JP2010190666A - 流量センサユニット及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも部品点数を削減した流量センサユニットを提供する。
【解決手段】ガスが流動し、直列に接続される発熱抵抗線６３ａ、６３ｂが巻回されたセンサ管６１を有し、センサケース７内に収容されるセンサ部材６と、センサ管６１の上流側端部を受取る上ブロック３とセンサ管６１の下流側端部を受取る下ブロック４を有しかつ上ブロック３及び下ブロック４はこれらが重なる方向とそれと垂直な方向に複数の接触面を有する複合ベース部材２とを備え、複合ベース部材２は、平坦な取付け面に密着固定される仕上げ面を有するとともに、上ブロック３と下ブロック４とが分離した状態でセンサ管６１の上流側端部と下流側端部が挿入・固着されかつ仕上げ面と反対側の面から取付け面に固着される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス流量、例えば半導体製造装置に使用されるプロセスガスの質量流量を検出するための流量センサユニット及びその組立方法に関する。

半導体製造装置では、基板表面への成膜や基板内部のエッチング又はクリーニングを行うために、プロセスガス（不活性ガス、還元性ガスあるいは腐食性ガス）が使用され、ガス流量を正確に制御するために、質量流量制御装置が設けられている。この質量流量制御装置には、測定範囲が広くかつ低コストでガスの質量流量を検出できるという利点を有する熱式質量流量センサが組み込まれ、例えばセンサ部分とガスが直接接触しないので、腐食性ガスの測定も可能であるキャピラリ式質量流量センサ（以下単に「流量センサ」という。）が使用されている。

上記の流量センサは、流路にガスの流れ方向に沿って設置されたバイパス管を迂回するように設けたセンサ管（バイパス管を流れるガスよりも少量のガスを一定の比率で流すための毛細管）を有し、このセンサ管に、直列に接続された一対の発熱抵抗線が巻回され、発熱抵抗線をセンサ回路に接続して（センサ回路の抵抗とブリッジ回路を形成する）、質量流量信号が出力されるように構成される。すなわち上流側の発熱抵抗巻線はガスによって冷却され、下流側の発熱抵巻線はガスによって上流側から運ばれる熱によって加熱されるので、熱バランスの変動により発熱抵巻線の抵抗値が変化することにより、センサ回路から質量流量信号が出力される。

上記の流量センサは、センサ管が固着された平板状のベースをバイパス管が内蔵されたガス流路部に設置することにより組立られる。この流量センサにおいては、センサ管とバイパス管との接続部からガスが漏出することを防止するために、センサ管の端部に円板状（リング状）のフランジを固着してセンサ管を気密にシールしてバイパス管から分岐させるようにした構造が採用されている。例えば特許文献１には、ボルト穴を有する略四角板状のベースにセンサ管の通る孔とセンサ管を孔まで案内するスリットを形成した板状のベースを作製し、発熱抵抗線が巻回されたセンサ管の端部に円板状（リング状）のフランジを溶接し、このセンサ管を孔まで移動させ、センサカバーを被せることによりセンサ部分を組立ることが記載されている（特許文献１の第２頁右欄第第１３行−第３頁左欄第１３行及び図１参照）。このセンサ部分は、ベースに設けたボルト穴を横方向に結ぶように横割れ防止用プレートを戴置しかつベースの底面とバイパス管体との間にセンサ管の端部をシールするＯリングが保持されたリングガイドを介装した状態でバイパス管体に取付けられる（特許文献１の第３頁左欄第１４−４４行及び図５参照）。

また特許文献１には、ベースにスリットを設ける代わりに、センサ管の通る孔の中央を通るラインでベースを分割し、センサ管をこの孔に位置付けた後に、分割されたベースを再結合することも記載されている（特許文献１の第３頁右欄第２２−２８行及び図８参照）。

特許文献１には、フランジとセンサ管を溶接してから上記のベースに位置付けるので、フランジとセンサ管をロウ付けした場合の残留したフラックスによる流体への不純物混入が解消され、またベースにスリットを設けるか又はベースを分割することにより、センサ装置を簡単に作製できることが記載されている。

特公平６−６３８０５号公報（実施例、図１、図５、図８）

しかしながら、特許文献１の図１に記載された構造であると、ベースに２条のスリット（切り込み）が形成されるので、ベースを補強するために横割れ防止用プレートが必要となり、またＯリングを保持するリングガイドも使用するので、部品点数が多く製作コストが高くなり、流量センサの組立工程も複雑化するという問題がある。また特許文献１の図８に記載された構造においては、分割されたベースにセンサ管を位置付けた後に分割された部材を結合するといった手間の掛かる作業が必要になるという問題がある。

