(57)【要約】【課題】層流素子において、開口幅に比べて深さが深いバイパス流路を実現することにより、体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供する。【解決手段】複数のバイパスシート１０を積層して構成される層流素子２５であって、複数のバイパスシート１０のそれぞれの一表面に配設された複数のバイパス溝１４を備え、それら複数のバイパス溝１４の各々は、バイパスシート１０の一表面における開口幅ｗと、バイパスシート１０の一表面からバイパスシート１０の内部方向へ延伸する深さｈと、を有し、深さｈは開口幅ｗよりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚以上のバイパスシートを積層して構成される層流素子であって、
前記バイパスシートのそれぞれの一表面に配設された複数のバイパス溝を備え、
前記複数のバイパス溝の各々は、前記バイパスシートの前記一表面における開口幅と、前記バイパスシートの前記一表面から前記バイパスシートの内部方向へ延伸する深さと、を有し、前記深さは前記開口幅よりも大きい、層流素子。
【請求項２】
前記複数のバイパス溝の各々の前記開口幅は、前記複数のバイパス溝の各々を通過する流体の流れが、層流となる条件を満たす幅よりも小さい、請求項１に記載の層流素子。
【請求項３】
前記バイパスシートは、円環形状をなし、外周側面と前記外周側面と同心円上に位置する内周側面とを含む、請求項１又は２に記載の層流素子。
【請求項４】
前記複数のバイパス溝の各々は、前記バイパスシートの中心軸から前記外周側面に向かって放射状に配設され、前記内周側面から前記外周側面に亘って連続して延在する、請求項３に記載の層流素子。
【請求項５】
前記複数のバイパス溝は、それぞれ溝分離壁により区画され、
前記溝分離壁の円周方向における厚みは、前記外周側面から前記内周側面に向かって徐々に薄くなる、請求項４に記載の層流素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の層流素子を備える流体制御機器であって、
前記流体制御機器は、流入口と、流出口と、前記流入口と前記流出口との間に設置されたバイパスユニットと、を含み、
前記バイパスユニットは、前記層流素子を有する、流体制御機器。
【請求項７】
請求項６に記載の流体制御機器と、
プロセスチャンバーと、
前記プロセスチャンバーに導入されるプロセスガスの流路と、を備え、
前記流体制御機器は、前記プロセスガスの前記流路に設置される、半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層流素子、流体制御機器、及び半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体流路に設置され、流量計測及び制御を行うマスフローコントローラ（流体制御機器）においては、流体流路を流れる流体の質量流量をリアルタイムで高精度に計測することが求められる。その質量流量の計測のために、例えば、熱式流量センサが使用されるが、この種のセンサでは、被測定流体が、細管からなるセンサ流路の中を層流状態で流される構成となっており、このセンサ流路を通過できる流量はごく僅かである。
【０００３】
そのため、マスフローコントローラを通過可能な定格流量を増加させるために、上記流量センサと並行するバイパス流路を設置し、流入する流体の大部分を、バイパス流路を通過させて、流出させる構成が採用されている。これは、センサ流路とバイパス流路の双方が層流状態になっていれば、両者の流量比が合計流量によらず一定になることを利用したもので、センサ流路を流れたガスの量を測った後に定数倍することで合計の流量を算出している。しかしながら、熱式流量センサの計測精度を損なわないためには、並行するバイパス流路においても、乱流を生じさせることなく、層流となるようにバイパス流路の断面寸法を設定する必要がある。
【０００４】
そこで、ウェットエッチングにより形成された複数のバイパス溝が配置されたバイパスシートを複数枚積層することにより、多数のバイパス流路を構成した層流素子が提供されている（例えば、引用文献１）。この層流素子では、ディスクに形成されるバイパス溝の深さを浅くすることにより、層流となる条件を満たしている。更に、それらを交互に複数枚積層することにより、並行する多数のバイパス流路を構成して定格流量を増加させている。
