JPH11119835A - マスフローコントローラおよび集積化流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 腐蝕性ガスなどによって冒されたりせず、ま
た、強い衝撃力にも耐えうる丈夫で安全な構造を有する
小型で有用なマスフローコントローラを提供すること。 【解決手段】 不活性ガスを封入した密閉容器２内に、
シリコン基板部６と、この上面に接合される接ガスチッ
プ部７とを設け、この接ガスチップ部７を複数の耐腐蝕
性金属板１３ａ〜１３ｅを複数積層した多層構造に形成
し、その内部に流路１４を形成するとともに、この流路
１４に流量測定部１５と流量制御部１６とを形成してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガス流量を制御
するマスフローコントローラおよびこれを用いた集積化
流量制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスフローコントローラは、一つの基体
に流量測定部と流量制御部とを形成してなるもので、従
来より、半導体製造に用いるガスや各種工業プロセスガ
スの自動制御や流量監視、有害ガスや危険性の高いガス
の遠隔制御、さらには、混合ガスの調整や試験研究用シ
ステムへの搭載など生産設備から研究開発まで広い分野
で使用されている。

【０００３】ところで、近時、上記マスフローコントロ
ーラの小型化が要請され、半導体プロセス技術のフォト
リソグラフィやエッチング技術を活用したマイクロマシ
ニング技術により、図９に示すような小型のマスフロー
コントローラが開発されるに至っている。

【０００４】図９において、６１はマスフローコントロ
ーラで、集積ブロック６２の一方の面（下面）に設けら
れている。このマスフローコントローラ６１は、次のよ
うに構成されている。すなわち、集積ブロック６２の一
方の面にセラミックスからなる基板６３が設けられてお
り、この基板６３の下面にシリコン層６４，６５が積層
されている。そして、集積ブロック６２に形成されたガ
ス流路６６に連なるようにして基板６３に流路６７が形
成され、さらに、この流路６７に連なるようにしてシリ
コン層６４に凹部６８が形成され、この凹部６８は基板
６３に形成された別の流路６９を介して集積ブロック６
２に形成された別の流路７０に接続されている。なお、
７１，７２は集積ブロック６２と基板６３との間に介装
されるシール部材である。

【０００５】そして、７３は流路６７と流路６９との間
に形成される流量制御部である。この流量制御部７３
は、次のように構成されている。すなわち、７４は流路
６７の下端部に形成される弁座部で、前記凹部６８の形
成と同時にエッチングによって形成される。この弁座部
７４に対応するシリコン層６５にはその下面側をエッチ
ングしてダイヤフラム７５が形成され、シリコン層６５
とシリコン層６５の下面側に当接するようにして設けら
れた耐熱ガラス層７６との間に形成された空間７７に液
体を封入して、この液体を加熱して膨張させてダイヤフ
ラム７５を弁座部７４方向に移動させることにより、弁
座部７４とダイヤフラム７５との間の開口（弁口）７８
の開度を調節できるように構成されている。

【０００６】また、７９は流路６９と流路７０との間に
形成される流量測定部である。この流量制御部７９は、
流路６９，７０の接続部を下方に延長した流路８０に臨
むように基板６３の下面に設けられる圧力センサ８１
と、流路７０に設けられる音速ノズル８２とからなる。
８３はシリコンであり、８４は蓋体である。

【０００７】なお、図９において、８５は集積ブロック
６２の上面に設けられるプレッシャーレギュレータ、８
６はストップバルブ、８７は集積ブロック６２に設けら
れる流路、８８〜９０はシール部材である。