本発明の第１の目的は、従来よりも部品点数を削減した流量センサユニットを提供することである。

本発明の第２の目的は、少ない部品で組立精度の高い流量センサユニットが得られる組立方法を提供することである。

上記第１の目的を達成するために、本発明の質量流量センサユニットは、発熱抵抗線が巻回され、一端から他端に向ってガスが流動するセンサ管を有し、センサケースに収容されるセンサ部材と、前記センサ管の一端部を受取る上ブロックと前記センサ管の他端部を受取る下ブロックを有しかつ前記上ブロック及び前記下ブロックはこれらが重なる方向とそれと垂直な方向に複数の接触面を有する複合ベース部材とを備え、前記複合ベース部材は、平坦な取付け面に密着固定される仕上げ面を有するとともに、前記上ブロックと前記下ブロックとが分離した状態で前記センサ管の一端部と他端部が挿入・固定されかつ前記仕上げ面と反対側の面から前記取付け面に固着されることを特徴とするものである。

本発明において、前記センサ管の一端部に圧損管を内挿・固着することが好ましい。

上記第２の目的を達成するために、本発明の質量流量センサユニットの組立方法は、上ブロックと下ブロックと直線状のセンサ管と圧損防止管と一対の発熱抵抗線とセンサケースを準備する工程と、前記上ブロックと前記下ブロックを積重ねた状態で前記センサ管が突出する側とは反対側の面に仕上げ面を形成する複合ベース部材加工工程と、前記上ブロックと前記下ブロックが分離された状態で前記上ブロックに前記センサ管の一端部と前記圧損管の端部を固着しかつ前記下ブロックに前記センサ管の他端部を固着するセンサ管固着工程と、前記発熱抵抗線を前記センサ管に巻回してから前記センサ管を逆Ｕ字状に成形するセンサ部材形成工程と、前記上ブロックと前記下ブロックを重ねて複合ベース部材を形成した状態で前記仕上げ面とは反対側の面に前記センサケースを装着するケース装着工程と、前記複合ベース部材の前記仕上げ面を平坦な取付け面に締結するセンサユニット取付工程を含むことを特徴とするものである。

本発明の質量流量センサユニットによれば、センサ管を支持するベースを上下のブロックに分割しかつ両ブロックを重ねると相互に嵌り合うような形状とし、各ブロックにセンサ管の端部を固着する構造とするので、従来の質量流量センサユニットよりも少ない部品で組立を行うことができる。

また本発明の質量流量センサユニットの組立方法によれば、相互に補完する形状を有するブロックの結合と分離を組合せてセンサユニットを形成するので、組立精度を向上することができる。

本発明の実施の形態に係る質量流量センサユニットをバイパス流路部に設置した状態を示す斜視図である。 複合ベース部材の形成工程を示す斜視図であり、（ａ）は複合ベース部材の分解斜視図、（ｂ）は上ブロックを下ブロックに重ねた状態を示す斜視図、（ｃ）は複合ベース部材に仕上げ面を形成した状態を示す斜視図である。 複合ベース部材にセンサ管を固着する工程を示す斜視図であり、（ａ）は複合ベース部材を分解した状態を示す斜視図、（ｂ）はセンサ管に圧損管を挿入する状態を示す斜視図、（ｃ）は上ブロックと下ブロックの間にセンサ管を配置した状態を示す斜視図、（ｄ）は上ブロックと下ブロックにセンサ管を固着した状態を示す斜視図である。 センサ部材を形成する工程を示す斜視図で、（ａ）はセンサ管に巻線を施す工程を示す斜視図、（ｂ）はセンサ管の曲げ工程を示す斜視図である。 図４（ｃ）のＡ−Ａ線断面図である。 センサ部材にセンサケースを被せる状態を示す斜視図である。 センサユニットをバイパス流路部に取付ける工程を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。

＜質量流量制御装置＞
図１に示すように、質量流量制御装置１００は、流入口１１から導入されたガスを複数の流路に分流するバイパス管（不図示）を有する直方体状のバイパス流路部１０と、固定用ねじ５ａ、５ｂ（例えば六角穴付小ねじ）によりその上面１２に固着される質量流量センサユニット１と、バイパス流路部１０の上面１２に形成された流量制御弁支持穴１３に設置される流量制御弁（不図示）を有する。

