JP4854238B2 - フローセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置に使用するガス等の微少な流量の測定に好適なフローセンサに関する。

例えば、半導体製造装置に使用するガス等の流体の流量や流速を検出する流量測定装置として、流体に熱を付与して所定位置における流体の温度差を測定することにより流量を測定する熱式の流量測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８及び図９は、従来の熱式流量測定装置（フローセンサ）の一例を示し、流量測定装置１は、センサチップ２と、このセンサチップ２の上面に接合された流路形成部材としてのガラスチップ３とにより構成されている。センサチップ２は、シリコン基板４の上面４ａに窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）５が形成され、絶縁膜５の中央位置に発熱素子としてのヒータ６と、該ヒータ６の上流側及び下流側に等間隔で測温素子７と測温素子８とが形成され、これらの各リードパターンが両側方に延出され（図９参照）、更にこれらが窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）９により被覆された構成とされている。そして、ヒータ６と測温素子７，８とにより流量検出部１０が形成され、シリコン基板上面４ａの流量検出部１０の下側位置に流量検出部１０とシリコン基板４とを熱的に遮断する凹部４ｂが形成されている。

ガラスチップ３は、センサチップ２よりも僅かに幅狭とされ、ヒータ６、測温素子７，８上を測温素子７側から測温素子８側に矢印で示すように流体を流す流路（溝）１１が形成された構成とされている。流量検出部１０のヒータ６、測温素子７，８の各リードパターンは、図９に示すようにガラスチップ３の両側面から側方に延出されており、絶縁膜９の前記各リードパターンの先端位置にワイヤボンド接続用の電極パッド９ａが形成されている。ガラスチップ３とシリコン基板４は、例えば低融点ガラス１２により接合されている。

流量検出部１０のヒータ６、測温素子７，８は、夫々ワイヤボンドにより図示しないヒータ制御回路とブリッジ回路に接続される。前記ヒータ制御回路は、流量検出部１０のヒータ６に通電して流路１１を流れる流体を加熱し、ブリッジ回路により上流側の測温素子７の温度と下流側の測温素子８の温度との差に対応する信号を検出して流量を測定する。
特開昭６１−２３５７２６号公報（６-７頁、第１図）

上記構成の流量測定装置１において微少な流量を測定するためには流路１１の流体の流れる方向と直交する方向の断面積を小さくして流体の流速を大きくすれば良い。このとき、ガラスチップ３の流路１１をエンドミル等の工法で形成すると図９に示すように流路１１の流体の流れる方向と直交する方向の両隅部１１ａが角張り、断面形状が長方形となる。一方、流体の流れる方向と直交する方向におけるヒータ６からの熱は、点線で示すように略アーチ形状の等温面をなして分布している。従って、流路１１の高さを低くするとヒータ６からの熱は、上壁面１１ｂから奪われ出す一方、両隅部１１ａから奪われ難い。従って、流路１１の流体の流れる方向と直交する方向の断面積を小さくする場合両隅部１１ａは、デッドスペースとなる。

このため、流路１１の高さを低くしてヒータ６と流路１１の上壁面１１ｂとの距離が或る領域（例えば、２００μｍ〜３００μｍ程度）に達するとヒータ６からの熱が流路１１の上壁面１１ｂに奪われて流量検出部１０の感度が低下してしまうという問題がある。

また、エンドミルやサンドブラストのような溝形の流路の成形時に加工面が荒れて透明性が維持できない工法では、センサチップ２にガラスチップ３を接合した後のセンサの内部観察が困難となり、流路１１内に侵入した塵埃等に起因する流量検出部１０の故障等を検知することができない。

また、特許文献１に開示されている流量測定装置において、流路を構成する溝の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状が略台形状をなしているが、異方性エッチングによりシリコン基板に溝を形成する際の製法上このような略台形状の断面形状となるものであり、ヒータの発熱による熱温度分布に沿った形状とされているものではない。

本発明の目的は、流路形成部材の流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面積を小さくして流量検出部の感度を低下させることなく微少流量域の測定を可能とするフローセンサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係るフローセンサは、
基板の上面に形成された凹部の少なくとも一部を覆うように被覆された絶縁膜に発熱素子と測温素子からなる流量検出部が形成されたセンサチップと、該センサチップ上に設けられ前記流量検出部を流れる流体の流路が形成された流路形成部材とを備えたフローセンサであって、
前記発熱素子は、前記流路において流体の流れの方向と直交する方向に形成され、
前記流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を、前記発熱素子により形成される熱温度分布の形状に沿わせる形状に形成したことを特徴としている。

