CN1748102A - 真空排气系统用阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种阀，这种阀能够与旨在实现真空排气系统的设备的小型化并由此降低成本和缩短真空排气时间的真空排气系统配管的小口径化相适应，并能够防止由气体分解产生的离解生成物的堆积所导致的内部的腐蚀、堵塞、阀座泄漏等。具体地说，将铝钝态用于在真空排气系统中使用的阀等配管零件，来抑制因烘焙时的温度升高而引起的气体分解，从而提供与真空排气系统的小口径化相适应的零件，特别是使得不会因气体分解产生的生成物的堆积而发生腐蚀、堵塞、阀座泄漏等。

Description

真空排气系统用阀
技术领域
本发明涉及用于半导体制造装置中的流体控制装置等的阀，特别是涉及用于从半导体制造用的处理室排气的排气系统的阀。
背景技术
一般来说，向半导体制造设备和化学品制造设备等的处理室供给化学反应性强的气体。因此，要求该处理室的排气系统能够安全且高效地排放这种反应性强的气体。
而要想从处理室高效率地进行排气，就必须使用压缩比大、即使吸入压力低也能够以较高的排气速度(l/min)进行排气的泵。但是，在现实中无法得到压缩比高的真空排气用的泵，因此，在现有的从处理室等排气的排气系统中，为了解决以较小压缩比的泵高效率地进行排气、以及、使排气系统的一次侧和二次侧保持较小的压力差以避免泵过载这两个课题，是将排气系统的配管口径加大(标称口径为4英寸左右)以提高管路的传导性，阀也同样，使用的是大口径的阀。
也就是说，在流体流中，根据其压力与流路内径的关系，可分为粘性流区域和分子流区域。为了使排气能够高效率地进行，要求在粘性流区域进行。要使之成为粘性流区域，就必须使流路内径D满足L≤D(L：气体分子等的平均自由行程；D：流路的内径)。此外，气体分子等的平均自由行程L与压力P之间存在着L＝4.98×10-3/P的关系。
由于可使配管内形成粘性流区域的压力和内径之间处于上述关系，因此，提高压力P，便能够使平均自由行程L减小，其结果，可使用于确保形成粘性流区域的配管内径D减小。
但是，如前所述，现有的泵其压缩比较小(约10左右)，因此，无法提高排出口侧的压力，例如若腔室侧(一次侧)的压力为10-3Torr，则排出口将低到10-2Torr左右，因此，要想切实保证形成粘性流区域，就必须使用内径为5cm以上的配管。
其结果，在现有的真空排气系统中，需要使用大口径的配管系统，因此，存在着设备大型化的问题。此外，由于真空配管系统的内径大故而配管内的容积大，因而还存在着真空排气时间长的问题。再有，要想使真空排气系统以构成为小型的、并能够高效地且在短时间内完成排气，则存在着必须使用压缩比大并且排气速度高的高强能力的昂贵的真空泵的问题。
另一方面，对于真空排气系统来说，若真空泵的停止时间变长，则滞留于配管内的气体将离解(分解)，在配管和阀等配管零件的内部析出分解生成物而对其形成腐蚀。特别是，若配管内气体离解而产生的生成物或水分堆积或粘着在配管或阀等配管零件的内壁上，则不仅会产生上述腐蚀问题而且还会产生堵塞或阀座泄漏等问题。
若对配管系统进行加热使之温度升高，则可使水分难以粘着，因此，发生腐蚀等的危险性也将减小。
但是，若配管内的温度过高，则气体会发生离解(分解)，分解产生的成分会析出并堆积在配管内，造成发生腐蚀、堵塞、阀座泄漏等新的问题。
发明所要解决的课题
本发明的主要目的是提供一种阀，这种阀能够与旨在实现真空排气系统的设备的小型化并由此降低成本和缩短真空排气时间的真空排气系统配管的小口径化相适应，还能够防止气体离解分离并防止因气体离解而产生的生成物的堆积等原因而在其内部发生腐蚀、堵塞、阀座泄漏等。
