JP2009024838A

JP2009024838A - 密封構造体

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Publication number: JP2009024838A
Application number: JP2007190969A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Todo; 聡藤堂; Takahiro Kariya; 隆広假屋; Takeshi Ikeda; 毅池田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: JP4855356B2; WO2009013894A1; TW200918792A

Abstract

【課題】半導体や液晶の製造装置に用いられる石英と金属という線膨張係数が相違する２部材間の密封性に優れ、特にヒートサイクルを繰り返しても高いシール性を維持できて、かつ石英からなる相手部材が割れることのない寿命の長い密封構造を提供する。
【解決手段】石英の板状脆性部材１を、金属のメインシール10と、金属の副シール20にて、弾発的遊離状態で、挾着保持する。
【選択図】図４

Description

本発明は密封構造体に関する。

半導体製造装置や液晶製造装置に於て、石英やセラミックと、ステンレス鋼等の金属材とが組み合わせて用いられる箇所があり、このような箇所の密封構造には、従来からゴムシールが多く使用されている。
その理由は、石英やセラミックは割れ易い（脆い）ため、弾性変形しやすいゴム材質が好適なものとして選定されていた。

しかしながら、近年の半導体や液晶の製造装置に於ては、高精度化・高機能化されつつあり、従来のゴムシールでは、ガス透過性、耐熱性、耐プラズマ性、耐ラジカル性及び寿命の面で、対応不可能になってきている。
そこで、これらの特性に優れた材質として金属を用いたメタル（金属）シールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１７８８９号公報

ところで、上述のメタル（金属）シールを用いた密封構造体では、メタルシールはゴムシールと比べて相手面とのなじみ性が小さく、低線膨張係数の石英フランジと、それよりも線膨張係数が大きい（高い）金属製フランジの間に、メタルシールを介装して密封する場合、ヒートサイクル等の熱変形や、ボルト等の締付外力と歪及びその変動によって、石英フランジが割れるという問題がある。さらに、上記特許文献１のものでは、比較的小径の管継手の部位に適用されているが、図５に例示するような大型の石英（又はセラミック）の板状脆性部材40では、熱変形（熱歪）、部品寸法誤差による歪、ボルト締付力等による外力歪等も過大となって、割れる危険性は一層高まる。

そこで、本発明は、半導体や液晶の製造装置に於て用いられる石英（又はセラミック）と金属という線膨張係数が相違する２部材間の密封性（シール性）に優れ、特に、ヒートサイクルを繰り返しても高いシール性能を維持できて、かつ、石英（又はセラミック）から成る相手部材が割れることがない寿命の長い密封構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、低線膨張係数の脆性部材の被密封用外縁部を、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第１金属平坦面部・第２金属平坦面部にて、挾着保持すると共に、密封空間を区画形成する上記第１金属平坦面部と上記外縁部の一面の間に介設したメインシールと、上記第２金属平坦面部と上記外縁部の他面の間に介設した副シールとによって、上記脆性部材を上記第１金属平坦面部・第２金属平坦面部から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したものである。
また、石英又はセラミックから成る脆性部材の被密封用外縁部を、第１金属平坦面部・第２金属平坦面部にて、挾着保持すると共に、密封空間を区画形成する上記第１金属平坦面部と上記外縁部の一面の間に介設したメインシールと、上記第２金属平坦面部と上記外縁部の他面の間に介設した副シールとによって、上記脆性部材を上記第１金属平坦面部・第２金属平坦面部から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したものである。
また、上記メインシール及び副シールは、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールである。
また、上記メインシールは表面被覆層を有するメタルシールから成り、上記副シールは表面被覆層の省略されたメタルシールから成る。
また、上記メインシールと上記副シールの外形形状及び外形寸法を同一に設定した。

本発明によれば、次のような著大な効果を奏する。
石英やセラミックの脆性部材は、線膨張係数の相違する第１金属平坦面部・第２金属平坦面部の間に、弾発的遊離状態として挾着保持され、第１・第２金属平坦面部の熱変形（熱歪）、ボルト締付による外力変形、加工精度上の形状寸法誤差による影響等が、脆性部材に加わらず、ヒートサイクルを繰返しても、優れたシール性能を、長期間にわたって発揮する。しかも、脆性部材の割れを防止できる。これによって、半導体や液晶の製造装置の高性能化及び高機能化に貢献できる。さらに言えば、比較的簡素な構成にて、これまで困難とされていた脆性部材に対する金属シール（メタルシール）の使用が可能となった。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１と図４の実施の一形態に於て、１は石英（又はセラミック）から成る低線膨張係数の脆性部材である。この脆性部材１の被密封用外縁部（フランジ部）１Ａは、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第１金属平坦面部11と第２金属平坦面部12にて、（間接的に）挾着保持されている。

