(57)【要約】【課題】高温環境下で長期間使用することができる流量センサ、流量制御機器、および、これらの製造方法を提供する。【解決手段】流量センサ４は、コイル線材４１と被覆膜４２とを備えている。コイル線材４１は、その外周面を覆うように絶縁膜４１３が形成されている。そして、コイル線材４１は、絶縁膜３１が形成された検出管３の外周に巻かれるように配置されている。被覆膜４２は、絶縁膜３１および絶縁膜４１３を被覆する。このため、コイル線材４１と検出管３との間を長期間にわたって電気的に絶縁することができ、高温環境下で長期間使用することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理流体が流れる検出管の外周に巻かれるように配置されたコイル線材と、
前記検出管と前記コイル線材とを電気的に絶縁する絶縁膜と、
前記絶縁膜を被覆する被覆膜と、を備える、ことを特徴とする流量センサ。
【請求項２】
前記絶縁膜は、前記検出管の外周面を覆うように形成された第１の絶縁膜と、前記コイル線材の外周面を覆うように形成された第２の絶縁膜と、を備え、
前記コイル線材は、前記第１の絶縁膜が形成された検出管の外周に巻かれるように配置され、
前記被覆膜は、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜を被覆する、ことを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
【請求項３】
前記被覆膜は、シール性を有する無機簿膜により形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の流量センサ。
【請求項４】
前記被覆膜は、アルミの蒸着膜により形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流量センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流量センサを備える、ことを特徴とする流量制御機器。
【請求項６】
処理流体が流れる検出管の外周にコイル線材を巻き付けた状態で前記検出管と前記コイル線材とを電気的に絶縁する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記検出管の外周に前記コイル線材を巻き付ける巻き付け工程と、
前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁膜を被覆する被覆工程と、を備える、ことを特徴とする流量センサの製造方法。
【請求項７】
前記絶縁膜形成工程、および、前記巻き付け工程を、不活性ガスまたは窒素雰囲気下で行い、
前記被覆工程を、真空下で行う、ことを特徴とする請求項６に記載の流量センサの製造方法。
【請求項８】
前記不活性ガスまたは窒素雰囲気下では、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下である、ことを特徴とする請求項７に記載の流量センサの製造方法。
【請求項９】
前記絶縁膜形成工程では、前記検出管の外周面を覆うように第１の絶縁膜を形成する第１の絶縁膜形成工程と、前記コイル線材の外周面を覆うように第２の絶縁膜を形成する第２の絶縁膜形成工程と、を備え、
前記巻き付け工程では、前記第２の絶縁膜が形成されたコイル線材を、前記第１の絶縁膜が形成された検出管にコイル状に巻き付け、
前記被覆工程では、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜を被覆する、ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の流量センサの製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁膜形成工程では、前記絶縁膜にポリイミド膜を用い、
前記ポリイミド膜の形成では、ポリイミドを成膜した後に、アニール処理を行う、ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の流量センサの製造方法。
【請求項１１】
前記被覆工程では、シール性を有する無機簿膜により前記絶縁膜を被覆する、ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の流量センサの製造方法。
【請求項１２】
前記被覆工程では、アルミの蒸着膜により前記絶縁膜を被覆する、ことを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の流量センサの製造方法。
【請求項１３】
請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の前記絶縁膜形成工程、前記巻き付け工程、および、前記被覆工程を備える、ことを特徴とする流量制御機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量センサ、流量制御機器、および、これらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程で用いられる熱処理装置には、熱式センサ等の流量センサにより成膜用ガスなどの処理ガスの質量流量を計測し流量制御を行うマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）や、処理ガスの流量を測定しバルブを制御するマスフローメータ（ＭＦＭ：Mass Flow Meter）等の流量制御機器が設けられている。
