JP2020139847A - Laminar flow element, fluid controller, and semiconductor manufacturing device - Google Patents

Abstract

To provide, concerning laminar flow elements, laminar flow elements with a large flow rate in an inexpensive manufacturing cost through increasing a rating flow rate per cubic volume, that is brought by embodying a bypass flow path whose depth is deep when compared to an aperture width.SOLUTION: Provided is a laminar flow element 25 constituted by laminating a plurality of bypass sheets 10, and that comprises a plurality of bypass grooves 14 disposed on one surface of each of the plurality of bypass sheets 10. Each of the plurality of bypass grooves 14 includes an aperture width w on the one surface of the bypass sheet 10, and a depth h extending to an inner direction of the bypass sheet 10 from the one surface of the bypass sheet 10. The depth h is greater than the aperture width w.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、層流素子、流体制御機器、及び半導体製造装置に関する。 The present invention relates to a laminar flow device, a fluid control device, and a semiconductor manufacturing device.

流体流路に設置され、流量計測及び制御を行うマスフローコントローラ（流体制御機器）においては、流体流路を流れる流体の質量流量をリアルタイムで高精度に計測することが求められる。その質量流量の計測のために、例えば、熱式流量センサが使用されるが、この種のセンサでは、被測定流体が、細管からなるセンサ流路の中を層流状態で流される構成となっており、このセンサ流路を通過できる流量はごく僅かである。 In a mass flow controller (fluid control device) installed in a fluid flow path and performing flow rate measurement and control, it is required to measure the mass flow rate of the fluid flowing through the fluid flow path with high accuracy in real time. For example, a thermal flow rate sensor is used to measure the mass flow rate. In this type of sensor, the fluid to be measured is configured to flow in a laminar flow state in a sensor flow path composed of thin tubes. Therefore, the flow rate that can pass through this sensor flow path is very small.

そのため、マスフローコントローラを通過可能な定格流量を増加させるために、上記流量センサと並行するバイパス流路を設置し、流入する流体の大部分を、バイパス流路を通過させて、流出させる構成が採用されている。これは、センサ流路とバイパス流路の双方が層流状態になっていれば、両者の流量比が合計流量によらず一定になることを利用したもので、センサ流路を流れたガスの量を測った後に定数倍することで合計の流量を算出している。しかしながら、熱式流量センサの計測精度を損なわないためには、並行するバイパス流路においても、乱流を生じさせることなく、層流となるようにバイパス流路の断面寸法を設定する必要がある。 Therefore, in order to increase the rated flow rate that can pass through the mass flow controller, a bypass flow path parallel to the flow rate sensor is installed, and most of the inflowing fluid is passed through the bypass flow path and flows out. Has been done. This utilizes the fact that if both the sensor flow path and the bypass flow path are in a laminar flow state, the flow rate ratio of the two becomes constant regardless of the total flow rate, and the gas flowing through the sensor flow path The total flow rate is calculated by measuring the amount and then multiplying it by a constant. However, in order not to impair the measurement accuracy of the thermal flow sensor, it is necessary to set the cross-sectional dimensions of the bypass flow path so as to form a laminar flow without causing turbulence even in the parallel bypass flow paths. ..

そこで、ウェットエッチングにより形成された複数のバイパス溝が配置されたバイパスシートを複数枚積層することにより、多数のバイパス流路を構成した層流素子が提供されている（例えば、引用文献１）。この層流素子では、ディスクに形成されるバイパス溝の深さを浅くすることにより、層流となる条件を満たしている。更に、それらを交互に複数枚積層することにより、並行する多数のバイパス流路を構成して定格流量を増加させている。
なお、ここで層流素子の定格流量とは、センサ流路が想定する最大の圧力差（「所定の圧力差）とする）を層流素子の上流側と下流側との間に加えた場合に、層流素子を流れる所定の流体の量を意味している。層流素子に加える圧力差を大きくしていくと、ある点で乱流への遷移が発生するが、層流素子の設計は圧力差が所定の圧力差以下の範囲で流れが層流になっていれば問題ない。縦横比が大きい矩形型の流路を持つ層流素子の場合、層流となる条件は、矩形の短辺の長さが所定の圧力差から求まる値以下であることを意味する。 Therefore, a laminar flow element having a large number of bypass flow paths is provided by laminating a plurality of bypass sheets in which a plurality of bypass grooves formed by wet etching are arranged (for example, Reference 1). In this laminar flow element, the condition of laminar flow is satisfied by making the depth of the bypass groove formed in the disk shallow. Further, by alternately stacking a plurality of them, a large number of parallel bypass flow paths are formed to increase the rated flow rate.
Here, the rated flow rate of the laminar flow element is a case where the maximum pressure difference assumed by the sensor flow path (“predetermined pressure difference)) is applied between the upstream side and the downstream side of the laminar flow element. In addition, it means the amount of a predetermined fluid flowing through the laminar flow element. When the pressure difference applied to the laminar flow element is increased, a transition to turbulent flow occurs at a certain point, but the design of the laminar flow element There is no problem if the flow is laminar within the range where the pressure difference is less than the predetermined pressure difference. In the case of a laminar flow element having a rectangular flow path with a large aspect ratio, the condition for laminar flow is rectangular. It means that the length of the short side is equal to or less than the value obtained from the predetermined pressure difference.

特開平０６−０１１３６９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 06-011369

このような層流素子では、１枚のバイパスシートを通過可能な流量を決定する最も主要なパラメータは、バイパスシートのバイパス流路の本数と深さである。形成可能な流路の本数はバイパスシートの一表面の面積により自ずから決定されるので、層流条件を満たすべく流路を浅く形成すると、バイパスシート１枚当たりの通過可能な定格流量が規制されてしまう。 In such a laminar flow element, the most important parameters that determine the flow rate that can pass through one bypass sheet are the number and depth of the bypass flow paths of the bypass sheet. Since the number of flow paths that can be formed is naturally determined by the area of one surface of the bypass sheet, if the flow paths are formed shallow to satisfy the laminar flow condition, the rated flow rate that can be passed through one bypass sheet is regulated. It ends up.

