(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理装置に使用するための拡散接合されたガス分配アッセンブリを製造する方法において、
ａ）複数の金属層を設けるステップであって、金属層の接合される表面の平均粗さが０．１マイクロインチＲａから３０マイクロインチＲａまでの範囲にあり、前記複数の金属層の少なくとも１つの厚さが０．０００５インチから０．０６インチまでの範囲にある、ステップと、
ｂ）前記金属層の少なくとも１つを通して少なくとも１つの特徴部を化学的又は電気化学的にエッチングするステップと、
ｃ）コンポーネントを含むガス分配アッセンブリが拡散接合により形成されるように、前記複数の金属層及びコンポーネントの少なくとも一部を整列するステップと、
ｄ）前記整列した複数の金属層及び前記コンポーネントの前記少なくとも一部を同時に拡散接合して、これにより前記コンポーネント及び前記金属層を備えるガス分配アッセンブリを形成するステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
前記コンポーネントは、手動操作弁、自動弁、圧力及び温度センサ、流量コントローラー、フィルタ、圧力レギュレータ、逆止弁、計量弁、ニードル弁、及び浄化器より成るグループから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コンポーネントは、前記複数の層に一体化され且つ同時に拡散接合された少なくとも１つの下部水平部材を備える弁である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の金属層は、ステンレススチール、耐腐食性ニッケル合金、耐腐食性コバルト合金、及びその組合せより成るグループから選択された金属を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の金属層の各々は、４００シリーズのステンレススチールから形成され、更に、拡散接合は、１０００℃から１３００℃の範囲内の温度において、３０００ｐｓｉから５０００ｐｓｉの範囲内の圧力で、３時間から６時間の範囲内の時間周期中、実行される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の金属層の各々は、最大濃縮重量％にしてＮｉ ５６％、Ｃｒ ２２％、Ｍｏ １３％、Ｗ ３％、Ｆｅ ３％、Ｃｏ ２．５％、Ｍｎ ０．５０％、Ｖ ０．３５％、Ｓｉ ０．０８％、Ｃ ０．０１０％を含む組成の耐腐食性ニッケル合金から形成され、拡散接合は、１０００℃から１３００℃の範囲内の温度において、８０００ｐｓｉから１００００ｐｓｉの範囲内の圧力で、３時間から６時間の範囲内の時間期間中、実行される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の金属層の少なくとも１つは、４００シリーズのステンレススチールから形成され、前記複数の金属層の少なくとも１つは、最大濃縮重量％にしてＮｉ ５６％、Ｃｒ ２２％、Ｍｏ １３％、Ｗ ３％、Ｆｅ ３％、Ｃｏ ２．５％、Ｍｎ ０．５０％、Ｖ ０．３５％、Ｓｉ ０．０８％、Ｃ ０．０１０％を含む組成の耐腐食性ニッケル合金から形成され、拡散接合は、１０００℃から１３００℃の範囲内の温度において、４０００ｐｓｉから１００００ｐｓｉの範囲内の圧力で、３時間から６時間の範囲内の時間期間中、実行される、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の金属層の少なくとも１つは、４００シリーズのステンレススチールから形成され、前記複数の金属層の少なくとも１つは、最大濃縮重量％にしてＣｏ ４１％、Ｃｒ ２１％、Ｎｉ １６％、Ｆｅ １１．４％、Ｍｏ ８％、Ｍｎ ２．５％、Ｃ ０．１５％を含む組成の耐腐食性コバルト合金から形成され、拡散接合は、１０００℃から１３００℃の範囲内の温度において、４０００ｐｓｉから１００００ｐｓｉの範囲内の圧力で、３時間から６時間の範囲内の時間期間中、実行される、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の金属層の各々は、３１６Ｌシリーズのステンレススチールから形成され、更に、拡散接合は、１０００℃から１３００℃の範囲内の温度において、３０００ｐｓｉから５０００ｐｓｉの範囲内の圧力で、３時間から６時間の範囲内の時間期間中、実行される、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
[0003]本出願は、現在出願中の、２００２年１２月２０日に出願された米国特許出願第１０／３２８，１３５号の一部継続出願である。
【発明の分野】
【０００２】
[0005]本発明は、半導体処理装置においてガスを分配するのに特に有用なスペース節約の一体化流体配送システムに関する。又、本発明は、半導体処理用途においてガスの流れを許容するか又は阻止するように適応されるコンパクト設計のオン／オフ弁にも関する。又、流体配送ネットワークアーキテクチャーの構造体に異なる度合いで一体化することのできるフィルタ、圧力センサ、流体熱センサ、層流エレメント、圧力レギュレータ、制御弁、制流器、及び逆止弁のような他の一体化流体コンポーネントにも関する。
【背景技術の簡単な説明】
【０００３】
[0007]一般的には流体の取り扱いに依存する化学的処理において、より詳細には、取り扱うべき流体が危険な及び反応性の材料であるときには、流体取り扱い装置及びネットワークアーキテクチャーを、改善されたシステム漏洩信頼性で慎重に一般的処理システムへと一体化することが極めて重要である。更に、システム漏洩信頼性を確保し、サイズ減少を与え、且つ融通性のある制御を行えるためには、流体取り扱いに使用される全てのコンポーネント装置を全体的な流体フローネットワークアーキテクチャーへ良好に一体化することが重要である。例えば、半導体処理のような用途では、流体コンポーネント装置が、流体配送プロセスの清潔さを確保する特定の能力も示し、製造されているソリッドステートデバイスが性能及び信頼性に影響のある汚染を受けないようにしなければならない。
【０００４】
[0008]最も広く使用されている流体コンポーネント装置の１つで、過去において粒子汚染のソースであったものは、オン／オフ弁である。この流体オン／オフ弁は、多数の特定の能力を示さねばならない。第１に、１気圧の圧力差でヘリウムを約１ｘ１０−９ｃｃ／秒程度に実質上絶対的に遮断すること及び漏出を実質上ゼロにすること（これも１気圧の圧力差でヘリウム１ｘ１０−９ｃｃ／秒）を含んで、流体フローを許可したり阻止したりしなければならない。ヘリウムは、通常、原子サイズが小さく、拡散性があって、且つ移動度が高いので、漏洩テストに使用される。これは、しばしば非常に毒性及び腐食性の高いプロセス流体の環境への露出を防止する能力を表す。又、流体オン／オフ弁は、弁の濡れた部分内の部品が磨耗することで通常発生する著しい量の粒子に貢献しないように、必要な高い流体純度も維持しなければならない。流体オン／オフ弁は、流体の腐食特性に対して優れた抵抗力を有していなければならない。搬送される多数の流体の毒性のために、非常に高いシステム漏洩信頼性及び長い使用寿命（停止及び部品交換の必要性の回避）が非常に重要である。又、コンパクト設計で且つ合理的コストであることも重要である。
【０００５】
[0009]現在のスペース節約一体化流体配送システムで作業する間には、上述した効果の多くを発揮するオン／オフ弁が設計されていた。一体化流体配送システムの説明に加えて、このオン／オフ弁も、ここで詳細に説明する。
【０００６】
[0010]本発明は、一体化流体フローシステムに関する概念を、改善された機能を許容するだけでなく製造において著しいコスト節約も許容する新たな一体化レベルへともっていく。削減された製造コスト及び適切にバランスされたモジュール化レベルの結果として、個々のコンポーネント装置（現在の設計では一体化モジュールの一部分である）に対して長時間の保守及び修理操作中システムを停止するのではなく一体化モジュールを交換することで、流体フローシステムの保守コストを削減することができる。
【０００７】
[0011]半導体産業における非常に高いシステム漏洩信頼性及び長い使用寿命（停止及び部品交換の必要性の回避）の重要性は、オン／オフ弁の設計に関して考慮しなければならないファクタにより示される。例えば、流体フロー弁では、流体で濡れる部品の各々を、耐腐食性の高い材料で製造しなければならない。一般的な化学処理産業では、プロセス制御弁がしばしば耐腐食性プラスチック又はエラストマーの弁座を使用している。金属の弁座は、弁座の保守を最小にし且つ流体の清潔さを維持する上で効果を発揮するが、緊密な遮断を確実に与えるためには、ポリマー系弁座に比して高い座力を必要とする。その結果、金属弁座をもつ全ての弁は、通常、ポリマー系弁座をもつ弁よりも著しくサイズが大きく且つコストが高くなる。全ての金属弁の付加的な効果は、高い温度に加熱できる能力と、それらの優れた湿気乾燥特性とを含む。
【０００８】
[0012]ガスの流量を制御するための金属対金属の座部を有する効果的な弁の一例は、弁に取り付けられた柔軟な金属ダイアフラムを使用し、従って、このダイアフラムは、金属弁座とシール接触したり接触を解除したりするように移動して、各々、ガス流路を閉じたり開けたりすることができる。弁座は、丸い金属シール突起を有し、座部をめぐる比較的小さな断面半径がガス流路の周りに延びている。柔軟な金属ダイアフラムは、アクチュエータにより弁座の金属シール突起とシール接触したり接触を解除したりするように移動され、そのアクチュエータは、ガス流路を狭め即ち閉じる間にダイアフラムに力強く接触する金属バッキング部材を使用している。この全金属弁に関する付加的な情報については、１９８８年５月２６日付けのルイス・オリビア氏の米国特許第５，７５５，４２８号を参照されたい。
【０００９】
[0013]上述したように、プロセス流体の漏出及び／又は弁機構に対するプロセス流体の攻撃の潜在的な問題は、（他の閉止技術の中でも）金属の濡れ部品を有するダイアフラム弁を使用して対処することができる。しかしながら、従来の設計では、弁座が金属であるときに、ポリマー系弁座に比して特に強いシール力が必要とされる。通常、高サイクル用途に対してプラスチック弁座が使用されるときには、弁座のプラスチックの変形が、弁の信頼性を低下させる。弁は、通常、アクチュエータへの起動力（電気又は空気）が失われた場合に「フェイスセーフ」状態を与えるために、常閉位置に操作される。アクチュエータの設計が、金属弁座に必要とされる大きな力を与えることのできるスプリング（１つ又は複数）を組み込むときには、スプリングは、通常、高さが３ｃｍから１０ｃｍ程度の大きなものとなり、弁それ自体は、同等の容量のプラスチック弁座の弁の価格のほぼ５倍から６倍のコストになることがしばしばある。従って、流体で濡らされる全ての部品が金属である耐腐食性のオン／オフ弁であって、設計上コンパクトで且つその最終用途へ良好に一体化されるような弁をもつことが強く要望される。
【００１０】
[0014]流体フロー装置及びチャンネルと一体化制御システムとの一体化ネットワークアーキテクチャーについては、高度の一体化、簡単化及び操作のし易さが常に要求される。性能及び取り扱い上の効果に加えて、一体化流体フローシステムは、コスト的に競争力のあるものでなければならない。これは、種々の流体取り扱い装置、相互接続ネットワークアーキテクチャー及び一体化制御システムのための製造方法が、大量生産、可変生産需要、及びコスト効果の高いＮＲＥ（非反復エンジニアリング）料金のための工作機械設備を容易に拡張できる必要があることを意味する。本発明は、これら全ての領域において実質的な効果を発揮する。
【発明の概要】
【００１１】
