JP4734814B2 - マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取り付ける装置および方法 - Google Patents
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Description
【発明の概略説明】
本発明は一般的には、半導体プロセス装置における流体の正確な制御のような流体の正確な制御に関する。特に、本発明はマイクロメカニカル流体制御コンポーネントの取り付け技術に関する。
【0002】
【発明の背景】
マイクロメカニカル装置(マイクロエレクトロメカニカル(MEM)装置、マイクロマシン装置、及びナノ構造物とも呼ばれる)は半導体プロセス技術を使用して構成されたマイクロスケールの三次元物体である。ここで使用されるように、マイクロメカニカルという用語は、半導体プロセス技術に依存して少なくとも部分的に構成されるどんな三次元物体をも指す。
【0003】
マイクロメカニカル装置は流体制御装置として利用される。ここで使用されるように、流体という用語は気体又は液体を指す。正確な流体制御は薬デリバリーから半導体プロセス装置までの範囲にわたる多くの応用において重要である。図1は、半導体プロセス装置に使用される従来技術の「ガススティック」20を示す。ガススティック20はガスの形態の流体を正確に制御する。ガススティック20は一組の制御コンポーネント22を含み、これらの制御コンポーネントは、遮断弁、圧力センサ、質量流量コントローラ、フィルタ、清浄器、圧力ゲージ等を含む。各ガス制御コンポーネント22はコンポーネント基板24に取り付けられている。
【0004】
ガススティック20はまた個々のマニホルドセグメント28を含むマニホルド基板26を有する。マニホルド基板のマニホルドセグメント28はガスの通るガス導管(ガスチャンネル)30を構成する。特に、ガスはガス導管30からガス制御コンポーネント22に流入してガス導管30に戻り、そして他のガス制御コンポーネント22に流入する。
【0005】
図2はガススティックを構成するのに使用される従来技術のマニホルド基板40を示す。マニホルド基板40は、配管44によって連結された個々のマニホルドセグメント42を含む。各マニホルドセグメント42は、制御されたガスを受け入れる第1ガス孔48及び制御されたガスを伝達する第2ガス孔50を有するマニホルドセグメント面46を含む。ガス制御コンポーネント(図示せず)が各マニホルドセグメント42に取り付けられ、受けたガスを処理し、次いでガスをマニホルド基板40に伝達する。例示として、図2は10個のガス制御コンポーネント、即ち6個の遮断弁(SOV)、2個の質量流量コントローラ(MFC)、1個の圧力センサ(PS)、及び1個の圧力調整器(PR)を受け入れるように構成されたマニホルド基板を示す。かくして、マニホルド基板40は比較的大きなスペースを浪費し且つ比較的高価である。
【0006】
図3は流入ポート62及び流出ポート64を有する流体制御コンポーネント基板60を含む従来技術の装置を示す。流体制御コンポーネント60には、常開定比弁の形態の第1マイクロメカニカルガス制御コンポーネント66及び圧力センサ67の形態の第2マイクロメカニカルガス制御コンポーネントが取り付けられている。ガス制御コンポーネント66は膜68及び膜制御室70を含む。膜制御室70内の流体71は選択的に加熱され、それによって、膜制御室70の容積を膨張させ、膜68を撓ませ、それによって、流入ポート62内の流体の流れを遮断する。圧力センサ67と関連した膜69の撓みは制御された流体の圧力を測定するのに使用される。
【0007】
図3で観察してみると、マイクロメカニカルガス制御コンポーネント66及び67はコンポーネント基板60と平行である(コンポーネント基板と同じ水平面に取り付けられる)。コンポーネント基板60はマニホルドセグメント面46と平行である(マニホルドセグメント面と同じ水平面に取り付けられる)。この形態は従来技術に多くの問題をもたらしている。
【0008】
この従来技術の形態と関連した主たる問題は、コンポーネント66及び67を制御された流体以外の源から誘導される応力に曝されることである。例えば、コンポーネント66及び67は矢印72で一般的に示す機械的又は熱的に引き起こされる取付け応力を受ける。取付け応力は、コンポーネントと基板との間の機械的な結合によるのであり、或いはコンポーネントと基板との間の熱膨張のミスマッチによるのである。圧力センサ67の場合には、これらの応力は制御された流体からの信号として誤って処理され、誤った出力信号をもたらすことになる。