发明的公开
一般来说，向半导体制造设备和化学品制造设备等的处理室供给化学反应性强的气体。因此，要求该处理室的排气系统能够安全且高效地排放这种反应性强的气体。
半导体制造设备的配管系统，一般由向处理室供给气体的气体供给系统、处理室、真空排气系统、真空泵、阀等构成。真空排气用的泵，使用的是紧靠腔室后方设置的一次泵(高真空型泵)以及设置在前述一次泵的二次侧的二次泵(低真空型泵)这多个泵，该高真空型泵使用的是涡轮分子泵(TMP)，低真空型泵使用的是涡旋型的泵。而排气系统的配管使用的是如前所述口径为5cm以上的管路。
但近年来，泵的性能得到提高，具体地说，压缩比高达103～104左右的泵被开发出来，其结果，即使处理室内的压力为10-3Torr左右时，也能够使一次泵的输出侧压力提高到30～50Torr左右。因此，通过实现处理室与真空排气系统的压力条件的最佳化，配管内径也随之减小，能够以0.5cm左右的小口径配管充分保证形成粘性流区域。
但是，在这样提高了压力的情况下，存在着水分或气体在真空排气系统内凝结、粘着在配管内的可能性。此外，即便上述设定压力的提高不会导致水分或气体凝结粘着，但在真空泵停止时滞留在配管内的气体会离解(分解)，离解所产生的生成物会堆积在配管或阀等配管零件的内部，从而导致部件腐蚀或发生堵塞、阀座泄漏。
为此，要求在配管系统内将内部的气体和水分保持在饱和蒸气压以下，一般来说，在真空排气系统中进行加热(对于水，20℃时的饱和蒸气压为17.53Torr)。即，当进行加热而温度升高时，饱和蒸气压将提高，水分和气体不易凝结粘着，因此，发生腐蚀等的危险性也减小。而我们已经知道，考虑到真空排气系统内气体成分的种类等，使温度升高到150℃左右为宜。
但是，当配管内的温度升高时，气体会如前所述发生离解，出现因离解而产生的生成物附着堆积在配管内而导致腐蚀的发生这一新的问题。
然而，我们已经知道，上述气体离解(分解)的现象，是由于配管内壁的金属成分起到催化剂作用而发生的。
为此，本发明人对半导体制造领域内所广泛使用的图1所示的各种气体，就配管原材料(金属材料)与气体温度及气体离解(分解)的状况进行了调查。
图1示出金属材料为Ni时的温度与各种气体的离解(分解)的关系。由该图可知，在室温下以100ppm存在的气体，会随着温度的升高发生分解而减少。
此外，图2同样示出金属材料为SUS316L的情况。几乎所有的气体均在大约150℃以下的温度下发生离解(分离)，为抑制气体的这种分解离解，要求使得真空配管内壁的金属面不发挥催化效果。
特别是对阀来说，与配管相比，由于存在着弯曲部和气体停留部分，因而存在着压力和温度发生局部变化的部分，而且由于内容积大因而所滞留的气体的量大，此外，因内表面积大，因而容易发生由气体离解产生的生成物的附着堆积导致的腐蚀、堵塞和阀座泄漏的问题。
作为一种抑制气体离解(分解)、防止离解生成物的堆积引起的部件腐蚀、堵塞和阀座泄漏等的具体方法，本发明人使配管内壁等与流体接触的金属部分成为特定的钝态，结果未发现催化剂作用，由此想到能够抑制气体分解。
众所周知，一般来说，不锈钢会在表面上自然形成氧化膜，这是钝化了。但是，由于这种情况下的钝态膜中含有铁的氧化物等原因，虽然是钝态膜但在耐腐蚀性方面也存在着问题。
因未发现催化剂作用而几乎能够完全抑制气体离解(分解)的钝态存在有多种，而根据发明人进行实验的结果得知，如图3和图4所示，以氧化铬为主的钝态(铬钝态)和以氧化铝(铝钝态)为主的钝态较为适合。
其中，在铬钝态的情况下，如图3所示，存在着即便在150℃以下的范围内也开始分解的气体。在有些情况下，对气体的分解能够抑制到这种程度就可以了，但我们已经知道，作为能够直到更高温度都抑制气体分解的钝态，以铝钝态为宜。
