JP5933429B2

JP5933429B2 - 流体混合素子

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Publication number: JP5933429B2
Application number: JP2012287129A
Authority: JP
Inventors: 忠弘安田; 繁之林
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: US9795936B2; KR102116746B1; US20140182726A1; JP2014128755A; KR20140086858A

Description

この発明は、例えば半導体製造プロセスで用いられる複数の材料ガス等を混合する流体混合素子に関するものである。

従来、例えば、半導体プロセスチャンバーなどに複数の材料ガスを混合して供給する場合、主流路に複数の副流路を上流側から順に接続し、その主流路を数ｍ延伸して、プロセスチャンバに接続している。このような構成によって、各流路から流れてきた材料ガスが主流路内で自然に混合してプロセスチャンバに供給される。
ところで、コンパクト化の要請によって主流路の配管長を短くすると、上述した構成では材料ガスの十分な混合を図れない恐れがでてくる。

例えば図１６に示すように、第１流体が層流に近い状態で流れている場合、中心が最も速く周辺に向かうに連れて速度は遅くなって管壁近傍ではその速度はほぼ０になるが、ここに流れ込む第２流体の流量が第１流体の流量に比べて小さいと、該第２流体は管壁近傍に沿って第１流体の周囲をゆっくりと流れるだけとなり第１流体と混ざるまでに時間と配管長が必要となる。

そこで、特許文献１に示されているように、主流路において副流路との接続部位よりも下流側に螺旋板を溶接するといったことが行われている。このような構成であれば、この螺旋板による撹拌作用によって第１流体と第２流体との混合を促進でき、配管長も短くすることができる。

しかしながら、このような螺旋板を配管に接合するのは手間や費用がかかる。また、例えば、図１５に示すように、主流路の第１流体が乱流となって流れている場合は、圧力差によって副流路に第１流体が逆流して入り込み、第２流体が主流路に流れ込みにくくなるので、螺旋板の機能が十分に発揮されないこともある。

特開平８−２７９４６６号公報

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたものであって、簡単な構成でありながら、主流路を流れる第１流体に、副流路を流れる第２流体を確実かつ短配管長で混合できる流体混合素子を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る流体混合素子は、第１流体が流れる主流路の途中に、前記第１流体よりも流量の小さい第２流体が流れる副流路が接続されて第１流体と第２流体とが混合するように構成された配管部材に配設される流体混合素子であって、一端部の端面に始端が開口する前流路及びこの前流路の終端から分岐するとともに他端部の端面に終端が開口する複数の後流路とを有する第１内部流路と、前記一端部及び他端部の間の中間部の側周面に始端が開口するとともに前記他端部の端面に終端が開口する第２内部流路とが形成してあり、前記副流路との接続部位よりも上流側の主流路に前記一端部が嵌合するとともに、同接続部位よりも下流側の主流路に前記他端部が嵌合して、前記第２内部流路の始端開口が前記副流路の終端開口に臨むように配設されており、前記後流路が、第１内部流路の中心軸に対して斜め外側に向かって延伸していることを特徴とするものである。

このようなものであれば、前記主流路を流れてきた第１流体が前記第１内部流路を通ってこの流体混合素子よりも下流側の主流路に流れ込む一方、前記副流路を流れてきた第２流体が前記第２内部流路を通ってこの流体混合素子よりも下流側の主流路に流れ込むこととなるが、その後、第１流体及び第２流体の双方が、流体混合素子の他端部端面から共通して、主流路の下流に向かって吹き出すため、主流路の管壁近傍に第２流体が停滞したり、第１流体が副流路に入り込んで第２流体の主流路への流入を阻害したりすることなく、各流体を短配管長で確実に混合させることができる。