＜質量流量センサユニット＞
質量流量センサユニット１は、上ブロック３を下ブロック４に重ね合せて形成される複合ベース部材２と、複合ベース部材２に支持されるセンサ部材（不図示）と、センサ部材が収容されるセンサケース７を含む。このセンサケース７に収容されるセンサ部材は、上記流量制御弁の駆動回路（不図示）を有する外部基板７５に接続されている。センサケース７を形成する部材及びその内部に収容されるセンサ部材については、後述する。

＜質量流量センサユニットの組立＞
質量流量センサユニット１（以下単に「センサユニット１」という。）は、上記の上ブロック３及び下ブロック４に加えて、一対の発熱抵抗線６３ａ、６３ｂと、これらが巻回されるセンサ管６１と、ガスが流動するセンサ管６１の一端側（上流側）に内挿・固着される圧損管６２及びセンサケース７を構成する部材を含む各種部品を準備し、図２〜７に示す工程を実施することにより組立ることができる。

（複合ベース部材の加工）
センサ部材を支持する複合ベース部材２は図２に示す手順で作製される。上ブロック３は、仮止用ねじ５０ａ（例えば六角穴付小ねじ）が貫通する固定用貫通穴３１１を有する第１固定部３１と、仮止用ねじ５０ｂ（例えば六角穴付小ねじ）が貫通する固定用貫通穴３２１を有する第２固定部３２を含む。固定用貫通穴３１１、３１２は後述の固定用ねじの頭部を沈めるために深ざぐりを有する。この上ブロック３は、第１固定部３１と第２固定部３２の間にセンサ管（不図示）が挿入されるセンサ管用貫通穴３３１を有する突出部３３と、下ブロック４の一部が嵌め込まれるスペース３４を有し、正面から見ると略Ｔ字状に形成された部材である（図２（ａ）参照）。

下ブロック４は、仮止用ねじ５０ａがねじ込まれるめねじ部４１１を有する第１固定部４１と、仮止用ねじ５０ｂがねじ込まれるめねじ部４２１を有する第２固定部４２を含む。この下ブロック４は、第１固定部４１と第２固定部４２の間にセンサ管（不図示）が挿入されるセンサ管用貫通穴４３１を有する突出部４３と、上ブロック３の一部が嵌め込まれるスペース４４を有し、正面から見ると略逆Ｔ字形状に形成された部材である（図２（ａ）参照）。

上記の複合ベース部材２は、下ブロック４に上ブロック３を重ねたときに、上ブロック（下ブロック）の一部が下ブロック（上ブロック）に嵌合される（相互に補完し得る）形状を有するので、両ブロックの結合を簡単に行うことができる。

図２（ａ）の矢印で示す方向に上ブロック３と下ブロック４とが重ね合わされ、仮止用ねじ５０ａを固定用貫通穴３１１を貫通させて、めねじ部４１１にねじ込みかつ仮止用ねじ５０ｂを固定用貫通穴３２１を貫通させて、めねじ部４２１にねじ込み、両ブロックを締結することにより、複合ベース部材２が組立られる（図２（ｂ）参照）。この複合ベース部材２は、上ブロック３の突出部３３が下ブロック４のスペース４４に嵌装され、下ブロック４の突出部４３は、上ブロック３のスペース３４に嵌装されることにより形成され、平面からみて仮止用ねじ５０ａと５０ｂの間にセンサケース７（図１参照）の端部が差し込まれるケース溝２３が形成される。次いで複合ベース部材２の裏面２０（ケース溝と反対側の面）は、バイパス流路部１０の上面１２（図１参照）に密着させて、センサ管の端部とガス流路の接続部を確実にシールする（ガスの漏出を防止する）ために、上ベース３の裏面３０及び下ブロック４の裏面４０は、例えばラップ仕上げが施されて所定の表面粗さ｛例えば０．４μｍ（Ｒａ）以下の鏡面｝を有するように研磨される（図２（ｃ）参照）。すなわちこのラップ仕上げにより、例えばセンサ管の端部に設けられたシール部材を流路に確実に密着させることができる。

（センサ管の固着）
この複合ベース部材２は仮止用ねじ５０ａ及び５０ｂが取り外されて、図３（ａ）の矢印で示す方向に（上ブロック３と下ブロック４）に分解される（図３（ａ）参照）。またセンサ管６１の一端部６１１（上流側端部）に圧損管６２が挿入され、センサ管６１と圧損管６２が接合される（図３（ｂ）参照）。センサ管６１の一端部６１１は上ブロック３のセンサ管用貫通穴３３１に挿入・固着されるとともに、センサ管６１の他端部６１２は下ブロック４のセンサ管用貫通穴４３１に挿入・固着される（図３（ｃ）（ｄ）参照）。各センサ管の端部は、例えばレーザ溶接又はロウ付けの手法により各ブロックに固着することができる。レーザ溶接については、後述する。