本発明の請求項１に係るフローセンサによると、発熱素子は、流路において流体の流れの方向と直交する方向に形成され、流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を、発熱素子により形成される熱温度分布の形状に沿わせる形状に形成されている。
これにより、発熱素子により形成される熱の温度分布は、当該発熱素子から等温面をなして分布しており、流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を発熱素子の発熱の等温面に沿うような断面形状としてデッドスペースを無くし、流路の断面積を小さくしている。これにより、流路内を流れる流体の流速を大きくすることが可能となり、微少な流量の測定が可能となる。

また、本発明の請求項２に係るフローセンサは、請求項１に記載のフローセンサにおいて、
前記流路の断面形状は、前記流体の流れ方向から見て、前記流量検出部の形成された部分において当該流量検出部の形成部である流路底部が直線状をなし、前記流路底部の両端から立ち上がって形成される流路内周面部においては、前記流量検出部に対向する流路上部の湾曲度合いが、前記流路底部と前記流路上部との間に形成される流路両側側壁部のそれぞれの湾曲度合いよりも小さい略アーチ形に形成されていることを特徴としている。

流体の流れる方向と直交する方向の断面内における発熱素子の熱温度分布は、略アーチ形状の等温面をなして分布している。そのため、流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状をこのような略アーチ形に形成することで、発熱素子により形成される熱温度分布の形状に略沿わせることができる。これにより、流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面積のデッドスペースをなくして流路断面積を小さくすることができる。

また、本発明の請求項３に係るフローセンサは、請求項２に記載のフローセンサにおいて、
前記流路形成部材は透明部材で形成されており、前記流路の断面形状は、少なくとも前記流路上部が湾曲して形成される代わりに直線状に形成されると共に、前記流路側壁部が湾曲して形成される代わりに、前記流体の流れ方向から見て、前記流路上部の両端部に連なった隅部が湾曲して形成されていることを特徴としている。

流路形成部材の流路の少なくとも流量検出部と対向する上面が平面とされていることで、外部から流量検出部を観察することができ、流量検出部に付着した微小な塵埃等を検知することが可能となる。

また、本発明の請求項４に記載のフローセンサは、請求項１乃至請求項３の何れかにおいて、前記流路形成部材は透明部材で形成されており、前記流路の上方の外側面が凸レンズ状に形成されていることを特徴としている。

流路形成部材の流路上方の外側面に形成した凸レンズにより、外部から流路内を拡大して観察することが可能となり、流量検出部等に付着した微小な塵埃等を目視により検知することが可能となる。

また、本発明の請求項５に記載のフローセンサは、請求項１乃至請求項４の何れかにおいて、前記基板はシリコンで形成され、前記流路形成部材はガラスで形成されていることを特徴としている。

シリコンの熱膨張係数とガラスの熱膨張係数とが近似していることで、熱応力に起因する歪みが小さく、センサの検出精度が安定する。

本発明によると、流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を発熱素子からの熱が実質的に有効に作用する領域の外側近傍において発熱素子によって形成される熱温度分布の形状に合わせることで、流路の断面積を減らしつつ発熱素子からの熱が流路壁に奪われることを最小限に抑えることができ、熱損失による流量検出部の感度低下を防ぎつつ流速を大きくすることができ、微少流量域の測定が可能となる。

また、流路形成部材を透明部材とし流路の上壁面を平面とすることで、外部から流路内の観察が容易となり、流路内に入り込んだ微小な塵埃等を検知することが可能となる。

また、流路形成部材を透明とし外側面の流路上方位置に凸レンズを形成することで、流量検出部等に付着した塵埃等を拡大して目視観察することが可能となり、フローセンサの異常を迅速に検知することが可能となる。

更に、センサチップの基板をシリコン基板とし、流路形成部材をガラス部材とすることで、これらの接合部の熱応力に起因する歪みが小さくなり、フローセンサの検出精度が安定する。

以下、本発明の一実施形態に係るフローセンサについて図面に基づいて説明する。図１及び図２に示すようにフローセンサ２１は、センサチップ２２と、このセンサチップ２２の上面に接合された流路形成部材としてのガラスチップ２３とにより構成されている。センサチップ２２は、例えばシリコン基板２４の上面２４ａに全面に亘り窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）２５が形成されており、絶縁膜２５の中央位置に例えば白金のパターニングでできた発熱素子としてのヒータ２６と、このヒータ２６の上流側及び下流側に等間隔で例えば白金のパターニングでできた抵抗素子としての測温素子２７と測温素子２８とが形成されている。