そして、図１は簡略要部断面図、図４は要部断面図であって、本発明に於て、低線膨張係数とは、 0.5×10^-６〜 9.2×10^-６と定義する。なお、石英の線膨張係数は 0.5×10^-６である。
図１又は図４の上方から平面的に見た場合、脆性部材１は円形、あるいは、矩形や正方形や六角形や楕円等、その形状はいろいろある。また、半導体製造装置や液晶製造装置に用いられる、負圧（又は正圧）の密封空間２を備える。

さらに、具体的には、ケーシング本体６と、押え部材７と、締結用ボルト８と、を備え、図１では簡略化して倒立Ｌ字型横断面にて示す押え部材７と、第１金属平坦面部11の間に凹周溝３が形成され、全体が平板状脆性部材１が差込状態で第１・第２金属平坦面部11, 12間に挾着保持される。図４では、２枚のスペーサ４，５を介して平板円環状押え部材７がボルト８にてケーシング本体６に固着されている。

10はメインシールであり、ケーシング本体６の第１金属平坦面部11と、平板状脆性部材１の外縁部１Ａの一面（下面）13との間に、介設される。このメインシール10は密封空間２を区画形成するシールである。
このメインシール10は、図３（Ａ），（Ｂ）又は（Ｃ）に例示するような金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールである。
20は、押え部材７の第２金属平坦面部12と、脆性部材１の外縁部１Ａの他面（上面）14との間に、介設される副シール（補助シール）であり、大気９側に配設されている。
この副シール（補助シール）20は、図３（Ａ），（Ｂ）又は（Ｃ）に例示するような金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールである。
そして、図１と図４で明らかなように、脆性部材１は、第１・第２金属平坦面部11, 12から、（メインシール10と副シール20の弾発的支持力によって）弾発的遊離状態で、挾着保持されている。

次に、図２は本発明の他の実施の形態を示す。脆性部材１は容器型（椀型）や浅皿型であり、被密封用外縁部（フランジ部）１Ａは、外鍔状に突出形成される。
図２では、上方の（平板状の）金属部材15と、脆性部材１の外縁部（フランジ部）１Ａの上面との間に、（前述の）メインシール10が介設され、このメインシール10は密封空間２を区画形成している。
また、図２では横断面Ｌ字型の金属製保持部材16と、上方の金属部材15によって凹周溝３が形成され、この凹周溝３内に、外縁部１Ａが差込まれて保持される。

第１金属平坦面部11は金属部材15の下面が相当し、メインシール10は、この第１金属平坦面部11と外縁部１Ａの上面との間に介設（介装）され、密封空間２を区画形成する。
第２金属平坦面部12は、横断面Ｌ字型の金属製保持部材16の内方突出片部16ａの上面が相当し、副シール20は、この第２金属平坦面部12と、外縁部１Ａの下面との間に介設（介装）され、大気側に対応する。なお、一点鎖線にてボルト８を示し、このボルト８の締結によって、金属部材15と保持部材16は連結一体化される。

図２で明らかなように、脆性部材１は、第１・第２金属平坦面部11, 12から弾発的遊離状態で、挾着保持されている。
図２に示したメインシール10と副シール20も、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールであり、例えば、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に例示する。

図３（Ａ）では横断面Ｕ字状であって開口側の外側の小突条17, 17が、（図１，図２に示した）第１・第２金属平坦面部11, 12に接触して、矢印Ｆ，Ｆのように圧縮力を受け、この小突条17, 17が密封作用をなす。図３（Ｂ）では、弯曲Ｓ字（Ｚ字）型であり、（図１，図２に示した）第１・第２金属平坦面部11, 12から矢印Ｆ，Ｆのような力を受けると、矢印Ｍのように撚り変形し、その反対方向の弾発付勢力を生じて、弯曲凸部18, 18が弾発的に相手面に圧接して、密封作用をなす。
また、図３（Ｃ）では、横断面矩形状の基本部から半円山型突部19, 19が突出した形状である。第１・第２金属平坦面部11, 12から矢印Ｆ，Ｆのような力を受けると矢印Ｍのように撚り変形し、その反対方向の弾発付勢力を生じて、上記突部19, 19が弾発的に相手面に圧接して、密封作用をなす。

