JP2005140260A - 真空比例開閉弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｏリングの固着防止とともに高いシール性を有する真空比例開閉弁を提供すること。
【解決手段】 ポート２２に連通したバルブボディ２１の内壁面に弁座面２４が形成され、そのバルブボディ２１と駆動部１０とが一体になって、その駆動部１０の動作によって弁体２５を弁座面２４に対して当接・離間させるものであって、弁体２５は、弁座面２４に対してＯリング２６を当接させてシールするものであり、そのＯリング２６が当接する弁座面２４の塗料３０がコーティングされた真空比例開閉弁１。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体製造工程の真空圧力制御システムに使用する真空比例開閉弁に関し、特に弁の開け始めにおいて流体の圧力を安定させながら真空引きすることができる真空比例開閉弁に関するものである。

半導体製造工程の真空圧力制御システムは、例えば図６に示すように構成されている。真空チャンバ１００の内部にはウエハ１０５が段状に配置され、その入力側にはプロセスガス及びパージガス（窒素ガス）の供給源がそれぞれ接続されている。一方、真空チャンバ１００の出力側には真空比例開閉弁１１０を介して真空ポンプ１２０が接続され、真空チャンバ１００と真空比例開閉弁１１０との間に遮断弁１２１を介して圧力センサ１２２が接続されている。製造プロセス中は真空チャンバ１００にプロセスガスが供給され、この真空圧力制御システムでは、真空圧力値が目標値より大気圧方向に高くなったときは、真空比例開閉弁１１０の開度を大きくして、真空ポンプ１２０が吸引する真空流量を多くする一方、真空圧力値が目標値より絶対真空方向に向かって低いときは、真空比例開閉弁１１０の開度を小さくして真空流量を少なくする。

ところで、真空チャンバ１００内を真空にする場合、その真空チャンバ１００内に多量のプロセスガスが残っている状態で急速に真空引きが行われると、真空チャンバ１００内に乱流が引き起こされて壁面に付着していたパーティクルが巻き上げられてしまう。従って、真空引きの際に真空チャンバ１００内のパーティクルを巻き上げないようにするため、真空比例開閉弁１１０を開けるときには一気に開けることはせず、弁開度を小さくして流れを安定させてから徐々に弁開度を大きくしていくようにしている。そこで本出願人は、こうした点に鑑みて特開平９−７２４５８号公報に開示された真空比例開閉弁を提案している。
特開平９−７２４５８号公報（第２−４頁、図１−図４）

しかし、こうした従来の真空比例開閉弁では、弁体１７１のシール部分にフッ素ゴムのＯリング１７３を使用しているが、このフッ素ゴムが金属面と非常に固着しやすい性質を持っているため、開弁時に僅かな隙間を通して真空引きを行うような真空比例開閉弁には適していなかった。すなわち、スロー排気するためには非常に僅かな隙間で弁を開ける必要があるため、開弁当初は僅かな隙間分のピストンストロークで弁を操作しなければならない。ところがこのとき、フッ素ゴムのＯリング１７３と金属面である弁座１８６とが固着してしまうと、その僅かな隙間で弁を開けることができず、更にストロークが大きくなった段階で固着が外れて流体が二次側へと流れ出すようになってしまう。従って、Ｏリングが弁座に固着してしまう場合、開け初めに一気に大量の流体が流れてしまい、真空チャンバ１００内に乱流が引き起こされて壁面に付着していたパーティクルが巻き上げられてしまう。

ところで、こうしたフッ素ゴムからなるＯリングと金属面である弁座との固着メカニズムは、初期に起こる物理的な固着と、その後に起こる化学反応により発生すると考えられている。その一方の物理的な固着は、ゴムを金属に長時間押し付けられた場合、ゴムの表面が金属表面の粗い凹凸部分にならってしまうことによって起きると考えられる。そしてもう一方の化学反応による固着は、フッ素ゴム成形時に使用する加硫剤の残留物と金属との化学反応によって起きると考えられる。

そこで、こうした問題に対する解決策として従来から、物理的な固着にはＯリングをＰＴＦＥでコーティングすることによって表面を非粘着性することが、また化学反応には真空比例開閉弁をヒーターで加熱して化学反応を防止することが考えられ、また行われてきた。
しかしながら、ＰＴＦＥでＯリングをコーティングした場合、シール効果が落ちてしまい閉弁時の漏れ量が許容量を超えてしまった。一方、固着防止のためだけにヒータを設けるのはコストの面で好ましいものではなかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、Ｏリングの固着防止とともに高いシール性を有する真空比例開閉弁を提供することを目的とする。

