JP2004019735A

JP2004019735A - ダイアフラム構造

Info

Publication number: JP2004019735A
Application number: JP2002173492A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Niwa; 丹羽　庸夫; Shigenobu Nishida; 西田　成伸
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】小さな弁閉止荷重で高いシール性能を得ることができるとともに、耐食性に優れたダイアフラム構造を提供すること。
【解決手段】金属ダイアフラム式電磁弁１０において、コバルトニッケル合金の金属ダイアフラム１１の接ガス面に対して、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン）層１５を形成（コーティング）して、閉弁時に、弁座４２に対し、弾性を有するＰＦＡ層１５介して金属ダイアフラム１１を当接させる。また、金属ダイアフラム１１の接ガス面の反対面のステム３２との当接部分にもＰＦＡ層１６を形成する。
【選択図】　　　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ダイアフラム開閉弁におけるダイアフラム構造に関する。さらに詳細には、半導体製造装置のＣＶＤやエッチャ等のガス供給システムにおいて、ウエハに各種の薄膜形成あるいは酸化還元反応を行うプロセスガス制御用の金属ダイアフラム開閉弁におけるダイアフラム構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体製造装置のＣＶＤやエッチャ等のガス供給用の開閉弁として、金属ダイアフラム開閉弁が使用されている。これは、弁室内部のデッドスペースが少ない、ガスの置換性が良い、接触部分からのパーティクルの発生が少ないといった特性を、金属ダイアフラム開閉弁が備えているからである。この金属ダイアフラム開閉弁においては、金属ダイアフラムを弁座に当接・離間させることにより、弁が開閉するようになっている。そして、弁座は、合成樹脂材あるいは金属部材により形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の金属ダイアフラム開閉弁では、次のような問題があった。まず、合成樹脂材により形成された弁座を備えるものでは、高いシール性能を得るために、高い推力で金属ダイアフラムを弁座に押しつけると、合成樹脂材がクリープを起こすおそれが高かった。そして、クリープが発生すると、その分だけ金属ダイアフラムの変位量が増大する。このような状態で、金属ダイアフラムが弁座に対して繰り返し当接・離間されるため、金属ダイアフラムにクラックなどの破損が生じやすくなってしまう。
【０００４】
また、合成樹脂材が弁オリフィス（流路）に入り込み、オリフィス径が小さくなったり、弁オリフィス（流路）が完全に塞がれてしまうおそれもあった。このような状態になると、規定流量を得ることができなくなってしまう。
【０００５】
特に、高温環境下やオリフィス径が小さい場合には、早期に上記の問題が発生する。つまり、高温（約２００℃）の気化ガスが使用される半導体製造装置のＣＶＤやエッチャ等のガス供給用の開閉弁として使用する場合に、特に問題となるのである。
【０００６】
一方、金属部材により形成された弁座を備えるものでは、上記した合成樹脂材のクリープに起因する問題は生じない。ところが、金属部材の弁座では、高いシール性能を得るために、合成樹脂材の弁座の場合に比べ、数倍の推力で金属ダイアフラムを弁座に押しつける必要がある。このため、アクチュエータが大型化するという問題があった。また、弁座の金属ダイアフラムへの当接面に対し、高い面精度が要求される。このため、高度な加工処理を施す必要があるという問題もあった。
【０００７】
さらに近年、プロセスガスの一種に高濃度のオゾンガスが使用される割合が増えており、金属ダイアフラム自体の耐食性が問題になっている。
