JP2007239769A - メタルダイアフラム弁及びそれを用いたマスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性に優れたメタルダイアフラム弁を提供する。
【解決手段】 ガスが流動する流路を有する本体と、前記本体に固定された弁座と、前記弁座に接離して流路を開閉する金属製ダイアフラムと、前記金属製ダイアフラムを介して本体に固定するキャップと、前記キャップに設けられた流体給排口とを備え、
前記金属製ダイアフラムは前記流体給排口側に形成されかつ外周縁部が前記本体と前記キャップ部との間で挟着されるとともに、前記金属製ダイアフラムの上面に流体圧を負荷することで前記弁座に当接して閉弁となし、流体圧を解除することで弁座から離間して開弁となすメタルダイアフラム弁であって、
前記金属製ダイアフラムは、ｄ３／ｄ１＝２〜７、ｒ／ｄ３＝４〜７の寸法関係を有することを特徴とするメタルダイアフラム弁を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、流体の圧力で変形する金属製ダイアフラムを有するメタルダイアフラム弁、及びそれを備えた流体の質量を精密に制御するために使用されるマスフローコントローラに関する。

半導体の製造プロセスにおいては、薄膜形成工程などで微量（例えば３〜３０ＳＣＣＭ）のスパッタガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈ_２、ＮＨ_３、ＣＨ_４等）が使用されるので、質量流量（マスフロー）を計測して高精度（例えば±１．０％以下の流量精度）で制御するマスフローコントローラが使用されている。マスフローコントローラは、少なくとも、質量流量を検出するセンサ部と、流量制御弁と、これらの制御回路とを備えている。このマスフローコントローラにおいては、流量制御弁を全閉にしても、弁座からのガスの漏出があるので、その下流側に遮断弁を設けて、流量制御弁の前後で流体を遮断することが行われている。

上記の遮断弁としては、上部を開放し左右に流入口及び流出口を形成し中央部に流入口とつながった上向き流路を有する本体と、前記上向き流路に設けた弁座と、本体上部に装着したキャップ（以下プラグと言うことがある）と本体との間で外周部が挟持され、中央部が上部に向かって部分球殻状の膨らみを有する金属製のダイアフラムと、このダイアフラムを弁座方向に変位させ押付けシールするための押圧手段からなるものが知られている。前記押圧手段としては手動による弁棒あるいは空気圧作動式のシリンダーを用いている。
また、別の構造として、上記プラグに流体圧供給用の給排口を設け、当該給排口からダイアフラムの上面に流体圧力（例えば空気圧）を印加することにより、ダイアフラムの中央部を下降させて上向き流路の上端に設けた弁座シートにダイアフラムの下面を圧接させて閉弁し、流体圧力を解除して開弁するように構成したダイアフラムシール弁（以下メタルダイアフラム弁という）が提案されている（特許文献１参照）。このメタルダイアフラム弁によれば、金属製ダイアフラムの上面に流体圧力が作用し、ダイアフラムの下面で上向流路を閉じ、流体圧力を解除すると、弾性変形して元の形状に戻るので、上向流路を開くことが可能となり、しかも部品点数を削減できる（シリンダーや弁棒などを省略できる）という利点がある。
また、コンパクトな構造で、微小流量の制御とともに、短時間で大流量（例えば２０、０００ＳＣＣＭ程度）のパージを可能とするために、流入流路の下流にバイパス流路を設け、これとセンサ流路の上流と流量制御弁の下流とを迂回流路で連通し、迂回流路に遮断弁を設けた形式のマスフローコントローラが提案されている（特許文献２参照）。

実公平５−３１３３１号公報（第２頁、図１） 特開平１１−１５４０２２号公報（第３〜５頁、図１）

遮断弁の開閉は頻繁に行われるので、特許文献１に記載されたメタルダイアフラム弁であっても、遮断弁の連続開閉時に、ダイアフラムが破断する（割れる）現象が発生することがある。これは、特許文献２に記載されているように、金属製ダイアフラムに上方から空気圧が作用すると、ダイアフラムは下方に変位を始め、ある時点で急激に変位が増大する飛び移り座屈現象を発生し、弾性変形域内で弁座に当接して弁を閉じるようになり、逆に空気圧を解除すると、復元力により、弁座から離間を始め、ある時点で急激に変位して、開弁状態に復帰することに起因するものと考えられる。しかし従来の金属製ダイアフラムは、弾性変形が可能でかつ耐食性と耐熱性を有することが必要とされるので、例えば、厚さ０．１１ｍｍ程度のＮｉ−Ｃｏ合金からなる板材（特許文献２参照）で形成されているが、２００万回の連続開閉に耐えるような耐久性を実現することはできなかった。

