JP4576597B2 - 耐腐食性集積化マスフローコントローラ - Google Patents
耐腐食性集積化マスフローコントローラ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4576597B2 JP4576597B2 JP2001167075A JP2001167075A JP4576597B2 JP 4576597 B2 JP4576597 B2 JP 4576597B2 JP 2001167075 A JP2001167075 A JP 2001167075A JP 2001167075 A JP2001167075 A JP 2001167075A JP 4576597 B2 JP4576597 B2 JP 4576597B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- mass flow
- corrosion
- resistant
- flow path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高度半導体製造プロセス等に適用して腐食することがない、好適な耐腐食性集積化マスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）やＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ）のような高度半導体製造プロセスでは、高速応答でかつ正確な質量流量のコントロールが必要とされる。そのような用途に使用されるマスフローコントローラとして、例えば特開平１−２１３５３２号公報に開示されたマイクロバルブ・マスフローコントローラが知られている。
【０００３】
この従来のマイクロバルブ・マスフローコントローラは、シリコンウェハ上で、フローセンサと流量コントロール用バルブとを集積化することにより、マスフローコントローラ内部の無効体積を減少させ高速応答性を実現できるという効果を奏するとするものである。
【０００４】
このようなマイクロバルブ・マスフローコントローラの応答性に関しては、極微量のガスに適用して１０乃至２０ｍｓｅｃ程度の高速応答を発揮するものとしている。
【０００５】
また、ガス流路内部に堆積する反応生成物の堆積を防ぐために、吸着した水分を蒸発させることができる空焼き可能なシリコンマイクロバルブも提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したシリコンウェハーを用いた集積化マスフローコントローラや、空焼き可能なシリコンを用いたシリコンマイクロバルブの場合には、本質的にシリコンに対して腐食性を有するハロゲンガスについての流量コントロールには適用できないという問題がある。
【０００７】
このため、腐食性ガスに関しても流量コントロールが可能であり、かつ、優れた高速応答性を有する集積化マスフローコントローラの実現が要望されているのが現況である。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小形集積化が可能であり、腐食性ガスの流量コントロールにも適用でき、かつ、優れた高速応答性を発揮する集積化マスフローコントローラを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために、請求項１記載の発明の集積化マスフローコントローラは、耐腐食性材料により形成されるとともに、ガスを流入させるガス流入口とガスを流出させるガス流出口と、ガス流入口、ガス流出口の間を連通するガス流路とを備えた本体と、ガス流路の上流側、下流側に臨む配置に設けられた一対の検出抵抗を備え、ガス流路を流れるガスによる冷却作用によって生じる一対の検出抵抗の抵抗値の変化を利用してガスの質量流量を検出する質量流量センサと、本体内のガス流路の開度を制御するマイクロバルブと、質量流量センサの検出信号を、マイクロバルブに駆動信号を供給する駆動信号系にフィードバックしてマイクロバルブによるガス流路の開度を制御し、ガス流路を流れるガスの流量制御を行う制御系と、を有し、本体は、一面に凹部を有するボディと、凹部によりガス流路を形成するようボディの一面に接合されたプレートとを備え、質量流量センサは、プレートの孔にプレート表面から連続して成膜された耐食性を有する膜と、耐食性を有する膜上に積層された薄膜抵抗とを備えてダイヤフラム状に形成され、耐食性を有する膜がガス流路に臨むように配設され、マイクロバルブは、凹部のガス流出口側に設けられたバルブシートと、プレートのバルブシートに臨む部分で構成したダイヤフラム部と、ダイヤフラム部に一体化された積層型ピエゾセラミックスとを有し、バルブアクチュエータの動作でダイヤフラム部をバルブシートに接近させ本体内のガス流路の開度を調節するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によれば、本体を耐腐食性材料により形成するとともに、質量流量センサにおける一対の検出抵抗の前記ガス流路を流れるガスによる冷却作用によって生じる抵抗値の変化を利用して前記ガスの質量流量を検出し、質量流量センサの検出信号を、マイクロバルブに駆動信号を供給する駆動信号系にフィードバックしてマイクロバルブによるガス流路の開度を制御するように構成し、かつ、小形に集積しているので、腐食性ガスの流量コントロールにも適用でき、かつ、優れた高速応答性を発揮させることができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の集積化マスフローコントローラにおいて、マイクロバルブがノーマリオープン型であることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明によれば、ステンレススチールにより本体を形成しているので、請求項１記載の発明と同様、耐腐食性に優れ、腐食性ガスの流量コントロールにも適用できる。また、質量流量センサ及びダイアフラム部と積層型ピエゾセラミックスとを一体化したバルブアクチュエータによって、ガスの質量流量の制御を行う際に優れた高速応答性を発揮させることができる。さらに、質量流量センサに薄膜抵抗を採用し、マイクロバルブにダイアフラム部、積層型ピエゾセラミックスからなるバルブアクチュエータを採用しているので、この集積化マスフローコントローラの小形集積化が可能である。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の集積化マスフローコントローラにおいて、ボディ及びプレートはステンレススチールにより形成され、耐食性を有する膜は、ガス流路の腐食性ガスに対して耐腐食性を有するアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）膜を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
この発明によれば、一対の薄膜抵抗のガス流路側に、アルミニウムナイトライド膜を備えていることから、とくに、質量流量センサの耐食性を高めることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の集積化マスフローコントローラにおいて、積層型ピエゾセラミックスが高温用のものが用いられ、積層型ピエゾセラミックスとダイヤフラム部とは無機系耐腐食性接着剤による接着によって一体化されていることを特徴とするものである。
【００１６】
この発明によれば、積層型ピエゾセラミックスを高温用のものとし、積層型ピエゾセラミックスとダイアフラム部とを無機系耐腐食性接着剤により一体化しているので、ステンレススチールからなる本体及びマイクロバルブの耐熱性を向上させ、ベーク可能な耐腐食性集積化マスフローコントローラを実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラ１の構造を示す概略断面図であり、図２は耐腐食性集積化マスフローコントローラ１のバルブアクチュエータ１２のオン動作時を示す部分概略断面図である。
【００１８】
この耐腐食性集積化マスフローコントローラ１は、ステンレススチール製で略直方体形状のボディ２と、ステンレススチール製のプレート７及びステンレススチール製の略直方体形状の固定用ブロック８とを接合配置して構成している。
【００１９】
ボディ２の上面には、ガス流路を形成する凹部３が設けられ、このボディ２の下方から凹部３に連通するガス流入口４、ガス流出口５が設けられ、さらにこのガス流出口５の上部側にバルブシート部６が形成されている。
【００２０】
固定用ブロック８には、前記ガス流入口４の近傍位置となる配置でセンサ配置穴９が形成され、また、前記バルブシート部６及びその周辺に臨む位置にアクチュエータ穴１０が形成されている。センサ配置穴９内には、前記プレート７の一部に開口した孔部７ａに臨ませて、詳細は後述するガスの質量流量を検出する質量流量センサ１１が配置されている。なお、図において、１１ａは、流量センサ１１に電流を流すためのリード線である。
【００２１】
マイクロバルブは、バルブアクチュエータ１２及びダイヤフラム部１３からなり、アクチュエータ穴１０内にバルブアクチュエータ１２及びダイヤフラム部１３が配置されている。ダイヤフラム部１３は、前記アクチュエータ穴１０内におけるプレート７のバルブシート部６に臨む部分からなる。
