ｃについてもスーパーインバーにより形成することで、本体部全体の軸Ｏ方向の熱線膨張を抑えることができる。

【0073】

以上説明したように、本実施の形態に係る圧力センサ１によれば、ロッドピン７を熱膨張率が極めて低い材料で形成し、かつ、フローティング構造とすることで、ハウジング２の熱膨張による応力がロッドピン７によって伝達されることはないため、より高温の圧力媒体の圧力測定、特に、半導体製造装置において要求される２５０℃の高温となる圧力媒体の圧力測定を精度よく行うことができる。

【0074】

以上、本発明の圧力センサにおける実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

【符号の説明】

【0075】

１…圧力センサ、２…ハウジング、３…第１基台、４…第２基台、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ…底面、４ｄ…非貫通孔、５…受圧部、６…センサ部、５ａ、６ａ…ダイヤフラム、６ｂ…信号処理部、６ｃ…ケース部材、６ｄ…信号線、６ｅ…押さえリング、７…ロッドピン、７ａ、７ｂ…端面、７ｃ…アジャスター部、８ａ、８ｂ、８ｃ…支柱、９…支持板、３ｃ、４ｃ、９ａ…貫通孔、１０…第１摺動部材、１１…第２摺動部材、Ｏ…軸、Ｐ…圧力。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2022-11-29

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体製造装置に用いられる圧力センサであって、
中空な筒状のハウジングと、
前記ハウジングの一端側に設けられた第１基台と、
前記ハウジングの他端側に設けられた第２基台と、
前記第１基台に支持され、圧力を受けると弾性変形するダイヤフラムと、
前記第２基台に支持され、前記ダイヤフラムの弾性変形による応力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、
前記第１基台および前記第２基台を貫通し、前記ダイヤフラムと前記圧力検出素子との間に設けられた圧力伝達部材と、
前記第２基台の外面と前記ハウジングの内周面との間に設けられた第１摺動部材と
を備え、
前記圧力伝達部材は、３０℃から１００℃における熱線膨張係数が１．３×１０^－６／℃以下の金属材料により形成されている
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記第１基台および前記第２基台の各々には、前記ハウジングの長手方向の中心軸に沿った貫通孔が形成され、
前記圧力伝達部材は、前記貫通孔に挿通され、前記中心軸に沿って設けられる
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項3】

請求項２に記載の圧力センサにおいて、
さらに、前記第１基台と前記第２基台との間に設けられた、複数の支柱を備え、
前記複数の支柱は、前記圧力伝達部材の周囲を囲うように、前記中心軸から離間した位置に前記中心軸と平行に設けられている
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力伝達部材の一端は、前記ダイヤフラムに溶接され、
前記圧力伝達部材の他端は、前記圧力検出素子の検出面に溶接されている
ことを特徴とする圧力センサ。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力伝達部材は、スーパーインバー材により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項6】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記第１摺動部材は、フッ素樹脂を含む材料により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項7】

請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力伝達部材は、長手方向に分割可能に構成され、かつ、分割部分は、前記圧力伝達部材の長手方向の長さが調節可能に構成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項8】

請求項３に記載の圧力センサにおいて、
前記複数の支柱は、スーパーインバー材により形成されていることを特徴とする圧力センサ。

【請求項9】

請求項３に記載の圧力センサにおいて、
さらに、前記第１基台と前記第２基台との間に設けられ、前記複数の支柱および前記圧力伝達部材を支持する支持板と、
前記支持板と前記ハウジングの内周面との間に配置された第２摺動部材と
を備え、
前記第２摺動部材は、フッ素樹脂を含む材料により形成されていることを特徴とする圧力センサ。