本発明の目的は上記の問題点を解消して、優れた耐久性を有する空気圧で開閉するメタルダイアフラム弁及びそれを備えたマスフローコントローラを提供するために、前記メタルダイアフラム弁の設計手順を開示したものである。

上記目的を達成するために、本発明のメタルダイアフラム弁は、ガスが流動する流路を有する本体と、前記本体に固定された弁座と、前記弁座に接離して流路を開閉する金属製ダイアフラムと、前記金属製ダイアフラムを介して本体に固定するキャップと、前記キャップに設けられた流体給排口とを備え、前記金属製ダイアフラムは前記流体給排口側に形成されかつ外周縁部が前記本体と前記キャップ部との間で挟着されるとともに、前記金属製ダイアフラムの上面に流体圧を負荷することで前記弁座に当接して閉弁となし、流体圧を解除することで弁座から離間して開弁となす金属製メタルダイアフラム弁であって、前記金属製ダイアフラムの曲率半径をｒ、その固定端径をｄ３、前記弁座シートの直径（うちのり寸法）をｄ１とした場合、前記金属製ダイアフラムは、ｒ／ｄ３＝４〜７、ｄ３／ｄ１＝２〜７の寸法関係を有することを特徴とするものである。

本発明において、前記金属製ダイアフラムの厚さをｔ、高さをｈ２とした場合、曲率半径ｒ＝７０〜１２０ｍｍ、ｔ＝０．１〜０．２ｍｍ、ｈ２＝０．２〜０．４ｍｍであり、 前記金属製ダイアフラムは、０．３０〜０．９０ＭＰａの空気圧を受けて動作し、弾性変形することを特徴とするものである。

本発明のマスフローコントローラは、流体を流す流路に、該流路に流れる流体の質量流量を検出して流量信号を出力する質量流量検出手段と、バルブ駆動信号により弁開度を変えることによって質量流量を制御する流量制御弁機構とを設け、前記ガス流路の途中に上記のメタルダイアフラム弁を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、金属製ダイアフラムの曲率半径からその固定端の直径、及び弁座内径を簡便に設計することができ、優れた耐久性を有するメタルダイアフラム弁を得ることができる。

以下本発明の詳細を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係わるマスフローコントローラの一部を破断した正面図、図２は本発明の実施の形態に係わるメタルダイアフラム弁の断面図（但し図１とは上下を逆にして示す）、図３は図２のダイアフラムを模式的に示す断面図である。

図１に示すように、マスフローコントローラ１は、プロセスガス（以下単にガスという）が導入される流路１１とガスが流出する流路１２と両者を接続する連通路１３を含み、耐食性を有する金属材料（例えばＳＵＳ３１６Ｌ）からなる流路ブロック１０と、連通路１３を開閉する流量制御弁２と、連流路１３を遮断するメタルダイアフラム弁３を備え、例えば９８０ｋＰａ程度の耐圧性を有するように構成されている。流路１１及び流路１２には各々、ガス配管（不図示）に接続される継手１４及び継手１５が本体から一体に切削加工されている。また、流路１１の内部には、バイパス管１７を介して複数の細管を束ねて形成されたバイパス管１６が支持されるとともに、流路１１には、バイパス管１６の上流側と下流側を連通するようにセンサ１８が接続されている。センサ１８には流量質量を検出するセンサ１９が装着され、センサ１９には、流量信号を出力するセンサ１０１と、流量信号に基づいて駆動信号を出力する制御回路１０２と、駆動信号に基づいて流量制御弁２に駆動電圧を出力する駆動回路１０３が電気的に接続されている。

上記のマスフローコントローラ１の動作を説明する。流体給排口３５にエアーを供給せずに、メタルダイアフラム弁３を開弁状態とすることにより、流路１１に供給されたガスは連通路１３から流路１２に向かって流動する。ガスの流動過程で、流量制御弁２を作動させることにより、ガスの流量を調節することができる。すなわちセンサ管１８に設けた抵抗線１９でガスの流量が検出され、その検出信号に基づいてセンサ１０１から流量出力信号（例えばＤＣ０〜５Ｖ）が出力され、制御回路１０２にて流量出力信号と流量設定信号（例えばＤＣ０〜５Ｖ）が比較されて、両信号の差を解消するような大きさの駆動信号が駆動回路１０３に出力され、駆動回路１０３から駆動電圧が圧電積層体２５に印加されて、金属製ダイアフラム２１を所定量だけ変位させることにより、ガスの流量を調節することができる。