【００２２】
バルブアクチュエータ１２は、固定用ブロック８のアクチュエータ穴１０を覆うようにして配置したパイレックスガラスからなる蓋体１４の下面に、直方体状に形成した積層型ピエゾセラミックス１５の上端をエポキシ系接着剤１６により接着するとともに、この積層型ピエゾセラミックス１５の下端をエポキシ系接着剤１６を用いて前記ダイヤフラム部１３の上面側に接着することにより構成されている。また、蓋体１４と固定用ブロック８との接触部もエポキシ系接着剤１６により接着されている。
【００２３】
前記エポキシ系接着剤１６の替わりに、歯科接着用の無機系耐腐食性接着剤であるレジンセメントを使用するとともに、積層型ピエゾセラミックス１５を高温用のものとすることにより、耐腐食性集積化マスフローコントローラ１をベーク可能なものとすることができる。
【００２４】
バルブアクチュエータ１２の積層型ピエゾセラミックス１５には、一対のリード線１７，１８を介して制御系１９が接続され、制御系１９は、質量流量設定値と後述の質量流量センサ１１の検出質量流量とから定まる直流電圧を、積層型ピエゾセラミックス１５へ印加する。
【００２５】
このような耐腐食性集積化マスフローコントローラ１の構成により、前記ガス流入口４から流入し、質量流量センサ１１により質量流量が検出され、制御回路２０によって適切な電圧がピエゾセラミックス１５に印加され、バルブシート部６とダイアフラム１３との間隔が調整されて、ガス流出口５から外部へ流出するガスの質量流量が制御される。
【００２６】
また、図２に示すように、積層型ピエゾセラミックス１５は電圧を印加したとき伸びるように設計されており、積層型ピエゾセラミックス１５を最大変位させたときは、ダイヤフラム部１３をバルブシート部６に押し付けてガスのガス流路を閉じるように構成している。一方、図１に示すように、積層型ピエゾセラミックス１５に電圧を印加しないときは、ダイヤフラム部１３とバルブシート部６との間のガスのガス流路を開ける（ノーマリオープン）ように構成している。
【００２７】
次に、図３乃至図６を参照して質量流量センサ１１について説明する。
図３は質量流量センサ１１のマイクロマシニング技術による製造工程を示す工程説明図である。図４は質量流量センサ１１の平面図である。図５は質量流量センサ１１及びプレート７の断面図である。図６は質量流量センサ１１の部分拡大図である。
【００２８】
以下、質量流量センサ１１の製造工程を図４を参照して説明する。まず、縦横各２０ｍｍ、厚さ１５０μｍのステンレススチールのプレート７を用意し（図４（１））、このプレート７上に１μｍのＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）膜３１を４００℃、Ｎ2 雰囲気下で反応性スパッタリングにより成膜する（図４（２））。
【００２９】
次にフォトリソグラフィによりフォトレジストをパターニング後、Ｃｒ／Ｐｔ／Ｃｒ（３０ｎｍ／５０ｎｍ／３０ｎｍ）をＥＢ（電子ビーム）蒸着により成膜し、リフトオフ・プロセスにより一対のプラチナ製の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂ、コンタクト部３３ｃ、３３ｄを有する抵抗パターン３２を形成する（図４（３））。ＡｌＮ膜３１を支えるため、抵抗パターン３２の上からＴＥＯＳ（Tetra- Ethoxy-Silane ）を用いたプラズマＣＶＤにより９μｍのＳｉＯ2 膜３３を成膜し（図４（４））、フォトリソグラフィを行った後にバッファード・フッ酸によりＳｉＯ2 膜３４をエッチングして取り出し電極形成のためのパターニングをする（図４（５））。プラズマＣＶＤによる成膜方法は、成膜されたＳｉＯ2 膜３４の残留応力が小さいため選択した。
【００３０】
最後に、裏面側にフォトリソグラフィを行った後に、ステンレススチールからなるプレート７をエッチングして（図４（６））孔部７ａを形成し、ＳｉＯ2 膜／Ｃｒ／Ｐｔ／Ｃｒ／ＡｌＮ膜からなる薄膜抵抗３３ａ、３３ｂを孔部７ａに臨ませてガス流路を形成する。
【００３１】
このようにして製造された質量流量センサ１１の長さ及び幅の寸法例を図４に示し、その断面構造を図５に示す。また、質量流量センサ１１における薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの拡大形状を図６に示す。
【００３２】
図４、図５に示す質量流量センサ１１は、マイクロマシニング技術により耐腐食性材料を用いて製作される。マイクロマシニング技術により小型化された質量流量センサ１１は、質量流量センサ自身の熱容量が非常に小さくなるため高感度且つ高速応答が可能となる。
【００３３】
センサであるプラチナ製の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂは、温度によって抵抗が変化し、抵抗値から温度がわかる。薄膜抵抗３３ａ、３３ｂに適当な電流を流すことにより一定温度に加熱して使用する。また、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの周辺にガスを流すと、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂがともに冷却される。薄膜抵抗からガスへの熱量の移動量（Ｈ）は、キング（Ｋｉｎｇ）の式により下記数１のように表される。
【００３４】
【数１】
【００３５】
数１において、Ｑ、Ｔ及びＴａはそれぞれ質量流量、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの温度及びガスの温度であり、Ａ及びＢは定数である。すなわち、ガスはガス流の上流側の薄膜抵抗３３ａから熱量を得て温度が上昇するから、薄膜抵抗からガスへの熱量の移動量が上流と下流の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂでは異なり、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの温度、すなわち抵抗値が異なってくる。ガス流の下流側の薄膜抵抗３３ｂと上流側の薄膜抵抗３３ａとの温度差、すなわち抵抗値差は、質量流量に依存し、例えばホイートストンブリッジ回路を用いてそれぞれのセンサの抵抗値の変化を測定することにより前記温度差を検出可能であり、この温度差から質量流量の検出が可能である。
【００３６】
また、前記薄膜抵抗３３ａ、３３ｂは、１μｍのＡｌＮ膜３１及び９μｍのＳｉＯ2 膜３３でサンドイッチ状に挟まれ、ダイヤフラムを形成しており、ＡｌＮ膜３１はフッ素や塩素等の腐食性のあるハロゲンガスに対し耐腐食性を有するため、孔部３ａ（ガス流路）側にＡｌＮ膜３１面を配置している。
【００３７】
次に、上記の質量流量センサを用いた制御系について説明する。
図７は、耐腐食性集積化マスフローコントローラの制御系を示す回路構成例を示す図である。
この制御系は、抵抗Ｒ1 、Ｒ2 と質量流量センサ１１の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂとによりホイートストンブリッジ回路を構成し、このホイートストンブリッジ回路に定電圧源４５から定電圧を供給し、ホイートストンブリッジ回路の出力を、比較器４１、増幅器４２を介して増幅し（センサ出力）、流量設定信号４６と加算し、この加算した出力を信号増幅器４４を介して増幅し、バルブアクチュエータ１２に供給する、閉ループ制御回路である。
【００３８】
また、耐腐食性集積化マスフローコントローラ自身の温度が著しく変動する環境で使用する場合には、制御系として定温度差制御系を使用することができる。
図７に示した制御系においては、薄膜抵抗に定電圧を供給して、すなわち定電圧制御している。しかしながら、定電圧制御を用いると、薄膜抵抗周辺温度が著しく上昇すると薄膜抵抗値が著しく上昇し、消費電力が減少するため、制御系の感度が悪くなると言った課題がある。この課題を解決するために、定温度差制御を用いることができる。
図８は、耐腐食性集積化マスフローコントローラの定温度差制御系の回路構成例を示す図である。
この制御系は、ブリッジ抵抗にフィードバックをかけることにより、周辺温度に影響を受けずに常にセンサの温度を一定範囲に保つことができ、制御系の感度が悪くなることがない。
【００３９】
またさらに、高精度に質量流量制御するためには、測温測定用薄膜抵抗を有した質量流量センサを用いることができる。
耐腐食性集積化マスフローコントローラ自身の温度が著しく変動する環境で使用する場合には、温度補償型質量流量センサ制御系として定温度差制御系を使用することができる。
図９は、測温測定用薄膜抵抗を有する質量流量センサの構成を示す図である。
この質量流量センサは、図４の質量流量センサに較べ、測温測定用の薄膜抵抗３３ｃ，及び３３ｄを有している。
この構成によれば、測温測定用の薄膜抵抗３３ｃ，及び３３ｄは流量検出用の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂと同一の部材で形成するので、抵抗温度係数が等しい。