本発明の真空比例開閉弁は、ポートに連通したバルブボディの内壁面に弁座面が形成され、そのバルブボディと駆動部とが一体になって、その駆動部の動作によって弁体を弁座面に対して当接・離間させるものであって、前記弁体は、弁座面に対してＯリングを当接させてシールするものであり、そのＯリングが当接する弁座面は、塗料がコーティングされたものであることを特徴とする。
また、本発明の真空比例開閉弁は、前記弁座面にフッ素樹脂が配合された塗料がコーティングされたものであることを特徴とする。

本発明の真空比例開閉弁は、弁体のＯリングが弁座面に押し付けられて閉弁状態になっており、真空引きを行う場合には引き初めの段階で極めて微少な隙間を開けてスロー排気を行う。
このとき、弁座面には塗料がコーティングされているため、表面の凹凸が例えば摩擦係数が低いフッ素樹脂配合の塗料によって埋められ、そこにゴムのＯリングが押し当てられても物理的な固着が防止される。そして、弁体のＯリングはゴムそのままの弾性を有しているため、閉弁時には弁座面に気密に当接して流体の漏れを高いレベルで抑えるシール性を有する。

次に、本発明に係る真空比例開閉弁の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１及び図２は、本実施形態の真空比例開閉弁を示した断面図であり、図１は閉弁時の状態を示し、図２は開弁時の状態を示している。
真空比例開閉弁１は、駆動部１０と弁部２０とから構成されている。駆動部１０は、シリンダチューブ１１内にベロフラム１２と一体のピストン１３が挿入され、そのピストン１３は、復帰バネ１４によって下向に付勢され、逆に作動エアのエア圧が復帰バネ１４の付勢力に抗してピストン１３を上昇させるように加圧室１５が形成されている。そして、ピストン１３にはスライドレバー１８を介してポテンショメータ１９が連結され、上下の移動位置が計測できるようになっている。

一方、弁部２０は、駆動部１０側と一体になったバルブボディ２１内に構成され、そのバルブボディ２１には、下方に入力ポート２２が、側方には出力ポート２３が形成され、それぞれに１次側流路または２次側流路が接続される。バルブボディ２１には、その入力ポート２２側からバルブボディ２１内への入口に平らな弁座面２４が形成されている。弁座面２４は、バルブボディ２１の水平部分に旋盤によって環状に形成されている。
そして、駆動部１０のピストン１３には、その中心を貫通してピストンロッド１６が固定され、ボディ２１内にまで延びた下端に弁体２５が固定されている。弁体２５には、弁座面２４に対して気密に当接するシール部材としてＯリング２６が保持されている。

本実施形態の真空比例開閉弁１では、このＯリング２６が弁座面２４に固着しないようにした構成が取られている。
弁座面２４は、前述したように旋盤によって平らな面が形成されているが、そこには極めて細かい溝などの凹凸が生じている。Ｏリング２６の固着は、この溝にゴムからなるＯリング表面が弾性を失うことにより入り込んでならってしまい、吸着状態になってしまうことにより起きると考えられる。そこで、Ｏリング２６にＰＴＦＥをコーティングして表面を非粘着性にすることは従来からの案であるが、これでは後述する実験結果にも現れているようにシール性が十分でなかった。その原因は、表面のコーティングに微細な亀裂のようなものが入ってしまい、そこから僅かでも漏れが生じてしまっていると考えられる。

そこで、本実施形態では、図３に示すように、Ｏリング２６はそのままにして、弁座面２４側にフッ素樹脂が配合された塗料３０をコーティングするようにした。図３は、図１に示した真空比例開閉弁１のＰ部分を拡大して示した図である。これにより、表面の凹凸が摩擦係数が低いフッ素樹脂配合の塗料３０によって埋められ、そこにゴムのＯリング２６が押し当てられるため、物理的な固着が防止される。また、Ｏリング２６とバルブボディ２１との間に塗料３０が挟まれているため、Ｏリング２６を形成するゴム内の残留物と金属との間の化学反応による固着も防止される。従って、この真空比例開閉弁１によれば、適切なスロー排気が可能になる。

真空比例開閉弁１は、図６に示した真空比例開閉弁１１０と同様に、半導体製造工程の真空圧力制御システムの一部として配管され、入力ポート２２側が真空チャンバ１００に、そして出力ポート２３側が真空ポンプ１２０に接続されている。
先ず図１に示すようにピストン１３が復帰バネ１４によって押さえ付けられ、Ｏリング２６が弁座２４に当接して閉弁状態になっている。そして、これにシリンダチューブ１１へ作動エアが供給されてピストン１３が押し上げられると、それに伴ってピストンロッド１６が引き上げられて弁体２５が持ち上げられ、真空比例開閉弁１が開弁状態になる。
真空チャンバ１１０内を真空引きする場合には、一気に弁を開けてしまったのでは真空チャンバ１１０内のパーティクルを巻き上げてしまうため、先ずは弁開度を小さくし、狭い流路をつくって流体圧力を安定させる。このとき、Ｏリング２６は弁座面２４に固着することはないため、弁の開度を微小量変化させることができる。