次に流量制御弁２の構造を図１により説明する。流量制御弁２は、連通路１３の上部に固設された弁座２０と、それに対向する円板状の金属製ダイアフラム２１と、その外周縁部を流路ブロック１０との間で挟着するダイアフラム押え２２と、そこに立設されたハウジング２３と、その上端部にねじ込まれたキャップ２４を有する。ハウジング２３の内部には、上端部がキャップ２４に固定された圧電積層体２５が収容され、その下端部にはダイアフラム２１に当接するダイアフラムスペーサ２７を押圧するスペーサ２６が固設されている。また圧電積層体２５は、それとダイアフラム押え２２との間に介装された圧縮コイルばね２８により上方に付勢され、さらにスペーサ２６は軸受２９を介してダイアフラム押え２１に対して軸方向に摺動可能に支持されている。圧電積層体２５は、変位は微小（数１０μｍ）であるが、大きな推力が得られるので、微小のガス流量を高精度で制御するのに好適である。

次にメタルダイアフラム弁３の構造を図２により説明する。メタルダイアフラム弁３は、流路ブロック１０の凹部３０の底部に固定された弁座シート３１と、それに対向するドーム状の金属製ダイアフラム３２（以下単にダイアフラム３２という）と、その外縁部を挟着するリング状のスペーサ３３と、それに当接しかつエアー通路である流体給排口３５を有するプラグ３４を備えている。弁座シート３１は、耐熱性及び耐薬品性に優れた高分子重合体、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又はＰＴＣＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）などのフッ素樹脂で形成されるのでシール性能は高い。また金属製ダイアフラム３２は耐熱性及び耐食性を有する金属材料（例えばＮｉ−Ｃｏ合金）で形成されている。

上記のメタルダイアフラム弁３の開閉操作は次のようにして行うことができる。すなわち、プラグ３４に設けられた流体給排口３５に矢印Ｘ方向からエアーを供給すると、金属製ダイアフラム３２の上表面に空気圧が作用する。これにより、金属製ダイアフラム３２の裏面が弁座シート３１に当接するまで弾性変形すると、連通路１３と流路１２とが遮断されて閉弁状態となる。一方、エアーの供給を停止すると、金属製ダイアフラム３２の表面に作用している空気圧が解除されるので、金属製ダイアフラム３２が元の形状に復帰して、金属製ダイアフラム３２が弁座シート３１から離間して、開弁状態となる。

そこで、空気圧により金属製ダイアフラム３２が弁座シート３１と接触するときに発生する静的な応力を求め、金属製ダイアフラム３２及び弁座シート３１の形状と耐久性との関係を検討した。その結果を図３〜８により説明する。

図２に示すメタルダイアフラム弁３は軸対称の構造なので、図３（ａ）に示すように断面の１／２の範囲をモデル化し、市販の有限要素法解析プログラム（ＬＳ−ＤＹＮＡ）の陰解法で円弧長増分法により非線形静解析を行った。また、図３（ｂ）に示すように、弁座シート３１の太線部が固定される拘束条件を設定した。この解析プログラムの場合、比較的低い空気圧（約０．３９ＭＰａ）で座屈現象が発生することが確認されたので、陰解法で円弧長増分法により応力解析を行った。また、本解析においては、Ｎｉ−Ｃｏ合金（ヤング率：２０５、９００ＭＰａ、ポアソン比：０．３）で形成したダイアフラムと、ＰＣＴＦＥ（ヤング率：１、４７０ＭＰａ、ポアソン比：０．４）で形成した弁座シート３１を使用し、金属製ダイアフラム３２の端部が固定された状態で球面の垂直方向に空気圧Ｐ（０．７０ＭＰａ）が作用する境界条件を設定するとともに、弁座シート３１の内径ｄ１（高さｈ１は一定）及びダイアフラムの厚さｔと高さｈ２を変化させた（ダイアフラムの直径ｄ２、固定端の直径ｄ３、球部の直径ｄ４及び曲率半径ｒは一定）７つの解析パターン（表１参照）を設定して、金属製ダイアフラム３２の中心点における荷重−たわみ曲線を求めた。

上記の解析パターンで得られた荷重−たわみ曲線を図４（解析パターン１）、図５（解析パターン２）、図６（解析パターン４）、図７（解析パターン５）、図８（解析パターン３）に示す。なお、解析パターン６は解析パターン２と略同様の荷重−たわみ曲線を示したので、図示を省略する。

