JPH0415377A

JPH0415377A - 静電駆動型マイクロバルブ

Info

Publication number: JPH0415377A
Application number: JP11428090A
Authority: JP
Inventors: Masaki Esashi; 正喜江刺; Masaru Kawabata; 賢川畑; Susumu Sugiyama; 進杉山
Original assignee: Research Development Corp of Japan; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1990-04-30
Publication date: 1992-01-20

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】［産業上の利用分野］本発明は静電駆動型マイクロバルブ、特にガスの高速制
御が可能な静電駆動型マイクロバルブに関する。

［従来の技術］半導体素子の微細化、高性能化に伴い、半導体プロセス
装置のガスバルブにおいても、超りリーン化、高速応答
化といったことが要求される。

従来一般的に使用されているガスバルブは、電磁バルブ
やエアーバルブ等のように機械加工によって作られてい
た。このため、ガス流路または全体形状の小型には限界
があり、デッドスペースとなる部分も多くなり、これが
クリーン化、高速応答化の大きな障害となっていた。ま
た、この種のガスバルブは、シール部材によってはベー
キングができず、超高真空用途に向かないという問題も
あった。

これを解決するため、シリコン基板を用いたマイクロバ
ルブの提案もなされており（江刺能、“集積化サーマル
マスフローコントローラ”信学技報、ＳＤＭ８７−７２
．１９８７）、第４図には、従来の高速制御可能なマイ
クロバルブの一例が示されている。

このマイクロバルブは、シリコン基板１０と、このシリ
コン基板１０の上部に接合されたパイレックスガラス２
０とを含む。前記シリコン基板１０には、流路１２．バ
ルブロッド１４．ダイヤフラム１６がエツチングによっ
て形成されている。

また、前記パイレックスガス２０は、陽極接合によりシ
リコン基板１０と気密接合されており、バルブロッド１
４に対応する箇所にアウトレット２２が、流路１２の一
部に対応する箇所にインレット２４が形成されている。

さらに、前記流路１２の中間には流量計１８が設けられ
ている。

また、シリコン基板１０の下部には、バルブロッド１４
と対応する箇所にピエゾアクチュエータ２６が支え２８
により取り付は固定されている。

次に、このマイクロバルブの動作を説明する。

まずピエゾアクチュエータ２６に電圧を印加しない状態
では、バルブロッド１４とアウトレット２２の間に隙間
が開いており、ガスか流れる。

ピエゾアクチュエータ２６に電圧を印加すると、ピエゾ
アクチュエータ２６は伸び、ダイヤフラム１６を上方に
変形させ、バルブロッド１４を突き上げる。これにより
、アウトレット２２は塞がり、ガスを止める。

このとき、バルブの実質的なデッドスペースはガス遮断
部以降である。このマイクロバルブにおいては、パイレ
ックスガラス２０に開けられたアウトレット２２の孔の
部分だけがデッドスペースとなり、その範囲か非常に小
さいため、高速応答が可能となる。

［発明か解決しようとする課題］このように、従来のマイクロバルブは、ガス遮断時にお
いては、ピエゾアクチュエータの駆動により締切刃を調
整することができ、しかも駆動速度もピエゾアクチュエ
ータの性能によって決まるという優れた特徴を有する。

しかし、逆にバルブを開ける場合は、ダイヤフラムの弾
性を利用しているため、バルブを外部から強制的に開放
することができない。このため、バルブの応答速度を十
分に高めることができず、しかもバルブのコンダクタン
スの低下という問題があった。

また、前記マイクロバルブは、ピエゾアクチュエータ２
６自体や、その支え２８に接着剤を用いいるため、ベー
キングができず、超高真空用途に用いることかできない
という問題もあった。

［発明の目的］本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、ガスの高速制御、高精度制御を可
能とし、しかもベーキング可能な構造とし、超高真空も
しくは超クリーン環境への使用に耐え得る静電駆動型マ
イクロバルブを提供することにある。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するため、本発明の静電駆動型マイクロ
バルブは、ガス流路の一部が裏面を通過するよう形成された第１の
シリコン基板と、前記第１のシリコン基板の表面側に接合され、第１のシ
リコン基板との間にガス流路を形成する第１のガラス基
板と、前記第１のシリコン基板の裏面側に、ガス流路を開閉す
るよう取り付けられた多結晶シリコンよりなるバルブシ
ートと、前記第１のシリコン基板の裏面側に設けられ、前記バル
ブシートを駆動するバルブロッドとこのバルブロッドを
支えるダイヤフラムとが基板の一部として形成された第
２のシリコン基板と、前記バルブロッドの表面および裏
面と隙間をあけて面対向するよう設置された第１のロッ
ド駆動電極および第２のロッド駆動電極と、を含み、第１のロッド駆動電極および第２のロッド駆動
電極とバルブロッドとの間に電圧を印加することにより
発生する静電引力で、バルブシトによるガス流路の開閉
制御を行うことを特徴とする。

