JP4997039B2 - 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適した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被測定流体の流量を検出するフローセンサ（流量測定装置）として流体に熱を加え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微少な流量を測定する熱式のフローセンサがある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

図４は、従来の熱式フローセンサの一例を示し、熱式のフローセンサ１は、シリコン基板２上に流量検出部３が形成されたセンサチップ４と、流量検出部（センサ部）３を収容すると共に当該流量検出部３を流れる流体の流路（溝）５ａが形成された透明な流路形成部材としてのガラスチップ５とを接合して形成されている。そして、ガラスチップ５の流路５ａは、サンドブラスト等により形成されている。

フローセンサ１の製造後の検査工程において、流量検出部３及び流路内に異常が無いかを視覚的に確認でき、更に、使用後に被測定流体に混じって微小な塵埃等が流路５ａに侵入していないか、または流路検出部３に不具合を与えていないか等を確認できる。
特開２００２−１６８６６９号公報（５−６頁、図１） 特開２００４−３２５３３５号公報（６−７頁、図８） 特開２００７−０７１６８７号公報（２−３頁、図７）

しかしながら、ガラスチップ５の流路５ａをサンドブラストにより形成する方法では、図４及び図５に示すようにセンサチップ４の上面４ａからガラスチップ５の流路５ａの内側上面５ｂまでの高さ（以下「センサ流路高さ」という）ｈを一様に加工することが難く、加工精度を高くすることが困難である。このため、流量検出部３付近の流路５ａの断面積Ｓ（＝ｈ×ｗ、ｗは流路５ａの幅）が設計通りでない場合がある。センサ出力は、流量Ｑとセンサ流路の断面積Ｓによって決まるため、流路５ａの断面積Ｓが変化すると流量特性（流量曲線）が変化し、大きなスパンの調整が必要になると共に、フローセンサの個体差が出てくるので品質の安定性を図り難くなる。

また、ガラスチップ５の流路５ａをサンドブラストにより加工すると、加工面である流路５ａの内側上面５ｂの面が粗くなり透明性が悪くなる。従って、透明性を高めるために後処理が必要となる。また、サンドブラスト加工時における微細な傷に起因してガラスチップの耐圧性が低下するおそれがある。

本発明の目的は、センサ流路の断面積の加工精度を向上させて個体差を少なくすることで流量検出精度を安定させた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流量検出部が形成されたセンサチップと、
前記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接合して構成したフローセンサにおいて、
前記流路形成部材は、透明部材である第１の流路形成部材と、第２の流路形成部材とを接合することにより構成され、
前記第１の流路形成部材は板状をなし、当該第１の流路形成部材には被測定流体の導入孔及び導出孔が設けられ、
前記第２の流路形成部材は、シリコンにより所定形状に形成された板状体からなり、かつ当該第２の流路形成部材には前記流量検出部に沿って流れる流体の流れに沿った流路を形成する所定形状の貫通口が設けられ、
前記貫通口は、両端が前記導入孔及び導出孔のそれぞれに連通し、前記流量検出部が前記貫通口の前記導入孔と導出孔に対応する部分の間に配置され、
前記第１及び第２の流路形成部材で所定の断面積の流路を形成することを特徴としている。

流路形成部材を流体の導入孔と導出孔が形成された透明な板状の第１の流路形成部材と、板状をなしセンサチップに設けられた流量検出部に沿って流れる流体の流れに沿った流路を形成する貫通口が設けられた第２の流路形成部材とにより形成し、貫通口の両端を導入孔及び導出孔のそれぞれに連通させて所定の断面積の流路を形成し、貫通口に流量検出部を配置する。これにより、センサ流路の高さ、即ち貫通口の断面積を一定とすることができ、流路断面積に関するセンサの個体差が少なくなる。この結果、第１の流路形成部材の透明性を確保しつつフローセンサの品質の安定性を図ることができる。

なお、センサチップと第２の流路形成部材が接合されているので、センサチップと第２の流路形成部材とを互いに熱膨張係数が同一又は近い材料とすることにより、センサチップと第２の流路形成部材の周囲の温度変化が生じてもセンサチップと第２の流路形成部材のそれぞれに歪が生じ難くなり、センサの出力がドリフトし難くなり、センサの計測精度の悪化を避けることができるようになる。

