(57)【要約】【課題】高い耐熱性と応答速度を有する熱式流量センサを提供する。【解決手段】流体が流れる流路に表面が面するように取り付けられる基板と、前記基板の表面又は裏面に形成される第１センサと、前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第１センサよりも下流側に配置される第２センサと、前記基板において、隔壁により区成された前記基板の厚み方向に延びる複数の孔を具備するハニカム構造と、を備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる流路に表面が面するように取り付けられる基板と、
前記基板の表面又は裏面に形成される第１センサと、
前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第１センサよりも下流側に配置される第２センサと、
前記基板において隔壁により区成された前記基板の厚み方向に延びる複数の孔を具備するハニカム構造と、を備えた熱式流量センサ。
【請求項２】
前記基板が石英ガラス又はセラミックスで形成されている請求項１記載の熱式流量センサ。
【請求項３】
前記第１センサ及び前記第２センサが前記基板の表面に形成されており、
複数の前記孔が、前記基板の裏面側に開口し、前記基板の表面側が閉塞された有底孔である請求項１又は２記載の熱式流量センサ。
【請求項４】
前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第１センサと前記第２センサとの間に配置されたヒータをさらに備えた請求項１乃至３いずれかに記載の熱式流量センサ。
【請求項５】
前記第１センサ、前記第２センサ、及び、前記ヒータが前記基板の表面に形成されており、
複数の前記孔が、前記第１センサ、前記第２センサ、及び、前記ヒータの裏側に形成されている請求項４記載の熱式流量センサ。
【請求項６】
前記孔の横断面形状が正六角形である請求項１乃至５いずれかに記載の熱式流量センサ。
【請求項７】
前記第１センサと前記第２センサとの間の前記表面に沿った方向の離間距離が、５ｍｍ以下である請求項１乃至６いずれかに記載の熱式流量センサ。
【請求項８】
前記基板が直径Ｒの概略円板形状をなすものであり、
前記ハニカム構造が、前記基板の中心から半径０．３５Ｒ以下の仮想円内の領域に形成されている請求項１乃至７いずれかに記載の熱式流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱式流量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバに対して供給される流体の流量を測定するために熱式流量センサが用いられている。このような熱式流量センサは、流路内に設けられた分流素子の上流側と下流側をバイパスする金属製の細管と、当該細管の上流側と下流側にそれぞれ巻回されたコイル状の第１センサと第２センサとを備えている。熱式流量センサは、例えば第１センサと第２センサで測定される温度に基づいて、流路を流れる流体の流量を測定するように構成されている。
【０００３】
ところで、半導体製造プロセスでは、流路に流される流体の温度を３００℃近傍の非常に高い温度にすることが近年試みられている。このような高温の流体が細管内を流れると、細管と細管に巻回された第１センサ及び第２センサとの間を絶縁している樹脂層が溶けてしまい、ショートしてしまう可能性がある。このように耐熱性の観点から上述した熱式流量センサでは高温の流体の流量を測定することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、高い耐熱性と応答速度を有する熱式流量センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明に係る熱式流量センサは、流体が流れる流路に表面が面するように取り付けられる基板と、前記基板の表面又は裏面に形成される第１センサと、前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第１センサよりも下流側に配置される第２センサと、前記基板において隔壁により区成された前記基板の厚み方向に延びる複数の孔を具備するハニカム構造と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
なお、本明細書における前記ハニカム構造とは前記孔の横断面の形状が正六角形に限られるものではなく、八角形、四角形、三角形等の多角形、円形、楕円形等の様々な形状をなすものを含む概念である。また、前記ハニカム構造は複数の前記孔が前記基板の面板方向に沿って並び設けられているものである。
