CN116097027A - 流量控制阀 - Google Patents

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Abstract

提供一种流量控制阀，其能够抑制尘粒向被控制流体的混入，并维持被控制流体的高等级的洁净度，并且能够高速地控制微小流量。具有阀块(2)、隔膜(1)、致动器(3)，并利用隔膜(1)从致动器(3)承受的微小压力，使向在阀块(2)的上游侧部分(2a)内形成的一个流路流入的流体经过阀块(2)内侧面与隔膜(1)内侧面的间隙，并从在阀块(2)的下游侧部分(2b)内形成的另一个流路排出该流体。隔膜(1)的周缘部与阀块(2)的上端面熔接而一体化，在该熔接部的隔膜(1)的内周面与阀块(2)的内周面之间没有阶梯差及间隙，隔膜(1)的内周面与阀块(2)的内周面平齐。

Description

流量控制阀
技术领域
本发明涉及流量控制阀，尤其涉及如下一种流量控制阀，其能够抑制在半导体制造等所使用的流体中产生污染(污染物)或微细的异物(灰尘)，并且能够高速地控制微小流量。
背景技术
对于半导体制造等而言，要求硅晶圆清洗用的纯水、蚀刻处理用的药液等流体具备极高的洁净度。具体而言，随着半导体制造的大规模集成化、加工微细化的发展，在国际半导体技术路线图(ITRS)中规定了在2015年达成32nm工艺。将工艺所表示的数字(32nm)定义为MPU中的最下层的最窄的配线的间距(线宽+线间隔)的一半(半间距)。当这样规定配线宽度时，在半导体制造工序中向流体的流通路径混入的污染、微细的灰尘(尘粒)会对产品的成品率产生较大的影响。由于尘粒必须为配线间距的四分之一(对于2015年的工艺而言是8nm)以下，因此能够使流体在维持洁净度的同时进行流通的部件具有重大意义。
例如，在图5中公开了现有结构的流量控制阀(参照专利文献1)。该流量控制阀100具备：被控制流体的流入部101及流出部102；阀室主体部105，其具有阀室104，该阀室104在流入部及流出部之间形成了阀座部103；以及阀机构部108，该阀机构部108具备可自由进退地密封阀座部103的阀部106和装设在阀室104内的隔膜部107。驱动机构体110利用从风口109流入、流出的工作气体使阀机构部108进退，从而对阀座部103的开闭进行驱动控制，该驱动机构体110收纳在阀室主体部105上的壳主体部111内。驱动机构体110具备：活塞部113，其连接于阀机构部108并具有承受从风口109流入的工作气体的受压部112；以及弹簧114，其对活塞部113向阀座部103侧施力。在图中，附图标记115是呼吸孔，116是活塞空间部。
图5的流量控制阀是阀部从阀座部分离且被控制流体正在流通的状态。在此，通过使来自风口109的工作气体的供给压力降低，从而降低向活塞部113的受压部112施加的压力。结果是，弹簧114的作用力克服流入的工作气体的压力而使活塞部113下降。这样，通过阀机构部108使阀部106落座于阀座部103。
在图5的流量控制阀100中，包含阀部106及阀座部103的各部件通常是PTFE等的氟树脂制的，并通过切削而形成为规定形状。PTFE耐药品性较高并且洁净度较高而大量应用于半导体制造设备。但是，根据流体控制阀100的结构可知，在使被控制流体的流通完全停止的情况下，阀部106落座于阀座部103。也就是说双方会碰撞。在长时间持续使用该流体控制阀的过程中，会在阀座部及阀部双方产生磨损。由于阀的结构而难以避免从磨损部分剥离的尘粒的产生。
但是，根据前述的路线图等，对于比现有基准更微细的尘粒的问题，也更加需要解决。现有结构的流量控制阀无法满足对应新基准的尘粒抑制需要。因此，需要一种能够抑制尘粒发生的新结构的流量控制阀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3590572号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明针对这些现有技术问题而完成，其目的在于，提供一种流量控制阀，其能够抑制尘粒向被控制流体的混入，并维持被控制流体的高等级的洁净度，并且能够高速地控制微小流量。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种流量控制阀，其控制流体的流量且构成为，具有阀块、隔膜、致动器，并利用隔膜从致动器承受的微小压力，使向在阀块内形成的一个流路流入的流体经过阀块内侧面与隔膜内侧面的间隙，并从在阀块内形成的另一个流路排出该流体，其特征在于，隔膜周缘部与阀块上端面熔接而一体化，在该熔接部的隔膜内周面与阀块内周面之间没有阶梯差及间隙，隔膜内周面与阀块内周面平齐。