【０００８】上記のように構成されたマスフローコント
ローラ６１においては、矢印Ｇで示すガスは、流路６６
に入り、次いで、流路６７を通り、流量制御部７３のダ
イヤフラム７５の弁座部７４に対する位置によって決定
される開口７８を経て流路６９に至る。その後、流量測
定部７９において流量測定され、その測定結果が流量設
定値と比較され、これに基づいて前記開口７８の開度が
調整され、ガスＧの流量が常に所定の流量となるように
制御することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のマスフローコントローラ６１においては、ガスＧが
流通する部分の部材がセラッミクス（基板６３）であっ
たり、シリコン（シリコン層６４，６５）であるので、
次のような問題がある。すなわち、セラミックスは、所
謂多孔質であるため、ガスＧを吸・脱着しやすく、した
がって、高純度のガスには不向きであるとともに、水分
が抜けにくいといった不都合がある。また、耐熱ガラス
（耐熱ガラス層７６）は、熱には強いが、腐蝕性ガスに
は冒されやすいといった欠点があるとともに、シリコン
との結合は、強い衝撃力に対しては脆弱であり、腐蝕性
ガスや有毒ガスがリークする危険がある。つまり、従来
のマスフローコントローラは、半導体製造などに用いる
ガス流量の調整には不向きであるとともに、必ずしも機
械的に十分な強度を備えているとは言えないものであっ
た。

【００１０】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、腐蝕性ガスなどによって冒され
たりせず、また、強い衝撃力にも耐えうる丈夫で安全な
構造を有する小型で有用なマスフローコントローラおよ
びこれを複数用いた集積化流量制御装置を提供すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のマスフローコントローラは、不活性ガス
を封入した密閉容器内に、シリコン基板部と、この上面
に接合される接ガスチップ部とを設け、この接ガスチッ
プ部を複数の耐腐蝕性金属板を複数積層した多層構造に
形成し、その内部に流路を形成するとともに、この流路
に流量測定部と流量制御部とを形成したことを特徴とし
ている。

【００１２】上記マスフローコントローラにおいては、
ガスと接する部分（接ガス部）を耐腐蝕性金属で構成し
ているため、腐蝕性ガスによって冒されることがないと
ともに、十分な機械的強度を有する。そして、このマス
フローコントローラは、半導体プロセス技術のフォトリ
ソグラフィやエッチング技術を活用したマイクロマシニ
ング技術を適用することにより、微小化および量産化す
ることができる。

【００１３】そして、この発明の集積化流量制御装置
は、上記優れた特性を有するマスフローコントローラ
を、複数個互いに並列に設けるとともに、各マスフロー
コントローラに、プレッシャレギュレータと、圧力セン
サおよびストップバルブ部とを備えさせたことを特徴と
している。

【００１４】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１および図２は、第１の実施の形態
を示すもので、図１において、１はマスフローコントロ
ーラで、次のように構成されている。すなわち、２は適
宜の金属材料よりなる容器本体３と、この容器本体３の
下方の開口を封止する適宜の金属材料よりなるステム４
とからなる密封容器で、この密封容器２の内部には例え
ば窒素ガスなどの不活性ガスが充填されるとともに、マ
スフローコントローラ本体５が設けられる。このマスフ
ローコントローラ本体５は、シリコン基板部６と、接ガ
スチップ部７と、継手ブロック部８とからなる。以下、
これら各部６〜８の構成について詳細に説明する。

【００１５】まず、前記シリコン基板部６は、次のよう
に構成されている。９は適宜厚さ（例えば５００μｍ）
のシリコン基板９で、その上面の一部には演算制御部と
してのＩＣ回路部１０が形成されている。このＩＣ回路
部１０は、流量測定および流量制御の機能および外部装
置との信号の授受を行う機能を備えている。そして、１
１ａ，１２ａはシリコン基板９の上面側に形成される圧
力センサ１１のセンサ本体、温度センサ１２のセンサ本
体で、それぞれシリコン基板９の下面側を適宜エッチン
グして形成される。また、これらのセンサ本体１１ａ，
１２ａは、後述する流量測定部１６を構成する部材であ
る。

【００１６】次に、前記接ガスチップ部７の構成を図２
をも参照しながら説明する。１３は接ガスチップ本体
で、図２に示すように、適宜厚さ（例えば１００〜５０
０μｍ）の耐腐蝕性金属、例えばステンレス鋼板を例え
ば５枚１３ａ〜１３ｅ重ね合わせた５層構造で、例えば
１〜２ｍｍ角×１ｍｍ程度の大きさである。この接ガス
チップ本体１３は、シリコン基板９の上面にその間に接
合層を設けたり、あるいは、有機または無機の接着剤に
よって接合するなどして設けられている。この接ガスチ
ップ本体１３には、以下に説明するような各部がエッチ
ングなどの手法で形成されている。