如图4所示，在该铝钝态的情况下，直到150℃气体也未发生分解。另外，此时的铝钝态是以Al2O3(氧化铝)为主体的。
铝钝态可以通过下面的方法生成，即，对用铝制造的零件的表面实施氧化或加热或者二者的组合的方法，同样地对铝合金等含有适当的铝的合金的表面实施氧化或加热或者二者的组合的方法，以及，在铝以及需要成为钝态的部分通过镀敷或涂覆而形成铝合金等含有适当的铝的合金层之后，进行氧化或加热或者将二者组合起来实施钝态的方法。
此外，作为阀的母材的金属材料并不限于铝或以铝为主体的合金，例如也可以是含有重量％为数％(3～8％)的铝的奥氏体类不锈钢，通过热处理能够在母材外表面上形成以Al2O3为主体的铝钝态膜，这一点已得到确认。这样，在本发明中，在用于真空排气系统中的阀等配管零件的与流体接触的内表面上形成铝钝态，从而能够在进行烘焙时抑制因温度升高而引起的气体的离解(分解)，能够提供与真空排气系统的小口径化相适应的零件，特别是不会发生腐蚀、不会产生分解生成物导致的堵塞、阀座泄漏等的阀，这一点已得到确认。
此外，确认了，作为铝钝态，形成Al2O3或以Al2O3为主体的铝钝态，从阻止前述金属表面的催化剂作用和提高耐久性等角度来说是适宜的。
本发明是经过上述过程创造出来的，权利要求1的发明是一种阀，其具有：在与流入通路和流出通路连通的阀室的底面上设置有阀座的阀体；就位于前述阀座上或从前述阀座上离开的阀芯；使前述阀芯就位于阀座上并且使其从阀座上离开的驱动机构；通过前述阀芯就位于阀座上或从阀座上离开，将流路隔断或打开，对流体的流动进行控制，其中，至少阀体的与流体接触的面设成铝钝态。
权利要求2的发明是在权利要求1的发明中，实施铝钝态的部件的材料由铝或铝合金或者含有数重量％的铝的奥氏体类不锈钢形成。
权利要求3的发明是在权利要求1的发明中，阀的阀体的与流体接触的部分全部设成铝钝态。
权利要求4的发明是在权利要求1的发明中，铝钝态的厚度为20nm以上。
权利要求5的发明是在权利要求1至4的发明中，铝钝态是以Al2O3为主体的铝钝态。
权利要求6的发明是在权利要求1的发明中，阀芯是金属制隔膜阀芯，该金属制隔膜阀芯的与流体接触的部分由氟树脂覆膜涂覆。
权利要求7的发明是在权利要求1的发明中，阀的流路具有使得该流路内的流体成为粘性流的内径。
权利要求8的发明是在权利要求1的发明中，阀的流路的内径为12mm以下。
权利要求9的发明是在权利要求1的发明中，阀的流路部设置成能够被加热到150℃。
权利要求10的发明是在权利要求6的发明中，涂覆在阀芯上的氟树脂覆膜是四氟乙烯树脂(PTFE)或四氟乙烯六氟丙烯共聚物(FEP)或者四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)。
附图的简要说明
图1是表示金属材料为Ni时的、温度与半导体制造用的各种气体的分解的关系的图。
图2是表示金属材料为SUS316L时的、温度与半导体制造用的各种气体的分解的关系的图。
图3是表示铬钝态时的、温度与半导体制造用的各种气体的分解的关系的图。
图4是表示铝钝态时的、温度与半导体制造用的各种气体的分解的关系的图。
图5是本发明所涉及的阀的纵剖侧视图。
图6表示本发明所涉及的另一种阀(四联阀)，(a)是其俯视图，(b)是其主视图。
附图标记的说明
1是阀， 2是阀体，3是隔膜，4是驱动机构，5是流入通路，6是流出通路，7是阀室，8是阀座，12是四联阀，13是流入通路，14是流入通路，15是流入通路，16是流入通路，17是流出通路。