なお、ここで層流素子の定格流量とは、センサ流路が想定する最大の圧力差（「所定の圧力差）とする）を層流素子の上流側と下流側との間に加えた場合に、層流素子を流れる所定の流体の量を意味している。層流素子に加える圧力差を大きくしていくと、ある点で乱流への遷移が発生するが、層流素子の設計は圧力差が所定の圧力差以下の範囲で流れが層流になっていれば問題ない。縦横比が大きい矩形型の流路を持つ層流素子の場合、層流となる条件は、矩形の短辺の長さが所定の圧力差から求まる値以下であることを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０１１３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような層流素子では、１枚のバイパスシートを通過可能な流量を決定する最も主要なパラメータは、バイパスシートのバイパス流路の本数と深さである。形成可能な流路の本数はバイパスシートの一表面の面積により自ずから決定されるので、層流条件を満たすべく流路を浅く形成すると、バイパスシート１枚当たりの通過可能な定格流量が規制されてしまう。
【０００７】
従って、層流素子が流すことができる定格流量を十分に大きくするためには、多数枚の積層が必要となる。積層枚数が多くなるほど、流体のバイパス流路以外の部分からの漏出を防止するために必要な各々のバイパスシート及びスペーサの厚みや歪みに対する製造誤差の許容範囲が小さくなり、製造コストの増加を招く。
【０００８】
又、これらのバイパスシート及びスペーサは、少なくとも歪みや変形を生じさせることなく自重を支持する機械的強度が必要であるから、一定以上の厚みを有する基体部分が必要である。一方、バイパス流路は層流となる条件を満たすために浅く形成されるものであるから、バイパスシートの基体部分及びスペーサの厚さはバイパス流路の深さよりも大きくなることが多い。
【０００９】
従って、積層された層流素子において、その体積の多くはバイパスシートの基体部分及びスペーサの厚みに占められている。それ故、層流素子の体積当たりの流量が少なく、定格流量を大きくすることを阻害する要因となっている。
【００１０】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、開口幅よりも深さの方が深いバイパス流路を実現することにより、バイパスシート１枚当たりの通過流量を増加させて、層流素子の体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供したり、同一サイズのマスフローコントローラでより大きな定格流量を実現可能にしたりすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様の層流素子は、１枚以上のバイパスシートを積層して構成される層流素子であって、バイパスシートのそれぞれの一表面に配設された複数のバイパス溝を備え、複数のバイパス溝の各々は、バイパスシートの一表面における開口幅と、バイパスシートの一表面からバイパスシートの内部方向へ延伸する深さと、を有し、深さは開口幅よりも大きい。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様において、複数のバイパス溝の各々の開口幅は、複数のバイパス溝の各々を通過する流体の流れが、層流となる条件を満たす幅よりも小さい。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様又は第２の態様において、バイパスシートは、円環形状をなし、外周側面と前記外周側面と同心円上に位置する内周側面とを含む。
【００１４】
本発明の第４の態様によれば、本発明の第３の態様において、複数のバイパス溝の各々は、バイパスシートの中心軸から外周側面に向かって放射状に配設され、内周側面から外周側面に亘って連続して延在する。
【００１５】
