JP2022543653A - 層流制限器 - Google Patents

Abstract

ガスの流れを制御するための装置は、半導体製造用のプロセスガスを供給するための重要なコンポーネントである。ガスの流れを制御するためのこれらの装置は、プロセスガスの既知の流れインピーダンスを提供することができる流量制限器にしばしば依存している。一実施形態では、複数の層で構成された流量制限器が開示され、１つ以上の層は、流量制限器の第１の端部の第１の開口部から流量制限器の第２の端部の第２の開口部まで延びる流路を有する。【選択図】図１

Description

関連する出願への相互参照
本出願は、２０１９年８月５日に出願された米国仮特許出願第６２／８８２，７９４号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

質量流量制御は、半導体チップ製造における重要な技術の１つである。質量流量を制御するための装置は、半導体製造および他の工業プロセスのためのプロセスガスの既知の流量を供給するために重要である。このようなデバイスは、さまざまなアプリケーションの流体の流れを測定して正確に制御するために使用される。この制御は、正確に校正された層流制限器を使用することで実現できる。

チップ製造の技術が向上するにつれて、流れを制御するための装置に対する需要も向上する。半導体製造プロセスでは、より正確な測定、機器コストの削減、過渡応答時間の改善、ガス供給のタイミングの一貫性の向上など、パフォーマンスの向上がますます求められている。ガス供給の一貫性を改善するために、改善された流量制限器が望まれる。

本技術は、質量流量コントローラまたは他のガス供給装置で使用するための層流制限器を対象としている。これらのガス供給装置の１つまたは複数は、半導体チップ製造、ソーラーパネル製造などの広範囲のプロセスで使用することができる。

一実施形態では、本発明は、ガスの流れを制限するための流量制限器である。流量制限器は、第１の端部、第２の端部、および第１の端部から第２の端部まで延びる長手方向軸を有する。複数の第１の層が、長手方向軸に沿って第１の端部から第２の端部まで延びる。複数の第２の層が、長手方向軸に沿って第１の端部から第２の端部まで延びる。第１の端部の第１の開口部は、複数の第１の層および複数の第２の層によって区画される。第２の端部の第２の開口部は、複数の第１の層および複数の第２の層によって区画される。流路は、複数の第１の層および複数の第２の層によって区画され、流路は、第１の開口部から第２の開口部まで延びる。

別の実施形態では、本発明は、流体を送達するための質量流量（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ）制御装置であり、質量流量制御装置は、入口通路、出口通路、弁座、および閉鎖部材を含む弁を有する。質量流量制御装置はまた、入口通路または出口通路のうちの１つに配置された流量制限器を有する。流量制限器は、第１の端部、第２の端部、および第１の端部から第２の端部まで延びる長手方向軸を有する。複数の層が長手方向軸に実質的に平行に延びる。第１の開口部は第１の端部に配置され、第２の開口部は第２の端部に配置される。流路は、複数の層によって区画され、流路は、第１の開口部および第２の開口部に流体的に結合されている。

さらに別の実施形態では、本発明は、流量制限器を製造する方法である。第１に、複数の層ブランクが提供され、層ブランクは、第１のエッジ、第１のエッジの反対側の第２のエッジ、第３のエッジ、第３のエッジの反対側の第４のエッジ、前面、および前面の反対側の背面を有する。第１の空洞は、複数の層ブランクのうちの第１のものの前面に形成される。複数の層ブランクが積み重ねられている。続いて、複数の層ブランクが結合されて、第１の未完成端部と反対側の第２の未完成端部とを有する抵抗器スタックを形成する。抵抗器スタックの第１の未完成端部は、複数の層ブランクの第１のエッジによって形成され、抵抗器スタックの第２の未完成端部は、複数の層ブランクの第２のエッジによって形成される。最後に、材料が層スタックの第１の未完成端部から除去されて、第１の空洞が露出し、第１の開口部が形成される。

本技術の適用可能性のさらなる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、好ましい実装を示しているが、例示のみを目的としており、技術の範囲を制限することを意図していないことを理解されたい。

