(57)【要約】【課題】フローセンサチップと流路形成部材を低融点ガラスで接合する際に接合層の厚さを所定の厚さに規定してフローセンサチップと流路形成部材との間に形成される流路の断面積の変動を無くしてセンサ毎の個体差を少なくするようにしたフローセンサを提供する。【解決手段】流体の流れを検出する検出部７が形成されたフローセンサチップ２と、フローセンサチップ２と協働して流体を流す流路４を形成する流路形成部材３とを備えたフローセンサ１において、フローセンサチップ２と流路形成部材３とは低融点ガラス９で接合されかつ流路形成部材３に低融点ガラス９の接合部の厚さを規定するための厚さ規定手段３ｄを設けた構成としたものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、
前記フローセンサチップと協働して前記流体を流す流路を形成する流路形成部材とを備えたフローセンサにおいて、
前記フローセンサチップと流路形成部材とは低融点ガラスで接合されかつ前記流路形成部材に前記低融点ガラスの接合部の厚さを規定するための厚さ規定手段が設けられていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、
前記フローセンサチップと協働して前記流体を流す流路を形成する流路形成部材とを備えたフローセンサにおいて、
前記フローセンサチップと流路形成部材とは低融点ガラスで接合され、かつ前記流路形成部材に一端が陽極接合され他端が前記センサチップの流路と反対側の面と同じ高さをなすことで前記低融点ガラスの接合部の厚さを所定の厚さに保つようにした厚さ規定部材を備えたことを特徴とするフローセンサ。
【請求項３】
前記厚さ規定部材が前記流路形成部材と一体に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に半導体製造装置に使用する（不活性）ガス等の微少な流量の測定に好適に使用されるフローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体製造装置に使用するガス等の流体の流量を検出する流量測定装置（フローセンサ）として、流体に熱を付与し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流量を測定する熱式の流量測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、本発明に係るフローセンサに関連するフローセンサの一例を示し、フローセンサ１は、フローセンサチップ２と、下面３ａがフローセンサチップ２の上面２ａに接合され当該フローセンサチップ２と協働してガス等の被測定流体の微小な流路４を形成する流路形成部材としての透明なガラスチップ３とにより構成されている。流路４の両端部にはガラスチップ３の上面３ｂに開口する流体導入口４ａ、流体導出口４ｂが形成されている。
【０００４】
フローセンサチップ２は、シリコン基板５の上面に窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）６が形成され、該絶縁膜６の流路４の中央位置と対応する位置に流量検出部（センサ部）７が形成され、更に流量検出部７が窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜８により被覆された構成とされている。尚、図７において絶縁膜６，８は、流路検出部７を分かりやすくするために透明に描いてある。
【０００５】
フローセンサチップ２の上面２ａの中央位置には流量検出部７の下方位置に凹部２ｃが形成されており、流量検出部７が形成されている絶縁膜６の凹部２ｃを覆う部位はダイアフラムとされて流量検出部７とシリコン基板５とが熱的に遮断されている。流量検出部７は、熱式の検出部で絶縁膜６上に例えば白金（Ｐｔ）薄膜でできた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測温素子とにより構成されている。
【０００６】
流量検出部７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各リードパターン７ａ，７ｂ，７ｃは、フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとの間を通してフローセンサ１の両側方（幅方向）に延出されている。また、ガラスチップ３の長手方向に沿う両側部の中央に切欠部３ｃが形成されており、リードパターン７ａ〜７ｃの先端の接続端部を露出させて外部の測定回路に接続可能とされている。
【０００７】
被測定流体（以下「ガス」という）は、流路４の流体導入口４ａから流路４内に導入され流体導出口４ｂから導出される。そして、流量検出部７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５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、流路４を流れるガスを加熱する。