図４の荷重−たわみ曲線を検討すると、４つの変曲点（１）〜（４）が現れ、初期の荷重・変位勾配の極大値を示す変曲点（１）においては、飛び移り座屈が発生し（球部中央における最大応力：２４１．２ＭＰａ）、変曲点（２）においては、ダイアフラムと弁座シートが接触し、球部中央のたわみ方向が変化し（球部中央における最大応力：４３５．６ＭＰａ）、変曲点（３）においては、弁座シートを支点として応力発生部が球部の外側に移動したため、弁座シートと固定部との間で飛び移り座屈が発生する。すなわち、変曲点（１）においては、ダイアフラムの全面に応力がかかっている状況で、応力が上昇しある値になると、弾性変形し易いダイアフラム中央部に応力が集中し、ダイアフラム中央部がダイアフラムの中心軸方向鉛直下向きに変位する。そして、ダイアフラム周辺部では、中央部の変位と反対方向に変位する。変曲点（２）においては、ダイアフラムと弁座シートが接触する。変曲点（３）、（４）においては、ダイアフラム中央部と反対方向に変位している略Ｍ字状のダイアフラム周辺部が、略Ｍ字状の山を平坦にすべくダイアフラムの中心軸方向鉛直下向きに変位し、これらの状態を経て空気圧が０．７０ＭＰａになると変曲点（４）の状態になる。図４の場合、ダイアフラムの形状は平坦に近くなり、ダイアフラムの固定端に大きな変位が発生しないので必要とする耐久性が得られる。

次に図５〜７に示す荷重−たわみ曲線も、最大応力は異なるが図４と同様に４つの変曲点（１）〜（４）が現れ、一時的に飛び移り座屈が発生しても垂直たわみ（以下変位という）が回復することがわかる。

また、図８の荷重−たわみ曲線を検討すると、２つの変曲点（１）、（２）が現れ、初期の荷重・変位勾配の極大値を示す変曲点（１）においては、飛び移り座屈が発生し（球部中央における最大応力：２４１．２ＭＰａ）、変曲点（２）においては、ダイアフラムと弁座シートが接触し（球部中央における最大応力：４７０．２ＭＰａ）、荷重０．５７ＭＰａ付近から球部のたわみ方向が変化する。

図４〜８に示す荷重−たわみ曲線を検討すると、曲面に対して垂直方向から空気圧を受けてダイアフラムが変形したときに、ダイアフラムの耐久性が向上すると予測される。そこで、少なくとも一方の形状が異なる弁座シート及びダイアフラムを有する、７種類のメタルダイアフラム弁を作製し、耐久性（２００万回以上の開閉試験）を評価した。その結果を表２に示す。また解析パターン１〜６の寸法条件も同じく表２に参考例として示す。なお、表２において、耐久性は、ダイアフラムの連続開閉試験を行い、２００万回の開閉後にダイアフラムを目視で観察することにより、割れの有無を確認した結果で示す。また、ダイアフラムの耐久性とともに、ダイアフラム弁の基本性能（流量や漏れの有無）も調査し、これらを総合した評価結果を表３に示す。

ダイアフラムの曲率半径ｒは、耐久性（ダイアフラムの亀裂防止）を考慮すると曲率半径が大きい方が好ましい。また曲率半径ｒが大きい場合、ダイアフラムを開閉する力（エアー圧）が少なくてもよく、またダイアフラム変位量が少なくなるという利点がある。
一方、曲率半径ｒを大きくするとダイアフラムの形状が平坦に近くなり、弁座とダイアフラム下面とのクリアランス（隙間）が小さくなるので、流量が少なくなる。
ここで、曲率半径ｒ、ダイアフラム固定端の直径ｄ３、弁座内径ｄ１の寸法選定について一例を示す。まず最初にｄ３（ダイアフラムの固定端の直径）を決める。そして、そのｄ３（ダイアフラムの固定端の直径）に適する値をｒ／ｄ３＝４．０〜７．０の範囲から選ぶ。またこのとき、前記の理由から、曲率半径ｒの寸法の選定については、流量を考慮する必要がある。
同様にｄ１（弁座内径）に適する値をｄ３／ｄ１＝２．０〜７．０の範囲から選ぶ。