本発明の第５の態様によれば、本発明の第４の態様において、複数のバイパス溝は、それぞれ溝分離壁により区画され、溝分離壁の円周方向における厚みは、外周側面から内周側面に向かって徐々に薄くなる。
【００１６】
本発明の第６の態様の流体制御機器は、本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に記載の層流素子を備える流体制御機器であって、流体制御機器は、流入口と、流出口と、前記流入口と前記流出口との間に設置されたバイパスユニットと、を含み、バイパスユニットは、層流素子を有する。
【００１７】
本発明の第７の態様の半導体製造装置は、本発明の第６の態様において、プロセスチャンバーと、プロセスチャンバーに導入されるプロセスガスの流路と、を備え、流体制御機器は、プロセスガスの流路に設置される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の層流素子は、開口幅よりも深さの方が深いバイパス流路を実現することにより、バイパスシート１枚当たりの通過流量を増加させて、層流素子の体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の層流素子のバイパスシートの一実施形態の平面図である。
【図２】図１に記載の層流素子のバイパスシートの外周側面をＡ−Ａ´矢視から見て直線に展開した図。
【図３】図１に記載の層流素子のバイパスシートの内周側面をＢ−Ｂ´矢視から見て直線に展開した図。
【図４】本発明のバイパスユニットの一実施形態の斜視図である。
【図５】本発明のバイパスユニットの一実施形態の分解斜視図である。
【図６】図４に記載のバイパスユニットの層流素子の外周側面の円周方向に沿った展開図。
【図７】本発明のバイパスユニットの一実施形態の体積当たりの定格流量と層流素子のバイパス溝のアスペクト比との相関関係を示す図である。
【図８】本発明のマスフローコントローラ（流体制御機器）の断面図である。
【図９】本発明の半導体製造製造装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る層流素子ついて説明する。
【００２１】
本発明の一実施形態では、複数のバイパス溝が配置されたバイパスシートとスペーサとを複数枚交互に積層することにより、多数のバイパス流路を構成した層流素子を提供する。図１に、層流素子のバイパスシート１０の平面図を示す。図２に、図１に記載の層流素子のバイパスシート１０の外周側面をＡ−Ａ´矢視から見て直線に展開した図を示す。図３に、図１に記載の層流素子のバイパスシート１０の内周側面をＢ−Ｂ´矢視から見て直線に展開した図を示す。
【００２２】
このバイパスシート１０は、その基体部分と、その一表面に配設された複数のバイパス溝１４と、を備える。このバイパスシート１０は、中心点１１を中心とした外形半径１２を有する円周に沿った外周側面と、中心点１１を中心とした内形半径１３を有する円周に沿った内周側面と、を有する円環形状からなる基板である。これら外周側面及び内周側面は、中心点１１を中心とする同心円上に位置する。
【００２３】
複数のバイパス溝１４の各々は、中心点１１から外周側面に向かって放射状に配設されており、バイパス溝１４は互いに、円周方向に均等ピッチで配設されることが好ましい。これらのバイパス溝１４は、内周側面から外周側面に亘って同一の開口幅ｗ及び同一の深さｈをもって連続して延在する（図２及び図３）。ここで、開口幅ｗはバイパスシート１０の一表面における開口幅であって、深さｈはバイパスシート１０の一表面からバイパスシート１０の内部方向へ延伸する深さである。
【００２４】
複数のバイパス溝１４は、それぞれ溝分離壁１５により区画される。溝分離壁１５の円周方向の厚みは、外周側面から内周側面に向かって徐々に薄くなり、内周側面におけるその端部では、溝分離壁１５は最小幅ｒとなる。この最小幅ｒは、溝分離壁１５が機械的に破損及び変形しないように自立することができる幅である。
【００２５】