本開示の発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されるようになるであろう。

１つまたは複数の層流制限器を利用するプロセスの概略図である。

図１のプロセスで利用され得る質量流量コントローラの概略図である。

図２の質量流量コントローラで利用され得る層流制限器の第１の実施形態の斜視図である。

図３の流量制限器を形成する層の一部を示す斜視図である。

図４の流量制限器の部分の端面図である。

図５Ａの領域ＶＢの詳細図である。

図４の流量制限器の部分の分解斜視図である。

図４の流量制限器の部分のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。

図３の流量制限器の第１の層の上面図である。

図３の流量制限器の第２の層の上面図である。

層流制限器の第２の実施形態の斜視図である。

図１０の流量制限器を形成する層の一部を示す斜視図である。

図１１の流量制限器の部分の端面図である。

図１２Ａの領域ＸＩＩＢの詳細図である。

図１１の流量制限器の部分の分解斜視図である。

図１４の流量制限器の部分のＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿った断面図である。

図１０の流量制限器の第１の層の上面図である。

図１６の流量制限器の第２の層の上面図である。

層流制限器の第３の実施形態の一部の斜視図である。

図１７の流量制限器の部分の端面図である。

図１７の流量制限器の部分の分解斜視図である。

図１７の流量制限器の部分のＸＸ－ＸＸ線に沿った断面図である。

図１７の流量制限器の第１の層の上面図である。

図１７の流量制限器の第２の層の上面図である。

層流制限器の第４の実施形態の一部の斜視図である。

図２３の流量制限器の部分の端面図である。

図２３の流量制限器の部分の分解斜視図である。

図２３の流量制限器の部分のＸＸＶＩ－ＸＸＶＩ線に沿った断面図である。

図２３の流量制限器の第１の層の上面図である。

図２３の流量制限器の第２の層の上面図である。

図２３の流量制限器の第３の層の上面図である。

層流制限器の第５の実施形態の斜視図である。

図３０の流量制限器を形成する層の一部を示す斜視図である。

図３１の流量制限器の部分の端面図である。

図３１の流量制限器の部分の分解斜視図である。

図３１の流量制限器の部分のＸＸＸＩＶ－ＸＸＸＩＶに沿った断面図である。

図３１の流量制限器の第１の層の上面図である。

図３１の流量制限器の第２の層の上面図である。

開示された流量制限器を製造する方法を示す複数の層ブランクの分解斜視図である。

図３７の発明の第１の層の上面図である。

図３７の発明の第２の層の上面図である。

図３７の発明による仕上げ前の抵抗器スタックの斜視図である。

図３７の発明による仕上げ後の抵抗器スタックの斜視図である。

本発明の原理による例示的な実施形態の説明は、書面による説明全体の一部と見なされるべき添付の図面に関連して読むことを意図している。本明細書に開示される本発明の実施形態の説明において、方向または配向への言及は、単に説明の便宜のために意図されており、本発明の範囲を限定することを決して意図されていない。「下の」、「上の」、「水平」、「垂直」、「上」、「下」、「上へ」、「下へ」、「左」、「右」、「上部」、「下部」などの相対的な用語」およびその派生物（例えば、「水平方向」、「下向き」、「上向き」など）は、その時点で説明されている、または議論中の図面に示されている方向を指すと解釈されるべきである。これらの相対的な用語は、説明の便宜上のものであり、明示的に示されていない限り、装置を特定の方向に構築または操作する必要はない。「取り付けられた」、「固定された」、「接続された」、「結合された」、「相互接続された」などの用語は、特に明記されていない限り、構造が、介在する構造や、可動式または固定式のアタッチメントまたは関係を介して、直接的または間接的に相互に固定または接続されている関係を指す。さらに、本発明の特徴および利点は、好ましい実施形態を参照することによって示されている。したがって、本発明は、単独でまたは他の特徴の組み合わせで存在し得るいくつかの可能な非限定的な特徴の組み合わせを示すそのような好ましい実施形態に明確に限定されるべきではない。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって定められる。

本発明は、ガス流を制御するための装置で使用するための層流制限器に関する。いくつかの実施形態では、装置は、ガスの既知の質量流量を半導体または同様のプロセスに送達するための質量流量コントローラとして機能することができる。半導体製造は、ガスの流れを制御する上で高性能を要求する産業の１つである。半導体製造技術が進歩するにつれて、顧客は、供給されるガス流の質量において精度と再現性が向上したフロー制御デバイスの必要性を認識している。最新の半導体プロセスでは、ガスフローの質量を厳密に制御し、応答時間を最小限に抑え、ガスフローを非常に正確にする必要がある。本発明は、供給された流れにおいて改善された精度および再現性を提供する。

図１は、１つまたは複数の層流制限器を利用する例示的な処理システム１０００の概略図を示している。処理システム１０００は、処理チャンバ１３００に流体結合された流量を制限するための複数の装置１００を利用することができる。流量を制御するための複数の装置１００は、１つまたは複数の異なるプロセスガスを処理チャンバ１３００に供給するために使用される。半導体などの物品は処理チャンバ１３００内で処理され得る。弁１１００は、流量を制御するための装置１００のそれぞれを処理チャンバ１３００から隔離し、流量を制御するための装置１００のそれぞれを処理チャンバ１３００から選択的に接続または隔離することを可能にして、様々な異なる処理ステップを容易にする。処理チャンバ１３００は、流量を制御するための複数の装置１００によって供給されるプロセスガスを適用するためのアプリケータを含み得、流量を制御するための複数の装置１００によって供給されるガスの選択的または拡散分配を可能にする。さらに、弁１１００によって処理チャンバ１３００から隔離されて、プロセスガスの排出を可能にするか、または流れを制御するための同じ装置内のプロセスガス間の切り替えを可能にするために流量を制御するための装置１００の１つまたは複数のパージを容易にする真空源１２００を備える。任意選択で、流量を制御するための装置１００は、質量流量コントローラ、フロースプリッタ、または処理システム内のプロセスガスの流れを制御する任意の他の装置であり得る。さらに、弁１１００は、必要に応じて、流量を制御するための装置１００に統合され得る。

処理システム１００において実施され得るプロセスは、湿式洗浄、フォトリソグラフィー、イオン注入、乾式エッチング、原子層エッチング、湿式エッチング、プラズマアッシング、急速熱アニーリング、ファーネスアニーリング、熱酸化、化学蒸着、原子層堆積、物理蒸着、分子ビームエピタキシー、レーザーリフトオフ、電気化学堆積、化学機械研磨、ウェーハテスト、または制御された量のプロセスガスを利用するその他のプロセスを含み得る。

図２は、処理システム１０００で利用され得る流れ１００を制御するための１つのタイプの装置である、例示的な質量流量コントローラ１０１の概略図を示す。質量流量コントローラ１０１は、入口１０４に流体結合されたプロセスガスのガス供給を有する。入口は、比例弁１２０を通って流れるプロセスガスの量を変化させることができる比例弁１２０に流体結合されている。比例弁１２０は、Ｐ１容積１０６に通過するプロセスガスの質量流量を計測する。比例弁１２０は、完全に開閉する必要がないようにプロセスガスの比例制御を提供することができるが、代わりに、プロセスガスの質量流量の制御を可能にする中間状態を有し得る。

Ｐ１容積１０６は、比例弁１２０に流体的に結合され、Ｐ１容積１０６は、比例弁１２０と流量制限器１６０との間の質量流量コントローラ１０１内のすべての体積の合計である。圧力変換器１３０は、Ｐ１ボリューム１０６内の圧力の測定を可能にするためにＰ１ボリューム１０６に結合されている。オン／オフ弁１５０は、流量制限器１６０と比例弁１２０との間に配置され、Ｐ１容積１０６からのプロセスガスの流れを完全に停止するために使用され得る。任意選択で、流量制限器１６０は、代替構成のオン／オフ弁１５０および比例弁１２０の間に配置され得る。最後に、流量制限器１６０は、質量流量コントローラ１０１の出口１１０に流体的に結合されている。処理システムにおいて、出口１１０は、弁１１００に流体的に結合されているか、または処理チャンバ１３００に直接結合されている。