また、センサチップと第２の流路形成部材とが同一の熱膨張係数をもつシリコン材料又は第２の流路形成部材を熱膨張係数がシリコン材料に略近い硼珪酸ガラスを使用することで、センサチップと第２の流路形成部材の周囲の温度変化等により、センサチップと第２の流路形成部材とに歪が生じ難くなり、センサの出力がドリフトし難く、センサの計測精度悪化を避けることができるようになる。

特にシリコン材料は、加工精度を良くすることができる材料であり、第２の流路形成部材の加工精度が良くなり設計通りに製作することができ、その結果、センサ流路の高さを一様に設計通りとすることができる。これにより、流路断面積を設計通りとすることができ、フローセンサの流量検出精度を安定させることができる。

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、
前記第１の流路形成部材は硼珪酸ガラスにより形成されていることを特徴としている。

第１の流路形成部材の硼珪酸ガラスと、第２の流路形成部材のシリコン材料又は硼珪酸ガラスとが略近い又は同一の熱膨張係数をもつこととなり、第１の流路形成部材と第２の流路形成部材の周囲の温度変化等により、第１の流路形成部材と第２の流路形成部材のそれぞれに歪が生じ難くなり、歪が第２の流路形成部材を介してセンサチップに伝わることも無く、センサの出力がドリフトし難く、センサの計測精度の悪化を避けることができる。

本発明によると、センサ流路の断面積の加工精度を向上させて個体差を少なくすることでフローセンサの流量検出精度を安定させることができた。

より具体的には流体の導入孔と導出孔が形成された板状の第１の流路形成部材と、板状をなしセンサチップに設けられた流量検出部に沿って流れる流体の流れに沿った流路を形成する貫通口が設けられた第２の流路形成部材とにより流路形成部材を形成し、貫通口の両端を導入孔及び導出孔のそれぞれに連通させて流路を形成することにより、流路断面積が一定となりフローセンサの個体差を少なくすることができ、流量検出精度を安定させることが可能となる。

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は、本発明に係るフローセンサを示す組立斜視図である。フローセンサ１１は、センサチップ１２と、流路形成部材１３を形成する第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４及び第２の流路形成部材１５とにより形成されている。

センサチップ１２は、直方体形状をなすシリコン基板２１の上面２１ａに窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）２２が形成され、この絶縁膜２２の位置に流量検出部（センサ部）２３が形成され、更に流量検出部２３が窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜２４により被覆された構成とされている。尚、図１において絶縁膜２２，２４は、流量検出部２３を分かり易くするために透明に描いてある。

シリコン基板２１の上面２１ａの中央位置には図２及び図３に示すように流量検出部２３の下側に凹部２１ｃが形成されており、流量検出部２３が形成されている絶縁膜２２の凹部２１ｃを覆う部位はダイアフラムとされて流量検出部２３とシリコン基板２１とが熱的に遮断されている。流量検出部２３は、熱式の検出部で絶縁膜２２上に例えば白金（Ｐｔ）薄膜でできた図示しない発熱素子としてのヒータと、このヒータの上流側及び下流側に等間隔で配置された例えば白金薄膜でできた抵抗素子としての図示しない測温素子とにより構成されている。

そして、流量検出部２３の前記ヒータ及び測温素子の信号取り出し配線としてのリードパターン２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、シリコン基板２１の両側面位置まで延出されている。これらのリードパターン２３ａ〜２３ｃの先端部は、それぞれ図示しない外部の測定回路に接続可能とされている。

第１の流路形成部材１４は、シリコン基板２１の上面２１ａと同じ大きさで、かつ所定の板厚とされ、上面１４ａの長手方向に沿う中心線上の両側位置に被測定流体の導入孔１４ｃ、導出孔１４ｄが下面１４ｂまで貫通して形成されている。これらの導入孔１４ｃと導出孔１４ｄは、同じ大きさとされている。また、両側面には流量検出部２３のリードパターン２３ａ〜２３ｃと対応する位置に切欠１４ｆが設けられており、これらのリードパターン２３ａ〜２３ｃの先端の接続部を露出させて前記外部の測定回路に接続可能とされている。この第１の流路形成部材１４は、透明な硼珪酸ガラスにより形成されており、導入孔１４ｃ及び導出孔１４ｄは、サンドブラスト、エンドミル等の機械加工により形成され、ウェットエッチング又はドライエッチングによって仕上げ加工されるようになっている。