【０００８】
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つまり温度差を検出して流路４内を流れるガスの流量を測定する。
【特許文献１】特開平５−９９７２２号公報（３―４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記フローセンサ１において絶縁膜６，８で覆われた流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃは、フローセンサチップ２の上面２ａと段差を有しており、フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとの間を通して側方に延出させてフローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する際に前記リードパターンの段差を吸収しかつ流路４の気密を確保して接合することが必要である。
【００１０】
このような構造のフローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する場合、絶縁膜６，８で覆われた流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃとフローセンサチップ２の上面２ａとの段差を吸収しかつ流路４の気密を確保して接合する接合部材として図８及び図９に示すように低融点ガラス（例えば、フリットガラス）９を使用することが考えられる。
【００１１】
しかしながら、フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを低融点ガラス９で接合する場合、当該低融点ガラス９の厚さ、即ち接合層の厚さが変動（略±１０μｍ程度）するおそれがある。接合層の厚さが変動すると流路４の断面積がフローセンサ毎に異なることとなり、流量特性に個体差が生じるという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、フローセンサチップと流路形成部材を低融点ガラスで接合する際に接合層の厚さを所定の厚さに規定してフローセンサチップと流路形成部材との間に形成される流路の断面積の変動を無くしてセンサ毎の個体差を少なくするようにしたフローセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、前記フローセンサチップと協働して前記流体を流す流路を形成する流路形成部材とを備えたフローセンサにおいて、前記フローセンサチップと流路形成部材とは低融点ガラスで接合されかつ前記流路形成部材に前記低融点ガラスの接合部の厚さを規定するための厚さ規定手段が設けられていることを特徴としている。
【００１４】
流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、フローセンサチップと協働して流体を流す流路を形成する流路形成部材とを低融点ガラスにより接合し、流路形成部材に設けられた厚さ規定手段により低融点ガラスの厚さ、即ち接合部の厚さを規定して一定の厚さにする。これにより、流路断面積の変動が無くなり、フローセンサ毎のバラツキが少なくなり、流量特性の個体差を少なくすることが可能となる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載のフローセンサは、流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップと、前記フローセンサチップと協働して前記流体を流す流路を形成する流路形成部材とを備えたフローセンサにおいて、前記フローセンサチップと流路形成部材とは低融点ガラスで接合され、かつ前記流路形成部材に一端が陽極接合され他端が前記センサチップの流路と反対側の面と同じ高さをなすことで前記低融点ガラスの接合部の厚さを所定の厚さに保つようにした厚さ規定部材を備えたことを特徴としている。
【００１６】
流体の流れを検出する検出部が形成されたフローセンサチップとこのフローセンサチップと協働して流体を流す流路を形成する流路形成部材とを低融点ガラスにより接合し、流路形成部材に一端が陽極接合され他端がセンサチップの流路と反対側の面と同じ高さをなす厚さ規定部材により、低融点ガラスの接合部の厚さを所定の厚さに保つ。これにより、流路断面積の変動が無くなり、フローセンサ間のバラツキが少なくなり、流量特性の個体差を少なくすることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に記載のフローセンサは、請求項２に記載のフローセンサにおいて、前記厚さ規定部材が前記流路形成部材と一体に形成されていることを特徴としている。
【００１８】
