JP2009216105A - 排気バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、異物を巻き上げることなく、排気時間を短縮することが可能な排気バルブの提供を目的とするものである。
【解決手段】
異物を巻き上げずに排気すること、排気時間を短縮することの相反する２つの要求を解決するために、バルブの開き始めは異物を巻き上げないよう大きな排気抵抗を有し、バルブの動作ストロークとともに排気抵抗が連続的に減少し、バルブ全開時には排気ポンプを有効に活用できるように、小さな排気抵抗をもったスロー排気バルブを実現する。
【選択図】図６

Description

本発明は真空の試料チャンバを持つ半導体製造装置、及び半導体検査装置において真空の試料チャンバへウェーハを搬送するための真空予備室の排気装置で使用する排気バルブに関する。

真空の試料チャンバを持つ半導体製造装置、及び半導体検査装置において真空の試料チャンバへウェーハを搬送するための真空予備室の排気時間を短縮することでスループットを向上させることができる。そのため、より大きな排気速度を持った排気ポンプを接続することが排気時間を短縮する有効な手段となる。一方半導体パターンの微細化に伴い、ウェーハへの異物付着によるパターン欠陥の問題が顕在化している。真空予備室において真空排気時の気体の流れにより異物が巻上がりウェーハを汚染する問題がある。真空排気においては真空バルブを開いた瞬間に、大気状態の真空予備室とポンプにより排気された真空状態のバルブから下流の配管との間に非常に大きな圧力差が生じる。この非常に大きな圧力差により衝撃波が生じ、真空予備室内の異物が巻き上がりウェーハに付着する現象がおこる。特に昨今の微細化パターンを有する半導体素子においては非常に小さな異物においてもウェーハに付着すると、パターンの欠陥を引き起こし、歩留まりを低下させる。

上記課題に対して、従来はバルブを開いた瞬間には大きな排気抵抗を持つ小さな弁座を開き排気を行い、次に排気ポンプの排気速度を有効に活用できるよう小さな排気抵抗を得られる大きな弁座を開いて排気する２段排気を行うスロースタート排気が実用化されている。

特許文献１には、真空チャンバと真空源に接続される真空バルブにおいて、真空排気による真空チャンバ内の急激な圧力の変化による異物の巻き上がりを防ぐ目的で、真空排気始めは小径の弁座を持つピストンが開き排気抵抗の大きい流路を保ち、真空チャンバ内がある圧力に達すると排気ポンプの排気速度を有効に活用できるよう小さな排気抵抗を得られる大径の弁座を持つピストンが開く。大きい排気抵抗から小さい排気抵抗の流路に切り替わる構造を持つ、２段排気動作を持つスロー排気バルブが提案されている。

特開平９−１３７８７９号公報

図１に示すのが一般的な２段排気動作を行う真空バルブである。図１において、真空バルブの基本構成は、バルブ容器１と、ボンネット部２から成る。バルブ容器１には、真空チャンバに接続されるチャンバポート３と、真空源に接続されるポンプポート４が接続されている。これらのポート間における、気体の排気として、弁座５と弁座６による２つのバルブが開閉し２つの排気流路が用意される。

図２において、真空の引き始めは圧縮空気をポート７に送り込むことで、ピストン８が押しバネ９の保持力に打ち勝って下降する。そのピストン８と、シャフト１０によって結合された弁座５も、連動して下降する。この作用により、真空バルブが開きチャンバポート３からポンプポート４へ矢印で示すように排気抵抗の大きい流路１１を通って、真空排気が行われる。

次に図３において、チャンバポート３側が異物の巻き上がり影響がない真空域に達すると、ポート７の圧縮空気の供給が止まり、ピストン８が押しバネ９の力により上昇する。次に圧縮空気がポート１２に送り込まれる。この圧縮空気により、ピストン１３が押しバネ１４の力に打ち勝って下降を始める。ピストン１３と、シャフト１５によって結合された弁座６も、連動して下降する。弁座６に押しバネで押し付けられた弁座５及び弁座５に結合されたシャフト１０及びピストン９も連動して下降する。この動作により、チャンバポート３からポンプポート４へ矢印で示すように排気抵抗の小さい流路１６を通って、真空排気が行われる。