また、第１の流路形成部材１４は、流体の導入孔１４ｃ及び導出孔１４ｄを形成するだけであるためにサンドブラストにより加工した場合でもこれらの導入孔１４ｃと導出孔１４ｄとの間の部分の透明性が確保される。これにより、流量検出部２３の外部からの視認性が確保される。

尚、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。本実施形態においては透明なパイレックス（登録商標）ガラスを使用している。これにより、第１の流路成形部材１４の透明性を確保することができる。尚、テンパックスガラスでも同様に透明性を確保することができる。

第２の流路形成部材１５は、第１の流路形成部材１４と同じ大きさの長方形状の板体をなし、上面１５ａの長手方向に沿う中心線上に長手方向に沿って長い長円形の長穴（トラック形状の円）１５ｃが下面１５ｂまで貫通して形成されている（以下「貫通口１５ｃ」という）。この貫通口１５ｃは、その幅が導入孔１４ｃ、導出孔１４ｄの直径と同じ長さとされ、両端部の半円形部１５ｄ,１５ｅが導入孔１４ｃ、導出孔１４ｄの両端側の半円形部と合致するように形成されている。また、両側面には第１の流路形成部材１４の切欠１４ｆと対応して同じ形状の切欠１５ｆが形成されており、流量検出部２３のリードパターン２３ａ〜２３ｃの先端の接続部を露出させて前記外部の測定回路に接続可能とされている。

貫通口１５ｃの幅は、センサチップ１２の上面１２ａに形成された流量検出部２３の幅よりも幅広とされている。この貫通口１５ｃは、サンドブラスト、エンドミル等の機械加工により形成され、ウェットエッチング又はドライエッチングによって仕上げ加工をしても良い。

この第２の流路形成部材１５は、シリコンの板で形成されており、貫通口１５ｃは、センサチップ１２上に形成された流量検出部２３上を流れる流体の流路とされる。第２の流路形成部材１５をシリコンの板で形成することにより、その厚さを一定の厚みに正確に加工することができる。これにより、貫通口１５ｃの深さ、即ちセンサ流路の高さｈを正確に形成することが可能となり、流路断面積を正確に形成することができる。

第２の流路形成部材としてシリコン部材を用いる理由は２つあり、第１の理由は、加工精度が良好なので、従来技術に比べて流量検出部２３付近のセンサ流路の断面積が設計通りに形成することができることである。また、第２の理由は、センサチップ１２がシリコンを材料としており、かつ第１の流路形成部材１４は硼珪酸ガラスを材料としているので、センサチップ１２の材料であるシリコンの熱膨張係数に近い物質であることが好ましいことと、硼珪酸ガラスの熱膨張係数に近い物質であることが好ましいからである。

センサチップと第２の流路形成部材が接合しているので、センサチップ１２と第２の流路形成部材１５とが互いに熱膨張係数の近い材料であることが好ましいとする理由は、熱膨張係数が近いとセンサチップ１２と絶縁材料の周囲の温度変化等によりセンサチップ１２と絶縁材料のそれぞれに歪が生じ難くなるので、フローセンサの出力がドリフトし難くなり、センサの計測精度の悪化を避けることができるためである。因みに、パイレックス（登録商標）ガラスの熱膨張係数は３.２×１０^−６／℃であり、シリコンの熱膨張係数は２.３×１０^−６／℃である。

次に、フローセンサ１１の製造の手順を簡単に説明する。図１及び図２に示すように第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４と第２の流路形成部材（シリコン）１５とを重ねて第１の流路形成部材１４の下面１４ｂと第２の流路形成部材１５の上面１５ａとを陽極接合などの方法で接合して流路形成部材１３を構成する。これらの第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４と第２の流路形成部材（シリコン）１５とを位置合せする際は、第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４に形成した導入孔１４ｃ及び導出孔１４ｄが第２の流路形成部材（シリコン）１５に形成された貫通口１５ｃの両端に合致して連通すると共に、両側部の切欠１４ｆと１５ｆが合致するように互いの部材を配置する。

尚、上記工程の接合方法である陽極接合は、第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４、第２の流路形成部材（シリコン）１５をそれぞれウエハにして、ウエハ状態（チップに分割する前）で実施しても良く、また、前記ウエハをチップに分割してから実施しても良い。