測温測定用の薄膜抵抗３３ｃ，及び３３ｄの抵抗値変化から測温を検出し、制御系にフィードバックすることによって、測温に影響されずに高精度に質量流量を制御することができる。
【００４０】
本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラによれば、ステンレス材から構成しているので、Ｓｉ半導体プロセスで使用されるハロゲンガスによって腐食されることなく使用することができる。また、質量流量センサのガスに接触する面は、ＡｌＮで構成されているので、Ｓｉ半導体プロセスで使用されるハロゲンガスによって腐食されることなく使用することができる。
また、マイクロバルブ、バルブアクチュエータ、質量流量センサが微小体積中に一体に集積されているから無効体積が少なく、高速動作が可能である。
また、制御系に定温度制御系を用いれば、測温変化によって制御系の感度が低下することがない。また、測温測定用薄膜抵抗を有する質量流量センサを用いれば、測温変化に影響されることなく高精度の質量流量制御ができる。
さらに、ステンレス材を用いているので熔接が可能でり、ステンレススチール配管との結合が容易となる。
【００４１】
以下に、本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの特性評価結果を示す。
（１）耐腐食性
図１０の（ａ）及び（ｂ）は、Ｃｌ2 ガスを耐腐食性集積化マスフローコントローラ１に流す前と、Ｃｌ2 ガスを流し質量流量センサ１１を６時間動作させた後の質量流量センサ１１の写真である。Ｃｌ2 ガスを流した後も、質量流量センサ１１の表面には特に変化が確認されなかったことから、本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの耐腐食性を確認することができた。なお、ステンレス部材には当然ながら、何ら変化は見られなかった。
【００４２】
（２）質量流量制御特性
Ｃｌ2 ガス（４０ｋＰａ）を用いて評価された耐腐食性集積化マスフローコントローラの電圧−流量特性を図１１に示す。図１１において、横軸は電圧（Ｖ）、縦軸はフローレイト（ＳＣＣＭ）を示す。Ｃｌ2 ガスの流量は耐腐食性集積化マスフローコントローラのガス入力側に取りつけられた市販の質量流量計により測定した。また、バルブアクチュエータ１２は１００Ｖの電圧で、約６．５μｍ伸長させることが可能である。
図から明らかなように、バルブアクチュエータ１２に印加する電圧によって、質量流量が制御されていることがわかる。
【００４３】
なお、マイクロバルブ閉時においてもステンレススチールのプレート７の表面が非研磨状態（Ｒｍａｘ＝１μｍ）程度であれば、バルブシート部６から若干のリークが生じる恐れがあるため、プレート７の表面研磨状態に留意することが必要である。
【００４４】
図１２はＣｌ2 ガスの流量に対する質量流量センサ１１の出力電圧の関係を示す図である。横軸はフローレイト（ＳＣＣＭ）を、縦軸は出力電圧（ｍＶ）を示している。図から明らかなように、出力電圧値は、質量流量の平方根にほぼ比例している。
【００４５】
図１３は、Ｃｌ2 ガス入力圧力に対する質量流量及びバルブアクチュエータ１２に印加される電圧との関係を示す特性図である。横軸はガス入力側の圧力（ｋＰａ）を、左側の縦軸はフローレイト（ＳＣＣＭ）を、右側の縦軸はバルブアクチュエータ１２に印加される電圧（Ｖ）を示す。質量流量設定値を一定値に保持したとき、ガス入力圧力の増加に従ってバルブアクチュエータ１２の電圧値（点線で示す）が上昇し、ダイヤフラム部１３のギャップが狭くなり、質量流量を一定に保持していることがわかる。ガス入力圧力を４０ｋＰａから１００ｋＰａに変化させたとき、質量流量の変化（実線で示す）は２ＳＣＣＭ以内であった。なお、制御系１９には図８に示した制御系を用いている。
【００４６】
図１４は、Ｃｌ2 ガスを用いた場合の耐腐食性集積化マスフローコントローラのステップ応答特性の測定結果を示す特性図である。図は、流量設定信号（中段）をステップ状に変化させたときの質量流量センサ１１の出力（上段）及びバルブアクチュエータ１２の印加電圧（下段）の関係を示すものである。
【００４７】
図１４から明かなように、耐腐食性集積化マスフローコントローラのガス流量応答は、１０ｍｓｅｃ以内であることが確認された。高速応答を達成できた理由としては、バルブアクチュエータ１２及び質量流量センサ１１の高速応答化に加え、ガス流路の無効体積を減少させたことが挙げられる。
【００４８】
図１５は、上記測定に使用した本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの具体的構成を示す斜視図であり、図１６は分解斜視図である。
この耐腐食性集積化マスフローコントローラ５０は、ステンレススチール製のボディ５２と、ステンレススチール製のプレート５３及び固定用ブロック５４で構成され、外形寸法は２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍである。ボディ５２は公知の機械加工により製作され、ガス流路、バルブシート６１及びガスケット６２を嵌める溝を形成している。前記ガス流路においては、ガスケット６２を専用の溝に嵌めてハーメチックシールする。ガスケット６２用のガスケット材には、耐食性を有し且つハーメチックシールの際に変形しやすい金を用いている。
【００４９】
また、ボディ５２にはガスインレット７１及びガスアウトレット７２が取り付けられ、ガスインレット７１から流入させるガスは、ボディ５２に形成した入口流通穴５２ａ、ガス流路、バルブシート６１、出口流通穴５２ｂを経て、ガスアウトレット７２から図示しない配管系に流出するようになっている。
【００５０】
マイクロバルブを構成するダイヤフラム部５５及び質量流量を測定する既述した実施の形態の場合と同様な構成からなる質量流量センサ５６は、プレート５３に取り付けられる。
また、固定用ブロック５４上に配置した板状のパイレックスガラスからなる蓋体８４により支持され、固定用ブロック５４内に配置する流量調整用のバルブアクチュエータ５７としては、既述した実施の形態と同様、高速且つ大きな駆動力を持つ積層型ピエゾセラミックスを採用した。
【００５１】
バルブアクチュエータ５７として用いる積層型ピエゾセラミックスとダイヤフラム部５５とをエポキシ樹脂により接着した後、１００Ｖの高電圧を印加し、積層型ピエゾセラミックスを伸長させたままエポキシ樹脂を硬化させる。エポキシ樹脂が完全に硬化した後に電圧を切ると、積層型ピエゾセラミックスが元の長さに戻り、この結果、ダイヤフラム部５５とバルブシート６１との間にわずかなギャップが形成されノーマリオープンタイプの構造とすることができる。
【００５２】
ボディ５２、プレート５３、固定用ブロック５４の固定構造は、ボディ５２の四隅にねじ孔８１を螺設し、プレート５３の四隅にもねじ孔８１に対応する配置で抜穴８２を穿設し、固定用ブロック５４の四隅にも前記ねじ孔８１に対応する配置でボルト孔８３を穿設し、固定用ブロック５４及びプレート５３を、４本のボルト５９を用いてボディ５２にねじ止め固定するものである。
【００５３】
この集積化マスフローコントローラ５０において、バルブアクチュエータ５７に適当な電圧を加えると、このバルブアクチュエータ５７が伸長し、図１６に示すようにダイヤフラム部５５がバルブシート６１と接触して、ガス流路を流れるガスの流れが止まる。また、バルブアクチュエータ５７に対する電圧の供給を停止すれば、バルブアクチュエータ５７が元の長さに戻り、再びガス流路のガスの流れが始まる。
【００５４】
このように構成した集積化マスフローコントローラ５０によれば、既述した集積化マスフローコントローラ５０の場合と同様、質量流量の制御を確実に行うことができ、腐食性ガスに対する耐食性に優れ、小サイズ化及び集積化により高速応答性を発揮させることができる。また、高速応答で腐食性ガスの質量流量をコントロールすることが必要な高度半導体製造プロセスに適用することも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように本発明によれば、小形集積化が可能であり、腐食性ガスの流量コントロールにも適用可能であり、かつ、優れた高速応答性を発揮する集積化マスフローコントローラを提供することができる。
また、質量流量センサの耐食性の向上を図り、また、マイクロバルブの耐熱性の向上を図り、腐食性ガスを含む広範な種類のガスにも適用可能な集積化マスフローコントローラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラのバルブアクチュエータのオン動作時を示す部分概略断面図である。
【図３】本発明の質量流量センサのマイクロマシニング技術による製造工程を示す工程説明図である。
【図４】本発明の質量流量センサの平面図である。
【図５】本発明の質量流量センサの断面図である。
【図６】本発明の質量流量センサの部分拡大図である。
【図７】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの制御系を示す回路構成例を示す図である。
【図８】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの定温度差制御系の回路構成例を示す図である。
【図９】本発明の測温測定用薄膜抵抗を有する質量流量センサの構成を示す図である。
