JPH04372865A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスや溶液等の流体を
流路内の所定位置で加熱し、その加熱位置の上流側と下
流側での流体の温度差を利用してその流体の流速を測定
する熱式の流速測定装置に関し、例えば、各種半導体製
造プロセスにおいて用いられるガスなどの微小な流速の
測定に用いて特に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体を流路内の所定位置で加熱し
、その加熱位置の上流側と下流側での流体の温度差を利
用してその流体の流速を測定する熱式の流速測定装置と
して、図１３（ａ）に示すように、取付板１１の所定位
置にセンサチップ１２を取り付け、表面にコーティング
１３を施したものが提案されている。図１３（ｂ）に示
すように、センサチップ１２には、その中央部に流体加
熱用のトランジスタＱ２　が設けられ、このトランジス
タＱ２　を挟んで対称位置に流体温度検出用の一対のト
ランジスタＱ１　とＱ３　が夫々設けられている。これ
らのトランジスタＱ１　〜Ｑ３　は、流体が、トランジ
スタＱ１　からトランジスタＱ２　及びＱ３　の方向に
向かって流れるように配列されている（「センサ技術」
　Ｖｏｌ．５，　Ｎｏ．１，　ｐ．２９、（株）情報調
査会、１９８５年）。

【０００３】この流速測定装置では、センサチップ１２
の中央に位置するトランジスタＱ２　のコレクタ損失に
より流体が加熱される。そして、加熱された流体がトラ
ンジスタＱ３　の位置に達すると、トランジスタＱ２　
を挟んで対称位置に配置されたトランジスタＱ１　とＱ
３から、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が夫々得られる
。そして、このようにして得られた両信号の差即ち温度
差が流速の平方根に比例することに基づいて、流体の流
速が算出される。

【０００４】また、原理は同じだが、流体の温度差を測
定するため、トランジスタの代わりに、例えば、銅−コ
ンスタンタンの薄膜熱電対を用い、その一対の接点が、
基板の所定位置に形成された発熱部を挟んで位置するよ
うに形成された例がある（特開昭６２−１４４０７４号
公報）。この流速測定装置では、発熱部に通電して流体
を加熱すると、この発熱部を挟んで位置するように形成
された薄膜熱電対の一対の接点から、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
電力が得られる。そして、この起電力に基づいて、必要
な演算が行われ、流体の流速が算出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱式の
流速測定装置では、何れも、発熱部と測温素子が１つの
基板内に近接して設けられていたため、その基板を通し
ても発熱部から測温素子へ熱が伝わっていた。測温素子
は、本来、流体の温度を測定するためのものであり、発
熱部から基板を通して直接伝わる熱は測定誤差の原因に
なっていた。このため、従来の熱式の流速測定装置では
、その測定精度が悪かった。

【０００６】本発明は、上述の問題点を解消するために
なされたものであって、発熱部から流体を介さずに直接
測温素子に伝わる熱を低減することによって、測定誤差
の小さい熱式の流速測定装置を提供しようとするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の流速測定装置は、流体管の壁の一部を
構成するシリコン基板と、流体の流れ方向に沿って離れ
た２点間での流体の温度差を測定するために、前記シリ
コン基板上に形成された測温素子と、流路を挟んで前記
２点間の中央部と対向する位置の前記流体管の壁に設け
られた発熱部とを有している。

【０００８】前記測温素子は、例えば、サーモパイル、
一対のダイオード又は一対のトランジスタにより構成す
ることができる。

【０００９】

【作用】本発明の流速測定装置においては、流体を加熱
するための発熱部を、流体管の流路を挟んで測温素子と
は反対側の壁に設けている。従って、発熱部から流体を
介さずに直接測温素子に伝わる熱を大幅に低減すること
ができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例につき図１〜図１２を
参照して説明する。

