JP4505009B2 - 集積タイプのマスフローコントローラ及びガス供給ライン - Google Patents

Description

この発明は、例えば、半導体製造プロセスでのウェハーの膜付けや、エッチング等に使用されるガスを流すためのガス供給ラインに設置され、流量センサ部と制御バルブのベース取付け部をコンパクト化した新規な集積タイプのマスフローコントローラ及びガス供給ラインに関する。

例えば、半導体の製造に用いられるパージガスを含む各種のガスをウェハー等に供給する場合、図８に示すように、それらの供給流路（ガス供給ライン）８１〜８８にマスフローコントローラ８９をそれぞれ設け、これによってガス流量をそれぞれ調節するとともに、マスフローコントローラ８９の入口側（逆止弁９０のある側）および出口側に通常複数個のバルブ９１が設置されるが、バルブ９１，９１同士やマスフローコントローラ８９とバルブ９１を、図８に示すようにパイプにより接続しないで、ガス供給ラインの小型化を目的として、図７に示すように、複数個のバルブ９１を基板９９により上方から着脱自在に一方向に並んで取り付けて構成部材（この場合バルブ９１）の占有面積を小さくすることが提案されている（特開平１０−３１１４５０号公報、特開平１０−３１１４５１号公報）。

これらによれば、バルブのみならず逆止弁あるいはフィルタ等の構成部材までベース取付け部を同一にすることでこれら構成部材の標準化を図ることができるけれども、マスフローコントローラ８９だけは、依然、他のコンポーネント（前記逆止弁あるいはフィルタ等の構成部材）と比べコンパクト化が図られていなかった。すなわち、マスフローコントローラ８９は、例えばバルブと大きさが異なるため、特殊な取付け方法にて基板９９に設置されていた。これは、マスフローコントローラ８９は、図６に示すように、本体ブロック６１に形成された流体入口６２と流体出口６３との間に、ガスＧをバイパスさせるバイパス素子６４と、ガスＧの流量測定を行う流量センサ部６５とを並列的に設け、更に、流量センサ部６５と制御バルブ６６とを同じ側に設置していたためである。例えば、図７、図６において、マスフローコントローラ８９の流体入口６２と流体出口６３の基板９９への設置方向を両矢印Ｙで示す一方、この設置方向に直角な方向を両矢印Ｘで示すと、上面からみたマスフローコントローラ８９の矢印Ｘで示す方向における横の長さｘに比して両矢印Ｙで示す方向における縦の長さｙ（図６参照）が大である。
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、バルブ等の他の構成部材と同じベース取付け部を有することでガス供給ラインを小型化できる集積タイプのマスフローコントローラ及びガス供給ラインを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明は、
本体ブロックに流体入口と流体出口を形成し、
前記流体入口と前記流体出口を接続する流体流路中に、
流体の流量測定を行う流量センサ部と、
流体の一部を流量センサ部に向かわせずにバイパスさせるバイパス素子と、
制御バルブと、を設け、
前記流量センサ部からの流量測定信号と流量設定信号とを比較制御回路において比較し、
この比較制御回路から出力される制御信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するようにしたマスフローコントローラにおいて、
前記本体ブロック、前記流量センサ部、前記バイパス素子及び前記制御バルブの基板への投影面が全て内側に収まる前記本体ブロックの基板への設置面に流体入口と流体出口を有し、
前記バイパス素子は、前記バイパス素子の長手方向と前記制御バルブの作動方向が同じになる向きで前記本体ブロック内に設けられ、
前記制御バルブは、前記本体ブロックの基板への設置面に対向する面に設けられている（請求項１）。
この場合、前記制御バルブの下部フランジは、前記本体ブロックの基板への設置面に対向する面に固定されているのが好ましい（請求項２）。
また、この発明は、別の観点から、請求項１又は２に記載の集積タイプのマスフローコントローラを有するガス供給ラインを提供する（請求項３）。

