JPH01213523A - マイクロバルブ・マスフローコントローラ - 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】 ［技術分野］ この発明は、半導体プロセス等で使用される微量ガス検
知・制御に有用なマイクロバルブ・マスフローコントロ
ーラに関するものである。特にこの発明は、ＭＯＣＶＤ
やＭＯＭＢＥ　（有機金属分子線エピタキシャル成長）
などのプロセスにおいて５．ｔｉｉｉ微量ガスを導入し
結晶成長を精密に制御する場合に有用な極微量ガスコン
トローラに関するものである。

［背景技術］ 近年、ＬＳＩや半導体レーザの高性能化に伴って、ＭＯ
ＣＶＤやＭＯＭＢＥなどの極薄膜成長技術が重要となっ
てきている。たとえば、超格子デバイスやＨＥＭＴ　（
高移動境トランジスタ）、ＨＥＴ（ホットエレクトロン
トランジスタ）、位相整合半導体レーザなどにおいては
、多層のＧａＡｓ層とＡｊＧａＡｓ層を数Ａの精度で膜
厚を制御する必要がある。このような膜厚制御において
は、反応ガスの流量にその精度が大きく依存することか
ら微量ガスの精密コントロールが必要となっている。

従来より、いくつかの方式のコントローラが知られてい
るが、たとえば従来のニードルバルブと圧力センサを用
いたマスフローコントローラは機構部分と配管系が大き
いことや、機械的な接触による流量制御であることから
、せいぜい数十ｃｃ重量のガス制御にとどまり、このレ
ベルがコントロールの限界であった。さらに、反応装置
とマスフローコントローラを位置的に離れて取付けなけ
ればならないことから、配管系が長くなり、残留するガ
スのために微量制御が困難になるという問題がある。

［発明の目的］ この発明は、以上の通りの問題点に鑑みてなされたもの
であり、高感度で高速応答であるフローセンサを内蔵し
、微少な変位を与えるアクチュエータを配設することに
より、超小型でかつ極微量なガスの制御を可能とするマ
スフローコントローラを提供することを目的としている
。

［発明の開示］ この発明は、上記の目的を実現するために、ガスの導入
口と導出口とを有するガラスまたはシリコン基板と、ガ
ス流路、メサおよびダイアフラムとを有するシリコン基
板を接合して完全気密構造を形成し、ガスの導入口ある
いは導出口の下部にメサとダイアフラムとからなる弁を
配し、かつ；ダイアフラムの下部にダイアフラムを変形
させるアクチュエータを配設して、マイクロバルブとな
し、ガス流路中にマイクロヒータを配して流量によるヒ
ータ電流の変化をもとに流量を検知するサーマル型フロ
ーセンサとしてなることを特徴とするマイクロバルブ・
マスフローコントローラを提供する。

以下添付した図面に沿ってこの発明について詳細に説明
する。

第１図は、この発明のマイクロバルブ・マスフローコン
トローラの構造を例示したものである。

第１図（ａ）は平面図を、第１図（ｂ）はＡ−Ａ’面の
断面図を示している。

この例においては、パイレックスガラス基板（１）にガ
ス導入日（２）とガス導出口（３）を設け、シリコン基
板（４）にはマイクロマシニング技術によってガス流路
（５）、メサ（６）とダイアフラム（７）を設け、この
ガラス基板（１）とシリコン基板（４）とを完全気密構
造となるように接合している。ガス導出口（３）の下部
のメサ（６）とダイアフラム（７）とは弁を構成する。

ダイアフラム（７）の下部に配設したピエゾアクチュエ
ータ（８）によってダイアフラム（７）を押し上げ、メ
サ（６）とガラス基板（１）とを接触させてガス流量を
制御し、かつガス流路（５）中に配設したサーマル型の
フローセンサ（９）により流量を検知する。第１図は、
ピエゾアクチュエータ（８）に電圧を加えない状態では
ガスが流れるノーマリオープン型を例示しているが、ノ
ーマリクローズ型の構造とすることもできる。

この発明に用いることのできる上記のマイクロマシニン
グ技術は、結晶軸やドーピング量の違いによってエツチ
ング速度が異なることを利用するものであり、ＥＰＷ（
エチレンジアミン−ピロカテコール−水）やＫ　ＯＨ液
をエッチャントとすることによって（１１１）面に比戟
して（１００）面を効率よくエツチングするものである
。また、ボロンなどをドーピングして形成したＰ″−層
はエツチングされないことから、Ｐ＋層を形成させるこ
とにより所望の厚さのダイアフラムを形成することがで
きる。

この例において用いるサーマル型のフローセンサ（９）
は、ガス流路（５）に設けたマイクロヒータ（１０）と
外部に取付けられたオペアンプからなる信号処理回路と
から構成している。ガス流路（５）中に設けたマイクロ
ヒータ（１０）のガスの流量に従って変化する温度を、
これを一定に保つために供給するヒータ電流を検知し、
これによりガスの流量を測定する。