従って、層流素子が流すことができる定格流量を十分に大きくするためには、多数枚の積層が必要となる。積層枚数が多くなるほど、流体のバイパス流路以外の部分からの漏出を防止するために必要な各々のバイパスシート及びスペーサの厚みや歪みに対する製造誤差の許容範囲が小さくなり、製造コストの増加を招く。 Therefore, in order to sufficiently increase the rated flow rate that the laminar flow element can flow, it is necessary to stack a large number of sheets. As the number of laminated sheets increases, the allowable range of manufacturing error with respect to the thickness and strain of each bypass sheet and spacer required to prevent leakage of fluid from a portion other than the bypass flow path becomes smaller, leading to an increase in manufacturing cost. ..

又、これらのバイパスシート及びスペーサは、少なくとも歪みや変形を生じさせることなく自重を支持する機械的強度が必要であるから、一定以上の厚みを有する基体部分が必要である。一方、バイパス流路は層流となる条件を満たすために浅く形成されるものであるから、バイパスシートの基体部分及びスペーサの厚さはバイパス流路の深さよりも大きくなることが多い。 Further, since these bypass sheets and spacers need at least mechanical strength to support their own weight without causing distortion or deformation, a substrate portion having a certain thickness or more is required. On the other hand, since the bypass flow path is formed shallow in order to satisfy the condition of laminar flow, the thickness of the base portion and the spacer of the bypass sheet is often larger than the depth of the bypass flow path.

従って、積層された層流素子において、その体積の多くはバイパスシートの基体部分及びスペーサの厚みに占められている。それ故、層流素子の体積当たりの流量が少なく、定格流量を大きくすることを阻害する要因となっている。 Therefore, in the laminated laminar flow element, most of the volume is occupied by the thickness of the base portion and the spacer of the bypass sheet. Therefore, the flow rate per volume of the laminar flow element is small, which is a factor that hinders the increase in the rated flow rate.

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、開口幅よりも深さの方が深いバイパス流路を実現することにより、バイパスシート１枚当たりの通過流量を増加させて、層流素子の体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供したり、同一サイズのマスフローコントローラでより大きな定格流量を実現可能にしたりすることである。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to realize a bypass flow path having a depth deeper than an opening width so that a bypass sheet can pass through. By increasing the flow rate and increasing the rated flow rate per volume of the laminar flow element, it is possible to provide a large flow rate laminar flow element at a low manufacturing cost, or to realize a larger rated flow rate with a mass flow controller of the same size. To do it.

本発明の第１の態様の層流素子は、１枚以上のバイパスシートを積層して構成される層流素子であって、バイパスシートのそれぞれの一表面に配設された複数のバイパス溝を備え、複数のバイパス溝の各々は、バイパスシートの一表面における開口幅と、バイパスシートの一表面からバイパスシートの内部方向へ延伸する深さと、を有し、深さは開口幅よりも大きい。 The laminar flow element of the first aspect of the present invention is a laminar flow element formed by laminating one or more bypass sheets, and has a plurality of bypass grooves arranged on one surface of each of the bypass sheets. Each of the plurality of bypass grooves has an opening width on one surface of the bypass sheet and a depth extending from one surface of the bypass sheet toward the inside of the bypass sheet, and the depth is larger than the opening width.

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様において、複数のバイパス溝の各々の開口幅は、複数のバイパス溝の各々を通過する流体の流れが、層流となる条件を満たす幅よりも小さい。 According to the second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the opening width of each of the plurality of bypass grooves is a condition in which the flow of the fluid passing through each of the plurality of bypass grooves becomes a laminar flow. Less than the width that meets.

本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様又は第２の態様において、バイパスシートは、円環形状をなし、外周側面と前記外周側面と同心円上に位置する内周側面とを含む。 According to the third aspect of the present invention, in the first aspect or the second aspect of the present invention, the bypass sheet has an annular shape, and the outer peripheral side surface and the inner peripheral side surface located concentrically with the outer peripheral side surface. And include.

本発明の第４の態様によれば、本発明の第３の態様において、複数のバイパス溝の各々は、バイパスシートの中心軸から外周側面に向かって放射状に配設され、内周側面から外周側面に亘って連続して延在する。 According to the fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, each of the plurality of bypass grooves is arranged radially from the central axis of the bypass sheet toward the outer peripheral side surface, and is arranged radially from the inner peripheral side surface to the outer peripheral side surface. It extends continuously over the sides.

本発明の第５の態様によれば、本発明の第４の態様において、複数のバイパス溝は、それぞれ溝分離壁により区画され、溝分離壁の円周方向における厚みは、外周側面から内周側面に向かって徐々に薄くなる。 According to the fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the plurality of bypass grooves are each partitioned by the groove separation wall, and the thickness of the groove separation wall in the circumferential direction is from the outer peripheral side surface to the inner circumference. It gradually becomes thinner toward the side.

本発明の第６の態様の流体制御機器は、本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に記載の層流素子を備える流体制御機器であって、流体制御機器は、流入口と、流出口と、前記流入口と前記流出口との間に設置されたバイパスユニットと、を含み、バイパスユニットは、層流素子を有する。 The fluid control device according to the sixth aspect of the present invention is a fluid control device including the laminar flow element according to any one of the first to fifth aspects of the present invention. , The inflow port, the outflow port, and a bypass unit installed between the inflow port and the outflow port, and the bypass unit has a laminar flow element.