【０００８】
このようなものであれば、前記基板の表面に前記第１センサ及び前記第２センサが形成されているので、耐熱性の低い樹脂を用いずに例えば金属メッキ等によって前記第１センサ及び前記第２センサを形成することができる。
【０００９】
また、前記基板には前記ハニカム構造が形成されているので、複数の前記孔の分だけ前記基板の熱容量を小さくすることができる。このため、前記流体が流れていない場合と流れている場合とで熱分布の違いがわずかであっても、前記基板での温度変化がすぐに生じやすく、前記第１センサ及び前記第２センサでその変化を感度よく検出できる。したがって、流量センサとしての応答速度を向上させることができる。
【００１０】
さらに、前記ハニカム構造は前記基板の厚み方向に延びる複数の孔が形成されるように構成されているので、前記流体の圧力により前記基板が厚み方向に押圧されても割れないような強度を保つことができる。
【００１１】
これらのことから、従来の熱式流量センサでは流量を測定することが難しい高温の流体の流量について、わずかな変化であっても検出することが可能となる。
【００１２】
高温の流体にさらされたり、圧力を受けたりしても損傷が生じないような耐熱性と機械的強度を実現できるようにするには、前記基板が石英ガラス又はセラミックスで形成されていればよい。なお、これらの材料は他の材料と比較して熱容量が大きくなってしまうが、前記ハニカム構造が形成されていることにより、耐熱性と機械的強度を得ながら熱容量を小さくして流量の変化に伴う第１センサ及び第２センサでの温度変化を大きくすることが可能となる。したがって、要求される流量に対する応答速度も確保することが可能となる。
【００１３】
前記基板にハニカム構造を形成しても前記基板の表面側を平面にすることができ、機械的な強度を確保しつつ、前記第１センサ及び前記第２センサをメッキや蒸着等で容易に形成できるようにするには、前記第１センサ及び前記第２センサが前記基板の表面に形成されており、複数の前記孔が、前記基板の裏面側に開口し、前記基板の表面側が閉塞された有底孔であればよい。
【００１４】
前記第１センサと前記第２センサでの温度差を大きくして、さらに感度良く流量を検出できるようにするには、前記基板の表面に形成され、前記第１センサと前記第２センサとの間に配置されたヒータをさらに備えたものであればよい。
【００１５】
前記ヒータの加熱によって前記基板を温度上昇しやすくして、前記第１センサと前記第２センサでより大きな温度差を形成できるようにするには、前記第１センサ、前記第２センサ、及び、前記ヒータが前記基板の表面に形成されており、複数の前記孔が、前記第１センサ、前記第２センサ、及び、前記ヒータの裏側に形成されていればよい。
【００１６】
複数の前記孔について前記基板の面板方向に沿って最も細密に平面充填できるようにし、熱容量の低減量を大きくしながら機械的な強度も得られるようにするには、前記孔の横断面形状が正六角形であればよい。
【００１７】
前記第１センサと前記第２センサにおいて、十分な温度差を形成することができ、例えば半導体製造プロセスにおいて求められる程度の応答速度を実現できるようにするには、前記第１センサと前記第２センサとの間の前記表面に沿った方向の離間距離が、５ｍｍ以下であればよい。
【００１８】
前記基板が直径Ｒの概略円板形状をなすものであり、前記ハニカム構造が、前記基板の中心から半径０．３５Ｒ以下の仮想円内の領域に形成されていればよい。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明に係る熱式流量センサによれば、前記第１センサと前記第２センサを流体と接触する前記基板の表面に形成しているので、例えばメッキや蒸着等により樹脂の絶縁体を用いないようにして耐熱性を高めることができる。また、前記基板にハニカム構造が形成されているので、基板に耐熱性があり熱容量の大きい材料を用いたとしても、複数の前記孔が前記第１センサ及び前記第２センサの近傍に形成され、その部分の熱容量を低減でき、わずかな流量の変化でもすぐに温度変化として検出できる。したがって、本発明に係る熱式流量センサは、例えば３００℃近傍の流体の流量測定でも応答速度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱式流量センサの流路に対する取り付け状態を示す模式図。
【図２】第１実施形態に係る熱式流量センサの軸方向の模式的断面図。
【図３】第１実施形態に係る熱式流量センサの表面側を示す模式図。
【図４】第１実施形態に係る熱式流量センサの基板の裏面側を示す模式図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る熱式流量センサの軸方向の模式的断面図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る熱式流量センサの表面側を示す模式図。