【０００３】
このような流量制御機器の熱式センサでは、発熱コイルと配管とに有機絶縁膜を形成し、発熱コイルと配管との間の絶縁性を維持している。しかし、有機絶縁膜として使用される有機材料を高温大気環境、特に、２５０℃以上の高温環境で使用すると、有機材料が酸化により分解し、長期的に絶縁性を保つことが困難になる。このため、流量制御機器による正常な流量検知や流量制御ができなくなり、流量制御機器の使用期間を十分に確保することができないという問題がある。
【０００４】
かかる問題を解決するため、例えば、特許文献１には、チューブと抵抗コイルとの間を電気的に絶縁する樹脂の少なくとも一部に熱伝導率が高い電気的絶縁性の粒子を混入することにより、高温での経年劣化が少なく高感度の質量流量センサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３００４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、半導体装置の製造工程では、より高温環境下で半導体装置を製造することが望まれており、高温環境下で長期間使用することができる流量センサ（流量制御機器）が求められている。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高温環境下で長期間使用することができる流量センサ、流量制御機器、および、これらの製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる流量センサは、
処理流体が流れる検出管の外周に巻かれるように配置されたコイル線材と、
前記検出管と前記コイル線材とを電気的に絶縁する絶縁膜と、
前記絶縁膜を被覆する被覆膜と、を備える、ことを特徴とする。
【０００９】
前記絶縁膜は、前記検出管の外周面を覆うように形成された第１の絶縁膜と、前記コイル線材の外周面を覆うように形成された第２の絶縁膜と、を備え、
前記コイル線材は、前記第１の絶縁膜が形成された検出管の外周に巻かれるように配置され、
前記被覆膜は、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜を被覆する、ことが好ましい。
【００１０】
前記被覆膜は、例えば、シール性を有する無機簿膜により形成されている。
前記被覆膜は、例えば、アルミの蒸着膜により形成されている。
【００１１】
本発明の第２の観点にかかる流量制御機器は、本発明の第１の観点にかかる流量センサを備える、ことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第３の観点にかかる流量センサの製造方法は、
処理流体が流れる検出管の外周にコイル線材を巻き付けた状態で前記検出管と前記コイル線材とを電気的に絶縁する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記検出管の外周に前記コイル線材を巻き付ける巻き付け工程と、
前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁膜を被覆する被覆工程と、を備える、ことを特徴とする。
【００１３】
前記絶縁膜形成工程、および、前記巻き付け工程を、不活性ガスまたは窒素雰囲気下で行い、前記被覆工程を、真空下で行う、ことが好ましい。
前記不活性ガスまたは窒素雰囲気下では、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
前記絶縁膜形成工程では、前記検出管の外周面を覆うように第１の絶縁膜を形成する第１の絶縁膜形成工程と、前記コイル線材の外周面を覆うように第２の絶縁膜を形成する第２の絶縁膜形成工程と、を備え、
前記巻き付け工程では、前記第２の絶縁膜が形成されたコイル線材を、前記第１の絶縁膜が形成された検出管にコイル状に巻き付け、
前記被覆工程では、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜を被覆する、ことが好ましい。
【００１５】
前記絶縁膜形成工程では、前記絶縁膜にポリイミド膜を用い、
前記ポリイミド膜の形成では、ポリイミドを成膜した後に、アニール処理を行う、ことが好ましい。
【００１６】
前記被覆工程では、例えば、シール性を有する無機簿膜により前記絶縁膜を被覆する。
前記被覆工程では、例えば、アルミの蒸着膜により前記絶縁膜を被覆する。
【００１７】
本発明の第４の観点にかかる流量制御機器の製造方法は、本発明の第３の観点にかかる前記絶縁膜形成工程、前記巻き付け工程、および、前記被覆工程を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高温環境下で長期間使用することができる流量センサ、流量制御機器、および、これらの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るマスフローメータの構造を示す図である。