この発明では、本体ブロック内にバイパス素子を設けるとともに、本体ブロックの側面に流量センサ部をバイパス素子と並列的に設ける一方、本体ブロックの上面に制御バルブを設けたので、流量センサ部と制御バルブのベース取付け部をコンパクト化でき、バルブ等の他の構成部材と同じベース取付け部を有する集積タイプのマスフローコントローラ及びガス供給ラインを提供できる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。
図１〜図５は、この発明の一実施形態を示す。なお、図１は、この発明の集積タイプのマスフローコントローラ３の内部構造を基板４上に設置した状態で示し、マスフローコントローラ３の流体入口８ａと流体出口８ｂの基板４への設置方向を両矢印Ｙで示すとともに、両矢印Ｙで示す方向に垂直な上方向、すなわち、マスフローコントローラ３の高さ方向を矢印Ｚで示している。図２は、基板４上に設置された前記マスフローコントローラ３を上面からみた図で、前記両矢印Ｙで示す方向（以下、縦方向Ｙという）に直角な方向を両矢印Ｘで示している（以下、横方向Ｘという）。図３〜図５は、基板４上にマスフローコントローラ３とバルブと例えばフィルタを設置して構成したガス供給ラインＬを示している。
図１〜図５において、１は本体ブロックで、平面視正方形（一辺ａの長さが例えば３９ｍｍ）のベース取付け部２が形成されている。すなわち、横の長さＡも縦の長さＢも同じ（Ａ＝Ｂ＝ａ）である。このベース取付け部２の四隅には、半導体の製造に用いられるパージガスを含む各種のガスをウェハー等に供給するガス供給ラインＬを形成するための基板４にマスフローコントローラ３を取り付けて固定するためのネジ穴５が所定のピッチｂを有して設けられている。５ａはネジ穴５に螺合するボルトである。前記ピッチｂは、例えば３０ｍｍである。このピッチｂは、例えば半導体製造プロセスでのウェハーの膜付けや、エッチング等に使用されるガスを流すためのガス供給ラインＬにマスフローコントローラ３とともに設置される各種のバルブ５０、逆止弁あるいはフィルタ５１等の構成部材のベース取付け部５２に形成されているネジ穴５５，５５（図５参照）間のピッチと同一に設定してある。

前記本体ブロック１内には、バイパス素子７取り付け用のブロック６を介して、ガス（流体の一例）Ｇをバイパスさせるバイパス素子７が高さ方向Ｚに長く設置されている。８ａは、本体ブロック１の下面ｍに設けた流体入口で、この流体入口８ａからバイパス素子７の上流端７ａに至る第１流路（マスフローコントローラ３の入口流路）９が本体ブロック１内に形成されている。前記ブロック６もバイパス素子７と同様に高さ方向Ｚに設置されている。このブロック６は、上方開口６ａと下方開口６ｂと保持部６ｃと保持部６ｃの中央に形成される側面中央穴６ｄと下方開口６ｂの直上に形成される側面下方穴６ｅを有する。前記ブロック６は本体ブロック１内に設けたガス流路空間Ｈ内に嵌め込まれ、保持部６ｃを介して前記ブロック６内にバイパス素子７が設置される。１００は、前記本体ブロック１の内面と前記ブロック６間をシールするメタルＯリングである。

１０は、流体の流量測定を行う流量センサ部で、本体ブロック１の一方側面ｎに設けてある。この側面ｎはベース取付け部２の平坦な上面ｋから垂直に、かつ、上方に至る面であり、かつ、マスフローコントローラ３は前記側面ｎが前記横方向Ｘに沿うよう前記基板４へ設置される。そして、本体ブロック１は、これら一方側面ｎ、上面ｋを跨ぐ形で、これらの中央に縦断面直角三角形の突出部３０を有する。この突出部３０内には、マスフローコントローラ３の出口流路（第７流路）２４（後述する）の一部を構成する流路が形成されている。