低融点ガラスの接合部の厚さを所定の厚さに保つ厚さ規定部材を流路形成部材に一体に形成することで、部品点数の低減や作業性の向上を図ることが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、フローセンサチップと、フローセンサチップと協働して流体を流す流路を形成する流路形成部材とを低融点ガラスにより接合し、低融点ガラスの接合部の厚さを一定に規定することで、流路断面積の変動が無くなり、フローセンサ毎のバラツキが少なくなり、流量特性の個体差を少なくすることができる。
【００２０】
また、流路形成部材に厚さ規定部材を設けることで厚さ規定部材の板厚分だけフローセンサチップを短くすることができ無駄面積が縮小されてコストダウンを図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。尚、図７乃至図９に示す部材と同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図１及び図２に示すようにガラスチップ３は、透明なガラス例えば硼珪酸ガラスで形成され、下面３ａの中央に長手方向に沿って流量検出部７上にガス等の被測定流体を流すための流路（溝）４が形成されている。流路４は、両端部にガラスチップ３の上面３ｂに開口する流体導入口４ａ、流体導出口４ｂが形成されている。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等があり、本実施形態ではガラスチップ３は、パイレックス（登録商標）ガラスを使用している。
【００２２】
尚、フローセンサチップ２の基板としてシリコンを使用した場合、シリコンの熱膨張係数（２.３×１０−６／℃）とパイレックス（登録商標）ガラスの熱膨張係数（３.２×１０−６／℃）が近似しているため、これらの接合部の熱応力に起因する歪みを少なくすることができて好ましい。また、パイレックス（登録商標）とテンパックスは、熱膨張係数などを含むほとんどの特性がほぼ同じであるので、どちらを使用してもかまわない。更に流路形成部材は、ガラスに限るものではなく、また不透明でも良く、シリコンあるいはシリコンとガラスの複合、その他、窒化シリコンや炭化シリコンなどのシリコンと熱膨張係数の近いセラミックスなどでも良い。
【００２３】
流路４は、加工面即ち、内壁面が平滑な面となるような工法例えば、溶融成型やフッ酸エッチング等により加工しても良く、或いはエンドミルやサンドブラスト等により流路４を形成した後にドライ又はウェットエッチングを併用して内壁面が滑らかになるように処理しても良い。流路４の内壁面を平滑な面とすることでガラスチップ３の外側から流量検出部７や流路４を観察することが容易となる。尚、ガラスチップ３の外側から流量検出部７や流路４を観察する必要が無い場合は、エンドミルやサンドブラスト等による加工のままでも良い。
【００２４】
ガラスチップ３の下面３ａには流路４の周縁部に全周に亘り所定の深さ及び幅の溝（凹部）３ｄが形成されている。溝３ｄは、図２に示すように段差をなし、外周部３ｅがガイド部をなし、内周部が流路４に開口している。この溝３ｄは、フローセンサチップ２とガラスチップ３とを接合する接合部材としての低融点ガラスを導入して接合部の厚さを所定の厚さに保つ（規定）する厚さ規定手段としての機能を有している。
【００２５】
また、ガラスチップ３の下面３ａの長手方向両側部中央には溝３ｄと切欠部３ｃとの間に図１及び図３に示すように溝３ｄよりも浅い溝（凹部）３ｆが形成されており、絶縁膜６，８で覆われた流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃの上面２ａに対する段差部を挿通させるようになっている。尚、溝３ｄ，３ｆは、溶融成型やフッ酸エッチング等により加工しても良く、或いはエンドミルやサンドブラスト等により形成しても良い。
【００２６】
因みにフローセンサチップ２のサイズは、１.５ｍｍ×３.５ｍｍ〜６.０ｍｍ×１２.０ｍｍ程度／厚さ０.５ｍｍ〜２.０ｍｍ程度であり、ガラスチップ３のサイズは、１.５ｍｍ×３.５ｍｍ〜６.０ｍｍ×１２.０ｍｍ程度／厚さ０.５ｍｍ〜２.０ｍｍ程度である。また、流路４のサイズは、幅０.２ｍｍ〜１.０ｍｍ／深さ０.２ｍｍ〜０.５（〜１.０）ｍｍ程度である。また、溝３ｄは、１０μｍ〜１００μｍ程度の深さ／０.５ｍｍ〜１.５ｍｍ程度の幅とされている。溝３ｆは、１０μｍ〜１００μｍ程度の深さ／０.５ｍｍ〜２ｍｍ程度の幅とされている。
【００２７】
以下に上記構成のフローセンサチップ２とガラスチップ３との接合について説明する。先ず、ガラスチップ３の溝３ｄ内に低融点ガラス９を塗布（充填）し、仮焼成（溶剤などを揮発させて硬化）する。低融点ガラス９の塗布（充填）は、例えばスクリーン印刷やディスペンサ等によって溝３ｄの接着面としての内面にパターニングすることにより行うことができる。尚、溝３ｄに低融点ガラス９を適量施して焼成しても良い。低融点ガラス９としては例えば前述したフリットガラスと称するものがあり、本実施形態ではこのフリットガラスを使用している。フリットガラスは、融点が３５０℃〜４５０℃程度である。