【図１０】Ｃｌ2 ガスを耐腐食性集積化マスフローコントローラに流す前と、Ｃｌ2 ガスを流した後の質量流量センサ表面の写真である。
【図１１】Ｃｌ2 ガスを用いた場合の耐腐食性集積化マスフローコントローラのバルブアクチュエータに印加される電圧−流量特性を示す図である。
【図１２】Ｃｌ2 ガスの流量に対する質量流量センサの出力電圧の関係を示す図である。
【図１３】Ｃｌ2 ガスの入力圧力に対する質量流量、及びバルブアクチュエータに印加される電圧との関係を示す特性図である。
【図１４】Ｃｌ2 ガスを用いた場合の耐腐食性集積化マスフローコントローラのステップ応答特性の測定結果を示す図である。
【図１５】実施例に用いた本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの具体的構成を示す斜視図である。
【図１６】実施例に用いた本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの具体的構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１ 耐腐食性集積化マスフローコントローラ
２ ボディ
３ 凹部
４ ガス流入口
５ ガス流出口
６ バルブシート部
７ プレート
７ａ 孔部
８ 固定用ブロック
１１ 質量流量センサ
１１ａ リード線
１２ バルブアクチュエータ
１３ ダイヤフラム部
３１ ＡｌＮ膜
３２ 抵抗パターン
３３ａ 薄膜抵抗
３３ｂ 薄膜抵抗
３３ｃ コンタクト部
３３ｄ コンタクト部
３４ ＳｉＯ2 膜
４１ 比較器
４２ 増幅器
４４ 信号増幅器
４５ 定電圧源
４６ 流量設定信号
５０ 耐腐食性集積化マスフローコントローラ
５２ ボディ
５２ａ 入口流通穴
５２ｂ 出口流通穴
５３ プレート
５４ 固定用ブロック
５５ ダイヤフラム部
５６ 質量流量センサ
５７ バルブアクチュエータ
５９ ボルト
６１ バルブシート
６２ ガスケット
７１ ガスインレット
７２ ガスアウトレット
８１ ねじ孔
８２ 抜穴
８３ ボルト孔
８４ 蓋体
【発明の属する技術分野】
本発明は、高度半導体製造プロセス等に適用して腐食することがない、好適な耐腐食性集積化マスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）やＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ）のような高度半導体製造プロセスでは、高速応答でかつ正確な質量流量のコントロールが必要とされる。そのような用途に使用されるマスフローコントローラとして、例えば特開平１−２１３５３２号公報に開示されたマイクロバルブ・マスフローコントローラが知られている。
【０００３】
この従来のマイクロバルブ・マスフローコントローラは、シリコンウェハ上で、フローセンサと流量コントロール用バルブとを集積化することにより、マスフローコントローラ内部の無効体積を減少させ高速応答性を実現できるという効果を奏するとするものである。
【０００４】
このようなマイクロバルブ・マスフローコントローラの応答性に関しては、極微量のガスに適用して１０乃至２０ｍｓｅｃ程度の高速応答を発揮するものとしている。
【０００５】
また、ガス流路内部に堆積する反応生成物の堆積を防ぐために、吸着した水分を蒸発させることができる空焼き可能なシリコンマイクロバルブも提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したシリコンウェハーを用いた集積化マスフローコントローラや、空焼き可能なシリコンを用いたシリコンマイクロバルブの場合には、本質的にシリコンに対して腐食性を有するハロゲンガスについての流量コントロールには適用できないという問題がある。
【０００７】
このため、腐食性ガスに関しても流量コントロールが可能であり、かつ、優れた高速応答性を有する集積化マスフローコントローラの実現が要望されているのが現況である。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小形集積化が可能であり、腐食性ガスの流量コントロールにも適用でき、かつ、優れた高速応答性を発揮する集積化マスフローコントローラを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために、請求項１記載の発明の集積化マスフローコントローラは、耐腐食性材料により形成されるとともに、ガスを流入させるガス流入口とガスを流出させるガス流出口と、ガス流入口、ガス流出口の間を連通するガス流路とを備えた本体と、ガス流路の上流側、下流側に臨む配置に設けられた一対の検出抵抗を備え、ガス流路を流れるガスによる冷却作用によって生じる一対の検出抵抗の抵抗値の変化を利用してガスの質量流量を検出する質量流量センサと、本体内のガス流路の開度を制御するマイクロバルブと、質量流量センサの検出信号を、マイクロバルブに駆動信号を供給する駆動信号系にフィードバックしてマイクロバルブによるガス流路の開度を制御し、ガス流路を流れるガスの流量制御を行う制御系と、を有し、本体は、一面に凹部を有するボディと、凹部によりガス流路を形成するようボディの一面に接合されたプレートとを備え、質量流量センサは、プレートの孔にプレート表面から連続して成膜された耐食性を有する膜と、耐食性を有する膜上に積層された薄膜抵抗とを備えてダイヤフラム状に形成され、耐食性を有する膜がガス流路に臨むように配設され、マイクロバルブは、凹部のガス流出口側に設けられたバルブシートと、プレートのバルブシートに臨む部分で構成したダイヤフラム部と、ダイヤフラム部に一体化された積層型ピエゾセラミックスとを有し、バルブアクチュエータの動作でダイヤフラム部をバルブシートに接近させ本体内のガス流路の開度を調節するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によれば、本体を耐腐食性材料により形成するとともに、質量流量センサにおける一対の検出抵抗の前記ガス流路を流れるガスによる冷却作用によって生じる抵抗値の変化を利用して前記ガスの質量流量を検出し、質量流量センサの検出信号を、マイクロバルブに駆動信号を供給する駆動信号系にフィードバックしてマイクロバルブによるガス流路の開度を制御するように構成し、かつ、小形に集積しているので、腐食性ガスの流量コントロールにも適用でき、かつ、優れた高速応答性を発揮させることができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の集積化マスフローコントローラにおいて、マイクロバルブがノーマリオープン型であることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明によれば、ステンレススチールにより本体を形成しているので、請求項１記載の発明と同様、耐腐食性に優れ、腐食性ガスの流量コントロールにも適用できる。また、質量流量センサ及びダイアフラム部と積層型ピエゾセラミックスとを一体化したバルブアクチュエータによって、ガスの質量流量の制御を行う際に優れた高速応答性を発揮させることができる。さらに、質量流量センサに薄膜抵抗を採用し、マイクロバルブにダイアフラム部、積層型ピエゾセラミックスからなるバルブアクチュエータを採用しているので、この集積化マスフローコントローラの小形集積化が可能である。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の集積化マスフローコントローラにおいて、ボディ及びプレートはステンレススチールにより形成され、耐食性を有する膜は、ガス流路の腐食性ガスに対して耐腐食性を有するアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）膜を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
この発明によれば、一対の薄膜抵抗のガス流路側に、アルミニウムナイトライド膜を備えていることから、とくに、質量流量センサの耐食性を高めることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の集積化マスフローコントローラにおいて、積層型ピエゾセラミックスが高温用のものが用いられ、積層型ピエゾセラミックスとダイヤフラム部とは無機系耐腐食性接着剤による接着によって一体化されていることを特徴とするものである。
【００１６】
この発明によれば、積層型ピエゾセラミックスを高温用のものとし、積層型ピエゾセラミックスとダイアフラム部とを無機系耐腐食性接着剤により一体化しているので、ステンレススチールからなる本体及びマイクロバルブの耐熱性を向上させ、ベーク可能な耐腐食性集積化マスフローコントローラを実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラ１の構造を示す概略断面図であり、図２は耐腐食性集積化マスフローコントローラ１のバルブアクチュエータ１２のオン動作時を示す部分概略断面図である。
【００１８】
この耐腐食性集積化マスフローコントローラ１は、ステンレススチール製で略直方体形状のボディ２と、ステンレススチール製のプレート７及びステンレススチール製の略直方体形状の固定用ブロック８とを接合配置して構成している。
