JP2007258573A - 磁性流体シール装置 - Google Patents

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光明 小美野
Shigeki Honda
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Abstract

【課題】簡単な構成で高いシール性能を維持しながらメタルコンタミネーション等の汚染の発生を防ぎ、さらに適切な運動伝達が可能な磁性流体シール装置を提供する。
【解決手段】容器側に配置されて容器内に露出される部材を、非金属材料、非磁性材料により形成する。すなわち、シャフトは、ハウジング120内で金属製の外部側シャフト111とセラミックス製の容器側シャフト112とを接続する構成とし、容器内部には非金属材料のシャフトを挿入する。また、容器内部に露出するハウジング120のカバー123,124は、石英により形成する。構造を複雑にすること無く、高いシール性能を維持しながら、メタルコンタミネーション等の汚染の発生を防ぎ、さらに外部から適切に所望の機械的運動を伝達することのできる磁性流体シール装置を提供することができる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、例えばチャンバ内やクリーンルーム等の特殊な環境に保持された密閉空間に対して、その空間を密封した状態で外部から運動を伝達するのに好適な磁性流体シール装置に関する。
例えば半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウェーハに酸化、拡散、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の処理が繰り返し施されるが、そのような処理の多くは、ウェーハを真空中あるいは特定のガス雰囲気中等の通常とは異なる環境下に維持して処理を行うものであり、ウェーハをそのような環境に維持するチャンバや容器(以下、処理室と総称する。)を備えた種々の処理装置が知られている。そのような処理装置においては、処理室を密封して処理環境を維持する必要があるが、それに加えて、例えばウェーハを回転させる等、処理室外部から処理室内部に機械的運動を伝達する必要のあるものも多い。このような要請の下で、処理室を適切にシールした状態で処理室内に機械的運動を伝達させるのに好適な手段として、磁性流体シールが知られている。
磁性流体シールは、シャフト等の周囲に形成された磁場に磁性流体をトラップさせることにより磁性流体をシール材として作用させるものであり、密封性が高く、発塵性が低く、摩擦損失トルクが低いという特徴を有する。
ところで、昨今の半導体デバイスパターンの一層の微細化、高精細化に伴って、デバイスプロセスで使用する処理装置においても一層の高精度化、高性能化が求められており、前述したような処理室の環境についても一層の高真空度、低発塵性が求められている。
そして、最近のITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors )ロードマップによれば、45nm以降の微細配線プロセスの分野では、ウェーハプロセスにおいて、製造装置から発生するメタルコンタミネーションがウェーハ汚染源として大きな問題となり、特に、高温にて処理を行うプロセスや処理装置においては、重金属汚染が危惧されることが指摘されている。
このような問題に対処して半導体ウェーハの処理装置内部から発生する汚染物を低減する方法として、例えば容器を構成する蓋体を、金属製の外側部材と石英製の内側部材とを有する2重構造とし、金属製部材の腐食による汚染及び金属汚染を回避する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前述したように半導体ウェーハの処理装置等でしばしば使用されている磁性流体シールは、シャフトを磁性材料で形成する必要があることや磁気回路を構成する必要があること等から、金属材料により構成されており、非金属材料や非磁性材料で構成することはできない。従って、今後、一層高精細なパターンを形成する半導体デバイスに係るデバイスプロセスにおいては、このような磁性流体シールから発生するメタルコンタミネーション等がウェーハ汚染の大きな原因となる可能性があり、改善が望まれている。