【００２８】
次いで、ガラスチップ３を図１及び図２に示すように流路４が流量検出部７の上方に位置しかつ当該流量検出部７の被測定流体の検出方向に沿うように載置して溝３ｄの外周部（ガイド部）３ｅの下面３ａをフローセンサチップ２の上面２ａに押し付けて当接させる。次いで、所定の温度（約３５０℃〜４２０℃）に加熱して低融点ガラス９を溶融させてペースト状にしてガラスチップ３の溝３ｄの接着面（内面）とフローセンサチップ２の上面２ａとを密着接合する。
【００２９】
ペースト状に溶融した低融点ガラス９は、表面張力により流路４内にはみ出すことなくフローセンサ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する。そして、流量検出部７の絶縁膜６とリードパターン７ａ〜７ｃと絶縁膜８とにおけるフローセンサチップ２の上面２ａとの段差は、低融点ガラス９により吸収されかつ流路４が密封される。
【００３０】
ガラスチップ３は、図２に示すように溝３ｄの外周部３ｅの下面３ａがフローセンサチップ２の上面２ａに当接されてガイドされていることで、フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する低融点ガラス９の厚さ（接合層の厚さ）が所定の厚さ（一定の厚さ）に保たれる。これにより、フローセンサチップ２とガラスチップ３とにより形成される流路４の断面積の変動が無くなり、フローセンサ毎のバラツキの少ない特性を得ることができる。
【００３１】
図４は、図１及び図２に示したフローセンサ１の使用例の概略を示す。フローセンサ１は、フローセンサチップ２の下面２ｂが２点鎖線で示すセンサブラケット２１に接着されて流路ボディ２２に収納されボルト２３で固定される。ガラスチップ３の流路４の流体導入口４ａ、流体導出口４ｂは、流路ボディ２２に形成されている流体導入口２２ａ、流体導出口２２ｂにゴム製のＯリング２４を介して気密に接続される。また、流量検出部７のリードパターン７ａ〜７ｃは、図示しない外部の流量測定回路に接続される。
【００３２】
流路ボディ２２は、矢印で示すように流体導入口２２ａからガスをフローセンサ１の流路４に導入し流体導出口２２ｂから導出させる。流量検出部７は、流路４を流れる被測定流体を検出して対応する信号を出力する。前記流量測定回路は、流量検出部７から入力される信号によりガスの流量を測定する。
【００３３】
図５及び図６は、本発明に係るフローセンサの第２の実施形態を示す。尚、図１及び図２に示す部材と対応する部材には対応する符号を付して詳細な説明を省略する。図５及び図６に示すようにフローセンサ１は、フローセンサチップ２とガラスチップ３、及び厚さ規定部材１１により構成されている。厚さ規定部材１１は、ガラスチップ３の下面３ａの長手方向両端部に設けられている。
【００３４】
厚さ規定部材１１は、シリコン又はガラスにより形成され、流路形成部材がガラスの場合はシリコンで形成され、流路形成部材がシリコンの場合はガラスで形成される。即ち流路形成部材と厚さ規定部材の何れか一方をシリコンで形成し、何れか他方をガラスで形成して流路形成部材と厚さ規定部材とを陽極接合可能としている。即ち、「厚さ規定部材」と「流路形成部材」の組み合わせは、「シリコン―ガラス」又は「ガラス―シリコン」である。本実施形態においては流路形成部材がガラスにより形成されており、厚さ規定部材１１は、シリコンで形成されている。
【００３５】
厚さ規定部材１１は、ガラスチップ３の長手方向の端部（側部）３ｇの厚みよりも薄い例えば１／４程度の板厚とされ、その幅が図５に示すようにガラスチップ３の幅と同じとされ、その高さが図６に示すように所定の高さＨに設定されている。この高さＨは、フローセンサチップ２の板厚Ｄと、フローセンサチップ２とガラスチップ３とを接合して流路４を密封する低融点ガラス９の厚さ（接合層の厚さ）ｄとを加えた高さ（Ｈ＝Ｄ＋ｄ）とされている。この厚さ規定部材１１の高さＨは、研磨によって正確に調整することが可能である。
【００３６】
厚さ規定部材１１は、上面１１ａがガラスチップ３の両端部の下面３ａに陽極接合により接合される。そして、ガラスチップ３の下面３ａに低融点ガラス（フリットガラス）９を所定の厚み塗布して仮焼成する。
【００３７】
フローセンサチップ２は、ガラスチップ３の下面３ａの両端部に接合されている厚さ規定部材１１間の長さと同じ又は僅かに短い長さに設定されている。尚、図５においてフローセンサチップ２は、ガラスチップ３の両端部に接合されている厚さ規定部材１１間の長さよりも僅かに短く設定されており、両端面がそれぞれ厚さ規定部材１１と僅かな隙間を存して対向しかつガラスチップ３の下面３ａに接合して流路４を密封可能とされている。
【００３８】
