JP2008070323A

JP2008070323A - フローセンサ

Info

Publication number: JP2008070323A
Application number: JP2006251308A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ike; 信一池
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】フローセンサチップと流路形成部材を低融点ガラスで接合する際に正確にかつ容易に位置決めして接合することができるようにしたフローセンサを提供する。
【解決手段】流体の流れを検出する検出部７が形成されたフローセンサチップ２と、フローセンサチップ２と協働して流体を流す流路４を形成する流路形成部材３とを備えたフローセンサにおいて、フローセンサチップ２と流路形成部材３は低融点ガラス９で接合されるようになっており、流路形成部材３の所定領域Ａに形成された低融点ガラス９の当該領域Ａにのみ対向するようにフローセンサチップ２の所定領域Ｂに親水性薄膜１１が形成された構成としたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に半導体製造装置に使用する（不活性）ガス等の微少な流量の測定に好適に使用されるフローセンサに関する。

例えば、半導体製造装置に使用するガス等の流体の流量を検出する流量測定装置（フローセンサ）として、流体に熱を付与して所定位置における流体の温度差を測定することにより流量を測定する熱式の流量測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、本発明に係るフローセンサに関連するフローセンサの一例を示し、フローセンサ１は、フローセンサチップ２と、下面３ａがフローセンサチップ２の上面２ａに接合され当該フローセンサチップ２と協働してガス等の被測定流体の微小な流路４を形成する流路形成部材としての透明なガラスチップ３とにより構成されている。流路４の両端部にはガラスチップ３の上面３ｂに開口する流体導入口４ａ、流体導出口４ｂが形成されている。

フローセンサチップ２は、シリコン基板５の上面に窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）６が形成され、該絶縁膜６の流路４の中央位置と対応する位置に流量検出部（センサ部）７が形成され、更に流量検出部７が窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜８により被覆された構成とされている。尚、図５において絶縁膜６，８は、流路検出部７を分かりやすくするために透明に描いてある。

フローセンサチップ２の上面２ａの中央位置には流量検出部７の下方位置に凹部２ｃが形成されており、流量検出部７が形成されている絶縁膜６の凹部２ｃを覆う部位はダイアフラムとされて流量検出部７とシリコン基板５とが熱的に遮断されている。流量検出部７は、熱式の検出部で絶縁膜６上に例えば白金（Ｐｔ）薄膜でできた発熱素子としてのヒータと、このヒータの上流側及び下流側に等間隔で配置された例えば白金薄膜でできた抵抗素子としての測温素子とにより構成されている。

流量検出部７の前記ヒータ及び測温素子の信号取り出し配線としての各リードパターン７ａ，７ｂ，７ｃは、フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとの間を通してフローセンサ１の両側方（幅方向）に延出されている。また、ガラスチップ３の長手方向に沿う両側部の中央位置に切欠部３ｃが形成されており、リードパターン７ａ〜７ｃの先端の接続端部を露出させて外部の測定回路に接続可能とされている。

被測定流体（以下「ガス」という）は、流路４の流体導入口４ａから流路４内に導入され流体導出口４ｂから導出される。そして、流量検出部７のヒータに通電する。ヒータは、制御回路によりシリコン基板５上に設けられた周囲温度センサで測定されたガスの温度よりもある一定温度高く加熱され、流路４を流れるガスを加熱する。

ガスが流れないときは、ヒータの上流側／下流側に均一の温度分布が形成されており、上流側の測温素子と下流側の測温素子は、略等しい温度に対応する抵抗値を示す。一方、ガスの流れがあるときには、ヒータの上流側／下流側の均一な温度分布が崩れ、上流側の温度が低くなり、下流側の温度が高くなる。そして、上流側の測温素子と下流側の測温素子により構成される例えばホイーストンブリッジ回路により測温素子の抵抗値差つまり温度差を検出して流路４内を流れるガスの流量を測定する。
特開平５−９９７２２号公報（３―４頁、図１）

上記フローセンサ１において絶縁膜６，８で覆われた流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃは、フローセンサチップ２の上面２ａと段差を有しており、フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとの間を通して側方に延出させてフローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する際に前記リードパターンの段差を吸収しかつ流路４の気密を確保して接合することが必要である。

このような構造のフローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する場合、絶縁膜６，８で覆われた流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃとフローセンサチップ２の上面２ａとの段差を吸収しかつ流路４の気密を確保して接合する接合部材として図６及び図７に示すように低融点ガラス（例えば、フリットガラス）９を使用することが考えられる。

この場合フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合するときに流路４の中央位置に流路検出部７が正確に配置されるように位置合わせを行う必要がある。しかしながら、フローセンサチップ２とガラスチップ３とを単に低融点ガラス９で接合しようとすると図８に点線で示すようにフローセンサチップ２とガラスチップ３とがずれてしまい、これらを正確に位置合わせして接合することが困難である。