【００１９】
ボディ２の上面には、ガス流路を形成する凹部３が設けられ、このボディ２の下方から凹部３に連通するガス流入口４、ガス流出口５が設けられ、さらにこのガス流出口５の上部側にバルブシート部６が形成されている。
【００２０】
固定用ブロック８には、前記ガス流入口４の近傍位置となる配置でセンサ配置穴９が形成され、また、前記バルブシート部６及びその周辺に臨む位置にアクチュエータ穴１０が形成されている。センサ配置穴９内には、前記プレート７の一部に開口した孔部７ａに臨ませて、詳細は後述するガスの質量流量を検出する質量流量センサ１１が配置されている。なお、図において、１１ａは、流量センサ１１に電流を流すためのリード線である。
【００２１】
マイクロバルブは、バルブアクチュエータ１２及びダイヤフラム部１３からなり、アクチュエータ穴１０内にバルブアクチュエータ１２及びダイヤフラム部１３が配置されている。ダイヤフラム部１３は、前記アクチュエータ穴１０内におけるプレート７のバルブシート部６に臨む部分からなる。
【００２２】
バルブアクチュエータ１２は、固定用ブロック８のアクチュエータ穴１０を覆うようにして配置したパイレックスガラスからなる蓋体１４の下面に、直方体状に形成した積層型ピエゾセラミックス１５の上端をエポキシ系接着剤１６により接着するとともに、この積層型ピエゾセラミックス１５の下端をエポキシ系接着剤１６を用いて前記ダイヤフラム部１３の上面側に接着することにより構成されている。また、蓋体１４と固定用ブロック８との接触部もエポキシ系接着剤１６により接着されている。
【００２３】
前記エポキシ系接着剤１６の替わりに、歯科接着用の無機系耐腐食性接着剤であるレジンセメントを使用するとともに、積層型ピエゾセラミックス１５を高温用のものとすることにより、耐腐食性集積化マスフローコントローラ１をベーク可能なものとすることができる。
【００２４】
バルブアクチュエータ１２の積層型ピエゾセラミックス１５には、一対のリード線１７，１８を介して制御系１９が接続され、制御系１９は、質量流量設定値と後述の質量流量センサ１１の検出質量流量とから定まる直流電圧を、積層型ピエゾセラミックス１５へ印加する。
【００２５】
このような耐腐食性集積化マスフローコントローラ１の構成により、前記ガス流入口４から流入し、質量流量センサ１１により質量流量が検出され、制御回路２０によって適切な電圧がピエゾセラミックス１５に印加され、バルブシート部６とダイアフラム１３との間隔が調整されて、ガス流出口５から外部へ流出するガスの質量流量が制御される。
【００２６】
また、図２に示すように、積層型ピエゾセラミックス１５は電圧を印加したとき伸びるように設計されており、積層型ピエゾセラミックス１５を最大変位させたときは、ダイヤフラム部１３をバルブシート部６に押し付けてガスのガス流路を閉じるように構成している。一方、図１に示すように、積層型ピエゾセラミックス１５に電圧を印加しないときは、ダイヤフラム部１３とバルブシート部６との間のガスのガス流路を開ける（ノーマリオープン）ように構成している。
【００２７】
次に、図３乃至図６を参照して質量流量センサ１１について説明する。
図３は質量流量センサ１１のマイクロマシニング技術による製造工程を示す工程説明図である。図４は質量流量センサ１１の平面図である。図５は質量流量センサ１１及びプレート７の断面図である。図６は質量流量センサ１１の部分拡大図である。
【００２８】
以下、質量流量センサ１１の製造工程を図４を参照して説明する。まず、縦横各２０ｍｍ、厚さ１５０μｍのステンレススチールのプレート７を用意し（図４（１））、このプレート７上に１μｍのＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）膜３１を４００℃、Ｎ2 雰囲気下で反応性スパッタリングにより成膜する（図４（２））。
【００２９】
次にフォトリソグラフィによりフォトレジストをパターニング後、Ｃｒ／Ｐｔ／Ｃｒ（３０ｎｍ／５０ｎｍ／３０ｎｍ）をＥＢ（電子ビーム）蒸着により成膜し、リフトオフ・プロセスにより一対のプラチナ製の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂ、コンタクト部３３ｃ、３３ｄを有する抵抗パターン３２を形成する（図４（３））。ＡｌＮ膜３１を支えるため、抵抗パターン３２の上からＴＥＯＳ（Tetra- Ethoxy-Silane ）を用いたプラズマＣＶＤにより９μｍのＳｉＯ2 膜３３を成膜し（図４（４））、フォトリソグラフィを行った後にバッファード・フッ酸によりＳｉＯ2 膜３４をエッチングして取り出し電極形成のためのパターニングをする（図４（５））。プラズマＣＶＤによる成膜方法は、成膜されたＳｉＯ2 膜３４の残留応力が小さいため選択した。
【００３０】
最後に、裏面側にフォトリソグラフィを行った後に、ステンレススチールからなるプレート７をエッチングして（図４（６））孔部７ａを形成し、ＳｉＯ2 膜／Ｃｒ／Ｐｔ／Ｃｒ／ＡｌＮ膜からなる薄膜抵抗３３ａ、３３ｂを孔部７ａに臨ませてガス流路を形成する。
【００３１】
このようにして製造された質量流量センサ１１の長さ及び幅の寸法例を図４に示し、その断面構造を図５に示す。また、質量流量センサ１１における薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの拡大形状を図６に示す。
【００３２】
図４、図５に示す質量流量センサ１１は、マイクロマシニング技術により耐腐食性材料を用いて製作される。マイクロマシニング技術により小型化された質量流量センサ１１は、質量流量センサ自身の熱容量が非常に小さくなるため高感度且つ高速応答が可能となる。
【００３３】
センサであるプラチナ製の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂは、温度によって抵抗が変化し、抵抗値から温度がわかる。薄膜抵抗３３ａ、３３ｂに適当な電流を流すことにより一定温度に加熱して使用する。また、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの周辺にガスを流すと、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂがともに冷却される。薄膜抵抗からガスへの熱量の移動量（Ｈ）は、キング（Ｋｉｎｇ）の式により下記数１のように表される。
【００３４】
【数１】
数１において、Ｑ、Ｔ及びＴａはそれぞれ質量流量、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの温度及びガスの温度であり、Ａ及びＢは定数である。すなわち、ガスはガス流の上流側の薄膜抵抗３３ａから熱量を得て温度が上昇するから、薄膜抵抗からガスへの熱量の移動量が上流と下流の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂでは異なり、薄膜抵抗３３ａ、３３ｂの温度、すなわち抵抗値が異なってくる。ガス流の下流側の薄膜抵抗３３ｂと上流側の薄膜抵抗３３ａとの温度差、すなわち抵抗値差は、質量流量に依存し、例えばホイートストンブリッジ回路を用いてそれぞれのセンサの抵抗値の変化を測定することにより前記温度差を検出可能であり、この温度差から質量流量の検出が可能である。
【００３６】
また、前記薄膜抵抗３３ａ、３３ｂは、１μｍのＡｌＮ膜３１及び９μｍのＳｉＯ2 膜３３でサンドイッチ状に挟まれ、ダイヤフラムを形成しており、ＡｌＮ膜３１はフッ素や塩素等の腐食性のあるハロゲンガスに対し耐腐食性を有するため、孔部３ａ（ガス流路）側にＡｌＮ膜３１面を配置している。
【００３７】
次に、上記の質量流量センサを用いた制御系について説明する。
図７は、耐腐食性集積化マスフローコントローラの制御系を示す回路構成例を示す図である。
この制御系は、抵抗Ｒ1 、Ｒ2 と質量流量センサ１１の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂとによりホイートストンブリッジ回路を構成し、このホイートストンブリッジ回路に定電圧源４５から定電圧を供給し、ホイートストンブリッジ回路の出力を、比較器４１、増幅器４２を介して増幅し（センサ出力）、流量設定信号４６と加算し、この加算した出力を信号増幅器４４を介して増幅し、バルブアクチュエータ１２に供給する、閉ループ制御回路である。
【００３８】
また、耐腐食性集積化マスフローコントローラ自身の温度が著しく変動する環境で使用する場合には、制御系として定温度差制御系を使用することができる。
図７に示した制御系においては、薄膜抵抗に定電圧を供給して、すなわち定電圧制御している。しかしながら、定電圧制御を用いると、薄膜抵抗周辺温度が著しく上昇すると薄膜抵抗値が著しく上昇し、消費電力が減少するため、制御系の感度が悪くなると言った課題がある。この課題を解決するために、定温度差制御を用いることができる。
図８は、耐腐食性集積化マスフローコントローラの定温度差制御系の回路構成例を示す図である。
この制御系は、ブリッジ抵抗にフィードバックをかけることにより、周辺温度に影響を受けずに常にセンサの温度を一定範囲に保つことができ、制御系の感度が悪くなることがない。