本発明の第７の態様の半導体製造装置は、本発明の第６の態様において、プロセスチャンバーと、プロセスチャンバーに導入されるプロセスガスの流路と、を備え、流体制御機器は、プロセスガスの流路に設置される。 In the sixth aspect of the present invention, the semiconductor manufacturing apparatus according to the seventh aspect of the present invention includes a process chamber and a flow path for the process gas introduced into the process chamber, and the fluid control device is a process gas. Installed in the flow path.

本発明の層流素子は、開口幅よりも深さの方が深いバイパス流路を実現することにより、バイパスシート１枚当たりの通過流量を増加させて、層流素子の体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供する。 The laminar flow element of the present invention increases the passing flow rate per bypass sheet by realizing a bypass flow path deeper than the opening width, thereby increasing the rated flow rate per volume of the laminar flow element. By increasing the number, a large flow rate laminar flow device can be provided at a low manufacturing cost.

本発明の層流素子のバイパスシートの一実施形態の平面図である。It is a top view of one Embodiment of the bypass sheet of the laminar flow element of this invention. 図１に記載の層流素子のバイパスシートの外周側面をＡ−Ａ´矢視から見て直線に展開した図。The view which developed the outer peripheral side surface of the bypass sheet of the laminar flow element of FIG. 1 in a straight line when viewed from the arrow AA'. 図１に記載の層流素子のバイパスシートの内周側面をＢ−Ｂ´矢視から見て直線に展開した図。1 is a view showing the inner peripheral side surface of the bypass sheet of the laminar flow element shown in FIG. 1 developed in a straight line when viewed from the arrow BB'. 本発明のバイパスユニットの一実施形態の斜視図である。It is a perspective view of one Embodiment of the bypass unit of this invention. 本発明のバイパスユニットの一実施形態の分解斜視図である。It is an exploded perspective view of one Embodiment of the bypass unit of this invention. 図４に記載のバイパスユニットの層流素子の外周側面の円周方向に沿った展開図。The development view along the circumferential direction of the outer peripheral side surface of the laminar flow element of the bypass unit shown in FIG. 本発明のバイパスユニットの一実施形態の体積当たりの定格流量と層流素子のバイパス溝のアスペクト比との相関関係を示す図である。It is a figure which shows the correlation between the rated flow rate per volume of one Embodiment of the bypass unit of this invention, and the aspect ratio of the bypass groove of a laminar flow element. 本発明のマスフローコントローラ（流体制御機器）の断面図である。It is sectional drawing of the mass flow controller (fluid control apparatus) of this invention. 本発明の半導体製造製造装置のブロック図である。It is a block diagram of the semiconductor manufacturing manufacturing apparatus of this invention.

以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る層流素子ついて説明する。 Hereinafter, a laminar flow device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の一実施形態では、複数のバイパス溝が配置されたバイパスシートとスペーサとを複数枚交互に積層することにより、多数のバイパス流路を構成した層流素子を提供する。図１に、層流素子のバイパスシート１０の平面図を示す。図２に、図１に記載の層流素子のバイパスシート１０の外周側面をＡ−Ａ´矢視から見て直線に展開した図を示す。図３に、図１に記載の層流素子のバイパスシート１０の内周側面をＢ−Ｂ´矢視から見て直線に展開した図を示す。 In one embodiment of the present invention, a laminar flow element having a large number of bypass flow paths is provided by alternately stacking a plurality of bypass sheets and spacers in which a plurality of bypass grooves are arranged. FIG. 1 shows a plan view of the bypass sheet 10 of the laminar flow element. FIG. 2 shows a diagram in which the outer peripheral side surface of the bypass sheet 10 of the laminar flow element shown in FIG. 1 is developed in a straight line when viewed from the arrow AA'. FIG. 3 shows a diagram in which the inner peripheral side surface of the bypass sheet 10 of the laminar flow element shown in FIG. 1 is developed in a straight line when viewed from the arrow BB'.

このバイパスシート１０は、その基体部分と、その一表面に配設された複数のバイパス溝１４と、を備える。このバイパスシート１０は、中心点１１を中心とした外形半径１２を有する円周に沿った外周側面と、中心点１１を中心とした内形半径１３を有する円周に沿った内周側面と、を有する円環形状からなる基板である。これら外周側面及び内周側面は、中心点１１を中心とする同心円上に位置する。 The bypass sheet 10 includes a base portion thereof and a plurality of bypass grooves 14 arranged on one surface thereof. The bypass sheet 10 has an outer peripheral side surface along the circumference having an outer radius 12 centered on the center point 11, and an inner peripheral side surface along the circumference having an inner radius 13 centered on the center point 11. It is a substrate having an annular shape having. These outer peripheral side surfaces and inner peripheral side surfaces are located on concentric circles centered on the center point 11.

複数のバイパス溝１４の各々は、中心点１１から外周側面に向かって放射状に配設されており、バイパス溝１４は互いに、円周方向に均等ピッチで配設されることが好ましい。これらのバイパス溝１４は、内周側面から外周側面に亘って同一の開口幅ｗ及び同一の深さｈをもって連続して延在する（図２及び図３）。ここで、開口幅ｗはバイパスシート１０の一表面における開口幅であって、深さｈはバイパスシート１０の一表面からバイパスシート１０の内部方向へ延伸する深さである。 It is preferable that each of the plurality of bypass grooves 14 is arranged radially from the center point 11 toward the outer peripheral side surface, and the bypass grooves 14 are arranged at equal pitches in the circumferential direction. These bypass grooves 14 continuously extend from the inner peripheral side surface to the outer peripheral side surface with the same opening width w and the same depth h (FIGS. 2 and 3). Here, the opening width w is the opening width on one surface of the bypass sheet 10, and the depth h is the depth extending from one surface of the bypass sheet 10 toward the inside of the bypass sheet 10.