磁性流体シールのような磁性材料や金属材料を必要とする部材からのメタルコンタミネーションを防ぐ方法として、特許文献1には、外部から運動を伝達する回転軸と、処理室内部で運動を行う部材(特許文献1においてはボート9を支持する支柱10)との間に、回転導入機構たる部材を設ける方法が開示されている。しかしながら、このような方法では、回転導入機構たる新たな部材が必要となる上に、構造が複雑になるという問題が生じる。新たな部材が必要となり処理室内の部品点数が増加すると、部品間の間隙からの真空やガスのリークの可能性や、汚染源の発生の可能性が高まり好ましくない。また、動力伝達する部品の数が増えると、伝達する運動の精度が低下するとともに応答性が悪くなる可能性があり、半導体プロセスの高精細な処理装置の運動源としては大きな問題となる可能性もある。
特開2005−203720号公報
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡単な構成で高いシール性能を維持しながら、メタルコンタミネーション等の汚染の発生を防ぎ、さらに外部から適切に所望の機械的運動を伝達することのできる磁性流体シール装置を提供することにある。
前記課題を解決するために、請求項1に係る本発明の磁性流体シール装置は、所定の環境に保持される処理室の開口部に当該開口部を閉塞するように設置され、当該開口部を介して前記処理室内に所定の機械的運動を伝達する磁性流体シール装置であって、前記開口部に挿入され前記所定の機械的運動を伝達するシャフトと、前記シャフトが貫通し前記開口部を閉塞するように設置されるハウジングと、前記シャフトを前記機械的運動が可能なように前記ハウジングに支持する軸受部と、前記ハウジングと前記シャフトとの間の前記処理室の近位側と遠位側とをシールする磁性流体シール部であって、前記ハウジングと前記シャフトとの間に配置されて前記シャフトの周囲において当該シャフトの軸方向に磁力を発生する磁力発生手段と、前記磁力発生手段の前記シャフトの軸方向両側に各々配置される磁気伝達部材と、前記磁力発生手段により発生された磁束により前記シャフトと前記磁気伝達部材との間の環状の隙間に保持され、前記ハウジングと前記シャフトとの間の前記処理室の近位側と遠位側とをシールする磁性流体とを有する磁性流体シール部とを有し、前記開口部に設置された場合に当該開口部を介して前記処理室内側に露出する部材が、非金属材料で形成されているものである。
また、請求項2に係る本発明の磁性流体シール装置は、前記非金属材料で形成されている前記処理室内側に露出する部材は、前記シャフトの一部又は前記ハウジングの一部の少なくとも一方を含むものである。
また、請求項3に係る本発明の磁性流体シール装置は、前記処理室内側に露出する部材は、セラミックスで形成されているものである。
また、請求項4に係る本発明の磁性流体シール装置は、前記軸受部は、前記シャフトの軸方向における前記磁性流体シール部の前記処理室外側のみに配置されているものである。
請求項1に係る本発明の磁性流体シール装置によれば、簡単な構成で高いシール性能を維持しながら、メタルコンタミネーション等の汚染の発生を防ぎ、さらに外部から適切に所望の機械的運動を伝達することのできる磁性流体シール装置を提供することができる。
また、請求項2に係る本発明の磁性流体シール装置によれば、処理室内側に配置されるシャフトや磁性流体シール装置のハウジングからのメタルコンタミネーション等の汚染の発生を防ぐことができる。
また、請求項3に係る本発明の磁性流体シール装置によれば、処理室内側に露出しているシャフトやハウジング等が全て石英により形成されるので、処理室内側に露出する部材に起因するメタルコンタミネーション、有機物コンタミネーション等の例えば半導体プロセスで問題となるような汚染のほとんど全てを防止することができる。
また、請求項4に係る本発明の磁性流体シール装置によれば、処理室側に軸受部が無いので、より一層メタルコンタミネーション等の可能性を低減した磁性流体シール装置を提供することができる。
本発明の一実施形態について、図1及び図2を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態のウェーハ処理装置1の構成を模式的に示す図であり、図2は、ウェーハ処理装置1に適用される磁性流体シール装置の構成を示す断面図である。
まず、ウェーハ処理装置1の全体構成について、図1を参照して説明する。