[0016]本開示は、半導体処理装置においてガス分配に特に有用なスペース節約の一体化流体配送システムに関する。本発明は、半導体処理の用途においてガスの流量を正確に制御するように適応されたフィルタ、圧力センサ、流体熱センサ、層流エレメント、及びコンパクト設計の一体化オン／オフ弁を含む種々の一体化流体取り扱い装置に適用できる。一体化流体配送システム、及びオン／オフ弁のような一体化流体取り扱い装置は、積層基板技術を、その装置に基づいて種々の程度で使用する。積層基板技術では、流体フローチャンネル、コンポーネント装置構造体の一部分、及びある場合には、完全なコンポーネント装置構造体が、流体取り扱い相互接続ネットワークアーキテクチャーへと一体化される。流体フローチャンネルは、パターン化金属及び金属合金の層を使用して製造され、これらの層は、この技術で知られた任意の方法によりパターン化できるが、化学的又は電気化学的にエッチングされ、次いで、互いに接着されて、積層基板を形成するのが効果的である。パターン化金属層を接着するのに効果的に使用される１つの方法は、拡散接合である。又、コンポーネント装置構造体及び完全な装置構造体の一部分も、互いに接着されたパターン化金属及び金属合金層を、通常流体フローチャンネルと同時に使用して製造されて、流体ネットワークを形成する。部分的に一体化され及び完全に一体化された装置構造体を積層基板へと拡散接合することを、ここで詳細に説明する。
【００１２】
[0017]半導体処理操作においてプロセス流体の制御に使用するものとされた一体化オン／オフ弁の一実施形態（一例として示すもので、これに限定されない）は、この弁の流体で濡れる表面を、この弁の濡れる区分をこの弁の濡れない装置区分から分離する金属性ダイアフラムも含めて、耐腐食性金属又は金属合金で構成するように、製造される。濡れる区分では、プロセス流体が１つ以上の入口ポートに入れられる。濡れる区分からの出口ポートは、環状の金属性弁座を備えている。この弁座は、出口ポートの内部リップとして形成されるか又はそこに形成される。弁が閉じると、ダイアフラムの区分が弁座に対してぴったりと押圧されることにより流体のフローが遮断される。流体は、各々の方向に流れることができる。
【００１３】
[0018]金属の弁座は、ダイアフラム及びそのバッキング円板により押圧されたときに弾性変形するものであって、弁が閉じることにより永久的に変形するのではなく、弁が閉じて再度開くたびに回復するような動的な弁座であるのが効果的である。
【００１４】
[0019]弁の濡れる区分では、拡散接合を使用して金属対金属の接合を達成するのが効果的である。拡散接合は、プロセス流体を吸収も解放もせず、且つ溶接接合の場合のようにプロセス流体への不純物に貢献することもない強力な結合部を形成する直接接合プロセスである。濡れる流路に接着剤（又は残留接着剤）が存在しないことが重要である。拡散接合は、コストのかかるミリング（加工）を伴わずに複雑な形状を形成できるようにする。
【００１５】
[0020]拡散接合を最も有効なものにするために、接合されるべき金属面は、拡散接合の前に、平均粗面性が約０．１Ｒａから最大約３０Ｒａの範囲内になければならない。通常、接合されるべき金属面は、その粗面性が約０．５Ｒａから最大約１０Ｒａの範囲内である。拡散接合は、金属面の粗面性が約１．５Ｒａから最大約３．０Ｒａの範囲内であるときに極めて良好に作用することが分かった。
【００１６】
[0021]ある場合には、金属面は、拡散接合の前に希望の粗面性をもたせるために、電気研磨又は機械的平坦化によって前処理する必要がある。例えば、ステンレススチールは、この分野で知られた標準的な方法により塩化鉄を使用して化学的又は電気化学的にエッチングすることができる。ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）のようなエッチングが困難な材料を電気化学的にエッチングするプロセスが、ゲブハート氏の２００１年４月２４日付けの米国特許第６，２２１，２３５号に説明されている。ある材料は、化学的又は電気化学的エッチングプロセスを実行して希望の範囲内の粗面性を得る前に、表面を平滑化するための機械的平坦化を必要とする。金属面の機械的平坦化は、この分野で知られた技術に基づいて実行することができる。
【００１７】
[0022]他の場合には、金属面を希望の粗面性で製造することができ、拡散接合の前に電気機械的又は機械的な前処理を必要としないこともある。例えば、ステンレススチールシート（ロール状にされた）の粗面性に対するＡＳＴＭ規格は、０．５Ｒａから４．０Ｒａである（ＡＳＴＭ４８０ＢＡ−光輝アニール処理）。この材料については、拡散接合の前に電気研磨は不要である。しかしながら、拡散接合の後に、腐食性材料に接触するであろうスチール面を処理して、スチール面の耐腐食性を改善することが必要である。
【００１８】
[0023]弁の濡れない駆動区分では、スライド式のシリンダーが上下に移動して、通常凸状接触面を含む下部水平部材をダイアフラムに対して押圧し、次いで、ダイアフラムが弁座に対して押圧されて、弁を閉じる。ダイアフラムは、弁座から離れるように移動して弁を開くことが許容される。スライド式のシリンダーは、その上部水平部材が垂直部材により小さな下部水平部材に接続されている。スライド式シリンダーは、単一部片構造のものでよい。弁は、スライド式シリンダーの上部水平部材の頂部に印加されるスプリング力により常閉位置に維持される。スプリングは、凸状面（バッキング円板として作用する）を含むスライド式シリンダーの下部水平部材をダイアフラムに対して駆動する。スライド式シリンダーは、上部水平部材及び下部水平部材の両方の周囲に気密シールを有する。典型的な気密シールは、ポリマー系「Ｏ」リングである。弁は、スライド式シリンダーの上部水平部材と下部水平部材との間のスペースに印加される加圧ガスからの空気力により開けられる。加圧ガスがこのスペース内に印加されると、加圧ガスは、上部水平部材の上に配置されたスプリング又はスプリングアッセンブリを圧縮するように作用し、スライド式シリンダーの上昇を許容すると共に、下部水平部材の下のダイアフラムが金属性弁座の上に上昇するのを許容し、金属性弁座内の環状開口を経て流体が通流できるようにする。
【００１９】
[0024]ベルビル(Belleville)スプリングを使用して閉じ力を発生することで、コイルスプリングを使用する場合より非常にコンパクトな弁アクチュエータが許容される。
【００２０】
[0025]流体で濡れない弁の駆動区分では、金属対金属接合を、高い強度の接着剤を使用して効果的に達成することができ、これは、濡れる部分に使用される拡散接合の実行に伴う高い温度及び圧力を弁機構に受けさせる必要がなく、且つ拡散接合とは別に、耐腐食性／浸食性が低いにも関わらず、簡単で、低コスト性を与える。
【００２１】
[0026]オン／オフ弁の濡れる区分の製造を参照して上述した化学的又は電気化学的エッチング及び拡散接合技術は、半導体処理のような腐食性環境で使用するための全一体化流体配送ネットワークアーキテクチャーの準備に使用することができる。一体化流体配送ネットワークアーキテクチャーは、少なくとも１つのガス分配チャンネルを使用するアッセンブリを備え、このアッセンブリは、一緒に拡散接合された複数（即ち少なくとも２つ）の金属層を使用する構造体で構成される。これらの金属層は、通常、ステンレススチール（典型的に、４００シリーズのステンレススチール）、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）（典型的に、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２）、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）及びそれらの組合せより成るグループから選択される。これら金属層の各々は、一般に、その厚みが約０．０００５インチから約０．０６インチの範囲内であり、より一般的には、約０．００２インチから約０．０５インチであり、最も一般的には、約０．０２５インチである。
【００２２】
[0027]金属層は、通常、一連のスルーホールを備え、従って、層を特定の仕方でスタックするときには、スルーホールの整列された組合せでスタック内に特定の希望の内部形状が与えられる。これら内部形状は、チャンネル又は他の機能的装置構造体を含む。スルーホールは、通常、円形又は長円形の形状であり、従って、流体配送システムの動作中に磨耗したり粒子を発生したりし得る先鋭な角はない。金属層は、化学的エッチング、電気化学的エッチング、又はその組合せを使用してエッチングされて、スルーホールを形成した後に、拡散接合プロセスを行って、それらの層を一緒に接合し、機能的流体取り扱いネットワークアーキテクチャーとするのが効果的である。化学的エッチング、及び好都合にも、電気化学的エッチングを使用すると、スルーホールに滑らかな面が形成される傾向となり、これは、流体取り扱いネットワークアーキテクチャーから汚染粒子のソースを減少する上で役立つ。ある場合には、スルーホールエッチングの前の金属層の表面状態に基づいて、化学的又は電気化学的エッチングプロセスは、拡散接合プロセス中に接合されるべき表面の粗面性を減少もさせ、良好な拡散接合を行えるようにする。
【００２３】
[0028]層流装置、マスフローコントローラ又は流量感知装置、制流器、オン／オフ弁、逆止弁、フィルタ、圧力レギュレータ、及び圧力センサのような種々のコンポーネント装置（一例であり、これらに限定されない）は、上述した積層構造体に少なくとも部分的に合体することができる。ある場合に、装置のエレメントを多層構造体に含ませることが実際的でないときには、コンポーネント装置の一部分を流体取り扱いネットワークアーキテクチャーに表面実装してもよい。
【００２４】
[0029]コンポーネント装置の少なくとも一部分を接合の前に金属層のスタック内に合体することにより、種々のコンポーネント装置を多層構造体へと一体化するのが効果的である。拡散接合される多層構造体へ合体するのに良く適したコンポーネントは、フィルタ、圧力センサ及び弁を含むが、これらは、一例であり、これらに限定されない。
【００２５】
[0030]多層の拡散接合されたエレメントを使用するガス分配アッセンブリの一実施形態は、複数の金属層を設けるステップと、２つ以上の金属層（ある場合には、全ての層をエッチングする必要はない）に少なくとも１つの特徴部をエッチングするステップと、複数の金属層を整列させるステップと、複数の金属層を拡散接合するステップとを備えた方法により製造される。通常、エッチングは、エッチングされた金属層の表面仕上げに関して効果を与える電気化学的エッチングである。
【００２６】
[0031]耐腐食性金属層の拡散接合について、各金属層が４００シリーズのステンレススチールであるか、又は大半の金属層が、４００シリーズのステンレススチールと、低い拡散接合温度で接合される材料の層との組合せであるときには、拡散接合が、通常、約１０００℃から約１３００℃の範囲内の温度で、約３０００ｐｓｉから約５０００ｐｓｉの範囲内の圧力において、約３時間から約６時間の範囲内の時間周期中、実行される。各金属層がＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２であるか、又は大半の金属層が、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２と、低い拡散接合温度で接合される材料の層との組合せであるときには、拡散接合が、通常、約１０００℃から約１３００℃の範囲内の温度で、約８０００ｐｓｉから約１００００ｐｓｉの範囲内の圧力において、約３時間から約６時間の範囲内の時間周期中、実行される。４００シリーズのステンレススチール層と、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２層との組合せが拡散接合されるときには、拡散接合が、約１０００℃から約１３００℃の範囲内の温度で、約４０００ｐｓｉから約１００００ｐｓｉの範囲内の圧力において、約３時間から約６時間の範囲内の時間周期中、実行される。４００シリーズのステンレススチール層と、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）層との組合せが拡散接合されるときには、拡散接合が、約１０００℃から約１３００℃の範囲内の温度で、約４０００ｐｓｉから約１００００ｐｓｉの範囲内の圧力において、約３時間から約６時間の範囲内の時間周期中、実行される。