【０００８】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、小さな弁閉止荷重で高いシール性能を得ることができるとともに、耐食性に優れたダイアフラム構造を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る金属ダイアフラム構造は、金属ダイアフラムを弁座に対して当接・離間させて弁の開閉を行う金属ダイアフラム式開閉弁におけるダイアフラム構造において、金属ダイアフラムの接ガス面にフッ素樹脂がコーティングされていることを特徴するものである。
【００１０】
このダイアフラム構造では、金属ダイアフラムの接ガス面、言い換えると弁座に対向する面に対して、フッ素樹脂がコーティングされている。このため、閉弁時には、弁座に対してコーティングされたフッ素樹脂を介して金属ダイアフラムが当接する。そして、コーティング層は弾性を有するので、同じ弁閉止荷重であればコーティングをしていない場合に比べ、より高いシール性能が得られる。すなわち、金属ダイアフラムの接ガス面にフッ素樹脂をコーティングすることにより、小さな弁閉止荷重で高いシール性能を得ることができる。また、高いシール性能を得るために、弁座の金属ダイアフラムへの当接面に対しても、高い面精度が要求されない。このため、高度な加工処理を施す必要がない。さらに、フッ素樹脂は耐食性に優れているので、高濃度のオゾンガスを使用しても金属ダイアフラムの腐食を防ぐことができる。
【００１１】
ここで、上記の構造を有する金属ダイアフラムは、素地からダイアフラム形状を成形した後に、フッ素樹脂をコーティングすることにより製造してもよいし、また、ダイアフラムの素地にフッ素樹脂をコーティングした後に、それをダイアフラム形状に形成することにより製造してもよい。また、フッ素樹脂のコーティングは、下地処理を行った後に、静電塗装やフィルム熱着プレスなどによって行えばよい。
【００１２】
本発明に係るダイアフラム構造においては、金属ダイアフラムの接ガス面の反対面にもフッ素樹脂がコーティングされていることが望ましい。これにより、ステムが金属ダイアフラムを弁座に当接させるときに発生する摩擦力を低減することができるので、より小さな閉弁荷重により高いシール性能を得ることができるからである。
【００１３】
なお、金属ダイアフラムの接ガス面の反対面へのフッ素樹脂のコーティングは、面全体に行うよりもステムとの当接部分だけに行うのがよい。面全体に対してコーティングを行うと、ダイアフラムの特性が悪化するおそれがあるからである。
【００１４】
また、本発明に係るダイアフラム構造においては、フッ素樹脂は、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）であることが望ましい。フッ素樹脂の中で高温下における安定性が最も高く、またコーティング時にピンホールが発生し難いからである。
【００１５】
また、本発明に係るダイアフラム構造においては、フッ素樹脂のコーティング厚さは、金属ダイアフラムの厚さより厚いことが望ましい。具体的には、フッ素樹脂のコーティング厚さは、１００μｍから３００μｍの範囲内とするのがよい。
【００１６】
コーティング層の厚みを厚くすれば、ガスの透過に対して有利になるとともに、ピンホールも発生し難い。しかし、コーティング層が厚くなれば、金属ダイアフラムの特性（ダイアフラムの板バネ性能）が悪化するとともに、フッ素樹脂のクリープ量が増加して金属ダイアフラムの変形量が大きくなって耐久性能が悪化する。そこで、フッ素樹脂のコーティング厚さを、１００μｍから３００μｍの範囲内とすることにより、上記の様な性能悪化、ガスの透過、およびピンホールの発生を確実に防止することができる。
【００１７】
また、本発明に係るダイアフラム構造においては、フッ素樹脂のコーティング層の弁座に対する当接部に凸部が形成されていることが望ましい。そして、凸部の厚さは、５００μｍから２０００μｍの範囲内とするのがよい。
【００１８】
