JPH04188024A - シリコンを用いた流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガス、溶液等の流体に熱を与え、所定の位置
における流体の温度を測定することにより流体の流速を
測定する、流路をもつ熱式の流速測定装置に関し、例え
ば半導体製造装置に用いるガスなどの微小な流速の測定
に用いて好適なものである。

〔従来の技術］ 従来、流体に熱を与え、所定の位置における流体の温度
を測定することにより流体の流速を測定する、熱式の流
速計として、第８図（ａ）に示すように、取付板１１の
所定位置にセンサチップ１２を取付け、表面にコーティ
ング１３を施したものが提案されている。上記センサチ
ップ１２は、第８図（ｂ）に示すように、中央部に形成
した流体加熱用のトランジスタＱ２を挟んで対称位置に
流体温度検出用のトランジスタＱ、　、Ｑ、を形成して
いる。そして、これらのトランジスタＱ３、Ｑ、　、Ｑ
３の配列は、流体がトランジスタＱ、からトランジスタ
Ｑ２　、Ｑ３に向かって流れるようニ設定すレテイル（
「センサ技術」Ｖｏｌ、５　、Ｎｏ、ｌ、ｐ、２９、〔
情報調査会〕）。

上記の構成の流速計は、センサチ・ノブ１２の中央ニ位
置するトランジスタＱ２のコレクタ損失により流体を加
熱し、加熱された流体が、測定しようとする所定速度で
移動することによりトランジスタＱ３の形成位置に達す
るので、トランジスタＱ２を挟んで対称位置に形成され
たトランジスタＱ、　、Ｑ、により、それぞれ全く加熱
されていない流体の温度に対応する信号と、加熱された
流体の温度に対応する信号とを得、このようにして得ら
れた両信号の差および温度差が流速の平方根に比例する
ことに基づいて流体の流速を算出することができる。

また、原理は同じだが、全く加熱されていない流体の温
度と加熱された流体の温度との差を測定するのに、１対
のトランジスタのかわりに、基板の所定位置に形成した
発熱部を挟んで一対の接点が対向するように、例えば、
銅−コンスタンタンの薄膜熱電対を形成した流速計があ
る（特開昭６２−１４４０７４号公報）。

この構成の流速計は、発熱部に通電することにより流体
を加熱することができ、この発熱部を挟んで一対の接点
が対向するように配置した薄膜熱電対により、全く加熱
されていない流体の温度と加熱された流体の温度との差
に対応する起電力が出力される。そして、この起電力に
基づいて必要な演算を行うことにより、流体の流速を算
出することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

流体への熱放散を利用した上述の従来の流速計では２点
間の温度差の測定値を用いて流速を計算するため、同じ
流速の場合でも、流体の違いによる温度拡散率や熱伝導
率の違いや測温部の汚れなどの影響で、測定される温度
差が変わってくる。

即ち、これらの影響により、流速に対する感度が変わっ
てしまう。

そこで、本発明は、感度が、流体の違いによる温度拡散
率や熱伝導率の違いや測温部の汚れに影響されず安定な
、熱式の流速測定装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、流体管の壁の一部を構成するシリコン基板と
、流路に面した上記シリコン基板上に形成された、流路
の移動方向に離れた２点間の流体の温度差を測定するた
めの測温素子と、流体の移動方向に対し上記測温素子よ
りも上流側における上記シリコン基板上に形成された発
熱部とを具備することを特徴とする。

また、測温素子は、サーモパイルや一対のダイオードや
一対のトランジスタから形成される。

〔作用］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施態様の一例としてサーモパイルを
使用した例の断面図、第２図は同要部上面図、第３図は
同要部概略斜視図を示す。

第１図に示すように、例えばｎ型シリコン基板２１上に
例えばＰ型エピタキシャル層２２が形成され、このｐ型
エピタキシャル層２２内に例えばｎ型の第１導体層２４
が形成され、例えば二酸化シリコンや窒化シリコンなど
の第１絶縁層２３を介して、第１導体層２４上に第２導
体層２６が形成されている。第２図に示すように、第１
導体層２４と第２導体層２６とは各々複数あり、互いに
一端同士および他端同士が例えばアルミニウムなどの金
属層２７により接続されている。これによって、これら
の直列接続された第１導体層２４と第２導体層２６とか
らなる熱電対が複数個ジグザグ状に直列接続されたサー
モパイルが構成されている。このサーモパイルは、第１
図のＡで示された位置を温接点、Ｂで示された位置を冷
接点とする。なお、これを逆にＡを冷接点、Ｂを温接点
としても何ら不都合は起こらず、基本的作用は同じであ
る。