図1に示すように、ウェーハ処理装置1は、処理容器2及び底蓋部5により形成される容器内部空間3に磁性流体シール装置のシャフト112に支持されたボート9が収容された構成であり、排気管8を介して例えば容器内部空間3を真空に引いたり、給気管4から例えば所望の反応ガスを供給したりする等して、ボート9に載置された被処理体たるウェーハWに所望の処理を行うものである。
処理容器2は、半導体ウェーハWを複数収容し、所望の反応ガス雰囲気に曝す等して、ウェーハWに所望の処理を施すための容器である。処理容器2は、耐熱性及び耐食性を有する石英ガラス等により形成される。本実施形態の処理容器2は、図示のごとく、上部はドーム形状(逆漏斗状)に形成され、下部は開口部(炉口)となっている。処理容器2の内部空間3には、ボート9が配置されている。ボート9は、例えば25枚程度のウエハWを上下方向に所定の間隔で多段に保持する石英製のウェーハ保持具である。
処理容器2の下端には、開口部(炉口)を開閉する底蓋部5が、図示しない昇降機構により昇降可能に設けられている。底蓋部5は、石英製の部材である。
底蓋部5の中央部には後述する本発明に係る磁性流体シール装置100のシャフト112を挿通させるための開口部6が形成されている。磁性流体シール装置100は、この開口部6を閉塞し、またシャフト112が開口部6を通過して容器内部空間3に導入されるように、磁性流体シール装置100が底蓋部5に装着される。
開口部6を通過して容器内部空間3に導入された磁性流体シール装置100のシャフト112は、ボート9を支持する支柱を構成する。すなわち、ボート9は、シャフト112により、回転可能に支持される。
ここで、開口部6を閉塞するように底蓋部5に装着される磁性流体シール装置100の容器内部空間3に露出している部分の部材は、金属以外の材料により形成されている。本実施形態においては、図2を参照して後に詳述するように、容器内部空間3に延伸するシャフト112及び容器内部空間3側のハウジングのカバー123,124が非金属材料により形成されており、この部分が開口部6を介して容器内部空間3に露出している部分となる。なお、本実施形態においては、非金属材料としては、いずれも石英を用いる。
処理容器2の頭部中央には、反応ガス(処理ガス)を容器内部空間3内に導入するための給気管4が接続されており、底蓋部5の周縁部には、容器内部空間3を真空に引くため、あるいは、容器内部空間3内のガスを排出するための排気管8が接続されている。排気管8は、容器内部空間3にガスを流す時に、処理容器2の内部を例えば数十Pa〜数百Pa程度の圧力に減圧可能な排気系が接続される。
また、図示しないが、処理容器2の周囲には、処理容器2の内部を例えば300〜1200℃に加熱制御可能な円筒状のヒーターが設けられており、ウェーハ処理装置1で行われる多くのデバイスプロセスにおいて、容器内部空間3の内部は高温な状態とされ、その高温雰囲気中で、ウェーハWに対する所望の処理が行われる。
次に、磁性流体シール装置100の構成について、図2を参照して説明する。
磁性流体シール装置100は、容器内部空間3をシールした状態で、すなわち、容器内部空間3を真空状態や所定の処理ガス導入状態等に維持した状態で、外部から容器内部空間3に回転運動を伝達する。
図2に示すように、磁性流体シール装置100は、シャフト部110、ハウジング120、軸受部131,132及び磁性流体シール部140を有する。
シャフト部110は、処理容器2の外部から内部に回転運動を伝達するための部材である。シャフト部110は、図示のごとく、外部側シャフト111と容器側シャフト112とが接続されて構成される。外部側シャフト111と容器側シャフト112は、ハウジング120内部の磁性流体シール部140よりも容器側で接続される。
外部側シャフト111は、ウェーハ処理装置1の外部で図示しない駆動装置に接続されており、この駆動装置により回転される。また、容器側シャフト112は、容器内部空間3に延伸してボート9を回転可能に支持する支持部を構成する。
また、外部側シャフト111は磁性材料により形成され、容器側シャフト112は、メタルコンタミネーションや有機物コンタミネーション等を発生しない非金属部材、非磁性部材、非有機部材により形成される。