【００１７】１４は制御対象のガスＧが流れる流路で、
この流路１４には、その上流側から流量制御部１５と流
量測定部１６とがこの順で形成されている。

【００１８】まず、前記流量制御部１５は、次のように
構成されている。１７は接ガスチップ本体１３の第３層
１３ｃに形成される弁座部、１８は接ガスチップ本体１
３の第２層１３ｄに形成される流量制御部ダイヤフラム
である。この流量制御部ダイヤフラム１８は、弁体とし
ての機能および隔壁としての機能を有する。そして、１
９はこの流量制御部ダイヤフラム１８を駆動するための
空気の供給路である。すなわち、この実施の形態におけ
る流量制御部１５は、空気圧制御方式の流量制御弁に形
成されており、弁座部１７と流量制御部ダイヤフラム１
８との間の開口（弁口）２０を調節することにより、流
路１４を流れるガスＧの流量を調整できるように構成さ
れている。

【００１９】そして、前記流量測定部１６は、次のよう
に構成されている。１１ｂ、１２ｂは接ガスチップ本体
１３の第５層１３ｅにそれぞれ形成される圧力センサダ
イヤフラム、温度センサダイヤフラムであり、感度向上
のためハーフエッチングにより前記流路１４と連通する
部分２１ａ，２１ｂに臨むように設けられている。２２
は接ガスチップ本体１３の第１層１３ａに形成され、流
路１４の下流に位置する音速ノズルである。すなわち、
この実施の形態における流量測定部１６は、圧力センサ
１１と音速ノズル２２と温度センサ１２とからなる。温
度センサ１２は、流量測定部１６における流量が臨界圧
の温度に依存するのを補正するための温度を測定するも
のである。

【００２０】また、前記継手ブロック部８は、外部のガ
スとの取り合いのための継手を備えたもので、次のよう
に構成されている。２３はステンレス鋼など耐腐蝕性金
属よりなる継手ブロック本体で、流路１４の上流側およ
び下流側にそれぞれ連なる継手２４，２５を備えるとと
もに、空気供給路１９に連なる継手２６を備えている。

【００２１】そして、図１において、２７は空気圧を制
御する空圧制御弁で、例えば電磁弁よりなる。この空圧
制御弁２７を常開型（または常閉型）とすることによ
り、マスフローコントローラ１を常閉型（または常開
型）とすることができる。また、２８はステム４の下方
に延設されるリードピンで、ＩＣ回路部１０を駆動する
ための電源供給や、ＩＣ回路部１０と外部装置（図示し
てない）との信号授受のために用いられる。

【００２２】上記構成のマスフローコントローラ１にお
いては、ガスＧが継手２４を経てマスフローコントロー
ラ１内に導入される。マスフローコントローラ１におい
ては、ＩＣ回路部１０からの信号により空圧制御弁２７
が開き、これによって導入される空気の圧力によって流
量制御部ダイヤフラム１８の位置が制御され、弁座部１
７と流量制御部ダイヤフラム１８との間の開口２０の開
度が調整され、前記流路１４を流れるガスＧの流量が制
御される。

【００２３】そして、ガスＧが圧力センサ１１と音速ノ
ズル２２を通過すると、それらからそれぞれ信号がＩＣ
回路部１０に送られ、ＩＣ回路部１０において信号処理
することにより流量測定信号が得られる。この流量測定
信号は、ＩＣ回路部１０に予め設定されている流量設定
信号と比較され、その比較結果が空圧制御弁２７にフィ
ードバックされることにより流量制御が行われる。前記
音速ノズル２２を経たガスＧは、継手２５を経てマスフ
ローコントローラ１外に導出される。