【図７】本発明の第４実施形態に係る熱式流量センサの基板を示す模式図。
【図８】本発明の第５実施形態に係る熱式流量センサの表面側を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態に係る熱式流量センサ１００について図１乃至図４を参照しながら説明する。
【００２２】
第１実施形態の熱式流量センサ１００は、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバ等に供給される高温の流体の流量を測定するために用いられるものである。例えば流体は３００℃近傍の温度のガスであり、このような高温のガスの流量を例えば従来の流量センサと同等の応答速度で流量を測定するために第１実施形態の熱式流量センサ１００は用いられる。
【００２３】
第１実施形態の熱式流量センサ１００は、図１に示すように高温のガスが流れる流路Ｃにおいて流路径が小さくなり狭窄している部分Ｃ１に取り付けられる。具体的には熱式流量センサ１００は、流路Ｃを形成するパイプに対して取り付けられるフランジ１と、フランジ１の先端部に取り付けられた石英で形成された基板２と、を備えている。基板２の表面２Ｈは流路Ｃ内において接ガスするように設けられている。
【００２４】
図２及び図３は特に基板２の各部、及び、基板２に設けられている部材の詳細をわかりやすくするために厚み等を強調表示した模式図である。したがって、実際の寸法関係を忠実に表現しているとは限らない。
【００２５】
図２及び図３に示すように、概略円板状に形成された基板２の表面２Ｈにはガスの流れ方向の上流側から順番に第１センサ３、ヒータ５、第２センサ４が設けられている。基板２の表面２Ｈは平板であり、この表面２Ｈに対してスパッタリングにより金属メッキすることでそれぞれの部材が形成してある。基板２の外周部には正六角形の頂点をなすように６つのスルーホール２１が形成されており、第１センサ３、ヒータ５、第２センサ４はそれぞれ２つのスルーホール２１間を接続するように金属メッキにより配線して形成される。
【００２６】
第１センサ３及び第２センサ４は、例えば各スルーホール２１については金メッキ３１、４１で封止し、各金メッキ間をつづら折り状の部分を有するようにプラチナメッキ３２で形成されたプラチナ抵抗体を具備するものである。第１センサ３及び第２センサ４はそれぞれ基板２の表面２Ｈの面板方向に沿った中心線に対して鏡面対称となるように配置されている。第１センサ３及び第２センサ４は、それぞれの位置における温度を検出し、その温度に応じて抵抗値が変化する。第１センサ３及び第２センサ４は、基板２の表面２Ｈ側の配線とスルーホール２１を介して信号取り出し線Ｌと接続されており、その信号取り出し線Ｌはブリッジ回路からなる流量検出機構７と接続されている。第１センサ３及び第２センサ４は温度が変化すると抵抗値が変化するためその変化を温度変化として流量検出機構７は検出する。また、基板２の表面２Ｈにおいて第１センサ３と第２センサ４におけるそれぞれのつづら折り部分において面板方向に沿って最も近接している部分の離間距離は例えば５ｍｍ以下に設定してある。このように離間距離を設定することで、流量変化に応じて第１センサ３と第２センサ４で検出される温度差の感度を高めることができる。
【００２７】
ヒータ５も、第１センサ３及び第２センサ４と同様に金メッキ５１とプラチナメッキ５２で形成された電熱線であり、２つのスルーホール２１の間でつづら折り状になる部分を有している。図３に示すようにヒータ５のつづら折り状の部分は、第１センサ３及び第２センサ４のつづら折り状の部分よりもその振幅が大きく形成してある。このヒータ５は図示しない電源に接続されており、ガスの温度よりも所定温度だけ高い状態が実現されるように電圧が制御される。
【００２８】
流量検出機構７は、第１センサ３及び第２センサ４のガスが流れていないときの温度を基準温度として、ガスが流れているときの第１センサ３及び第２センサ４で取得される温度と、基準温度との温度差に応じた流量を示す信号を外部に出力するように構成されている。なお、第１実施形態の流量検出機構７は、温度差に基づく流量測定法であったが、例えば第１センサ３及び第２センサ４の温度が一定に保たれるように温度制御し、その時の消費電力や印加電圧の変化に基づいて流量を検出するように構成してもよい。
【００２９】
次に基板２の裏面２Ｔ側の構成について詳述する。
【００３０】