ところで、密封空間２内は、負圧の場合と、正圧の場合と、負圧・正圧の両方が生ずる場合が、考えられる。図１では、メインシール10をその開口側を大気（外部）側に向けて装着しているが、密封空間２が負圧の場合に好適である。また、副シール20は、メインシール10と同じ断面形状でも、異なる断面形状でも、自由である。つまり、例えば、図３（Ａ）と（Ａ）とを組み合わせる以外に、図３（Ａ）と（Ｂ）とを組み合わす等も自由である。但し、図３（Ａ）の小突条17, 図３（Ｂ）の弯曲凸部18, 又は、図３（Ｃ）の半円山型凸部19の外形形状及び外形寸法を、メインシール10と副シール20において、同一乃至略同一とするのが望ましい。（なお、略同一とは、図３に示すように各シール10, 20の幅寸法Ｗ以内の寸法差であることを言うと定義する。）言い換えると、両シール10, 20の平面的に見てシール線が一致するのが望ましい。また、副シール20は補助用であるので密封性能は余り必要がなく、特別な表面被覆や仕上げは省略できる。つまりメインシール10は、防触用、あるいは、なじみを与えるため等の表面被覆層として、銀，金，ニッケル，銅，インジウム等の各種メッキ層を形成したり、ＰＴＦＥ等の樹脂被覆層をコーティング形成しても良い。これに対し、副シール20は、密封空間２内の流体に直接的に触れないので、これ等を省略するのが、コスト面等から好ましい。

また、メインシール10，副シール20のベース金属材料としては、ステンレス鋼やニッケル合金や鉄合金（A286等）が、好適である。
なお、図３に例示した以外に、金属Ｏリングや金属Ｃリングや金属板製波形リング等を用いるも好ましい場合もある。

次に、図４と図６に示した本発明実施例と、図５と図６に示した従来例のシール性能の比較試験を行った。即ち、本発明実施例（図４）と従来例（図５）の相違点は、副シール20を有するか否かである。シール10, 20は図３（Ａ）で述べたと同じ形状のものであって、シール母材はSUS630とし、これに銀めっきを30〜50μｍ施した。かつ、脆性部材１は平板状の石英材を用いて、スペーサ５の厚みを変えて、従来例（図５）では押え部材７が直接的に脆性部材40を押圧して固定している。

図５の従来例のシール性能と、図４の本発明の実施例（実施品）のシール性能を、比較して試験したところ、従来は１×10^-９〜１×10^-10 Pa・m³/sec程度のＨｅのリーク量であったが、本発明実施品では、Ｈｅのリーク量は、１×10^-11 Pa・m³/secレベルに大きく改善できた。なお、密封空間は真空（負圧）に保つと共に 100℃のヒートサイクル試験中に計測した値である。

以上のように、図４と図５で大きなシール性能に差が出た理由について考察すると、以下の通りである。
（ｉ）押え部材７には元来の歪や形状寸法誤差が存在し、その場合、従来例（図５）では、その歪や形状寸法誤差が直接的に接触しているところの板状脆性部材40に影響し、この板状脆性部材40に歪（変形）を発生させ、メインシール10全周に不均等な当接を生じ、シール性能を悪化させていた。これに対し、本発明実施品（図４）では、押え部材７の元来持っている歪や形状寸法誤差が副シール（補助シール）20によって緩和（緩衝）され、メインシール10に対して全周に均等に脆性部材１が当接し、全体のシール性能が優秀な結果を示したと考えられる。

（ii）脆性部材１，40は、石英又はセラミックであり、その線膨張係数が第１・第２金属平坦面部11, 12に比べて、低い（小さい）ため、低温と高温の温度変化（熱変化）に伴って、相対的に脆性部材40と第１・第２金属平坦面部11, 12の間に、歪や（相対）変動を発生し、しかも、ボルト８の対応位置とそこから離れた位置でも相対的に変形量が相違して歪や変動を発生し、従来例（図５）では、その歪や変動（形状寸法の変化）が、押え部材７と脆性部材40の間で相互に影響しあい、メインシール10と脆性部材40の一面40Ａとの間で生じ、シール性能を悪化させていた。これに対し、本発明実施品（図４）では、脆性部材１と第２金属平坦面部12との間に生ずる相対的歪や相対的形状寸法誤差が、巧妙に副シール（補助シール）20によって、緩和（緩衝）される。これによって、メインシール10が全周にわたって両相手面に対して均等に当接（接触）して、全体のシール性能が優秀な結果を示したものと考えられる。副シール（補助シール）20は、いわば緩衝材の役目を果していると言うこともできる。