【0009】
取付け応力はコンポーネントと基板との間のダイ取付け材料に疲労を生じさせることがある。ある場合には、取付け応力は流体制御コンポーネントを実際に壊すことがある。
【0010】
これらの問題を回避するために、あるシリコーン圧力センサが、シリコーン或いはRTVのような軟質の従順な材料を使用する表面に取り付けられる。軟質の材料は、コンポーネントを熱的に又は機械的に引き起こされるパッケージ応力から隔離するために使用される。不幸にして、これらの材料は、大きいクラスの応用には不適当である。特に、これらの材料は半導体プロセスのためのガスの制御及び分配に使用するのには不適当である。このような関係においては、ガスは腐蝕性又は毒性である。基板又はパッケージへのセンサの理想的な取付けは密封である。密封シールは典型的には大変硬く、パッケージの応力をセンサに直接伝えてしまう。その結果、流体制御コンポーネントをその基板から機械的に隔絶する代替方法を使用しなければならない。
【0011】
半導体プロセス装置はまた流体制御コンポーネントの連続清浄を要求する。流体制御装置は腐蝕してはならず、また半導体製造工程に影響を及ぼす粒子を発生させてもいけない。この制約は、事実上全ての軟質の従順な材料を、コンポーネントの取付け用の候補として考慮から排除する。
【0012】
前述に照らして、流体制御コンポーネントを取り付けるための改良技術を提供することが大変望ましい。理想的には、このような技術は、比較的コンパクトで効率的な流体制御構造物を提供する。
【0013】
【発明の概要】
本発明の装置は、水平平面に向けられたマニホルド基板と連結するようになったマニホルドインターフェースプレートを含む。マニホルドインターフェースプレートはマニホルド基板から水平平面に沿って取付け応力を受ける。直交型コンポーネントプレートがマニホルド基板の水平平面に関して垂直平面でマニホルドインターフェースプレートに連結される。直交型コンポーネントプレートは直交型取付面を有し、この取付面にマイクロメカニカル流体制御コンポーネントが取り付けられている。直交型取付面上でのマイクロメカニカル流体制御コンポーネントの位置はマイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取付け応力から実質的に隔絶する。
【0014】
本発明の装置の他の実施形態は水平平面に定められたマニホルド基板と直接的連結するようになった直交型コンポーネントプレートを含む。直交型コンポーネントプレートはマニホルド基板の水平平面に関して垂直平面に向けられる。直交型コンポーネントプレートは直交型取付面を有し、この取付面にマイクロメカニカル流体制御コンポーネントが取り付けられている。直交型取付面上でのマイクロメカニカル流体制御コンポーネントの位置はマイクロメカニカル流体制御コンポーネントをマニホルド基板から生じる取付け応力から実質的に隔絶する。
【0015】
本発明の方法はマニホルドインターフェースプレートを水平平面に向けられたマニホルド基板に取り付ける段階を含む。マニホルドインターフェースプレートはマニホルド基板から水平平面に沿って取付け応力を受ける。次いで、マイクロメカニカル流体制御コンポーネントがマニホルド基板の水平平面に関して垂直平面でマニホルドインターフェースプレートに連結された直交型コンポーネントプレートの直交型取付面に位置決めされる。直交型取付面上でのマイクロメカニカル流体制御コンポーネントの位置はマイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取付け応力から実質的に隔絶する。
【0016】
本発明の取付け技術はマイクロメカニカル流体制御コンポーネントに及ぼす取付け応力を実質的に除去し、それによって、コンポーネントのための信号ドリフト及びコンポーネントの物理的な損傷を減ずる。本発明の実施形態は依然として起こるかもしれないいかなる信号ドリフトをも矯正する。本発明の技術はコンパクトな構成を容易にし、それによって、流体制御コンポーネントのサイズ及び費用を減ずる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明のより良い理解のために、添付図面と共に以下の詳細な説明を参照すべきである。
【0018】
図4は、本発明の実施形態による直交型(オーソゴナル:orthogonal)流体制御取付装置78を示す。取付装置78は、マニホルドインターフェイスプレート80及び直交型コンポーネントプレート82を含む。マニホルドインターフェイスプレート80はマニホルドインターフェイス孔84を含む。マニホルドインターフェイスプレート80はマニホルド基板に連結される(例えば、図1の基板26又は図2の基板40)。マニホルド基板との連結を達成するために、ボルト又は他の固定装置がマニホルド孔84の中に位置決めされる。
