(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロバルブの間に、流体センサを流体流路を介して基板上に集積化し、流体センサで２つのマイクロバルブにはさまれた流路内の流体の圧力の状態もしくは流量を検知し、流体センサの検知に基づいてマイクロバルブが電気的操作によって開閉されることを特徴とするマイクロ微量制御装置。
【請求項２】
シリコン基板上に複数のマイクロバルブが設けられ、その間に流体センサが集積化されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ微量制御装置。
【請求項３】
流体センサが、圧力センサ、真空センサおよびマスフローセンサのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ微量制御装置。
【請求項４】
流体が、ガス、液体およびその混相流体のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ微量制御装置。
【請求項５】
シリコン基板にガラス基板およびシリコン板を積層し、基板上に流入側マイクロバルブおよび流出側マイクロバルブを設け、その間に流体センサを集積化し、ガス流路に存在させていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ微量制御装置。
【請求項６】
マイクロエレクトロニクスあるいはメディカルエレクトロニクスに用いられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロ微量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はマイクロ微量制御装置に関するものである。さらに詳しくは、この発明はマイクロエレクトロニクスやメディカルエレクトロニクスなどの流体流量制御系に有用な、微量の流量を制御することのできるマイクロ流量制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術とその課題】
微量の流体流量を制御する装置は、半導体、電子デバイスの製造等のマイクロエレクトロニクスやメディカルエレクトロニクスなどの分野において欠かせないものであり、微量流量をさらに精度よく高速に制御する小型化された装置が望まれている。
【０００３】
従来、このような微量流量の制御は、希釈装置と切り替え装置等からなるものが一般的であり、たとえば希釈装置の基本的な構造は、ＣＶＤ装置を例にとると、図７に示すように、マスフローセンサ（ア）を通じてガス希釈室（イ）にガスを流し、そこで分岐し、一方は成長室（ウ）へ、他方はそのままポンプ（エ）の吸引力により排出する。さらに成長室（ウ）に流れたガスは、ポンプ（エ）の吸引力により排出するようにしている。
【０００４】
このときのポンプ（エ）の吸引力およびガス希釈室（イ）や成長室（ウ）の体積を調整することによって、ガス希釈室（イ）内の圧力Ｐ1 、成長室内の圧力Ｐ2 、直接ガス希釈室（イ）から排出されるガスのガスライン（オ）内の圧力Ｐ3 を変化させることにより、成長室内（ウ）へ流れる流量を制御している。
しかしながら、たとえばこのガス希釈装置に代表される微量流量の制御装置は、どうしても装置が大型化し、マイクロエレクトロニクスやメディカルエレクトロニクスの分野では実際上は利用できないという欠点がある。
【０００５】
一方、瞬時にガスを送るためのガスの切り替え装置の場合には、二つのバルブを同調させ、瞬時に切換えて、そのガスを成長室に送るものが一般的である。
だが、この従来の流体切り替え装置の場合にも、バルブ開閉時の時間的な誤差や、配管内のガスだまりなどが生じ、精度のよい流量制御が行えないという欠点がある。
【０００６】
以上述べたように、従来の方法においては、どうしても装置が小型化が難しく、さらには、ガス等の流体の希釈は正確でなく、高速で急峻な切り替えも難しいといった問題があった。
この発明は以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来の流体流量制御装置の欠点を克服し、小型のパッケージとして、精度が高く高速な切り替えをも可能とする新しいマイクロ流量制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、複数のマイクロバルブの間に、流体センサを流体流路を介して基板上に集積化し、流体センサで２つのマイクロバルブにはさまれた流路内の流体の圧力の状態もしくは流量を検知し、流体センサの検知に基づいてマイクロバルブが電気的操作によって開閉されることを特徴とするマイクロ微量制御装置を提供する。また、第２には、第１の発明のマイクロ微量制御装置において、シリコン基板上に複数のマイクロバルブを設け、その間に流体センサを集積化することを特徴とするマイクロ微量制御装置を提供し、さらに、第３には、第１または２の発明において、流体センサが、圧力センサ、真空センサおよびマスフローセンナのうちのいずれかであることを特徴とするマイクロ微量制御装置をも提供する。