第２導体層２６は、熱電対の熱起電力の点からは第１導
体層とは反対導電型の、ここでは、Ｐ型の単結晶シリコ
ンが好ましいが、製造上の容易さからｐ型の多結晶シリ
コンやＰ型のアモルファスシリコンでもよく、さらに簡
単には金属層２７と同し、例えばアルミニウムでもよい
。

上記サーモパイルより流体の移動方向に対し上流側にお
ける第１絶縁層２３上にヒーター２８が形成されている
。このヒーター２８は、金属層２７と同し、例えばアル
ミニウムでよい。第２導体層２６、金属層２７およびヒ
ーター２８が直接流体に触れないよう、それらの上部に
例えば窒化シリコンなどの第２絶縁層２５が形成されて
いる。

ヒーター２８とｎ型シリコン基板２１およびＰ型エピタ
キシャル層２２との間の熱的絶縁を図るため、ｐ型エピ
タキシャル層２２のうちヒーター２８の直下部が、例え
ば水酸化カリウム水溶液などを用いたエツチングにより
除去され、空間部３６が形成される。

流路は例えばパイレックスガラスなどのガラス２９に溝
を形成し、その溝とヒーター２８およびサーモパイルと
の位置が合うようにして、例えば陽極接合法で接着して
形成される（第３図）。

流体が流れている時、例えば１００　（ｔｌｓ）などの
短い時間ヒーター２８に通電する。その時、その直上を
流れている流体が熱せられ、下流へ流れていく。熱せら
れた流体がサーモパイルの温接点に到達する時刻と冷接
点に到達する時刻とは興なり（第５図（ａ）、（ｂ））
、従ってサーモパイルの出力は第５図（Ｃ）に示すよう
になる。サーモパイルの温接点および冷接点間の距Ｎ！
は既知であるから、このサーモパイル出力の正のピーク
と負のピークとの時間差τより、流速Ｖはｖ＝ｌ／τで
求められる。流速を求めるのに、流体の違いによる温度
拡散率や熱伝導率の違いや測温部の汚れなどの影響を受
ける温度差の値でなく、温度差の正負ピークの時間差を
用いているため、流体の違いによる温度拡散率や熱伝導
率の違いや測温部の汚れなどの影響を受けずに流速を計
算することができる。また、流体の温度の絶対値の影響
もない。

時間差τは通常１００（μｓ〕以下の誤差で測定できる
ので、測定された時間差τの相対誤差（測定値に対する
誤差の割合）は、τが大きくなるほど小さくなり精度が
上がる。従って、流速Ｖは、■が小さいほど精度が良く
なる。通常の流速計では、誤差がフルスケールに対する
割合で規定されるため、流速が小さいと精度が悪くなる
欠点があったが、本発明の流速測定装置によりこの欠点
は克服される。また、時間差τが小さいと、測定精度が
劣化し、１　（ｆｆｌｓ）のτ測定値に対して１０％の
誤差が生じる。従って、流速が速くなると誤差が大きく
なり、仮に１０％の誤差を許すとすると時間差τが１［
躯］となる流速が測定流速の上限となる。この上限流速
の値は、距離２の値を変えることにより変えることがで
き、例えばｆ＝１．０〔口］の場合は、測定流速の上限
は１．０　（ｍｍ）÷Ｉ　　Ｃｍ５）　−１０００（閣
／ｓ）となる。

本発明の流速測定装置は小さい流速で精度が良く、例え
ば、半導体製造装置に用いるガスなどの微小な流速の測
定に用いて好適であるが、このような流速では、流路壁
付近の境界層はほとんど無視でき、流路内の流速分布は
ほぼ一様であるため、流速の補正は不要である。

なお、流体の温度を測定するためには、ここで示したサ
ーモパイル以外に、１対のダイオードまたは１対のトラ
ンジスタなどの測温素子を用いることもできる。

〔実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図〜第３図は本発明の第１実施例による流速計の構
成を示す。

第１図に示すように、この第１実施例においては、ｎ型
シリコン基板２１上にｐ型エピタキシャル層２２が形成
され、このｐ型エピタキシャル層２２内にｎ型の拡散層
からなる第１導体１２４が形成され、窒化シリコンのよ
うな第１絶縁層２３を介して、第１導体層２４上に例え
ばニッケルのような第２導体層２６が形成されている。

第２図に示すように、第１導体層２４と第２導体層２６
とは各々４本あり、互いに一端同士および他端同士がニ
ッケルのような金属層２７により接続されている。これ
によって、これらの直列接続された第１導体層２４と第
２導体層２６とからなる熱電対が複数個ジグザグ状に直
列接続されたサーモパイルが形成されている。