バイパス溝１４の各々は、その内部を流れる流体が層流となる構造にしなければならない。矩形形状の断面を有するバイパス溝１４において、層流となる条件を満たすためには、バイパス溝１４全域において、流路の断面の短辺の幅が所定の幅よりも狭くなっている必要がある。例えば、バイパス溝１４の平行平板の間隔、すなわち開口幅ｗを、想定しているガス種・流速に対して、レイノルズ数が２３００未満の値となるように狭くすることにより、バイパス溝１４を流れる流体を層流とすることができる。
【００２６】
この一実施形態では、バイパス溝１４の開口幅ｗを十分に狭くして、このバイパス溝１４を流れる流体が層流となる条件を満たし、深さｈを深くして流路の断面積を大きくして通過可能な定格流量を増加させる構造を有する。又、この構造においては、機械的な強度を確保するために必要なバイパスシート１０の基体部分の厚さｔ（図２）よりも、バイパス溝１４の深さｈの方が大きくなるように形成することができる。
【００２７】
このような深いバイパス溝１４を有するバイパスシート１０は、例えば、ワイヤーカット、機械的な溝加工、及びドライエッチング等の形状加工技術、並びに金属射出成型（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）などの成形技術により形成することができる。
【００２８】
図４に、本発明のマスフローコントローラ（流体制御機器）に設けられるバイパスユニット２０の斜視図を示す。バイパスユニット２０は、流入ブロック２１、支持部２２、スプリングピン２３、及び複数のバイパスシート１０を積層した層流素子２５からなる。この層流素子２５は円環形状をなし、例えば、円環形状の外周側面から内周側面に向かって多数のバイパス溝１４を有し、これらのバイパス溝１４を、流体が層流として通過するように構成されている。
【００２９】
流入ブロック２１及び支持部２２はそれぞれ円柱からなる。支持部２２の直径は流入ブロック２１の直径よりも小さく、流入ブロック２１の円形面の１つである上面に、各々の円柱形状の中心軸が一致するように設置されている。流入ブロック２１の上面には支持部２２に覆われていない領域があり、その領域において、流入ブロック２１の上面から、上面とは反対側の円形面である底面まで、貫通する複数の流入流路２４が設置されている。
【００３０】
支持部２２の円形面には、当該円形面の法線方向に突出する複数（例えば３本）のスプリングピン２３が設置されている。これらのスプリングピン２３は曲面からなる側面を有し、それぞれの側面が層流素子２５の内周側面に接する位置に設置されている。
【００３１】
図５に、本発明のバイパスユニット２０の一実施形態の分解斜視図を示す。当該図５に示すように、複数（例えば５枚）のバイパスシート１０ａ〜１０ｅをバイパスユニット２０に組み付けるときに、各バイパスシート１０ａ〜１０ｅの円環形状の内周側面がそれぞれのスプリングピン２３の側面と接するように挿入することにより、バイパスシート１０ａ〜１０ｅの各々の中心軸が一致するように設置することができる。
【００３２】
図６に、層流素子２５の外周側面の円周方向に沿った展開図を示す。本図は、層流素子２５の外周側面の概ね４分の１の範囲を直線に展開して記載したものである。１枚目のバイパスシート１０ａは、そのバイパス溝１４の開口部がバイパスユニット２０の支持部２２に接して覆われることにより、開口幅ｗ、深さｈのバイパス溝１４を構成する。２枚目のバイパスシート１０ｂは、そのバイパス溝１４の開口部が１枚目のバイパスシート１０ａの基体部分に接して覆われることにより、開口幅ｗ、深さｈのバイパス溝１４を構成する。
【００３３】
３〜５枚目のバイパスシート１０ｃ〜１０ｅも同様に、それらのバイパス溝１４の開口部が２〜４枚目のバイパスシート１０ｂ〜１０ｅのそれぞれの基体部分に接して覆われることにより、開口幅ｗ、深さｈのバイパス溝１４を構成する。これらのバイパスシート１０ａ〜１０ｅは、各々が３６本のバイパス溝１４を有する（図１）から、５枚を積層することにより、合計１８０本のバイパス溝１４を有する層流素子２５となる。
【００３４】
図７は、バイパスシート１０のバイパス溝１４のアスペクト比（溝の深さｈ／溝の開口幅ｗ）と、複数のバイパスシート１０を積層した層流素子２５の体積Ｖ当たりの定格流量Ｑと、の関係を示すグラフである。この縦軸のＱ／Ｖは、同一サイズのマスフローコントローラ３０においてどれだけ大きな定格流量を取れるか、という性能の指標を意味する。
【００３５】