複数のバイパス溝１４は、それぞれ溝分離壁１５により区画される。溝分離壁１５の円周方向の厚みは、外周側面から内周側面に向かって徐々に薄くなり、内周側面におけるその端部では、溝分離壁１５は最小幅ｒとなる。この最小幅ｒは、溝分離壁１５が機械的に破損及び変形しないように自立することができる幅である。 Each of the plurality of bypass grooves 14 is partitioned by a groove separation wall 15. The thickness of the groove separation wall 15 in the circumferential direction gradually decreases from the outer peripheral side surface toward the inner peripheral side surface, and the groove separation wall 15 has a minimum width r at the end portion on the inner peripheral side surface. The minimum width r is a width at which the groove separation wall 15 can stand on its own so as not to be mechanically damaged or deformed.

バイパス溝１４の各々は、その内部を流れる流体が層流となる構造にしなければならない。矩形形状の断面を有するバイパス溝１４において、層流となる条件を満たすためには、バイパス溝１４全域において、流路の断面の短辺の幅が所定の幅よりも狭くなっている必要がある。例えば、バイパス溝１４の平行平板の間隔、すなわち開口幅ｗを、想定しているガス種・流速に対して、レイノルズ数が２３００未満の値となるように狭くすることにより、バイパス溝１４を流れる流体を層流とすることができる。 Each of the bypass grooves 14 must have a structure in which the fluid flowing inside the bypass groove 14 becomes a laminar flow. In the bypass groove 14 having a rectangular cross section, in order to satisfy the condition of laminar flow, the width of the short side of the cross section of the flow path must be narrower than a predetermined width in the entire bypass groove 14. .. For example, the interval between the parallel flat plates of the bypass groove 14, that is, the opening width w is narrowed so that the Reynolds number is less than 2300 with respect to the assumed gas type and flow velocity, so that the bypass groove 14 flows. The fluid can be a laminar flow.

この一実施形態では、バイパス溝１４の開口幅ｗを十分に狭くして、このバイパス溝１４を流れる流体が層流となる条件を満たし、深さｈを深くして流路の断面積を大きくして通過可能な定格流量を増加させる構造を有する。又、この構造においては、機械的な強度を確保するために必要なバイパスシート１０の基体部分の厚さｔ（図２）よりも、バイパス溝１４の深さｈの方が大きくなるように形成することができる。 In this one embodiment, the opening width w of the bypass groove 14 is sufficiently narrowed to satisfy the condition that the fluid flowing through the bypass groove 14 becomes a laminar flow, the depth h is deepened, and the cross-sectional area of the flow path is increased. It has a structure that increases the rated flow rate that can be passed through. Further, in this structure, the depth h of the bypass groove 14 is formed to be larger than the thickness t (FIG. 2) of the base portion of the bypass sheet 10 required to secure the mechanical strength. can do.

このような深いバイパス溝１４を有するバイパスシート１０は、例えば、ワイヤーカット、機械的な溝加工、及びドライエッチング等の形状加工技術、並びに金属射出成型（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）などの成形技術により形成することができる。 The bypass sheet 10 having such a deep bypass groove 14 is obtained by, for example, a shape processing technique such as wire cutting, mechanical grooving, and dry etching, and a molding technique such as metal injection molding (MIM). Can be formed.

図４に、本発明のマスフローコントローラ（流体制御機器）に設けられるバイパスユニット２０の斜視図を示す。バイパスユニット２０は、流入ブロック２１、支持部２２、スプリングピン２３、及び複数のバイパスシート１０を積層した層流素子２５からなる。この層流素子２５は円環形状をなし、例えば、円環形状の外周側面から内周側面に向かって多数のバイパス溝１４を有し、これらのバイパス溝１４を、流体が層流として通過するように構成されている。 FIG. 4 shows a perspective view of the bypass unit 20 provided in the mass flow controller (fluid control device) of the present invention. The bypass unit 20 includes an inflow block 21, a support portion 22, a spring pin 23, and a laminar flow element 25 in which a plurality of bypass sheets 10 are laminated. The laminar flow element 25 has a ring shape, for example, has a large number of bypass grooves 14 from the outer peripheral side surface to the inner peripheral side surface of the ring shape, and the fluid passes through these bypass grooves 14 as a laminar flow. It is configured as follows.

流入ブロック２１及び支持部２２はそれぞれ円柱からなる。支持部２２の直径は流入ブロック２１の直径よりも小さく、流入ブロック２１の円形面の１つである上面に、各々の円柱形状の中心軸が一致するように設置されている。流入ブロック２１の上面には支持部２２に覆われていない領域があり、その領域において、流入ブロック２１の上面から、上面とは反対側の円形面である底面まで、貫通する複数の流入流路２４が設置されている。 The inflow block 21 and the support portion 22 are each made of a cylinder. The diameter of the support portion 22 is smaller than the diameter of the inflow block 21, and the support portion 22 is installed on the upper surface, which is one of the circular surfaces of the inflow block 21, so that the central axes of the respective cylindrical shapes coincide with each other. The upper surface of the inflow block 21 has a region not covered by the support portion 22, and in that region, a plurality of inflow channels penetrating from the upper surface of the inflow block 21 to the bottom surface which is a circular surface opposite to the upper surface. 24 are installed.

支持部２２の円形面には、当該円形面の法線方向に突出する複数（例えば３本）のスプリングピン２３が設置されている。これらのスプリングピン２３は曲面からなる側面を有し、それぞれの側面が層流素子２５の内周側面に接する位置に設置されている。 On the circular surface of the support portion 22, a plurality of (for example, three) spring pins 23 projecting in the normal direction of the circular surface are installed. These spring pins 23 have side surfaces made of curved surfaces, and each side surface is installed at a position where it is in contact with the inner peripheral side surface of the laminar flow element 25.