【００３９】
またさらに、高精度に質量流量制御するためには、測温測定用薄膜抵抗を有した質量流量センサを用いることができる。
耐腐食性集積化マスフローコントローラ自身の温度が著しく変動する環境で使用する場合には、温度補償型質量流量センサ制御系として定温度差制御系を使用することができる。
図９は、測温測定用薄膜抵抗を有する質量流量センサの構成を示す図である。
この質量流量センサは、図４の質量流量センサに較べ、測温測定用の薄膜抵抗３３ｃ，及び３３ｄを有している。
この構成によれば、測温測定用の薄膜抵抗３３ｃ，及び３３ｄは流量検出用の薄膜抵抗３３ａ、３３ｂと同一の部材で形成するので、抵抗温度係数が等しい。
測温測定用の薄膜抵抗３３ｃ，及び３３ｄの抵抗値変化から測温を検出し、制御系にフィードバックすることによって、測温に影響されずに高精度に質量流量を制御することができる。
【００４０】
本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラによれば、ステンレス材から構成しているので、Ｓｉ半導体プロセスで使用されるハロゲンガスによって腐食されることなく使用することができる。また、質量流量センサのガスに接触する面は、ＡｌＮで構成されているので、Ｓｉ半導体プロセスで使用されるハロゲンガスによって腐食されることなく使用することができる。
また、マイクロバルブ、バルブアクチュエータ、質量流量センサが微小体積中に一体に集積されているから無効体積が少なく、高速動作が可能である。
また、制御系に定温度制御系を用いれば、測温変化によって制御系の感度が低下することがない。また、測温測定用薄膜抵抗を有する質量流量センサを用いれば、測温変化に影響されることなく高精度の質量流量制御ができる。
さらに、ステンレス材を用いているので熔接が可能でり、ステンレススチール配管との結合が容易となる。
【００４１】
以下に、本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの特性評価結果を示す。
（１）耐腐食性
図１０の（ａ）及び（ｂ）は、Ｃｌ2 ガスを耐腐食性集積化マスフローコントローラ１に流す前と、Ｃｌ2 ガスを流し質量流量センサ１１を６時間動作させた後の質量流量センサ１１の写真である。Ｃｌ2 ガスを流した後も、質量流量センサ１１の表面には特に変化が確認されなかったことから、本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの耐腐食性を確認することができた。なお、ステンレス部材には当然ながら、何ら変化は見られなかった。
【００４２】
（２）質量流量制御特性
Ｃｌ2 ガス（４０ｋＰａ）を用いて評価された耐腐食性集積化マスフローコントローラの電圧−流量特性を図１１に示す。図１１において、横軸は電圧（Ｖ）、縦軸はフローレイト（ＳＣＣＭ）を示す。Ｃｌ2 ガスの流量は耐腐食性集積化マスフローコントローラのガス入力側に取りつけられた市販の質量流量計により測定した。また、バルブアクチュエータ１２は１００Ｖの電圧で、約６．５μｍ伸長させることが可能である。
図から明らかなように、バルブアクチュエータ１２に印加する電圧によって、質量流量が制御されていることがわかる。
【００４３】
なお、マイクロバルブ閉時においてもステンレススチールのプレート７の表面が非研磨状態（Ｒｍａｘ＝１μｍ）程度であれば、バルブシート部６から若干のリークが生じる恐れがあるため、プレート７の表面研磨状態に留意することが必要である。
【００４４】
図１２はＣｌ2 ガスの流量に対する質量流量センサ１１の出力電圧の関係を示す図である。横軸はフローレイト（ＳＣＣＭ）を、縦軸は出力電圧（ｍＶ）を示している。図から明らかなように、出力電圧値は、質量流量の平方根にほぼ比例している。
【００４５】
図１３は、Ｃｌ2 ガス入力圧力に対する質量流量及びバルブアクチュエータ１２に印加される電圧との関係を示す特性図である。横軸はガス入力側の圧力（ｋＰａ）を、左側の縦軸はフローレイト（ＳＣＣＭ）を、右側の縦軸はバルブアクチュエータ１２に印加される電圧（Ｖ）を示す。質量流量設定値を一定値に保持したとき、ガス入力圧力の増加に従ってバルブアクチュエータ１２の電圧値（点線で示す）が上昇し、ダイヤフラム部１３のギャップが狭くなり、質量流量を一定に保持していることがわかる。ガス入力圧力を４０ｋＰａから１００ｋＰａに変化させたとき、質量流量の変化（実線で示す）は２ＳＣＣＭ以内であった。なお、制御系１９には図８に示した制御系を用いている。
【００４６】
図１４は、Ｃｌ2 ガスを用いた場合の耐腐食性集積化マスフローコントローラのステップ応答特性の測定結果を示す特性図である。図は、流量設定信号（中段）をステップ状に変化させたときの質量流量センサ１１の出力（上段）及びバルブアクチュエータ１２の印加電圧（下段）の関係を示すものである。
【００４７】
図１４から明かなように、耐腐食性集積化マスフローコントローラのガス流量応答は、１０ｍｓｅｃ以内であることが確認された。高速応答を達成できた理由としては、バルブアクチュエータ１２及び質量流量センサ１１の高速応答化に加え、ガス流路の無効体積を減少させたことが挙げられる。
【００４８】
図１５は、上記測定に使用した本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの具体的構成を示す斜視図であり、図１６は分解斜視図である。
この耐腐食性集積化マスフローコントローラ５０は、ステンレススチール製のボディ５２と、ステンレススチール製のプレート５３及び固定用ブロック５４で構成され、外形寸法は２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍである。ボディ５２は公知の機械加工により製作され、ガス流路、バルブシート６１及びガスケット６２を嵌める溝を形成している。前記ガス流路においては、ガスケット６２を専用の溝に嵌めてハーメチックシールする。ガスケット６２用のガスケット材には、耐食性を有し且つハーメチックシールの際に変形しやすい金を用いている。
【００４９】
また、ボディ５２にはガスインレット７１及びガスアウトレット７２が取り付けられ、ガスインレット７１から流入させるガスは、ボディ５２に形成した入口流通穴５２ａ、ガス流路、バルブシート６１、出口流通穴５２ｂを経て、ガスアウトレット７２から図示しない配管系に流出するようになっている。
【００５０】
マイクロバルブを構成するダイヤフラム部５５及び質量流量を測定する既述した実施の形態の場合と同様な構成からなる質量流量センサ５６は、プレート５３に取り付けられる。
また、固定用ブロック５４上に配置した板状のパイレックスガラスからなる蓋体８４により支持され、固定用ブロック５４内に配置する流量調整用のバルブアクチュエータ５７としては、既述した実施の形態と同様、高速且つ大きな駆動力を持つ積層型ピエゾセラミックスを採用した。
【００５１】
バルブアクチュエータ５７として用いる積層型ピエゾセラミックスとダイヤフラム部５５とをエポキシ樹脂により接着した後、１００Ｖの高電圧を印加し、積層型ピエゾセラミックスを伸長させたままエポキシ樹脂を硬化させる。エポキシ樹脂が完全に硬化した後に電圧を切ると、積層型ピエゾセラミックスが元の長さに戻り、この結果、ダイヤフラム部５５とバルブシート６１との間にわずかなギャップが形成されノーマリオープンタイプの構造とすることができる。
【００５２】
ボディ５２、プレート５３、固定用ブロック５４の固定構造は、ボディ５２の四隅にねじ孔８１を螺設し、プレート５３の四隅にもねじ孔８１に対応する配置で抜穴８２を穿設し、固定用ブロック５４の四隅にも前記ねじ孔８１に対応する配置でボルト孔８３を穿設し、固定用ブロック５４及びプレート５３を、４本のボルト５９を用いてボディ５２にねじ止め固定するものである。
【００５３】
この集積化マスフローコントローラ５０において、バルブアクチュエータ５７に適当な電圧を加えると、このバルブアクチュエータ５７が伸長し、図１６に示すようにダイヤフラム部５５がバルブシート６１と接触して、ガス流路を流れるガスの流れが止まる。また、バルブアクチュエータ５７に対する電圧の供給を停止すれば、バルブアクチュエータ５７が元の長さに戻り、再びガス流路のガスの流れが始まる。
【００５４】
このように構成した集積化マスフローコントローラ５０によれば、既述した集積化マスフローコントローラ５０の場合と同様、質量流量の制御を確実に行うことができ、腐食性ガスに対する耐食性に優れ、小サイズ化及び集積化により高速応答性を発揮させることができる。また、高速応答で腐食性ガスの質量流量をコントロールすることが必要な高度半導体製造プロセスに適用することも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように本発明によれば、小形集積化が可能であり、腐食性ガスの流量コントロールにも適用可能であり、かつ、優れた高速応答性を発揮する集積化マスフローコントローラを提供することができる。
また、質量流量センサの耐食性の向上を図り、また、マイクロバルブの耐熱性の向上を図り、腐食性ガスを含む広範な種類のガスにも適用可能な集積化マスフローコントローラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラのバルブアクチュエータのオン動作時を示す部分概略断面図である。