因みに、本実施形態では、第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４の板厚は、約０.５〜１.０ｍｍであり、センサ流路の高さ（ｈ）となる第２の流路形成部材（シリコン製の板）の板厚は、約０.２〜１.０ｍｍであり、センサチップ１２のサイズは、１.５ｍｍ×３.５ｍｍ〜６.０ｍｍ×１２.０ｍｍ程度である。

次いで、センサチップ１２の上面１２ａに上述したように形成した流路形成部材１３を載置し、第２の流路形成部材（シリコン）１５の貫通口１５ｃ内の略中央位置に流量検出部２３の上面が露出するように、かつ流量検出部２３のリードパターン２３ａ〜２３ｃの先端の接続部が切欠１５ｆ，１４ｆから露出するように位置決めする。そして、第２の流路形成部材（シリコン）１５の下面１５ｂとセンサチップ１２の上面１２ａ（シリコン基板２１の上面２１ａ）とを陽極接合などの方法で接合する。

これにより、流量検出部２３がセンサ流路の一部を構成する貫通口１５ｃ内に配設されるので、被測定流体を計測することができ、かつ透明部材である第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４を通してフローセンサ１１の外部から流量検出部２３を視認することができる。

フローセンサ１１の流路は、第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４の導入孔１４ｃ、導出孔１４ｄと、これらが連通した第２の流路形成部材（シリコン）１５の貫通口１５ｃにより構成される。そして、前記センサ流路は、フローセンサ１１の流路のうち第２の流路形成部材１５の貫通口１５ｃにより構成されたものを指す。このようにして、フローセンサ１１が構成される。

このフローセン１１は、例えば半導体製造装置（図示せず）に取り付けられ、第１の流路形成部材（ガラスチップ）１４の導入孔１４ｃ、導出孔１４ｄが前記装置の被測定流体通路に気密に連通接続され、被測定流体が図２の矢印で示すように流れる。また、図１に示すフローセンサ１１の各リードパターン２３ａ〜２３ｃが図示しない測定回路に接続される。

被測定流体は、導入孔１４ｃから流路としての貫通口１５ｃ内に導入され、当該貫通口１５ｃ内を流れて導出孔１４ｄから導出される。そして、流量検出部２３のヒータに通電する。ヒータは、制御回路によりシリコン基板２１上に設けられた周囲温度センサで測定されたガスの温度よりもある一定温度高く加熱され、貫通口（流路）１５ｃを流れるガスを加熱する。

ガスが流れないときは、ヒータの上流側／下流側に均一の温度分布が形成されており、上流側の測温素子と下流側の測温素子は、略等しい温度に対応する抵抗値を示す。一方、ガスの流れがあるときには、ヒータの上流側／下流側の均一な温度分布のバランスが崩れ、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、上流側の測温素子と下流側の測温素子により構成される例えばホイーストンブリッジ回路により測温素子の抵抗値差、即ちこれと等価的に対応する温度差を検出して貫通口（流路）１５ｃ内を流れるガスの流量を測定する。

尚、上記実施形態においては１つのヒータ（発熱素子）と、このヒータの両側に配置した２つの測温素子とにより傍熱型の流量検出部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。

尚、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、センサチップの材質に合わせて、センサチップと熱膨張係数の近い第２の流路形成部材を用いても良い。例えば、第１の流路検出部材及び第２の流路検出部材の材質も硼珪酸ガラスで形成することができる。硼珪酸ガラスは、平坦度が良く加工し易い材料であり、容易に使用することができる。

以上説明したように本発明によれば、流路形成部材を流体の導入孔と導出孔が形成された透明な板状の第１の流路形成部材と、板状をなしセンサチップに設けられた流量検出部に沿って流れる流体の流れに沿った流路を形成する貫通口が設けられた第２の流路形成部材とを接合して形成し、貫通口（流路）の両端を導入孔及び導出孔のそれぞれに連通させて所定の流路断面積の流路を形成し、貫通口に流量検出部を配置することにより、センサ流路の高さ、即ち貫通口の断面積を一定にすることができる。その結果、流路断面積に関するセンサの個体差を少なくすることができ、フローセンサの品質の安定性を図ることができる。

また、第１の流路形成部材１４にサンドブラスト等により流路を形成しないためにこの流路に微細な傷が付くことがなく、かかる微細な傷に起因して発生する割れ等を防止することができ、耐圧性及び耐久性の向上を図ることが可能であると共に、外部からの視認性を確保することができ、フローセンサの製造工程における流路内の粉塵の有無等の検査を行い易くなる。