このようにフッ素樹脂のコーティング層において弁座に対する当接部を、他の部分よりも厚肉化させることにより、コーティング層のへたり寿命を長くすることができるからである。なお、金属ダイアフラムのバネ力は、周縁部分によって発生されるので、当接部に凸部を形成してもダイアフラムの特性に悪影響を与えることはない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のダイアフラム構造を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態は、本発明のダイアフラム構造を採用した金属ダイアフラム式電磁弁に関するものである。そこで、この金属ダイアフラム式電磁弁の概略構成を図１に示す。図１は、金属ダイアフラム式電磁弁１０の断面図である。この金属ダイアフラム式電磁弁１０は、コア組立２０と、プランジャ・ステム組立３０と、ボディ４０と、金属ダイアフラム１１とからなる。
【００２０】
コア組立２０は、図２に示すように、電磁コイル２１と、電磁コイル２１の中心孔を形成する金属パイプ２２と、電磁コイル２１の一端部に配置された第１コア２３と、電磁コイル２１の他端部に配置された第２コア２４とから構成されている。第１コア２３は、円板部２３ａとその中央から突出した突出部２３ｂとを有している。そして、円板部２３ａが電磁コイル２１の端部を覆い、突出部２３ｂが金属パイプ２２に挿入された状態で配置されている。また、第１コア２３（円盤部２３ａ）の背面には皿ばね２７が配設されている（図１参照）。
【００２１】
そして、金属パイプ２２には、厚さ０．０８ｍｍの絶縁シート２５が巻かれている。これにより、電磁コイル２１と第１コア２３および後述するプランジャ３１とが電気的に絶縁されている。このように絶縁シート２５を薄くすることにより、電磁コイル２１から第１コア２３およびプランジャ３１への熱伝導が高まる。すなわち、電磁コイル２１が発生する熱を、プランジャ３１（さらには第２コア２４）、および第１コア２３へ素早く放熱させることができる。これにより、通電時における電磁コイル２１の温度上昇を抑制することができる。
【００２２】
一方、第２コア２４は、金属パイプ２２が装着される中心孔が形成された略円環形状をなし、電磁コイル２１の端部を覆うようになっている。そして、この中心孔、より正確には金属パイプ２２において、プランジャ３１の往復動が案内されるようになっている。また、第２コア２４には、後述するダイアフラム押さえ３４との接触面に第１頂部２４ａが形成されている。この第１頂部を形成することにより、コア組立２０とダイアフラム押さえ３４との接続面における接触面積が小さくなる。すなわち、コア組立２０とダイアフラム押さえ３４との接続部を線接触とすることができる。従って、ダイアフラム押さえ３４が組み込まれたプランジャ・ステム組立３０から第２コア２４が組み込まれたコア組立２０への熱伝導が抑制されるようになっている。
【００２３】
そして、第１コア２３と第２コア２４とは、ねじ接続部２６においてねじ接続されている。すなわち、第２コア２４に第１コア２３を取り付けるには、第１コア２３を第２コア２４に対してねじ旋回させてストロークエンドまでねじ込み、必要なねじピッチ分（プランジャストローク）だけ逆にねじ旋回させることにより行われる。このように第１コア２３と第２コア２４とをねじ接続することにより、ねじ接続部２６のねじピッチに応じたプランジャストロークを得ることができるようになっている。つまり、個々の部品精度に関係なく、組立時にプランジャストロークを調整することができるのである。また、第１コア２３の背面に皿ばね２７を設けていることにより、ねじ接続部２６でのガタが抑制されるので、非常に精度良くプランジャストロークを調整することができるようになっている。
【００２４】
プランジャ・ステム組立３０は、図３に示すように、プランジャ３１と、ステム３２と、コイルスプリング３３と、ダイアフラム押さえ３４とから構成されている。プランジャ３１は、電磁コイル２１の励磁と消磁とにより、金属パイプ２２内を往復動するものである。このプランジャ３１は、略円筒状をなし、その中心にステム３２の端部が挿入される挿入孔３１ａが形成されている。ステム３２は、ダイアフラム１１を弁座に当接・離間させるものである。このステム３２は、金属ダイアフラム１１に接する円板部３２ａと、プランジャ３１との接続を行う接続部３２ｂとから構成されている。なお、コイルスプリング３３は、ステム３２を金属ダイアフラム１１側に付勢するためのものである。