第１のオン／オフ弁１５０の内部は、弁座および閉鎖部材である。装置１００がプロセスガスを供給しているとき、第１のオン／オフ弁１５０は開状態にあり、その結果、弁座と閉鎖部材は接触していない。これにより、プロセスガスの流れが可能になり、流体の流れに対する制限が無視できるようになる。第１のオン／オフ弁１５０が閉状態にあるとき、閉鎖部材および弁座は、ばねによって接触するようにバイアスされ、第１のオン／オフ弁１５０を通るプロセスガスの流れを停止する。

流量制限器１６０は、比例弁１２０と組み合わせて、プロセスガスの流量を測定するために使用される。ほとんどの実施形態では、流量制限器１６０は、流体の流れに既知の制限を提供する。第１の特徴付けられた流量制限器１６０は、所与のプロセスガスの所望の範囲の質量流量を送達するように、特定の流れインピーダンスを有するように選択され得る。流量制限器１６０は、流量制限器１６０の上流および下流の通路よりも流れに対する抵抗が大きい。

任意選択で、質量流量コントローラ１０１は、流量制限器１６０およびオン／オフ弁１５０の下流にある１つまたは複数のＰ２圧力変換器を備える。Ｐ２圧力変換器は、流量制限器１６０全体の圧力差を測定するために使用される。実施形態では、流量制限器１６０の下流のＰ２圧力は、処理チャンバに接続された別の装置１００から取得することができ、読み取り値は、質量流量コントローラ１０１に伝達される。

任意選択で、温度センサーを使用して、質量流量コントローラ１０１の精度をさらに高めることができる。それらは、質量流量コントローラ１０１のベースのＰ１ボリューム１０６の近くに取り付けることができる。追加の温度センサーは、比例弁１２０、圧力変換器１３０、およびオン／オフ弁１５０を含む様々な場所に使用することができる。

図３～９を参照すると、流量制限器１６０の第１の実施形態がより詳細に示されている。流量制限器１６０は、リストリクタースタック１７０を形成する複数の層として構築される。リストリクタースタック１７０は、図３に示すように細長い長方形の形状をとることができる。流量制限器１６０は、長手方向軸Ａ－Ａに沿って第１の端部１６１から第２の端部１６１まで延びる。流路を含む複数の層２１０は、流路を含まない複数の外層２２０の間に挟まれている。流量制限器１６０は、複数の層２１０、２２０からなる第１の側面１６３および反対側の第２の側面１６４を有する。流量制限器１６０は、前面１６５および反対側の背面１６６をさらに備える。外層２２０は、流路を含む層２１０の反対側にある流路を囲む。外層２２０は、流路を含む層２１０と同じ厚さを有する場合も、そうでない場合もある。層２１０の選択が図４に示され、これは、流路の一部および層２１０の構成を示している。層２１０のそれぞれは、第１の端部２１３から第２の端部２１４まで延びる。流路は図４で見ることができる。流路の詳細については、以下で詳しく説明する。

図５Ａおよび５Ｂに示されるように、層２１０は、層２１０の両端２１３、２１４に形成された複数の開口部２１２を備える。代替の実施形態では、開口部２１２は、反対側の端部にある必要はなく、代わりに、隣接する側に形成され得るか、または単一の端部にのみ形成され得る。開口部２１２はまた、ガスが、長手方向軸Ａ―Ａに垂直な、長方形の層２１０のより短い方向を横切って流れるように形成され得る。層２１０はまた、長方形である必要はなく、正方形または他の任意の所望の形状であり得る。さらに、開口部が層２１０の平面に形成されて、ガスが層２１０の平面に垂直に流れ、次に角を曲がって層２１０の平面内を流れることも考えられる。開口部２１２、層２１０の形状、および結果として生じる流量制限器１６０の形状は、結果として生じる流量制限器１６０を受け入れる流路の形状に応じて、必要に応じて適合させることができる。開口部２１２の特定の配置、層２１０の形状、および結果として生じる流量制限器１６０の形状は、結果として生じる流量制限器１６０を受け入れる流路の形状に応じて、必要に応じて適合させることができる。流量制限器１６０は、ガスが層２１０のいくつかまたはすべての平面に垂直に流れるように形成された開口部２１２および／または流量制限器１６０の周りに形成された開口部２１２を備えた環状構成を有することも考えられる。

図６は、層２１０の分解図を示している。層２１０は、２つの第１の層２３０および２つの第２の層２６０を含む。図８および９に示されるように、第１の層２３０は、第１の側２３１、第２の側面２３２、第３の側面２３３、第４の側面２３４、前面２３５、および反対側の背面２３６を有する。第１の層２３０は、入口通路２３７、Ｕ通路２３８、および長手方向通路２３９を含む一連の流路を有する。入口通路およびＵ通路はそれぞれ、第１の層２３０の厚さの一部にのみ形成され、一方、長手方向通路２３９は、第１の層２３０の厚さ全体を通って延びる。第２の層２６０も、第１層２４０の入口通路２３７およびＵ通路２３８に対応する前面２６５に形成された入口通路２６７およびＵ通路２６８を有する。第１層２３０および第２層２６０が、前面２３５、２６５が互いに向き合うように積み重ねられる場合、入口通路２３７、２６７は、層２３０、２６０の第１および第２の側面２３１、２６１、２３２、２６２の上に開口部２１２を形成する。図７に最もよく示されるように、追加の第１の層２３０および第２の層２６０と組み合わせて、複数の流路２７０が形成され、複数の層２１０の一方の端部２１３の開口部２１２から、複数の層２１０の反対側の第２の端部２１４まで延びる。

図５Ａに戻ると、開口部２１２は、第１のエッジ２１５、２第２のエッジ２１６、第３のエッジ２１７、および第４のエッジ２１８を有する。第１のエッジ２１５は、第１の層２３０によって形成され、第２のエッジ２１６は第２の層２６０によって形成され、第３および第４のエッジ２１７、２１８は、それぞれ、第１の層２３０の一部および第２の層２６０の一部によって形成される。

流路２７０は、所望の流れインピーダンスを達成するために、任意の所望の方法で変更することができる。例えば、流路２７０の数は、複数の層２１０の数を増減することによって増減させることができる。さらに、流路２７０の長さは、通路２７０がそれ自体で二重に戻る回数を変えること、結果として生じるＵ通路２３８、２６８および長手方向通路２３９の数を変えることによって、増減させることができる。より多くのまたはより少ない数の流路２７０が、第１および第２の層２３０、２６０の対に形成され得る。通路２７０もまた増減させることができ、第１および第２の層２３０、２６０の厚さを変えることができる。実際、第１および第２の層２３０、２６０のすべての対に同じ厚さを使用する必要はない。複数の層２１０内の各層は、流量制限器１６０の結果として生じる流れインピーダンスを変更するために個別に変えることができる。