また、図９に示すようにフローセンサチップ２とガラスチップ３の寸法を正確に揃え、位置合わせ冶具１０を使用して外形による位置合わせを行いうことも考えられる。しかしながら、位置合わせ冶具１０を使用する場合フローセンサチップ２やガラスチップ３の端面が位置合わせ冶具１０に引っ掛かるおそれがある。このため、低融点ガラスによる十分な接合をすることができず、流路４からガス等がリークするおそれがある。また、位置合わせ冶具１０により位置合わせ機構を構築する必要があり、設備費が嵩むと共に作業性が悪い等の問題もある。

本発明の目的は、フローセンサチップと流路形成部材を低融点ガラスで接合する際に正確にかつ容易に位置決めして接合することができるようにしたフローセンサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明に係るフローセンサは、流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、前記フローセンサチップと協働して前記流体を流す流路を形成する流路形成部材とを備えたフローセンサにおいて、前記フローセンサチップと流路形成部材は低融点ガラスで接合されるようになっており、前記流路形成部材の所定領域に形成された低融点ガラスの当該領域にのみ対向するように前記フローセンサチップの所定領域に親水性薄膜が形成されたことを特徴としている。

流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップとこのフローセンサチップと協働して流体を流す流路を形成する流路形成部材とを低融点ガラスにより接合する。流路形成部材のフローセンサチップと接合する所定領域（接合面）に低融点ガラスを、フローセンサチップの流路形成部材の所定領域にのみ対応する所定領域（接合面）に親水性薄膜を施して低融点ガラスを溶融させる。低融点ガラスは、溶融すると表面張力の作用によりフローセンサチップの親水性薄膜に沿う形で濡れ、ガラスチップ３との位置合わせが自律的に行われて密着接合されかつ流路の気密性が確保される。

また、本発明の請求項２に記載のフローセンサは、請求項１に記載のフローセンサにおいて、前記親水性の領域と低融点ガラスの領域が所定の加熱温度で溶融して自律的に合致して接合されることを特徴としている。

フローセンサチップと流路形成部材を所定の温度に加熱すると低融点ガラスが溶融し、フローセンサチップとガラスチップがアライメントの機能を有しているので自立的に位置合わせが行われて接合される。

本発明によると、フローセンサチップと流路形成部材とを低融点ガラスで接合する際にこれらの位置合わせが自律的に行われ、フローセンサチップと流路形成部材が簡単にかつ正確に位置決めされて密着接合され、流路の気密性も確保される。これにより、フローセンサチップと流路形成部材の接合が容易となる。

また、フローセンサチップと流路形成部材がアライメントの機能を有しているので、低融点ガラスによる接合のための位置合わせ機構を構築する必要が無く、製造工程も簡素となり、簡便に接合が可能となる。

以下、本発明の一実施形態に係るフローセンサについて図面に基づいて説明する。尚、図５及び図６に示す部材と同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図１は、ガラスチップ３の下面３ａを示し、ガラスチップ３は、長方形状をなし、下面３ａの中央に長手方向に沿って流路４が形成されており、この流路４の両端に各一端が流路４に開口し各他端が上面に開口する流体導入口４ａ、流体導出口４ｂが形成されている。また、長手方向の両側部中央位置に流体検出部７のリードパターンの先端部を導出するための切欠部３ｃが形成されている（図４参照）。

このガラスチップ３は、透明なガラス例えば硼珪酸ガラスで形成されている。硼珪酸ガラスとして例えばパイレックス（登録商標）ガラス或いはテンパックスガラスと称するガラス等があり、本実施形態ではガラスチップ３は、パイレックス（登録商標）ガラスを使用している。

そして、ガラスチップ３の下面３ａの全面（領域Ａ）にハッチングで示すように低融点ガラス９が塗布（充填）され、仮焼成（溶剤などを揮発させて硬化）されている。低融点ガラス９の塗布（充填）は、例えばスクリーン印刷やディスペンサ等によって下面３ａにパターニングすることにより行うことができる。低融点ガラス９としては例えば前述したフリットガラスと称するものがあり、本実施例ではフリットガラスを使用している。フリットガラスは、融点が３５０℃〜４５０℃程度である。

尚、フローセンサチップ２の基板としてシリコンを使用した場合、シリコンの熱膨張係数（２.３×１０^−６／℃）とパイレックス（登録商標）ガラスの熱膨張係数（３.２×１０^−６／℃）が近似しているため、これらの接合部の熱応力に起因する歪みを少なくすることができて好ましい。また、パイレックス（登録商標）とテンパックスは、熱膨張係数などを含むほとんどの特性がほぼ同じであるので、どちらを使用してもかまわない。更に流路形成部材は、ガラスに限るものではなく、また不透明でも良く、シリコンあるいはシリコンとガラスの複合、その他、窒化シリコンや炭化シリコンなどのシリコンと熱膨張係数の近いセラミックスなどでも良い。