また、第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、流体が、ガス、液体およびその混相流体のうちのいずれかであることを特徴とするマイクロ微量制御装置を提供し、また第５には、第１ないし４のいずれかの発明において、シリコン基板にガラス基板およびシリコン板を積層し、基板上に流入側マイクロバルブおよび流出側マイクロバルブを設け、その間に流体センサを集積化し、ガス流路に存在させていることを特徴とするマイクロ微量制御装置をも提供し、さらに、第６には、第１ないし４のいずれかの発明において、マイクロエレクトロニクスあるいはメディカルエレクトロニクスに用いられることを特徴とするマイクロ微量制御装置をも提供する。
【０００８】
【実施例】
以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。
まず、この発明の制御装置の構造を説明し、次いで、その作用、および製造例、応用例について説明する。
なお、この発明においては、流体としてガスもしくは微量の液体、あるいはその混相流体も対象となる。
【０００９】
図１はガス流量制御装置（１）の一例である。この装置（１）の場合には、シリコン基板（２ｂ）にガラス基板（３）およびシリコン板（２ａ）を積層し、基板（２ｂ）上に流入側マイクロバルブ（４）、流出側マイクロバルブ（５）を設け、その間に、流体センサ（６）を集積化し、ガス流路（７）に存在させている。
【００１０】
２つのバルブ（４）（５）の中間に位置する流体センサ（６）には、微小ヒータの熱放散を利用した真空センサやマスフローセンサが等が用いられ、真空センサの場合には２つのバルブにはさまれたガス流路（７）内の圧力の状態を、またマスフローセンサの場合はガス流路（７）を通るガス流量を検知する。このような流体センサ（６）によって必要なときにマイクロバルブ（４）（５）を電気的操作によって開閉する。
【００１１】
この装置の大きさは、センサとバルブを小型化することにより、横１０ｍｍ、縦２０ｍｍ程度の非常に小さいものになる。
またこのガス流量制御装置（１）の流入口（８）には、ガラス管（９）を接続し、さらにそのガラス管の先端にはフレキシブルチューブ（１０）と継手（１１）を接続することによって他の装置と接続することができる。
【００１２】
流出口（１２）にも、ガラス管（９）を接続し、さらにそのガラス管の先端にはフランジ（１３）を接続することにより他の装置に接続しやすくなる。もちろん、この図１に例示した形態に限定されることはない。
このようなガス微量制御装置により、ガスソース分子線エピタキシ、ＭＯＣＶＤ、ＣＢＥなどの分子線の制御、時間変調エッチングなどのガス制御、大気圧からの直接サンプリングによるマス分析用ガス導入系などへの応用が可能となる。
【００１３】
この装置におけるガスの流れは次のようになる。すなわち、流入口（８）から送入されたガスはシリコン基板（２ｂ）とガラス基板（３）内のガス流路（７）を通り、流入側バルブ（４）に至る。さらに、この流入側バルブ（４）が開くと、このガスはガス流路（７）を通って、流出側バルブ（５）に送られる。そして、この流出側バルブ（５）が開くとガスは流出口（１２）へ吐出される。
【００１４】
この装置により流量制御を行う場合には、まずはじめに流出側バルブ（５）を閉じ、流入側バルブ（４）を開ける。流入側バルブ（４）と流出側バルブ（５）の間のガス流路（７）において、必要な圧力になるまで、流入側バルブ（４）を開け、流体センサ（６）により所定の圧力や流量を検知し、瞬時に流入バルブ（４）を閉める。その後必要なときに、流出側バルブ（５）を開け、高精度に定量化されたガスは瞬時に流出口（１２）へ吐出される。
【００１５】
図２、図３および図４は、この発明の装置の製造例を、上記とは別の構造のガス流量制御装置の製造工程として例示したものである。
まず、図２は、ガラス基板（３）にシリコン板（２ａ）および流体センサ（６）を積層した製造プロセスを示したものである。すなわち、
（ａ）  ガラス基板に穴加工する。
（ｂ）  シリコン板（Ａ）（Ｂ）を用意し、シリコン板（Ａ）にはその表面に  ＳｉＯ2 の酸化膜を形成し、裏面に約３０μｍのエッチング段差部を形成    する。
【００１６】
また、シリコン基板（Ｂ）には、約２０μｍのエッチング段差部を形成  し、Ｐをドープする。
（ｃ）  ガラス基板と、シリコン板（Ａ）（Ｂ）とを接合し、シリコン板（Ｂ  ）の表面を約１００μｍエッチングし、２μｍのＳｉＯ2 をＰＥＣＤによ    り形成する。
（ｄ）  Ｔｉ蒸着してフォトリソグラフィーし、ＰＥＣＶＤにより２μｍのＳ  ｉＯ2 を形成し、フォトリソグラフする。
（ｅ）  Ｓｉエッチングし、さらに上面ＳｉＯ2 をエッチングする。