【００１１】実施例１

【００１２】図１〜図３に、本発明の第１の実施例によ
る流速測定装置の構成を示す。

【００１３】図１に示すように、ｎ型シリコン基板２１
の上にｐ型エピタキシャル層２２を形成し、このｐ型エ
ピタキシャル層２２内にｎ型の第１導体層２４を形成し
た。そして、ｐ型エピタキシャル層２２の上に、窒化シ
リコンからなる第１絶縁層２３を形成し、更に、上記第
１導体層２４が形成された領域４０（図２参照）内にお
けるこの第１絶縁層２３上に、アルミニウムからなる第
２導体層２６を形成した。

【００１４】図２に示すように、本実施例においては、
第１導体層２４と第２導体層２６は各々４本あり、互い
に一端同士及び他端同士を、アルミニウムからなる金属
層２７により接続した。これにより、互いに直列接続さ
れた第１導体層２４と第２導体層２６とからなる熱電対
が複数個ジグザク状に直列接続されたサーモパイルを構
成した。なお、本実施例においては、図１のＡで示した
位置を冷接点、Ｂで示した位置を温接点としているが、
逆に、Ａを温接点、Ｂを冷接点としても、サーモパイル
の出力の正負が逆になるだけで、何らの不都合も生じず
、装置の基本的作用は同じである。

【００１５】図１に示すように、上述した第２導体層２
６及び金属層２７が流体と直接接触して腐食されたりす
ることを防止するため、これらを覆うように、窒化シリ
コンからなる第２絶縁層２５を第１絶縁層２３の上に形
成した。

【００１６】更に、シリコン基板２１と上記サーモパイ
ルとの間の熱的絶縁を図るために、ｐ型エピタキシャル
層２２のうちのサーモパイル直下部を、水酸化カリウム
水溶液を用いたエッチングにより除去し、空間３６を形
成した。このエッチングは、図２に示すように、第１絶
縁層２３及び第２絶縁層２５に形成されたエッチング窓
３１を通じて行った。なお、この空間３６による熱絶縁
によりサーモパイルの出力が大きくなって好ましいが、
このような熱絶縁を行わない場合でも、装置の基本的作
用は変わらない。

【００１７】一方、図１及び図３に示すように、パイレ
ックスガラスからなるガラス板２９に、流路となる、幅
４ｍｍ、深さ１００μｍの溝を形成し、この溝の底面（
図では、流路の天井面）に、アルミニウムからなる発熱
部２８を形成した。そして、やはり、この発熱部２８が
流体と直接接触して腐食されたりすることを防止するた
めに、窒化シリコンからなる第３絶縁層３０を形成した
。

【００１８】そして、ガラス板２９の溝の底面に形成さ
れた発熱部２８が、サーモパイルの冷接点Ａと温接点Ｂ
の中点の真上に位置するように、ガラス板２９とシリコ
ン基板２１との位置合わせを行って、陽極接合法により
、これらを接着した。このようにして、ガラス板２９と
シリコン基板２１とにより囲まれた流路を有する流体管
を構成した。

【００１９】以上のように構成した流速測定装置におい
て、発熱部２８に通電し、この発熱部２８を一定のパワ
ーで発熱させると、流路内を流れる流体内に温度分布が
できる。この温度分布が、発熱部２８を中心として上流
側と下流側とで非対称になれば、発熱部２８を中心とし
て上流側と下流側とに対称に配置されたサーモパイルの
冷接点Ａと温接点Ｂとの間に温度差が生じ、サーモパイ
ルはその温度差に比例した出力を示す。流体内の温度分
布の非対称性は、その流体の流速によって変わるため、
流速が変わるとサーモパイルの出力が変わる。流速が０
の時、即ち、流体が止まっている時は、温度分布が上流
側と下流側とで対称になり、従って、サーモパイルの出
力は０である。流速が大きくなるにつれて温度分布の非
対称性が大きくなり、従って、サーモパイルの出力も大
きくなる。このサーモパイルの出力は、流速の平方根に
ほぼ比例する。