【００２７】
[0032]又、拡散接合プロセスを使用して半導体処理チャンバーコンポーネントを半導体処理チャンバーに取り付けることもできる。半導体処理チャンバーコンポーネントは、ガス分配ネットワークアーキテクチャーでもよいし、或いは手動操作弁、自動弁、圧力及び温度センサ、流量コントローラー、フィルタ、圧力レギュレータ、逆止弁、計量弁、ニードル弁、及び浄化器より成るグループから選択されるコンポーネント装置でもよく、これらは一例であって、これらに限定されない。コンポーネントが接合される半導体処理チャンバーは、通常、エッチングチャンバー、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバー、又は物理気相堆積（ＰＶＤ）チャンバーであり、これらは一例であって、これらに限定されない。使用する特定の拡散接合プロセスは、チャンバー及びチャンバーコンポーネントを構成する材料と、接合されるべき表面エリアの形状及びアクセス性とに依存する。
【００２８】
[0033]又、ここでは、化学的エッチングに耐えるマイクロ構造を有する金属（ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ Ｃ−２２のような）のエッチング性を高める方法も開示される。これは、金属に耐腐食性を与えるマイクロ構造を一時的に除去することにより達成される。このマイクロ構造は、約１８００°Ｆから約２０００°Ｆの範囲内の温度に少なくとも数分の時間中金属を加熱することにより金属から除去される。この熱処理された金属は、熱処理の前よりも容易に化学的エッチングすることができる。化学的エッチングに続いて、金属がその元の耐腐食性を取り戻すようにするために金属にマイクロ構造を戻さねばならない。これは、金属を約２１００°Ｆより高い温度に少なくとも約３０分間加熱した後に、金属を約５分の時間周期内に約３００°Ｆ未満の温度へ迅速に冷却させることにより達成される。この第２の熱処理ステップは、金属の２つ以上の層の拡散接合と同時に達成することができる。上記方法は、例えば、これに限定しないが、約４３から約７１重量％のニッケルと、約１から約３０重量％のクロムとを含む耐腐食性金属合金の処理に特に有用である。
【発明の詳細な説明】
【００２９】
[0061]詳細な説明の前置きとして、本明細書及び特許請求の範囲で使用する単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、明確な指示のない限り、複数指示も含むことに注意されたい。金属又は金属性という語が使用されるときには、金属合金も含むことを理解されたい。本発明を理解する上で重要な他の語は、出願全体にわたり文脈で定義される。
【００３０】
[0062]説明上、積層構造概念の第１の実施形態を、コンパクトな流体オン／オフ弁の一部分が流体取り扱いネットワークアーキテクチャーに一体化されたコンパクトな流体オン／オフ弁の設計に関して説明する。図１及び２は、本発明の多数の特徴を組み込んだ弁１００の一実施形態を示す。図１及び２において、弁に流れる流体に接触する（流体で濡らされる）全ての弁部分は、金属性である。特に、部分１０２、１０３及び１１４は、濡れる部分である。通常、金属性材料は、耐腐食性が強い。弁１００は、弁１００の濡れる区分１０４を弁１００の駆動区分１０６から分離している金属ダイアフラム１０２を備えている。この金属ダイアフラム１０２は、弁１００が常閉位置にあるときに金属性弁座１１４に対してシールを形成する。矢印１０７で示された流体が入口ポート１０８に入ると、弁１００が開いていても閉じていても、ダイアフラム１０２の下面１１５が流体に接触する。ダイアフラム１０２の表面１１５には耐腐食性材料を使用するのが好都合である。ダイアフラム１０２は、耐腐食性が強いのに加えて、長期間の多数の開閉サイクルを生き残るべき場合には優れた可撓性を有していなければならない。環境への漏れがないように確保するために、弁１００の濡れる区分１０４から弁１００の駆動区分１０６へのプロセスガスの漏れは、弁のシール界面１０３Ｓを横切る１ａｔｍのＨｅの圧力差において、少なくとも１５秒間、１ｘ１０−９ｃｃ／秒以下（ＳＥＭＩ  Ｆ１規格）でなければならない。ダイアフラム１０２の低圧力の大気圧側であるチャンバー１３１については、このチャンバーは、通常、ダイアフラムの上側の通気口１３８により大気中へ通気され、従って、圧力が確立されることはない。
【００３１】
[0063]金属ダイアフラム１０２は、ニッケル−コバルト合金、例えば、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）、ＳＰＲＯＮ（登録商標）５１０（セイコー・エレクトロンから入手できる）、ＳＰＲＯＮ（登録商標）１００、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）、又はＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）で形成できるのが効果的である。ダイアフラムは、単一厚みのものでも又はラミネートでもよい。多くの場合、ダイアフラムは、多層とされ、２枚から３枚のダイアフラムが一緒に積層される（必ずしも接合されない）。多層ダイアフラムは、優れたシール性を与えると共に、スプリング力を付加する。個々のダイアフラムは、通常、その厚みが約０．００１インチから約０．００７インチ（０．１ミルから７ミル）の範囲内である。多層ダイアフラム内の個々のダイアフラムは、通常、同じ材料のものである（必ずしもそうでなくてよい）。或いは又、多層ダイアフラムを使用するのに代わって、可変厚みであるように加工された個々のダイアフラムが使用されてもよい。
【００３２】
[0064]ダイアフラム１０２は、濡れる本体区分１０３の表面１０３Ｓに接着されたそのエッジにより位置保持され、従って、ダイアフラム１０２は、下部の濡れる本体区分１０３と濡れない駆動本体区分１１７との間に保有される。ダイアフラム１０２と濡れる本体区分１０３との間の接合部は、通常、拡散接合された接合部である。或いは又、接合部は、レーザ溶接を使用して接合されてもよい。しかしながら、拡散接合は、通常、より強力で且つより信頼性のある結合部を形成する。
【００３３】
[0065]弁１００の下部本体区分１０３は、弁１００を通過する流体により濡らされる表面１０５を備えている。通常、耐腐食性金属又は金属合金、例えば、４００シリーズのステンレススチール、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ  Ｃ−２２（登録商標）（インジアナ州ココモのヘイネス・インターナショナル・インクの登録商標）、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）（ニューヨーク州ニューハートフォードにオフィスをもつグループ会社であるスペシャル・マテリアルズ・メタル・コープの登録商標）、及びＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）（イリノイ州エルジンのエルジロイ・スペシャリティ・メタルズの登録商標）から下部本体区分１０３を形成するのが効果的である。これらの同じ材料を使用して、ダイアフラム１０２を製造することができる。先に述べたように、ダイアフラム１０２は、若干柔軟でなければならず、ダイアフラムの厚みは、通常、約０．０２５ｍｍから約０．１８ｍｍの範囲であり、ここに述べる実施形態では、ダイアフラムが約０．１ｍｍの厚みであった。
【００３４】
[0066]弁１００の駆動区分１０６は、これらの同じ材料で製造されてもよいし、或いは耐腐食性でない低廉な材料で製造されてもよい。というのは、駆動区分１０６のコンポーネントの表面は、弁１００に流れる流体で濡らされないからである。例えば、ハウジング１３７及びスライド式シリンダー１２１は、アルミニウム及びステンレススチールから製造することができる。しかしながら、円錐円板スプリング１２２は、通常、ＡＳＴＭ  Ａ５１０のような高炭素スチールから作られる。
【００３５】
[0067]図１及び図２を参照し、弁の種々の部品を、弁の動作中の機能に関して以下に説明する。
【００３６】
[0068]矢印１０７で指示されたプロセス流体（１つ又は複数）は、弁１００の下部本体区分１０３内に存在する入口ポート１０８（ポート１０８）に入る。このとき、プロセス流体は、濡れる区分１０４内の下部本体区分１０３の表面１０５に接触する。弁１００が開位置又は部分開位置にあって、流体を弁１００に流せるときには、矢印１０９で示された、出て行く流体が、環状の金属性弁座１１４の内部リップ１１２を越えて出口ポート１１０から流出する。
【００３７】
[0069]弁１００が閉位置にあるときには、ダイアフラム１０２の区分がスライド式シリンダー１２１の下部水平部材１１６により金属性弁座１１４の上面１１９に対してぴったり押圧されることにより流体の流れが遮断される。下部水平部材１１６の下面１２３は、凸状であり、従って、ダイアフラム１０２の後方のバッキング円板として働くことができる。下部水平部材１１６は、駆動区分１０６の一部分と考えられる。というのは、下部水平部材１１６は、弁１００に通過する流体により濡らされないからである。ダイアフラム１０２は、自由に移動してもよいし、或いは例えば、電子ビーム溶接又は直接接合或いはこの分野で知られた他の接合技術により、下部水平部材１１６の凸状面１２３に接合されてもよい。ダイアフラム１０２に接触する下部水平部材１１６の凸状面１２３は、通常、ダイアフラムの材料より硬度の低い材料で作られる。ダイアフラム１０２がニッケル−コバルト合金（例えば、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）、ＳＰＲＯＮ（登録商標）５１０、ＳＰＲＯＮ（登録商標）１００、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）、又はＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）であるが、これらに限定されない）で作られる場合には、凸状面１２３は、３０４ステンレススチールで作ることができ、これは、一例であって、これに限定されない。
【００３８】
[0070]金属性弁座１１４は、出口ポート１１０の内部リップ１１２の一部分として形成されるか又はそこに形成される。金属性弁座１１４は、その設計に基づいて、金属又は金属合金、例えば、これに限定されないが、ステンレススチール、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）、ＳＰＲＯＮ（登録商標）１００、又はＳＰＲＯＮ（登録商標）５１０から製造されるのが効果的である。最も一般的には、金属性弁座１１４は、４００シリーズのステンレススチールで製造される。金属性弁座１１４は、例えば、商業的に入手できるＣ−シールでよく、例えば、これに限定されないが、ミクロフレックス・テクノロジーＬＬＣから入手できるＭＩＣＲＯＳＥＡＬ（登録商標）リングシールでよく、これは、図４に示され、２００２年３月１９日付けのドイル氏の米国特許第６，３５７，７６０号に詳細に説明されている。ＭＩＣＲＯＳＥＡＬ（登録商標）リングシールは、その特定の幾何学形状のために、通常、他の多数の商業的に入手できるシールより優れた弾性範囲を有し、本発明の弁座に使用するのに望ましい柔軟性を与える。
【００３９】
[0071]図４Ａを参照すれば、本発明の弁において弁座として有用な図示されたリングシールは、ガス又は流体の通過を許容するための軸方向に整列された中央ホール４が設けられた環状の本体エレメント３を有する。このシールは、図４Ｂに示すように、ラジアル内面５、ラジアル外面６、第１の軸方向面１１及び第２の軸方向面１７を含む。これら面の各々は、多数の構成をとることができる。