ここで、バイパス溝１４は、溝の深さがｈ［ｍｍ］及び幅がｗ［ｍｍ］からなる矩形の流路断面を有し、バイパスシート１０の基体部分の厚さをｔ［ｍｍ］、バイパス溝１４を区画する溝分離壁１５の最小幅をｒ［ｍｍ］、層流素子１枚あたりのバイパス溝１４の本数をｎとすると、下式の関係が成立する。
【数１】
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【００３６】
又、バイパス溝１４の本数をｎについては、バイパスシート１０の内周側面の円周方向に沿って最大の本数を設けるものとし、内周側面の長さを定数と見て、ｎ∝１／（ｗ＋ｒ）と近似した。更に、バイパス溝１４は矩形の流路断面であることと、ｈおよびｗのどちらか小さい方は所定の値になる（ｍｉｎ（ｈ，ｗ）＝ｃｏｎｓｔ．）という後述の層流状態のための条件から、Ｑ∝ｈｗと近似でき、層流素子２５が、Ｎ枚のバイパスシート１０で構成されるとき、定格流量は、Ｑ∝ｈｗｎＮで与えられる。そして、層流素子２５を構成するバイパスシート１０のそれぞれの内径及び外径は同一のものであるから、体積はＶ∝（ｈ＋ｔ）Ｎなる関係を有する。従って、Ｑ／Ｖ∝ｈｗｎ／（ｈ＋ｔ）との関係式が成り立つ。
【００３７】
上式に基いて、深さをｈ［ｍｍ］及び幅をｗ［ｍｍ］のどちらか小さい方が０．１［ｍｍ］とし（ｍｉｎ（ｈ，ｗ）＝０．１［ｍｍ］）、基体部分の厚さをｔ＝０．１５［ｍｍ］、溝分離壁１５の最小幅をｒ＝０．０２［ｍｍ］と設定し、定格流量Ｑ／Ｖとアスペクト比（ｈ／ｗ）の関係を算出した。
【００３８】
その結果、体積当たりの定格流量Ｑ／Ｖは、アスペクト比（ｈ／ｗ）＝１のとき、最小値となった。そして、アスペクト比（ｈ／ｗ）を１より小さくすると多少増加し、０．１より小さい範囲では、概ね０．４に収束する。一方、アスペクト比（ｈ／ｗ）が１〜１０範囲では、Ｑ／Ｖが最小値から急激に増加し、１００以上では０．８を超える一定値に収束することがわかる。
【００３９】
このことから、バイパスシート１０を積層した層流素子２５において、所定の体積当たりの定格流量Ｑ／Ｖを最大化、言い換えると、所望の定格流量Ｑをより小さな体積Ｖで実現するためには、アスペクト比（ｈ／ｗ）が、１を超える（深さｈが開口幅ｗよりも大）範囲で、できるだけ大きいことが好ましいことがわかる。同様の計算で、アスペクト比（ｈ／ｗ）＞１を大きく取ることでバイパスシート１０の一枚あたりの厚み（ｈ＋ｔ）が大きくなることと、所望の定格流量Ｑをより小さな体積Ｖで実現できることは、所望の定格流量を実現するために必要なバイパスシート１０の積層枚数を少なくすることができる、ことを意味する。
【００４０】
上述のとおり、本発明の一実施形態の層流素子は、開口幅に比べて深さが深いバイパス流路を実現することにより、バイパスシート１０の１枚当たりの通過流量を増加させて、層流素子の体積当たりの定格流量を増加させることにより、大流量の層流素子を安価な製造コストで提供することができる。
【００４１】
図８には、本発明のバイパスユニット２０を搭載したマスフローコントローラ（流体制御機器）３０の断面図を示す。マスフローコントローラ３０は、本体３２と、その両側に接続されている流入口４１が設けられた入口側継手３３及び流出口４２が設けられた出口側継手３４からなる。
【００４２】
このマスフローコントローラ３０は、流入口４１から流入して流出口４２から流出する流体の流量を流量制御弁３６により、調節することができる。流入口４１から流入した流体は、バイパスユニット２０（流入ブロック２１、支持部２２、スプリングピン２３、及び層流素子２５からなる）を通って、合流路４５へ流れる。この合流路４５と流出口４２との間に流量制御弁３６が設置され、その開度は流量制御機構３７により制御される。
【００４３】
この流入口４１から流入して流出口４２から流出する流体は、バイパスユニット２０のバイパス流入路４３において分岐し、センサ流入路４７を通って熱式流量センサ部３５に流入する。そして、質量流量が計測された後、センサ流出路４８を通って合流路４５に流入する。例えば、一般的な熱式流量センサでは、非計測流体が層流として通過する細管にヒータを巻回し、両ヒータに同じ電流を流して発熱させ、その両ヒータ同士の抵抗の差をブリッジ回路で測定することで、それらのヒータ間の温度差を検出することにより、質量流量を計測する。