このような構成のマイクロバルブを、微細に、しかも高
精度に形成するには以下の方法を用いればよい。すなわ
ち、ガス流路、バルブロッド、ダイヤフラムは、前記第
１．第２のシリコン基板を、例えばＫＯＨ溶液を用いた
シリコン結晶異方性エツチングすることによって高精度
に形成できる。

また、ガラス基板の加工、例えばガスインレット。

アウトレットを形成するためのガラス加工は、電界放電
加工によって高性能に行うことができる。

また、本発明のマイクロバルブは、前記第２のシリコン基板の裏面側に接合され、前記バル
ブロッドと隙間を介して面対向するよう前記第２のロッ
ド駆動電極が設けられた第２のガラス基板を含み、前記第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とが絶縁
層を介して接合され、前記第１のシリコン基板そのものを第１のロッド駆動電
極として用いることが好ましい。

また、本発明のマイクロバルブは、前記第１のシリコン基板と第１のガラス基板を陽極接合
すると共に、前記第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とを低温
陽極接合し、さらに前記第２のシリコン基板と第２のガラス基板とを
陽極接合することにより、ベーキング可能に形成するこ
とが好ましい。

また、本発明のマイクロバルブは、前記第２のシリコン基板のバルブロッド領域マたはダイ
ヤフラム領域に圧力調整孔を設けることが好ましい。

発明の原理次に本発明の詳細な説明する。

従来のように、ピエゾアクチュエータを用いたマイクロ
バルブでは、ピエゾアクチュエータとハルプロットとを
直接接触させながらバルブロッドを移動させ、ガス流路
の開閉を行う。従って、ガス流路の開操作と閉操作の双
方をピエゾアクチュエータを用いて行うためには、バル
ブロッドの両側にピエゾアクチュエータを配置するか、
バルブロッドにピエゾアクチュエータを固定しなくては
ならない。

しかし、ピエゾアクチュエータは、その駆動力を大きい
ものとするためには積層する必要があり、体積が大きく
なってしまう。従って、前者の方法ではマイクロバルブ
そのものを小型化できないという問題が生じる。また、
後者の方法では、バルブロッドとピエゾアクチュエータ
の固定に何等かの接着剤を用いる必要があり、この種の
バルブに要求されるミクロンオーダの隙間（バルブロッ
トとアウトレットとの隙間）の制御が難しいという問題
か生ずる。

これに対し、本発明は、マイクロバルブで利用される駆
動力として静電引力を用いたことを特徴とする。この静
電引力は、面に働く力であるため、駆動系を大型化する
ことなく比較的大きな力を得ることができる。

すなわち、円形のバルブロッドの駆動を静電引力Ｐで行
うことを考えた場合、バルブロッドの変位Ｗは次式で与
えられる。

たたし、Ｅはシリコンのヤング率１　ｈはダイヤフラム
の板厚、ａはダイヤフラムの外半径、ｈはダイヤフラム
の形状に依存する係数、Ｆはバルブの抗力（締切刃）で
ある。また静電力Ｐは印加電圧をＶとした時、次式で与
えられる。

たたし、ε。は真空の誘電率１　ｓは電極面積。

！は電極間距離である。

（１）式、（２）式よりＦは、Ｆ　輸・・・　（３）となる。ただし、！。は電圧を印加しない時の電極間距
離である。（３）式より、バルブロッドを駆動するのに
必要な印加電圧、またはバルブ耐圧を求めることができ
る。

前記第（２）、（３）式からも明らかなように、電極面
積Ｓを大きく形成することにより、比較的大きな静電引
力Ｐを発生させることができる。

本発明のマイクロバルブは、この点に着目し、バルブロ
ッドの表面および裏面と隙間を開けて面対向するよう第
１のロッド駆動電極および第２のロッド駆動電極を設置
し、平面的な構成で大きな静電引力を発生できるよう形
成している。これにより、小型で、しかも高速制御、高
精度制御が可能なマイクロバルブを実現することができ
る。