【００２０】本実施例装置において、サーモパイルの冷
接点Ａと温接点Ｂとの間の距離を１００μｍとし、窒素
を流体として、６ｃｍ３　／ｍｉｎの流量（流速理論値
：２５０ｍｍ／ｓｅｃ）までの流速でサーモパイル出力
を測定したところ、図４に示すような結果を得た。図中
の実線は、サーモパイルの出力変化を、他の測定手段に
より測定した流速の実測値に対してプロットした結果で
あり、破線は、サーモパイルの出力が流速の平方根に比
例するとして求めた回帰曲線である。この回帰曲線は、
サーモパイルの出力と流速の実測値との間の実際の関係
を示す実線の曲線と良く一致しており、この結果から、
本実施例装置のサーモパイル出力が流速の平方根に比例
すると仮定しても良いことが分かる。即ち、この比例関
係を用い、本実施例装置のサーモパイル出力から、流体
の流速を求めることができる。

【００２１】本実施例装置においては、発熱部２８が、
サーモパイルが形成されているシリコン基板２１の上で
はなく、このシリコン基板２１と流路を挟んで対向する
ガラス板２９の壁に形成されている。従って、発熱部２
８からの熱は、主として流体を介してサーモパイルに伝
わる。なお、ガラス板２９とシリコン基板２１とは陽極
接合により互いに接着されているので、確かに、ガラス
板２９からシリコン基板２１を通ってもサーモパイルに
熱が伝わる可能性はあるが、本実施例装置の場合、ガラ
ス板２９に形成した溝の深さ（１００μｍ）に対して、
溝の幅（４ｍｍ）が充分に大きいため、ガラス板２９か
らシリコン基板２１を通してサーモパイルに伝わる熱は
、流体を介して伝わる熱に比べて充分に少なく、全く無
視できる程度である。なお、この場合、ガラス板２９に
形成する溝の深さに対する溝の幅が１０倍以上大きけれ
ば、ほぼ同様の効果を得ることができる。

【００２２】本実施例装置により、サーモパイル出力か
ら流速を求めた時の最大誤差は７ｍｍ／ｓｅｃであった
。

【００２３】なお、本実施例装置は、例えば、各種半導
体製造プロセスにおいて用いられ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が、このような流速
では、流路壁付近の境界層は殆ど無視することができ、
流路内の流速分布はほぼ一様であるため、流速の補正は
必要ない。

【００２４】また、本実施例装置においては、製造上の
容易さから、第２導体層２６を、金属層２７と同じアル
ミニウムで構成したが、熱電対の熱起電力の点からは、
第２導体層２６は、第１導体層２４と反対導電型（本実
施例ではｐ型）の単結晶シリコンで構成するのが好まし
い。また、第２導体層２６は、第１導体層２４と反対導
電型の多結晶シリコンやアモルファスシリコンで構成す
ることもできる。

【００２５】実施例２

【００２６】図５に、本発明の第２の実施例による流速
測定装置の構成を示す。

【００２７】上述した実施例１では、ｎ型シリコン基板
２１とサーモパイルとの間の熱的絶縁を図るために、ｐ
型エピタキシャル層２２のうちのサーモパイル直下部を
除去して空間３６を形成したが、本実施例では、図示の
如く、ｐ型エピタキシャル層２２のサーモパイル直下部
を除去しない流速測定装置を作成した。他の構成は、実
施例１と同様である。