ヒータ２６、測温素子２７，２８のリードパターン２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂは、夫々センサチップ２２の両側方に延出している。そして、これらのヒータ２６、測温素子２７，２８及びリードパターン２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂは、窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）２９により被覆されている。そして、ヒータ２６と測温素子２７，２８とにより流量検出部３０が形成されている。

シリコン基板２４の上面２４ａには流量検出部３０の下方位置に凹部２４ｂが形成されており、絶縁膜２５の凹部２４ｂを覆う部位はダイヤフラムとされている。これにより、流量検出部３０とシリコン基板２４とが熱的に遮断されている。なお、凹部２４ｂは、ここでは詳細には示さないが、絶縁膜２５の箇所に多数のスリットをフォトリソグラフィーとエッチングにより形成し、このスリットを介して異方性エッチングをシリコン基板２４に施すことによって形成される。

ガラスチップ２３は、図１及び図３に示すようにセンサチップ２２よりも僅かに幅狭とされ、透明部材例えば透明な硼珪酸ガラスで形成され、下面中央に長手方向に沿ってガス等の流体を流すための流路（溝）３１が形成されている。流路３１は、両端部３１ａ，３１ｂがガラスチップ２３の両端面２３ａ，２３ｂにおいて開口しており、センサチップ２２に形成されている流量検出部３０上を例えば測温素子２７側から測温素子２８側に向かって流体を流すようになっている。なお、硼珪酸ガラスとして例えばパイレックス（登録商標）ガラス或いはテンパックスガラスと称するガラスがある。

流量検出部３０のヒータ２６、測温素子２７，２８のリードパターン２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂは、図１及び図３に示すようにガラスチップ２３の両側面から延出されており、絶縁膜２９の各リードパターンの先端位置にワイヤボンド接続用の電極パッド２９ａが形成されている。

流路３１の流体の流れる方向と直交する方向におけるヒータ２６からの熱は、前述の図９に示した場合と同様に、図３に点線で示すように略アーチ形状の等温面をなして分布している。そこで、図３に示すように流路３１の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を、ヒータ２６により形成される熱温度分布の形状に沿わせる形状に形成している。即ち、ヒータ２６からの熱が実質的に有効に作用する領域の外側近傍でかつ当該ヒータ２６の発熱の等温面に沿うような形状、具体的には前述した略アーチ形に形成されている。これにより、図９に示した従来の流路１１のデッドスペースとしての隅部１１ａを無くすことができ、流路３１の流体の流れる方向と直交する方向の断面積を極めて有効に小さくすることができる。

因みに、センサチップ２２のサイズは、１.５ｍｍ×３.５ｍｍ〜６.０ｍｍ×１２.０ｍｍ／厚さ０.５ｍｍ〜１.０ｍｍ程度であり、ガラスチップ２３サイズは、１.５ｍｍ×３.５ｍｍ〜６.０ｍｍ×１２.０ｍｍ／厚さ０.５ｍｍ〜２.０ｍｍである。そして、ガラスチップ２３の流路（溝）３１のサイズは、０.２ｍｍ〜２.０ｍｍ／深さ０.２ｍｍ〜１.０ｍｍ程度であり、内壁面３１ｃは、長径が０.４５ｍｍ、短径が０.３５ｍｍ程度の曲面をなしている。

流路３１は、加工面即ち、内壁面３１ｃが平滑な面となるような工法例えば、溶融成型やフッ酸エッチング等により加工しても良く、或いはエンドミルやサンドブラスト等により流路３１を形成した後にドライ又はウエットエッチングを併用して内壁面３１ｃが滑らかになるように処理しても良い。このように流路３１の内壁面３１ｃを平滑な面とすることでガラスチップ２３の外側から流量検出部３０や流路３１を観察することが容易となる。

このガラスチップ２３は、センサチップ２２上に流路３１が流量検出部３０の上方かつ測温素子２７、ヒータ２６、測温素子２８の配列方向に沿って配置され、ヒータ２６、測温素子２７，２８の各リードパターン２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂの先端部が図１及び図３に示すようにガラスチップ２３の両側面から側方に延出されている。そして、センサチップ２２の上面にガラスチップ２３の下面が例えば低融点ガラス１２により接合されている。このようにしてフローセンサ２１が形成されている。

センサチップ２２の基板をシリコンとし、ガラスチップ２３を前述したパイレックス（登録商標）ガラスとした場合、シリコンの熱膨張係数は、２.３×１０^−６／℃、パイレックス（登録商標）ガラスの熱膨張係数は、３.２×１０^−６／℃で近似しており、これらの接合部の熱応力に起因する歪みが少なく、流量検出部３０の検出精度が安定する。