(三)有益效果
关于本发明的流量控制阀，在由隔膜和阀块形成的流体流路中，隔膜周缘部与阀块上端面熔接而一体化，在该熔接部的隔膜内周面与阀块内周面之间没有阶梯差及间隙，隔膜内周面与阀块内周面平齐，因此不会在熔接部位产生异物，也不会在熔接部位积存、滞留异物，能够维持被控制流体的高等级的洁净度。
附图说明
图1的(a)是本发明的流量控制阀的一实施方式(常闭型)的包含纵向剖面的概要结构图，图1的(b)是其俯视图。
图2是表示隔膜与阀块的熔接部位的形状的一实施方式的图。
图3是示意性地表示对隔膜和阀块进行熔接时的温度模式和压力模式的一实施方式的图。
图4是表示本发明的流量控制阀的控制方式的一实施方式的概要框图。
图5是表示专利文献1所述的止回阀的打开状态的纵向剖视图。
具体实施方式
以下基于实施方式对本发明详细地进行说明。此外，以下说明的实施方式仅为例示，本发明不限于实施方式，能够在不脱离本发明技术范围的前提下进行各种变更、修正。
在本发明中，作为致动器能够使用压电致动器。压电效应是广为公知的现象，即，当向一晶体施加机械性压力时，会与压力成比例地在压电元件表面产生电荷，压电效应是可逆现象，在压电致动器中利用了该逆压电效应。即，通过在压电元件上安装电极并施加电压，从而在元件内部产生电场，由此使压电元件伸展。对于与压电元件晶体的极化方向平行地施加的电场而言，该电场会在排列于一直线的电偶极子上产生旋转力，并产生较强的转矩。由此，会在晶体中发生长度的变化，引起晶体的伸展。压电元件的长度变化可通过改变施加电压而呈现为纳米区域的极微小的伸展变化。压电致动器在各种致动器中具有最快的响应速度，其伸展速度能够获得重力加速度的几千倍的加速度。因此，优选压电致动器作为本发明的流量控制阀的致动器。
但是，对于被测量流体也而言，也包括作为工业装置的清洗液使用的腐蚀性药液。对于半导体制造等而言，用于硅晶圆的清洗的纯水、用于蚀刻处理的药液是腐蚀性药液，因此，对于半导体制造装置中使用的流量控制阀的构成材料而言，优选是由可耐受腐蚀性药液的原材料构成。
图1的(a)是本发明的流量控制阀的一实施方式(常闭型)的包含纵向剖面的概要结构图，图1的(b)是其俯视图。1是隔膜，2是阀块，3是压电致动器，4是压电致动器3的输入输出端。该输入输出端4连接于隔膜1。当隔膜1利用从压电致动器3的输入输出端4承受的微小压力而伸缩时，能够使向在阀块2的上游侧部分2a内形成的一个流路(如图1的(a)的朝向右方的箭头所示)流入的流体，从在阀块2的上游侧部分2a内形成的流路(如图1的(a)的朝向右方的箭头所示)经过阀块2的内侧面与隔膜1的内侧面的间隙，并从在阀块2的下游侧部分2b内形成的流路(如图1的(a)的朝向右方的箭头所示)排出该流体。作为用于使本发明的流量控制阀动作的致动器，除了压电致动器以外，也能够使用电动的线性直流马达、线性同步电动机、线性感应电动机、线性步进马达、液压式的液压缸、气动式的气动缸等。总之，只要能够按照从控制设备输出的信号向工作设备提供直线动作即可。
在将本发明的流量控制阀用于半导体制造装置的情况下，构成隔膜1、阀块2的原材料优选为耐药品性原材料(可耐受腐蚀性药液的原材料)。作为该耐药品性原材料，优选为耐酸性、耐碱性以及耐有机溶剂性优良的PFA(全氟烷氧基树脂)、PTFE(聚四氟乙烯树脂)等氟树脂。此外，考虑到隔膜1和阀块2所要求的功能，优选隔膜1具有优良的耐磨性、折弯特性、耐药液渗透性、熔接性。因此，隔膜1的原材料更优选为改性PTFE或者PFA。
对于作为隔膜1的原材料而优选的改性PTFE而言，例如可使用如下的氟树脂(大金工业(株)制造的“PTFE M-112”)，其平均粒径为20μm、表观密度为360g/L、比重为2.15，拉伸强度为48MPa、伸长率为400％、收缩率为3.8％、熔点为339℃、折弯寿命为2.7×107次(MIT试验、ASTM D2178)。