さらに、本発明では、マイクロバルブを、シリコン基板
、ガラス基板１多結晶シリコン等を用いて形成している
ため、従来のような特別な組立技術が不要となり、ＩＣ
製造技術で精度よく形成することが可能となる。

特に、本発明ではマイクロバルブ自体をＩＣ技術で形成
でき、従来のように接着剤等を用いることがないため、
駆動系のベーキングを行っても同等問題か発生せず、超
高真空もしくは超クリーン環境で使用に耐え得るマイク
ロバルブ’ｔ−１４るコトができる。

［作　用コ本発明は以上の構成からなり、次にその作用を説明する
。

本発明のマイクロバルブでは、外部からの電圧印加によ
りバルブの開閉を行うことができる。

すなわち、本発明では、第１のロッド駆動電極とバルブ
ロッドとが隙間を介しコンデンサを形成すると共に、第
２のロッド駆動電極とバルブロッドとが隙間を介しコン
デンサを形成している。従って、第１のロッド駆動電極
とバルブロッドとの間に電圧を印加することにより、両
者の間には前記（２）式で示す静電引力Ｐが発生し、ガ
ス流路を閉じるようバルブシートを駆動する。

また、これとは逆にバルブロッドと第２のロッド駆動電
極との間に電圧を印加することにより、両者の間に前記
（２）式で示す静電引力を発生させ、ガス流路が開放さ
れるようバルブシートを駆動する。

このように、バルブの開操作と、閉操作の双方を静電引
力を利用して行うため、ガスの高速制御。

高精度制御が可能となる。

さらに、バルブの開閉に静電引力を利用する構成とする
ことにより、バルブ全体を平面的に小型化でき、例えば
半導体プロセス装置においてチャンバー直付か可能とな
る。

また、本発明のマイクロバルブは、基本的にはシリコン
基板とガラス基板等を用いて形成されるため、ＩＣ等の
製造技術を用いて形成することができる。従って、ミク
ロオーダの電極間距離を極めて高精度に実現するためこ
とができるため、比較的低い電圧で駆動が可能であり、
放電等の心配がない。さらに、ガス流路、インレット、
アウトレットも微細に形成できるため、デッドスペース
を最小限に押えることができる。特に、アウトレット部
のデッドスペースは、ガスの高速切換えに大きな悪影響
を及ぼすが、本発明ではこのアウトレット部を構造的に
小さく形成できるため、問題がない。

さらに、本発明のマイクロバルブは、ＩＣ製造技術等を
用いて基本的にバッチ処理で製造が可能であるため、素
子間のばらつきが小さいく品質の揃った静電駆動型マイ
クロバルブを量産性良く製造することができる。

さらに、本発明のマイクロバルブは、全体の組立、シー
リング等に熱的に安定な方法、例えば陽極接合笠を用い
ることができるため、ベーキング、特にそのアクチュエ
ータ部分のベーキングが可能となる。

ところで、前記バルブロッドの表面側および裏面側に形
成された隙間かそれぞれ気密封止されていると、バルブ
ロッドの移動により両者の間に圧力変動が生じ、不要な
力が発生する。このため、本発明は、第２のシリコン基
板のバルブロフト領域またはダイヤフラム領域に圧力調
整用の貫通孔を設けることが好ましい。これにより、バ
ルブロッドの表面および裏面側に形成された隙間には差
圧が生ぜず、しかも貫通孔の個数、大きさを調整するこ
とにより、バルブロッドのダンピングファクタを変更で
きる。また、前記各隙間内に気圧を封止することによっ
て、バルブロッドの高速応答を実現することかできる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、バルブの開閉を
全て静電引力を利用して行うため、ガスの高速制御、高
精度制御が可能となり、しかも全体を平面的に小型化す
ることができる静電駆動型マイクロバルブを得ることが
できるという効果がある。

また、本発明は、第１のシリコン基板と第１のガラス基
板を陽極接合すると共に、前記第１のシリコン基板と第
２のシリコン基板とを低温陽極接合し、さらに前記第２
のシリコン基板と第２のガラス基板とを陽極接合する構
成とすることにより、バルブ全体の組立、シーリングを
熱的に安定な方法を用いて行なうこととができ、ベーキ
ング、特に駆動部分のベーキングが可能な静電駆動型マ
イクロバルブを得ることができる。