以下に上記構成のフローセンサ２１の作用を説明する。ガラスチップ２３の流路３１に測温素子２７側から測温素子２８側に図２の矢印で示すように例えばガス等の流体を流し、流量検出部３０のヒータ２６に通電する。ヒータ２６は、ヒータ制御回路によりシリコン基板２４に設けられた図示しない周囲温度センサで測定された流体温度よりもある一定温度高く加熱され、流量検出部３０及び流路３１を流れるガスを加熱する。流れがないときは、ヒータ２６の上流側／下流側に均一な温度分布が形成されており、上流側の測温素子２７と下流側の測温素子２８は、略等しい温度に対応する抵抗値を示す。一方、流れがあるときは、ヒータ２６の上流側／下流側の均一な温度分布がくずれ、上流側の温度が低くなり、下流側の温度が高くなる。そして、ここでは詳細には説明しないが上流側の測温素子２７と下流側の測温素子２８により構成されるホイーストンブリッジ回路により上流側の測温素子２７と下流側の測温素子２８の抵抗値差つまり温度差を検出し、流路３１内を流れるガスの流量を測定する。

フローセンサ２１は、流路３１のガスの流れる方向と直交する方向の断面形状がヒータ２６によって形成される熱温度分布の形状に沿って形成されていることで、流路断面積を減らしつつヒータ２６からの熱が内壁面３１ｃに奪われることを最小限に抑えられる。即ち、フローセンサ２１は、ヒータ２６からの内壁面３１ｃの熱損失による流量検出部３０の感度低下を防ぎつつ流路３１内を流れるガスの流速を大きくすることができ、微少流量域の流体の測定が可能となる。

また、フローセンサ２１は、ガラスチップ２３が透明なガラスにより形成され、かつ流路３１の内壁面３１ｃが平滑な面とされていることで、ガラスチップ２３の外側から流量検出部３０の観察が容易となり、例えば１００μｍ程度の微小な塵埃等がガスに混じって流路３１内に浸入して流量検出部３０に付着した場合でも外部から直接観察することが可能となる。これにより、フローセンサ２１の異常を迅速に検知することが可能となる。

続いて上述した実施形態の変形例について説明する。図４は、本発明に係るフローセンサの第１の変形例を示し、フローセンサ４１は、ガラスチップ２３の流路３２の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を、両上側隅部３２ｄを例えば中心角が略９０°をなす円弧としてヒータ２６によって形成される熱温度分布の形状に略沿うように形成し、内壁面３２ｃの上面３２ｅを流体の流れる方向に沿って全長に亘り当該ガラスチップ２３の外側上面２３ｃと平行な平面としたものである。なお、流路３２の上面３２ｅは、少なくともヒータ２６に対応する幅が平らに形成されていれば良い。これにより、流量検出部３０の観察がしやすくなる。

因みに、流路３２のサイズは、下部の幅が０.８ｍｍ、高さが０.３ｍｍ、上側側隅部３２ｄの円弧の半径が０.２ｍｍ、上面３２ｅの幅が０.４ｍｍとされている。

図５は、本発明に係るフローセンサの第２の変形例を示し、フローセンサ４２は、図４に示すフローセンサ４１のガラスチップ２３の外側上面２３ｃに流量検出部３０の上方位置（真上位置）に当該流量検出部３０よりも大径の凸レンズ３３を一体に形成したものである。

これにより、流量検出部３０を拡大して観察することが可能となり、流路３２内に入り込んで流量検出部３０に付着した微小な塵埃等を目視により検査することが可能となる。

なお、凸レンズは、２点鎖線で示すように流路３２よりも幅広で長手方向に沿うシリンドリカルレンズ３４としても良い。このようなシリンドリカルレンズ３４とすることで、流路３２の内部を全長に亘り拡大して観察することが可能となる。

図６及び図７は、本発明に係るフローセンサの第３の変形例を示し、フローセンサ４３は、ガラスチップ２３の流路３５の両端部３５ａ，３５ｂを当該ガラスチップ２３の外側上面２３ｃに円形状に開口させて形成したものである。これにより、フローセンサ４３を半導体製造装置等のガス通路に装着する場合流路３５の両端部３５ａ，３５ｂを前記ガス通路にＯリングを介して気密かつ容易に接続することが可能となる。