流量制限器１６０は、最初に各層２１０を個別にまたはアレイでエッチングすることによって製造される。層２１０は、すべて同じ材料で形成され得るか、または異なる材料で形成され得る。エッチングは、必要な複数の深さを達成するために、単一のステップまたは一連のステップで実行することができる。レーザーアブレーション、マイクロマシニング、または他の既知のプロセスなどの代替プロセスも使用できる。複数の層２１０が形成されると、それらは、エッチングされていない外層２２０と組み立てられ、拡散結合によって接合される。この場合も、当技術分野で知られているように、接着剤を用いた従来の接着、溶接、または同様のプロセスなどの代替技術を使用することもできる。得られた層２１０、２２０のスタックが結合され、流路２７０を密封し、流量制限器１６０を形成する。その後の仕上げステップを実行して、流路（流量制限器１６０が設けられる場所）の寸法に適合するように流量制限器１６０の全体的な形状またはサイズを変更することができる。これらのプロセスには、研削、機械加工、レーザー切断、ウォータージェット、またはその他の既知の技術が含まれる場合がある。実際、流量制限器１６０は、長方形のままである必要はなく、以下でさらに説明するように、円筒形に形成することができる。

図１０～１６では、流量制限器３００の第２の実施形態が図１０に最もよく示されている。明示的に記載されていない限り、参照番号は、流量制限器１６０の第１の実施形態のものと同一である。流量制限器３００の第２の実施形態は、長手方向軸Ａ－Ａに沿って第１の端部３０２から第２の端部３０３まで延び、流路を有する複数の層３１０、および流路を有しない複数の外層３２０から形成される。結合後、層３１０、３２０は、円筒形のボアへの挿入を容易にする円筒形に後処理され、弁または他のフローデバイスへの流量制限器３００の容易な設置を可能にする。

図１１に示されるように、層３１０の選択が斜視図で示されている。層３１０は、第１の端部３１３から第１の端部３１３の反対側の第２の端部３１４まで延びる。図１２Ａおよび１２Ｂは、層３１０の第１の端部３１３に形成された開口部３１２を最もよく示している。また見られるように、層３１０は、２つの第１の層３３０および２つの第２の層３６０を含む。図１２Ｂによく示されるように、開口部３１２は、第１のエッジ３１５、第１のエッジ３１５の反対側の第２のエッジ３１６、第３のエッジ３１７、および第３のエッジ３１７の反対側の第４のエッジ３１８を有する。第１および第２のエッジ３１５、３１６は、第１の層３３０によって形成される。そして、第３および第４のエッジ３１７、３１８は、それぞれ、第２の層３６０によって形成される。

層３１０の分解図が図１３に示され、制限器３００の流路をよりよく示している。図１５および１６は、それぞれ、第１の層３３０および第２の層３６０を示している。第１の層３３０は、第１の側面３３１、第２の側面３３２、第３の側面３３３、第４の側面３３４、前面３３５、および反対側の背面３３６を有する。第２の層３６０は、第１の側面３６１、第２の側面 ３６２、第３の側面３６３、第４の側面３６４、前面３６５、および反対側の背面３６６を有する。第１の層３３０は、層遷移開口部３４０で終端する一連の長手方向通路３３９を有する。長手方向通路３３９および層遷移開口部３４０は、第１の層３３０の全体に延びる。第２の層３６０は、第１および第２の側面３６１、３６２から延びるノッチ３６９を有する。ノッチ３６９はまた、第２の層３６０の全体に延びる。図１４に見られるように、開口部３１２は、層３３０、３６０が示されるように交互に積み重ねられるとき、ノッチ３６９の開放端によって形成される。流路３７０は、示されるように、層３３０、３６０の積み重ねによって形成される。代替の実施形態では、層遷移開口部は、様々な形状で形成され得、チャネルの端部での流路輪郭の有無にかかわらず、または異なる形状の輪郭で形成され得る。

この場合も、複数の層３３０、３６０が積み重ねられ、外側層３２０と組み立てられる。次に、これらの層は、拡散結合または同様の技術によって結合される。次に、得られた抵抗器スタックは、図１０に示すように円筒形に研削または機械加工される。この円筒形はまた、流量制限器３００をデバイスのボアにシールするシールの取り付けを容易にする環状溝を組み込んで、流量制限器３００を通過するガスのみが、通路３７０を通過しなければならない。他の実施形態では、最終部品は、異なる形状に機械加工され得るか、あるいは、結合された抵抗器スタックによって形成された生の形状のままにされ得る。

流量制限器４００の第３の実施形態は、図１７－２２に示されている。図１７は、流量制限器４００の流路を形成する複数の層５１０の選択を示している。外層は、他の実施形態のものと実質的に同一であるため、この実施形態では示されていない。複数の層４１０は、第１の端部４１３から第１の端部４１３の反対側の第２の端部４１４まで延びる。図１８に最もよく示されるように、開口部４１２が第１の端部４１３および第２の端部４１４に形成されて、流量制限器４００へのガスの出入りを許可する。図１９は、流路をよりよく説明するために、複数の層４１０の分解図を示している。見られるように、複数の層４１０は、２つの第１の層４３０および２つの第２の層４６０を含む。