在本发明中，极为重要的是：隔膜1的周缘部与阀块2的上端面熔接而一体化(参照在图1的(a)中用C表示的小圆所包围的部位)，在该熔接部的隔膜1的内周面与阀块2的内周面之间没有阶梯差及间隙，隔膜1的内周面与阀块2的内周面平齐。该熔接部位例如能够以如下方式形成。
(1)隔膜1和阀块2的形成
作为隔膜1和阀块2的原材料而言，可使用PTFE、改性PTFE、PFA，考虑到隔膜1的折弯寿命与阀门的寿命直接相关，则优选折弯特性和熔接性优良的改性PTFE作为隔膜1的原材料，考虑到耐药液渗透性和耐磨性则优选为PFA。另外，也可以是，作为隔膜1的主要原材料而使用改性PTFE或者PFA的其中一种(例如改性PTFE)，并使隔膜1的一部分为另一种原材料(例如PFA)。考虑到生产率，阀块2可以任意地使用PTFE、改性PTFE或者PFA作为原材料。另外，也可以是，作为阀块2的主要原材料而使用PTFE、改性PTFE或者PFA的其中一种(例如PTFE)，并使阀块2的一部分成为其余两种原材料的其中一种(例如PFA)。对于PTFE及改性PTFE的原材料而言，可通过切削加工而获得剖面形状如图1的(a)所示的隔膜1和阀块2；对于PFA的原材料而言，可通过注射成型及切削加工而获得剖面形状如图1的(a)所示的隔膜1和阀块2。
(2)进行熔接的面的前加工
针对在图1的(a)中用C表示的熔接部位的进行熔接的面、即隔膜1的周缘部和阀块2的上端面进行精密切削加工，以使得算术平均粗糙度Ra为0.2μm以下、最大高度Ry为0.8μm以下。另外，为了确保熔接位置的精度以及确保熔接强度这两方面，使对隔膜1和阀块2进行熔接的部位的形状成为如图2所示的形状。即，如在图2中以虚线示出的那样，通过进行前加工而使得隔膜1和阀块2成为彼此进入对象部件的形状，从而能够以不产生阶梯差、间隙的方式对这些部件进行熔接。在本发明中，为了对隔膜1和阀块2进行熔接，不必使用粘接剂、接合部件，能够以如下方式进行熔接。因此，不会在熔接部位熔出杂质。
(3)隔膜1和阀块2的熔接
为了对以上述方式得到的隔膜1和阀块2进行熔接，可以采用如下方法，即：插入到大气气氛的加热炉中进行熔接的方法(前一加热方法)；或者，仅对隔膜1的周缘部和阀块2的上端面进行局部加热来进行熔接的方法(后一加热方法)。在前一加热方法中，以超过材料熔点的温度进行加热，压力最大为30MPa左右，加热时间最大为200分钟左右，且条件可以根据材料的大小进行适当变更。在后一加热方法中，以超过材料熔点的温度进行加热，压力为1.0MPa左右，加热时间为10分钟左右，且条件可以根据材料的大小进行适当变更。图3示出了加热炉中的温度和压力的模式的一例。在图3中，实线表示炉内温度，虚线表示炉内压力。在利用加热炉对隔膜1的周缘部和阀块2的上端面加热而进行了熔接之后，实施精密切削加工。在这样得到的隔膜1的内周面与阀块2的内周面之间没有阶梯差及间隙，隔膜1的内周面与阀块2的内周面平齐，因此不会在熔接部位产生异物，也不会在熔接部位积存、滞留异物。
接着，对本发明的流量控制阀的动作进行说明。
(1)初始清洗
在开始流量控制前，向包含图1的(a)所示流路的全部流路流通纯水进行清洗。
(2)流量控制
图1的(a)表示常闭型的情况下的流量控制。将未图示的电极和图1的(a)所示的压电致动器3连接，并向上述电极施加电压而使压电致动器3内部产生电场，由此稍微将压电致动器3的输入输出端4朝向压电致动器3牵拉，并经由输入输出端4在隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b之间产生微小间隙，使得流体从阀块2的上游侧部分2a向阀块2的下游侧部分2b流动。即，在表示常闭型的情况的图1的(a)中，通过稍微将输入输出端4朝向压电致动器3牵拉，从而在隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b之间产生微小间隙。此外，由于在压电致动器3内插入有用于使输入输出端4从压电致动器3朝向外侧伸长的弹簧，因此将输入输出端4朝向压电致动器3牵拉需要克服该弹簧的力。因此，通过使在压电致动器3内部产生的电场强度增减，从而能够调整在微小间隙中流通的流体流量。如果在压电致动器3内部产生的电场强度比上述弹簧力小，则输入输出端4将回到原来的位置，因此不会在隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b之间形成微小间隙，关闭了流体的流路，因此流体不会从阀块2的上游侧部分2a向阀块2的下游侧部分2b流动。