外部側シャフト111と容器側シャフト112とを接続する方法は、任意の方法でよい。本実施形態において磁性流体シール装置100は、図1に示すように、容器側シャフト112が鉛直方向上側となってシャフト部110が鉛直方向に延伸する方向に配置されて使用される。従って、図2に嵌合部113として示すように、外部側シャフト111及び容器側シャフト112の各接続端面に、断面が例えば四角形の凸部及び凹部を形成しておき、これらを単に嵌合させることにより一体的に回転可能に接続するようにしてもよい。このように外部側シャフト111と容器側シャフト112とを接続する場合には、これら外部側シャフト111と容器側シャフト112との間に、耐熱ゴムを緩衝材として介在させるのが好適である。
また、外部側シャフト111と容器側シャフト112とを接続する他の方法としては、接着剤によりこれらを接着するようにしてもよい。あるいはまた、これらをロー付けすることにより接続してもよい。ロー付けをする場合には、外部側シャフト111及び容器側シャフト112の各材料の熱膨張係数の相違を考慮して、熱膨張係数の漸次変化するように、熱膨張係数が異なる複数のロー材を順次層状に重ねてロー付けするのが好適である。
ハウジング120は、シャフト部110が貫通するように設置される筒状部材であり、底蓋部5に装着される側の端部にはフランジ121が設けられている。フランジ121が底蓋部5の開口部6の周囲に接合されることにより、底蓋部5の開口部6はハウジング120により覆われる。フランジ121には、ハウジング120を底蓋部5に接合する際のネジ等が通過するための開口部122を有する。
ハウジング120の底蓋部5との接触面には、Oリング125が設置されており、ハウジング120が底蓋部5に装着された時にはこのOリング125によりハウジング120と底蓋部5とが密着され、その隙間が封止される。
ハウジング120の底蓋部5との接触面のOリング125と容器側シャフト112の間の領域には、ハウジング120の一部としてのカバー123及び124が設けられている。本実施形態においては、後述する容器側ベアリング131とハウジング120の容器側表面との間に、図示のごとく2つの部材123及び124からなるカバーが設けられている。
これらのカバー123,124は、石英等の非金属部材により形成されている。Oリング125の内側のこの領域は、磁性流体シール装置100が底蓋部5に装着された場合に容器内部空間3に曝される領域である。従って、この領域を非金属部材で形成されたカバー123,124で覆うことにより、換言すれば磁性流体シール装置100の容器内部空間3に露出する部材を非金属部材で形成することにより、磁性流体シール装置100から容器内部空間3へのメタルコンタミネーションの発生を防ぐことができる。
軸受部131,132は、各々、シャフト部110(外部側シャフト111)を回転可能に支持するベアリングである。本実施形態の磁性流体シール装置100は、図示のごとく2つのベアリング131,132を有し、それらは磁性流体シール部140の両側に配置されている。すなわち、一方のベアリング131は、磁性流体シール部140の容器内部側(真空側)に配置され、他方のベアリング132は、磁性流体シール部140の外部側(大気側)に配置されている。
磁性流体シール部140は、磁性流体シール装置100のハウジング120の内部開口部の容器側と外部側とをシールする。
磁性流体シール部140は、磁力発生手段としての磁石141、磁束伝達部材としての磁極部材142,143、シャフト側の磁極部としての凸部144,145及び封止部材としての磁性流体146,147を有する。
磁石141は、シャフト111とハウジング120との間に配置される円環状磁石であり、シャフト111の軸方向に磁界を発生する。
磁極部材142,143は、磁石141の軸方向両側に磁石141に接触するように配置される磁性材料で形成された円環状部材である。磁極部材142,143は、その外周面がハウジング120の内周面に密着し、内周面がシャフト111の周面との間にわずかな間隙を形成するように構成され、またそのようにハウジング120に装着される。磁極部材142,143は、上述のように磁石141と接触して当接して配置されることにより、磁極として作用する。
また、シャフト111の周面の磁極部材142,143の内周面と対向する領域には、周方向に連続する環状の溝部が複数本形成されており、その溝部の間に配置される環状の凸部分が、シャフト側の磁極部144,145として構成される。
磁石141、磁極部材142,143、磁極部144,145及び磁性流体146,147がこのような構成で配置されることにより、磁石141、磁極部材142,143、シャフト側の磁極部144,145及び外部側シャフト111を磁束が通過する磁気回路が形成される。