第２図は、この例に用いているマイクロヒータ（１０）
部の詳細な構造を例示したものである。

この平面図（ａ）と、断面図（ｂ）とから明らかなよう
に、マイクロヒータ（１０）としてＮｉ線を用い、ヒー
タの温度を高くするためにこれを折れ曲っな構造として
いる。マイクロヒータ（１０）のＮｉ線は、たとえば、
長さ２５０μｍ、幅２０μｍｎ、厚さ０．４μｍとｖａ
細に形成していることから熱容量および熱時定数が極め
て小さく、高感度、高速応答のフローセンサが実現でき
る。＃ＪちるんＮｉに限られずに他の金属線としてもよ
い、また、マイクロヒータ（１０）はＳ　ｉ　Ｏ２膜で
被覆して、熱絶縁が良好であり、かつ直接ガスにさらさ
れることのない状態とすることができ、各種のガスに適
用することができるという特徴を持っている。

リード１（１１）は、パイレックスのガラス基板（１）
にあけた穴を通して、たとえば導電性エポキシ樹脂等の
導電性接着剤（１２）により固定し、外部と接続する構
造としていることから、気密性を充分に保つことができ
る。

なお以上の例においては信号処理回路を外付けとした構
造としているが、信号処理回路をシリコン基板（４）上
に集積化することもできる。

第３図は、マイクロマシニング技術を用いたシリコン基
板の加工プロセスとマイクロヒータの製造プロセスを示
した図である。

プロセスの工程に沿って説明する。

（ａ）　　厚さ４００μｍのｎ　ｔｙｐｅ　（１００）
　Ｓ　ｌ基板を２０８２０＋＋ｍ２にスクライブし洗浄
したのちＷｅｔ酸化する。その後フォトリングラフィに
よりＳｉエッチ用のマスクパターンを形成する。

（ｂ）　５１０２膜をマスクとし３５ｗｔ％Ｋ　ＯＨ液
（８０℃）でＳｉをエツチングする。

（ｃ）　　Ｎｉによるし−タ線や配線の下地となる５ｉ
０２ＷＡをＣＶＤにより２μｍ堆積する。

基板裏面には２５０ＯＡのＣＶＤ５ｉＯｚ膜を堆積する
。

（ｄ）　　電子ビーム蒸着によりＮｉを４００ＯＡ堆積
する。その後フォトリソグラフィによりヒータ線と配線
のパターンを形成する。エツチングにはＦｅＣｊ　　：
ＨＯ＝１：１５液を使用した。

（ｅ）　　Ｎｉによるし−タ線や配線のパターンを保護
するためにプラズマＣＶＤにより５ｉ０２膜を２μＩｎ
堆積し、その後フォトリソグラフィにより５ｌｙ２ＩＩ
Ｉをエツチングする。

（ｆ）　　Ｓｉをエツチングしてバルブおよびガス流通
溝を形成するため、そのマスクとなる３０００Ａの５Ｘ
０２ＷＡをプラズマＣｖＤで堆積しフォトエツチングす
る。その後ヒドラジンによってＳｌを約３１０μｍエツ
チングし、バルブおよびガス流通溝を形成する。

ここではしドラジンが異方性エツチング液であるという
性質によってヒータ線下部のＳｉがエツチングされるよ
うにヒータブリッジの構造を設計しである。

以上の工程により製造されたメサ（６）とダイアフラム
（７）、マイクロヒータ（１０）を有するシリコン基板
（４）は、ガス導入口（２）とガス導出口（３）を有す
るバイレックスのガラス基板（１）と気密構造となるよ
うに接合させる。

この気密接合方法としては、従来公知の手法を利用する
ことができるが、好適には陽極接合法を用いることがで
きる。

ガラス基板（１）とシリコン基板（４）とを位置合わせ
した後、加熱しながらガラス基板（１）１■がマイナス
となるように一定の電圧を加えて陽極接合を行う、加熱
温度、印加電圧は、たとえば２００〜６００℃、３００
〜１００ＯＶ程度の範囲とすることかできるが、３５０
〜４００℃、５００Ｖ程度とすることが好ましい。

またこの発明には、種々なアクチュエータか使用可能で
あるが、第１図に示したように、ピエゾアクチュエータ
（８）とするのが好ましい。このピエゾアクチュエータ
（８）は、たとえば、断面が、１．４　ｘ３　ｍｅ２、
長さが９間のものであり、最大直流電圧印加１５０Ｖに
よって約８μｍ変位するものとすることができる。それ
ゆえ、この例では、メサ（６）による弁とパイレックス
のガラス基板（１）との間隔を６μｍとなるように設計
している。