【0019】
直交型コンポーネントプレート82は直交型取付面85を含む。その名前が含意するように、直交型取付面は、マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取付けるために使用される。マイクロメカニカル流体制御コンポーネントは、マニホルドインターフェイスプレートの水平面に直交する鉛直平面内にあることを観察すべきである。従って、マニホルドインターフェイスプレートによって与えられる取付応力は、流体制御コンポーネントから隔離される。流体制御コンポーネントは、もはや、それらの性能や物理的完全性に影響を与える応力に晒されないので、この構造は、流体制御コンポーネントの精度及び信頼性を改善する。
【0020】
図4は又、直交型取付面85のガスポート88を示す。ガスポート88は、マイクロメカニカル流体制御コンポーネント(図4には図示せず)と、直交型流体制御取付装置78の内部通路との間の流体連通を達成する。図4は又、マイクロメカニカル流体制御コンポーネント又は直交型取付面85に取付けられたコンポーネントを包囲するために使用することができる電子機器ハウジング86を示す。リボンケーブルコネクタ90は、電子機器ハウジング86から外部コンピュータ又は他の電子機器(図示せず)への信号の経路を定めるのに使用することができる。
【0021】
図4は又、直交型コンポーネントプレート82をマニホルドインターフェイスプレート80に取付けるために使用することができるボルト92を示す。直交型プレート82及びマニホルドインターフェイスプレート80は、連続的に取付けられるエレメントを分離することができる。あるいは、マニホルドインターフェイスプレート80及び直交型コンポーネントプレート82を単一部品として機械加工しても良い。好ましくは、マニホルドインターフェイスプレート80は、半導体処理装置への応用に対しては、316Lステンレススチールで形成される。複製連鎖反応や、液体クロマトグラフィー解析システムのような生物学的適合性が要求される場合には、他の材料、例えば、テフロン(登録商標)を使用することができる。
【0022】
図5は、マニホルドインターフェイスプレート80の底面図である。この図はマニホルドインターフェイス装置84を示す。この図は又、例えば図1に示すタイプのマニホルド基板26の導管30との流体連通を達成するために使用される第1ガス孔94及び第2ガス孔96を示す。
【0023】
図6は、本発明の重ねられた装置を示す。特に、この図は、マニホルドインターフェイスプレート80に位置決めされた第1直交型コンポーネントプレート82を示す。この図は又、第1直交型コンポーネントプレート82に関連した電子機器ハウジング86及びリボンケーブルコネクタ90を示す。第2直交型コンポーネントプレート100が第1直交型コンポーネントプレート82の頂部に位置決めされる。第2直交型コンポーネントプレート100は第1直交型コンポーネントプレート82と同一形態のものである。従って、第2直交型コンポーネントプレート100は、電子機器ハウジング102及びリボンケーブルコネクタ104を含む。
【0024】
図7は、図6の装置の正面図である。図7は、第2の直交型コンポーネントプレート100の上に位置決めされたマイクロメカニカル流体制御装置106を示している。図7はまた、第2の直交型コンポーネントプレート100の上に位置決めされたマイクロコントローラ108を示している。
【0025】
図8は、第1の直交型コンポーネントプレート82の概略側面図であり、第1の直交型コンポーネントプレート82は、第1の遮断弁(SOV)110及び第2の遮断弁(SOV)112を備えている。第2の直交型コンポーネントプレート100は、質量流量コントローラ(MFC)114を含むように図示されている。第1の直交型コンポーネントプレートと第2の直交型コンポーネントプレートの中を通る内部導管116が、流入ポート120と流出ポート122との間の連続流体通路を構成している。
【0026】
図8は、本発明と関連した多数の利益を明示している。第1に、図8は、1以上の流体制御コンポーネントが1つの直交型コンポーネントプレートの上に取付けられることを明示している。図8はまた、本発明の積み重ね形態と関連した有効性を明示している。第2の直交型コンポーネントプレート100は更に、他の流体制御コンポーネントを単一のコンポーネント基板に取付けることを可能にする。これは、流体制御設備の寸法を縮小し、そのコストを削減する。