そして、磁極部材142,143と対向するシャフト側の磁極部144,145に磁気回路の磁束が収束することとなり、この部分に磁性流体146,147が保持される。その結果、ハウジング120の内部において、容器側と外部側とがシールされる。
このような構成のウェーハ処理装置1において半導体ウェーハに対して何らかの処理を施す場合いは、図示せぬ昇降手段により底蓋部5を処理容器2から分離下降させ、その状態でボート9に処理対象のウェーハWを搭載する。
ボート9にウェーハWを搭載したら、底蓋部5を処理容器2の下部開口部を塞ぐ位置まで上昇させて、密閉された容器内部空間3を形成する。
その状態で、例えば、排気管8を介して容器内部空間3を真空に引き、その後所望の反応ガスを給気管4を介して容器内部空間3に導入する等して、容器内部空間3のウェーハWに対して所望の処理を施す。
この際、必要に応じて磁性流体シール装置100のシャフト部110(外部側シャフト111)を回転駆動し、容器内部空間3のボート9を回転させ、ウェーハW表面での処理、反応を均一にする等の処理を行う。
これにより、ウェーハWに対して所望の処理を行うことができる。
そして、前述したような構成の本実施形態のウェーハ処理装置1においては、底蓋部5に装着された磁性流体シール装置100の容器内部空間3に露出している部分は、石英により形成されている。具体的には、図2に示す容器側シャフト112及びハウジング120のカバー123,124が容器内部空間3に露出する部材となるが、これらはいずれも石英により形成されている。従って、磁性流体シール装置100の耐高温性及び耐ガス性(腐食性)が向上し、磁性流体シール装置100に起因してメタルコンタミネーション等の汚染が生じることを防止することができる。そしてその結果、高品質で歩留まりの高い半導体デバイスを製造することができる。
また、本実施形態の磁性流体シール装置100においては、磁性流体シール装置100自体の、その容器内部空間3側に突出しているシャフト(容器側シャフト112)及び容器内部空間3に露出する可能性のある部材(カバー123,124)が、既に石英により構成されている。従って、図1に示すウェーハ処理装置1のように、磁性流体シール装置100を直接チャンバ等の処理装置に設置するのみで、メタルコンタミネーションの防止等の処置を講ずることができる。すなわち、従来のように、装着した磁性流体シール装置に対して、さらにカバーのような部材やアダプターのような部材を装着する必要が無い。従って、部品点数が増えることを防止し、容器内部空間3に配置される部品としてはむしろ減少することすら期待でき、部品点数の増加による新たな汚染の発生や、あるいはまた運動伝達媒体としてのシャフトの応答性の悪化等の事態を防ぐことができる。
また、本実施形態のウェーハ処理装置1は、耐熱性の高い磁性流体シール装置を適用しているので、容器内部空間3を等しく高温状態に維持することができる。例えばゴム製のシール部材を用いた装置では、そのシール部材を保護するために装置の一部を冷却して低温化する必要があり、そのような装置においては、低温部となる場合が多い例えば排気口等に、副生成物が生じる場合がある。このような副生成物が生じると、これによる汚染が新たに生じたり、排気口が閉塞したり、あるいはこれを除外するためにメンテナンスの負担が増える等の問題が生じる。しかしながら、ウェーハ処理装置1においては磁性流体シールを用いているため、高温のままガスを排気することができ、副生成物の昇華生成を防止することができる。その結果、新たな汚染源の発生、排気口の閉塞、あるいはメンテナンス負担の増大等の不利益が生じることを防止することができる。
なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。
例えば、前述した実施形態の磁性流体シール装置100は、磁性流体シール部140のシャフトの軸方向両側に、ベアリング131及びベアリング132を配置した、いわゆる両持ちタイプの磁性流体シール装置であった。しかしながら、軸受部の配置はこれに限られるものではない。例えば、図3に示すように、磁性流体シール部140の容器内部から遠い側(大気側)にのみベアリングを配置するような(軸受部231,232)、いわゆる片持ちタイプの磁性流体シール装置200であってもよい。そのような構成とすれば、容器内部近くに金属部品たるベアリングが存在しないことになり、両持ちタイプと比べて、一層、メタルコンタミネーションが発生する可能性が低くなり好ましい。