以上述べたように、本願発明に係る密封構造体は、低線膨張係数の脆性部材１の被密封用外縁部１Ａを、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第１金属平坦面部11・第２金属平坦面部12にて、挾着保持すると共に、密封空間２を区画形成する上記第１金属平坦面部11と上記外縁部１Ａの一面13の間に介設したメインシール10と、上記第２金属平坦面部12と上記外縁部１Ａの他面14の間に介設した副シール20とによって、上記脆性部材１を上記第１金属平坦面部11・第２金属平坦面部12から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したので、副シール20が緩衝材の役目を果して、形状寸法誤差による歪や、ヒートサイクル等による熱変形や熱歪が、脆性部材１へは、直接的に伝わらず、脆性部材１の割れを生じないと共に、高いシール性能を長時間にわたって維持できる。これに伴って、半導体や液晶等の製造装置に用いられている石英やセラミック等の脆性部材１の密封（シール）に、金属（メタル）シールの適用を実現できた。

また、石英又はセラミックから成る脆性部材１の被密封用外縁部１Ａを、第１金属平坦面部11・第２金属平坦面部12にて、挾着保持すると共に、密封空間２を区画形成する上記第１金属平坦面部11と上記外縁部１Ａの一面13の間に介設したメインシール10と、上記第２金属平坦面部12と上記外縁部１Ａの他面14の間に介設した副シール20とによって、上記脆性部材１を上記第１金属平坦面部11・第２金属平坦面部12から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したので、副シール20が緩衝材の役目を果して、形状寸法誤差による歪や、ヒートサイクル等による熱変形や熱歪が、脆性部材１へは、直接的に伝わらず、脆性部材１の割れを生じないと共に、高いシール性能を長時間にわたって維持できる。これに伴って、半導体や液晶等の製造装置に用いられている石英やセラミック等の脆性部材１の密封（シール）に、金属（メタル）シールの適用を実現できた。

また、上記メインシール10は表面被覆層を有するメタルシールから成り、上記副シール20は表面被覆層の省略されたメタルシールから成るので、全体のコストダウンを図り、かつ、外部（大気）側の副シール20を過剰品質とせずに済む。
また、上記メインシール10と上記副シール20の外形形状及び外形寸法を同一に設定したので、脆性部材１の両面の外形が同一の位置にて弾発的に保持されて、脆性部材１に曲げモーメントが作用せず、脆性部材１の耐久性、及び、メインシール10の耐久性に好影響を与える。

本発明の実施の一形態を示す簡略構成説明断面図である。他の実施の形態を示す簡略構成説明断面図である。メインシール（副シール）の各種の実施例を示す断面図である。本発明の実施の一形態に対応する断面図であって、シール性能試験を行った装置の要部を示す断面図である。従来例（従来品）の一例を示す要部の断面図である。シール性能試験に用いたシールの説明図である。

符号の説明

１脆性部材
１Ａ外縁部
２密封空間
10 メインシール
11 第１金属平坦面部
12 第２金属平坦面部
13 一面
14 他面
20 副シール

Claims

低線膨張係数の脆性部材（１）の被密封用外縁部（１Ａ）を、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第１金属平坦面部（11）・第２金属平坦面部（12）にて、挾着保持すると共に、密封空間（２）を区画形成する上記第１金属平坦面部（11）と上記外縁部（１Ａ）の一面（13）の間に介設したメインシール（10）と、上記第２金属平坦面部（12）と上記外縁部（１Ａ）の他面（14）の間に介設した副シール（20）とによって、上記脆性部材（１）を上記第１金属平坦面部（11）・第２金属平坦面部（12）から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したことを特徴とする密封構造体。
石英又はセラミックから成る脆性部材（１）の被密封用外縁部（１Ａ）を、第１金属平坦面部（11）・第２金属平坦面部（12）にて、挾着保持すると共に、密封空間（２）を区画形成する上記第１金属平坦面部（11）と上記外縁部（１Ａ）の一面（13）の間に介設したメインシール（10）と、上記第２金属平坦面部（12）と上記外縁部（１Ａ）の他面（14）の間に介設した副シール（20）とによって、上記脆性部材（１）を上記第１金属平坦面部（11）・第２金属平坦面部（12）から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したことを特徴とする密封構造体。
上記メインシール（10）及び副シール（20）は、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールである請求項１又は２記載の密封構造体。
上記メインシール（10）は表面被覆層を有するメタルシールから成り、上記副シール（20）は表面被覆層の省略されたメタルシールから成る請求項１又は２記載の密封構造体。
上記メインシール（10）と上記副シール（20）の外形形状及び外形寸法を同一に設定した請求項１，２，３又は４記載の密封構造体。