上記の複合ベース部材２は、相互に嵌り合いかつ一体化後の分解も可能な形状を有する２つのブロックから形成されるので、各ブロックに分解した状態でセンサ管の接続及びセンサ管の加工が可能であり（図３（ｄ）、図４（ａ）参照）、これらの作業を容易に行うことができる。

（センサ部材の形成）
各ブロックに接合されたセンサ管に巻線を施しさらにセンサ管に曲げ加工を施すことにより、センサ部材が得られる。例えば、全体を加熱炉（例えば焼鈍炉）に装入して、センサ管６１を加熱してからセンサ管６１に一対の発熱抵抗線６３ａ、６３ｂを巻回する（図４（ａ）参照）。次いでこのセンサ管６１に曲げ加工を施してセンサ管６を略逆Ｕ字状の形状に成形した後、上ブロック３を下ブロック４に重ね合せることにより、複合ベース部材２に支持されたセンサ部材６が得られる（図４（ｂ）参照）。このセンサ管６１は、図５に示すように、ガスが流入する側の一端部には、例えばレーザ溶接の手法により圧損管６２が接合され（溶接部をＷｐで示す。）、上ブロック３の裏面に例えばレーザ溶接の手法により接合され（溶接部をＷｓで示す。）、かつガスが流出する側の端部は、下ブロック４の裏面に例えばレーザ溶接（溶接部をＷｓで示す。）の手法により接合されている。

（センサユニットの組立）
発熱抵抗線６３ａ、６３ｂの端部が内部基板７２に半田付け等で接続され、この内部基板７２は、外部基板７５に半田付けにより接続された後、カバー７１に形成された基板保持穴７１１に組込まれる。カバー７１の内部に断熱材７３（例えばセラミックペーパ）を充填し、次いでカバー７１の開放面にフタ７４を取付けることによりセンサケース７が作製される。このセンサケース７を複合ベース部材２のケース溝２１に嵌め込むことによりセンサユニット１が組立られる（図６、７参照）。

上記の複合ベース部材２によれば、上ブロック３と下ブロック４とは、水平方向に複数の接触面（固定部３１と固定部４１との接触面及び固定部３２と固定部４２との接触面）が形成され、さらに垂直方向にも複数の接触面（突出部３３と固定部４１、４２との接触面及び突出部４３と固定部３１、３２の接触面）が形成されるので（図２（ａ）、（ｂ）参照）、ベース部材が２つに分割されていても、大きな強度をもつことから、従来のような補強部材（特許文献１に記載されたベースの横割防止用プレート８０）が不要となり、センサユニットの組立工数を低減することができる。

（質量流量制御装置の組立）
上記のセンサユニット１は、流入口１１を有するバイパス流路部１０の上面１２に設置されて質量流量制御装置が組立られる。すなわち、バイパス流路部１０の上面１２に形成されたセンサ穴１２１ａ、１２１ｂにシール部材１４ａ、１４ｂが装着された後、固定用ねじ５ａ、５ｂ（例えば六角穴付小ねじ）をバイパス流路部１０の上面に設けられたねじ穴１２２ａ、１２２ｂにねじ込むことにより、バイパス流路部１０に取付けられる（図７参照）。固定用ねじ５ａ、５ｂは、複合ベース部材２のめねじ部４１１、４１２を通過できるようにするために仮止用ねじ５０ａ、５０ｂ（図２（ａ）参照）よりも小径のねじ部を有する。最後にバイパス流路部１０の上面１２に設けられた流量制御弁用支持穴１３に流量制御弁（不図示）が設置されることにより質量流量制御装置が組立られる。

＜質量流量制御装置の動作＞
図１に示す質量流量制御装置１００によれば、次のようにしてガス流量を制御することができる。バイパス流路部１１を流れるガスは、そこに内蔵されたバイパス管（不図示）から分岐されたセンサ管６１に流入する。上流側の発熱抵抗巻線６３ａはガスによって冷却され、下流側の発熱抵巻線６３ｂはガスによって上流側から運ばれる熱によって加熱されるので、発熱抵巻線の抵抗値変化に応じて出力される信号を内部基板７２に形成されたセンサ回路で取り出して、この流量信号を外部基板７５に形成された駆動回路に出力することにより、流量制御弁を駆動して、プロセスガスの流量を制御することができる。

