JP2005265149A - セラミックゲートバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、半導体製造装置で使用される従来のステンレス金属のゲートバルブにおける問題点とともに、さらにこれをセラミック化することによって生じる問題点をも解消して、耐食性があり、高温でのベーキングが可能で、パーティクルの発生が少なく、また放出ガスも少なく、ガス吸着も少なく、さらにに寿命が長いセラミックゲートバルブを得ようとするものである。
【解決手段】弁体とハウジングからなるゲートバルブ１において、少なくとも弁体３と、弁体３と接触するハウジングの弁座４の部分がセラミックスで構成されたセラミックゲートバルブである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体製造装置や液晶製造装置に用いられるゲートバルブに関し、特にバルブの弁部分をセラミックとしたセラミックゲートバルブに関するものである。

半導体デバイス設計にあっては、半導体の配線設計は次第に細くなり、それを製造する装置に使用する部材も高純度化が要求されている。半導体製造装置の構成部材で要求される特性は、半導体デバイスに有害な元素を発生させないこと、パーティクルの発生源にならないこと、プロセス性能の劣化を起こす物質を生成させないことなどがある。

例えば、ＣＶＤ工程におけるウェーハを直接載置するサセプターについてみると、当初はアルミナ表面をアルマイト処理した材料が使用されていたが、アルマイトが多孔質であるために加熱中に吸着ガスが発生しウェーハを汚染したり、クリーニングガスにより腐食した物質がパーティクルの原因になるなどの問題が発生していた。このために、その後サセプターにアルミナが使用されるようになった。アルミナはフッ素系クリーニングガスに対する耐食性が高く、これによってパーティクルの発生量は低減することができた。

しかしながら、アルミナは耐熱衝撃性が低いために昇温速度を遅くしなければならず時間的なロスが発生し、コストアップの原因となっていた。また、ＣＶＤ装置の炉内は反応中常に加温された状態にあって、ウェーハのＣＶＤ処理終了後ウェーハは搬送されるが、その時にサセプターの温度は低下する。その間、ヒータの制御温度は保持されていて、所定の温度を保持しようと働く。この時の温度変化が大きいためにアルミナ製のサセプターにはクラックが発生し、最終的には破損に至るようなことがあった。この他にも、アルミナとシリコンウェーハの熱膨張が異なるために、ウェーハ裏面とサセプター間でこすれが発生し、パーティクルの発生源となってより高度な部材の使用が要求されていた。その後、アルミナに変わって窒化アルミが採用されるようになった。窒化アルミはアルミナと比較して耐熱衝撃性は高く、またその熱膨張係数はシリコンに近いために、それに起因するスループットの低下やパーティクル発生量は低減するが、半導体デバイスの配線幅が一層狭くなるに従い、さらに新規な材料が要求されつつある現状にある。

半導体製造装置のゲートバルブについてみると、これに必要とされる特性は、放出ガスが少ないこと、耐食性があってパーティクルの発生源とならないこと、高温でベーキングが可能なこと、バルブ開閉時にリークのないこと、寿命が長いこと、シール部分が容易に交換可能なこと、バルブを開いたときにコンダクタンスが大きいことなどが上げられる。

半導体製造装置に多数使用されているゲートバルブは、従来からステンレス金属やアルミ製が使用されているが、これはセラミックに比べフッ素系及び塩素系に代表されるエッチングやクリーニングガスに対して腐食しやすいこと、セラミックに比べて吸着ガスが多く、ベーキングに時間がかかる等の大きな問題があった。このように、従来の金属製ゲートバルブには多数の問題点があって、これらを解決することが求められていた。

本発明者は、ゲートバルブについて耐食性の低い金属を代えて、これをセラミックとしてその耐食化を図ろうとしたものである。しかしながら、ゲートバルブをセラミック化しても、セラミック部分の低温部に副生成物が付着する問題、セラミックゲートバルブと金属製ハウジングとの熱膨張の差によるクラックの発生、フッ素系ゴムのＯリングを用いた場合などにはベーキング温度を下げてベーキングに時間がかかるといった問題、使用時の摺動磨耗の低減といったことが、なお解決すべき問題として存在していた。Ｏリングを使用しないで、かつ稼動可能なシール方法としては、一般的に、オイルシールやメカニカルシールが考えられる。