【0027】
図9は、図8の装置の断面図である。図9は、流入ポート120に隣接して位置決めされた第1のマイクロメカニカル遮断弁110を示している。第1の直交型コンポーネントプレート82はまた、流出ポート122に隣接した第2のマイクロメカニカル遮断弁112を含む。第2の直交型コンポーネントプレート100は、定比弁128、圧力センサ130、オリフィス132、第2の圧力センサ134及び温度センサ135を含み、それらを組合せて、質量流量コントローラ114を形成している。
【0028】
当業者は、広範囲にわたる変形の流体制御構成が本発明に従って行われ得ることを認めるであろう。例示として、図10は、1つのそのような変形構成を示す。図10は、遮断弁140及び144と関連している質量流量コントローラ142の周りの流体の経路を選択的に定めるためのバイパス遮断弁(SOV)146を示している。
【0029】
図11は、質量流量コントローラ154の概略図であり、質量流量コントローラ154は、一組の圧力センサ、定比弁、一組の応力センサ及びマイクロコントローラを含んでいる。遮断弁150及び152は、質量流量コントローラ154の両側に位置決めされている。
【0030】
図12は、図11の質量流量コントローラ154の実施例を示す。図12は、マニホルドインターフェースプレート160及び直交型コンポーネントプレート162を示している。ひずみセンサ164が、マニホルドインターフェースプレート160及び直交型コンポーネントプレート162の上に位置決めされている。後述するように、ひずみセンサ164は、流体制御コンポーネント出力に影響を及ぼすことがある取付け応力を測定するのに使用される。ひずみセンサ164からのひずみ信号は、取付け応力に起因する誤差を含む出力を補償するために、マイクロコントローラ170によって処理される。図12はまた、圧力センサ166及び定比弁168を示しており、これらの各々は、ボンディングパッド174を含むプリント回路基板172に隣接して位置決めされている。
【0031】
マイクロコントローラ170の動作を、図13を参照して説明する。図13は、マイクロコントローラ170が、ひずみセンサ164、圧力センサ166及び定比弁168から入力信号を受信することを示している。マイクロコントローラ170は、ひずみ補正モジュール176の形態をなして実行可能なプログラムを記憶しているメモリ175に接続されている。ひずみ補正モジュール176は、ハードワイヤード回路(配線接続回路)をなしていても良いし、不揮発性メモリであっても良い。図13の実施例では、ひずみ補正モジュール176をマイクロコントローラ170によって実行し、応力によるセンサ信号のドリフトを同定する。
【0032】
図14は、所定の誤差帯域181の外にドリフトしている波形180を示している。マイクロコントローラ170は、(圧力センサ166、定比弁168、又はその他の流体制御コンポーネントから生じた)このドリフト信号を同定する。誤差帯域181からドリフトしている信号に応答して、アラーム信号182を出力として生じさせるのが良い。アラーム信号は、装置に取付けられている発光ダイオードを作動させても良いし、監視用コンピュータへの接続を確立しても良い。
【0033】
波形184は、未補正の出力された出力誤差を示している。この観測信号に基づいて、マイクロコントローラ170は、波形186で示すように、補正信号を発生させる。波形184と186とを組合せることによって、マイクロコントローラは、補正後の出力信号188を生じさせる。従って、本発明の観点では、マイクロコントローラ170は、ひずみセンサ164からの応力信号に応答して、流体制御コンポーネントからの出力信号を調整する。
【0034】
図15は、本発明の変形実施形態を示す。図15の実施形態では、直接取付け直交型コンポーネントプレート180が、マニホルド基板182に直接取付けられている。換言すれば、マニホルドインターフェースプレートは使用されていない。この直接連結のために、ボルト184を使用するのが良い。個々の流体制御コンポーネントは、直接取付け直交型コンポーネントプレート180の上に前述の仕方で取付けられている。この実施形態によれば、流体制御コンポーネントは更に、マニホルド基板によって生じる取付け応力から隔絶される。
【0035】
図15はまた、第1ケーブルコネクタ188を備えた第1電子機器ハウジング186と、第2ケーブルコネクタ192を備えた第1電子機器ハウジング190とを示す。かくして、この実施形態では、流体制御コンポーネントは、単一の直交型コンポーネントプレート180の両側に取り付けられる。