【００４０】
[0072]図４Ａ及び４Ｂに示すリングシールは、更に、シールのラジアル外面６からシールの中央ホール４に向かって内方に突出する複数のボア２５も備えている。ボア２５を形成する非軸方向整列側壁２７は、シールの用途が特定の荷重に対して著しい変形を必要とする場合に特に適すると考えられ、この種のリングシールは、本発明の弁において非常に良く機能する。他のリング状シールも使用でき、弁の設計は、上述した特定のリングシールを使用するものに限定されないことが意図される。
【００４１】
[0073]金属性弁座１１４は、高い耐腐食性に加えて、動的な弁座であるという特性を有する。弁座の設計及びその１つ以上の構造材料の選択は、ダイアフラム１０２によって押圧されたときに、弁座横断漏洩の所要レベルまで出口ポート１１０をシールするに充分なほど変形するように行われる。弁１００が常閉位置にあるときには、弁座横断漏洩レベルは、弁のダイアフラム／弁座の界面を横切る１ａｔｍのＨｅの圧力差において、少なくとも１５秒間は、約１ｘ１０−９ｃｃ／秒以下（ＳＥＭＩ  Ｆ１規格）であることが要求される。金属性弁座１１４の変形は、弾性領域内に留まり、従って、金属性弁座１１４は、弁の閉止により永久変形されるのではなく、弁１００が閉じて再び開くたびに回復するのが好ましい。この特徴は、弁の信頼性及び有効寿命を著しく高めることが予想される。
【００４２】
[0074]弁１００の濡れない駆動本体区分１１７を下部の濡れる本体区分１０３に接合すると共に、金属性弁座１１４を環状の金属性弁座１１４の内部リップ１１２に接合することは、拡散接合によって効果的に行うことができる。拡散接合は、プロセス流体を吸収も解放もせず、且つ溶接接合の場合のようにプロセス流体への不純物に貢献することもない滑らかで強力な結合部を形成する直接接合プロセスである。２つの金属性コンポーネントを拡散接合するプロセスは、それらの嵌合面を非常に清潔で滑らかで且つフラットな表面仕上げへと仕上げるステップと、各面の原子が相互拡散するまで圧力を加えてコンポーネントを加熱するステップと、いずれの表面も溶解せず或いはボイドやピットや含有物を導入せずに、インターロックされた層を形成するステップとを含む。２ステップ拡散接合プロセスを使用して本体区分１０３を形成するときには、レーザ溶接のような別のプロセスを使用してもよい。
【００４３】
[0075]拡散接合を有効なものにするために、接合されるべき金属面は、拡散接合の前に約０．５Ｒａから約３０Ｒａの範囲内の粗面性を有していなければならない。通常、金属面は、粗面性が約０．５Ｒａから約１０Ｒａの範囲内であり、より一般的には、約１．５Ｒａから約５Ｒａの範囲内である。拡散接合は、金属面の粗面性が約１．５Ｒａから約３．０Ｒａの範囲内であるときに極めて良好に機能することが分かった。
【００４４】
[0076]多くのケースでは、金属面は、拡散接合の前に希望の粗面性をもたせるために、化学的エッチング、或いは機械的平坦化及び化学的エッチングの組合せにより、前処理を行う必要がある。例えば、ステンレススチールは、この分野で知られた標準的な方法により塩化鉄を使用して化学的にエッチングすることができる。ＨＡＳＴＥＬＬＯＹのようなエッチングが困難な材料を電気化学的にエッチングするプロセスが、ゲブハート氏の２００１年４月２４日付けの米国特許第６，２２１，２３５号に説明されている。
【００４５】
[0077]ある材料は、化学的エッチングプロセスを実行して希望の範囲内の粗面性を得る前に、表面を平滑化するための機械的平坦化を必要とすることがある。金属面の機械的平坦化は、この分野で知られた技術に基づいて実行することができる。
【００４６】
[0078]ある場合には、金属面を希望の粗面性で製造することができ、拡散接合の前に化学的又は機械的な前処理を必要としないこともある。例えば、ステンレススチールシート（ロール状にされた）の粗面性に対するＡＳＴＭ規格は、０．５Ｒａから４．０Ｒａである（ＡＳＴＭ４８０ＢＡ）。
【００４７】
[0079]接合されるべき金属面が希望の粗面性に研磨されると、拡散接合が実行される。拡散接合プロセス中に印加される特定の圧力と、拡散接合プロセスを実行する特定の温度は、接合される材料に依存する。上述した種類の同様の又は異なる金属面間に首尾良い拡散ボンドを形成するための幾つかの典型的な条件を以下にテーブル１に示す。
【００４８】
【表１】
0004650832.tif 000002
【００４９】
[0081]上に示した範囲の圧力及び温度は、弁の駆動区分１０６に存在する幾つかの材料には有害であることが確かに分かっており、図３Ａ及び３Ｂに示す種類の弁３００の組み立てを計画するときにはこれを考慮に入れねばならない。例えば、弁３００の製造において、図３Ａ及び３Ｂに示す層３３８−３５６を接合するために、最初に高温拡散接合プロセスを実行することができる（層３５８、３６０及び３６２は、接着剤接合された）。例えば、３４０及び３４２のような層は、通常、約０．０２５インチ（約０．０６３５ｍｍ）の厚みであるから、この分野で知られた技術を使用してパターンを湿式化学的又は電気化学的エッチングして、パターン化されたシート材料を形成し、弁構造体へと拡散接合することができる。化学的又は電気化学的エッチングは、パターン化されたエリアに滑らかな面を形成し、この滑らかな面は、内部の濡れた弁構造面に現れる。これは、弁を経て流れる流体で汚染される可能性を低減する。０．０２５インチ厚みの金属層の使用が効果的である。というのは、この厚みの金属層は、供給者から容易に入手でき、適度なパターンエッチング時間を与え、且つコンポーネント装置の表面実装に使用される形式のカウンタボアにＣシールを受け入れるのに充分な厚みだからである。組み立てられて接合された構造体は、複雑で且つコストのかかる加工を必要とせずに、複雑な形状を使用することができる。他のコンポーネント（例えば、スライド式シリンダー３２１、スライド式シール３１３及び３２０、及び／又は金属性弁座３１４）は、後で接着／接合されてもよい。スライド式シリンダー３２１のピストン部分３１６は、拡散接合の前に持ち上げることができ、これは、組み立ての前に運び出される。
【００５０】
[0082]金属性弁座３１４は、２つの異なる技術により層３４８に接合することができる。図３Ｂを参照すれば、第１の技術において、層３３８、３４０、３４２、３４４、３４６及び３４８を含む第１層アッセンブリは、拡散接合することができる。次いで、積層基板３０３における他の層と組み立てる前に、金属性弁座３１４を、レーザ溶接又は拡散接合のいずれかにより層３４８に接合することができる。層３５０、３０２、３５４及び３５６の第２層アッセンブリは、一緒に拡散接合することができる。次いで、第１層アッセンブリを、第２層アッセンブリに拡散接合することができる。この技術は、金属性弁座３１４に不当な圧力をかけるのを回避しながら、積層基板３０３を拡散接合できるようにする。金属性弁座３１４を接合するための第２技術において、図３Ｃを参照すれば、堅牢であるが溶解可能な支持体３６３を使用して、拡散接合を単一ステップで行うことができる。溶解可能な支持体３６３は、中央のドーム状区分３６７を含み、これは、拡散接合プロセス中にダイアフラム３０２を支持体３６３の上面３６５から離して保持する。更に、堅牢な溶解可能な支持体３６３は、金属性弁座３１４の下面の下に横たわるカップ状のリップ３６９を含む。積層基板３０３を接合した後に、堅牢な溶解可能な支持体３６３は、適当な溶液中で溶解される。堅牢な溶解可能な支持体は、拡散接合中に基板が経験する温度に耐えることができねばならないと共に、弁が確実に機能する能力に影響する残留粒子を後に残さずに溶解することができねばならない。ダイアフラム３０２の下の内部スペースは、任意であるが、溶解可能な支持体３６３を除去するステップの後に残された残留物を層３４８の上面から取り除くために清掃溶液で清掃されてもよい。積層基板３０３の内部開放面は、使用する溶解溶液及び／又は清掃溶液に基づいて、窒素又は別の不活性ガスを使用して吹き付け乾燥することもできるし、もし希望であれば、熱及び真空を使用して乾燥することもできる。次いで、金属性弁座３１４がポート３１０を通して層３４８に接合される。
【００５１】
[0083]拡散接合技術（上述したような）は、他のガス取り扱いエレメント、例えば、これに限定されないが、流量コントローラー、フィルタ及びセンサの製造に使用することができる。これは、以下に述べる積層基板技術に関連して詳細に説明する。
【００５２】
[0084]濡れる区分３０４を分離するダイアフラムの上の弁駆動区分３０６において、スライド式シリンダー３２１が出たり入ったりするように移動し、スライド式シリンダー３２１の下部水平部材３１６の凸状面３２３がダイアフラム３０２に対して押圧して、濡れる区分３０４内の流体の流れを制流する。チャンバー３３１は、ダイアフラム３０２の低圧力の大気圧側にあり、このチャンバーは、通常、ダイアフラムの上側の通気口３６４により大気中に通気され、圧力が確立できないようにされている。スライド式シリンダー３２１の動きは、ハウジング３３７内に位置するスプリング３２２により上部水平部材３１８（これは、垂直部材３３４により下部水平部材３１６に結合される）に印加される力と、空気チャンバー３３９内に存在する流体により下部水平部材３１６に印加される力とのバランスをとることで得られる。スライド式シリンダー３２１は、上部水平部材３１８の周囲をめぐる気密スライドシール（通常「Ｏ−リング」）３２０と、下部水平部材３１６の周囲をめぐる気密スライドシール３１３とを有する。スライドシールは弁３００を通過する流体に接触しないので、金属である必要はなく、ポリマー系材料で構成されてもよい。スライドシール（Ｏ−リング）３２０及び３１３は、通常、エラストマー材料で作られる。
【００５３】
[0085]弁３００は、スプリング３２２によりスライド式シリンダー３２１の上部水平部材３１８に印加される力によって常閉位置に維持される。弁座３１４が金属性であるときには、絶対的な遮断（弁を横切る１ａｔｍのＨｅの圧力差において、１ｘ１０−９ｃｃ／秒未満の流量が少なくとも１５秒間）に必要なシール力が、弁座３１４のシール接触面３１９において１０００Ｎ／ｃｍ２の範囲である。これは、外径が約０．７０ｃｍで、全接触面積が約０．２３３ｃｍ２の環状弁座３１４に対して、ほぼ２００から２５０ニュートンの力に換算される。図３Ａ及び３Ｂは、上部水平部材３１８の上面３２８に力を印加するのに使用されるスプリング３２２を、円錐円板スプリングと称されることもある「ベルビル」スプリングとして示している。ベルビルスプリングを適用する場合は、通常、図３Ａ及び３Ｂに示すように、一連の円錐状円板を、凹状側部から凸状側部へと互いに上下にスタックした形状をとるようにする。
【００５４】
[0086]図３Ａ及び３Ｂは、８個の円錐円板スプリングを示しており、ここで述べる力は、８個の円錐円板スプリングに関するものであるが、用途に応じて他の個数のこのようなスプリングを使用してもよい。ベルビルスプリングは、コイルスプリングにより必要とされるものより非常に短い垂直距離「ｄ」内で必要な閉止力を与える。これは、コイルスプリングを使用して得られるものより非常に短い弁アクチュエータを許容する。コイルスプリングを使用して厳格な遮断を与える図１に示す金属性弁座付の弁は、通常、約２．０ｃｍから約３．０ｃｍの範囲の「ｄ」を必要とし、一方、ベルビルスプリングの組合せは、通常、約０．５ｃｍから約２．０ｃｍの範囲の「ｄ」しか必要としない。
【００５５】