さらに、本発明は、バルブロッドの表面側に形成された
隙間と、裏面側に形成された隙間との間に、定常状態で
差圧が生じないよう貫通孔を設ける構成とし、この貫通
孔の個数、大きさを調整することにより、バルブロッド
のダンピングファクタを調整でき、さらにバルブロッド
の高速動作が可能となる。

［実施例］次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１実施例第１図には、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブ
の好適な第１実施例が示されている。実施例のマイクロ
バルブは、ガス流路３２が形成された第１のシリコン基
板３０と、前記ガス流路３２のインレット４２および２
つのアウトレット４４Ａ、４４Ｂが形成された第１のガ
ラス基板４０とが陽極接合により気密接合されている。

前記ガス流路３２は、第１のシリコン基板３０の表面側
から裏面側を通り、さらに裏面側から表面側に戻るよう
に形成されており、実施例ではシリコン基板３０を、Ｋ
ＯＨ溶液によるシリコン結晶異方性エツチングすること
によって高い精度で形成される。また、前記インレット
４２．アウトレット４４Ａ、４４Ｂは、電界放電加工を
用いて精度良く形成される。

また、前記第１のシリコン基板３０の裏面側には、ガス
流路３２を開閉するバルブシート５０が取付けられてい
る。このバルブシート５０は、多結晶シリコンから形成
され、その周辺部かシリコン基板３０の裏面側に気密に
固定され、シートの中央部が上下することによってアウ
トレット４４Ａを開閉するよう構成されている。

また、この第１のシリコン基板３０の裏面側には、第２
のシリコン基板６０が接合されている。

実施例では低融点ガラス６２を用いて低温陽極接合によ
り第２のシリコン基板６０の周囲が第１のシリコン基板
３０の裏面側に接合されている。この第２のシリコン基
板６０は、バルブシート５０を駆動するバルブロッド６
４と、このバルブロッド６４の周囲を支えるダイヤフラ
ム６６とが工・ソチングにより形成された可動構造とな
っている。

そして、バルブロッド６４の中央にバルブシート５０が
接合され、バルブロッド６４の上下動に応じ、バルブシ
ート５０がアウトレット４４Ａを開閉するよう動作する
。

また、第２のシリコン基板６０の裏面側には、第２のガ
ラス基板７０が陽極接合されている。この第２のガラス
基板７０上には、前記バルブロッド６４と隙間１００Ａ
を介して面対向するよう第２のロッド駆動電極７２が、
例えばＡＩ等によりプレート状に形成されている。これ
により、この第２のロッド駆動電極７２と、バルブロッ
ト６４は、隙間１００Ａを介しコンデンサを形成するこ
とになる。

また、前記第１のシリコン基板３０と第２のシリコン基
板６０とは低融点ガラス６２により電気的に絶縁されて
いるため、両者の間には隙間１００Ｂを介しコンデンサ
が形成されることになる。

そして、前記第１のシリコン基板３０．第２のシリコン
基板６０．第２のロッド駆動電極７２には、スルーホー
ル７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃを介し外部と電気的に接続さ
れる端子７６Ａ、７６Ｂ。

７６Ｃが接続されている。これにより、前記第１ノシリ
コン基板３０は、バルブロッド６４と隙間１００Ｂを介
して面対向する第１のロッド駆動電極として機能するこ
とになる。

従って、前記各端子７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを介し電圧
を選択的に印加することにより、上下方向へ向けた静電
引力をバルブロッド６４に対し任意に作用させ、アウト
レット４４Ａの開閉制御を行うことができる。

すなわち、バルブロッド６４と第１のシリコン基板３０
との間に電圧を印加することより、両者の間に前記（２
）式で示す静電引力を発生させ、バルブロッド６４をバ
ルブシート５０と共に上方に移動させ、アウトレット４
４を遮断することができる。

また、バルブロッド６４と、第２のロッド駆動電極７２
との間に電圧を印加することで、バルブロッド６０をバ
ルブシート５０と共に下方に移動させ、アウトレット４
４Ａを開放することができる。