【図２】流量センサの構造の一例を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】検出管の外周面上に絶縁膜が形成された状態を示す図である。
【図５】絶縁膜を覆ったコイル線材を検出管に巻き付けた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の流量センサ、流量制御機器、および、これらの製造方法を、流量センサを備えたマスフローメータ（ＭＦＭ）に適用した場合を例に本実施の形態を説明する。図１は、熱処理装置の処理ガス供給管のような処理流体が流れる配管に、本実施の形態のマスフローメータが取り付けられた状態を示す図である。図２は、流量センサの構造の一例を示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図であり、コイル線材を覆うように被覆膜を形成した状態を示す図である。図４は、検出管の外周面上に絶縁膜が形成された状態を示す図である。図５は、絶縁膜を覆ったコイル線材を検出管に巻き付けた状態を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、流量制御機器としてのマスフローメータ１は、配管２に接続された検出管３と、検出管３の外周に設置された流量センサ４と、を備えている。
【００２２】
検出管３は、耐食性の高い材料、例えば、Ｎｉ合金から形成されている。検出管３は、例えば、０．２ｍｍ〜０．７ｍｍ程度の内径を有するＮｉ合金ステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）から形成されている。検出管３は、配管２から分岐し、再び配管２に戻るバイパス管であり、流量センサ４を覆うように、逆Ｕ字状に形成されている。このため、配管２を流れる処理流体の一部が検出管３の内部に流れ、検出管３の内部に流れる処理流体が再び、検出管３の内部に流れる。このように、検出管３の内部が検出流路を構成する。
【００２３】
また、図４に示すように、検出管３の外周面上には、検出管３の外周面を覆うように第１の絶縁膜としての絶縁膜３１が形成されている。絶縁膜３１は、絶縁性の材料からなる薄膜から形成されている。絶縁性の材料からなる薄膜としては、ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられるが、耐熱性に優れたポリイミド樹脂により形成されていることが好ましい。ポリイミド樹脂の薄膜は、検出管３の外周面にポリイミド樹脂をコーティングした後、熱硬化させる等により形成されている。絶縁膜３１は、その膜厚が、例えば、１５μｍ程度形成され、検出管３と後述する流量センサ４のコイル線材４１との間を電気的に絶縁するとともに、検出管３とコイル線材４１とを密着させる役割を有する。
【００２４】
流量センサ４は、コイル線材４１と、被覆膜４２と、センサ出力信号線４３とを備えている。
【００２５】
図２に示すように、コイル線材４１は、検出管３の外周に巻かれるように配置されている。本実施の形態では、配管２と平行な検出管３の長手方向の中央付近に互いに近接するように２つのコイル線材４１が配置されている。２つのコイル線材４１は、検出流路（検出管３）の上流側領域および下流側領域に所定の間隔を有するように配置されている。
【００２６】
コイル線材４１は、ヒータとしての機能を有し、検出管３を加熱するための手段を有している。本実施の形態では、コイル線材４１は、検出管３に巻かれて櫛型に形成された捲き込み部４１１と、左右一対の引出し線４１２とで構成されている。
【００２７】
コイル線材４１は、金属、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を含む合金により形成されている。このようなコイル線材４１は、例えば、スパッタや真空蒸着等の公知の金属膜形成手段を用いることにより形成されている。
【００２８】
また、図３に示すように、コイル線材４１の外周面上には、コイル線材４１の外周面を覆うように第２の絶縁膜としての絶縁膜４１３が形成されている。絶縁膜４１３は、絶縁膜３１と同様に、絶縁性の材料からなる薄膜から形成されている。絶縁性の材料からなる薄膜としては、耐熱性に優れたポリイミド樹脂の薄膜により形成されていることが好ましい。ポリイミド樹脂の薄膜は、コイル線材４１の外周面にポリイミド樹脂をコーティングした後、熱硬化させる等により形成されている。絶縁膜４１３は、その膜厚が、例えば、５μｍ程度形成され、コイル線材４１と検出管３との間を電気的に絶縁するとともに、コイル線材４１を空気と遮断することで経時変化によるコイル線材４１の抵抗変動を小さくさせる役割を有する。さらに、ガス流入時の熱変化を伝熱する役割を有する。
【００２９】