[0087]弁３００は、ポート３２４を経て空気チャンバー３０９へ加圧ガス（図示せず）を導入することにより印加される空気力で開けられる。スライド式シリンダー３２１の上部水平部材３１８の可動表面積３３０は、下部水平部材３１６の可動表面積３１１より著しく大きいので、加圧ガスは、スプリング３２２の動作に抗して上方移動を与える。加圧ガス（図示せず）は、４０−７５ｐｓｉｇの外部圧縮空気ガス供給源から１つ以上のポート３２４を通して導入される。次いで、上部水平部材３１８の後方の空気圧が、それに対抗するスプリング３２２の力に打ち勝ち、スライド式シリンダー３２１を、加圧ガスにより印加される圧力の量に比例して上方に押しやる。スライド式シリンダー３２１が上方に移動するにつれて、下部水平部材３１６も上方に移動して、ダイアフラム３０２にかかる圧力を緩和し、ダイアフラム３０２は、金属性弁座３１４から離れるように移動して、加圧ガスにより印加される圧力に比例する量だけ弁を開く。図３Ａ及び３Ｂに示す形式の弁では、可動表面積３３０が約１．５ｃｍ２で、可動表面積３１１が約０．４０ｃｍ２で、且つ弁を少しだけ開くために上部水平部材３１８の面３２８にスプリング３２２により印加される下向きの力は、約２２０Ｎである。印加される加圧ガス圧力は、弁を開くためには８スプリング弁に対して約１４８０ｋＰａの範囲であり、流体の流れを与えるためには約２２２０ｋＰａの範囲である。加圧ガスがスライドシール３２０を越えて漏れる場合には、ガスは、ハウジング３３７の開口（１つ又は複数）３３２を経て排出できる。
【００５６】
[0088]弁３００の駆動区分３０６において、必要とされる金属対金属の接合は、高強度の接着剤を使用して効果的に行うことができる。接着剤は、拡散接合と同程度の非常に強い又は信頼性のある結合部を形成しないが、駆動区分３０６に存在する弁機構に、濡れる区分３０４に使用される拡散接合の実行に伴う非常に高い温度及び圧力を受けさせる必要がない。又、接着剤は、拡散接合より非常に安価で且つ使用が簡単である。この用途に使用される接着剤は、通常、剪断強さが３０００ｐｓｉ以上であり且つ剪断係数が２４℃において４５０００ｐｓｉ以上である。この用途に対して満足である接着剤の一例は、ＳＣＯＴＣＨ−ＷＥＬＤ（登録商標）エポキシ接着剤２２１６（Ｂ／Ａグレイ）であり、これは、接合される特定の材料に対して製造者により推奨される仕方で塗布して接合処理することができる。この特定の接着剤は、シール剤兼接着剤として働く。当業者であれば、この用途に使用できる他の接着剤／シール剤組成物であって、通常、約４０℃までの室温で機能することを必要とする組成物を見出すことができよう。より高い温度の用途では、より高い温度の機能をもつ接着剤／シール剤を選択することができる。
【００５７】
[0089]半導体処理装置の製造に使用される種類の耐腐食性材料はコストが高く、且つ半導体製造施設の清潔な部屋環境ではスペースコストが高いために、使用する流体取り扱い装置のサイズを減少する傾向がある。特に、最近では、全処理フロアスペースの実質的な部分を歴史的に占有していた装置である流体取り扱い装置のサイズを減少することが一般的に強調されている。
【００５８】
[0090]ここに開示するのは、半導体処理装置のようにスペースが問題である化学処理産業で使用するためのスペース節約の一体化可能な流体取り扱いネットワークアーキテクチャーである。流体配送ネットワークは、上述したダイアフラム弁の下部区分３０３について説明する化学的エッチング及び拡散接合技術を使用して製造することができる。
【００５９】
[0091]拡散接合されるべき金属が特にエッチング困難である幾つかの場合には、電気化学的エッチングを使用してエッチングプロセスを推進することが必要となる。
【００６０】
[0092]一体化流体取り扱いネットワークアーキテクチャーは、一緒に拡散接合された複数の（即ち少なくとも２つの）金属層を含む構造体で構成されるガス分配アッセンブリを備えている。典型的なガス分配アッセンブリにおける金属層の数は、一般に、約３から約１５である。金属層の各々は、通常、その厚みが約０．０００５インチから約０．０６インチの範囲内、より一般的には、約０．００３インチから約０．０５インチであり、最も一般的には、約０．０２５インチである。これらの層は、希望の最終構造に基づいて、同じ厚みでもよいし、又は厚みが変化してもよい。
【００６１】
[0093]金属層は、多数の異なる耐腐食性材料から選択することができる。説明上、金属層は、通常、ステンレススチール、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）、及びそれらの組合せより成るグループから選択される。４００シリーズのステンレススチール、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ２２、及びＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）に対する仕様を以下のテーブル２に示す。
【００６２】
【表２】
0004650832.tif 000003
【００６３】
[0095]金属層は、通常、形状が円形又は長円形の一連のスルーホールを含むようにパターン化され、従って、流体配送システムの動作中に磨耗したり粒子を形成したりすることのある先鋭な角は存在しない。金属層は、化学的エッチング、電気化学的エッチング、又はその組合せを使用してエッチングされて、スルーホールのパターンを形成した後に、拡散接合プロセスを行って、それらの層を一緒に溶解し、機能的流体取り扱い装置とするのが効果的である。化学的エッチング、及び特に、電気化学的エッチングを使用すると、スルーホールに滑らかな面が形成される傾向となり、これは、流体取り扱いシステムから汚染粒子のソースを減少する上で役立つ。ある場合には、スルーホールエッチングの前の金属層の表面状態に基づいて、電気化学的エッチングプロセスは、拡散接合プロセス中に接合されるべき表面の粗面性を減少もさせ、低粗面性の拡散接合を行えるようにする。
【００６４】
[0096]金属層を化学的又は電気化学的エッチングして層に開口のパターンを形成することは、通常、エッチングされるべき特定の金属に基づいて、この分野で知られた方法により実行される。電気化学的加工は、数十年にわたって金属研磨及び除去に使用されている技術である。電気化学プロセスの推進力を使用して、エッチング困難な材料をエッチングできるようにすることは、この分野で良く知られている。例えば、この主題に関連して、１９８６年２月２５−２７日、ＮＥＰＣＯＮ  ＷＥＳＴ：パッキング・プロダクション・テスティングにおいて「The Photochemical Machining of Some Difficult-To-Etch Metals」と題するＤ．Ｍ．アレン及びＰ．Ｊ．ギルバンク著の論文が提出されている。この同じ会議において、サンディア・ナショナル・ラボラトリーズのＴ．Ａ．アレンは、ホトレジストマスクを通してモリブデンの化学的加工を遂行するための電気化学セルのパルス作動に関する成果を提出している。
【００６５】
[0097]ステンレススチールは、この分野で知られた標準的な方法により塩化鉄を使用して化学的にエッチングすることができる。スチールを電気化学的にエッチングする方法は、ゲブハート氏の２００１年４月２４日付の米国特許第６，２２１，２３５号に説明されている。ゲブハート氏の特許は、犠牲的コアを完全にバルク溶解することに関するものであるが、ゲブハート氏により説明された種類のパルス電流の印加は、ＩＢＭ  Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖ．第４２巻、第５号、９８年９月の第６５５−６６９ページにダッタ氏により説明されたマスクを通しての金属のエッチングにも適用できる。ダッタ氏の開示は、パターン化されたホトレジストを使用するエッチングプロセスの大量生産性を、ゲブハート氏の特許に説明された種類のパルス式電気化学的溶解と結合するものである。既に述べたように、電気化学的加工技術は、モリブデンに対して使用されており、このプロセスは、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）及びＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）のエッチングに適用することができる。
【００６６】
[0098]表面耐腐食性を与えるマイクロ構造を一時的に除去することで、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）及びＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）のような耐腐食性の高い金属を化学的又は電気化学的技術により容易にパターンエッチングすることが可能となる。これは、金属を、約１８００°Ｆから約２０００°Ｆの範囲内の温度、より一般的には、約１８２５°Ｆから約１９７５°Ｆの範囲内の温度、最も一般的には、約１９００°Ｆの温度に加熱することにより達成できる。この熱処理は、清潔な窒素の雰囲気中で、最低数分の範囲の時間周期中実行される。次いで、金属は、約５分から３０分程度までの範囲の時間周期にわたって冷却される。次いで、金属の化学的又は電気化学的なエッチングが、この分野で知られた且つここで説明する方法により実行される。この方法を使用して、電気化学的エッチングの前に耐腐食性金属のマイクロ構造を調整することで、エッチング率を特定の合金に基づいて１００倍から１０００倍の範囲のファクタで改善できることが予想される。
【００６７】
[0099]化学的又は電気化学的技術による金属のパターンエッチングに続いて、金属がその元の耐腐食性を取り戻すために金属のマイクロ構造を金属に戻さねばならない。これは、金属を約１１３５℃より高い（通常、約１２００℃以下の）温度に最低数分間加熱した後に、金属を約１３０℃以下の範囲の温度に約５分以内の時間周期にわたって急速に冷却（急冷）することにより達成される。マイクロ構造が金属に戻される温度は、通常、金属が拡散接合される温度に非常に接近しており、従って、通常、拡散接合プロセス中にマイクロ構造が金属に戻される。しかしながら、拡散接合プロセス中の金属の加熱に続いて、金属のマイクロ構造を戻すために、金属を約１３５℃未満の温度（通常、約８０℃から約１３５℃の範囲内の温度）へ約５分未満の時間周期内に冷却しなければならない。任意であるが、熱処理／急速冷却プロセスは、拡散接合プロセスを実行する前の個別の処理ステップとして実行することもできる。前記方法は、約４３から約７１重量％のニッケルと、約１から約３０重量％のクロムとを含む耐腐食性金属合金、例えば、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｂ−２、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｂ−３、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−４、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２０００、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２７６、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｇ−３０、及びＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｎを含むＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）シリーズの合金（インジアナ州ココモのハイネス・インターナショナル・インクから入手できる）、を処理するのに特に有用である。[0098]最低限の経験をもつ当業者であれば、エッチングを容易にするようにマイクロ構造を調整し、次いで、エッチングの後に、同様の加熱及び急冷サイクルを使用してマイクロ構造をその元の耐腐食性特性へ戻すために、加熱及び急冷サイクルがどんなものでなければならないか決定できよう。
【００６８】