図２１および２２は、それぞれ、第１の層４３０および第２の層４６０を示している。第１の層４３０は、第１の側面４３１、第２の側面４３２、第３の側面４３３、第４の側面４３４、前面４３５、および反対側の背面４３６を有する。第２の層４６０は、第１の側面４６１、第２の側面４６２、第３の側面４６３、第４の側面４６４、前面４６５、および反対側の背面４６６を有する。第１の層４３０は、真っ直ぐな側面および各端部に半径を有する細長い構成を有する一連の長手方向通路４３９を有する。第２の層４６０は、平行な側面を有するＵ字形から、第２の層４６０の第１の側面４６１または第２の側面４６２に近づくにつれて幅が増加する角度のある側面に移行するノッチ４６９を有する。ノッチ４６９は、第１および第２の層が整列されているときに、長手方向通路４３９と重なる。第２の層４６０はまた、２つの隣接する長手方向通路４３９の接続を可能にして、１つの開口部４１２から他の開口部４１２までの流路の有効長を増加させるＤ字形の開口部４６８を有する。使用できるＤ字形の開口部の数に制限はない。さらに、開口部４６８をＤ形状に制限する必要はなく、それらは、隣接する長手方向通路４３９間の接続を容易にするための任意の所望の形状であり得る。代替の実施形態では、ノッチ４６９は、異なる形状にすることができる。例えば、長方形、くさび、または他の形状などの形状を使用することができる。さらに、長手方向通路４３９は、流れの特性を改善するためにそれらに輪郭を付けることができる。したがって、長手方向通路４３９は、一定の幅で形成される必要はなく、それらの長さに沿ったいずれかの端部または任意の場所で様々な幅を有することができる。さらに別の実施形態では、第３の層（または複数の層）は、第１の層４３０と第２の層４６０との間にインターリーブされ得、その結果、各第１の層４３０は、１つの第２の層４６０とのみ接触し、後続のシート間の開口部４６８は、隣接する第１および第２の層４３０、４６０を除く流れ遷移を許可する。

図２０に最もよく見られるように、開口部４１２は、層４３０、４６０が示されるように交互に積み重ねられるとき、ノッチ４６９の開放端によって形成される。流路４７０は、示されるように、層４３０、４６０の積み重ねによって形成される。層４３０、４６０は、この実施形態では等しい厚さであるが、必要に応じて異なる厚さを有し得る。

流量制限器５００の第４の実施形態は、図２３－２９に示されている。図２３は、流量制限器５００の流路を形成する複数の層５１０の選択を示している。外層は、他の実施形態のものと実質的に同一であるため、この実施形態では示されていない。複数の層５１０は、第１の端部５１３から第１の端部５１３の反対側の第２の端部５１４まで延びる。図２４に最もよく示されるように、開口部５１２が第１の端部５１３および第２の端部５１４に形成されて流量制限器５００へのガスの出入りを許可する。図２５は、流路をよりよく説明するために、複数の層５１０の分解図を示している。見られるように、複数の層５１０は、第１の層５３０、第２の層５６０、および第３の層５８０を含む。

図２７－２９は、それぞれ、第１の層５３０、第２の層５６０、および第３の層５８０を示している。第１の層５３０は、第１の側面５３１、第２の側面５３２、第３の側面５３３、第４の側面５３４、前面５３５、および反対側の背面５３６を有する。第２の層５６０は、第１の側面５６１、第２の側面５６２、第３の側面５６３、第４の側面５６４、前面５６５、および反対側の背面５６６を有する。第１の層５３０は、真っ直ぐな側面および各端部に半径を有する細長い構成を有する一連の長手方向通路５３９を有する。第２の層５６０は、平行な側面を有するＵ字形から、第２の層５６０の第１の側面５６１または第２の側面５６２に近づくにつれて幅が増加する角度のある側面に移行するノッチ５６９を有する。ノッチ５６９は、第１および第２の層が整列されたとき、長手方向通路５３９と重なる。第３の層５８０は、第１の側面５８１、第２の側面５８２、第３の側面５８３、第４の側面５８４、前面５８５、および反対側の背面５８６を有する。図２６に最もよく見られるように、開口部５１２は、層５３０、５６０が示されるように交互に積み重ねられるとき、ノッチ５６９の開放端によって形成される。流路５７０は、示されるように、層５３０、５６０の積み重ねによって形成される。層５３０、５６０は、この実施形態では等しい厚さであるが、必要に応じて異なる厚さを有し得る。第３の層は、流路の密度を減少させるのに有用であり得、流れが流量制限器５００の断面積全体により均一に分配されることを確実にする。これは、非常に高い流れインピーダンスの流量制限器を製造するのに特に有用である。

流量制限器６００の第５の実施形態は、図３０－３６に示されている。図３０は、流量制限器６００を斜視図で示している。流量制限器６００は、第１の端部６０２から第２の端部６０３まで延在し、その中に流路を有する層６１０を取り囲む外層６２０を有する。層６１０の選択は、斜視図で図３１に示されている。これらの層６１０は、第１の端部６１３から第２の端部６１４まで延在し、第１および第２の端部６１３、６１４に開口部６１２がある。層６１０の分解図が図３３に示され、２つの第１の層６３０および２つの第２の層６６０を示す。

第１の層６３０および第２の層６６０は、図３５および図３６に示されている。第１の層６３０は、第１の側面６３１、第２の側面６３２、第３の側面６３３、第４の側面６３４、前面６３５、および反対側の背面６３６を有する。第２の層６６０は、第１の側面６６１、第２の側面６６２、第３の側面６６３、第４の側面６６４、前面６６５、および反対側の背面６６６を有する。第１の層６３０は、Ｕ字形部分６４０または開口部６４１と係合する細長い構成を有する一連の長手方向通路６３９を有する。第２の層６６０には、流路または他の特徴がない。見てわかるように、流量制限器６００では、ガスは、もっぱら単層６３０上に留まり、第１の層６３０、第２の層６３０、６６０の間を移行しない。代わりに、それは、第１の側面６３１の開口部６４１を通って入り、下方の長手方向通路６３９を移動し、Ｕ字形部分６４０に沿って少なくとも２回戻って、第２の側面６３２の開口部６４１を通って出る。正確な流路は、ジグザグに変更され得、２つより多いＵ字形部分６４０を利用し、Ｕ字形部分６４０を利用せず、または層６３０上の他の経路を取り得る。しかし、この実施形態では、それは第２の層６６０を通って流れることは決してない。長手方向通路３６９、Ｕ字形部分６４０、および開口部６４１はすべて、第１の層６３０の厚さ全体を通って延びる。代替構成では、単一シート流（ｓｉｎｇｌｅ ｓｈｅｅｔ ｆｌｏｗ）は、シートの寸法が接着前の組み立て中にそのまま残るように、シートを部分的にのみ通過する流路深さを形成することによって得ることができる。