１２は、本体ブロック１の内面において、前記ブロック６の側面下方穴６ｅに連通するよう開設された測定流路入口である。また、１３は、本体ブロック１の内面において、前記ブロック６の側面中央穴６ｄに連通するよう開設された測定流路出口である。

前記流量センサ部１０は、ガス流路１１に連通するよう一端を前記測定流路入口１２に、他端を測定流路出口１３に、それぞれ取付部材１４，１９を介して接続されたセンサ管１５を備えている。このセンサ管１５は、平面視Ｕ字状に形成された例えば薄肉毛細管（キャピラリ）よりなる。すなわち、前記センサ管１５は、前記側面ｎに平行なセンサ流路部分１５ａと、この一端から直角に折れ曲がり取付部材１４に至るセンサ流路部分１５ｂと、前記流路部分１５ａの他端から直角に折れ曲がり取付部材１９に至るセンサ流路部分１５ｃとよりなる。更に、前記センサ流路部分１５ａには２つの熱式質量流量センサ素子としての自己発熱抵抗体（以下、単にセンサ素子という）１６，１７が巻回されており、センサ素子１６，１７はブリッジ回路（図示してない）に接続されている。前記取付部材１４，１９は、前記側面ｎに抵抗溶接されている。

なお、１８は、センサ管１５およびセンサ素子１６，１７を覆う断熱性のカバーで、風による熱影響を防止する。

２０は、測定流路入口１２とセンサ流路部分１５ｂとを繋ぐ第２流路であり、また、２１は、センサ流路部分１５ｃと測定流路出口１３とを繋ぐ第３流路である。前記第２流路２０は、本体ブロック１内に上向きに傾斜状態で形成されている。また、前記第３流路２１は、本体ブロック１内に水平状態で、すなわち、ベース取付け部２の上面ｋに平行に形成されている。２２は、測定流路出口１３と前記上方開口６ａを繋ぐ第４流路である。

３１は、ガスＧの流量を制御するための制御バルブである。この制御バルブ３１は、流量センサ部１０からの流量測定信号と流量設定信号とを比較制御回路（図示せず）において比較し、この比較制御回路から出力される制御信号に基づいて制御されることにより弁開度を変え、これによってガスＧの流量を制御するように構成されている。前記制御バルブ３１は、例えば、弁ブロック３２と、弁ブロック押さえ部材３３と、両者３２，３３に挟まれたダイヤフラム３４と、ダイヤフラム３４の中央に位置して弁ブロック３２の上面中央開口４０の開度を調節する弁体３５と、この弁体３５を常時上方に付勢するばね（図示せず）と、ばねの付勢力に抗して弁体３５を押圧駆動するアクチュエータ３７と、弁ブロック３８に螺着された筒状のケース３９とから主としてなる。

前記弁ブロック３２には、上流の第４流路２２と前記上面中央開口４０を繋ぐ第５流路４１と、弁ブロック３２の上面に位置する環状開口４２と流体出口８ｂに至る前記出口流路（第７流路）２４を繋ぐ環状の第６流路４３が形成されている。前記第７流路２４は、前記突出部３０内に下向き傾斜状態で形成されている。

更に、前記弁ブロック３２は下部フランジ３２ａを有し、下部フランジ３２ａには、四隅に六角穴付ボルト４４が設けられている。一方、本体ブロック１の上面Ｓは、下部フランジ３２ａの下面Ｐと同一形状になっており、上面Ｓにおける前記ボルト４４の対応位置にボルト穴（図示せず）が形成されている。そして、制御バルブ３１は、本体ブロック１の上面ＳにメタルＯリング４６ａ，４６ｂを介して六角穴付ボルト４４で締め付けられて固定される。なお、３ａは、マスフローコントローラ３のケースである。

この実施形態においては、バイパス素子７取り付け用のブロック６の上方開口６ａの直上に弁ブロック３２の上面中央開口４０に向かう真っ直ぐな第５流路４１を形成するように本体ブロック１の上面Ｓに制御バルブ３１を設置してある。これに対し、図６においては、弁ブロック６６ａの上面中央開口１０１に向かうバイパス素子６４側からの流路１０２は真っ直ぐではなくカーブしており最短距離ではない。