フローセンサチップ２は、基盤２５に載置されて上方からガラスチップ３が装着される。フローセンサチップ２は、ガラスチップ３の両端部に接合されている厚さ規定部材１１間の長さよりも僅かに短く設定されていることでガラスチップ３を容易に装着することができる。
【００３９】
次いで、所定温度（約３５０℃〜４２０℃）に加熱して低融点ガラス７を溶融させてペースト状にすると共に、ガラスチップ３を基盤２５に押し付けて厚さ規定部材１１の下面１１ｂを基盤２５に当接させる。これにより、厚さ規定部材１１が支えとなってフローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する低融点ガラス９の厚さ（接合層の厚さ）が所定の厚さ（一定の厚さ）に保たれかつ流路４が密封される。
【００４０】
フローセンサチップ２の上面２ａとガラスチップ３の下面３ａとを接合する低融点ガラス９の厚さ（接合層の厚さ）が所定の厚さ（一定の厚さ）に保たれることにより、フローセンサチップ２とガラスチップ３とにより形成される流路４の断面積の変動が無くなり、フローセンサ毎のばらつきの少ない特性を得ることができる。
【００４１】
また、シリコンで形成した厚さ規定部材１１の高さを研磨によって調整することができるので、低融点ガラス９の接合層の細かい厚さ設定が可能となり、流路４の断面積が一定のばらつきが少ないフローセンサを製作することが可能となる。また、ガラスチップ３の長手方向両端部に厚さ規定部材１１が存在することでその分だけフローセンサチップ２の長さを短くすることができ、フローセンサチップ２の無駄な面積が縮小化されてコストの低減を図ることができる。
【００４２】
尚、上記実施形態においては別体に形成した厚さ規定部材１１をガラスチップ３の下面３ａの両端に陽極接合する場合について記述したが、これに限るものではなく、厚さ規定部材をガラスチップ３に一体に形成するようにしても良い。厚さ規定部材とガラスチップ３を一体に形成する場合部品点数の低減を図ることが可能となると共に陽極接合の工程も不要となり、作業性の向上及びコストの低減が図られる。
【００４３】
また、上記実施形態においては厚さ規定部材１１をガラスチップ３に予め陽極接合しておき、ガラスチップ３とフローセンサチップ２との接合時に低融点ガラス９を加熱溶融してこれらガラスチップ３とフローセンサチップ２とを接合するようにしたが、厚さ規定部材１５をガラスチップ３に陽極接合すると同時に、この陽極接合の際に加える熱により低融点ガラス９を溶融させてガラスチップ３とフローセンサチップ２とを接合するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るフローセンサの第１の実施形態の平面図である。
【図２】図１に示したフローセンサの矢線II―IIに沿う断面図である。
【図３】図１に示したフローセンサの矢線III―IIIに沿う断面図である。
【図４】図１に示したフローセンサの使用例の概略を示す断面図である。
【図５】本発明係るフローセンサの第２の実施形態の平面図である。
【図６】図５に示したフローセンサの矢線VI―VIに沿う断面図である。
【図７】本発明に係るフローセンサに関連するフローセンサの斜視図である。
【図８】図７に示したフローセンサの矢線VIII―VIIIに沿う断面図である。
【図９】図７に示したフローセンサの矢線IX-IXに沿う断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    フローセンサ
２    フローセンサチップ
２ａ    上面
２ｂ    下面
２ｃ    凹部
３    ガラスチップ（流路形成部材）
３ａ    下面
３ｂ    上面
３ｃ    切欠部
３ｄ    溝（厚さ規定手段）
３ｅ    外周部（ガイド部）
３ｆ    溝（凹部）
３ｇ    ガラスチップの長手方向の端部（側部）
４    流路
４ａ    流体導入口
４ｂ    流体導出口
５    シリコン基盤
６    絶縁膜
７    流体検出部（センサ部）
７ａ，７ｂ，７ｃ    リードパターン
８    絶縁膜
９    低融点ガラス
１１    厚さ規定部材
１１ａ    上面
１１ｂ    下面
２１    センサブラケット
２２    流路ボディ
２２ａ    流体導入口
２２ｂ    流体導出口
２３    ボルト
２４    Ｏリング
２５    基盤
ｄ    低融点ガラスの厚さ（接合層の厚さ）
Ｄ    板厚
Ｈ    高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008070315.tif 000005
【図４】
2008070315.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008070315.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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