（ｆ）  ダイシングし、流体センサ（６）を構成する。
図３は、シリコン基板（２ｂ）の製造工程を例示したものである。すなわち、
（ｇ）  酸化、フォトリソグラフィーによりＳｉエッチングする。
（ｈ）  Ｐをドープした後に、酸化、フォトリソグラフィーにより、所要のＳ  ｉＯ2 膜を形成する。Ｐをドープする。
（ｉ）  ＳｉＮのＣＶＤ、フォトリソグラフィー、ＳｉＮエッチングする。
（ｊ）  Ｓｉエッチングする。
（ｋ）  ＳｉＯ2 エッチング、ＰＳＧのＣＶＤ、フォトリソグラフィー、Ｎｉ  およびＰｔ蒸着、フォトリソグラフィーおよびリード付けを行う。
（ｌ）  ワックスマスクによりＳｉエッチングする。
（ｍ）  ＳｉＮ裏面エッチング、ＳｉＯ2 （裏面）エッチング、ＰＳＧエッチ  ングする。
図４は、組立て工程を例示したものである。
（ｎ）  ガラス基板（３）とシリコン基板（２ｂ）を陽極接合する。
（ｏ）  金属をマスク蒸着する。
（ｐ）  ガラスチューブ、ガラス棒を陽極接合する。
（ｑ）  リード付け、ピエゾアクチュエータの取付（１μｍ分電圧印加下）を行う。
図５は、この発明の２つのガス流量制御装置（５１）（５２）をチャンバ（５０）に接続し、このチャンバを結晶成長室としてＣＶＤ反応を行った例を示したものである。
【００１７】
用いたガスはＴＭＧとＡｓＨ3 であり、ＴＭＧをガス流量制御装置（５１）から、また、ＡｓＨ3 をガス流量制御装置（５２）から供給する。流体センサには真空センサを用い、チャンバ（５０）には排気バルブ（５３）、チャンバ内の圧力を感知する真空センサ（５４）、反応ランプ（５５）が接続してある。
各バルブの動作、真空センサの感知する圧力、排気バルブ、反応用ランプの状態は図６に示す通りである。この図６において、ガス流量制御装置（５１）の流入側バルブの開閉状態、ガス流量制御装置（５１）の真空センサの圧力状態、ガス流量制御装置（５１）の流出側バルブの開閉状態、ガス流量制御装置（５２）の流入側バルブの開閉状態、ガス流量制御装置（５２）の真空センサの圧力状態、ガス流量制御装置（５２）の流出側バルブの開閉状態を示している。また、チャンバ内の真空センサ（５４）の圧力状態、チャンバ内のバルブ（５３）の開閉状態、反応用ランプ（５５）の動作の様子を示すものである。この図において横軸は時間を示している。
【００１８】
図６中の区間ＩにおいてＴＭＧが吸着し、区間IIにおいてＴＭＧの表面反応が起こり、さらに区間III でＡｓＨ3 が吸着し、区間IVにおいてＡｓＨ3 の表面反応が起こる。このＩからIVの区間が一周期となる。
もちろん、この発明は、以上の例に限定されるものではない。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳しく述べたように、この発明によって、
ア）  非常に小型であるので設置対象物との距離を非常に短くでき、配管内の
流体だまりなどの問題を生じない。
イ）  小型センサとマイクロバルブにより、急峻な流体切り替えができる。
などの効果が得られ、マイクロエレクトロニクスやメディカルエレクトロニクスに利用可能であり、高精度で高速な、流体の微量流量制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の装置を例示した断面図である。
【図２】この発明の装置の製造工程の一部を示した断面図である。
【図３】この発明の装置の製造工程の一部を示した断面図である。
【図４】この発明の装置の組立製造例を示した断面図である。
【図５】この発明の応用例を示した構成図である。
【図６】図５の例の装置について、そのガスフローと動作を示したタイムチャート図である。
【図７】従来の希釈装置を示した構成図である。
【符号の説明】
１    ガス流量制御装置
２ａ  シリコン板
２ｂ  シリコン基板
３    ガラス基板
４    流入側マイクロバルブ
５    流出側マイクロバルブ
６    流体センサ
７    ガス流路
８    流入口
９    ガラス管
１０    フレキシブルチューブ
１１    継手
１２    流出口
１３    フランジ
１４    ピエゾアクチュエータ
５０    チャンバ
５１，５２    ガス流量制御装置
５３    排気バルブ
５４    真空センサ
５５    反応用ランプ
ア    マスフローセンサー
イ    ガス希釈室
ウ    成長室
エ    ポンプ
オ    ガスライン
【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】
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【図６】
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【図７】
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