被覆膜４２は、検出管３の外周に巻かれたコイル線材４１（絶縁膜４１３）を被覆する。このように、コイル線材４１が被覆膜４２に被覆されているので、流量センサ４（マスフローメータ１）を高温大気環境で使用しても絶縁膜４１３および絶縁膜３１が大気（酸素）に触れることがなく、絶縁膜４１３および絶縁膜３１の絶縁性を長期間保つことができる。このため、コイル線材４１と検出管３との間を長期間にわたって電気的に絶縁することができ、流量センサ４、及び、マスフローメータ１を高温環境下で長期間使用することができる。
【００３０】
被覆膜４２は、遮光性、反射性、ガスバリア性、汎用性、薄膜による機能性等の機能を有する材料であることが好ましく、例えば、ガスバリア性（シール性）を有する無機薄膜により形成されていることが好ましい。シール性を有する無機薄膜により形成されていることにより、高温大気環境で使用しても絶縁膜４１３および絶縁膜３１が大気（酸素）に触れることがなくなるためである。本実施の形態では、ガスバリア性、汎用性に優れたアルミ（Ａｌ）の蒸着膜により形成されている。アルミの蒸着膜は、その膜厚が、例えば、１２μｍ程度形成され、コイル線材４１と検出管３との間を長期間にわたって電気的に絶縁する。
【００３１】
センサ出力信号線４３は、コイル線材４１の引出し線４１２と、コントロールユニット５とに接続されている。そして、コントロールユニット５から、センサ出力信号線４３を介して、コイル線材４１（引出し線４１２）に電力を供給することにより引出し線４１２が加熱され、検出流路（検出管３）を所望の温度に加熱する。
【００３２】
コントロールユニット５は、熱量から流量を演算する演算回路を備えており、流量センサ４を所定の温度、例えば、３５０℃まで加熱して設置し、コントロールユニット５を常温に設置することにより、高温環境においても流量の検出（制御）が可能な構成になっている。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、絶縁膜４１３および絶縁膜３１を被覆する被覆膜４２が形成されているので、コイル線材４１と検出管３との間を長期間にわたって電気的に絶縁することができる。このため、流量センサ４、及び、マスフローメータ１を高温環境下で長期間使用することができる。
【００３４】
また、本実施の形態によれば、検出管３の外周面上には、検出管３の外周面を覆うように絶縁膜３１が形成されているので、検出管３と後述する流量センサ４のコイル線材４１との間を電気的に絶縁するとともに、検出管３とコイル線材４１とを密着させることができる。
【００３５】
さらに、本実施の形態によれば、コイル線材４１の外周面上には、コイル線材４１の外周面を覆うように絶縁膜４１３が形成されているので、コイル線材４１と検出管３との間を電気的に絶縁するとともに、コイル線材４１を大気（酸素）と遮断することで経時変化によるコイル線材４１の抵抗変動を小さくさせることができる。
【００３６】
次に、以上のように構成された流量センサ４、及び、マスフローメータ１の製造方法について説明する。
【００３７】
まず、検出管３の外周面にポリイミド樹脂を、例えば、その厚さが１５μｍ程度となるようにコーティングする。次に、コーティングした検出管３を加熱して、検出管３の外周面にコーティングされたポリイミド樹脂を熱硬化させる。これにより、図４に示すように、検出管３の外周面上に絶縁膜３１が形成される。
【００３８】
同様に、コイル線材４１の外周面にポリイミド樹脂を、例えば、その厚さが５μｍ程度となるようにコーティングする。次に、コーティングしたコイル線材４１を加熱して、コイル線材４１の外周面にコーティングされたポリイミド樹脂を熱硬化させる。これにより、コイル線材４１の外周面上に絶縁膜４１３が形成される。
【００３９】
続いて、絶縁膜４１３が形成されたコイル線材４１を、絶縁膜３１が形成された検出管３にコイル状に巻き付ける。本実施の形態では、２つのコイル線材４１を、配管２と平行な検出管３の長手方向の中央付近に互いに近接させ、検出管３の上流側領域および下流側領域に所定の間隔を有するように巻き付ける。
【００４０】
ここで、コイル線材４１に絶縁膜４１３が形成されるとともに、検出管３に絶縁膜３１が形成されているので、検出管３とコイル線材４１との間を電気的に絶縁することができる。また、検出管３とコイル線材４１とを密着させることができる。さらに、コイル線材４１に絶縁膜４１３が形成されているので、コイル線材４１を大気（酸素）と遮断することができ、経時変化によるコイル線材４１の抵抗変動を小さくすることができる。
【００４１】
絶縁膜４１３は、少なくともコイル線材４１を検出管３に巻き付けることにより検出管３に巻かれる捲き込み部４１１に相当する箇所に形成されていればよく、コイル線材４１の全長にわたって形成されていなくてもよい。
【００４２】
コイル線材４１が検出管３に巻き付けられると、絶縁膜４１３および絶縁膜３１にアルミの蒸着膜を、例えば、１２μｍ程度成膜（コーティング）して、図３に示すように、コイル線材４１（絶縁膜４１３）を被覆する被覆膜４２を形成する。被覆膜４２を形成することにより、流量センサ４（マスフローメータ１）を高温大気環境で使用しても絶縁膜４１３および絶縁膜３１が大気（酸素）に触れることがなく、絶縁膜４１３および絶縁膜３１の絶縁性を長期間保つことができる。この結果、コイル線材４１と検出管３との間を長期間にわたって電気的に絶縁することができ、流量センサ４、及び、マスフローメータ１を高温環境下で長期間使用することができる。