この質量流量制御装置１００において、センサ管６１の上流側端部に圧損管６２が内挿されているので、温度差のあるガスの自然循環流に起因する所謂サーマルサイフォン現象に伴うゼロ点変動の問題を軽減することができる。また、質量流量制御装置１００の上流側のガス圧力に変動が生じた場合でも、この圧損管６２の下流側には圧力変動が伝播しにくくなるので、質量流量を精度良く検出することができる。

＜主要部品の材質＞
本発明において、上ブロック３及び下ブロック４は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６材）等の金属材料で作製することができる。固定用ねじ５ａ、５ｂと仮止用ねじ５０ａ、５０ｂは、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ材）で作製し、センサ管６１及び圧損管６２は、耐食性を有する金属材料（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）又はニッケル合金等で作製し、センサケース７及びカバー７４は熱伝導率の高い材料（アルミニウム合金等）で作製することができる。またシール部材１４ａ、１４ｂとしては例えば耐熱性の大なる材料（オーステナイト系ステンレス鋼）からなる中空金属Ｏリングを使用することができる。

＜レーザ溶接＞
センサ管と上ブロック又は下ブロックとの固定は、ロウ付で行うことができるが溶接（特にレーザ溶接）が好ましい。すなわちレーザ溶接は、発信器から出射されるレーザ光（ＣＯ_２レーザ又はＹＡＧレーザ）を光学系（例えばレンズ）で微小スポットに集光させ、被接合部に照射・溶融させるもので、非接触で溶接が可能で、また異種金属の溶接も可能で、さらにビード幅が狭く低歪溶接が可能となるという利点を有するので、本発明におけるセンサ管と各ブロック、圧損管又はフランジ部材との接合には好適である。

１：センサユニット、
２：複合ベース部材、２０：裏面
３：上ブロック、３０：裏面、３１、３２：固定部、３１１、３２１：固定用貫通穴、３３：突出部、３３１：センサ管用貫通穴、３４：スペース
４：下ブロック、４０：裏面、４１、４２：固定部、４１１、４２１：めねじ部、４３：突出部、４３１：センサ管用貫通穴、４４：スペース
５ａ、５ｂ：固定用ねじ、５０ａ、５０ｂ：仮止用ねじ、
６：センサ部材、６１：センサ管、６２：圧損管、６３ａ、６３ｂ：発熱抵抗線、
６４：フランジ部材、６１１：一端部、６１２：他端部
７：センサケース、７１：カバー、７１１：基板保持穴、７２：内部基板、７３：断熱材、７４：フタ、７５：外部基板、
１０：バイパス流路部、１１：流入口、１２：上面、１２１ａ、１２１ｂ：センサ穴、１２２ａ、１２２ｂ：ねじ穴、１３：流量制御弁用支持穴、１４ａ、１４ｂ：シール部材、
Ｗｓ、Ｗｐ、Ｗｆ：溶接部

Claims (3)

1. 発熱抵抗線が巻回され、一端から他端に向ってガスが流動するセンサ管を有し、センサケースに収容されるセンサ部材と、前記センサ管の一端部を受取る上ブロックと前記センサ管の他端部を受取る下ブロックを有しかつ前記上ブロック及び前記下ブロックはこれらが重なる方向とそれと垂直な方向に複数の接触面を有する複合ベース部材とを備え、前記複合ベース部材は、平坦な取付け面に密着固定される仕上げ面を有するとともに、前記上ブロックと前記下ブロックとが分離した状態で前記センサ管の一端部と他端部が挿入・固着されかつ前記仕上げ面と反対側の面から前記取付け面に固着されることを特徴とする質量流量センサユニット。
2. 前記センサ管の一端部に圧損管が内挿・固着されることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量流量センサユニット。
3. 上ブロックと下ブロックと直線状のセンサ管と圧損防止管と一対の発熱抵抗線とケースを準備する部品準備工程と、前記上ブロックと前記下ブロックを積重ね状態で前記センサ管が突出する側とは反対側の面に仕上げ面を形成する複合ベース部材加工工程と、前記上ブロックと前記下ブロックが分離された状態で前記上ブロックに前記センサ管の一端部と前記圧損管の端部を固着しかつ前記下ブロックに前記センサ管の他端部を固着するセンサ管固着工程と、前記発熱抵抗線を前記センサ管に巻回してから前記センサ管を逆Ｕ字状に成形するセンサ部材形成工程と、前記上ブロックと前記下ブロックを積重ねて複合ベース部材を形成した状態で前記仕上げ面とは反対側の面に前記センサケースを装着するケース装着工程と、前記複合ベース部材の前記仕上げ面を平坦な取付け面に締結する取付工程を含むことを特徴とする質量流量センサユニットの組立方法。

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