このように、本発明によればバルブシート５０の開操作
および閉操作の双方を静電引力を利用して行うため、ガ
スの高速制御、高精度制御が可能となる。

さらに、本発明によれば、バルブ全体を全面的に小型化
できるため、例えばチャンバー等への直付けが可能とな
ることも理解されよう。

さらに、本実施例によれば、第１のシリコン基板３０と
第１のガラス基板４０とを陽極接合し、第２のシリコン
基板６０と第２のガラス基板７０とを同様に陽極接合し
、しかも第１のシリコン基板３０と第２のシリコン基板
６０とを低融点ガラス６２を用いた低温陽極接合してい
る。このように、本発明のマイクロバルブは、バルブ全
体の組立、シーリング等に熱的に安定な方法を用いてい
るため、ベーキングが可能となり、特にそのアクチュエ
ータ部分のベーキングが可能となるため、超りリーン環
境、超高真空用途での使用が可能となることか理解され
よう。

第２図は、ハルプロット６４と第１のシリコン基板３０
との間に印加する電圧と、バルブシート５０によるガス
流路３２の遮断耐圧との関係を示す実測データである。

実施例のマイクロバルブでは、印加電圧を８ｖにするこ
とによってバルブシト５０はガス流路３２を遮断し、そ
れ以上の電圧を印加することにより、遮断耐圧が増して
いく。

このことからも、アクチュエータ部分を平面的に形成し
た場合でも、比較的大きなバルブシート５０の開閉操作
用駆動力を得られることが理解されよう。

第２実施例第３図には、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブ
の好適な第２実施例が示されている。

前記第１実施例にかかる静電駆動型マイクロバルブでは
、隙間１００Ｂが気密封止されているため、バルブロッ
ド６４か移動することとによって圧力変動が生じ、不要
な力か発生するため、これら高速応答の妨げとなる。ま
た、隙間１００Ａは、外部に通じており、外界の湿度等
によるバルブ動作への影響か問題となる。

本実施例の特徴は、このような問題を解決するため、第
２のシリコン基板６０のバルブロッド領域またはダイヤ
フラム領域のいずれかに圧力調整用の貫通孔を設け、隙
間１００Ａ、１００Ｂ間に定常状態で差圧が生しないよ
うな構成としたことにある。本実施例では、バルブロッ
ド６４に貫通孔８０が形成されている。

さらに、本実施例では、スルーホール７４Ｃを、例えば
シリコンよりなるキャップ８２て封止し、第２のロッド
駆動電極７２からのフィードスルを気密を破らず可能と
した。

以上の構成とすることにより、本実施例によれば貫通孔
８０の個数、大きさを調整することにより、バルブロッ
ド６４のダンピングファクタを変更でき、しかも前述し
たように内部に気体を封止することによってバルブロッ
ド６４の高速応答を実現することが可能となる。実験に
よれば、バルブ６４のチャタリングが十分抑制されてい
ることが確認された。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブの
好適な第１実施例の断面説明図、第２図は、前記第１実
施例におけるガス遮断特性図、第３図は、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブの
好適な第２実施例の断面説明図、第４図は、従来のマイ
クロバルブの断面説明図である。３０・・・第１のシリコン基板、３２・・・ガス流路、
４０・・・第１のガラス基板、４２・・・インレット、
４４Ａ、４４Ｂ・・・アウトレット、５０・・・バルブシート、６０・・・第２のシリコン基板、６２・・・低融点ガラス、６４・・バルブロッド、６６
・・・ダイヤフラム、７０・・・第２のガラス基板、７
２・・・第２のロッド駆動電極、８０・・・貫通孔、８
２・・・キャップ、１００Ａ、１００Ｂ・・・隙間。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ガス流路の一部が裏面を通過するよう形成された
第１のシリコン基板と、前記第１のシリコン基板の表面側に接合され、第１のシ
リコン基板との間にガス流路を形成する第１のガラス基
板と、前記第１のシリコン基板の裏面側に、ガス流路を開閉す
るよう取り付けられた多結晶シリコンよりなるバルブシ
ートと、前記第１のシリコン基板の裏面側に設けられ、前記バル
ブシートを駆動するバルブロッドとこのバルブロッドを
支えるダイヤフラムとが基板の一部として形成された第
２のシリコン基板と、前記バルブロッドの表面および裏
面と隙間をあけて面対向するよう設置された第１のロッ
ド駆動電極および第２のロッド駆動電極と、を含み、第１のロッド駆動電極および第２のロッド駆動
電極とバルブロッドとの間に電圧を印加することにより
発生する静電引力で、バルブシートによるガス流路の開
閉制御を行うことを特徴とする静電駆動型マイクロバル
ブ。