しかし、オイルシールは温度を上げると粘性が変化し、これによっては正常なシールは困難である。また、使用温度３００℃以上ではオイルの重合が進み劣化して使用に耐えられなかった。一方、メカニカルシールは回転シールであり、これをゲートバルブに採用することは困難であった。さらに、メカニカルシールは、一方が軟質材のカーボンで、他方が硬質材の特殊鋼、超鋼合金又はセラミックが使用されるが、カーボンはフッ素系ガスにさらされると容易に反応してＣＦ系ガスとなって侵され、シール性が劣化し短寿命化するといった問題があった。

従って、この発明は、半導体製造装置で使用される従来のステンレス金属、及びその他金属製のゲートバルブにおける問題点とともに、さらにこれをセラミック化することによって生じる問題点をも解消して、耐食性があり、高温でのベーキングが可能で、パーティクルの発生が少なく、また放出ガスも少なく、ガス吸着も少なく、さらに寿命が長いセラミックゲートバルブを得ようとするものである。

この発明は、弁体とハウジングからなるゲートバルブにおいて、少なくとも弁体と、弁体と接触するハウジングの弁座部分がセラミックで構成されたものであることを特徴とするセラミックゲートバルブ（請求項１）、弁体とハウジングからなるゲートバルブにおいて、弁体をセラミックとし、さらにハウジング部の弁座の外表面部をセラミックとして、弁体が弁座のセラミック部分と接触するようにしたことを特徴とするセラミックゲートバルブ（請求項２）、セラミックが加熱用電極を内蔵したものである請求項１に記載のセラミックゲートバルブ（請求項３）、セラミックが電圧印加用電極を内蔵したものである請求項１または３に記載のセラミックゲートバルブ（請求項４）、セラミックの外表面粗さがＲａ０．１μｍ以下である請求項１，３，４のいずれかに記載のセラミックゲートバルブ（請求項５）、弁体と弁座の摺動部分にＤＬＣ（ダイヤモンド状薄膜）をコーティングした請求項１ないし５のいずれかに記載のセラミックゲートバルブ（請求項６）およびセラミックが窒化アルミニウム又は炭化ケイ素である請求項１ないし６のいずれかに記載のセラミックゲートバルブ（請求項７）である。

この発明は、半導体製造装置に用いられるゲートバルブにおいて、少なくとも弁体と、この弁体が接触するハウジングの弁座をセラミックで構成したので、従来のステンレス金属のゲートバルブと比較して、フッ素系ガスに対して耐食性のあるゲートバルブを得ることができる。また、セラミック部材の中にヒータが埋設されているものでは、これに通電することによってバルブを加熱し、バルブの低温部に副生成物が付着するので防止することができる。さらに、該セラミック部材を加熱して熱膨張し、これによって隣接する異なった材料の熱膨張に合わせることもであきる。また、セラミック部材に電圧印加用電極を埋設したものにあっては、これに電圧を印加することによって生ずる静電気でセラミック部材同士をシールすることが可能となって、パーティクル発生源の恐れとなるＯリングを使用しないシールが出来るようになったものである。しかもその場合、セラミック部材同士の接合面の面粗さがＲａ０．１μｍ以下とすると、両部材の接着性はさらに良好となるものである。また、セラミックが窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素であることで本発明の作用効果はさらによく達成される。

この発明は、半導体製造装置または液晶製造装置におけるゲートバルブをセラミック化したものであって、特に、少なくとも弁体と、弁体が接触するハウジングの弁座部分をセラミックで構成したものである。ここにおけるセラミックは、窒化アルミニウムが好ましいが、これ以外に炭化ケイ素であってもよい。もしくはこれらの複合セラミックでも良い。また、バルブ内面をセラミック溶射、もしくはスパッタ、ＣＶＤ等のコーティングや、有機、及び無機系接着剤でセラミック板を固定し覆う事でバルブ全体の寿命を延ばすことも可能である。