常开型的情况下的流量控制可以通过如下方式进行。在常开型的情况下，如图1的(a)所示，在隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b之间有微小间隙。因此，通过将未图示的电极和图1的(a)所示的压电致动器3连接，并向上述电极施加电压而使压电致动器3内部产生电场，由此使压电致动器3的输入输出端4伸长，并经由输入输出端4将隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b之间的微小间隙关闭(如图1的(a)所示)，流体不会从阀块2的上游侧部分2a向阀块2的下游侧部分2b流动。此外，由于在压电致动器3内插入有用于将输入输出端4朝向压电致动器3拉回的弹簧，因此使输入输出端4伸展需要克服该弹簧的力。因此，如果在压电致动器3内部产生的电场强度比该弹簧的力小，则输入输出端4将回到原来的位置，因此在隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b之间产生微小间隙，流体从阀块2的上游侧部分2a向阀块2的下游侧部分2b流动。因此，通过使在压电致动器3内部产生的电场强度增减，从而能够调整在微小间隙中流通的流体流量。
在阀块2的上游侧部分2a的上游流路和下游侧部分2b的下游流路上配置有用于感知流体的流量、压力以及温度的流量传感器、压力传感器以及温度传感器，来自各传感器的信号被反馈至未图示的电极。根据从该流量传感器、压力传感器以及温度传感器反馈的信号，在压电致动器3内部产生的电场强度会有所不同。
(3)前馈控制
在本发明的流量控制阀中也能够执行前馈控制。即，由于隔膜1与阀块2内部的突起部2c及阀块2的下游侧部分2b的微小间隙的开口部面积比预先确定的基准值大，因此当从阀块2的上游侧部分2a向阀块2的下游侧部分2b流动的流体的流量与规定的目标值相比增加时，则进行前馈控制的判定。即，当利用在阀块2的下游侧部分2b的下游流路上配置的流量传感器感知的流量比目标值大时，则基于该目标值与实际流量的偏差来计算流量的变化幅度，并基于该变化幅度设定流量。在前馈控制中使控制后的流量比当前的流量低。
(4)定序控制
在本发明的流量控制阀中也能够执行定序控制。即，在定序控制装置中，具备：24段中所述的流量传感器、压力传感器以及温度传感器、压电致动器3、接收来自所述传感器的动作状态并按照控制逻辑向所述压电致动器3输出控制指令的设备控制定序、以及周期性地输出起动信号的定序控制机构，在该定序控制装置中，所述设备控制定序分割为与时间宽度和流量控制阀的开度相关的多个控制步骤，并由以控制步骤为单位将执行寄存器和控制动作的输出部组合而成的程序构成所述控制逻辑，且按照控制动作条件来控制所述控制步骤的进度，为了确定与执行步骤对应的执行寄存器，设置由流程记述的程序构成的进度管理机构，从而能够执行定序控制。
工业实用性
如上所述，本发明的流量控制阀在需要进行流量控制的各种工业领域中有用，特别是在对半导体制造装置中使用的流体进行的流量控制中有用。
附图标记说明
1-隔膜；2-阀块；3-压电致动器；4-压电致动器的输入输出端。

Claims (3)

1.一种流量控制阀，其控制流体的流量且构成为，具有阀块、隔膜、致动器，并利用隔膜从致动器承受的微小压力，使向在阀块内形成的一个流路流入的流体经过阀块内侧面与隔膜内侧面的间隙，并从在阀块内形成的另一个流路排出该流体，其特征在于，
隔膜周缘部与阀块上端面熔接而一体化，在该熔接部的隔膜内周面与阀块内周面之间没有阶梯差及间隙，隔膜内周面与阀块内周面平齐。
2.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于，
阀块由PTFE、改性PTFE或者PFA构成，隔膜由改性PTFE或者PFA构成。
3.根据权利要求1或2所述的流量控制阀，其特征在于，
致动器是压电致动器。
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