図４に示すように基板２の裏面２Ｔには、隔壁６１によって区成された複数の孔６２を具備するハニカム構造６が形成されている。図３に示すようにハニカム構造６は第１センサ３、第２センサ４、ヒータ５の少なくともつづら折り状の部分の裏側には形成されている。第１実施形態ではつづら折り部分と金メッキ部分とを接続するプラチナメッキ部分の裏側にも孔６２が配置される。ハニカム構造６については、基板２の直径をＲとした場合に基板２の中心から半径０．３５Ｒの仮想円内の領域に含まれるようにしてあり、基板２においてスルーホール２１が形成される外周部分にはハニカム構造６の孔６２が形成されない。
【００３１】
複数の孔６２はそれぞれ、基板２の裏面２Ｔ側から表面２Ｈ側へと厚み方向に延びる正六角柱形状をなすものであり、平面充填として最密となるように構成されている。孔６２の深さはそれぞれ同じ深さに設定してあり、表面２Ｈ側に所定厚みが残るようにしてある。すなわち、ハニカム構造６を形成する各孔６２は基板２の裏面２Ｔ側に開口し、表面２Ｈ側が閉塞した有底のものである。隔壁６１についてはどの部分においても同じ厚みとなるようにしてあり、平面充填されている各孔６２の形成間隔が一定となるようにしてある。また、ハニカム構造６は基板２における外周部分の基板の厚さよりも薄い所定薄板部分を有し、所定薄板部分から基板２の厚み方向に対して隔壁６１が所定厚さまで延びて形成されているとも言い換える事ができる。加えて、各孔６２は多角形の辺を形成する各壁６１を共有するように配置されている。なお、ハニカム構造６では隔壁６１部分の領域に比べて、有底部分を有する各孔６２の領域の方の面積が多くなっている方が良い。
【００３２】
このようなハニカム構造６については例えば基板２をエッチングすることにより形成できる。言い換えると、第１実施形態の熱式流量センサ１００の基板２における各構造はＭＥＭＳ技術によって形成される。
【００３３】
このように構成された第１実施形態の熱式流量センサ１００によれば、石英で形成された基板２の表面２Ｈに金属メッキによって第１センサ３と第２センサ４を形成しているので、例えばキャピラリ方式の熱式流量センサ１００のように各センサと細管との間の絶縁を保つため樹脂層を形成する必要がない。また、基板２は石英で形成されているため高い耐熱性を実現できる。したがって、第１実施形態の熱式流量センサ１００であれば、３００℃に達するような高温のガスにさらされても、絶縁が破れて測定不能とはならず、流量を測定することができる。
【００３４】
さらに、基板２の裏面２Ｔ側にはハニカム構造６が形成されていることによって、基板２の熱容量を小さくすることができる。このため、石英のように熱容量の大きい材料で基板２を形成しても、流量の変化により生じる基板２の表面２Ｈでの温度変化を早くすることができる。したがって、ガスに対する耐熱性を実現しながら流量に対する応答速度を高めることができる。
【００３５】
また、単に基板２の裏面２Ｔ側に凹部を形成して熱容量を小さくするのではなく、各孔６２を区成する隔壁６１が形成されているので機械的な強度を保つことができる。このため、流路Ｃを流れるガスが高温かつ高圧であったとしても、基板２が割れる等してガスが流路Ｃから外部へ漏出するのを防ぐことができる。
【００３６】
加えて、ハニカム構造６は基板２の裏面２Ｔ側に各孔６２が開口し、接ガス面となる基板２の表面２Ｈは平面となるので、基板２の表面２Ｈがガスの流れを乱すのを抑えることができる。このため、流量の測定精度を向上させることができる。
【００３７】
次に本発明の第２実施形態に係る熱式流量センサ１００について図５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
【００３８】
図５に示す第２実施形態の熱式流量センサ１００は、図２に示す第１実施形態の熱式流量センサ１００と比較して、基板２に形成されている各構造が表面２Ｈと裏面２Ｔとで逆となるように構成されている。すなわち、第２実施形態では基板２の接ガス面である表面２Ｈにハニカム構造６の各孔６２が開口するとともに、接ガスしない基板２の裏面２Ｔに第１センサ３、第２センサ４、ヒータ５が形成されている。
【００３９】
このように構成された第２実施形態の熱式流量センサ１００であれば、基板２の表面２Ｈにハニカム構造６が形成されており、基板２の熱容量を小さくすることができるので、基板２の裏面２Ｔに第１センサ３及び第２センサ４が設けられていても流量に応じた温度変化を検出できる。したがって、流体の流れによる温度変化を基板２の裏面２Ｔで検出し、流量を測定できる。
【００４０】
次に本発明の第３実施形態に係る熱式流量センサ１００について図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
【００４１】