【００２４】上記マスフローコントローラ１において
は、接ガスチップ部７がステンレス鋼など耐腐蝕性金属
で構成されているので、腐蝕性ガスによって冒されるこ
とがない。また、この接ガスチップ部７は、シリコン基
板９との接合性がきわめて良好であり、堅牢な構造を有
するので、衝撃力に対しても強い。

【００２５】そして、上記マスフローコントローラ１に
おいては、マスフローコントローラ本体５が不活性ガス
を満たした密閉容器１内に収容されており、外部と遮断
されているので、化学的に冒されたり、変質するといっ
たことがない。

【００２６】また、上記マスフローコントローラ１は、
半導体プロセス技術のフォトリソグラフィやエッチング
技術を活用したマイクロマシニング技術を適用すること
により、微小化および量産化が可能である。

【００２７】なお、上記第１の実施の形態におけるマス
フローコントローラ１において、ＩＣ回路部１０をシリ
コン基板部６に設けず、外部装置（図示してない）に設
けるようにしてもよい。また、空圧制御弁２７をシリコ
ン基板９内に設けるようにしてもよい。

【００２８】次に、図３〜図５は、第２の実施の形態を
示すもので、この実施の形態のマスフローコントローラ
１Ａは、前記第１の実施の形態のマスフローコントロー
ラ１とは流量測定部が異なるだけで、他の構成は全く同
じである。すなわち、この第２の実施の形態におけるマ
スフローコントローラ１Ａの流量測定部２９は、熱式流
量測定部に構成されており、したがって、流路１４に音
速ノズルは設けられてない。そこで、異なる部分のみ説
明する。

【００２９】すなわち、図３および図４に示すように、
流量制御部１５と継手２５までの間において、流路１４
を一旦２つの流路３０，３１に分岐した後、下流側で合
流させ、シリコン基板部６に近い流路３０に感熱薄膜ヒ
ータなどの薄膜流量センサ３２，３３を設け、他の流路
３１をバイパス流路としている。

【００３０】図５は、熱式流量測定部２９の構成の一例
を示すもので、薄膜流量センサ３２，３３が設けられる
センサ流路３０は、複数の互いに並列な流路３０ａがハ
ーフエッチングにより接ガスチップ本体１３の第４層１
３ｄの下面側に形成されている。そして、薄膜流量セン
サ３２，３３は、ハーフエッチングにより接ガスチップ
本体１３の第５層１３ｅの下面側に感熱薄膜ヒータを設
けることにより形成されている。また、センサ流路３０
と並列的なバイパス流路３１は、複数の互いに並列な流
路３１ａがハーフエッチングにより接ガスチップ本体１
３の第２層１３ｂの上面（または下面）側に形成されて
いる。なお、センサ流路３０における並列流路３０ａの
数は固定的であるが、バイパス流路３１における並列流
路３１ａの数は、ガス流量に応じて適宜定められる。ま
た、薄膜流量センサ３２，３３は、ＩＣ回路部１０に設
けられた抵抗とブリッジ回路を組むように接続される。

【００３１】この実施の形態におけるマスフローコント
ローラ１Ａの動作および作用効果は、上記第１の実施の
形態におけるマスフローコントローラ１と同じであるの
で、その詳細な説明は省略する。

【００３２】次に、図６は、第３の実施の形態を示すも
ので、この実施の形態のマスフローコントローラ１Ｂ
は、前記第２の実施の形態のマスフローコントローラ１
Ａとは流量制御部が異なるだけで、他の構成は全く同じ
である。すなわち、この第３の実施の形態におけるマス
フローコントローラ１Ｂの流量制御部３４は、弁体とし
ての流量制御部ダイヤフラム１８をピエゾアクチュエー
タ３５で駆動するように構成されており、したがって、
空気供給路１９およびこれに関連する部材は設けられて
ない。

【００３３】すなわち、図６に示すように、ピエゾアク
チュエータ３５は、流量制御部ダイヤフラム１８の下方
の空間部分（エッチングによって除去された部分）に設
けられており、これに対する印加電圧はＩＣ回路部１０
によって調整されるように構成されている。