また、センサチップと第２の流路形成部材が接合しているので、センサチップと第２の流路形成部材とを互いに熱膨張係数が同一又は近い材料とすることにより、センサチップと第２の流路形成部材の周囲の温度変化等により、センサチップと第２の流路形成部材とに歪が生じ難くなるので、センサの出力がドリフトし難くなり、センサの計測精度の悪化を避けることができる。

また、センサチップと第２の流路形成部材が接合しているので、センサチップと第２の流路形成部材とが同一の熱膨張係数をもつシリコン材料又は第２の流路形成部材を熱膨張係数がシリコン材料に略近い硼珪酸ガラスを使用することで、センサチップと第２の流路形成部材の周囲の温度変化等により、センサチップと第２の流路形成部材のそれぞれに歪が生じ難くなり、センサの出力がドリフトし難く、センサの計測精度悪化を避けることができる。

特にシリコン材料は、加工精度を良くすることができる材料であり、第２の流路形成部材も加工精度が良く、設計通りに製作することができる。その結果、センサ流路の高さが一様に設計通りとすることができ、これにより、流路断面積を設計通りとすることができ、フローセンサの流量検出精度を安定させることができる。

また、第１の流路形成部材の硼珪酸ガラスと第２の流路形成部材のシリコン材料又は硼珪酸ガラスが接合しているので、第１の流路形成部材の硼珪酸ガラスと、第２の流路形成部材のシリコン材料又は硼珪酸ガラスとが略近い又は同一の熱膨張係数を有することとなり、第１の流路形成部材と第２の流路形成部材の周囲の温度変化等により、第１の流路形成部材と第２の流路形成部材のそれぞれに歪が生じ難くなり、歪が第２の流路形成部材を介してセンサチップに伝わることも無く、センサの出力がドリフトし難く、センサの計測精度悪化を避けることができる。

本発明に係るフローセンサの組立斜視図である。 図１に示したフローセンサを組立てた状態の断面図である。 図２に示したフローセンサの矢線III−IIIに沿う断面図である。 従来のフローセンサの一例を示す断面図である。 図４に示したフローセンサの矢線Ｖ−Ｖに沿う断面図である。

符号の説明

１ フローセンサ
２ シリコン基板
３ 流量検出部（センサ部）
４ センサチップ
４ａ 上面
５ ガラスチップ（流路形成部材）
５ａ 流路（溝）
５ｂ 流路の内側上面
１１ フローセンサ
１２ センサチップ
１２ａ 上面
１２ｂ 下面
１３ 流路形成部材
１４ 第１の流路形成部材（ガラスチップ）
１４ａ 上面
１４ｂ 下面
１４ｃ 導入孔
１４ｄ 導出孔
１４ｆ 切欠
１５ 第２の流路形成部材（シリコン）
１５ａ 上面
１５ｂ 下面
１５ｃ 貫通口（流路）
１５ｄ，１５ｅ 半円形部
１５ｆ 切欠
２１ シリコン基板
２１ａ 上面
２１ｂ 下面
２１ｃ 凹部
２２，２４ 絶縁膜
２３ 流量検出部（センサ部）
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ リードパターン
ｈ センサ流路高さ
ｗ 流路幅
Ｓ 流路断面積
Ｑ 流量

Claims (2)

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流量検出部が形成されたセンサチップと、
   前記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接合して構成したフローセンサにおいて、
   前記流路形成部材は、透明部材である第１の流路形成部材と、第２の流路形成部材とを接合することにより構成され、
   前記第１の流路形成部材は板状をなし、当該第１の流路形成部材には被測定流体の導入孔及び導出孔が設けられ、
   前記第２の流路形成部材は、シリコンにより所定形状に形成された板状体からなり、かつ当該第２の流路形成部材には前記流量検出部に沿って流れる流体の流れに沿った流路を形成する所定形状の貫通口が設けられ、
   前記貫通口は、両端が前記導入孔及び導出孔のそれぞれに連通し、前記流量検出部が前記貫通口の前記導入孔と導出孔に対応する部分の間に配置され、
   前記第１及び第２の流路形成部材で所定の断面積の流路を形成することを特徴とするフローセンサ。
2. 前記第１の流路形成部材は硼珪酸ガラスにより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。

Images