[0100]例えば、これに限定しないが、ステンレススチール４１０は、スチールのマイクロ構造を調整する必要なく清掃及び拡散接合することができるが、図３Ｂに示す金属性弁座３１４の下に横たわるスチール層の硬度を、拡散接合の後に改善する必要がある。金属性弁座３１４は、この金属性弁座３１４の下に横たわる金属性層３４８が少なくとも３００のビッカーズ硬度を示さない限り適切な弁座となり得ない。ステンレススチール４１０の硬度を改善するための金属マイクロ構造の調整は、金属を少なくとも９８０℃の温度に約３分から約１０分の範囲の時間周期にわたって加熱した後に、約５分未満の周期内に約１３５℃の範囲の温度まで急冷することにより達成される。
【００６９】
[0101]ステンレススチール３１６Ｌの硬度の改善は、もっと困難である。３１６Ｌステンレススチールは、硬化のための表面作用を必要とする。これは、拡散接合の後にカウンタボア３１０を経て積層基板の層３４８の表面をローラーバニシングすることにより達成されてもよい。
【００７０】
[0102]金属性弁座３１４の下に横たわるステンレススチール層の硬度を調整するのに加えて、腐食性流体に接触されるべきステンレススチールの表面は、拡散接合ステップの後に耐腐食性を改善するように処理することが必要である。耐腐食性を改善するための処理は、ステンレススチール層３４８が３１６Ｌステンレススチールであるときにはこの層の表面をローラーバニシングする前に行うことができる。耐腐食性を改善するためのステンレススチール層の処理は、以下で説明する。
【００７１】
[0103]他の加工方法に勝る化学的又は電気化学的エッチングの利益の１つは、コンポーネントの設計を容易に且つ低コストで変更できることである。エッチングされたコンポーネントは少量でも多量でも作ることができると共に、このプロセスは、形成されるコンポーネントの数が増加するにつれてコスト効果をより高いものにする。
【００７２】
[0104]一般に、拡散接合を最も効果的にするためには、接合されるべき金属面は、拡散接合の前に、最大粗面性が約３０Ｒａを越えることなく、約０．１Ｒａから約５Ｒａの範囲内の平均粗面性をもたねばならない。通常、接合されるべき金属面は、粗面性が約０．５Ｒａから約５Ｒａの範囲内である。拡散接合は、金属面の粗面性が約１．５Ｒａから約３．０Ｒａの範囲内であるときに極めて良好に機能する。
【００７３】
[0105]上述したように、粗面性要求を満足し、拡散接合の前に希望の粗面性をもつように金属面を前処理する必要のないあるグレードのステンレススチールを直接購入することができる。希望の粗面性の材料が入手できない場合には、この分野で知られた技術を使用して、３１６Ｌ及び４００シリーズのステンレススチールを電気研磨して、希望の粗面性を与えることができる。希望の粗面性が得られると、ステンレススチール層を、希望の積層基板アッセンブリへと拡散接合することができる。拡散接合の後に、腐食性流体に露出されるべきステンレススチールの表面を処理して、このような表面を耐腐食性の高いものにする必要がある。このため、腐食性流体に露出されるべき積層基板の層は、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）又はＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）のような耐腐食性材料で製造することが推奨される。しかしながら、腐食性流体に露出される位置で積層基板にステンレススチール層を使用することが考えられるケースでは、腐食性流体に露出されるステンレススチール層の表面を、拡散接合ステップの後にパッシベーションしてもよい。パッシベーションステップは、通常、スチール中に存在するクロムの多くをスチールの表面へ持っていく傾向がある。パッシベーションステップは、ステンレススチール基板を、図１０に示す一連のステップに露出させることを含む。
【００７４】
[0106]特に、図１０を参照すれば、拡散接合されて積層された基板で、パッシベーションされるべきステンレススチール面を含む基板は、図１０に示す方法１８００を使用して処理される。ステンレススチール面は、洗剤又は清掃剤で清掃される（１８０２）。いずれかの表面が拡散接合の後に加工された場合には、油脂、金属充填物、又は切削／穿孔流体を除去するためにそれらの表面を脱脂することが必要である。この目的のための良好な清掃剤は、約３５体積％の水酸化カリウムを脱イオン水に含む溶液である。この清掃剤の溶液は、表面の良好な攪拌を与えるために、清掃されるべき表面にスプレー掛けし、次いで、その一部分をバスに浸漬し（通常、超音波攪拌される）、穴や空洞を清掃することができる。典型的な浸漬バス温度は約６０℃であり、典型的な処理時間周期は約２０分である。洗剤で清掃した後、積層基板（又は他のステンレススチール部分）は、脱イオン水を使用してリンス／清掃され（１８０４）、その後、通常約６５℃から約７５℃の範囲の温度の高温窒素ガスで乾燥される（１８０６）。処理された表面は、次いで、１０倍以上の拡大ガラスを使用して清潔さについて検査され、それら表面に、その機能を遂行する表面の機能に影響を及ぼす汚染物がない場合には、処理されるべきステンレススチール面を含む部分が硝酸パッシベーションへ送られる（１８０８）。表面に汚染物がある場合には、その表面が適切に清掃されるまでステップ１８０２から１８０８が繰り返される（１８１０）。
【００７５】
[0107]硝酸パッシベーションプロセス１８１２は、清掃されたステンレススチール面を、脱イオン水をベースに２０体積％の硝酸を含む溶液で処理することを含む。ステンレススチール部分は、約４５℃から約５０℃の範囲の温度で約２５分から約３０分の範囲の時間周期中、硝酸溶液に接触される。
【００７６】
[0108]硝酸溶液で処理した後、ステンレススチール面は、脱イオン水でリンスされ（１８１４）、その後、第２の洗剤で処理される。当業者であれば、適当な洗剤を選択できるであろうが、脱イオン水中に１重量％の溶液を作るように溶解される第三燐酸ナトリウムであるＡＬＣＯＮＯＸ（登録商標）粉末状精密洗浄剤(Powdered Precision Cleaner)が良く機能することが分かった。ステンレススチール面は、１ガロンの脱イオン水にＡＬＣＯＮＯＸ（登録商標）粉末状精密洗浄剤を茶さじ約２．５から３杯分で作られた循環バスに浸漬され、次いで、約４０℃から約５０℃の温度で約３０分の時間周期中そのバスに留まることが許容された。この清掃ステップ１８１４に続いて、脱イオン水での清掃／リンス１８１６が行われる。
【００７７】
[0109]その後、ステンレススチール面は、クエン酸及び脱イオン水の溶液であって、比重が約１．２５で、ｐＨが約１．８で、表面活性剤を含んでもよい溶液で処理される（１８２０）。ここでは、約４５℃から約７０℃の温度範囲で使用することが推奨される、ｓｔｅｌｌａｒｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．ｎｅｔにおいてステラー・ソルーションズから入手できるＣＩＴＲＩＳＵＲＦ（登録商標）２０５０が使用された。ステンレススチール面は、約６５℃で約３０分間循環バスに浸漬された。処理ステップ１８２０に続いて、脱イオン水清掃／リンス１８２２が、約６０℃から約７０℃の範囲の温度で約１５分間、浸漬バスにおいて実行された。その後、ステンレススチール面は、約７０℃のアルゴン雰囲気中で約１０分の時間周期中、乾燥された（１８２４）。
【００７８】
[0110]次いで、ステンレススチール面は、フィルタされた純粋なアルゴンガス雰囲気中で約１時間の時間周期中、約１００℃に熱処理された（１８２６）。
【００７９】
[0111]最終的に、ステンレススチール面は、再び、脱イオン水をベースとする２０体積％の硝酸で、約２０分から約２５分の時間周期中、約４５℃から約５５℃の温度範囲にわたり処理された（１８２８）。この処理１８２８に続いて、脱イオン水での清掃／リンス１８３０が、約６５℃から約７５℃の範囲の温度で約１０分から約１５分の範囲の時間周期中、循環バスにおいて行われた。この清掃／リンス処理１８３０に続いて、高温窒素ガスを使用する乾燥ステップ１８３２が上述したように行われた。
【００８０】
[0112]上述した同じパッシベーションプロセスを、一般に、腐食性流体に露出されるべき層のステンレススチール面に適用することができる。このようになるのは、上述したように、拡散接合に必要とされる温度に耐えられないエレメントを含む部分のエリアにステンレススチール層が使用され、接合の目的で接着剤が使用されるときであろう。
【００８１】
[0113]上記パッシベーションプロセスの後に、積層基板へと接合されるのを待機しているパッシベーション済のステンレススチール面又はステンレススチール層を含む処理済部品は、保管のために保護パッケージに入れられねばならない。受け入れられる保護パッケージは、ポリエチレンの二重バッグに包囲されたナイロンの内側バッグで構成される。このパッケージは、その内部において不活性ガスで圧力シールされてもよいし、又は真空シールされてもよい。
【００８２】
[0114]パッシベーションステップの結果、ステンレススチールの塊からのクロムが、ステンレススチールの露出面に向かって引っ張られ、露出面にクロムの増強を与える。基板の露出面に酸化クロムを形成するためのクロムの酸化は、クロムの増強と同時に実行される。ステンレススチールのクロムに富んだ表面は、パッシベーションステップを行う前よりも、化学的不活性さが高く、ひいては、耐腐食性が高い。
【００８３】
[0115]ネットワークアーキテクチャーの部分となるために少なくとも一部分が拡散接合される種々の流体フローネットワークアーキテクチャーコンポーネントの製造について以下に説明する。最初の説明は、ネットワークに使用するための基本的流体フローチャンネルをいかに形成するかに関するものであり、これに続いて、基本的流体フローチャンネルを含むネットワークアーキテクチャーへ種々の装置をどのように部分的に又は完全に一体化するか説明し、その後、完全に一体化可能な装置の２つの実施形態を説明し、最後に、ネットワークアーキテクチャーを示す全ガスパレット（制御システムを除く）を説明する。
【００８４】
[0116]図５Ａは、ネットワークチャンネル構造体の形成に使用するために各々異なる仕方でパターン化された５つの金属層の上面図である。これらパターン化された金属層（５１０、５２０、５３０、５４０及び５５０）の各々は、上述した化学的又は電気化学的エッチングを使用して形成されたスルーホールを示している。これらのスルーホールは、最終的なガス分配アッセンブリにおいて種々の機能を果たす。例えば、あるスルーホール５６０及び「スロット」５６５は、ガスの搬送に使用される。他のスルーホール５７０は、ねじ切りされて、表面実装コンポーネントを取り付けたり又は多数の拡散接合されたサブユニット（図６Ａに示す構造体６００のような）を一緒にねじ止めしたりするのに使用できる。チャンネルネットワークの一実施形態を形成するのに使用される全アッセンブリ５８０は、９枚の層を使用する。このアッセンブリは、図５Ｂに示されている。図５Ａを参照すれば、最下層である層１は、ガス搬送のための整形されたスルーホール５６０を備えている。層２は、ガス搬送のための付加的な整形されたスルーホール５６０を備えている。層３−７は、ガス搬送のための整形されたスルーホール５６５を備えている。層８及び９の両方は、ガス搬送のための整形されたスルーホール５６０を備えている。
【００８５】
[0117]スルーホールを形成するための化学的エッチングに続いて、２つ以上の金属層（図５Ａに示すもののような）を、拡散接合の前に、スタックして整列する。図５Ｂは、図５Ａに示すパターン化された金属層の拡張アッセンブリを、１８０°回転して示す三次元図である。図５Ｂに示す全ての層は、図５Ａのパターン化された金属層５３０である層３−７を含む。ある層のスルーホールは、通常、少なくとも１つの隣接層のスルーホール５６０又は整形されたスルーホール５６５と整列され、金属層のスタックを通して延びるガスフローチャンネルを形成する。
【００８６】
[0118]金属層（図５Ａに示す層５１０、５２０、５３０、５４０及び５５０のような）の拡散接合は、テーブル１に示したプロセス条件に基づき、ダイアフラム弁の下部金属部分の製造に関して上述したように、実行される。