図６に示すように第２実施形態の熱式流量センサ１００ではハニカム構造６が形成されている部分が第１センサ３と第２センサ４の近傍のみであり、ヒータ５の近傍にはハニカム構造６は形成されていない。
【００４２】
このような第３実施形態であっても、基板２の熱容量を低減する効果が得られ、ハニカム構造６を形成しない場合と比較して、流量センサとしての応答速度を向上させることができる。
【００４３】
次に本発明の第４実施形態に係る熱式流量センサ１００について図７を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
【００４４】
第１実施形態の基板２は、１枚の基板２の裏面２Ｔに複数の孔６２を直接形成していたが、第３実施形態の基板２は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように複数の孔６２を厚み方向に貫通させて形成した本体部２２と、本体部２２の一方の面を塞ぐ蓋体２３とを備えている。本体部２２に対して蓋体２３は接着、接合等されて気密が保たれるようにしてある。
【００４５】
このような第４実施形態の熱式流量センサ１００であれば、ハニカム構造６を形成する際に孔６２を貫通させて形成することができ、その後、蓋体２３を本体部２２に取り付けることで表面２Ｈを形成することができる。このため、ハニカム構造６の各孔６２の深さや基板２の表面２Ｈの厚み寸法を正確に形成しやすい。
【００４６】
次に本発明の第５実施形態に係る熱式流量センサ１００について図８を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
【００４７】
第１実施形態では、ハニカム構造６の各孔６２は基板２の裏面２Ｔに開口し、表面２Ｈは閉塞するように構成されていたが、第４実施形態ではハニカム構造６の各孔６２は基板２の表面２Ｈに開口し、裏面２Ｔは閉塞した有底孔として形成されている。
【００４８】
また、第１センサ３、第２センサ４、ヒータ５についてはハニカム構造６の隔壁６１の端面部分を金属メッキすることにより形成されている。
【００４９】
このような第５実施形態の熱式流量センサ１００であっても、基板２の熱容量を減らし、流量変化に対する応答速度を向上させることができる。
【００５０】
その他の実施形態について説明する。
【００５１】
基板の材質については石英に限定されるものではなく、例えばジルコニア等のセラミックスで形成されてもよい。
【００５２】
ハニカム構造を構成する各孔の形状は正六角形に限られるものではない。例えば各孔の横断面が四角形、三角形等の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、本明細書におけるハニカム構造は、同一横断面形状の複数の孔がそれぞれ等間隔で平面的に配置されているものであればよく、最密平面充填の条件を満たしていなくてもよい。
【００５３】
基板の表面には少なくとも第１センサ、第２センサが形成されていればよく、ヒータについては省略してもよい。
【００５４】
第３実施形態では、本体部の一方の面にのみ蓋体を取り付けるようにしていたが、本体部の両方の面にそれぞれ蓋体を設けてサンドイッチ構造を形成してもよい。このようにすればさらに機械的な強度を高めることができる。また、第３実施形態と第４実施形態を組み合わせて蓋体により基板の裏面を形成してもよい。
【００５５】
本発明に係る熱式流量センサは高温流体の流量測定にのみ限定されるものではなく、通常の環境温度での流量測定に用いても構わない。
【００５６】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の一部又は全部を組み合わせたり、変形したりしても構わない。
【符号の説明】
【００５７】
１００・・・熱式流量センサ
１    ・・・フランジ
２    ・・・基板
２１  ・・・スルーホール
２２  ・・・本体部
２３  ・・・蓋体
３    ・・・第１センサ
４    ・・・第２センサ
５    ・・・ヒータ
６    ・・・ハニカム構造
６１  ・・・隔壁
６２  ・・・孔
７    ・・・流量検出機構
【図１】
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【図２】
2020020633.tif 000004
【図３】
2020020633.tif 000005
【図４】
2020020633.tif 000006
【図５】
2020020633.tif 000007
【図６】
2020020633.tif 000008
【図７】
2020020633.tif 000009
【図８】
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