また、主流路にスライド挿入するだけでこの流体混合素子を取り付けることができるので施工が容易で、しかも既存の配管にも無理なく取り付けることができる。

混合をさらに促進するには、前記第１内部流路又は第２内部流路のうちの少なくともいずれかの終端部分の延伸方向が、前記主流路の軸線方向に対して斜め方向に設定してあるものを挙げることができる。このようなものであれば、流体混合素子を出た直後の流体の進行ベクトルに径方向成分が含まれることとなるので、主流路の中心付近流れと内側面付近の流れが混ざり合い、各流体の混合がより促進されることとなる。なお、斜め方向とは、捻れ方向のように、径方向成分の他に円周接線方向が含まれていても良い。

混合をさらに促進させるための他の具体的態様としては、第１内部流路又は第２内部流路のうちの少なくともいずれかの終端部分が、複数本設けてあるものを挙げることができる。特に、第１内部流路及び第２内部流路の終端部分が、それぞれ複数本設けてあり、各終端部分の開口が、該流体混合素子の他端部端面に交互に配設してあれば、各流体が予め複数に分流してそれらが互いに混ざり合うことになるので、さらに短時間、短配管長での混合が可能となる。

この流体混合素子を、その軸周りの挿入角度を調整することなく、主流路に挿入して容易に取り付けられるようにするには、前記第２内部流路が、前記中間部の側周面に周回するように設けた周回溝と、該周回溝流路内に始端が開口するとともに前記他端部端面に終端が開口する１以上の連通孔とからなるものであることが望ましい。

このような構成の本発明によれば、第１流体及び第２流体の双方が、流体混合素子の他端部端面から共通して、主流路の下流に向かって吹き出すため、主流路の管壁近傍に第２流体が停滞したり、第１流体が副流路に入り込んで第２流体の主流路への流入を阻害したりすることなく、各流体を短距離で確実に混合させることができる。

本発明の第１実施形態における流体混合素子を配管構造体に装着した状態を示す断面斜視図。同実施形態における流体混合素子の斜視図。同実施形態における流体混合素子の側面図。同実施形態における流体混合素子の他端部端面図。同実施形態における流体混合素子の縦断面図。本発明の第１実施形態における流体混合素子の縦断面図。同実施形態における流体混合素子の一端部端面図。同実施形態における流体混合素子の他端部端面図。同実施形態における流体混合素子の斜視図。本発明の他の実施形態における配管構造体及び流体混合素子を示す縦断面図。本発明のさらに他の実施形態における、流体混合素子を配管構造体に装着した状態を示す側面図。同実施形態における、流体混合素子を配管構造体に装着した状態を示す正面図。本発明のさらに他の実施形態における流体混合素子の斜視図。本発明のさらに他の実施形態における流体混合素子の斜視図。従来の本発明のさらに他の実施形態における流体混合素子の斜視図。本発明のさらに他の実施形態における流体混合素子の斜視図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
本実施形態に係る流体混合素子１０は、図１に示すように、主流路Ａの途中に副流路Ｂが接続するように構成された配管構造体２０に適用されて、主流路Ａを流れる第1流体と副流路Ｂを流れる第２流体との混合を促進するものである。なお、ここでの第１流体及び第２流体は、例えば半導体プロセスに用いられる種類の異なるガスであって、第１流体の流量の方が第２流体の流量よりも大きくなるように設定してある。また、各流体は単一成分からなるものに限らず、複数の材料ガスが混合したものも含まれる。

まず、配管構造体２０について説明する。この実施形態での配管構造体２０は、主流路Ａを構成する筒状配管２０ａと副流路Ｂをそれぞれ構成する筒状配管２０ｂとを一体に接続したものであり、ここでは、例えば既存のＴ字継手をそのまま利用している。具体的には、前記主流路Ａは直線状をなしており、副流路Ｂがこの主流路Ａの途中に略直角に交わって、その終端Ｂ１が、該主流路Ａの内壁に開口するように構成してある。なお、例えば、ブロック体に穿孔するなどして主流路や副流路を形成した配管構造体でも構わない。

次に流体混合素子１０について説明する。この流体混合素子１０は、図２〜図５に示すように、概略円柱状をなすものであって、その中間部１２の側周面に周回溝４１を設けることで、最大径部分がその前後の一端部１１及び他端部１３に形成されるようにしてある。そして、この流体混合素子１０を主流路Ａに略隙間なくスライドさせて挿入できるように、前記一端部１１及び他端部１３の外径を主流路Ａの内径と略等しくなるように設定してある。