ここで、図４は、本実施形態とコーティングなしの従来例の真空比例開閉弁について、スロー排気制御時のアンダーシュートを比較したグラフを示したものである。そして、図４（ａ）が本実施形態の真空比例開閉弁の実験結果であり、図４（ｂ）が従来の真空比例開閉弁の実験結果である。なお、スロー排気時のアンダーシュートとは、理想とするスロー排気制御の傾きから外れて真空圧力が急激に下がることをいう。そこで、いずれのグラフにも理想とするスロー排気制御の傾きＣを細線で示して比べてみた。その結果、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では開弁初期の時点で多少の揺れｍは生じるものの、従来例のように真空圧力が大きく変化するアンダーシュートｎは生じなかった。

次に、真空比例開閉弁１における閉弁時の漏れについて見てみる。図５は、閉弁時の漏れについて比較した表を示したものである。ここでは、項目欄に記載するように、半導体製造工程の真空圧力制御システムに使用する真空比例開閉弁としての目標値（１）、従来からあるＯリングをコーティングした真空比例開閉弁（２）、図３に示すように弁座面２４をコーティングした本実施形態の真空比例開閉弁１（３）、そしてコーティングを一切しない従来の真空比例開閉弁（４）について比較を行った。なお、ＯリングはＦＫＭ（フッ素ゴム）で形成され、弁座面を構成するバルブボディはＳＵＳ３１６Ｌ（ステンレス鋼・オーステナイト系）で形成されている。そして、（２）（３）にはフッ素樹脂配合の塗料がそれぞれＯリングまたは弁座面にコーティングされている。

そこで、真空比例開閉弁が閉弁状態で真空引きが行われた場合、漏れ量の許容範囲、すなわち目標値（１）は１．３×１０^-8（単位はＰａ・ｍ³ ／ｍｉｎ、以下同じ）である。これに対してＯリングが弁座面に固着してしまう従来の真空比例開閉弁（４）の場合には、Ｏリングが弁座面に密着しているため測定値が１．０×１０^-12 と、十分なシール性を有していた。その一方、Ｏリングをコーティングした真空比例開閉弁（２）は、固着防止には有効であるものの、その測定値は２．０×１０^-5と、シール性が極めて低いという結果が出た。そして、本実施形態の真空比例開閉弁１（３）では、前述したように固着防止効果を発揮し、しかも漏れ量の測定値は１．０×１０^-12 と、コーティングを施さなかった真空比例開閉弁（４）と同じレベルの十分なシール性を発揮した。

以上、本実施形態の真空比例開閉弁１によれば、フッ素ゴムによって形成されたＯリング２６をそのままにして表面に弾性をもたせる一方、弁座面２４側にフッ素樹脂が配合された塗料３０をコーティングするようにしたため、閉弁時の固着を防止して図４に示すようにアンダーシュートを抑えることが可能になり、更に図５に示すように高いレベルで漏れを防止したシール性の優れたものとすることができた。
また、コーティングによる固着防止によって真空比例開閉弁１にヒータを装着する必要がなくなり、コストを抑えることにもなった。

以上、真空比例開閉弁の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

真空比例開閉弁の一実施形態を示した閉弁状態の断面図である。 真空比例開閉弁の一実施形態を示した開弁状態の断面図である。 図１に示した真空比例開閉弁１のＰ部分を拡大して示した図である。 実施形態とコーティングなしの従来例の真空比例開閉弁について、スロー排気制御時のアンダーシュートを比較したグラフを示した図である。 閉弁時の漏れについて比較した表を示した図である。 半導体製造工程の真空圧力制御システムの構成を示した図である。

符号の説明

１ 真空比例開閉弁
１０ 駆動部
１３ ピストン
２０ 弁部
２１ バルブボディ
２２ 入力ポート
２３ 出力ポート
２４ 弁座面
２５ 弁体
２６ Ｏリング
３０ 塗料

Claims (2)

1. ポートに連通したバルブボディの内壁面に弁座面が形成され、そのバルブボディと駆動部とが一体になって、その駆動部の動作によって弁体を弁座面に対して当接・離間させる真空比例開閉弁において、
   前記弁体は、弁座面に対してＯリングを当接させてシールするものであり、そのＯリングが当接する弁座面は、塗料がコーティングされたものであることを特徴とする真空比例開閉弁。
2. 請求項１に記載する真空比例開閉弁において、
   前記弁座面には、フッ素樹脂が配合された塗料がコーティングされたものであることを特徴とする真空比例開閉弁。
   
   
   
   
   
   

Images