上記サーモパイルより上流側における、窒化シリコンの
ような第１絶縁層２３上に、ニッケルを用いたヒーター
２８が形成されている。第２導体層２６、金属層２７お
よびヒーター２日が直接流体に触れないように、窒化シ
リコンのような第２絶縁層２５が形成されている。

ヒーター２８とｎ型シリコン基板２１およびＰ型エピタ
キシャル層２２との間の熱的絶縁を図るため、ｐ型エピ
タキシャル層２２のうちヒーター２８の直下部が、第２
図に示すように、第１絶縁層２３および第２絶縁層２５
に形成されたエツチング窓３１より水酸化カリウム水溶
液を用いたエツチングにより除去され、空間部３６が形
成される。

パイレックスガラスのようなガラス２９に、流路となる
べき、例えば幅５（ｍｍＬ深さ１００〔μｍ〕の溝が形
成されている。この溝と、ｎ型シリコン基板２１上に形
成したヒーター２８およびサーモパイルとの位置が合う
ように、ガラス２９とｎ型シリコン基板２１との相対位
置合わせをして、陽極接合によりガラス２９とｎ型シリ
コン基板２１とを接合して波路が形成されている。

この第１図実施例では、ヒーター２８とサーモパイルの
温接点Ａとの距離を１．５［ｍＬサーモパイルの熱電対
の長さ、すなわち、サーモパイルの温接点Ａと冷接点Ｂ
との距離を１．０　（履］とした。窒素を流体として、
３０　（ｃｍ３／ｓｉｎ　）の流量（流速理論値１００
０　（ａｎ／ｓ）　）で流速を測ってみたところ、第５
図（ｃ）に示すサーモパイル出力波形を得、最大ピーク
と最小ピークとの時間差τは０．９　（ｗｓ）であった
。この値から計算される流速測定値は１１１１　（ｍｍ
／ｓ）である。次に、アルゴンを流体として、３０　（
ｃｌ’／ｓｉｎ　：ｌの流量（流速理論値１０００　（
ｍｍ／ｓ）　）で流速を測ってみたところ、第５図（Ｃ
）に示すサーモパイル出力波形を得たが、アルゴンと窒
素との温度拡散率がほぼ同じで、アルゴンの熱伝導率が
窒素の熱伝導率の約０．６８倍のため、測定された温度
差の絶対値は約１．５倍となっている。これから求めら
れる時間差τは１．０（ｍｓ）で、この値から計算され
る流速測定値は１０００　（ｎ＋ｗ／ｓ）である。

この第１実施例では、ｎ型シリコン基板２１上にｐ型ユ
ピタキシャル層２２を形成したが、第４図に示すように
、ｐ型エピタキシャル層２２を用いないで流速計を実現
することもできる。

すなわち、第４図に示すように、ｎ型シリコン基板２１
内にｐ型の拡散層からなる第１導体層２４が形成され、
窒化シリコンのような第１絶縁層２３を介して、第１導
体層２４上にニッケルのような第２導体層２６が形成さ
れている。

第２図に示すように、第１導体層２４と第２導体層２６
とは各々４本あり、互いに一端同士および他端同士がニ
ッケルのような金属層２７により接続されている。これ
によって、これらの直列接続された第１導体層２４と第
２導体層２６とからなる熱電対が複数個ジグザグ状に直
列接続されたサーモパイルが形成されている。

上記サーモパイルより上流側におけるｎ型シリコン基板
２１内に形成されたＰ゛型層３０上の、窒化シリコンの
ような第１絶縁層２３上に、ニッケルを用いたヒーター
２８が形成されている。第２導体層２６、金属層２７お
よびヒーター２８が直接流体ムこ触れないように、窒化
シリコンのような第２絶縁層２５が形成されている。

ヒーター２８とｎ型シリコン基板２１との間の熱的絶縁
を図るため、ｎ型シリコン基板２１内に形成されたＰ°
型層３０が、第２図に示すように、第１絶縁層２３およ
び第２絶縁層２５に形成されたエンチング窓３１よりフ
ン酸と硝酸との混合水溶液を用いたエンチングにより除
去され、この部分に空間部が形成される。

パイレックスガラスのようなガラス２９に流路となるべ
き、幅５〔ｍｍ〕、深さ１００〔μｍ〕の溝が形成され
ている。この溝と　ｎ型シリコン基板２１上に形成した
ヒーター２８およびサーモパイルとの位置が合うように
、ガラス２９とｎ型シリコン基板２１との相対位置合わ
せをして、陽極接合によりガラス２９とｎ型シリコン基
板２１とを接合して流路が形成されている。