図５に、本発明のバイパスユニット２０の一実施形態の分解斜視図を示す。当該図５に示すように、複数（例えば５枚）のバイパスシート１０ａ〜１０ｅをバイパスユニット２０に組み付けるときに、各バイパスシート１０ａ〜１０ｅの円環形状の内周側面がそれぞれのスプリングピン２３の側面と接するように挿入することにより、バイパスシート１０ａ〜１０ｅの各々の中心軸が一致するように設置することができる。 FIG. 5 shows an exploded perspective view of an embodiment of the bypass unit 20 of the present invention. As shown in FIG. 5, when a plurality of (for example, five) bypass sheets 10a to 10e are assembled to the bypass unit 20, the ring-shaped inner peripheral side surfaces of the bypass sheets 10a to 10e are attached to the spring pins 23. By inserting the bypass sheets 10a to 10e so as to be in contact with the side surfaces, the bypass sheets 10a to 10e can be installed so that their central axes coincide with each other.

図６に、層流素子２５の外周側面の円周方向に沿った展開図を示す。本図は、層流素子２５の外周側面の概ね４分の１の範囲を直線に展開して記載したものである。１枚目のバイパスシート１０ａは、そのバイパス溝１４の開口部がバイパスユニット２０の支持部２２に接して覆われることにより、開口幅ｗ、深さｈのバイパス溝１４を構成する。２枚目のバイパスシート１０ｂは、そのバイパス溝１４の開口部が１枚目のバイパスシート１０ａの基体部分に接して覆われることにより、開口幅ｗ、深さｈのバイパス溝１４を構成する。 FIG. 6 shows a development view of the outer peripheral side surface of the laminar flow element 25 along the circumferential direction. This figure is a linear development of a range of approximately one-fourth of the outer peripheral side surface of the laminar flow element 25. The first bypass sheet 10a constitutes a bypass groove 14 having an opening width w and a depth h by covering the opening of the bypass groove 14 in contact with the support portion 22 of the bypass unit 20. The second bypass sheet 10b constitutes a bypass groove 14 having an opening width w and a depth h by covering the opening of the bypass groove 14 in contact with the base portion of the first bypass sheet 10a.

３〜５枚目のバイパスシート１０ｃ〜１０ｅも同様に、それらのバイパス溝１４の開口部が２〜４枚目のバイパスシート１０ｂ〜１０ｅのそれぞれの基体部分に接して覆われることにより、開口幅ｗ、深さｈのバイパス溝１４を構成する。これらのバイパスシート１０ａ〜１０ｅは、各々が３６本のバイパス溝１４を有する（図１）から、５枚を積層することにより、合計１８０本のバイパス溝１４を有する層流素子２５となる。 Similarly, the openings of the bypass grooves 14 of the 3rd to 5th bypass sheets 10c to 10e are covered in contact with the respective base portions of the 2nd to 4th bypass sheets 10b to 10e, so that the opening width is widened. A bypass groove 14 having a depth of h and w is formed. Since each of these bypass sheets 10a to 10e has 36 bypass grooves 14 (FIG. 1), a laminar flow element 25 having a total of 180 bypass grooves 14 can be obtained by stacking five sheets.

図７は、バイパスシート１０のバイパス溝１４のアスペクト比（溝の深さｈ／溝の開口幅ｗ）と、複数のバイパスシート１０を積層した層流素子２５の体積Ｖ当たりの定格流量Ｑと、の関係を示すグラフである。この縦軸のＱ／Ｖは、同一サイズのマスフローコントローラ３０においてどれだけ大きな定格流量を取れるか、という性能の指標を意味する。 FIG. 7 shows the aspect ratio of the bypass groove 14 of the bypass sheet 10 (groove depth h / groove opening width w) and the rated flow rate Q per volume V of the laminar flow element 25 in which a plurality of bypass sheets 10 are laminated. It is a graph which shows the relationship of. The Q / V on the vertical axis means a performance index of how large the rated flow rate can be obtained by the mass flow controller 30 of the same size.

ここで、バイパス溝１４は、溝の深さがｈ［ｍｍ］及び幅がｗ［ｍｍ］からなる矩形の流路断面を有し、バイパスシート１０の基体部分の厚さをｔ［ｍｍ］、バイパス溝１４を区画する溝分離壁１５の最小幅をｒ［ｍｍ］、層流素子１枚あたりのバイパス溝１４の本数をｎとすると、下式の関係が成立する。

Here, the bypass groove 14 has a rectangular flow path cross section having a groove depth of h [mm] and a width of w [mm], and the thickness of the base portion of the bypass sheet 10 is t [mm]. Assuming that the minimum width of the groove separation wall 15 for partitioning the bypass groove 14 is r [mm] and the number of bypass grooves 14 per laminar flow element is n, the following relationship is established.