【００４４】
一方、バイパスユニット２０においては、流入口４１から流入した流体が、流入ブロック２１の流入流路２４を通過してバイパス流入路４３に到達する。バイパス流入路４３には、バイパスシート１０を積層した層流素子２５の外周側面が露出しており、上記流体が、層流素子２５の外周側面から内周側面に向かって、多数のバイパス溝１４を層流で流れてバイパス流出路４４に到達する。そして、バイパス流出路４４に到達した流体は、合流路４５で熱式流量センサ部３５を通ってきた流体と合流する。
【００４５】
又、熱式流量センサ部３５により計測した質量流量から、バイパスユニット２０を通過する流体の質量流量を算出するためには、熱式流量センサ部３５を通過する質量流量と、バイパスユニット２０を通過する流体の質量流量と、が比例関係になければならない。その関係を維持するためには、バイパスユニット２０を通過する流体が層流であることが必須である。
【００４６】
このように、本発明のマスフローコントローラ３０では、熱式流量センサ部３５で計測された質量流量データに基いて、流量制御機構３７が流量制御弁３６の開度を調節して、マスフローコントローラ３０を通過する流体の流量を調節することができる。
【００４７】
又、本発明のマスフローコントローラ３０では、バイパスユニット２０を通過することができる所定の体積当たりの定格流量の最大化が可能であるから、マスフローコントローラ３０の筐体を大きくすること無しに、より大きな定格流量を有するマスフローコントローラ３０を構成することができる。
【００４８】
図９に、本発明のマスフローコントローラ３０を含む半導体製造装置５０のブロック図を示す。
【００４９】
この半導体製造装置５０はプロセスチャンバー５１と、当該プロセスチャンバー５１に導入されるプロセスガスを供給するプロセスガス流路５２と、を備える。プロセスガス流路５２にはマスフローコントローラ（流体制御機器）５３が設置され、このマスフローコントローラ５３は、プロセスガス流路５２を通過して、プロセスチャンバー５１に供給されるプロセスガスの流量を調節することができる。
【００５０】
本実施例においては、バイパスシート１０は円環形状で、バイパス溝１４は放射状に配置されていたが、本発明はその他の形状に対しても適用することができる。例えば、バイパスシート１０の外形を長方形状にしたり、バイパス溝１４が平行に並ぶようにしたりしても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ  バイパスシート
１１    中心点
１２    外形半径
１３    内形半径
１４    バイパス溝
１５    溝分離壁
ｈ    溝の深さ
ｗ    溝の開口幅
ｒ    溝分離壁の最小幅
ｔ    バイパスシート基体部分厚み
２０    バイパスユニット
２１    流入ブロック
２２    支持部
２３    スプリングピン
２４    流入流路
２５    層流素子
３０    マスフローコントローラ（流体制御機器）
３２    本体
３３    入口側継手
３４    出口側継手
３５    熱式流量センサ部
３６    流量制御弁
３７    流量制御機構
４１    流入口
４２    流出口
４３    バイパス流入路
４４    バイパス流出路
４５    合流路
４６    流量制御バルブ流路
４７    センサ流入路
４８    センサ流出路
５０    半導体製造装置
５１    プロセスチャンバー
５２    プロセスガス流路
５３    マスフローコントローラ（流体制御機器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020139847.tif 000008
【図６】
2020139847.tif 000009
【図７】
2020139847.tif 000010
【図８】
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【図９】
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