なお、上記実施形態においては、１つのヒータ（発熱体）２６と、このヒータ２６の両側に配置した２つの測温素子２７，２８とにより傍熱型の流量検出部３０を構成した場合について記述したが、これに限るものではなく、発熱体兼測温素子が１つ、即ち１つのヒータで自己発熱型の流量検出部を構成しても良く、或いは、発熱体兼測温素子が２つ、即ち２つのヒータで自己発熱型の流量検出部を構成しても良い。

また、上記実施形態においてはセンサチップ２２の基板としてシリコンを使用したが、これに限るものではなく、セラミックスや金属を使用しても良い。

更に流量検出部３０の構造は、上記実施形態のように絶縁膜２５がシリコン基板２４の凹部２４ｂを覆うようなダイヤフラム構造でもよく、或いは絶縁膜２５がシリコン基板２４の凹部２４ｂの少なくとも一部を覆うようなブリッジ構造でも良い。

本発明の一実施形態に係るフローセンサの平面図である。 図１に示したフローセンサの矢線II-IIに沿う断面図である。 図１に示したフローセンサの矢線III-IIIに沿う断面図である。 本発明に係るフローセンサの第１の変形例を示し、流体の流れる方向と直交する方向の断面図である。 本発明に係るフローセンサの第２の変形例を示し、流体の流れる方向と直交する方向の断面図である。 本発明に係るフローセンサの第３の変形例を示す平面図である。 図６に示したフローセンサの矢線VII-VIIに沿う断面図である。 従来の流量測定装置の一例を示す断面図である。 図８に示した流量測定装置の矢線IX-IXに沿う断面図である。

符号の説明

１ 流量測定装置
２ センサチップ
３ ガラスチップ（流路形成部材）
４ シリコン基板
４ａ 上面
４ｂ 凹部
５ 絶縁膜
６ ヒータ（発熱素子）
７，８ 測温素子
９ 絶縁膜
９ａ 電極パッド
１０ 流量検出部
１１ 流路
１１ａ 隅部
１１ｂ 上壁面
１２ 低融点ガラス
２１ フローセンサ
２２ センサチップ
２３ ガラスチップ（流路形成部材）
２３ａ，２３ｂ 端面
２３ｃ 外側上面
２４ シリコン基板
２４ａ 上面
２４ｂ 凹部
２５ 絶縁膜
２６ ヒータ（発熱素子）
２６ａ，２６ｂ リードパターン
２７ 測温素子
２７ａ，２７ｂ リードパターン
２８ 測温素子
２８ａ，２８ｂ リードパターン
２９ 絶縁膜
２９ａ 電極パッド
３０ 流量検出部
３１ 流路
３１ａ，３１ｂ 端部
３１ｃ 内壁面
３２ 流路
３２ｃ 内壁面
３２ｄ 上側隅部
３２ｅ 上面
３３ 凸レンズ
３４ シリンドリカルレンズ
３５ 流路
３５ａ，３５ｂ 端部
４１，４２，４３ フローセンサ

Claims (5)

1. 基板の上面に形成された凹部の少なくとも一部を覆うように被覆された絶縁膜に発熱素子と測温素子からなる流量検出部が形成されたセンサチップと、該センサチップ上に設けられ前記流量検出部を流れる流体の流路が形成された流路形成部材とを備えたフローセンサであって、
   前記発熱素子は、前記流路において流体の流れの方向と直交する方向に形成され、
   前記流路の流体の流れる方向と直交する方向の断面形状を、前記発熱素子により形成される熱温度分布の形状に沿わせる形状に形成したことを特徴とするフローセンサ。
2. 前記流路の断面形状は、前記流体の流れ方向から見て、前記流量検出部の形成された部分において当該流量検出部の形成部である流路底部が直線状をなし、前記流路底部の両端から立ち上がって形成される流路内周面部においては、前記流量検出部に対向する流路上部の湾曲度合いが、前記流路底部と前記流路上部との間に形成される流路両側側壁部のそれぞれの湾曲度合いよりも小さい略アーチ形に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
3. 前記流路形成部材は透明部材で形成されており、前記流路の断面形状は、少なくとも前記流路上部が湾曲して形成される代わりに直線状に形成されると共に、前記流路側壁部が湾曲して形成される代わりに、前記流体の流れ方向から見て、前記流路上部の両端部に連なった隅部が湾曲して形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のフローセンサ。
4. 前記流路形成部材は透明部材で形成されており、前記流路の上方の外側面が凸レンズ状に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載のフローセンサ。
5. 前記基板はシリコンで形成され、前記流路形成部材はガラスで形成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れかに記載のフローセンサ。

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