【００３４】この実施の形態におけるマスフローコント
ローラ１Ｂの動作および作用効果は、上記第１および第
２の実施の形態におけるマスフローコントローラ１，１
Ａと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

【００３５】なお、この発明のマスフローコントローラ
１，１Ａ，１Ｂは、上述の実施の形態に限られるもので
はなく、種々に変形して実施することができる。例え
ば、接ガスチップ部７における耐腐蝕性金属の積層数
は、任意である。また、流量制御部１５（３４）を、流
量測定部１６（２９）の下流側に設けてもよい。さら
に、流量制御部３４と、流量測定部１６と組み合わせて
もよい。さらにそして、流量制御部における流量制御部
ダイヤフラム１８の駆動を、サーマル方式や液体で行う
ようにしてもよい。

【００３６】上述の実施の形態はいずれもマスフローコ
ントローラ単体であったが、これを複数個用いて集積化
して集積化流量制御装置としてもよい。以下、これを第
４の実施の形態として、図７および図８を参照しながら
説明する。なお、これらの図において、図１〜図６にお
ける符号と同じものは同一部材を示している。

【００３７】図７において、４０はステンレス鋼など耐
腐蝕性金属よりなる集積化ブロックで、この集積化ブロ
ック４０の内部には、複数の流路４１が互いに並列に形
成されている。複数の流路４１は、互いに独立したガス
導入口４２を上流側に有するが、下流側は集積化ブロッ
ク４０の外部においては一つに合流して一つのガス出口
４３となっている。そして、各流路４１には、マスフロ
ーコントローラ４４と、プレッシャレギュレータ４５
と、音速ノズルの２次側の圧力をモニターすることによ
り、圧力条件が音速領域にあることを確認するための圧
力センサおよびストップバルブ部４６とが互いに直列に
なるように設けている。

【００３８】図８は、集積化ブロック４０にマスフロー
コントローラ４４と、プレッシャレギュレータ４５と、
圧力センサおよびストップバルブ部４６とを設けた状態
を示す図である。この図に示すように、マスフローコン
トローラ４４は、例えば、集積化ブロック４０の下面側
に設けられ、マスフローコントローラ４４に対してそれ
ぞれ上流側、下流側に設けられるプレッシャレギュレー
タ４５と圧力センサおよびストップバルブ部４６は、集
積化ブロック４０の上面側に設けられている。なお、４
１ａはマスフローコントローラ４４とプレッシャレギュ
レータ４５との間の流路、４１ｂはマスフローコントロ
ーラ４４と圧力センサおよびストップバルブ部４６との
間の流路で、いずれも集積化ブロック４０内に形成され
る。また、４７は金属製Ｏリングなどのシール部材であ
る。

【００３９】そして、マスフローコントローラ４４は、
そのマスフローコントローラ本体５を構成する流量制御
部３４として、その流量制御部ダイヤフラム１８がピエ
ゾアクチュエータ３５によって駆動されるものを用い、
流量測定部１６として、圧力センサ１１と音速ノズル２
２とを組み合わせたものを用いている。このように構成
されたマスフローコントローラ本体５は、密封容器４８
内に収容される。そして、この密封容器４８内には、窒
素ガスなどの不活性ガスが充填される。

【００４０】また、プレッシャレギュレータ４５は、マ
スフローコントローラ４４の構成から音速ノズル２２を
除去してなるもので、符号４９はプレッシャレギュレー
タ本体を示している。

【００４１】さらに、圧力センサおよびストップバルブ
部４６は、プレッシャレギュレータ４５の構成からさら
に温度センサ１２を除去してなるもので、符号５０は圧
力センサおよびストップバルブ部本体を示している。

【００４２】このように構成された集積化流量制御装置
によれば、ガス配管系が小型・集積化され、半導体製造
に用いるガスや各種工業プロセスガスの自動制御や流量
監視などに好適に使用することができる。