図４は既存の２段排気バルブの排気抵抗とバルブ動作時間の関係を表したものである。２段排気によりスロースタート排気を行う際に、１９に示す１段目の排気では異物の巻上げを抑えるために排気抵抗を大きくし排気速度を抑えているのに対して、２０に示す２段目の排気では排気ポンプの性能を有効に活用するために排気抵抗を小さくしているため、１段目から２段目の排気へ切り替える際に２０に示す不連続で大きな排気抵抗の変化が起こる。この際に排気時間を短縮する目的で排気速度の大きな排気ポンプを接続した場合、急激な圧力変化が発生し、２段目の排気へ切り替えた際に異物の巻上げが発生してしまう。そのため異物の巻上げの影響が少ない数１００Ｐａ程度まで１段目の排気を行う必要がある。真空予備室の容量が大きくなるほど２２に示す１段目の排気に時間が必要となり全体の排気時間が短縮できなくなる問題が発生する。

本発明は、異物を巻き上げることなく、排気時間を短縮することが可能な排気バルブの提供を目的とするものである。

異物を巻き上げずに排気すること、排気時間を短縮することの相反する２つの要求を解決するために、バルブの開き始めは異物を巻き上げないよう大きな排気抵抗を有し、バルブの動作ストロークとともに排気抵抗が連続的に減少し、バルブ全開時には排気ポンプを有効に活用できるように、小さな排気抵抗をもったスロー排気バルブを実現する。

本発明の真空バルブは、真空源に接続されるポンプポート、真空チャンバに接続されるチャンバポート及びこれらを接続するボディ、真空バルブの開閉を行う弁座および弁座の駆動部を持った真空バルブにおいて、弁座の動作ストロークによりバルブの排気抵抗を連続的に変化させる弁体を持ち、動作ストロークの速度制御を行うことで、排気のはじめには排気速度を抑え、バルブ全開時には有効な排気速度が得られ、且つそれらを滑らかにつなぐスロー排気をすることができる。

弁体は、排気はじめの時期に大きな排気抵抗を維持できるように円筒状とし、チャンバポート及びボディとの隙間を小さくすることで流路開口面積を極めて小さくし、バルブ全開時の小さな排気抵抗へ連続的に変化するように円筒状の弁体の上に円錐台の形状をもち流路開口面積が動作ストロークと共に徐々に増加させる形状を持つことを特徴とする。図５は本発明のスロー排気バルブのバルブ動作時間と排気抵抗の関係を表したグラフである。図示２３は大きな排気抵抗を維持できるように円筒状とした動作ストローク領域、図示２４は円錐台の形状をもち流路開口面積が動作ストロークと共に徐々に増加する領域となる。図４と比較して、排気抵抗が滑らかに繋がっており圧力の急激な変化を抑えることができる。

また動作ストロークの速度制御を行うために駆動用の圧縮空気配管にスピードコントローラを有することを特徴とする。

本発明のスロースタート排気バルブは、弁体に凸型の形状を持ち、真空排気を行う際バルブの開口面積が徐々に大きくなる機能を持つため、真空チャンバ内の急激な圧力の変化を抑えて排気する事が出来る。そのため、真空の試料チャンバを持つ半導体製造装置、及び半導体検査装置に本真空バルブを実装すれば、排気時間を短縮してスループットを向上させながら、真空排気時の異物の巻き上がりを防ぐことが出来る。

（構成の説明）
以下発明の実施例を、図面を用いて説明する。図６は本発明の特徴を最も良く表している真空バルブの断面図である。

この図６において真空バルブの基本構成は、バルブ容器２５と、ボンネット部２６から成る。バルブ容器２５には、真空チャンバに接続されるチャンバポート２７と、真空源に接続されるポンプポート２８が接続されている。これらのポートの間には、真空バルブの開閉を行う弁座２９、及び弁座２９上に設けられた凸形状の弁体３０により、開閉動作時に気体の排気抵抗が制御される流路３１が設置されている。

上記弁体３０は弁座２９の上面に位置し、この弁座２９には真空バルブが閉じた状態にある時に気体の流路３１を遮断するための弁シール材３２が取り付けられている。また弁座２９とバルブ容器２５との間には真空ベローズ３３が取り付けてあり、駆動部と流路領域の遮断を行っている。

ボンネット部２６内部に貫通しているシャフト３４には、作用室３５と作用室３６を分離するピストン３７が取り付けられており、そのピストン３７には上記２つの作用室間の流路を封鎖するピストンシール材３８が取り付けられている。ピストン３７とボンネット部２６内部の下面には、バルブを閉じる力を発生する押しばね３９がそれぞれ接続されている。また各作用室には、圧縮空気を作用室３５に送り込むポート４０が、作用室３６の空気を外部に排出するポート４１が接続されている。作用室３５の流量はポート４０上に設けられたスピードコントローラ４２によって、調節することが出来る。