【００２８】本実施例装置において、サーモパイルの冷
接点Ａと温接点Ｂとの間の距離を１００μｍとし、窒素
を流体として、６ｃｍ３　／ｍｉｎの流量（流速理論値
：２５０ｍｍ／ｓｅｃ）までの流速でサーモパイル出力
を測定したところ、図６に示すような結果を得た。本実
施例装置においては、サーモパイル出力の絶対値は、実
施例１の装置に比べて小さくなっているが、図４に示し
た結果と同様、図６において破線で示す本実施例装置の
回帰曲線も、サーモパイルの出力と流速の実測値との間
の実際の関係を示す実線の曲線と良く一致しており、こ
の結果から、本実施例装置のサーモパイル出力も流速の
平方根に比例すると仮定して良いことが分かる。従って
、本実施例装置のサーモパイル出力からでも、流体の流
速を正確に求めることができる。実際、サーモパイル出
力から流速を求めた時の最大誤差はやはり７ｍｍ／ｓｅ
ｃであった。

【００２９】なお、図面を用いた詳細な説明は省略する
が、本実施例のようなサーモパイル直下部を除去しない
流速測定装置は、例えば、ｐ型のシリコン基板内にｎ型
の第１導体層を直接（即ち、ｐ型エピタキシャル層２２
を形成することなく）形成することによっても実現する
ことができる。

【００３０】比較例

【００３１】比較例として、シリコン基板と同じ側の流
路壁に発熱部を設けた流速測定装置を作成した。その構
成を図７に示す。

【００３２】図示の如く、ｎ型シリコン基板２１の上に
ｐ型エピタキシャル層２２を形成し、このｐ型エピタキ
シャル層２２内にｎ型の第１導体層２４を形成した。そ
して、ｐ型エピタキシャル層２２の上に、窒化シリコン
からなる第１絶縁層２３を形成し、更に、上記第１導体
層２４が形成された領域内におけるこの第１絶縁層２３
上に、アルミニウムからなる第２導体層２６を形成した
。

【００３３】本例においても、上述した実施例１及び２
と同様、第１導体層２４と第２導体層２６は各々４本あ
り、互いに一端同士及び他端同士を、アルミニウムから
なる金属層２７により接続した。これにより、互いに直
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ク状に直列接続されたサーモパ
イルを構成した。そして、第２導体層２６が、後述する
発熱部２８と直接接触しないように、窒化シリコンから
なる第２絶縁層２５を第１絶縁層２３の上に形成した。

【００３４】次いで、サーモパイルの冷接点Ａと温接点
Ｂの中点の真上の位置の第２絶縁層２５上に、アルミニ
ウムからなる発熱部２８を形成した。そして、この発熱
部２８が直接流体と接触しないように、窒化シリコンか
らなる第３絶縁層３０を第２絶縁層２５の上に形成した
。

【００３５】更に、シリコン基板２１とサーモパイルと
の間の熱的絶縁を図るために、ｐ型エピタキシャル層２
２のうちのサーモパイル直下部を、水酸化カリウム水溶
液を用いたエッチングにより除去し、空間３６を形成し
た。

【００３６】一方、パイレックスガラスからなるガラス
板２９に、流路となる、幅４ｍｍ、深さ１００μｍの溝
を形成し、このガラス板２９とシリコン基板２１との位
置合わせを行って、陽極接合法により、これらを接着し
た。このようにして、ガラス板２９とシリコン基板２１
とにより囲まれた流路を有する流体管を構成した。

【００３７】以上のように構成した流速測定装置におい
て、サーモパイルの冷接点Ａと温接点Ｂとの間の距離を
１００μｍとし、窒素を流体として、６ｃｍ３　／ｍｉ
ｎの流量（流速理論値：２５０ｍｍ／ｓｅｃ）までの流
速でサーモパイル出力を測定したところ、図８に示すよ
うな結果を得た。破線で示す本例装置の回帰曲線は、サ
ーモパイルの出力と流速の実測値との間の実際の関係を
示す実線の曲線から比較的大きく外れており、サーモパ
イル出力から流速を求めた時の最大誤差は２５ｍｍ／ｓ
ｅｃであった。