図１はこの発明の一実施例になるセラミックゲートバルブの側断面の概略を示した説明図である。図において１はゲートバルブで、２はハウジング、３は弁体である。ハウジング２は、例えばステンレス又はアルミニウムで出来ている枠体である。ハウジング２の弁孔部４には弁座５がロウ付けその他の方法で接合されていている。ハウジング２内には弁体３があって、これが弁孔４の弁座５に接離することで弁孔４を開閉するようになっている。図１は、ハウジング２の内部の弁座５で弁体１が弁孔４をシールしている状態を示している。この状態から弁孔４を開放するには、弁体３を図１の下側に矢印で示されているように、弁体３と接続している弁棒６を右側に移動した後に下方に下げて行う。反対に、開放している弁孔を閉じるには、弁棒を上方に移動した状態で弁体３を弁孔４に接触させるように移動する。７はＯリングで、これによって弁体３と弁座とのシール性を保持する。

このゲートバルブにおいて、弁体３および弁体３が接触するハウジング２の弁座４はセラミックで構成されている。ここにおけるセラミックは、チッ化アルミまたは炭化ケイ素である。チッ化アルミや炭化珪素は、塩素ガスの対する耐食性、耐磨耗性、耐熱衝撃性、高弾性などの点で優れているので好ましい。コストを考慮した場合、アルミナやジルコニア等でも応用は可能である。しかしチッ化アルミや炭化珪素に比べ物理特性が劣るため寿命は短くなる。

図２は、この発明の他の実施例になるセラミックゲートバルブの側断面の概略を示した説明図である。この図２の符号は図１と同じ部材は同じ符号で示した。但し、図２に示すゲートバルブの場合は、弁座の全てをセラミックとするのではなく、ハウジング部のうちで弁体と接触する弁座の一部５_１だけをセラミックとして、弁体と弁座がセラミック同士で接触するようにしたものである。このようにすれば、現在使用されている金属製のゲートバルブを一部改良することによってセラミックゲートバルブを得ることが可能である。

図３は、図１に示したゲートバルブに改良を加えたものであるが、同図の符号も図１と同じ部材は同じ符号で示した。図３で示すバルブの場合は、セラミックに加熱用電極８を内蔵したものである。セラミックの中にヒータを内蔵してセラミックを加熱することにより、ガスに露出している部分が加熱される為副生成物が付着するのを防止することができる。また、このヒータを用いてセラミック部材を加熱することで、ハウジング金属との熱膨張差で発生する応力によるクラックが発生するのを防ぎ、さらにクラック発生の繰り返しで破壊するのも防止でき信頼性があがる。

このような発熱体を用いた加熱によれば、ゲートバルブ全体を覆うような加熱機構設けないので、コンパクトになり部品数が減少し、またメインテナンスも容易になったものである。発熱体はセラミック内部に埋設する方法のほか、弁においては金属と接触するセラミック面に発熱体を配線する溝加工を施し、金属発熱体を無機系接着剤で固定する方法でも良い。同様にセラミックと接触する金属に発熱体を埋設する事も可能である。

図４は、図３に示したゲートバルブにさらに改良を加えて、セラミックに電圧印加用電極を内蔵したものである。図４で符号は図３と同じ部材は同じ符号で示した。図４のゲートバルブは、弁体であるセラミック誘電体内部に電圧を印加できる電圧印加用電極９を内在し、シール時には電圧を印加するものである。これによって誘電体には電荷が発生し、他方のセラミック部分には相反する電荷が生じ、両者の静電気の力で双方が吸着するようにし確実なシールを達成することができるようになる。しかしながら、このシールでバルブの高真空を得るには接触面を平滑にすることが有効なことである。そのためには接触面を機械研磨し、その平均表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下にすることが好ましく、さらに好ましくは０．０８μｍ以下にすることである。この場合、電圧印加用電極はハウジングでも弁座でも良い。絶縁体でも静電気により吸着は可能であるが、セラミックの抵抗を低くする事によって、低電圧で大きな吸着力を得る事が可能になる。また、ハウジングと弁座の両方に金属電極を内在化させ、片側をグランドに落とし、もう片側に電圧を印加する事でも静電気により吸着し、シールする事は可能である。これらの方法は使用するセラミックの固有抵抗、耐電圧、及びセラミック同士の面状態、その他必要な吸着力とその電圧などで選択する。

なお、弁体の厚さは５ｍｍ以上であることが好ましい。また、弁体がシールする際の摺動摩擦や、弁体がシール部分に垂直に接することにより発生するパーティクルは、いずれも接触部を金属からセラミック化することで減少させることができる。しかしながら、より好ましくは弁体と弁座の摺動部分に潤滑性の高いＤＬＣ（ダイヤモンド状薄膜）やダイヤモンドをコーティングすることである。これによって摺動性能がさらに向上してパーティクルの発生をより少なくすることが可能となる。