【図３】本発明の質量流量センサのマイクロマシニング技術による製造工程を示す工程説明図である。
【図４】本発明の質量流量センサの平面図である。
【図５】本発明の質量流量センサの断面図である。
【図６】本発明の質量流量センサの部分拡大図である。
【図７】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの制御系を示す回路構成例を示す図である。
【図８】本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの定温度差制御系の回路構成例を示す図である。
【図９】本発明の測温測定用薄膜抵抗を有する質量流量センサの構成を示す図である。
【図１０】Ｃｌ2 ガスを耐腐食性集積化マスフローコントローラに流す前と、Ｃｌ2 ガスを流した後の質量流量センサ表面の写真である。
【図１１】Ｃｌ2 ガスを用いた場合の耐腐食性集積化マスフローコントローラのバルブアクチュエータに印加される電圧−流量特性を示す図である。
【図１２】Ｃｌ2 ガスの流量に対する質量流量センサの出力電圧の関係を示す図である。
【図１３】Ｃｌ2 ガスの入力圧力に対する質量流量、及びバルブアクチュエータに印加される電圧との関係を示す特性図である。
【図１４】Ｃｌ2 ガスを用いた場合の耐腐食性集積化マスフローコントローラのステップ応答特性の測定結果を示す図である。
【図１５】実施例に用いた本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの具体的構成を示す斜視図である。
【図１６】実施例に用いた本発明の耐腐食性集積化マスフローコントローラの具体的構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１ 耐腐食性集積化マスフローコントローラ
２ ボディ
３ 凹部
４ ガス流入口
５ ガス流出口
６ バルブシート部
７ プレート
７ａ 孔部
８ 固定用ブロック
１１ 質量流量センサ
１１ａ リード線
１２ バルブアクチュエータ
１３ ダイヤフラム部
３１ ＡｌＮ膜
３２ 抵抗パターン
３３ａ 薄膜抵抗
３３ｂ 薄膜抵抗
３３ｃ コンタクト部
３３ｄ コンタクト部
３４ ＳｉＯ2 膜
４１ 比較器
４２ 増幅器
４４ 信号増幅器
４５ 定電圧源
４６ 流量設定信号
５０ 耐腐食性集積化マスフローコントローラ
５２ ボディ
５２ａ 入口流通穴
５２ｂ 出口流通穴
５３ プレート
５４ 固定用ブロック
５５ ダイヤフラム部
５６ 質量流量センサ
５７ バルブアクチュエータ
５９ ボルト
６１ バルブシート
６２ ガスケット
７１ ガスインレット
７２ ガスアウトレット
８１ ねじ孔
８２ 抜穴
８３ ボルト孔
８４ 蓋体
Claims (5)
- 耐腐食性材料により形成されるとともに、ガスを流入させるガス流入口と該ガスを流出させるガス流出口と、該ガス流入口、該ガス流出口の間を連通するガス流路とを備えた本体と、
上記ガス流路の上流側、下流側に臨む配置に設けられた一対の検出抵抗を備え、該ガス流路を流れる上記ガスによる冷却作用によって生じる一対の検出抵抗の抵抗値の変化を利用して上記ガスの質量流量を検出する質量流量センサと、
上記本体内の上記ガス流路の開度を制御するマイクロバルブと、
上記質量流量センサの検出信号を、上記マイクロバルブに駆動信号を供給する駆動信号系にフィードバックして上記マイクロバルブによる上記ガス流路の開度を制御し、上記ガス流路を流れる上記ガスの流量制御を行う制御系と、を有し、
上記本体は、一面に凹部を有するボディと、該凹部により上記ガス流路を形成するよう該ボディの一面に接合されたプレートとを備え、
上記質量流量センサは、上記プレートの孔に該プレート表面から連続して成膜された耐食性を有する膜と、該耐食性を有する膜上に積層された薄膜抵抗とを備えてダイヤフラム状に形成され、上記耐食性を有する膜が上記ガス流路に臨むように配設され、
上記マイクロバルブは、上記凹部の上記ガス流出口側に設けられたバルブシートと、上記プレートの該バルブシートに臨む部分で構成したダイヤフラム部と、該ダイヤフラム部に一体化された積層型ピエゾセラミックスと、を有し、バルブアクチュエータの動作で上記ダイヤフラム部を上記バルブシートに接近させ上記本体内の上記ガス流路の開度を調節するように構成されていることを特徴とする耐腐食性集積化マスフローコントローラ。 - 前記マイクロバルブは、ノーマリオープン型であることを特徴とする、請求項１記載の耐腐食性集積化マスフローコントローラ。
- 前記ボディ及び前記プレートはステンレススチールにより形成され、前記耐食性を有する膜は、前記ガス流路の腐食性ガスに対して耐腐食性を有するアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）膜を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の耐腐食性集積化マスフローコントローラ。
- 前記積層型ピエゾセラミックスは高温用のものが用いられ、上記積層型ピエゾセラミックスと上記ダイヤフラム部とは無機系耐腐食性接着剤による接着によって一体化されていることを特徴とする、請求項１記載の耐腐食性集積化マスフローコントローラ。
- 前記薄膜抵抗は、前記耐食性を有する膜と、該耐食性を有する膜を支える膜との間にサンドイッチ状に挟まれている、請求項１乃至４の何れかに記載の耐腐食性集積化マスフローコントローラ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001167075A JP4576597B2 (ja) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | 耐腐食性集積化マスフローコントローラ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001167075A JP4576597B2 (ja) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | 耐腐食性集積化マスフローコントローラ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002358127A JP2002358127A (ja) | 2002-12-13 |
| JP4576597B2 true JP4576597B2 (ja) | 2010-11-10 |
Family
ID=19009515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001167075A Expired - Fee Related JP4576597B2 (ja) | 2001-06-01 | 2001-06-01 | 耐腐食性集積化マスフローコントローラ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4576597B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8689623B2 (en) | 2011-09-22 | 2014-04-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Flow sensor, mass flow controller, and method for manufacturing flow sensor |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3754678B2 (ja) * | 2003-04-16 | 2006-03-15 | 株式会社フジキン | 耐食金属製熱式質量流量センサとこれを用いた流体供給機器 |
| JP2004355815A (ja) | 2003-05-27 | 2004-12-16 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | 基板処理装置および該装置に適した熱式流量計 |
| JP2005241279A (ja) * | 2004-02-24 | 2005-09-08 | Fujikin Inc | 耐食金属製流体用センサ及びこれを用いた流体供給機器 |
| GB2436624B (en) * | 2006-03-31 | 2012-01-11 | Nuaire Ltd | Fluid Flow Control Apparatus |
| JP4553265B2 (ja) * | 2007-03-23 | 2010-09-29 | 東京エレクトロン株式会社 | 熱処理装置及び熱処理方法 |
| US9243325B2 (en) * | 2012-07-18 | 2016-01-26 | Rohm And Haas Electronic Materials Llc | Vapor delivery device, methods of manufacture and methods of use thereof |