図３４に最もよく示されているように、流路６７０は、示されているように、層６３０、６６０の積み重ねによって形成されている。層６３０、６６０は、この実施形態では等しい厚さであるが、必要に応じて異なる厚さを有することができる。層６３０、６６０は、エッチング化学物質にさらされたときに異なる反応性を有する異なる材料から個別に形成される。第１の層６３０の材料は、第２の層６６０の材料よりも反応性が高く、第２の層６６０を大幅にエッチングすることなく、第１の層６３０の効果的なエッチングを容易にすることができる。層対は、１つの第１の層６３０を１つの第２の層６６０と組み立てることによって形成される。次に、層の対は拡散結合されるので、それらは容易に分離することができない。上で論じたように、他の結合技術を利用することができる。次に、層対は、第２の層６６０をエッチングすることなく、流路６７０が第１の層６３０に形成されるようにエッチングされる。次に、層対は、流路６７０を有する複数の層６１０に組み立てられる。外層６２０も、流路６７０を有する複数の層６１０と組み立てられる。最後に、層６１０、６２０は、一緒に拡散結合されている。場合により、粉砕などの後処理を使用して、流量制限器６００を形成し、それをデバイスの流路への設置に適合させることができる。

流路は、流量制限器の一端から流量制限器の他端まで真っ直ぐに延びる必要はなく、または平行な列で二重に戻る必要がないことに留意されたい。代わりに、流路は、ジグザグ、アーク、または完成した流量制限器で所望の流れインピーダンスを達成するために必要な他の経路をとることができると考えられている。複数の層の遷移を行うこともでき、分岐して再結合する流路、２つまたは３つ以上の層を横切る遷移などの使用を可能にする。さらに、流量制限器は、開示された実施形態のハイブリッドを構築することができるように、特定の実施形態の特徴を組み合わせて組み込むことができると考えられる。上記制限器の設計を使用して、高度な層流と高い部品間再現性を実現できる。この高い再現性により、１つまたは複数の層流要素を利用するフロー制御デバイスを製造する際のキャリブレーション要件が軽減される。

本発明による流量制限器を形成する方法を示す詳細は、図３７－４１に示されている。図３７は、分解図における複数の層ブランク７１０を示している。各層ブランクは、第１のエッジ７１１、第１のエッジの反対側の第２のエッジ７１２、第３のエッジ７１３、および第３のエッジの反対側の第４のエッジ７１４を有する。層ブランク７１０は、前面７１５と、前面７１５の反対側にある背面７１６とをさらに含む。層ブランク７１０は、図３８および３９にさらに示されるように、第１の層７３０および第２の層７６０に形成される。第１の層７３０は、第２の空洞７３２を第１の層７３０に形成することによって層ブランク７１０から改変される。第２の層７６０は、第１の空洞７６１および第３の空洞７６３を第２の層７６０に形成することによって層ブランク７１０から改変される。第１、第２、および第３の空洞７６１、７３２、７６３は、それぞれの第１および第２の層７３０、７６０の前面７１５に形成される。好ましくは、空洞７６１、７３２、７６３は、層７３０、７６０の厚さを通して形成される。いくつかの実施形態では、空洞７６１、７３２、７６３のいくつかまたはすべては、層７３０、７６０の厚さを通して部分的にのみ形成され得る。図示の方法では、空洞７６１、７３２、７６３が前面７１５から背面７１６まで形成される。空洞７６１、７３２、７６３は、層ブランク７１０の第１、第２、第３、および第４のエッジ７１１、７１２、７１３、７１４から離間されている。

空洞７６１、７３２、７６３は、層ブランク７１０をエッチングすることによって形成される。マイクロマシニング、レーザーアブレーション、または他の既知の技術などの代替プロセスが利用可能である。図４０に示されるように、抵抗器スタック７７０は、複数の層７３０、７６０から形成される。空洞７６１、７３２、７６３の形成に続いて、層７３０、７６０は、交互の層に積み重ねられ、層７３０、７６０は、第２の空洞７６２が第１および第３の空洞７６１、７６３と重なるように整列状態に保たれる。次に、層７３０、７６０が結合されて、単一構成要素として抵抗器スタック７７０を形成する。層７３０、７６０は、拡散接合、溶接、接着、または他の任意の既知の技術によって接合することができる。

抵抗器スタック７７０は、第１および第２の層７３０、７６０の第１のエッジ７１１によって形成される第１の未完成端部７７１を備える。反対側の第２の未完成端部７７２は、抵抗器スタック７７０の第１および第２の層７３０、７６０の第２のエッジ７１２によって形成される。見られるように、空洞は、未完成端部７７１、７７２に露出されていない。代替の実施形態では、層７３０、７６０のうちの１つだけが空洞を有する必要があり、他の層７３０、７６０には空洞がない。これにより、図３０－３６に示すような抵抗器を形成できる。さらに他の実施形態では、図２３－２７に示されるような３つ以上の異なるタイプの層を利用することができる。層を交互に積み重ねる必要はないが、代わりに単に互いに分離することができる。したがって、変更されていない層ブランク７１０は、必要に応じて、第１および第２の層とインターリーブされ得る。完成した流量抵抗器に少なくとも１つの流路が形成されている限り、層の任意の組み合わせを作成できる。

図４１は、仕上げ操作が完了した後の抵抗器スタック７７０を示している。これらの仕上げ操作は、２つの代替形式のいずれかを取ることができる。第１のプロセスにおいて、未完成端部７７１、７７２は、抵抗器スタック７７０から切り離されて、第１および第３の空洞７６１、７６３を露出させる。露出した第１および第３の空洞７６１、７６３は、第１および第２の完成した端部７７３、７７４に開口部７１２を形成する。これにより、第１の完成した端部７７３の開口部７１２から第２の完成した端部の開口部７１２まで延びる流路が生じる。必要に応じて、未完成端部７７１、７７２を除去する前に、抵抗器スタック７７０に対して追加の材料除去操作を行うことができる。これは、流路に入る破片の量を最小限に抑え、結果として生じる流量制限が流量制限器によって提供される理論上の流量制限に密接にマッチすることを保証する。さらに、破片が流路に入らないようにすることで、製造の再現性が大幅に向上する。