【００２５】
また、ダイアフラム押さえ３４は、金属ダイアフラム１１の外周縁を押さえるためのものである。このダイアフラム押さえ３４は有底円筒状をなし、開口端部には第２頂部３４ａが形成されている。この第２頂部３４ａとボディ４０との間で、金属ダイアフラム１１の外周縁が挟み込まれて気密性が確保されるようになっている。また、ボディ４０とダイアフラム押さえ３４との接続は、第２頂部３４ａで行われる。このため、ボディ４０とダイアフラム押さえ３４との接続面における接触面積が小さい。すなわち、ボディ４０とダイアフラム押さえ３４との接続部が線接触となる。従って、ボディ４０からダイアフラム押さえ３４を備えるプランジャ・ステム組立３０への熱伝導が抑制されるようになっている。また、この接続部にリング状のセラミック板などの無機質材板を配置することにより、より一層ボディ４０からダイアフラム押さえ３４を備えるプランジャ・ステム組立３０への熱伝導を抑制することができる。
【００２６】
さらに、ダイアフラム押さえ３４には、第２頂部３４ａの部分よりも径が小さい小径部３４ｂと、プランジャ３１の径と同じ径を有し、プランジャ３１に接する接続部３４ｃとが形成されている。そして、ダイアフラム押さえ３４の内部にステム３２とコイルスプリング３３とが収容されている。
【００２７】
具体的には、ステム３２の接続部３２ｂが、ダイアフラム押さえ３４を貫通して、プランジャ３１の挿入孔３１ａに挿入されている。なお、ステム３２のプランジャ３１に対する挿入量は、止めネジ３５によって調整されるようになっている。そして、ステム３２の円板部３２ａとダイアフラム押さえ３４の有底面との間にコイルスプリング３３が介装されている。このような構成により、コイルスプリング３３の力によって、ステム３２はダイアフラム１１を後述する弁座４２に当接させる方向に付勢されるようになっている。
【００２８】
図１に戻って、ボディ４０は、略円筒状をなし、その内部にはダイアフラム押さえ３４が装着される弁室４１と、その弁室４１の底面に設けられた金属部材の弁座４２と、流路４３とが形成されている。そして、弁室４１が形成されている部分は薄肉となっている。これによって、ボディ４０の放熱性が高められている。
【００２９】
続いて、ダイアフラム１１の構造について、図４を用いて説明する。図４は、金属ダイアフラム１１の構造を示す断面図である。図４に示すように、ニッケルコバルト合金で形成された金属ダイアフラム１１の接ガス面（弁座４２に対向する面）の全面にパーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）がコーティングされ、ＰＦＡ層１５が形成されている。金属ダイアフラム１１の厚さは、例えば約１００μｍであり、ＰＦＡ層１５の厚さは、例えば約１５０〜２５０μｍとなっている。すなわち、ＰＦＡ層１５の厚さが、金属ダイアフラム１１の厚さよりも１．５〜２．５倍程度厚くなっている。
【００３０】
そして、ＰＦＡ層１５には弁座４２と当接する部分に、他よりも厚いコーティングが施された凸部１５ａが形成されている。弁座４２に対する当接部分を他の部分よりも厚肉化させて、ＰＦＡ層１５のへたり寿命を長くするためである。この凸部１５ａの厚さは、例えば５００〜２０００μｍ程度にすればよい。
【００３１】
また、金属ダイアフラム１１の接ガス面の反対面にも、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）がコーティングされ、ＰＦＡ層１６が形成されている。このＰＦＡ層１６は、上記反対面の全面には形成されておらず、ステム３２との当接部分にだけ形成されている。全面にＰＦＡ層１６を形成すると、金属ダイアフラム１１のバネ特性が変化してしまうおそれがあるからである。
【００３２】
