JP2010112392A - 減圧排気弁及びこの減圧排気弁を含む減圧排気機構を用いた減圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの排気路（主排気路）のみ有する減圧装置にも適用でき、排気速度が速くパーティクルの舞い上がりを抑制できる減圧排気弁及びこの減圧排気弁を含む減圧排気機構を用いた減圧装置を提供する。
【解決手段】減圧排気弁１０は、一端が真空チャンバに連通し、他端が真空ポンプに連通する排気路中に取付けられる。この減圧排気弁１０は、前記排気路に接続される管部１１と、前記管部１１内において支持軸１４によって支持され、当該支持軸の軸芯回りに回転して前記排気路を開閉する偏平状に形成されたバタフライ弁１２により構成される。前記バタフライ弁１２は、その全体が通気孔を有する多孔質部材により形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は減圧排気弁及びこの減圧排気弁を含む減圧排気機構を用いた減圧装置に関し、特に多孔質部材による開閉弁を備えた減圧排気弁、及びこの減圧排気弁を組み込んだ減圧排気機構を備える減圧装置に関する。

従来、半導体ウエハもしくは液晶材料の製造工程において、例えばドライエッチング装置、スパッタ装置、ＣＶＤ装置等の減圧装置が用いられている。これら装置における排気機構には、真空チャンバ内を減圧状態になす際の圧力緩衝を目的として、主排気路と並列にスロー排気路が設けられている。

従来の減圧装置を図７に基づいて説明する。図７に示すように、従来の減圧装置３１には、真空チャンバ３２内を減圧する排気機構３３が設けられている。
この排気機構３３は、一端が真空チャンバ３２に設けられた排気口３５に連通し、他端が真空ポンプ３６に連通する主排気路３７と、一端が主排気路３７を介して真空チャンバ３２に連通し、他端が主排気路３７を介して真空ポンプ３６に連通するスロー排気路３９とを備えている。
また、前記排気機構３３は、前記主排気路３７に設けた第１の開閉弁（メインバルブ）３８と、このスロー排気路３９に第１の開閉弁と並列に第２の開閉弁（スロー排気バルブ）４０とを備えている。
更に、前記排気機構３３は、前記排気口３５に設けられた、排気時の圧力を緩衝するフィルター３４を備えている。

このような従来の減圧装置３１にあっては、排気初期はスロー排気路３９で緩やかに排気し、その後、主排気路３７で一気に排気する。
しかし、前記排気口３５にフィルター３４が設置されているため、主排気路３７で一気に排気する際、フィルター３４が抵抗となり、排気速度が大幅に遅くなるという課題があった。

これを解決する減圧装置として、図８に示す減圧装置４１がある。この減圧装置４１にあっては、一端が直接真空チャンバ３２に連通し、他端が主排気路３７を介して真空ポンプ３６に連通するスロー排気路４２とを備えている。そして、スロー排気口４３にはフィルター３４が取付けられている。
このように構成された減圧装置４１にあっては、フィルター３４、スロー排気口４３、スロー排気路４２を介して緩やかに排気し、その後、第２の開閉弁４０，第１の開閉弁３８を切換えて、主排気路３７から一気に排気する。
そのため、この減圧装置４１にあっては、主排気路３７における排気速度を上げることができるが、排気口３５とは別にスロー排気口４１を設ける必要があり、多額な装置改造費がかかるという課題があった。

なお、真空チャンバと真空ポンプを連通する主排気路と、この主排気路に並列にスロー排気路を設けたウエハ取扱システム（例えば、特許文献１参照）、さらに、スロー排気路に可変コンダクタンスバルブを設けた横型処理炉が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６１−２２８６４８号公報 特開平７−２３５４９７号公報

ところで、本願出願人は、前記した課題を解決するために、図９に示すように、スロー排気路３９に、円筒形状のシリカ多孔体からなるフィルター５２を備える減圧装置５１を提案している（特願２００７−１９０４６２号）。
しかしながら、前記した従来の減圧装置及び本願出願人が提案した減圧装置は、主排気路とスロー排気路を前提としたものであった。
そのため、スロー排気路から主排気路に切換えた際、圧力変動が生じ、パーティクルが舞い上がることがあった。