これらの選んだ数値ｄ３（ダイアフラムの固定端の直径）、ｒ（曲率半径）、ｄ１（弁座内径）を採用して設計すれば、ダイアフラムが弁座をシール時、ダイアフラム形状を略平坦にすることができる。さらにエアー圧が比較的小さくてもダイアフラムを開閉でき、ダイアフラムの変位量を少なくすることができるので規定回数の耐久試験に耐えうるメタルダイアフラム弁を得ることができる。
表２及び３から、実施例１〜４に示すダイアフラム弁によれば、ｄ３＝１２〜１７ｍｍ、ｔ＝０．１〜０．２ｍｍ、ｒ＝７０〜１２０ｍｍ、ｈ＝０．２〜０．４ｍｍであり、かつダイアフラムは、０．３０〜０．７０ＭＰａ好ましくは０．４０〜０．７０ＭＰａの空気圧を受けたときに、その中心部における荷重−たわみ曲線が４つの変曲点をもつことがわかる。これに対して、比較例１〜３に示すように、ｒ／ｄ３が過大であると、耐久性が低下し、また、参考例４に示すように、ｄ３／ｄ１が過小であると、耐久性が低下する。そこで、本発明においては、ｒ／ｄ３＝４．０〜７．０、ｄ３／ｄ１＝２．０〜７．０、好ましくは、ｒ／ｄ３＝５．０〜６．０、ｄ３／ｄ１＝４．０〜６．０の寸法関係を有するような形状とすることが好ましい。

本発明は、上記の構造に限らず、種々の変更が可能である。例えば、マスフローコントローラの内部に、ガスの流入側流路を開閉する検定用バルブと、所定の容量を有する検定用タンクと、ガスの圧力を検出する検出手段と、零点測定を行う際に流出側流路を開閉する零点測定用バルブとを設けて、これらの部材により質量流量の検定動作を行うように構成することができる。

本発明の実施の形態に係わるマスフローコントローラの一部を破断した正面図である。 本発明の実施の形態に係わるメタルダイアフラム弁の断面図である。 （ａ）はダイアフラムの解析モデルを示す断面図、（ｂ）は弁座シートの拘束状態を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係わるメタルダイアフラム弁のダイアフラムの荷重−たわみ曲線の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係わるメタルダイアフラム弁のダイアフラムの荷重−たわみ曲線の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態に係わるメタルダイアフラム弁のダイアフラムの荷重−たわみ曲線の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態に係わるメタルダイアフラム弁のダイアフラムの荷重−たわみ曲線の他の例を示す図である。 比較例に係わるメタルダイアフラム弁のダイアフラムの荷重−たわみ曲線の例を示す図である。

符号の説明

１：マスフローコントローラ、１０：流路ブロック、１１、１２：流路、１３：連通路１３、１４、１５：継手、１６、１７：バイパス管、１８：センサ管、１９：抵抗線、１０１：センサ回路、
２：流量制御弁、２０：弁座、２１：金属製ダイアフラム、２２：ダイアフラム押え、２３：ハウジング、２４：キャップ２５：圧電積層体、２６：スペーサ、２７：ダイアフラムスペーサ、２８：圧縮コイルばね、２９：軸受、
３：メタルダイアフラム弁、３０：凹部、３１：弁座シート、３２：金属製ダイアフラム、３３：スペーサ、３４：プラグ、３５：エアー通路、
１０２：制御回路、１０３：駆動回路

Claims (3)

1. ガスが流動する流路を有する本体と、前記本体に固定された弁座と、前記弁座に接離して流路を開閉する金属製ダイアフラムと、前記金属製ダイアフラムを介して本体に固定するキャップと、前記キャップに設けられた流体給排口とを備え、
   前記金属製ダイアフラムは前記流体給排口側に形成されかつ外周縁部が前記本体と前記キャップ部との間で挟着されるとともに、前記金属製ダイアフラムの上面に流体圧を負荷することで前記弁座に当接して閉弁となし、流体圧を解除することで弁座から離間して開弁となす金属製ダイアフラム弁であって、
   前記金属製ダイアフラムの曲率半径をｒ、その固定端径をｄ３、前記弁座シートの直径（うちのり寸法）をｄ１とした場合、
   前記金属製ダイアフラムは、ｒ／ｄ３＝４〜７、ｄ３／ｄ１＝２〜７の寸法関係を有することを特徴とするメタルダイアフラム弁。
2. 前記金属製ダイアフラムの厚さをｔ、高さをｈ２とした場合、
   曲率半径ｒ＝７０〜１２０ｍｍ、ｔ＝０．１〜０．２ｍｍ、ｈ２＝０．２〜０．４ｍｍであり、
   前記金属製ダイアフラムは、０．３０〜０．９０ＭＰａの空気圧を受けて動作し、
   弾性変形することを特徴とする請求項１に記載のメタルダイアフラム弁。
3. ガス流路と、ガス流路を流動するガスの流量を制御する流量制御弁とを備え、前記ガス流路の途中に請求項１又は２に記載のメタルダイアフラム弁を設けたことを特徴とするマスフローコントローラ。