发明的最佳实施方式
下面，对本发明的实施方式结合附图进行说明。
图5是本发明的阀的纵剖侧视图。该阀是被称作金属隔膜阀的形式的阀。
金属隔膜阀1，由阀体2、金属隔膜3、驱动机构4构成其主要部分。
阀体2，在与流入通路5和流出通路6连通的阀室7的底面上设置有阀座8，由铝或铝合金等制成，备有：上方敞开的呈凹形的阀室7、向下方开口并与阀室7连通的流入通路5、向下方开口并与阀室7连通的流出通路6、嵌装在阀室7的底面中央的由合成树脂等制成的阀座8、以及形成于阀室7的底面外周上的阶梯部9。流入通路5和流出通路6的截面呈圆形。
金属隔膜3，设置在阀体2中以保持阀室7的气密，其中央部向上隆起，由不锈钢等可产生弹性变形的金属薄板形成为中央部向上隆起的盘状，其周边部载置在阀体2的阶梯部9上，由插入阀室7内的阀帽10的下端部和螺纹安装在阀体2上的阀帽螺母11向阶梯部9侧推压，从而在气密状态下被夹持固定。
此外，金属隔膜3的中央部能够与阀座7接触或从其上离开从而进行阀的开闭。
阀帽10形成为筒形，插入阀体2的阀室7内，通过拧入阀帽螺母11而被推压并固定在阀体2上。驱动机构4可使金属隔膜3就位于阀座8上并能够使其自己复原而从阀座8上离开，为气压式。
流入通路5和流出通路6的内径为8mm，连接在外径为9.52mm的配管上。
而在隔膜的液体接触部也设为铝钝态的情况下，也可以使用用铝或铝合金制作的隔膜。
此外，还可以在不锈钢或其它特殊金属的表面上通过镀敷或涂覆设置铝或铝合金的层并使之钝化。
再有，驱动机构4在前面的例子中是气压式的，但并不限于此，例如也可以是手动式、电磁式、电动式或液压式的。另外，阀采用的是隔膜阀，但也可以是其它形式的阀。
在上述实施方式中，作为阀体2的材质，列举的是采用铝或以铝为主体的铝合金的情况，但作为阀体2的材质，也可以采用含有重量％为数％(3～8重量％)的铝的奥氏体类不锈钢。
上述含有数％的铝的奥氏体类不锈钢，通过实施适当的热处理，可在其表面形成厚度为20～200nm的以Al2O3为主体的铝钝态，这一点已得到确认。
此外，作为铝钝态，并不仅仅限于上述Al2O3，只要是铝的氧化物任何一种均可，例如可以是防蚀铝等。
再有，铝钝态的厚度以20～60nm左右为最佳，若厚度在20nm以下，则在耐久性等方面存在缺陷，反之，若达到200nm以上，则不仅铝钝态的形成费用增加，而且铝钝态本身在机械强度方面也有可能出现问题。
除此之外，在上述实施例中，是在构成金属隔膜阀1的隔膜3上直接形成铝钝态的，但由于金属制造的隔膜在向阀座8就位和从阀座8离开时反复弯曲，因此，有可能导致铝钝态产生机械性损伤。
因此，也可以在金属隔膜3的与流体接触的面(下表面侧)上形成氟树脂覆膜(例如作为特氟隆(注册商标)的FEP·四氟乙烯六丙烯共聚物或PTFE·四氟乙烯树脂、PFA·四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物等)。这是由于氟树脂膜层不仅富有弹性而完全能够承受隔膜3的反复弯曲，而且能够完全防止导致气体离解分解的、金属的催化剂作用，还能够充分耐受150℃左右的高温。
本实施方式的前述隔膜阀，可用于处理室与一次泵之间和一次泵与二次泵之间等的真空排气系统中。
图6是连结有4个前述隔膜阀的阀，被称作四联阀12。具有各阀的入口流路13、14、15、16，各个阀连结在出口流路17上。
上述四联阀，可在将4个处理室的真空排气系统集合起来进行排气的情况下使用。相连结的阀的数量可任意选择，可将所需数量的阀连结起来使用。
发明的效果