このようなダイアフラム構造は、金属ダイアフラム１１の素地にＰＦＡ層１５、１６をコーティングした後に、ＰＦＡ層がコーティングされた素地をダイアフラム形状に成形することにより製造されるようになっている。なお、ＰＦＡ層１５、１６のコーティングは、素地に対して下地処理（ポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）塗装）を行った後に、静電塗装をして焼き付けることにより行われる。
【００３３】
もちろん、素地から金属ダイアフラム１１の形状を成形した後に、ＰＦＡ層１５、１６をコーティングすることもできる。また、静電塗装の代わりに熱着プレスなどによってＰＦＡ層１５、１６をコーティングすることもできる。
【００３４】
そして、上記した構成を有するコア組立２０とボディ４０とが、プランジャ・ステム組立３０を介して、連結ボルト１２によって連結されている。これにより、ボディ４０とコア組立２０との間に第１空気層１３が形成されている。空気の熱伝導率は非常に小さいので、第１空気層１３により、ボディ４０とコア組立２０との熱伝導が抑制されるようになっている。
【００３５】
また、ダイアフラム押さえ３４に、第２頂部３４ａの部分よりも径が小さい小径部３４ｂを設けているため、ダイアフラム押さえ３４をボディ４０に装着すると、ボディ４０とダイアフラム押さえ３４との間に第２空気層１４が形成されている。空気の熱伝導率は非常に小さいので、第２空気層１４により、ボディ４０とダイアフラム押さえ２４との熱伝導が抑制されるようになっている。
【００３６】
なお、コア組立２０の上方にはキャップ部５０がボルト５１によって装着されている。このキャップ部５０の中心には、金属ダイアフラム式電磁弁１０の内部に強制的にエア引きし真空とする接続ポート５２が形成されている。あるいは、この接続ポート５２にエアホースを接続しエアブロウを行うことにより、電磁コイル２１の温度上昇を抑えられるようになっている。
【００３７】
次に、上記のような構成を有する金属ダイアフラム式電磁弁１０の動作について説明する。図１には閉鎖状態の金属ダイアフラム式電磁弁１０が示され、電磁コイル２１は消磁されている。そして、プランジャ３１は、ステム３２を介してコイルスプリング３３によって下方へ押し下げられている。従って、金属ダイアフラム１１（ＰＦＡ層１５）が弁座４２に当接しており、流路４３は遮断されている。このとき、金属ダイアフラム１１が直接、弁座４２に当接せず、弾性を有するＰＦＡ層１５を介して当接する。これにより、ＰＦＡをコーティングしていない場合に比べ、コイルスプリング３３のバネ力を小さくしても、同等のシール性能を得ることができる。
また、ステム３２と金属ダイアフラム１１は、ＰＦＡ層１６を介して当接している。このため、ステム３２が金属ダイアフラム１１を弁座４２に当接させるときに発生する摩擦力が低減される。このことによっても、小さな閉弁荷重により高いシール性能を得ることができるのである。さらに、弁座４２には合成樹脂材を使用していないので、流路４３が塞がることもない。
【００３８】
そして、電磁コイル２１が励磁されると、電磁コイル２１、第１コア２３および第２コア２４で発生する磁力によって、プランジャ３１に連結されたステム３２がコイルスプリング３３に抗して引き上げられる。従って、金属ダイアフラム１１の中央部が引き上げられ、金属ダイアフラム１１が弁座４２から離間する。これで、流路４３が連通する。このとき、電磁コイル２１、第１コア２３および第２コア２４で発生する磁力は、コイルスプリング３３のバネ力が小さくなっているので小さくてよい。このため、電磁コイル２１、第１コア２３および第２コア２４の小型化を図ることができる。
【００３９】
ここで、金属ダイアフラム電磁弁を半導体製造装置のＣＶＤやエッチャ等のガス供給用の開閉弁として用いると、２００℃近い非常に高温の気化ガスが弁内を流れることになる。そして、高濃度のオゾンガスが流れると、従来の金属ダイアフラム弁では、ダイアフラムが腐食しやすかった。これに対し本実施の形態に係る金属ダイアフラム式電磁弁１０では、金属ダイアフラム１０の接ガス面に、高温下で安定しており、また耐食性の高いＰＦＡ層１５が形成されているので、高温、高濃度のオゾンガスを流した場合でも金属ダイアフラム１１が非常に腐食されにくい。
【００４０】