代替の第２のプロセスでは、抵抗器スタック７７０の未完成端部７７１、７７２は、機械加工、フライス盤旋削、鋸引き、研削、放電加工、またはエッチングなどの従来の材料除去プロセスによって除去される。未完成端部７７１、７７２が除去されて完成品の端部７７３、７７４を形成すると、抵抗器スタック７７０は脱イオン水ですすがれる。電解研磨プロセスを使用して、残っている金属粒子を溶解し、粗さが非常に低い表面を生成する。次に、脱イオン水が流路にポンプで送られ、電解研磨液が洗い流される。次に、抵抗器スタック７７０を乾燥させ、続いて硝酸溶液を使用して、残っている遊離の鉄、リン酸塩、および硫酸塩をすべて除去する。これにより、表面が非常にきれいになり、汚染物質がなくなる。

本発明は、本発明を実施するための現在好ましいモードを含む特定の例に関して説明されてきたが、当業者は、上記のシステムおよび技術の多数の変形および順列が存在することを理解するであろう。他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的および機能的改変を行うことができることを理解されたい。したがって、本発明の精神および範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されているように広く解釈されるべきである。

Claims (42)

1. ガスの流れを制限するための流量制限器であって、
   第１の端部と、
   第２の端部と、
   前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる長手方向軸に沿って前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる複数の第１の層と、
   前記長手方向軸に沿って前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる複数の第２の層と、
   前記複数の第１の層および前記複数の第２の層によって区画される前記第１の端部の第１の開口部と、
   前記複数の第１の層および前記複数の第２の層によって区画される前記第２の端部の第２の開口部と、
   を備え、ここで、流路は、前記複数の第１の層および前記複数の第２の層によって区画され、かつ前記第１の開口部から前記第２の開口部まで延びる、流量制限器。
2. 複数の第１の開口部、前記複数の第２の開口部、および複数の流路をさらに含み、前記複数の流路のそれぞれは、前記複数の第１の開口部のうちの１つから前記複数の第２の開口部のうちの１つまで延びる、請求項１に記載の流量制限器。
3. 複数の第１の層および複数の第２の層が抵抗器スタックに配置され、前記抵抗器スタックは、前記複数の第１の層のうちの１つおよび前記複数の第２の層のうちの１つが交互に配置されたものを含む、請求項１に記載の流量制限器。
4. 前記複数の第１の層の各層が、前記複数の第１の層の他のすべての層から離間して分離されている、請求項１に記載の流量制限器。
5. 前記複数の第１の層および前記複数の第２の層が抵抗器スタックを形成する、請求項１に記載の流量制限器。
6. 前記抵抗器スタックは、前記流量制限器の前面および反対側の背面を形成する複数の外層をさらに含む、請求項５に記載の流量制限器。
7. 複数の第１の層のそれぞれが、第１の側面、前記第１の側面の反対側の第２の側面、第３の側面、前記第３の側面の反対側の第４の側面、前面、および反対側の背面を含み、前記流路は、前記第１の層の前面に形成された長手方向通路を含む、請求項１に記載の流量制限器。
8. 前記複数の第２の層のそれぞれが、第１の側面、前記第１の側面の反対側の第２の側面、第３の側面、前記第３の側の反対側の第４の側面、前面、および反対側の背面を含み、前記流路が、前記第２の層の前面または前記第２の層の背面のうちの１つに形成された第１の入口通路および第２の入口通路を含む、請求項７に記載の流量制限器。
9. 前記第１の入口通路および前記第２の入口通路が、前記長手方向通路に流体結合されている、請求項８に記載の流量制限器。
10. 前記第１の入口通路および前記第２の入口通路が、前記第２の層の前面から前記第２の層の背面まで延びる、請求項８に記載の流量制限器。
11. 前記流路が、前記第２の層の前面または前記第２の層の背面のうちの１つに形成されたＵ通路を含み、前記Ｕ通路が前記長手方向通路に流体結合されている、請求項８に記載の流量制限器。
12. 前記長手方向通路が、前記第１の層の前面から前記第１の層の背面まで延びる、請求項７に記載の流量制限器。
13. 前記第１の開口部が、複数の第１の層のうちの第１の層によって形成される第１のエッジ、複数の第１の層のうちの第２の層によって形成される第２のエッジ、複数の第２の層のうちの第１の層によって形成される第３のエッジ、および複数の第２の層のうちの第１の層によって形成される第４のエッジを含む、請求項１に記載の流量制限器。
14. 前記第１の開口部が、複数の第１の層のうちの第１の層によって形成される第１のエッジ、複数の第２の層の第１の層によって形成される第２のエッジ、複数の第１の層のうちの第１の層の第１の部分および複数の第２の層の第１の層の第１の部分によって形成される第３のエッジ、および複数の第１の層のうちの第１の層の第２の部分および複数の第２の層のうちの第１の層の第２の部分によって形成される第４のエッジを含む、請求項１に記載の流量制限器。
15. 前記流路は、複数の第２の層のうちの第１の層に形成された第１の入口通路、複数の第２の層のうちの第１の層に形成された第２の入口通路、および複数の第１の層のうちの第１の層に形成された長手方向通路を含み、前記第１の開口部は、前記第１の入口通路によって区画され、前記第２の開口部は、前記第２の入口通路によって区画され、前記第１の入口通路および前記第２の入口通路が、前記長手方向通路に流体結合されている、請求項１に記載の流量制限器。
16. 前記流路が、複数の第１の層のうちの第１のものから複数の第２の層のうちの第１のものまで横切る、請求項１に記載の流動制限器。
17. 複数の第１の層それぞれが同一であり、複数の第２の層それぞれが同一である、請求項１に記載の流量制限器。
18. 流体を送達するための質量流量制御装置であって、
    入口通路、出口通路、弁座、および閉鎖部材を含む弁と、
    前記入口通路または前記出口通路のうちの１つに配置された流量制限器であって、
    第１の端部；
    第２の端部；
    前記第１の端部から前記第２の端部までに延びる長手方向軸に実質的に平行に延びる複数の層；
    前記第１の端部の第１の開口部；
    前記第２の端部の第２の開口部；および