この流体混合素子１０の配置位置であるが、本実施形態では、図１に示すように、前記一端部１１を、副流路Ｂの終端開口Ｂ１、すなわち、副流路Ｂと主流路Ａとの接続部位、よりも主流路Ａの上流側に嵌合させるとともに、前記他端部１３を、副流路Ｂの終端開口Ｂ１よりも主流路Ａの下流側に嵌合させて、前記周回溝４１が副流路Ｂの終端開口Ｂ１に臨むようにしてある。
当該流体混合素子１０には、図２〜図５に示すように、さらに２種類の内部流路、すなわち、第１内部流路３と第２内部流路４とが設けてある。

第１内部流路３は、図３〜図５等に示すように、前記一端部１１の端面１ａにその始端３ａが開口し、他端部１３の端面１ｃにその終端３ｂが開口するものである。そして、この流体混合素子１０より上流側の主流路Ａから流れてきた全ての第１流体は、この第１内部流路３を通過して、当該流体混合素子１０より下流側の主流路Ａに吐出される。

より具体的に説明すると、この第１内部流路３は、当該流体混合素子１０の一端部端面１ａに始端３ａが開口し、そこから中心軸線Ｃに沿って延伸する前流路３１と、この前流路３１の終端から分岐する略一定径の複数の後流路３２とからなるものである。前流路３１は、一端部端面１ａにおおよそ亘る円形の始端開口３ａから徐々に内径が小さくなる円錐状部分３１１と、そこから延伸する一定径部分３１２とからなるものである。また、後流路３２は、斜め外側に向かって捻れながら延伸し、その終端３ｂが、図５に示すように、他端部端面１ｃの外周縁部において円周方向に等間隔に開口するようにしたものである。

第２内部流路４は、図３等に示すように、前記周回溝４１と、該周回溝４１に連通する複数の連通孔４２とからなる。連通孔４２は、この流体混合素子１０の中心軸線Ｃと平行に延伸する略一定径のものであり、ここでは前記後流路３２と同数が設けてある。そして、各連通孔４２の始端４２ａが周回溝４１の底部側面に開口し、その終端４ｂが、前記他端部端面１ｃの外周縁部に開口するようにしてある。また、前記終端４ｂは、図５に示すように、前記各後流路３２の終端開口３ｂと同一円周上に交互に等間隔に並ぶように構成してある。

次に、かかる構成の流体混合素子１０による作用を説明する。
主流路Ａを上流から流れてきた第１流体は、その全てが流体混合素子１０の第１内部流路３を通過するが、そのとき、流路断面積が小さくなる部分、つまり前流路３１の円錐状部分３１１を通る際に流速が上がる。その後、この第１流体は、分流して各後流路３２を通った際に、流れベクトルに円周方向成分が加わり、流体混合素子１０の他端部端面１ｃから主流路Ａの下流側に向かって捻れるように吹き出す。

一方、副流路Ｂの上流側から流れてきた第２流体は、その全てが流体混合素子１０の第２内部流路４を通過する。このとき、主流路Ａの軸方向（延伸方向）と直交する方向から入ってきた第２流体は、周回溝４１を通って連通孔４２に分流するときに、その流れ方向ベクトルが主流路Ａの延伸方向と平行となり、流体混合素子１０の他端部端面１ｃから主流路Ａに平行に流れ出す。

ところで、前述したように、この流体混合素子１０の他端部端面１ｃには、第１内部流路３の終端開口３ｂと、第２内部流路４の終端開口４ｂとが同じ円周上に交互に設けてあるため、第２内部流路４の終端開口４ｂから主流路Ａと平行に流れ出した第２流体は、その流量の多寡を問わず、その隣から円周方向成分及び径方向成分を有して捻れるように吹き出す第１流体に巻き込まれて即座に強制的に混合されることとなる。