【0036】
上記記載は、本発明を全体的に理解させるように、説明の目的で特定の名称を使用した。しかし、本発明を実施するのに特定の細部が必要とされないことは当業者にとって明らかである。他の例では、基本をなす発明からの不必要な散心を回避するため、周知の回路、装置はブロック図の形態で示されている。かくして、本発明の特定実施形態の上記記載は、例示及び説明の目的で提供されている。上記記載は、包括的であるようには、また、本発明を上述した寸分違わない形態に限定するようには意図されておらず、上記教示から多くの変形と変更が可能であることは明らかである。本発明の原理及びその実際的な使用を最良に説明し、これにより、当業者が本発明及び企図された特定の用途に適するように種々の変更を伴った種々の実施形態を最良に利用することができるようにするために、上記実施形態が選択され、説明された。本発明の範囲は請求の範囲及びその均等の範囲によって定められるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のガススティックを示す。
【図2】 従来のマニホルド基板を示す。
【図3】 定比弁及び圧力センサを含む、従来のマイクロメカニカル流体制御コンポーネントを示す。
【図4】 本発明の実施形態による流体制御装置用直交型取付装置を示す。
【図5】 図4の装置について用いられるマニホルドインターフェイスプレートの底面図である。
【図6】 本発明の実施形態による積重ねた直交型取付装置の側面図を示す。
【図7】 図6の装置の正面図である。
【図8】 本発明の積重ねた直交型取付装置に組み込んだ種々の流体制御コンポーネントの略図である。
【図9】 本発明の積重ねた直交型取付装置の中の流体制御通路及び流体制御コンポーネントの断面図である。
【図10】 本発明の積重ねた直交型取付装置に組み込むことのできる種々の流体制御コンポーネントの略図である。
【図11】 本発明の直交型取付装置に組み込むことのできる種々の流体制御コンポーネントの略図である。
【図12】 本発明の直交型取付装置に組み込まれた図11の流体制御コンポーネントを示す。
【図13】 本発明の実施形態による、信号補正用に使用されるマイクロコントローラの略図である。
【図14】 図13の装置によって処理された流体制御コンポーネント出力信号を示す。
【図15】 本発明の実施形態による直接取付け直交型コンポーネントプレートを示す。
Claims (16)
- マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取り付けるための装置であって、
水平平面に差し向けられたマニホルド基板に連結することができるようになったマニホルドインターフェースプレートと、
前記マニホルド基板及び前記マニホルドインターフェースプレートの前記水平平面に対して垂直に連結された直交型コンポーネントプレートと、
前記直交型コンポーネントプレートの側面に形成され、前記マニホルド基板及び前記マニホルドインターフェースプレートに対して垂直でマイクロメカニカル流体制御コンポーネントの取り付けられる直交型取付面と、
前記直交型取付面に位置決めされ、取付応力を受信してドリフト信号を同定するマイクロコントローラと、
を有し、
前記マニホルドインターフェースプレートが、前記水平平面に沿って前記マニホルド基板から前記取付応力を受け、前記直交型取付面における前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントの位置が、前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを前記取付応力から隔絶することを特徴とする装置。 - 前記直交型コンポーネントプレートに位置決めされた第2直交型コンポーネントプレートを有し、該第2直交型コンポーネントプレートが第2直交型取付面を有し、該第2直交型取付面には第2マイクロメカニカル流体制御コンポーネントが取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記マニホルドインターフェースプレート及び前記直交型コンポーネントプレートが、連続流体経路を形成する内部導管を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記直交型取付面が前記連続流体流路と流体連通しているポートを有することを特徴とする請求項3に記載の装置。