（動作の説明）
本発明は、上記の構成を備えているので、下記に示す動作を制御出来る。

図６において、作用室３５に圧縮空気が供給されていない状態を示す。ピストン３７は押しばね３９の力により上昇し、弁座２９がバルブ容器２５のシール面に押し付けられて静止している。チャンバポート２７とポンプポート２８を繋ぐ流路３１が弁座２９により塞がれたバルブが閉まった状態を示す。

真空排気する場合、圧縮空気を作用室３５に供給する。作用室３５内の圧力が上昇すると図７に図示するように、押しばね３９の力に打ち勝ってピストン３７を下降させる。ピストン３７が下降する速度はスピードコントローラ４２によって圧縮空気の流量を変化させることで、制御することができる。図８に図示するように、流路３１が開かれると、真空ポンプによりポンプポート２８，バルブ容器２５，チャンバポート２７を通じて排気が行われる。ポンプポート２８に接続される真空ポンプの排気速度は一定のため、チャンバポート２７の排気速度は真空バルブ内の流路３１の排気抵抗に依存する。この発明は弁座２９上に、凸型の弁体３０を設けて、その排気抵抗の変化で排気速度の制御を行う。

弁体３０の開き始めにおいては、弁体の形状を、円筒状とし、チャンバポート２７及びバルブ容器２５のボディとの隙間を小さくすることで流路３１の開口面積を極めて小さくし、排気はじめの時期に矢印で示すように大きな排気抵抗を維持できるようにして速度を下げて真空予備室の異物を巻き上げないように排気を行う。また円筒状の弁体の上に円錐台の形状を用意して流路３１の開口面積が動作ストロークと共に徐々に増加させる形状とすることでバルブ全開時の小さな排気抵抗へ連続的に変化させ、矢印で示すように有効な排気速度を得る。

（その他の実施例）
図９は、本発明の第二実施例である。図６における真空ベローズ３３の変わりに、バルブボディ部４５とボンネット部４６の間に、シャフトシール材４７が固着され、バルブ容器内４８と作用室４９内の気体の流通を封鎖している。動作自体は図６で説明した第一実施例と変わりはない。図１０は、第三実施例である。チャンバポート５０側の流路５１の壁面が、バルブの開き始めに円錐台形状の弁体部分においても排気抵抗を大きくできるように弁体形状に沿った形状としている。

図１１は第四実施例である。押しばね５２がボンネットではなく、バルブ容器内に配置されている。

一般的な２段排気動作を行う真空バルブを示す図である。 図１の真空バルブの真空を引き始めたときの状態を説明する図である。 図１の真空バルブの圧縮空気の供給が止まった状態を説明する図である。 ２段排気バルブの排気抵抗とバルブの動作時間の関係を説明する図である。 提案するスロー排気バルブのバルブ動作時間と排気抵抗の関係を表したグラフ。 提案するスロー排気バルブの構造を説明する図。 図６のスロー排気バルブのピストン下降時の状態を説明する図。 図６のスロー排気バルブのバルブ全開時の状態を説明する図。 スロー排気バルブの他の一例を説明する図。 スロー排気バルブの更に他の一例を説明する図。 スロー排気バルブの更に他の一例を説明する図。

符号の説明

２５ バルブ容器
２６ ボンネット部
２７ チャンバポート
２８ ポンプポート
２９ 弁座
３０ 弁体
３１ 流路
３２ 弁シール材
３３ 真空ベローズ
３４ シャフト
３５，３６ 作用室
３７ ピストン
３８ ピストンシール材
３９ 押しばね
４０，４１ ポート
４２ スピードコントローラ

Claims (5)

1. 弁シール材により真空を封じる弁座上に、円柱に円錐台が乗った形状の弁体を設けた真空バルブ。
2. 真空封じを行う弁座に凸形状の弁体が設けられたバルブにおいて、バルブが開いた際に完全に排気流路から弁体が外れた位置まで移動する真空バルブ。
3. 圧縮空気によりバルブ弁体の動作を行う真空バルブにおいて、ストローク動作速度をコントロールするためのスピードコントローラを有する真空バルブ。
4. 請求項１，２及び３のいずれかにおいて弁体のストロークによりバルブの弁体部の排気抵抗が連続的に減少し、ストロークの速度制御が出来ることで、バルブが開き始めた際には排気抵抗が大きく、ストロークと共に排気抵抗が減少しバルブ全開時には排気ポンプの排気速度を有効に活用することが出来るスロースタート排気動作を行う真空バルブ。
5. 真空封じを行う弁座に凸形状の弁体が設けられたバルブにおいて、ポート壁面が弁体に沿った形状を設けた真空バルブ。

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