また、流体混合素子１０を出た直後の第１流体の進行ベクトルには径方向成分が含まれることとなるので、主流路Ａの中心付近流れと内側面付近の流れが混ざり合い、各流体の混合がより促進されることとなる。
このように本実施形態によれば、短配管長、短時間での流体混合を実現できる。

また、第１流体も第２流体も流体混合素子１０の他端部端面１ｃから共通して吹き出すため、第１流体が副流路Ｂに入り込んで第２流体の主流路Ａへの流入を阻害することもない。

さらに、流体混合素子１０は主流路Ａと同径をなす円柱状のものであるため、主流路Ａにスライド挿入するだけで簡単に設置でき、溶接や特別な加工などは不要である。特にこの実施形態では、第２内部流路４の入口が周回する周回溝４１であることから、この流体混合素子１０を、軸中心の角度を調整することなく主流路Ａに挿入して位置合わせさえすれば、副流路Ｂの終端開口Ｂ１に第２内部流路４が接続されるため、設置が極めて容易となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、図６〜図９を参照して説明する。
この流体混合素子１０は、前記第１実施形態のものと類似するが、やや扁平なことと、内部流路の構成が異なる点で、前記第１実施形態とは相違する。
そこで、以下では、相違点である内部流路について特に詳述する。

第１内部流路３は、流体混合素子１０の一端部端面１ａに始端が開口し、そこからこの流体混合素子１０の中心軸線に平行に延伸する複数の前流路３１と、該流体混合素子１０の他端部端面１ｃに設けられた複数重の第１円環溝３２とを具備するものである。各前流路３１は、軸線方向から視て各第１円環溝３２上に等間隔に並ぶように配設してあり、各前流路３１の終端が、各第１円環溝３２の底面（及び側面）に開口するように構成してある。なお、中心軸線Ｃ上には、１本の貫通路３３が設けてあり、この貫通路３３も第１内部流路３を構成する。

第２内部流路４は、この流体混合素子１０の中間部側周面に、第１実施形態同様に設けた周回溝４１と、この周回溝４１の底面から径方向に延び、そこから屈曲して軸線方向に平行に延びる複数の中間流路４２と、該流体混合素子１０の他端部端面１ｃに設けられた複数重の第２円環溝４３とを具備するものである。中間流路４２は、軸線方向から視て、円周方向に等間隔で設けられており、その終端が、第２円環溝４３の底面に開口して該第２円環溝４３と連通するようにしてある。第２円環溝４３は、前記第１円環溝３２と交互に設けられており、第１円環溝３２より深さが浅いものである。

このようなものであれば、第１実施形態の流体混合素子１０のように捻じれ等による混合促進は望めないものの、その他の作用や効果については同様となる。また、第１実施形態の流体混合素子１０のように斜めに穿孔する必要がないので、製造が容易となる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、図１０に示すように、配管構造体２０を、主流路Ａに上流側から順に副流路Ｂを複数連設したものにしてもよい。この図では、主流路Ａと副流路Ｂの接続部位にそれぞれ第１実施形態の流体混合素子１を設け、かつ隣り合う流体混合素子１が略接触するように構成している。

このような配管構造体２０及び流体混合素子１０を用いた応用例を、図１１、図１２に示す。この応用例では、複数のマスフローコントローラ１００を略隙間無く並べて、その底面に前記配管構造体２０を接続している。

詳述すれば、マスフローコントローラ１００は、内部流路や流体抵抗素子（図示しない）が内部に形成された本体ブロック１０１と、この本体ブロック１０１の上面に配置された圧力センサやバルブ（図示しない）を収容するケーシング部１０２とを具備したものであり、上面視（平面視）細長い長方形状をなすものである。そして、本体ブロック１０１の底面の一端部には流体の導入ポート（図示しない）が設けてあり、他端部には流体の導出ポート１０３が設けてある。

そして、マスフローコントローラ１００を、その長手方向に平行な外面同士を略密接させて複数並べ、各マスフローコントローラの導出ポート１０３が、配管構造体２０に接続されるようにしてある。