- 前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントは、前記ポートと整列された孔を有することを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記直交型取付面に位置決めされた電子機器ハウジングを有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記直交型取付面に位置決めされた複数の流体制御コンポーネントを有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記直交型コンポーネントプレートが第2直交型取付面を有し、該第2直交型取付面には第2マイクロメカニカル流体制御コンポーネントが取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記直交型コンポーネントプレートに位置決めされた応力センサを有し、該応力センサが直交型コンポーネントプレートに加えられた応力に応答して応力信号を発生し、前記マイクロコントローラが、前記応力信号に応答して前記流体制御コンポーネントからの出力信号を調節することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取り付けるための装置であって、
水平平面に構成されたマニホルド基板に直接連結することができるようになった直交型コンポーネントプレートと、
前記直交型コンポーネントプレートの直交型取付面に位置決めされ、取付応力を受信してドリフト信号を同定するマイクロコントローラと、
を有し、
前記直交型コンポーネントプレートが、前記マニホルド基板の前記水平平面に対して垂直な平面に差し向けられ、前記マニホルド基板及びマニホルドインターフェースプレートに対して垂直な直交型取付面を有し、該直交型取付面にはマイクロメカニカル流体制御コンポーネントが取り付けられ、前記直交型取付面における前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントの位置が、前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを前記マニホルド基板から生ずる取付応力から隔絶することを特徴とする装置。 - 前記直交型コンポーネントプレートが、第2マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取付けた第2直交型取付面を含む請求項10に記載の装置。
- 前記直交型コンポーネントプレートに位置決めされた第2直交型コンポーネントプレートを更に有する請求項10に記載の装置。
- 前記直交型コンポーネントプレートに位置決めされた応力センサを更に有し、前記応力センサは、前記直交型コンポーネントプレートに負荷された応力に応答して応力信号を生成し、前記マイクロコントローラは、前記応力信号に応答して前記流体制御コンポーネントからの出力信号を調整する請求項12に記載の装置。
- マニホルドインターフェースプレートを、水平面に向けられたマニホルド基板に取付け、前記マニホルドインターフェースプレートが、前記水平面に沿った前記マニホルド基板からの取付応力を受ける段階と、
マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを、前記マニホルド基板の前記水平面に対して、鉛直面内の前記マニホルドインターフェースプレートに連結された直交型コンポーネントプレートの直交型取付面に位置決めし、前記直交型取付面上の前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントの位置が、前記マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを前記取付応力から隔絶する段階と、
前記直交型コンポーネントプレートに負荷された前記取付応力に応答して、応力信号を収集する段階と、
前記応力信号に応答して前記流体制御コンポーネントからの出力信号を調整する段階と、
を含むことを特徴とするマイクロメカニカル流体制御コンポーネントの取付方法。 - 第2直交型コンポーネントプレートを第1直交型コンポーネントプレートに位置決めする段階を更に含み、前記第2直交型コンポーネントプレートが第2マイクロメカニカル流体制御コンポーネントを取付けた第2直交型取付面を含むことを特徴とする請求項14記載の方法。
- 前記マニホルドインターフェースプレート及び前記直交型コンポーネントプレートを通る連続的な流体通路を構成する段階を更に含むことを特徴とする請求項14記載の方法。
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