一方、図２に示すようにガラスチップ３の下面３ａと接合されるフローセンサチップ２の上面２ａは、２点鎖線で示すガラスチップ３の下面３ａ（領域Ａ）、即ち流路４と対応する領域及び切欠３ｃと対応する領域を除いた領域Ｂにハッチングで示すように親水性を有する薄膜１１がパターニングされ、それ以外の領域、即ちガラスチップ３の流路４及び切欠３ｃと対応する領域Ｃにはハッチングで示すように疎水性処理１２が施されている。親水性を有する薄膜としては例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の薄膜がある。また、疎水性処理としては例えば窒化シリコンの薄膜処理がある。以下、親水性を有する薄膜１１がパターニングされている領域Ｂを親水性領域Ｂ、疎水性処理１２が施されている領域Ｃを疎水性領域Ｃという。

以下に上記構成のフローセンサチップ２とガラスチップ３との接合について説明する。フローセンサチップ２の上面２ａにガラスチップ３を載置し、下面３ａを上面２ａに当接させる。この状態においてフローセンサチップ２とガラスチップ３は合致しており、フローセンサチップ２の上面２ａに形成されている流体検出部７がガラスチップ３の流路４の中央に位置している。

次に、重ね合わせたフローセンサチップ２とガラスチップ３を所定の温度（約３５０℃〜４２０℃）に加熱して低融点ガラス９を溶融させる。低融点ガラス９は、溶融するとフローセンサチップ２の親水性領域Ｂに沿う形で濡れ、疎水性領域Ｃには移動しない。そして、低融点ガラス９の表面張力の作用によりフローセンサチップ２とガラスチップ３との位置合わせが自律的に行われ、図３に示すようにフローセンサチップ２とガラスチップ３が正確に位置決めされて合致し上面２ａと下面３ａが密着接合されかつ流路４の気密性が確保される。

このように、チップ自体、即ちフローセンサチップ２とガラスチップ３とがアライメントの機能（自律機能）を有しているので、低融点ガラス９による接合のための位置合わせ機構を構築する必要が無く、簡便な接合が可能となる。尚、低融点ガラス（フリットガラス）９は、自然冷却させる。

そして、絶縁膜６，８で覆われた流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃ（図５参照）とフローセンサチップ２の上面２ａとの段差は、低融点ガラス９により吸収されかつ流路４が密封される（図７参照）。

図４は、図３に示したフローセンサ１の使用例の概略を示す。フローセンサ１は、フローセンサチップ２の下面２ｂが２点鎖線で示すセンサブラケット２１に接着されて流路ボディ２２に収納されボルト２３で固定される。ガラスチップ３の流路４の流体導入口４ａ、流体導出口４ｂは、流路ボディ２２に形成されている流体導入口２２ａ、流体導出口２２ｂにゴム製のＯリング２４を介して気密に接続される。また、流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃ（図５参照）は、図示しない外部の流量測定回路に接続される。

流路ボディ２２は、矢印で示すように流体導入口２２ａからガスをフローセンサ１の流路４に導入し流体導出口２２ｂから導出させる。流量検出部７は、流路４を流れる被測定流体を検出して対応する信号を出力する。前記流量測定回路は、流量検出部７から入力される信号によりガスの流量を測定する。

本発明に係るフローセンサの流路形成部材としてのガラスチップの下面図である。本発明に係るフローセンサのフローセンサチップの平面図である。図１に示したガラスチップと図２に示したフローセンサチップとを接合して形成したフローセンサの平面図である。図３に示したフローセンサの使用例の概略を示す断面図である。本発明に係るフローセンサに関連するフローセンサの斜視図である。図５に示したフローセンサの矢線VI―VIに沿う断面図である。図５に示したフローセンサの矢線VII―VIIに沿う断面図である。図５に示したフローセンサのフローセンサチップとガラスチップとを接合する際の位置ずれの説明図である。図５に示したフローセンサのフローセンサチップとガラスチップとを位置合わせ冶具を使用して接合する場合の説明図である。

符号の説明

１フローセンサ
２フローセンサチップ
２ａ上面
２ｂ下面
２ｃ凹部
３ガラスチップ（流路形成部材）
３ａ下面
３ｂ上面
３ｃ切欠部
４流路
４ａ流体導入口
４ｂ流体導出口
５シリコン基盤
６絶縁膜
７流体検出部（センサ部）
７ａ，７ｂ，７ｃリードパターン
８絶縁膜
９低融点ガラス（フリットガラス）
１０位置合わせ冶具
１１親水性を有する薄膜（二酸化シリコンの薄膜）
１２疎水性処理（窒化シリコンの薄膜）
２１センサブラケット
２２流路ボディ
２２ａ流体導出口
２２ｂ流体導出口
２３ボルト
２４Ｏリング
Ａ領域（下面）
Ｂ親水性領域
Ｃ疎水性領域

Claims

流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、
前記フローセンサチップと協働して前記流体を流す流路を形成する流路形成部材とを備えたフローセンサにおいて、
前記フローセンサチップと流路形成部材は低融点ガラスで接合されるようになっており、
前記流路形成部材の所定領域に形成された低融点ガラスの当該領域にのみ対向するように前記フローセンサチップの所定領域に親水性薄膜が形成されたことを特徴とするフローセンサ。
前記親水性の領域と低融点ガラスの領域が所定の加熱温度で溶融して自律的に合致して接合されることを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。