また、図2及び図3に示した各磁性流体シール装置100,200は、いずれも磁性流体シール部140を1つのみ有する構成であった。しかしながら、磁性流体シール部140を複数具備した、多段の磁性流体部分を有する構成でもよい。そのような構成であれば、シール耐圧が高くなり好適である。
また、前述した各実施形態においては、容器側シャフト112及びハウジングの容器側のカバー123,124が容器内部空間3に露出する部材であるとして、これらを非金属材料としての石英で形成するものとした。しかし、磁性材料が要求される磁性流体シール部140に係る構成以外であれば、任意の構成部を非金属材料により構成するようにしてよい。例えば、ハウジング120のフランジ121等も、非金属材料により構成するようにしてよい。
産業上の利用分野
以上説明したように、本発明は、磁性流体シール装置において、容器、処理室等に装着される側の部材を非金属材料で形成するようにしたので、メタルコンタミネーション等の原因となる可能性を低減した有用な磁性流体シール装置である。また、耐高温性、耐腐食性の優れた有用な磁性流体シール装置である。
また、本発明は、メタルコンタミネーション等の原因となる可能性を低減した有用な処理装置である。
図1は、本発明の一実施形態のウェーハ処理装置の構成を示す図である。 図2は、図1に示したウェーハ処理装置の磁性流体シール装置の構成を示す図である。 図3は、本発明の他の実施形態に係る磁性流体シール装置の構成を示す図である。
符号の説明
1…ウェーハ処理装置
2…処理容器
3…容器内部空間
4…給気管
5…底蓋部
6…開口部
7…排気口7
8…排気管
100,200…磁性流体シール装置
110…シャフト部
111…外部側シャフト
112…容器内部側シャフト
113…嵌合部
120…ハウジング
121…フランジ
123,124…カバー
125…Oリング
131,132,231,232…軸受部(ベアリング)
140…磁性流体シール部
141…磁石
142,143…磁極部材
144,145…シャフト側の磁極部
146,147…磁性流体

Claims (4)

  1. 所定の環境に保持される処理室の開口部に当該開口部を閉塞するように設置され、当該開口部を介して前記処理室内に所定の機械的運動を伝達する磁性流体シール装置であって、
    前記開口部に挿入され前記所定の機械的運動を伝達するシャフトと、
    前記シャフトが貫通し前記開口部を閉塞するように設置されるハウジングと、
    前記シャフトを前記機械的運動が可能なように前記ハウジングに支持する軸受部と、
    前記ハウジングと前記シャフトとの間の前記処理室の近位側と遠位側とをシールする磁性流体シール部であって、
    前記ハウジングと前記シャフトとの間に配置されて前記シャフトの周囲において当該シャフトの軸方向に磁力を発生する磁力発生手段と、
    前記磁力発生手段の前記シャフトの軸方向両側に各々配置される磁気伝達部材と、
    前記磁力発生手段により発生された磁束により前記シャフトと前記磁気伝達部材との間の環状の隙間に保持され、前記ハウジングと前記シャフトとの間の前記処理室の近位側と遠位側とをシールする磁性流体と
    を有する磁性流体シール部と
    を有し、前記開口部に設置された場合に当該開口部を介して前記処理室内側に露出する部材が、非金属材料で形成されていることを特徴とする磁性流体シール装置。
  2. 前記非金属材料で形成されている前記処理室内側に露出する部材は、前記シャフトの一部又は前記ハウジングの一部の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁性流体シール装置。
  3. 前記処理室内側に露出する部材は、セラミックスで形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁性流体シール装置。
  4. 前記軸受部は、前記シャフトの軸方向における前記磁性流体シール部の前記処理室の遠位側にのみ配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の磁性流体シール装置。
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