【００８７】
[0119]ダイアフラム弁の製造に関して説明したように、ネットワークアーキテクチャーのある層は、拡散接合することができるが、他の層は、金属の高強度接合に適した従来の接着剤を使用して接合されてもよい。拡散接合を使用するか接着剤接合を使用するかの選択は、ネットワークアーキテクチャー内の各層の最終的な機能に依存する。ある場合には、所与のパターンの多数の層を使用して、特定の厚みに到達することができる。他の場合には、層の機能のために、拡散接合可能な材料が要求されないことがあり、接着剤を使用して層が付着される。
【００８８】
[0120]拡散接合（又はある層の拡散接合と他の層の接着剤接合との組合せ）に続いて、接合された構造体（図示せず）の側縁５９０を加工して、より滑らかで、より平らな表面を形成することができる。縁５９０（接合の前の図５Ｂのアッセンブリに示す）の加工は、この分野で良く知られた従来の加工技術を使用して行うことができる。拡散接合後の他のステップとして、カウンタボアシール面のローラーバニシング、テンパリング、ホールタッピング、及び表面処理、例えば、電気研磨又は化学的パッシベーションを含んでもよい。
【００８９】
[0121]本発明のある実施形態では、種々のコンポーネント装置を、ネットワークアーキテクチャーの一部分であるガスフローチャンネルのネットワークに表面実装することができる。コンポーネント装置は、通常、ねじ切りされたピン又はボルトを使用してネットワーク構造体に取り付けられ、これらピン又はボルトは、通常、ガス分配アッセンブリの縁において該アッセンブリのねじ切りされた開口にねじ込まれる。この目的に有用な整形されたスルーホールは、図５Ｂに示す拡張アッセンブリ５８０においてホール５７０として示されている（ねじは示されていない）。このように取り付けられるコンポーネント装置は、通常、拡散接合されたチャンネルネットワーク構造体の上面に平らに実装される。このようなコンポーネント装置は、例えば、弁、フィルタ、圧力センサ、アクチュエータ、圧力トランスジューサ、及び流量コントローラーを含むが、これらに限定されない。コンポーネントの表面実装は、例えば、ブルゼリキー氏等の１９９９年１月１９日付けの米国特許第５，８６０，６７６号、マークレック氏等の２００１年５月１５日付の米国特許第６，２３１，２６０号、ホリンシェアド氏の２００１年７月１７日付の米国特許第６，２６０，５８１号、及びエイドスモア氏等の２００３年１月７日付の米国特許第６，５０２，６０１号に説明されている。
【００９０】
[0122]流体フローチャンネルネットワーク及び種々のコンポーネント装置の両方を含むネットワークアーキテクチャーが図６Ａに示されている。図６Ａは、種々のコンポーネント装置の部分が、拡散接合された基板６０５に異なる程度で一体化された一体化構造体６００を示す。金属層に合体して拡散接合するのに良く適したコンポーネントは、弁、圧力センサ、流量センサ、温度センサ、フィルタ、圧力レギュレータ、及び逆止弁を含む（これらは一例で、これらに限定されない）。図６Ａは、例えば、表面実装コンポーネント６２０及び６２５に加えて、基本的構造体６１０のための多数の拡散接合された層（図５Ｂに示す拡張アッセンブリと同様の接合された層）を含むガス分配アッセンブリ６００の概略側面図である。
【００９１】
[0123]図６Ｂは、コンポーネント装置が、拡散接合された基板に、完全ではないが高度に一体化されたガス分配アッセンブリ６３０の三次元分解図である。この図示された実施形態では、ガス分配アッセンブリ６３０は、拡散接合された個々のサブユニット６１７、６１８、６１９及び６２１を含むが、他のサブユニット６１１、６１２、６１３、６１４、６１５及び６１６は、接着剤で接合されるか又はレーザ溶接される。部分的に一体化されたコンポーネントは、弁６２２、比例弁６２３、速度センサ６２４、フィルタ６２５、圧力センサ６２６、及び圧力レギュレータ６２７を含む。
【００９２】
[0124]図７Ａ−７Ｅは、圧力センサ７００の種々の図で、この圧力センサは、ここに述べる化学的エッチング及び拡散接合技術を使用して準備できると共に、ネットワークアーキテクチャーのガスチャンネル分配ネットワーク部分へと完全に一体化することのできるコンポーネント装置である。
【００９３】
[0125]図７Ａは、圧力センサ７００の概略三次元図であり、この圧力センサは、図７Ｆを参照して以下に述べる閉じた側面７０２と、流体が入ったり出たりする開口７０６をもつ流体入口（又は出口）側面７０４と、ユニットの頂部にあるゲッターポンプ７３０と、電気的接触ピン７３２と、キャップ７２８と、スペーサ７２６とを含む。
【００９４】
[0126]図７Ｂは、図７Ａに示す圧力センサ７００の閉じた側面７０２の概略側面図で、断面マーカーＡ−Ａが示されている。図７Ｄは、図７Ｂに示す圧力センサ７００のＡ−Ａに沿った概略断面図である。
【００９５】
[0127]図７Ｃは、流体が流れるチャンネル７１５への入口（又は出口７０６）を含む図７Ａに示す圧力センサ７００の側面７０４の概略側面図である。図７Ｅは、図７Ｃに示す圧力センサのＢ−Ｂに沿った概略断面図である。
【００９６】
[0128]図７ＢのＡ−Ａに沿った断面図である図７Ｄは、コンパクトな一体化構造体を形成するための種々の層（図７Ｆに示す）の拡散接合の後における圧力センサ７００のエレメントの一部分の関係を詳細に示している。この一体化構造体は、圧力センサ７００を作り上げる層の少なくとも一部分が延びて、他のコンポーネント装置又は流体チャンネルネットワークの部分にもなるようなネットワークアーキテクチャー（図示せず）の一部分である。図６Ｂは、ネットワーク内の単一層が、例えば、２つ以上のコンポーネント装置の部分としていかに働くかを示す。より詳細には、図７Ｄは、流体が入る（又は出る）ことのできる流体フローチャンネル７１５を示し、このチャンネル７１５は、図７Ｆに示すような層７１４のアッセンブリにおけるパターン化された開口が一緒に接合されたときに形成される。圧力センサ７００の外部ベース７１０の付近には、スロット７１３があり、これは、流体ボリュームの一部分しか感知エリアに向けられないときに流体フローのボリューム変化の影響を打ち消す。感知エリアに送られる流体フロー（図示せず）の一部分は、層７１６の開口７１７（図７Ｅに示す）を経て金属ダイアフラム７２０の下の第１チャンバー７１９へ通過される。開口７１７は、流体フローの急激は変動を防止するように働く。流体により金属ダイアフラム７２０に作用する圧力は、金属ダイアフラム７２０（通常、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）のような材料の比較的薄い（通常約０．００３インチ厚み）層で作られる）を、誘電体絶縁（通常セラミック）円板７２４の下の第２チャンバー７２３へと上方に変形させ、この円板は、その下面に存在する二重の電極７４４及び７４６を有し、これら電極は、次いで、開口７２５を通して円板７２４の上面へと通過し（図示せず）、そこで、電気接触ピン７３２により接触される。電気絶縁円板７２４は、金属ダイアフラム７２０との組み合わせにおいてキャパシタの一部分を形成し、ダイアフラム７２０が変形して、キャパシタのエレメント間の間隔が変化すると、電気絶縁円板７２４の電極に流れる電流の量が変化する。この電流の変化は、監視することのできる圧力変化の指示である。又、図７Ｄには、層７１２（スロット７１３を含む）と、開口７０６（コンジット７１５）を形成する４つの融解接合された層と、ダイアフラム７２０との流体接触を与える開口７１７を含む層７１６と、開口／第１チャンバー７１９を含む層７１８と、開口／第２チャンバー７２３を含む層７２２と、セラミック円板７２４の上に横たわる第３チャンバー７２９の形成を許容するスペーサ７２６とが示されている。ゲッターポンプ７３０は、セラミック円板７２４の上に横たわる第３チャンバー７２９に真空を維持する。この真空は、感知圧力より遥かに低い基準圧力として働き、従って、圧力の変化はダイアフラムの片側だけである。第３チャンバー７２９に真空を使用することで、大気圧に対する圧力ではなく絶対圧力を読み出すことが許容される。
【００９７】
[0129]圧力センサは、チャンバー７２９の圧力を、感知される圧力より実質的に高くするように設計することができ、この場合、チャンバー７２９の圧力は、ダイアフラム７２０を下方に変形させることになる。更に、ゲッターポンプは要求されない。又、圧力センサは、特定の用途に対して望まれる場合には、大気圧に対して圧力ゲージとして使用することもできる。
【００９８】
[0130]図７Ｅは、図７Ａに示す圧力センサ７００の側面７０４の概略側面図であり、図７ＣのＢ−Ｂに沿った断面図である。圧力センサ７００のこの図は、開口７２５を示す、これを通してチャンバー７２９及び７２３が接続されて真空下に保持される。
【００９９】
[0131]図７Ｆは、図７Ａに示す圧力センサ７００の分解三次元概略図で、完全に一体化可能な圧力センサを作り上げる個々のコンポーネント層を示す。特に、最下層７１０は、圧力センサ７００の外部ベースを形成する。層７１２は、スロット７１３を含み、これは、ボリューム変化の作用を打ち消すもので、センサ７００の流体（図示せず）が層７１６の開口７１７を通過し、過剰な流体がスロット７２１を通過するときに、圧力低下の量を減少する。スロット７２１は、スロット７１３との組合せにおいて機能し、開口７１７を通過する流体のボリュームの作用、ひいては、圧力の作用を制御する上で助けとなる。更に、スロット７２１は、通常、流体フローネットワーク内のフローチャンネルに接続するのに使用される。層７１８は、ダイアフラム７２０の下であって且つ流体が通過する開口７１７の上に第１チャンバー７１９を形成するのに使用される。第１チャンバー７１９の流体は、ダイアフラム７２０を押圧して、層７２２内に形成された第２チャンバー７２３に接触するダイアフラム７２０の部分を変形させる。電気絶縁（通常、セラミックの）円板７２４は、図Ｇに示すようにその下面７４２に存在する電気接点７４４及び７４６を含む。これらの接点は、円板７２４の上面の開口（図示せず）を通過して、図７Ｄに示す電気的接触ピン７３２の接触ポイントを形成する。これら接触ピン７３２は、圧力センサ７００の一般的な金属本体から、電気絶縁アイレット７３８により電気的に分離される。スペーサ７２６の内部は、円板７２４の表面の上に第３チャンバー７２９を形成するに充分な厚みであり、このチャンバーは、開口７２５を通してチャンバー７２３に接続される。キャップ７２８は、圧力センサ７００の主外部上面を形成すると共に、開口７２７を含み、絶縁アイレット、例えば、ガラス絶縁体により絶縁された電気的接触ピン７３２がこの開口を通過して、円板７２４の上面の電気的接点（図示せず）に接触する。キャップ７２８の上面に通常チタンで形成されるゲッターポンプ７３０は、所与の温度において第３チャンバー７２９及び第２チャンバー７２３に定常真空を維持するのに使用される。
【０１００】
[0132]多層圧力センサ７００における金属層の典型的な厚みは、約０．０２５インチである。大半の層は、ステンレススチール（通常、４００シリーズのステンレススチール）である。ダイアフラム７２０は、通常、厚みが約０．００３インチで、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）、又はより強い「スプリング状」の振舞いを与える同様のニッケル／コバルト／クロム合金から作られる。電気的接触ピン７３２は、通常、銅から作られ、又、ゲッターポンプ７３０は、通常、チタンのような材料を含み、第３空洞７２９及び第２空洞７２３からの自由流体分子を吸収する。
【０１０１】