（実施例１）
ＡｌＮ粉末とＡｌＮ粉末に対してＹ_２Ｏ_３粉末１wt％をメタノール中でボールミルで混合し、一定時間後ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えた後、スプレードライヤーで造粒した。得られた造粒紛を金型で成型後に、静水圧プレス（１．０ton/cm²）を行い成形体にした。成形体から有機物を除去するため、６００℃空気中で熱処理して脱脂体とした。この脱脂体をＮ_２雰囲気で１８５０℃で熱処理し焼成体とした。これを表面研削加工して厚さ３ｍｍの２枚の平板に仕上げた。この平板の一方の片面に、これに内蔵させるタングステン発熱体と同一形状で、深さが１５０μｍの溝を加工し、これに予め用意したタングステン発熱体を嵌め込んだ。ここに用いたタングステン発熱体は、平板が均熱をとれる形状としかつ厚さ０．１５ｍｍとし、タングステン箔を薬液でエッチング加工したものを用いた。

次に、以上のタングステン発熱体がセットされたＡｌＮ焼結体の平板を、加熱用ホットプレスのカーボン型に載置した。これに上記と同じ造粒紛を所定の厚みに撒いてその表面をならし、その上に電圧印加用の金属電極およびいま一方のＡｌＮ焼結体の平板をセットした。この状態で窒素雰囲気中１８００℃４時間でホットプレス処理を行った。この熱処理によりＡｌＮ造粒部分は焼結し、電圧印加用の金属電極を内在したセラミック板を得た。このセラミック板の所定個所に各電極まで孔加工を行い、その後ロウ付けにより金属端子を接合させた。このとき、電圧を印加する電極からセラミック表面までの厚みを０．５ｍｍとした。

なお、加熱用タングステン電極と電圧印加用極間のＡｌＮ層は、造粒紛を出発原料として形成したが、これ以外にＡｌＮを主成分としたペーストの塗布やスクリーン印刷で形成してもよい。さらに、ＡｌＮに有機溶剤を混合したスプレー噴霧やドクターブレード法でも可能である。電極に使用した金属箔の加工は上記の薬液エッチング以外に放電加工、レーザー加工、パンチング加工でも可能である。上記では電極は金属箔を使用したが、これ以外にＡｌＮ焼結体へのペースト印刷焼付け、メッシュ加工したものであってもよい。

次に、このセラミック体に加工を施し、図５の（Ａ）および（Ｂ）に示すようなゲートバルブの弁体１０とした。これと同様にして、図６の（Ａ）および（Ｂ）に示すようなゲートバルブのハウジングの弁座部２０を得た。このハウジングの弁座部２０と上記の弁体１０は、その接触する部分を研磨しＲａ０．０８μｍに仕上げた。この弁体の誘電層厚みを渦電流方式の膜厚計で１０点測定したところ、０．５０ｍｍ±０．０３の範囲であった。

図５の弁体１０において、１２は加熱用電極、１３は加熱用電極端子である。１４は電圧印加用電極で、１５は電圧印加用端子である。

また、図６の（Ａ）および（Ｂ）は、上記の弁体１０に対応する弁座２０で上記弁体１０と同じようにして作製したものである。ただし、弁座の中央には弁孔２１が設けられている。また、弁座２０の弁体と接触する部分は研磨し、弁体の対応する部分と同様にＲａ０．０８μｍに仕上げた。２２は加熱用電極、２３は加熱用電極端子である。２４は電圧印加用電極で、２５は電圧印加用端子である。この弁座２０をゲートバルブのステンレス枠に固定し、これに上記の弁体１０をセットして最終的にゲートバルブを作成した。弁体とハウジングのステンレス枠との固定はロウ付けで行った。さらに、フッ素系の腐食ガスに暴露される場合は、弁体とハウジングの表面に耐食性のあるＹ系、Ａｌ系、Ｚｒ系のセラミックコーティングするか、またはＮｉＦのコートを行うことが好ましい。