    前記複数の層によって区画され、かつ前記第１の開口部および前記第２の開口部に流体結合された流路
    を備える、流量制限器と、
    を含む、質量流量制御装置。
19. 前記複数の層が、抵抗器スタックを形成し、前記抵抗器スタックが複数の第１の層および複数の第２の層を含む、請求項１８に記載の質量流量制御装置。
20. 前記抵抗器スタックが、複数の外層をさらに含む、請求項１９に記載の質量流量制御装置。
21. 前記複数の第１の層の各層は、前記複数の第１の層の他のすべての層から離間され、隔離されている、請求項１９に記載の質量流量制御装置。
22. 前記複数の第１の層のそれぞれが、第１の側面、前記第１の側面の反対側の第２の側面、第３の側面、前記第３の側面の反対側の第４の面、前面、および反対側の背面を含み、前記流路が、前記第１の層の前面に形成された長手方向通路を含む、請求項１９に記載の質量流量制御装置。
23. 前記複数の第２の層のそれぞれが、第１の側面、前記第１の側面の反対側の第２の側面、第３の側面、前記第３の側の反対側の第４の側面、前面、および反対側の背面を含み、前記流路が、前記第２の層の前面または前記第２の層の背面のうちの１つに形成された第１の入口通路および第２の入口通路を含む、請求項２２に記載の質量流量制御装置。
24. 前記第１の入口通路および前記第２の入口通路が前記長手方向通路に流体的に結合されている、請求項２３に記載の質量流量制御装置。
25. 前記第１の入口通路および前記第２の入口通路が、前記第２の層の前面から前記第２の層の背面まで延びる、請求項２３に記載の質量流量制御装置。
26. 前記流路が、前記第２の層の前面または前記第２の層の背面のうちの１つに形成され、かつ前記長手方向通路に流体結合されたＵ通路を備える、請求項２２に記載の質量流量制御装置。
27. 前記長手方向通路が、前記第１の層の前面から前記第１の層の背面まで延びる、請求項２２に記載の質量流量制御装置。
28. 前記第１の開口部が、複数の第１の層のうちの第１の層によって形成される第１のエッジ、複数の第１の層のうちの第２の層によって形成される第２のエッジ、複数の第２の層のうちの第１の層によって形成される第３のエッジ、および複数の第２の層のうちの第１の層によって形成される第４のエッジを含む、請求項１８に記載の質量流量制御装置。
29. 前記第１の開口部が、複数の第１の層のうちの第１の層によって形成される第１のエッジ、複数の第２の層の第１の層によって形成される第２のエッジ、複数の第１の層のうちの第１の層の第１の部分および複数の第２の層の第１の層の第１の部分によって形成される第３のエッジ、および複数の第１の層のうちの第１の層の第２の部分および複数の第２の層のうちの第１の層の第２の部分によって形成される第４のエッジを含む、請求項１８に記載の質量流量制御装置。
30. 前記流路は、複数の第２の層のうちの第１の層に形成された第１の入口通路、複数の第２の層のうちの第１の層に形成された第２の入口通路、および複数の第１の層のうちの第１の層に形成された長手方向通路を含み、前記第１の開口部は、前記第１の入口通路によって区画され、前記第２の開口部は、前記第２の入口通路によって区画され、前記第１の入口通路および前記第２の入口通路が、前記長手方向通路に流体結合されている、請求項１８に記載の質量流量制御装置。
31. 前記流路が、複数の第１の層のうちの第１のものと、複数の第２の層のうちの第１のものとの間のインターフェースを横切る、請求項１８に記載の質量流量制御装置。
32. 流量制限器を製造する方法であって、
    ａ）第１のエッジ、前記第１のエッジの反対側の第２のエッジ、第３のエッジ、前記第３のエッジの反対側の第４のエッジ、前面、および前記前面の反対側の背面を有する複数の層ブランクを提供するステップと、
    ｂ）前記複数の層ブランクのうちの第１のものの前面に第１の空洞を形成するステップと、
    ｃ）前記複数の層ブラックを積み重ねるステップと、
    ｄ）前記複数の層ブランクを結合して、第１の未完成端部と反対側の第２の未完成端部を有する抵抗器スタックを形成するステップであって、前記抵抗器スタックの第１の未完成端部が、前記複数の層ブランクの前記第１のエッジによって形成され、前記抵抗器スタックの第２の未完成端部が、前記複数の層ブランクの前記第２のエッジによって形成される、ステップと、
    ｅ）前記層スタックの第１の未完成端部から材料を除去して、前記第１の空洞を露出させ、前記第１の開口部を形成するステップと、
    を含む、方法。
33. ステップｂ）が、前記複数の層ブラックのうちの第２のものの前面に第２の空洞を形成することをさらに含み、前記第２の空洞が前記第１の空洞に流体結合される、請求項３２に記載の方法。
34. ステップｂ）が、前記複数の層ブランクのうちの第１のものの前面に第３の空洞を形成することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
35. ステップｅ）が、前記抵抗器スタックの第２の未完成端部から材料を除去して、第３の空洞を露出させ、第２の開口部を形成することをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
36. ステップｂ）で形成された前記第１の空洞が、前記層ブランクの前記第１のエッジ、前記第２のエッジ、前記第３のエッジ、および前記第４のエッジのそれぞれから離間されている、請求項３２に記載の方法。
37. ステップｅ）が、前記抵抗器スタックの第１の未完成端部を切断することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
38. ステップｅ）が、前記抵抗器スタックの第１の未完成端部を機械加工することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
39. ステップｆ）をさらに含み、前記ステップｆ）が、前記抵抗器スタックを脱イオン水ですすぐことを含む、請求項３２に記載の方法。
40. ステップｆ）に続くステップｆ－１）をさらに含み、前記ステップｆ－１）が、前記抵抗器スタックを電解研磨することを含む、請求項３９に記載の方法。
41. ステップｆ－１）に続くステップｆ－２）をさらに含み、前記ステップｆ－２）が、前記抵抗器スタックを脱イオン水ですすぐことを含む、請求項４０に記載の方法。
42. ステップｆ－２）に続くステップｆ－３）をさらに含み、前記ステップｆ－３）が、前記抵抗器スタックを硝酸で処理することを含む、請求項４１に記載の方法。

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