[0133]図８Ａは、完全に一体化可能なインラインフィルタ８５０（図８Ｃ及び８Ｄに示す）を含む積層構造体８３０を形成するための出発構造体８００を示す概略分解図である。図８Ａは、図５Ａ及び５Ｂに示す種類の一連の層を示す。図８Ａは、流体がネットワークアーキテクチャーを通過するときに流体フローがインラインでフィルタされるように、完全に一体化可能なフィルタを流体フローネットワークのスペース内にいかに形成できるかを示すのに使用される。層８０８−８１６の各々は、スロット８０７を含み、この中に、シンター可能な媒体８４８が入れられる。通常、グリーン状態のシンター可能な媒体８４８が、層８０６の上面のブロック又は整形された構造体８０５に入れられ、全ての層が圧縮されるときに、シンター可能な媒体８４８が全てのスロット８０７に通されて、図８Ｃ及び８Ｄに示されたように、スロットで作られたスペースを満たす。
【０１０２】
[0134]図８Ｂは、拡散接合された積層基板８３０の概略上面図で、最上層８２２、流体入口８３２及び流体出口８３４を示している。又、図８Ｂは、断面マーカーＡ−Ａも示すようにマークされる。
【０１０３】
[0135]図８Ｃは、積層基板構造体８３０の概略断面図である。積層構造体８３０の拡散接合中に、シンター可能な媒体８４８は、流体入口８３２と流体出口８３４との間に画成されたスペースを充填するように強制されている。シンターされた媒体は、積層構造体８３０の流体フローチャンネル８３６に入ることのある粒子をフィルタ除去するためのインラインフィルタ８５０を形成する。積層構造体８３０は、大きな積層構造体（図示せず）の一部分であってもよいし、或いは弁のようなコンポーネント装置（図示せず）が流体入口開口８３２及び流体出口開口８３４の上に取り付けられてもよい。
【０１０４】
[0136]図８Ｃ及び８Ｄ（Ａ−Ａに沿った三次元断面図）に示す層８０４及び８２０は、通常、構造体８３０の拡散接合中及びその後に硬いシール面を与えるためのＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）から作られる。構造体における他の層は、例えば、シリーズ４００のステンレススチールでよいが、これに限定されない。ＥＬＧＩＬＯＹ層の厚みは、例えば、０．００４インチの範囲でよいが、これに限定されず、これに比して、ステンレススチール層は、通常、例えば、約０．０２５インチの範囲であるが、これに限定されない。
【０１０５】
[0137]ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）層は、上述した弁３００のダイアフラム３０２、及びセンサ７００のダイアフラム７２０として使用することができると共に、表面実装コンポーネントに使用されるカウンタボアのための硬いシール面を与えることもできる。
【０１０６】
[0138]図９Ａは、多数のガス分配アッセンブリ（ガススティック）９１０を表面実装コンポーネント装置（図６Ｂに示すものと同様の）と共に備えた一体化流体配送システム９００の上面図である。この一体化流体配送システム９００は、ベースプレート９２０に実装され、入力マニホールド９３０及び出力マニホールド９４０も備えている。図９Ｂは、図９Ａに示す一体化流体配送システム９００の三次元側面図で、個々のコンポーネント装置を、拡散接合された基板へと一体化する程度を示している。
【０１０７】
[0139]図９Ａ及び９Ｂに示して上述した一体化流体配送システムは、製造プロセス中に種々のガスの使用を必要とする処理装置に関連して使用することができる。例えば、これに限定されないが、半導体処理については、流体配送システムは、エッチングチャンバー、化学的気相堆積（ＣＶＤ）チャンバー、及び物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバーに関連して使用することができる。
【０１０８】
[0140]図９Ｂに示す一体化流体配送システム９００の１つの効果は、個々のガス分配アッセンブリ（ガススティック）９１０を流体配送システムから取り外して適度なコストで新たなガス分配アッセンブリと交換できることである。これは、何らかの理由で１つ以上の流体配送コンポーネント装置が機能しないときに、全半導体処理システムの停止時間を最小にすることができる。個々のガス分配アッセンブリを取り外してオフラインで修理することができ、コストのかかる配管及び再配管作業時間を必要としない。個々のガス分配アッセンブリを修理できない場合には、構造体の材料をリサイクルすることができる。
【０１０９】
[0141]本発明のスペース節約型の一体化ガス分配ネットワークアーキテクチャーは、従来の大規模なシステムより製造が安価である。というのは、製造に要する材料が非常に少なく、且つアッセンブリを製造するのに使用される製造プロセス（化学的エッチング及び拡散接合）は、用途に見合うようにその規模が拡張可能であると共に、コストの経済性を与えるようにその生産量が拡張可能だからである。
【０１１０】
[0142]又、上述した拡散接合技術は、半導体処理チャンバーコンポーネントを流体取り扱いネットワークコンポーネントに取り付けるのにも使用できる。流体取り扱いネットワークコンポーネントは、ガス分配アッセンブリでもよいし、或いは上述したコンポーネント装置のいずれか、例えば、手動操作弁、自動弁、圧力及び温度センサ、流量コントローラー、フィルタ、圧力レギュレータ、逆止弁、計量弁、ニードル弁、及び浄化器でもよい。流体取り扱いネットワークコンポーネントが接合される半導体処理チャンバーコンポーネントは、例えば、エッチングチャンバー、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバー、又は物理気相堆積（ＰＶＤ）チャンバーへのフランジ又は入口ポートでよいが、これらに限定されない。
【０１１１】
[0143]上述した実施形態は、当業者が、ここに開示し請求する概念を理解できるようにするためのもので、本発明の範囲を限定するものではない。当業者であれば、ここでの開示に鑑み、その概念と、積層流体チャンネル、センサ、アクチュエータ及び弁の種々のエレメントに使用される材料とを、特許請求の範囲に述べる本発明の要旨に対応するように拡張することができよう。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明のオン／オフ弁の一実施形態の概略断面図である。
【図２】図１に示すオン／オフ弁１００の実施形態の三次元概略側面図である。
【図３Ａ】拡散接合を使用して製造されたオン／オフ弁３００の実施形態を示す概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す弁の３／４を示す三次元概略図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの弁の概略図で、オン／オフ弁３００の下部区分３０３の拡散接合中に弁座３１４をダイアフラム３０２及びその下に横たわる層３４８から離して保持するのに使用される、一時的に堅牢であるが溶解可能な支持体３６３も示す図である。
【図４Ａ】本発明の制御弁の実施形態において金属性弁座として使用できるリングシールの一実施形態を示す拡大図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すリングシールの側面図である。
【図５Ａ】流体取り扱い構造体を形成するために拡散接合することのできる種類の、一連の異なる仕方でパターン化され、化学的又は電気化学的にエッチングされた金属層（５１０、５２０、５３０、５４０及び５５０）を示す上面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すパターン化された金属層のアッセンブリを、１８０°回転して示す三次元拡張図で、９層構造体内に適切な大きさの形状を形成するために金属層５３０を５回繰り返したところを示す図である。
【図６Ａ】多数の拡散接合されたサブユニット６１０（図５Ｂに示す構造体５００と同様の）を、種々のコンポーネント装置６２０に加えて備え、コンポーネント装置のあるものは、他のものよりその下に横たわる基板６０５により高度に一体化されているガス分配ネットワークアーキテクチャーアッセンブリ６００を示す概略側面図である。
【図６Ｂ】種々のコンポーネント装置がその下に横たわる基板に高度に一体化された、図６Ａに示すものと同様のガス分配ネットワークアーキテクチャーアッセンブリを示す三次元分解図である。
【図７Ａ】多層流体取り扱いネットワークアーキテクチャーへ完全に一体化することのできる種類の、一体化可能な多層圧力センサ７００の三次元概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す圧力センサ７００の側面７０２を示す概略側面図で、断面マーカーＡ−Ａが示された図である。
【図７Ｃ】図７Ａに示す圧力センサ７００の側面７０４を示す概略側面図で、断面マーカーＢ−Ｂが示された図である。
【図７Ｄ】図７Ｂに示す圧力センサ７００のＡ−Ａに沿った概略断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｃに示す圧力センサ７００のＢ−Ｂに沿った概略断面図である。
【図７Ｆ】図７Ａに示す圧力センサ７００の分解三次元図で、完全に一体化可能な圧力センサを作り上げる個々のコンポーネント層を示す図である。
【図７Ｇ】セラミック円板７２４の下面７４２を示す拡大図で、中心電極７４４及び外部電極７４６を示す図である。
【図８Ａ】完全に一体化可能なインラインフィルタを含む積層構造体８３０を形成するための出発構造体８００を示す概略分解図である。
【図８Ｂ】出発構造体８００から形成される積層構造体８３０の概略上面図で、断面マーカーＡ−Ａが示された図である。
【図８Ｃ】完全に一体化された粒子インラインフィルタ８５０を含む積層構造体８３０のＡ−Ａに沿った概略断面図である。
【図８Ｄ】積層構造体８３０の３／４を示す三次元図で、インラインフィルタ８５０のための入口８３２及び出口８３４を示す概略図である。
【図９Ａ】図６Ｂに示す種類の多数のガス分配アッセンブリ９１０（ガススティック）を備え、これらガススティックがマニホールドシステム９３０及び９４０に取り付けられた一体化流体配送システム９００の上面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す一体化流体配送システム９００の三次元図である。
【図１０】ステンレススチール面をパッシベーションして耐腐食性を高めさせるプロセスのためのプロセスフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１３】
１００・・・弁、１０２・・・ダイアフラム、１０３・・・濡れる本体区分、１０４・・・濡れる区分、１０６・・・駆動区分、１１４・・・金属性弁座、１１６・・・下部水平部材、１１７・・・濡れない駆動本体区分、１３７・・・ハウジング、１２１・・・スライド式シリンダー、１２２・・・円錐円板スプリング、１２３・・・凸状面、３００・・・弁、３０２・・・ダイアフラム、３０３・・・積層基板、３０６・・・駆動区分、３１３、３２０・・・気密スライドシール、３１４・・・金属性弁座、３１６・・・下部水平部材、３１８・・・上部水平部材、３２１・・・スライド式シリンダー、３１３、３２０・・・スライドシール、３０２、３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、３４８、３５０、３５４、３５６・・・層、３２１・・・スライド式シリンダー、３２２・・・スプリング、３２３・・・凸状面、３３１・・・チャンバー、３３７・・・ハウジング、３３９・・・空気チャンバー、３６３・・・堅牢であるが溶解可能な支持体、３６４・・・通気口、３６７・・・中央ドーム区分、６００・・・ガス分配アッセンブリ、６１０・・・基本的構造体、６２２・・・弁、６２３・・・比例弁、６２４・・・速度センサ、６２５・・・フィルタ、６２６・・・圧力センサ、６２７・・・圧力レギュレータ、６３０・・・ガス分配アッセンブリ、７００・・・圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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