又、バイパス溝１４の本数をｎについては、バイパスシート１０の内周側面の円周方向に沿って最大の本数を設けるものとし、内周側面の長さを定数と見て、ｎ∝１／（ｗ＋ｒ）と近似した。更に、バイパス溝１４は矩形の流路断面であることと、ｈおよびｗのどちらか小さい方は所定の値になる（ｍｉｎ（ｈ，ｗ）＝ｃｏｎｓｔ．）という後述の層流状態のための条件から、Ｑ∝ｈｗと近似でき、層流素子２５が、Ｎ枚のバイパスシート１０で構成されるとき、定格流量は、Ｑ∝ｈｗｎＮで与えられる。そして、層流素子２５を構成するバイパスシート１０のそれぞれの内径及び外径は同一のものであるから、体積はＶ∝（ｈ＋ｔ）Ｎなる関係を有する。従って、Ｑ／Ｖ∝ｈｗｎ／（ｈ＋ｔ）との関係式が成り立つ。 Further, regarding the number of the bypass grooves 14, the maximum number is provided along the circumferential direction of the inner peripheral side surface of the bypass sheet 10, and the length of the inner peripheral side surface is regarded as a constant, and n∝1 /. It was approximated to (w + r). Further, for the laminar flow state described later that the bypass groove 14 has a rectangular flow path cross section and that the smaller of h and w has a predetermined value (min (h, w) = const.). From the conditions, it can be approximated to Q∝hw, and when the laminar flow element 25 is composed of N bypass sheets 10, the rated flow rate is given by Q∝hwnN. Since the inner and outer diameters of the bypass sheets 10 constituting the laminar flow element 25 are the same, the volume has a relationship of V∝ (h + t) N. Therefore, the relational expression with Q / V∝hn / (h + t) holds.

上式に基いて、深さをｈ［ｍｍ］及び幅をｗ［ｍｍ］のどちらか小さい方が０．１［ｍｍ］とし（ｍｉｎ（ｈ，ｗ）＝０．１［ｍｍ］）、基体部分の厚さをｔ＝０．１５［ｍｍ］、溝分離壁１５の最小幅をｒ＝０．０２［ｍｍ］と設定し、定格流量Ｑ／Ｖとアスペクト比（ｈ／ｗ）の関係を算出した。 Based on the above equation, the depth is h [mm] and the width is w [mm], whichever is smaller, 0.1 [mm] (min (h, w) = 0.1 [mm]), and the substrate The thickness of the portion is set to t = 0.15 [mm], the minimum width of the groove separation wall 15 is set to r = 0.02 [mm], and the relationship between the rated flow rate Q / V and the aspect ratio (h / w) is set. Calculated.

その結果、体積当たりの定格流量Ｑ／Ｖは、アスペクト比（ｈ／ｗ）＝１のとき、最小値となった。そして、アスペクト比（ｈ／ｗ）を１より小さくすると多少増加し、０．１より小さい範囲では、概ね０．４に収束する。一方、アスペクト比（ｈ／ｗ）が１〜１０範囲では、Ｑ／Ｖが最小値から急激に増加し、１００以上では０．８を超える一定値に収束することがわかる。 As a result, the rated flow rate Q / V per volume became the minimum value when the aspect ratio (h / w) = 1. Then, when the aspect ratio (h / w) is made smaller than 1, it increases a little, and in the range smaller than 0.1, it converges to about 0.4. On the other hand, when the aspect ratio (h / w) is in the range of 1 to 10, Q / V sharply increases from the minimum value, and when it is 100 or more, it converges to a constant value exceeding 0.8.

このことから、バイパスシート１０を積層した層流素子２５において、所定の体積当たりの定格流量Ｑ／Ｖを最大化、言い換えると、所望の定格流量Ｑをより小さな体積Ｖで実現するためには、アスペクト比（ｈ／ｗ）が、１を超える（深さｈが開口幅ｗよりも大）範囲で、できるだけ大きいことが好ましいことがわかる。同様の計算で、アスペクト比（ｈ／ｗ）＞１を大きく取ることでバイパスシート１０の一枚あたりの厚み（ｈ＋ｔ）が大きくなることと、所望の定格流量Ｑをより小さな体積Ｖで実現できることは、所望の定格流量を実現するために必要なバイパスシート１０の積層枚数を少なくすることができる、ことを意味する。 From this, in the laminar flow element 25 in which the bypass sheet 10 is laminated, in order to maximize the rated flow rate Q / V per predetermined volume, in other words, to realize the desired rated flow rate Q with a smaller volume V, It can be seen that it is preferable that the aspect ratio (h / w) is as large as possible in the range of more than 1 (the depth h is larger than the opening width w). In the same calculation, by increasing the aspect ratio (h / w)> 1, the thickness (h + t) per bypass sheet 10 can be increased, and the desired rated flow rate Q can be realized with a smaller volume V. Means that the number of laminated bypass sheets 10 required to achieve the desired rated flow rate can be reduced.

上述のとおり、本発明の一実施形態の層流素子は、開口幅に比べて深さが深いバイパス流路を実現することにより、バイパスシート１０の１枚当たりの通過流量を増加させて、層流素子の体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供することができる。 As described above, the laminar flow device of the embodiment of the present invention increases the passing flow rate per bypass sheet 10 by realizing a bypass flow path deeper than the opening width, thereby forming a layer. By increasing the rated flow rate per volume of the flow element, a large flow rate laminar flow element can be provided at a low manufacturing cost.

図８には、本発明のバイパスユニット２０を搭載したマスフローコントローラ（流体制御機器）３０の断面図を示す。マスフローコントローラ３０は、本体３２と、その両側に接続されている流入口４１が設けられた入口側継手３３及び流出口４２が設けられた出口側継手３４からなる。 FIG. 8 shows a cross-sectional view of a mass flow controller (fluid control device) 30 equipped with the bypass unit 20 of the present invention. The mass flow controller 30 includes a main body 32, an inlet side joint 33 provided with inflow ports 41 connected to both sides thereof, and an outlet side joint 34 provided with an outflow port 42.

このマスフローコントローラ３０は、流入口４１から流入して流出口４２から流出する流体の流量を流量制御弁３６により、調節することができる。流入口４１から流入した流体は、バイパスユニット２０（流入ブロック２１、支持部２２、スプリングピン２３、及び層流素子２５からなる）を通って、合流路４５へ流れる。この合流路４５と流出口４２との間に流量制御弁３６が設置され、その開度は流量制御機構３７により制御される。 The mass flow controller 30 can adjust the flow rate of the fluid flowing in from the inflow port 41 and flowing out from the outflow port 42 by the flow rate control valve 36. The fluid flowing in from the inflow port 41 flows through the bypass unit 20 (composed of the inflow block 21, the support portion 22, the spring pin 23, and the laminar flow element 25) to the confluence channel 45. A flow rate control valve 36 is installed between the confluence 45 and the outlet 42, and the opening degree thereof is controlled by the flow rate control mechanism 37.