上記の弁体及び弁座を用いて、加熱電極に通電して加熱を行ったところ４００℃まで容易に昇温した。３００℃に昇温後、２５℃まで降温を１００回繰り返したところ、表面には何らクラックが発生せず良好であった。この弁体と弁座をゲートバルブのチャンバーに組み込み、弁体に３Ｋｖの直流電圧を印加し弁を閉め、チャンバー内部の径時時間における圧力変動からリーク量を測定したところ、２．０×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／secであり、使用に十分耐えるものであった。

（実施例２）
図７は、この発明の他の実施例になるセラミックゲートバルブの弁体を示したもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。また、図８はこれに用いるハウジングの弁座を示したもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。図７において、３０は弁体、３２は加熱用電極、３３は加熱用電極端子、３４は電圧印加用電極、３５は電圧印加用端子である。また、図８において、４０は弁座、４１は弁孔、４２は加熱用電極、４３は加熱用電極端子、４４は電圧印加用電極、４５は電圧印加用端子である。

これらの弁体および弁座は実施例１と同様にして作製したものである。但し、この実施例では、弁体の弁座に接触する部分にはＤＬＣ膜（ダイヤモンド状薄膜）を２μｍ程度コーティングした（図７の符号３６）。また、ハウジングの弁体と接触する部分についても同じようにＤＬＣ膜をコーティングした（図８の符号４６）。

この弁座４０を実施例１と同様にゲートバルブのステンレス枠に固定し、これに弁体３０をセットして最終的にゲートバルブを作成した。なお、弁座とハウジングのステンレス枠との固定はロウ接合で行った。また、加熱用電極および電圧印加用電極と各金属端子との接続もロウ付けで行った。

上記の弁体及び弁座のプレートを用いて、加熱電極に通電して加熱を行ったところ４００℃まで容易に昇温した。３５０℃に昇温後、２５℃まで降温を１００回繰り返したところ、表面には何らクラックが発生せず良好な状態であった。この弁体とハウジング部をゲートバルブのチャンバーに組み込み、弁体に３Ｋｖの直流電圧を印加し弁を閉め、チャンバー内部の径時時間における圧力変動からリーク量を測定したところ、１．３×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／secであり、使用に十分耐えるものであった。

この発明の一実施例のセラミックゲートバルブの横断面概略を示す説明図。 この発明の他の実施例のセラミックゲートバルブの横断面概略を示す説明図。 この発明の他の実施例のセラミックゲートバルブの横断面概略を示す説明図。 この発明の他の実施例のセラミックゲートバルブの横断面概略を示す説明図。 この発明の他の実施例になるセラミックゲートバルブの弁体で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 この発明の他の実施例になるハウジングの弁座で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はその側面図である。 この発明の他の実施例になるセラミックゲートバルブの弁体で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 この発明の他の実施例になるハウジングの弁座で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はその側面図である。

符号の説明

１…ゲートバルブ、２…ハウジング、６…弁棒、７…パッキン、３，１０，３０…弁体、８，１２，２２，３２，４２…加熱用電極、１３，２３，３３，４３…加熱用電極端子、９，１４、２４，３４，４４…電圧印加用電極、１５，２５，３５，４５…電圧印加用端子、４，２１，４１…弁孔、５，２０，４０…弁座、３６，４６…ＤＬＣ。

Claims (7)

1. 弁体とハウジングからなるゲートバルブにおいて、少なくとも弁体と、弁体と接触するハウジングの弁座部分がセラミックで構成されたものであることを特徴とするセラミックゲートバルブ。
2. 弁体とハウジングからなるゲートバルブにおいて、弁体をセラミックスとし、さらにハウジング部の弁座の外表面部をセラミックとして、弁体が弁座のセラミック部分と接触するようにしたことを特徴とするセラミックゲートバルブ。
3. セラミックが加熱用電極を内蔵したものである請求項１に記載のセラミックゲートバルブ。
4. セラミックが電圧印加用電極を内蔵したものである請求項１または３に記載のセラミックゲートバルブ。
5. セラミックの外表面粗さがＲａ０．１μｍ以下である請求項１，３，４のいずれかに記載のセラミックゲートバルブ。
6. 弁体と弁座の摺動部分にＤＬＣ（ダイヤモンド状薄膜）をコーティングした請求項１ないし５のいずれかに記載のセラミックゲートバルブ。
7. セラミックが窒化アルミニウム又は炭化ケイ素である請求項１ないし６のいずれかに記載のセラミックゲートバルブ。

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