【００３８】実施例３

【００３９】図９に、本発明の第３の実施例による流速
測定装置の構成を示す。

【００４０】図示の如く、ｎ型シリコン基板２１の上に
ｐ型エピタキシャル層２２を形成し、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を形成した。そして、これらのアイソレーショ
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を形成し、このｎ型拡散層３３とｐ型エピ
タキシャル層２２とでダイオードを形成した。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
ダイオードを、流れの方向に沿って２つ、図中、Ａ及び
Ｂの位置に夫々形成した。そして、これらの２つのダイ
オードを差動的に用い、下流側（Ｂ位置）のダイオード
の出力から上流側（Ａ位置）のダイオードの出力を減じ
たものを測定出力とした。

【００４１】また、ｐ型エピタキシャル層２２の上に、
窒化シリコンからなる第１絶縁層２３を形成し、この第
１絶縁層２３にコンタクトホールを形成した後、配線用
の金属層２７を形成した。そして、これらの金属層２７
が流体に直接接触して腐食されたりすることを防止する
ために、窒化シリコンからなる第２絶縁層２５を第１絶
縁層２３の上に形成した。

【００４２】一方、パイレックスガラスからなるガラス
板２９に、流路となる、幅４ｍｍ、深さ１００μｍの溝
を形成し、この溝の底面（図では、流路の天井面）に、
アルミニウムからなる発熱部２８を形成した。そして、
やはり、この発熱部２８が流体と直接接触して腐食され
たりすることを防止するために、窒化シリコンからなる
第３絶縁層３０を形成した。

【００４３】そして、ガラス板２９の溝の底面に形成さ
れた発熱部２８が、２つのダイオードの形成位置ＡＢ間
の中点の真上に位置するように、ガラス板２９とシリコ
ン基板２１との位置合わせを行って、陽極接合法により
、これらを接着した。このようにして、ガラス板２９と
シリコン基板２１とにより囲まれた流路を有する流体管
を構成した。

【００４４】以上のように構成した流速測定装置におい
て、２つダイオードの間隔、即ち、ＡＢ間の距離を１０
０μｍとし、窒素を流体として、６ｃｍ３／ｍｉｎの流
量（流速理論値：２５０ｍｍ／ｓｅｃ）までの流速で２
つのダイオードの出力差を測定したところ、図１０に示
すような結果を得た。破線で示す本実施例装置の回帰曲
線も、測定出力と流速の実測値との間の実際の関係を示
す実線の曲線と良く一致しており、本実施例装置の測定
出力も流速の平方根に比例するという結果を得た。そし
て、測定出力から流速を求めた時の最大誤差は７ｍｍ／
ｓｅｃであった。

【００４５】実施例４

【００４６】図１１に、本発明の第４の実施例による流
速測定装置の構成を示す。

【００４７】図示の如く、ｎ型シリコン基板２１の上に
ｐ型エピタキシャル層２２を形成し、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を形成した。そして、これらのアイソレーショ
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を形成し、更に、このｎ型拡散層３３内に
ｐ＋　型拡散層３４及びｎ＋　型拡散層３５を夫々形成
し、これらのｎ型拡散層３３、ｐ＋　型拡散層３４、ｎ
＋　型拡散層３５及びｐ型エピタキシャル層２２でトラ
ンジスタを形成した。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。このトランジスタを、流れ
の方向に沿って２つ、図中、Ａ及びＢの位置に夫々形成
した。そして、これらの２つのトランジスタを差動的に
用い、下流側（Ｂ位置）のトランジスタの出力から上流
側（Ａ位置）のトランジスタの出力を減じたものを測定
出力とした。

【００４８】また、ｐ型エピタキシャル層２２の上に、
窒化シリコンからなる第１絶縁層２３を形成し、この第
１絶縁層２３にコンタクトホールを形成した後、配線用
の金属層２７を形成した。そして、これらの金属層２７
が流体に直接接触して腐食されたりすることを防止する
ために、窒化シリコンからなる第２絶縁層２５を第１絶
縁層２３の上に形成した。