このようなものであれば、図１１、図１２に示すように、複数のマスフローコントローラ１００を搭載した配管構造体２０を、半導体プロセスチャンバの外壁（例えば上壁の蓋部）Ｗに直接搭載し、配管構造体２０の主流路Ａが、前記外壁を貫通して内部に材料ガスを供給するための流路Ｗ１に接続されるように構成することができるので、従来のように配管を介してマスフローコントローラ等を別置きしていた態様と比べ、飛躍的な小型化を図ることが出来る。また、マスフローコントローラと流路Ｗ１との距離が飛躍的に短くなるので、流体の流量制御の応答性を向上させることが出来る。さらにチャンバの蓋部に配管構造体を取り付けておけば、チャンバメンテナンスのときに蓋部Ｗを取り外すので、同時にメンテナンスができて好適である。

また、例えば、図１３に示すように、流体混合素子１０の外径を一定にして、中間部側周面に周回溝を設けない構成でもよい。この場合、中間部側周面の一部に第２内部流路４の始端開口４ａが表れることとなるので、その開口４ａが副流路の終端開口に合致するように、この流体混合素子１０の角度を調整する必要がある。

また、図１４に示すように、流体混合素子１０の側周面に軸方向に延びる縦溝を設けて、これを第１内部流路３としても構わない。この場合も、流体混合素子１０は主流路Ａにガタ無く嵌合させる。
また、主流路において、流体混合素子よりも下流側にさらに別の撹拌素子を配置しても良い。

また、第１内部流路や第２内部流路は、それぞれ１本ずつでも構わない。
また、副流路は、主流路に対して必ずしも直角に交わる必要はなく、斜めに交わっても良い。その場合、副流路の角度に制限はない。図１５、図１６に示す従来のものであると、副流路を斜めに取り付ける場合、主流路の上流側から該主流路に近づくように傾斜させなければならない（逆だと、主流路の第１流体が副流路に入り込む恐れが強くなる。）が、本発明であれば、その恐れがなく、前述したように、副流路の角度に制限はないので、配管の自由度が高くなるという効果も得られる。

１０・・・流体混合素子
２０・・・配管構造体（配管部材）
１１・・・一端部
１２・・・中間部
１３・・・他端部
１ａ・・・一端部端面
１ｃ・・・他端部端面
３・・・第１内部流路
４・・・第２内部流路
Ａ・・・主流路
Ｂ・・・副流路

Claims

第１流体が流れる主流路の途中に、前記第１流体よりも流量の小さい第２流体が流れる副流路が接続されて第１流体と第２流体とが混合するように構成された配管部材に配設される流体混合素子であって、
一端部の端面に始端が開口する前流路及びこの前流路の終端から分岐するとともに他端部の端面に終端が開口する複数の後流路とを有する第１内部流路と、前記一端部及び他端部の間の中間部の側周面に始端が開口するとともに前記他端部の端面に終端が開口する第２内部流路とが形成してあり、
前記副流路との接続部位よりも上流側の主流路に前記一端部が嵌合するとともに、同接続部位よりも下流側の主流路に前記他端部が嵌合して、前記第２内部流路の始端開口が前記副流路の終端開口に臨むように配設されており、
前記後流路が、第１内部流路の中心軸に対して斜め外側に向かって延伸していることを特徴とする流体混合素子。
前記第１内部流路又は第２内部流路のうちの少なくともいずれかの終端部分の延伸方向が、前記主流路の軸線方向に対して斜め方向に設定してある請求項１記載の流体混合素子。
第２内部流路の終端部分が、複数本設けてある請求項1記載の流体混合素子。
第１内部流路及び第２内部流路の終端部分が、それぞれ複数本設けてあり、各終端部分の開口が、該流体混合素子の他端部端面に交互に配設してある請求項1記載の流体混合素子。
前記第２内部流路が、前記中間部の側周面に周回するように設けた周回溝と、該周回溝流路内に始端が開口するとともに前記他端部端面に終端が開口する１以上の連通孔とからなるものである請求項１記載の流体混合素子。