この実施形態では、上述した構成よりなり、流量センサ部１０および制御バルブ３１をそれぞれ、本体ブロック１の側面ｎおよび本体ブロック１の上面Ｓに設置することにより、従来流量センサ部６５と制御バルブ６６とを本体ブロック側に設置していた分だけ長くなっていたベース取付け部をコンパクト化できる。

すなわち、この実施形態は、図７を例にとると、図７におけるマスフローコントローラ８９の横の長さｘに比して大きかった縦の長さｙを横の長さｘと同じ長さに設定したもので、マスフローコントローラ３のベース取付け部２をコンパクト化でき、マスフローコントローラ３のベース取付け部２を、前記基板４のガス供給ラインに設置された各種のバルブ５０、逆止弁あるいはフィルタ５１等の構成部材のベース取付け部５２と同一寸法に標準化できる（図３〜図５参照）。その結果、前記基板４を図７に示した基板９９に比して更に小型化でき、より集積化が行えることになり、ウェハーの大型化に対応できる。

図３〜図５から、マスフローコントローラ３と各種バルブ５０、フィルタ５１等の構成部材がマスフローコントローラ３と同じベース取付け状態で設置されていることが分かる。なお、９８は基板４に設けた流路で、基板４に設置されたマスフローコントローラ３の流路２４とバルブ５０の流路５０ａとを繋ぐ流路である。

なお、上記実施形態ではバイパス素子７としてキャピラリタイプのものを示したが、テーパーピン、エッチングプレート等のタイプのものを用いてもよい（特願平１１−３０５７９５号の明細書、図面参照）。

この発明の一実施形態を示す全体構成説明図である。 上記実施形態における上面側からみた構成説明図である。 上記実施形態をガスラインに適用した状態を示す要部斜視図である。 上記実施形態をガスラインに適用した状態を示す構成説明図である。 上記実施形態をガスラインに適用した状態を示す上面図である。 従来のマスフローコントローラを示す構成説明図である。 従来の集積化したガスラインを有する基板を示す構成説明図である。 従来のガスラインを示す構成説明図である。

符号の説明

１ 本体ブロック
２，５２ ベース取付け部
３ マスフローコントローラ
４ 基板
５ ネジ穴
７ バイパス素子
８ａ 流体入口
８ｂ 流体出口
１０ 流量センサ部
３１ 制御バルブ
４４ 六角穴付ボルト
５０，５１ 構成部材
ｎ 本体ブロックの一方側面
Ｓ 本体ブロックの上面

Claims (3)

1. 本体ブロックに流体入口と流体出口を形成し、
   前記流体入口と前記流体出口を接続する流体流路中に、
   流体の流量測定を行う流量センサ部と、
   流体の一部を流量センサ部に向かわせずにバイパスさせるバイパス素子と、
   制御バルブと、を設け、
   前記流量センサ部からの流量測定信号と流量設定信号とを比較制御回路において比較し、
   この比較制御回路から出力される制御信号に基づいて前記制御バルブの開度を制御するようにしたマスフローコントローラにおいて、
   前記本体ブロック、前記流量センサ部、前記バイパス素子及び前記制御バルブの基板への投影面が全て内側に収まる前記本体ブロックの基板への設置面に流体入口と流体出口を有し、
   前記バイパス素子は、前記バイパス素子の長手方向と前記制御バルブの作動方向が同じになる向きで前記本体ブロック内に設けられ、
   前記制御バルブは、前記本体ブロックの基板への設置面に対向する面に設けられていることを特徴とする集積タイプのマスフローコントローラ。
2. 前記制御バルブの下部フランジは、前記本体ブロックの基板への設置面に対向する面に固定されている請求項１に記載の集積タイプのマスフローコントローラ。
3. 請求項１又は２に記載の集積タイプのマスフローコントローラを有するガス供給ライン。

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