この流入口４１から流入して流出口４２から流出する流体は、バイパスユニット２０のバイパス流入路４３において分岐し、センサ流入路４７を通って熱式流量センサ部３５に流入する。そして、質量流量が計測された後、センサ流出路４８を通って合流路４５に流入する。例えば、一般的な熱式流量センサでは、非計測流体が層流として通過する細管にヒータを巻回し、両ヒータに同じ電流を流して発熱させ、その両ヒータ同士の抵抗の差をブリッジ回路で測定することで、それらのヒータ間の温度差を検出することにより、質量流量を計測する。 The fluid flowing in from the inflow port 41 and flowing out from the outflow port 42 branches in the bypass inflow path 43 of the bypass unit 20 and flows into the thermal flow rate sensor unit 35 through the sensor inflow path 47. Then, after the mass flow rate is measured, it flows into the confluence 45 through the sensor outflow path 48. For example, in a general thermal flow sensor, a heater is wound around a thin tube through which a non-measured fluid passes as a laminar flow, and the same current is passed through both heaters to generate heat, and the difference in resistance between the two heaters is detected by a bridge circuit. By measuring, the mass flow rate is measured by detecting the temperature difference between those heaters.

一方、バイパスユニット２０においては、流入口４１から流入した流体が、流入ブロック２１の流入流路２４を通過してバイパス流入路４３に到達する。バイパス流入路４３には、バイパスシート１０を積層した層流素子２５の外周側面が露出しており、上記流体が、層流素子２５の外周側面から内周側面に向かって、多数のバイパス溝１４を層流で流れてバイパス流出路４４に到達する。そして、バイパス流出路４４に到達した流体は、合流路４５で熱式流量センサ部３５を通ってきた流体と合流する。 On the other hand, in the bypass unit 20, the fluid flowing in from the inflow port 41 passes through the inflow flow path 24 of the inflow block 21 and reaches the bypass inflow path 43. The outer peripheral side surface of the laminar flow element 25 on which the bypass sheet 10 is laminated is exposed in the bypass inflow path 43, and a large number of bypass grooves 14 allow the fluid to flow from the outer peripheral side surface to the inner peripheral side surface of the laminar flow element 25. Flows in a laminar flow to reach the bypass outflow path 44. Then, the fluid that has reached the bypass outflow path 44 merges with the fluid that has passed through the thermal flow sensor unit 35 in the confluence channel 45.

又、熱式流量センサ部３５により計測した質量流量から、バイパスユニット２０を通過する流体の質量流量を算出するためには、熱式流量センサ部３５を通過する質量流量と、バイパスユニット２０を通過する流体の質量流量と、が比例関係になければならない。その関係を維持するためには、バイパスユニット２０を通過する流体が層流であることが必須である。 Further, in order to calculate the mass flow rate of the fluid passing through the bypass unit 20 from the mass flow rate measured by the thermal flow rate sensor unit 35, the mass flow rate passing through the thermal flow rate sensor unit 35 and the mass flow rate passing through the bypass unit 20 are passed. Must be proportional to the mass flow rate of the fluid. In order to maintain that relationship, it is essential that the fluid passing through the bypass unit 20 is laminar.

このように、本発明のマスフローコントローラ３０では、熱式流量センサ部３５で計測された質量流量データに基いて、流量制御機構３７が流量制御弁３６の開度を調節して、マスフローコントローラ３０を通過する流体の流量を調節することができる。 As described above, in the mass flow controller 30 of the present invention, the flow rate control mechanism 37 adjusts the opening degree of the flow rate control valve 36 based on the mass flow rate data measured by the thermal flow rate sensor unit 35 to control the mass flow controller 30. The flow rate of the passing fluid can be adjusted.

又、本発明のマスフローコントローラ３０では、バイパスユニット２０を通過することができる所定の体積当たりの定格流量の最大化が可能であるから、マスフローコントローラ３０の筐体を大きくすること無しに、より大きな定格流量を有するマスフローコントローラ３０を構成することができる。 Further, in the mass flow controller 30 of the present invention, since the rated flow rate per predetermined volume that can pass through the bypass unit 20 can be maximized, the mass flow controller 30 can be made larger without enlarging the housing. A mass flow controller 30 having a rated flow rate can be configured.

図９に、本発明のマスフローコントローラ３０を含む半導体製造装置５０のブロック図を示す。 FIG. 9 shows a block diagram of the semiconductor manufacturing apparatus 50 including the mass flow controller 30 of the present invention.

この半導体製造装置５０はプロセスチャンバー５１と、当該プロセスチャンバー５１に導入されるプロセスガスを供給するプロセスガス流路５２と、を備える。プロセスガス流路５２にはマスフローコントローラ（流体制御機器）５３が設置され、このマスフローコントローラ５３は、プロセスガス流路５２を通過して、プロセスチャンバー５１に供給されるプロセスガスの流量を調節することができる。 The semiconductor manufacturing apparatus 50 includes a process chamber 51 and a process gas flow path 52 for supplying the process gas introduced into the process chamber 51. A mass flow controller (fluid control device) 53 is installed in the process gas flow path 52, and the mass flow controller 53 adjusts the flow rate of the process gas supplied to the process chamber 51 through the process gas flow path 52. Can be done.