| CN104956279B (zh) * | 2013-01-28 | 2018-02-27 | 株式会社岛津制作所 | 气体压力控制器 |
| KR102269103B1 (ko) * | 2017-03-30 | 2021-06-23 | 가부시키가이샤 후지킨 | 질량 유량 센서, 그 질량 유량 센서를 구비하는 질량 유량계 및 그 질량 유량 센서를 구비하는 질량 유량 제어기 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03244882A (ja) * | 1990-02-23 | 1991-10-31 | Hitachi Metals Ltd | 流量制御用バルブ |
| JPH07159215A (ja) * | 1993-12-04 | 1995-06-23 | Stec Kk | 質量流量センサ |
| JPH10267720A (ja) * | 1997-03-14 | 1998-10-09 | Robert Bosch Gmbh | 薄膜素子を有するセンサ |
| JPH11119835A (ja) * | 1997-10-13 | 1999-04-30 | Horiba Ltd | マスフローコントローラおよび集積化流量制御装置 |
| JPH11243222A (ja) * | 1998-02-26 | 1999-09-07 | Canon Inc | 半導体膜形成装置、半導体膜の製造方法及び光起電力素子の製造方法 |
| JP2000028457A (ja) * | 1998-05-30 | 2000-01-28 | Robert Bosch Gmbh | センサ膜基板の製造方法 |
| JP2001057358A (ja) * | 1999-06-22 | 2001-02-27 | Robert Bosch Gmbh | 薄膜を備えたセンサを製作するための方法 |
| JP2002533663A (ja) * | 1998-12-22 | 2002-10-08 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 質量流量を測定する方法およびセンサ |
-
2001
- 2001-06-01 JP JP2001167075A patent/JP4576597B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03244882A (ja) * | 1990-02-23 | 1991-10-31 | Hitachi Metals Ltd | 流量制御用バルブ |
| JPH07159215A (ja) * | 1993-12-04 | 1995-06-23 | Stec Kk | 質量流量センサ |
| JPH10267720A (ja) * | 1997-03-14 | 1998-10-09 | Robert Bosch Gmbh | 薄膜素子を有するセンサ |
| JPH11119835A (ja) * | 1997-10-13 | 1999-04-30 | Horiba Ltd | マスフローコントローラおよび集積化流量制御装置 |
| JPH11243222A (ja) * | 1998-02-26 | 1999-09-07 | Canon Inc | 半導体膜形成装置、半導体膜の製造方法及び光起電力素子の製造方法 |
| JP2000028457A (ja) * | 1998-05-30 | 2000-01-28 | Robert Bosch Gmbh | センサ膜基板の製造方法 |
| JP2002533663A (ja) * | 1998-12-22 | 2002-10-08 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 質量流量を測定する方法およびセンサ |
| JP2001057358A (ja) * | 1999-06-22 | 2001-02-27 | Robert Bosch Gmbh | 薄膜を備えたセンサを製作するための方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8689623B2 (en) | 2011-09-22 | 2014-04-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Flow sensor, mass flow controller, and method for manufacturing flow sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002358127A (ja) | 2002-12-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101931375B1 (ko) | 유량 측정 장치 및 유량 제어 장치 | |
| US6062256A (en) | Micro mass flow control apparatus and method | |
| JP2814378B2 (ja) | マスフローコントローラ | |
| WO2019107215A1 (ja) | 流量制御装置 | |
| Esashi | Integrated micro flow control systems | |
| US5927325A (en) | Microelectromechanical machined array valve | |
| US6119710A (en) | Method for wide range gas flow system with real time flow measurement and correction | |
| JP4576597B2 (ja) | 耐腐食性集積化マスフローコントローラ | |
| WO2005080925A1 (ja) | 耐食金属製流体用センサ及びこれを用いた流体供給機器 | |
| JP6014225B2 (ja) | 測定機構 | |
| JPH0765915B2 (ja) | マスフローメータ及び流量制御装置 | |
| JPH10281334A (ja) | サックバックバルブ | |
| WO1998037343A9 (en) | Micro mass flow control apparatus and method | |
| WO2000039551A1 (fr) | Detecteur de pression | |
| WO2004092688A1 (ja) | 耐食金属製熱式質量流量センサとこれを用いた流体供給機器 | |
| JPH0774113A (ja) | ガス供給装置 | |
| JPH11119835A (ja) | マスフローコントローラおよび集積化流量制御装置 | |
| KR100808346B1 (ko) | 매니폴드에 미세기계장치를 부착시키는 방법 및 그에따른 유체제어기관 | |
| WO2002006786A1 (fr) | Capteur de pression | |
| US8479580B2 (en) | Pressure transducer arrangement | |
| WO2020026784A1 (ja) | 流量制御システム及び流量測定方法 | |
| JP2011118654A (ja) | 半導体製造装置および流量制御装置 | |
| WO2005024354A1 (ja) | フローセンサ | |
| JP3368741B2 (ja) | マイクロバルブ及びその製造方法 | |
| JP3657278B2 (ja) | マイクロ微量制御装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20080324 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080331 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20080324 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20091210 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091222 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100218 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100413 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100614 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100713 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100804 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130903 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |