JP2007071251A - ベローズシールバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 高コンダクタンスで大流量のガスを滞りなく流すことができるベローズシールバルブであり、本体内にパーティクルや生成物が付着するのを防止し、ガス置換特性も良好なベローズシールバルブを提供すること。
【解決手段】 流路口１２を有する弁本体１１に傾斜筒１３を連通させてボデー１０を構成し、傾斜筒１３内に配設したステム２２の先端側の弁体２３で流路口１２を開閉自在に設け、このステム２２をシールするベローズ２８の内部を流路口１２側に配置すると共に、弁体２３またはベローズ２８を固着するベローズフランジ２１の少なくとも何れか一方にバックシール用のガスケット２６を設けて弁体２３の弁開状態のときにガスケット２３でベローズ２８内部を密閉するようにしたベローズシールバルブである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体製造装置のガス供給系ライン等に接続され、特に、蒸気圧の低い原料ガスを供給したり、或はセンサー遮断用として使用するベローズシールバルブに関する。

半導体製造装置に使用される蒸気圧の低い原料ガスを供給するガス供給系ラインでは、ガスの原料を入れた容器を加熱し、原料をガス化したのちにリアクター（チャンバー）に供給して半導体ウエハを処理している。このような蒸気圧の低い原料ガスを供給する場合、圧力損失が大きくなるため供給圧力も低くなって原料ガスが再液化したり生成物が供給ライン内部に付着するなどの問題が生じることがある。このため、例えば、１／２インチや１５Ａなどの大きな配管径の配管を用いて流路を構成し、この大径の流路によって蒸気圧の低いガスが流れやすくなるようにしている。

ガス供給系ラインは、バルブを接続して流路を開閉するようにしているが、バルブの開閉時には、このバルブを構成している部品がバルブ内部を摺動したときにパーティクルが発生するおそれがある。
パーティクルが発生すると、このパーティクルがリアクター内に侵入して生成物として付着し、半導体ウエハを汚染することがある。半導体ウエハに生成物が付着するとウエハ上の回路を破損する可能性があるため、半導体製造時にはパーティクルの発生を防ぎ、半導体ウエハに生成物が付着するのを防止する必要がある。

生成物の付着や堆積を防ぐために、バルブや配管を原料容器と同様に均一温度に加熱することがあるが、例えば、真空圧力計の仕切弁に使用されるダイヤフラムバルブなどでは、たとえバルブや配管を原料容器と均一温度に加熱していたとしても、バルブ本体内の流路が複雑な形状を呈していたり、流路がガス流が直角に当たるような形状を呈している場合や、或は、流路の断面形状が一定でなく容積変化が大きい場合などには、生成物が堆積しやすくなることが知られている。

半導体製造装置のガス供給系ラインで用いられるベローズバルブとしては、例えば、本体と下面をもつ可動部材とを有し、この可動部材は、バルブ開位置のときの本体における密封位置から隔てられた位置と、バルブ閉位置のときの密封位置との間を移動でき、可動部材の下面外周に環状の密封部材が配置されてバルブが閉位置にあるときに本体の一部分と密封係合する流体フローバルブがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、高純度ガス流れ入口、高純度ガス流れ出口、高純度ガス流れ妨害溝、シートシール受け面を具備する胴部と、高純度ガスの送達を制御するためのガス流れ妨害手段を有する高純度ガス送達アセンブリであり、ガス流れ妨害手段に、未利用容積画定手段とこの未利用容積画定手段から離間されたシートシールを具備するシールアセンブリを備えた高純度ガス送達アセンブリがある（例えば、特許文献２参照。）。
特表平９−５０２２４３号公報 特許第２７０９８５８号公報

上述したように、半導体製造装置のガス供給系ラインでは、蒸気圧の低い原料ガスの供給時にできるだけ圧力損失を少なくすることが要求されるが、このガス供給系ラインにダイヤフラムバルブを使用した場合には、ダイヤフラムバルブは流路のコーナーが多く弁体リフト時の移動量も小さいという特徴を有しているため、弁開時の原料ガスのコンダクタンスが悪くなって圧力損失が大きくなり、バルブ流路内で原料ガスが再液化したり、生成物がバルブ内部に堆積したりするおそれがある。
さらに、原料の蒸気圧が特に低く、高温に加熱しないと気化や昇華しにくい材料の場合には、流路内に僅かなコーナー部分があるだけでも生成物が堆積しやすくなる。
このため、この種のガス供給系ラインにおいては、流路径がほぼ一定であるボアスルー構造のバルブを使用するのが望ましい。

ボアスルータイプのバルブにおいて、ボールバルブは、弁体であるボールが回転摺動部であるためパーティクルが発生しやすくなり、上記ガス供給系ラインに使用するには好ましくない。
一方、特許文献１、特許文献２のような略Ｙ型のベローズバルブを用いる場合は、このベローズバルブの流路口径を大きくすることでコンダクタンスが向上すると共に、弁体リフト時の移動量を大きくしたり、流路のコーナー部分を小さくすることが可能となる。

しかしながら、これらのバルブは、弁棒の外周側にベローズを周設し、弁棒の可動時にはベローズが流路側に伸縮する構造であるため、弁閉時にはベローズとボデー内面との間に大きなデッドスペースが生じ、このデッドスペース内に生成物が付着しやすくなっていた。このうち、特許文献２の高純度ガス送達アセンブリは、未利用容積を僅かにできるとはいうものの、ベローズの外周側が流路側に接した構造であることには変わりがないため、必然的にベローズ外周側と流路側との空間が大きくなってデッドスペースが大きくなっていた。

また、この種のバルブは、複数種の原料ガスを切換えて供給することが多く、この原料ガスの切換え前には半導体ウエハへの生成物の付着を防止する観点からバルブ内の残留ガスの除去を行うようにしているが、この大きなデッドスペース内に原料ガスが残留してガス置換特性が悪くなっていた。

本発明は、従来の課題点に鑑みて開発したものであり、その目的とするところは、高コンダクタンスで大流量のガスを滞りなく流すことができるベローズシールバルブであり、本体内にパーティクルや生成物が付着するのを防止し、ガス置換特性も良好なベローズシールバルブを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、流路口を有する弁本体に傾斜筒を連通させてボデーを構成し、傾斜筒内に配設したステムの先端側の弁体で流路口を開閉自在に設け、このステムをシールするベローズの内部を流路口側に配置すると共に、弁体またはベローズを固着するベローズフランジの少なくとも何れか一方にバックシール用のガスケットを設けて弁体の弁開状態のときにガスケットでベローズ内部を密閉するようにしたベローズシールバルブである。

請求項２に係る発明は、傾斜筒の途中にベローズフランジを固定して設け、このベローズフランジの一面にベローズの一端を固着すると共に、ベローズフランジの他面に、弁体に設けたガスケットを当接させて弁開時にベローズ内部を密閉し、弁閉時にベローズ内部と二次側流路を連通させるようにしたベローズシールバルブである。

請求項３に係る発明は、弁本体の突設部にボンネットを設けて傾斜筒を形成し、この傾斜筒内にステムを自動又は手動で昇降動自在に設けたベローズシールバルブである。

請求項４に係る発明は、弁本体の流路口の口径よりも弁体のリフト量を大きくして、弁開状態では流路口をボアスルーにしたベローズシールバルブである。

請求項５に係る発明は、弁体とこの弁体を接続したステムは、流路口の開閉時にボデー及びボンネットに非接触状態で動作可能に所定の間隙を設けて配設したベローズシールバルブである。

請求項６に係る発明は、ベローズを弁体内を流れる原料ガスと略同温度まで加熱可能なヒーターを着脱自在に設けたベローズシールバルブである。

請求項１及び２に係る発明によると、蒸気圧の低い原料ガスであっても大流量によって滞りなく高コンダクタンスで流すことのできるベローズシールバルブあり、パーティクルの発生を可能な限り防いで、内部への生成物の堆積を防止して半導体ウエハに悪影響を与えることなく高品質で製造することができる。
弁閉状態では、ベローズの内側がチャンバー側に配設されたポンプで真空に排気されてパーティクルの付着等を防ぎ、一方、弁開状態では、原料ガスが直進するようにチャンバー側に滞りなく供給され、このとき、弁体がベローズ内部をバックシールによって高シール性を発揮しながら密閉するため、原料ガスが拡散してベローズ内部に侵入するのを確実に防止することができるベローズシールバルブを提供することが可能となる。
さらに、この弁開状態では、流路のデッドスペースが最少となってガス置換特性が良好となるため、複数の原料ガスを切換えながら供給した場合でもバルブ内に残留した各原料ガスを迅速かつ確実に除去して高純度の原料ガスを迅速に供給することができるベローズシールバルブを提供できる。

請求項３に係る発明によると、傾斜筒を分離可能であるためメンテナンスが容易であり、ボンネットを交換するだけで自動又は手動バルブに切換えることもできる。更には、バルブ全体を小型化でき、ガス供給系ラインの狭い設置箇所にも取付けることができるベローズシールバルブである。

請求項４に係る発明によると、弁開時には原料ガスの流れに悪影響を与えることがなく、パーティクルの発生を防ぐことができ、流路をボアスルーに確保できることで蒸気圧の低い原料ガスであっても供給圧力を維持しながら流すことができるベローズシールバルブである。

請求項５に係る発明によると、弁動作時の摺動を防いでパーティクルの発生を防ぎ、パーティクルが弁体内に飛散することがないベローズシールバルブである。

請求項６に係る発明によると、生成物が付着したり堆積するのをより確実に防ぐことができ、高品質の半導体ウエハを製造することができるベローズシールバルブである。

本発明におけるベローズシールバルブの一実施形態とその作用を図面に基づいて説明する。
図１において、ベローズシールバルブのバルブ本体８は、低蒸気圧材料から生成される原料ガスを供給可能に設けており、例えば、図３に示した半導体製造装置のガス供給系ライン１のクリーンルーム内のチャンバー２の上流側に接続される。チャンバー２内には、図示しない半導体ウエハを収納可能に設けており、チャンバー２内において半導体ウエハに対してエッチングなどの処理が行われる。

バルブ本体８には上流側にガス供給管３が接続され、このガス供給管３を介して原料ガスが供給される。原料ガスは、図示しないタンクに個別に収容され、必要に応じて各種の原料ガスが供給される。バルブ本体８に供給された原料ガスは、バルブ本体８の弁の開閉によって下流側に接続された接続管４を介してチャンバー２に供給される。ここで、配管であるガス供給管３や接続管４をバルブ本体８に溶接する際において、バルブの角部位付近にバルブ本体８の流路と連通する図示しない分岐流路を設け、この分岐流路から、例えば、Ｎ_２パージガス等のガスを流すようにすれば、バルブ本体８内へのパーティクルや酸素の逆流を防止できる。
チャンバー２の下流側にはスライドバルブ５が取り付けられており、このスライドバルブ５の開閉により半導体ウエハを処理した後の原料ガスを排出することができ、処理後の原料ガスはポンプ６によって吸引される。

図３のガス供給系ラインにおいて、バルブ本体８が弁閉状態のときには、バルブ本体８内に設けた後述するベローズ２８内部がチャンバー２側のポンプ６で真空に排気されており、また、瞬時に弁開状態になったときには、原料ガスが直進するようにチャンバー２側に供給され、弁体２３はベローズ２８内部をバックシールで密閉し、原料ガスが拡散してベローズ２８内部に侵入するのを防止している。

弁本体１１は流路口１２を有し、この流路口１２に対して原料ガスが流入する。突設部１１ａは、弁本体１１の流路口１２に対して略４５°の角度で交叉するように形成したものであり、この突設部１１ａに流路口１２と連通して開口部１１ｂが設けられている。突設部１１ａにはＯリング２０を介してボンネット１４を設けており、弁本体１１に対して傾斜した傾斜筒１３を連通させるようにしてボデー１０を構成している。ボンネット１４は、蛇腹状に形成したベローズ２８を固着するベローズフランジ２１を介して突設部１１ａに取付けられ、このように傾斜筒１３の途中にベローズフランジ２１を固定して設けている。
傾斜筒１３内にはステム２２を配設しており、このステム２２の先端側には弁体２３を設け、この弁体２３で流路口１２を開閉自在に設けている。

弁体２３は、開口部１１ｂから流路口１２にかけての空間に位置し、ステム２２を進退移動させることによりこの弁体２３を移動させて流路口１２を開閉する。弁体２３の径は、開口部１１ｂの径よりも僅かに縮径して形成し、また、弁体２３のリフト量Ｌを流路口１２の口径Ｄよりも大きくなるように構成している。
弁体２３において、ベローズフランジ２１、弁座１９との対向面側に装着溝２４、２５をそれぞれ形成しており、この装着溝２４、２５にバックシール用のガスケット２６、２７を装着している。このうち、ベローズフランジ２１側に位置するガスケット２６は、弁体２３またはベローズフランジ２１の少なくとも何れか一方に設けるようにすればよく、ベローズフランジ２１側に設けるようにしてもよい。また、ガスケット２７に関しても同様であり、弁座１９側に設けるようにしてもよい。

ガスケット２６、２７は、例えば、パーフロロ・エラストマーを主原料とした材料を用いて形成すればよく、この場合高い耐化学薬品性を有している。また、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）等の樹脂を使用して形成しても良い。ガスケット２６、２７は、これら以外にも各種の材料を用いることができるが、この場合、例えば、−３０℃から＋２３０℃までの広い温度範囲において使用可能で、各種の原料ガスを用いた場合でも高いシール性を長期間安定して発揮できる材質によって形成するのが望ましい。

ボンネット１４のベローズフランジ２１側の他端側にはシリンダ１５が取付けられており、このシリンダ１５内部にピストン１６を収納し、このピストン１６をシリンダ１５内において移動可能になるようにしている。シリンダ１５にはエア供給口１７、１８が穿孔して設けられ、各エア供給口１７、１８には、図示しないエア供給装置のエア流路がそれぞれ接続されている。エア供給装置より圧縮エアが供給されると、この圧縮エアは各エア供給口１７、１８よりシリンダ１５内に供給される。

一方側のエア供給口１７より圧縮エアが供給されると、この圧縮エアによってピストン１６が弁閉方向に押圧され、このピストン１６が図１の矢印方向に摺動して、弁体２３が弁閉方向に移動して流路口１２が閉状態となる。このとき弁体２３の弁座１９側のガスケット２７が弁座１９に密着シールして流路口１２を閉状態に密閉する。

一方、他方側のエア供給口１８より圧縮エアが供給されると、この圧縮エアによってピストン１６が弁閉方向に押圧され、このピストン１６が図２の矢印方向に摺動して弁体２３が弁開方向に移動し、流路口１２が開状態となる。
このとき、弁体２３がベローズフランジ２１側に移動してガスケット２６がベローズフランジ２１に密着シールしてベローズ２８内部が密閉される。ガスケット２６は、弁体２３とベローズフランジ２１との間に挟着されることにより、流路口１２側からボンネット１４内部側への原料ガスの侵入が確実に防がれる。
また、弁体２３のリフト量Ｌが流路口１２の口径Ｄよりも大きいことから、弁開状態において流路口１２がボアスルー状態に開口される。
本例においては、圧縮エアを利用して自動によってステム２２を昇降動自在に設けているが、図示しないハンドル等を設けて手動によってステム２２を昇降動させるようにしてもよい。

ベローズフランジ２１において、連通穴２１ａは、ステム２２の径よりも僅かに大きく形成し、ステム２２の移動時にこのステム２２が接触することなく無摺動で動作可能に設けている。
ボンネット１４内部のベローズフランジ２１とステム２２の間のベローズ２８は、例えば、ハステロイ（登録商標）Ｃ２２等の高耐熱耐食合金からなる材料によって形成している。これによりあらゆる原料ガスにも耐えうることができ、パーティクルの付着も防いでいる。

蛇腹状のベローズ２８は、一端側をベローズフランジ２１の一面側、他端側をステム２２外周側である拡径部２２ａに接着等の手段により固着し、ベローズ２８内部を流路口１２側に配置してステム２２をシールしている。
ステム２２が流路口１２側に移動して弁閉すると、ベローズ２８は拡径部２２ａに押されるようにして収縮し、このとき、ベローズ２８の内側部分と流路口１２の二次側が連通している。一方、ステム２２がピストン１６側に移動して弁開すると、ステム２２の拡径部２２ａがピストン１６側に移動することでベローズ２８は伸長する。弁体２３の開閉動作時には、ベローズ２８は、常にボンネット１４内部に収納された状態で伸縮動作するため、弁閉動作時においても流路口１２側に露出することがない。

弁体２３とステム２２は、弁体２３の開閉時にボデー１１及びボンネット１４に非接触状態で動作するようにこのボデー１１、ボンネット１４とは所定の間隙を設けて配設しており、これにより、弁体開閉時に弁体２３やステム２２が１１、ボンネット１４と摺動することなく移動させてパーティクルの発生を防いでいる。

ヒーター３０は、図１、図２に示すようにアルミ製などによってジャケット状に構成しており、このヒーター３０はバルブ本体８を被覆するように取付け可能に設けている。ヒーター３０は、ベローズ２８を加熱して、このベローズ２８を弁内を流れる原料ガスと略同温度まで加熱可能に設けている。ヒーター３０を装着することにより、バルブ本体８内と原料ガスの温度差によって生じる生成物が付着するのをより確実に防ぐことができる。このヒーター３０は、ベローズ２８の小型化に応じて小さく形成することができ、バルブ本体８全体を覆うことなく加熱効果を発揮することができるため、ヒーター装着後のバルブ本体８を小型化できる。このとき、均一に加熱することが難しいと言われるベローズであっても、その周囲を覆うようにヒーター３０を取付けることができるため、温度差を生じることなく加熱することができる。また、ヒーター３０を着脱自在のカートリッジ構造とすることもできる。

本発明のベローズシールバルブは、弁本体１１の流路口１２の口径Ｄよりも弁体２３のリフト量Ｌを大きくして、弁開状態では流路口１２をボアスルーにしているので、配管との場合と同様に圧力損失を最小に抑えることができ、原料ガスを滞りなく高コンダクタンスで流すことができる。また、本体内の流路にコーナーがないため、生成物が堆積しにくい。

弁体２３またはベローズ２８を固着するベローズフランジ２１の少なくとも何れか一方にはバックシール用のガスケット２６を設けており、前記ベローズフランジ２１は、傾斜筒１３の途中に固定して設け、このベローズフランジ２１の一面にベローズ２８の一端を固着し、ベローズフランジ２１の他面にガスケット２６を当接させて弁開時にベローズ２８内部を密閉しているので、この弁開時において流路口１２からベローズ２８内部への生成物付着が防止され、パーティクルの発生を抑えることができる。このように、表面積が大きく、原料ガスに触れると生成物が堆積しやすい特性を有しているベローズ２８への生成物の付着を極力抑えることができる。

一方、弁閉時には、弁体２３と弁座１９とをシールするガスケット２７により、流路口１２を確実に閉塞することができる。この弁閉時には、ベローズ２８の内部と流路口１２の二次側流路を連通させるようにしているので、原料ガスの排気時において、弁閉状態でチャンバー２の側（二次側）を真空排気したときにベローズ２８の内側も真空排気され、残留ガスを迅速に置換することができる。
ベローズ２８は、ステム２２の拡径部２２ａとベローズフランジ２１の間に配置し、ステム２２側の空間とピストン１６側の空間をこのベローズ２８の内側で密封シールしている構造であるため、弁開状態においては、ベローズ２８が伸長したときに生じる傾斜筒１３内との間のデッドスペースを極小にすることができる。

また、ベローズ２８の外周面側は、接ガス側である流路口１２及び開口部１１ａ側に露出することがないため、パーティクルの付着を抑えることができる。これにより弁体２３の動作時にベローズ２８からパーティクルが飛散したり生成物が堆積するのを防ぎ、半導体ウエハへの悪影響を防ぐことができる。
ガスケット２６、２７は、バックシール構造で装着され、弁の開閉時には押圧方向に潰れるようにシールされるため、高いシール機能が発揮される。

本実施形態におけるベローズシールバルブの一例としては、例えば、流路口１２の口径をφ１０．２ｍｍとしたときに、使用圧力：真空状態〜０．０５ＭＰａ、耐圧：０．１ＭＰａ、使用温度：最高２００℃、耐久性：２０万回以上、操作圧力：０．４〜０．５ＭＰａの性能を有するベローズシールバルブを設けることができる。
このときボデー１０の流路端部間の面間寸法は適宜変更することができ、各種のガス供給系ライン１に対応できる。

本発明におけるベローズシールバルブの一実施形態を示した一部切欠き側面図である。 図１のベローズシールバルブの弁開状態を示した一部切欠き側面図である。 半導体製造装置のガス供給系ラインの一例を示す概略図である。

符号の説明

８ バルブ本体
１０ ボデー
１１ 弁本体
１１ａ 突設部
１２ 流路口
１３ 傾斜筒
１４ ボンネット
２１ ベローズフランジ
２２ ステム
２３ 弁体
２６、２７ ガスケット
２８ ベローズ
３０ ヒーター

Claims (6)

1. 流路口を有する弁本体に傾斜筒を連通させてボデーを構成し、前記傾斜筒内に配設したステムの先端側の弁体で前記流路口を開閉自在に設け、このステムをシールするベローズの内部を前記流路口側に配置すると共に、前記弁体または前記ベローズを固着するベローズフランジの少なくとも何れか一方にバックシール用のガスケットを設けて弁体の弁開状態のときに前記ガスケットで前記ベローズ内部を密閉するようにしたことを特徴とするベローズシールバルブ。
2. 前記傾斜筒の途中にベローズフランジを固定して設け、このベローズフランジの一面に前記ベローズの一端を固着すると共に、前記ベローズフランジの他面に、前記弁体に設けたガスケットを当接させて弁開時に前記ベローズ内部を密閉し、弁閉時に前記ベローズ内部と二次側流路を連通させるようにした請求項１記載のベローズシールバルブ。
3. 前記弁本体の突設部にボンネットを設けて傾斜筒を形成し、この傾斜筒内にステムを自動又は手動で昇降動自在に設けた請求項１又は２記載のベローズシールバルブ。
4. 前記弁本体の流路口の口径よりも弁体のリフト量を大きくして、弁開状態では流路口をボアスルーにした請求項１乃至３の何れか１項に記載のベローズシールバルブ。
5. 前記弁体とこの弁体を接続したステムは、前記流路口の開閉時に前記ボデー及びボンネットに非接触状態で動作可能に所定の間隙を設けて配設した請求項１乃至４の何れか１項に記載のベローズシールバルブ。
6. 前記ベローズを弁体内を流れる原料ガスと略同温度まで加熱可能なヒーターを着脱自在に設けた請求項１乃至５の何れか１項に記載のベローズシールバルブ。
   
   
   

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