【００４９】一方、パイレックスガラスからなるガラス
板２９に、流路となる、幅４ｍｍ、深さ１００μｍの溝
を形成し、この溝の底面（図では、流路の天井面）に、
アルミニウムからなる発熱部２８を形成した。そして、
やはり、この発熱部２８が流体と直接接触して腐食され
たりすることを防止するために、窒化シリコンからなる
第３絶縁層３０を形成した。

【００５０】そして、ガラス板２９の溝の底面に形成さ
れた発熱部２８が、２つのトランジスタの形成位置ＡＢ
間の中点の真上に位置するように、ガラス板２９とシリ
コン基板２１との位置合わせを行って、陽極接合法によ
り、これらを接着した。このようにして、ガラス板２９
とシリコン基板２１とにより囲まれた流路を有する流体
管を構成した。

【００５１】以上のように構成した流速測定装置におい
て、２つトランジスタの間隔、即ち、ＡＢ間の距離を１
００μｍとし、窒素を流体として、６ｃｍ３　／ｍｉｎ
の流量（流速理論値：２５０ｍｍ／ｓｅｃ）までの流速
で２つのトランジスタの出力差を測定したところ、図１
２に示すような結果を得た。破線で示す本実施例装置の
回帰曲線も、測定出力と流速の実測値との間の実際の関
係を示す実線の曲線と良く一致しており、本実施例装置
の測定出力も流速の平方根に比例するという結果を得た
。 そして、測定出力から流速を求めた時の最大誤差は７ｍ
ｍ／ｓｅｃであった。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、発熱部から測温素子へ
流体を介さずに伝わる熱を大幅に低減することができ、
これにより、測定誤差の小さい熱式の流速測定装置を実
現することができる。この結果、熱式の流速測定装置を
用いた流量コントローラーやプロセス監視システム等の
精度や信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による流速測定装置の構成を
示す断面図である。

【図２】図１の流速測定装置の要部を上から見た概念図
である。

【図３】図１の流速測定装置の要部概略斜視図である。

【図４】図１の流速測定装置のサーモパイルの出力特性
を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例２による流速測定装置の構成を
示す断面図である。

【図６】図５の流速測定装置のサーモパイルの出力特性
を示すグラフである。

【図７】本発明の比較例による流速測定装置の構成を示
す断面図である。

【図８】図７の流速測定装置のサーモパイルの出力特性
を示すグラフである。

【図９】本発明の実施例３による流速測定装置の構成を
示す断面図である。

【図１０】図９の流速測定装置の測定出力の特性を示す
グラフである。

【図１１】本発明の実施例４による流速測定装置の構成
を示す断面図である。

【図１２】図１１の流速測定装置の測定出力の特性を示
すグラフである。

【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、従来の熱式流速測定装
置の構成を示す概略斜視図及びその要部を拡大して示す
概念図である。

【符号の説明】

２１　　単結晶シリコン基板 ２２　　シリコンエピタキシャル層 ２３　　第１絶縁層 ２４　　第１導体層 ２５　　第２絶縁層 ２６　　第２導体層 ２７　　金属層 ２８　　発熱部 ２９　　ガラス板 ３０　　第３絶縁層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　流体管の壁の一部を構成するシリコン
   基板と、流体の流れ方向に沿って離れた２点間での流体
   の温度差を測定するために、前記シリコン基板上に形成
   された測温素子と、流路を挟んで前記２点間の中央部と
   対向する位置の前記流体管の壁に設けられた発熱部とを
   具備することを特徴とする流速測定装置。
2. 【請求項２】　　前記測温素子が、サーモパイルで構成
   されていることを特徴とする請求項１に記載の流速測定
   装置。
3. 【請求項３】　　前記測温素子が、一対のダイオードで
   構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流速
   測定装置。
4. 【請求項４】　　前記測温素子が、一対のトランジスタ
   で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流
   速測定装置。