以上、詳細に説明したように実施の形態に係る金属ダイアフラム式電磁弁１０によれば、金属ダイアフラム１１の接ガス面にＰＦＡ層１５を形成しているので、閉弁時には、弁座４２に対し、弾性を有するＰＦＡ層１５介して金属ダイアフラム１１が当接する。これにより、小さな弁閉止荷重で高いシール性能を得ることができる。また、高いシール性能を得るために、弁座４３の金属ダイアフラム１１への当接面に対しても、高い面精度が要求されない。さらに、ＰＦＡは耐食性に優れているので、高濃度のオゾンガスを使用しても金属ダイアフラム１１が腐食されにくい。
【００４１】
また、金属ダイアフラム１１の接ガス面の反対面のステム３２との当接部分にもＰＦＡ層１６を形成しているので、ステム３２が金属ダイアフラム１１を弁座４２に当接させるときに発生する摩擦力が低減される。このため、より小さな閉弁荷重で高いシール性能を得ることができる。
【００４２】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、アクチュエータとして電磁駆動のものを例示したが、この他に、手動、単複動のエアオペレイト、電動駆動のものであってもよい。また、金属ダイアフラム１１のステム３２に対する当接部分にＰＦＡ層１６を形成する代わりに、イミドフィルム等を貼り付けることもできる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係るダイアフラム構造によれば、少なくとも金属ダイアフラムの接ガス面にはフッ素樹脂がコーティングされているので、フッ素樹脂層を介して金属ダイアフラムが弁座に当接して閉弁される。これにより、小さな弁閉止荷重で高いシール性能を得ることができるとともに、耐食性を向上させることができる。また、フッ素樹脂コーティング層の弁座に対する当接部に凸部が形成されているので、フッ素樹脂コーティング層における弁座に対する当接部が他の部分よりも厚肉になっており、フッ素樹脂コーティング層のへたり寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る金属ダイアフラム式電磁弁の断面図である。
【図２】コア組立の断面図である。
【図３】プランジャ・ステム組立の断面図である。
【図４】ダイアフラムの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　金属ダイアフラム式電磁弁
１１　　金属ダイアフラム
１５　　ＰＦＡ層
１５ａ　　凸部
１６　　　　ＰＦＡ層
２０　　コア組立
２１　　電磁コイル
２３　　第１コア
２４　　第２コア
３０　　プランジャ・ステム組立
３１　　プランジャ
３２　　ステム
３４　　ダイアフラム押さえ
４０　　ボディ
４２　　弁座
４３　　流路

Claims

金属ダイアフラムを弁座に対して当接・離間させて弁の開閉を行う金属ダイアフラム式開閉弁におけるダイアフラム構造において、
前記金属ダイアフラムの接ガス面にフッ素樹脂がコーティングされていることを特徴するダイアフラム構造。
請求項１に記載するダイアフラム構造において、
前記金属ダイアフラムの接ガス面の反対面にもフッ素樹脂がコーティングされていることを特徴するダイアフラム構造。
請求項１または請求項２に記載するダイアフラム構造において、
前記フッ素樹脂は、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）であることを特徴するダイアフラム構造。
請求項１から請求項３に記載するいずれか１つのダイアフラム構造において、
前記フッ素樹脂のコーティング厚さは、前記金属ダイアフラムの厚さより厚いことを特徴するダイアフラム構造。
請求項４に記載するダイアフラム構造において、
前記フッ素樹脂のコーティング厚さは、１００μｍから３００μｍの範囲内であることを特徴するダイアフラム構造。
請求項１から請求項５に記載するいずれか１つのダイアフラム構造において、
前記フッ素樹脂のコーティング層の前記弁座に対する当接部に凸部が形成されていることを特徴するダイアフラム構造。
請求項６に記載するダイアフラム構造において、
前記凸部の厚さは、５００μｍから２０００μｍの範囲内であることを特徴するダイアフラム構造。