以上の方法で、ｐ型エピタキシャル層２２を用いない流
速計を実現できる。

第６図は本発明の第２実施例による流速計の構成を示す
。

第６図に示すように、この第２実施例においては、ｎ型
シリコン基板２１上にｐ型エピタキシャル層２２が形成
され、このＰ型エピタキシャル層２２内にｎ゛型の素子
分離用アイソレーション層３２が形成され、このアイソ
レーション層３２で分離されたｐ型エピタキシャル層２
２内にｎ型拡散層３３が形成され、このｎ型拡散層３３
とｐ型エピタキシャル層２２とでダイオードが形成され
ている。ダイオードは、その電圧電流特性が温度により
変化するため、このことを利用して温度を測定すること
ができる。このダイオードが流体の流れの方向に沿って
２つ、それぞれ第６図中Ａ、Ｂの位置に配置されている
。この２つのダイオードを差動的に用い、上流側（Ａ位
置）のダイオードの出力から下流側（Ｂ位置）のダイオ
ードの出力を滅じたものを測定出力とする。

上記温度測定用ダイオードより上流側における、窒化シ
リコンのような第１絶縁層２３上に、ニッケルを用いた
ヒーター２８が形成されている。金属層２７およびヒー
ター２８が直接流体に触れないように窒化シリコンのよ
うな第２絶縁層２５が形成されている。

ヒーター２８とｎ型シリコン基板２１およびＰ型エピタ
キシャル層２２との間の熱的絶縁を図るため、Ｐ型エピ
タキシャル層２２のうちヒーター２８の直下部が、第２
図に示すように、第１絶縁層２３および第２絶縁層２５
に形成されたエツチング窓３１より水酸化カリウム水溶
液を用いたエツチングにより除去され、空間部３６が形
成される。

パイレックスガラスのようなガラス２９に、流路となる
べき、幅５〔ｍｍ〕、深さ１００（μｒｎ）の溝が形成
されている。この溝と、ｎ型シリコン基板２１上に形成
したヒーター２８およびサーモパイルとの位置が合うよ
うに、ガラス２９とｎ型シリコン基板２１との相対位置
合わせをして、陽極接合によりガラス２９とｎ型シリコ
ン基板２１とを接合して流路が形成されている。

この第２実施例では、ヒーター２８と上流側（Ａ位置）
のダイオードとの距離を１．５　（ｍｍ）、２つのダイ
オードの間隔、すなわち、ＡＢ間の距離を１．０　（ｍ
＋ｗ）とした。窒素を流体として３〔ＣＩｌコ／ｍ１ｎ
）の流量（流速理論値１００　（＋＋ｕｅ／ｓ）　）で
流速を側ってみたところ、第５図（Ｃ）に示す出力波形
を得、最大ピークと最小ピークとの時間差τは１０．１
　Ｃｌ１ｌｓ：］であった。この値から計算される流速
測定値は９９　（ａｍ／ｓ〕である。次に、アルゴンを
流体として、３　（ｃｍ’／ｓｉｎ　）の流量（流速理
論値１００　（ｍｎ／ｓ）　）で流速を測ってみたとこ
ろ、第５図（Ｃ）に示す出力波形を得たが、アルゴンと
窒素との温度拡散率がほぼ同じで、アルゴンの熱伝導率
が窒素の熱伝導率の約０．６８倍のため、測定された温
度差の絶対値は約１．５倍となっている。これから求め
られる時間差τは１０．０　（ｍｓ）で、この値から計
算される流速測定値は１００　（ｎ＋ｍ／ｓ）である。

第７図は本発明の第３実施例による流速計の構成を示す
。

第７図に示すように、ｎ型シリコン基板２１上にｐ型エ
ピタキシャル層２２が形成され、このｐ型エピタキシセ
ル層２２内にｎ゛型の素子分離用アイソレーション層３
２が形成され、このアイソレーション層３２で分離され
たｐ型エピタキシャル層２２内にｎ型拡散層３３が形成
され、このｎ型拡散層３３内にＰ゛型型数散層３４よび
ｎ゛型型数散層３５形成され、これらのｎ型拡散層３３
、ｐ゛型型数散層３４よびｎ゛型型数散層３５Ｐ型エピ
タキシャル層２２とでトラジスタが形成されている。ト
ランジスタは、その電圧電流特性が温度により変化する
ため、このことを利用して温度を測定することができる
。このトランジスタが流体の流れの方向に沿って２つ、
それぞれ第７図中Ａ、Ｂの位置に配置されている。これ
らの２つのトランジスタを差動的に用い、上流側（Ａ位
置）のトランジスタの出力から下流側（Ｂ位置）のトラ
ンジスタの出力を滅したものを測定出力とする。