本実施例においては、バイパスシート１０は円環形状で、バイパス溝１４は放射状に配置されていたが、本発明はその他の形状に対しても適用することができる。例えば、バイパスシート１０の外形を長方形状にしたり、バイパス溝１４が平行に並ぶようにしたりしても良い。 In this embodiment, the bypass sheet 10 has a ring shape and the bypass grooves 14 are arranged radially, but the present invention can be applied to other shapes as well. For example, the outer shape of the bypass sheet 10 may be rectangular, or the bypass grooves 14 may be arranged in parallel.

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ バイパスシート
１１ 中心点
１２ 外形半径
１３ 内形半径
１４ バイパス溝
１５ 溝分離壁
ｈ 溝の深さ
ｗ 溝の開口幅
ｒ 溝分離壁の最小幅
ｔ バイパスシート基体部分厚み
２０ バイパスユニット
２１ 流入ブロック
２２ 支持部
２３ スプリングピン
２４ 流入流路
２５ 層流素子
３０ マスフローコントローラ（流体制御機器）
３２ 本体
３３ 入口側継手
３４ 出口側継手
３５ 熱式流量センサ部
３６ 流量制御弁
３７ 流量制御機構
４１ 流入口
４２ 流出口
４３ バイパス流入路
４４ バイパス流出路
４５ 合流路
４６ 流量制御バルブ流路
４７ センサ流入路
４８ センサ流出路
５０ 半導体製造装置
５１ プロセスチャンバー
５２ プロセスガス流路
５３ マスフローコントローラ（流体制御機器） 10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e Bypass sheet 11 Center point 12 External radius 13 Internal radius 14 Bypass groove 15 Groove separation wall h Groove depth w Groove opening width r Minimum width of groove separation wall t Bypass sheet Base part thickness 20 Bypass unit 21 Inflow block 22 Support part 23 Spring pin 24 Inflow flow path 25 Laminar flow element 30 Mass flow controller (fluid control device)
32 Main body 33 Inlet side joint 34 Outlet side joint 35 Thermal flow sensor part 36 Flow control valve 37 Flow control mechanism 41 Inflow port 42 Outlet 43 Bypass inflow path 44 Bypass outflow path 45 Confluence flow rate 46 Flow control valve flow path 47 Sensor inflow Path 48 Sensor outflow path 50 Semiconductor manufacturing equipment 51 Process chamber 52 Process gas flow path 53 Mass flow controller (fluid control device)

Claims (7)

１枚以上のバイパスシートを積層して構成される層流素子であって、
前記バイパスシートのそれぞれの一表面に配設された複数のバイパス溝を備え、
前記複数のバイパス溝の各々は、前記バイパスシートの前記一表面における開口幅と、前記バイパスシートの前記一表面から前記バイパスシートの内部方向へ延伸する深さと、を有し、前記深さは前記開口幅よりも大きい、層流素子。 A laminar flow element composed of one or more bypass sheets laminated together.
A plurality of bypass grooves arranged on one surface of each of the bypass sheets are provided.
Each of the plurality of bypass grooves has an opening width on the one surface of the bypass sheet and a depth extending from the one surface of the bypass sheet toward the inside of the bypass sheet, and the depth is said. A laminar flow element that is larger than the opening width. 前記複数のバイパス溝の各々の前記開口幅は、前記複数のバイパス溝の各々を通過する流体の流れが、層流となる条件を満たす幅よりも小さい、請求項１に記載の層流素子。 The laminar flow element according to claim 1, wherein the opening width of each of the plurality of bypass grooves is smaller than a width in which the flow of the fluid passing through each of the plurality of bypass grooves satisfies the condition of laminar flow. 前記バイパスシートは、円環形状をなし、外周側面と前記外周側面と同心円上に位置する内周側面とを含む、請求項１又は２に記載の層流素子。 The laminar flow element according to claim 1 or 2, wherein the bypass sheet has an annular shape and includes an outer peripheral side surface and an inner peripheral side surface located concentrically with the outer peripheral side surface. 前記複数のバイパス溝の各々は、前記バイパスシートの中心軸から前記外周側面に向かって放射状に配設され、前記内周側面から前記外周側面に亘って連続して延在する、請求項３に記載の層流素子。 According to claim 3, each of the plurality of bypass grooves is arranged radially from the central axis of the bypass sheet toward the outer peripheral side surface, and continuously extends from the inner peripheral side surface to the outer peripheral side surface. The laminar flow element described. 前記複数のバイパス溝は、それぞれ溝分離壁により区画され、
前記溝分離壁の円周方向における厚みは、前記外周側面から前記内周側面に向かって徐々に薄くなる、請求項４に記載の層流素子。 Each of the plurality of bypass grooves is partitioned by a groove separation wall.
The laminar flow element according to claim 4, wherein the thickness of the groove separation wall in the circumferential direction gradually decreases from the outer peripheral side surface toward the inner peripheral side surface. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の層流素子を備える流体制御機器であって、
前記流体制御機器は、流入口と、流出口と、前記流入口と前記流出口との間に設置されたバイパスユニットと、を含み、
前記バイパスユニットは、前記層流素子を有する、流体制御機器。 A fluid control device including the laminar flow element according to any one of claims 1 to 5.
The fluid control device includes an inlet, an outlet, and a bypass unit installed between the inlet and the outlet.
The bypass unit is a fluid control device having the laminar flow element. 請求項６に記載の流体制御機器と、
プロセスチャンバーと、
前記プロセスチャンバーに導入されるプロセスガスの流路と、を備え、
前記流体制御機器は、前記プロセスガスの前記流路に設置される、半導体製造装置。 The fluid control device according to claim 6 and
With the process chamber
The process gas flow path to be introduced into the process chamber is provided.
The fluid control device is a semiconductor manufacturing apparatus installed in the flow path of the process gas.

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