第４図は、この発明によって得られた流量コントロール
の結果を例示している。数ＣＧ１１以下の極ｔｉｎのガ
スを制御できるマイクロバルブ・マスフローコントロー
ラを実現している。また、この発明のマイクロバルブ・
マスフローコントローラは１０〜２０ｉｓという高速応
答性を有することも確認している。

第５図は、他の実施例を示した図であり、ノーマリクロ
ーズ型とした例である。第５図（ａ＞は平面図であり、
第５図（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面図であり、第５図（ｃ
）は基本動作を説明した図でる。

接合した２枚の基板（１３）（１４）にメサ（１５）を
形成して、ガスの流れを遮断することから、この２枚の
基板（１３）（１４）としてシリコン基板を用いている
。基本的な構造は第１図に示した例と同様であるが、前
述したように２つのメサ（１５）の接触によって形成さ
れるガスケットを利用して弁としており、かつガス導出
口（１６）の下部にＶ清（１７）を形成し、第５図（Ｃ
）に示したアクチュエータ（１８）でダイアフラム（１
９）を押し上げることによりＢのガスケット部が開き、
ガスが流入するようになっている。

この例では、シリコン−シリコン基板間の気密接合には
、ガスの導入口（２０）および導出口（１６）を有する
シリコン基板の接合表面にあらかじめ低融点ガラス（２
１）をＲＦスパヅタで成膜した後、陽極接合法を施す方
法をとっている。

［発明の効果］ 以上のように、この発明は、マイクロマシニング技術に
より作製されたマイクロバルブを用い、かつマイクロヒ
ータを用いたサーマル型のフローセンサを用いることに
より、高感度、高速応答で、かつ、微量ガスを制御する
ことのできる超小型マイクロバルブ・マスフローコント
ローラを実現す

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は、この発明の一例を示した平面図
と断面図である。第２図（ａ）（ｂ）は、この例のマイ
クロヒータ部について示した拡大平面図と断面図である
。 第３図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、この
例の製造プロセスの一部を順次示した断面図である。 第４図は、印加電圧との相関を示した流量図である。 第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、さらに他の例を示した平
面図と断面図である。 １・・・ガラス基板 ２・・・ガス導入口 ３・・・ガス導出口 ４・・・シリコン基板 ５・・・ガス流路 ６・・・メサ ７・・・ダイアフラム ８・・・ピエゾアクチュエータ ９・・・フローセンサ １０・・・マイクロヒータ １１・・・リード線 １２・・・導電性接着剤 １３．１４・・・基板 １５・・・メサ １６・・・ガス導入口 １７・・・Ｖ涌 １８・・・アクチュエータ １９・・・ダイアフラム ２０・・・ガス導入口 ２１・・・低融点ガラス 代理人　弁理士　　西　　渾　　利　夫第１図 （ａ） 第　　２　　図 （ａ） 第　　３　　区

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスの導入口と導出口とを有するガラスまたはシ
   リコン基板と、ガス流路と、メサおよびダイアフラムと
   を有するシリコン基板を接合して完全気密構造を形成し
   、ガスの導入口あるいは導出口の下部にメサとダイアフ
   ラムとからなる弁を配し、かつ、ダイアフラムの下部に
   ダイアフラムを変形させるアクチュエータを配設してマ
   イクロバルブとなし、ガス流路中にマイクロヒータを配
   設して流量によるヒータ電流の変化をもとに流量を検知
   するサーマル型フローセンサとしてなることを特徴とす
   るマイクロバルブ・マスフローコントローラ。
2. （２）ピエゾアクチュエータを用いる請求項第（１）項
   記載のマイクロバルブ・マスフローコントローラ。
3. （３）ガスの導入口または導出口の下部に接触するシリ
   コン基板部に形成した溝部とガス流路部に上下の基板の
   局所的接触により形成したガスケットと、ダイアフラム
   とにより、ガス開閉弁を形成し、アクチュエータに電圧
   を加えない状態ではガスが完全に遮断され、電圧を加え
   ることによつて初めてガスが流れるノーマリクローズ型
   としたことを特徴とする請求項第（１）項記載のマイク
   ロバルブ・マスフローコントローラ。
4. （４）ガラス基板とシリコン基板との接合を陽極接合法
   により行う請求項第（１）項記載のマイクロバルブ・マ
   スフローコントローラの製造法。
5. （５）シリコン基板とシリコン基板との接合を、ガス導
   入出口を有するシリコン基板の接合表面に低融点ガラス
   を成膜せしめ、次いで陽極接合することにより行う請求
   項第（１）項記載のマイクロバルブ・マスフローコント
   ローラの製造法。
6. （６）マイクロヒータの下層にＳｉＯ＿２層を配設して
   熱絶縁した請求項第（１）項記載のマイクロバルブ・マ
   スフローコントローラの製造法。