【００４３】なお、この発明の集積化流量制御装置は、
上記実施の形態で例示したものに限られるものではな
く、流量制御部と流量測定部の構成については、第１〜
第３の実施の形態において例示したものを適宜組み合わ
せてもよいことはいうまでもない。

【００４４】

【発明の効果】この発明のマスフローコントローラにお
いては、ガスと接する部分を耐腐蝕性金属で構成してい
るため、腐蝕性ガスによって冒されることがないととも
に、十分な機械的強度を有する。そして、このマスフロ
ーコントローラは、半導体プロセス技術のフォトリソグ
ラフィやエッチング技術を活用したマイクロマシニング
技術を適用することにより、微小化および量産化が可能
である。

【００４５】そして、この発明の集積化流量制御装置に
おいては、上記した優れた特長を備えたマスフローコン
トローラを複数個用いたものであり、その特長を有する
ことは勿論のこと、さらに、ガス配管系や小型・集積化
を促進することができ、さらに、半導体製造を始めとす
る各種の工業プロセスガスの自動制御や流量監視など広
い分野においてに好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係るマスフローコントロー
ラを示す縦断面図である。

【図２】前記マスフローコントローラで用いる接ガスチ
ップ部を示す縦断面図である。

【図３】第２の実施の形態に係るマスフローコントロー
ラを示す縦断面図である。

【図４】前記マスフローコントローラで用いる接ガスチ
ップ部を示す縦断面図である。

【図５】前記接ガスチップ部の分解斜視図である。

【図６】第３の実施の形態に係るマスフローコントロー
ラを示す縦断面図である。

【図７】第４の実施の形態に係る集積化流量制御装置の
平面構成を概略的に示す図である。

【図８】前記集積化流量制御装置の縦断面図である。

【図９】従来のマスフローコントローラを説明するため
の図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ，４４…マスフローコントローラ、２，
４８…密閉容器、６…シリコン基板部、７…接ガスチッ
プ部、１０…演算制御部，１３ａ〜１３ｅ…耐腐蝕性金
属板、１４…流路、１５，３４…流量制御部、１６，２
９…流量測定部、１８…流量制御部ダイヤフラム、３５
…ピエゾアクチュエータ、１１…圧力センサ、２２…音
速ノズル、３２，３３…薄膜流量センサ、４０…集積化
ブロック、４５…プレッシャレギュレータ、４６…圧力
センサおよびストップバルブ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上坂 博二 京都府京都市南区上鳥羽鉾立町11番５ 株 式会社エステック内 (72)発明者 清水 哲夫 京都府京都市南区上鳥羽鉾立町11番５ 株 式会社エステック内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不活性ガスを封入した密閉容器内に、シ
   リコン基板部と、この上面に接合される接ガスチップ部
   とを設け、この接ガスチップ部を複数の耐腐蝕性金属板
   を複数積層した多層構造に形成し、その内部に流路を形
   成するとともに、この流路に流量測定部と流量制御部と
   を形成したことを特徴とするマスフローコントローラ。
2. 【請求項２】 シリコン基板部に演算制御部を形成して
   なる請求項１に記載のマスフローコントローラ。
3. 【請求項３】 流量制御部におけるダイヤフラムを空気
   圧によって制御する請求項１または２に記載のマスフロ
   ーコントローラ。
4. 【請求項４】 流量制御部におけるダイヤフラムをピエ
   ゾアクチュエータによって制御する請求項１または２に
   記載のマスフローコントローラ。
5. 【請求項５】 流量測定部が圧力センサと音速ノズルと
   からなる請求項１〜４のいずれかに記載のマスフローコ
   ントローラ。
6. 【請求項６】 流量測定部が薄膜流量センサからなる請
   求項１〜４のいずれかに記載のマスフローコントロー
   ラ。
7. 【請求項７】 耐腐蝕性金属よりなる集積化ブロック
   に、請求項１〜６のいずれかに記載のマスフローコント
   ローラを複数個互いに並列に設けるとともに、各マスフ
   ローコントローラに、プレッシャレギュレータと、圧力
   センサおよびストップバルブ部とを備えさせたことを特
   徴とする集積化流量制御装置。