上記温度測定用トランジスタより上流側における、窒化
シリコンのような第１絶縁層２３上に、ニッケルを用い
たヒーター２８が形成されている。

金属層２７およびヒーター２８が直接流体に触れないよ
うに窒化シリコンのような第２絶縁層２５が形成されて
いる。

ヒーター２８とｎ型シリコン基板２１およびＰ型エピタ
キシャル層２２との間の熱的絶縁を図るため、ｐ型エピ
タキシャル層２２のうちヒーター２８の直下部が、第２
図に示すように、第１絶縁層２３および第２絶縁層２５
に形成されたエツチング窓３１より水酸化カリウム水溶
液を用いたエツチングにより除去される。

パイレックスガラスを用いたガラス２９に、波路となる
べき、幅５〔ｍｍ］、深さ１００〔μｍ〕の溝が形成さ
れている。この溝と、ｎ型シリコン基板２１に形成した
ヒーター２８およびサーモパイルとの位置が合うように
、ガラス２９とｎ型シリコン基板２１との相対位置合わ
せをして、陽極接合によりガラス２９とｎ型シリコン基
板２１とを接合して流路が形成されている。

この第３実施例では、ヒーター２８と上流側（Ａ位置）
のトランジスタとの距離を１．５　（ｍｍ）、２つのト
ランジスタの間隔、すなわち、ＡＢ間の距離を１．０　
（ｍｍ）とした。窒素を流体として、０．３　［ｃｍ３
／ｗｉｎ　］の流量（流速理論値１０　（＋＋ｖ＋／ｓ
）　）で流速を測ってみたところ、第５図（ｃ）に示す
出力波形を得、最大ピークと最小ピークとの時間差τは
１００　（ｍｓ）であった。この値から計算される流速
測定値は１０　（ｍｓ／ｓ）である。次に、アルゴンを
流体として、０．３　［ｃｍ３／＋ｍｉｎ　）の流量（
流速理論値１０　〔Ｉａｓ／ｓ）　）で流速を測ってみ
たところ、第５図（Ｃ）に示す出力波形を得たが、アル
ゴンと窒素の温度拡散率がほぼ同じで、アルゴンの熱伝
導率が窒素の熱伝導率の約０．６８倍のため、測定され
た温度差の絶対値は約１．５倍となっている。

これから求められる時間差τは９９．９　（ｍｓ）で、
この値から計算される流速測定値は１０．０１　（ｍａ
＋／ｓ）である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、流体の違いによる温度拡散率や熱伝導
率の違い、測温部の汚れに感度が影響されない熱式の流
速計を実現でき、ひいては、この流速計を用いた流量コ
ントローラーやプロセス監視システムなどの精度や借問
性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による流速計の断面図、第
２図は第１回の流速計の要部を上から見た概念図、第３
図は第１図の流速計の要部概略斜視図、第４図は本発明
のエピタキシャル層を用いない実施例による流速計の断
面図、第５図（ａ）はサーモパイルの温接点部の温度変
化を示すグラフ、第５図（ｂ）ばサーモパイルの冷接点
部の温度変化を示すグラフ、第５図（Ｃ）はサーモパイ
ルの出力を示すグラフ、第６図は本発明の第２実施例に
よる流速計の断面図、第７図は本発明の第３実施例によ
る流速計の断面図、第８図（ａ）は従来の熱式流速計を
示す斜視図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）に示した熱式
流速計のセンサチップの概念図である。 なお、図面に用いた符号において、 ２１　−−−−−−−　ｎ型シリコン基板２２−−−−
−、　ｐ型エピタキシャル層２３　−−−−−−−−一
第１絶縁層 ２４−−−−・−一−−−第１導体層 ２５−−−−−−−−−第２絶縁層 ２６−−−−−−−−第２導体層 である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体管の壁の一部を構成するシリコン基板と、流
   路に面した上記シリコン基板上に形成された、流体の移
   動方向に離れた２点間の流体の温度差を測定するための
   測温素子と、流体の移動方向に対し上流測温素子よりも
   上流側における上記シリコン基板上に形成された発熱部
   とを具備することを特徴とするシリコンを用いた流速測
   定装置。
2. （２）上記測温素子がサーモパイルから形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のシリコンを用いた流速
   測定装置。
3. （３）上記測温素子が、一対のダイオードから形成され
   ていることを特徴とする請求項１記載のシリコンを用い
   た流速測定装置。
4. （４）上記測温素子が一対のトランジスタから形成され
   ていることを特徴とする請求項１記載のシリコンを用い
   た流速測定装置。