【００４３】
ここで、被覆膜４２を形成する工程を、真空下で行う（例えば、真空蒸着により形成する）ことが好ましい。真空下で行うことにより、さらに絶縁膜４１３および絶縁膜３１が酸素に触れることがなくなり、絶縁膜４１３および絶縁膜３１の絶縁性を長期間保つことができる。
【００４４】
また、絶縁膜４１３を形成する工程や、絶縁膜３１を形成する工程を、不活性ガスまたは窒素雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスまたは窒素雰囲気下で行うことにより、さらに絶縁膜４１３および絶縁膜３１が酸素に触れることがなくなり、絶縁膜４１３および絶縁膜３１の絶縁性を長期間保つことができるためである。不活性ガスまたは窒素雰囲気下としては、例えば、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
また、絶縁膜４１３を形成する工程や、絶縁膜３１を形成する工程では、ポリイミド膜の成膜後にアニール処理を行うことが好ましい。アニール処理を行うことにより、絶縁膜４１３や絶縁膜３１を構成するポリイミド膜を十分にイミド化させることができるためである。
【００４６】
次に、コイル線材４１の引出し線４１２とセンサ出力信号線４３とを接続するとともに、センサ出力信号線４３とコントロールユニット５とを接続する。これにより、コントロールユニット５から、センサ出力信号線４３を介して、コイル線材４１（引出し線４１２）に電力が供給され、引出し線４１２が加熱され、検出流路（検出管３）を所望の温度に加熱することができる。そして、コントロールユニット５を常温に設置することにより、高温環境においても流量の検出（制御）が可能なマスフローメータ１となる。
【００４７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、絶縁膜４１３および絶縁膜３１を被覆する被覆膜４２を形成しているので、コイル線材４１と検出管３との間を長期間にわたって電気的に絶縁することができる。このため、流量センサ４、及び、マスフローメータ１を高温環境下で長期間使用することができる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、検出管３の外周面上には、検出管３の外周面を覆うように絶縁膜３１を形成しているので、検出管３と後述する流量センサ４のコイル線材４１との間を電気的に絶縁するとともに、検出管３とコイル線材４１とを密着させることができる。
【００４９】
さらに、本実施の形態によれば、コイル線材４１の外周面上には、コイル線材４１の外周面を覆うように絶縁膜４１３を形成しているので、コイル線材４１と検出管３との間を電気的に絶縁するとともに、コイル線材４１を空気と遮断することで経時変化によるコイル線材４１の抵抗変動を小さくさせることができる。
【００５０】
また、本実施の形態によれば、被覆膜４２を形成する工程を、真空下で行っているので、さらに絶縁膜４１３および絶縁膜３１が酸素に触れることがなくなり、絶縁膜４１３および絶縁膜３１の絶縁性を長期間保つことができる。
【００５１】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
【００５２】
上記実施の形態では、被覆膜４２としてアルミの蒸着膜を用いた場合を例に本発明を説明したが、例えば、被覆膜４２は絶縁膜４１３および絶縁膜３１を被覆することにより、絶縁膜４１３および絶縁膜３１が大気（酸素）に触れることなく、絶縁膜４１３および絶縁膜３１の絶縁性を長期間保つことができるものであればよく、各種の無機簿膜を用いてもよい。各種の薄膜は、絶縁膜４１３および絶縁膜３１が大気（酸素）に触れにくくするために、シール性を有することが好ましい。
【００５３】
上記実施の形態では、検出管３の外周面上に絶縁膜３１が形成され、さらに、コイル線材４１に絶縁膜４１３が形成されている場合を例に本発明を説明したが、検出管３とコイル線材４１との間に絶縁膜を形成することにより両者が電気的に絶縁されていればよく、例えば、絶縁膜４１３のみが形成されている場合であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は流量センサ、流量制御機器、および、これらの製造方法に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１      マスフローメータ
２      配管
３      検出管
３１    絶縁膜
４      流量センサ
４１    コイル線材
４２    被覆膜
４３    センサ出力信号線
４１１  捲き込み部
４１２  引出し線
４１３  絶縁膜
５      コントロールユニット
【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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