为了与真空排气系统的旨在实现小型化和低成本化的小口径化相适应，必须防止真空排气系统内的气体发生离解分解、和离解分解生成的生成物的堆积粘着所导致的配管内的腐蚀和因此而发生的堵塞、阀座泄漏等，为此，以防止水分或气体向配管内壁上析出·粘着为目的的烘焙是必不可少的。
但是，烘焙造成的温度的升高，将使真空排气系统内的金属部产生催化剂效果，带来促进气体分解的问题。
根据本发明，利用能够比较简单且低成本地形成的铝钝态，使得在大约150℃的温度下也能够抑制促进各种半导体制造用气体离解(分解)的催化剂效果，因此，能够以低成本提供一种与真空排气系统的小口径化相适应的零件，特别是提供一种不会产生因气体离解产生的分解生成物的堆积导致的腐蚀、堵塞、阀座泄漏等的阀，能够与真空排气系统的实现小型化和低成本化的小口径化相适应。
再有，通过使铝钝态的厚度在20nm以上，能够对底层金属发挥很好的屏障效果，而且，作为底层金属，可以适当选择含有数％的铝的奥氏体类不锈钢或铝、铝合金等，由此可进一步降低阀的制造成本。
此外，通过使阀的流路具有可使该流路内的流体成为粘性流的内径，还能够使排气高效率地进行，因而不需要使用尺寸很大的阀。
再有，阀的流路的内径为12mm以下，因而能够提供结构紧凑的阀。
除此之外，由于阀的流路部分可以加热到150℃，因而能够提供与真空排气系统的烘焙相适应的阀，并且，对于金属隔膜阀，仅对构成阀芯的隔膜以氟树脂覆膜进行涂覆，因此，能够大幅度提高隔膜的耐热性以及耐久性，其结果，能够延长阀的寿命。
本发明具有如上所述优异的实用性效果。

Claims (10)

1.一种真空排气系统用阀，具有：在与流入通路和流出通路连通的阀室的底面上设置有阀座的阀体；就位于前述阀座上或从前述阀座上离开的阀芯；使前述阀芯就位于阀座上并且使其从阀座上离开的驱动机构；通过前述阀芯就位于阀座上或从阀座上离开，将流路隔断或打开，对流体的流动进行控制，其中，至少阀体的与流体接触的面设成铝钝态。
2.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，实施铝钝态的部件的材料由铝或铝合金或者含有数重量％的铝的奥氏体类不锈钢形成。
3.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，阀的阀体的与流体接触的部分全部设成铝钝态。
4.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，铝钝态的厚度为20nm以上。
5.如权利要求1、2、3或4所述的真空排气系统用阀，其特征是，铝钝态是以Al2O3为主体的铝钝态。
6.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，阀芯是金属制隔膜，该金属制隔膜的与流体接触的部分由氟树脂覆膜涂覆。
7.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，阀的流路具有使得该流路内的流体成为粘性流的内径。
8.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，阀的流路的内径为12mm以下。
9.如权利要求1所述的真空排气系统用阀，其特征是，阀的流路部能够被加热到150℃。
10.如权利要求6所述的真空排气系统用阀，其特征是，氟树脂覆膜是四氟乙烯树脂(PTFE)或四氟乙烯六氟丙烯共聚物(FEP)或者四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)。
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