また、一つの排気路（主排気路）のみ有する減圧装置に適用した場合、一つの排気路（主排気路）の排気口にフィルターを設けなければならず、排気速度が大幅に小さくなり、所定の真空度に到達するまでに長時間かかるという課題があった。しかも、常に排気口にフィルターが存在するため、フィルターが抵抗となり所定の真空度に到達し難いという課題があった。
このように前記したフィルターにあっては、一つの排気路（主排気路）のみ有する減圧装置には適用することは困難であった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、一つの排気路（主排気路）のみ有する減圧装置にも適用でき、排気速度が速くパーティクルの舞い上がりを抑制できる減圧排気弁及びこの減圧排気弁を含む減圧排気機構を用いた減圧装置を提供することを目的とする。

前記した目的を達成するためになされた本発明にかかる減圧排気弁は、一端が真空チャンバに連通し、他端が真空ポンプに連通する排気路中に取付けられる減圧排気弁において、前記減圧排気弁が、前記排気路中に接続される管部と、前記管部内において支持軸によって支持され、当該支持軸の軸芯回りに回転して前記排気路を開閉する偏平状に形成されたバタフライ弁により構成され、前記バタフライ弁の全体が通気孔を有する多孔質部材により形成されていることを特徴としている。

このように、減圧排気弁が、管部と、前記管部内において支持軸の軸芯回りに回転して排気路を開閉する偏平状に形成されたバタフライ弁により構成され、前記バタフライ弁の全体が通気孔を有する多孔質部材により形成されているので、バタフライ弁を閉じた状態で、圧力を緩衝しつつ、緩やかに排気し、その後、バタフライ弁を開くことで一気に排気し、排気速度を上げることができる。
この減圧排気弁を用いることで、一つの排気路で、圧力を緩衝しつつ緩やかに排気でき、しかもバタフライ弁を開くことで排気速度を上げた排気を行うことができる。尚、この減圧排気機構は、一つの排気路（主排気路）のみ有する減圧装置だけに適用できるものではなく、スロー排気路、主排気路を備える減圧装置にも適用することができる。

前記した多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁は、その中央部に比較して外周縁における気孔が緻密に形成されたものを好適に採用することができる。
また、前記した多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁の他の好ましい形態においては、その外周縁に沿って補強部材が取り付けられた構成にされる。

前記のように、中央部に比較して外周縁における空孔が緻密に形成されたバタフライ弁、もしくはその外周縁に沿って補強部材が取り付けられた構成のバタフライ弁を採用することにより、バタフライ弁の全体を構成する多孔質部材の機械的な脆弱性を補うことができ、これを用いた装置の信頼性を向上させることに寄与できる。

一方、前記バタフライ弁の全体を構成する多孔質部材が、攪拌起泡によって形成されたセラミックス多孔質焼結体であることが望ましい。
また、前記バタフライ弁が閉じた状態における排気流量が、１．３（ＫＰａ／ｓ）〜２．６（ＫＰａ／ｓ）であることが望ましい。
前記排気流量が１．３（ＫＰａ／ｓ）未満の場合には、排気効率的に好ましくなく、一方、排気流量が２．６（ＫＰａ／ｓ）を超える場合には、パーティクルの舞い上がりを抑制する効果が少なく、好ましくないためである。

また、前記した目的を達成するためになされた本発明にかかる減圧装置は、真空チャンバと、この真空チャンバ内を減圧する排気機構を備えた減圧装置において、前記排気機構は、一端が前記真空チャンバに連通し、他端が真空ポンプに連通する排気路と、前記排気路中に取付けられた第１の減圧排気弁と、前記第１の減圧排気弁の上流側あるいは下流側の排気路中に取付けられた第２の減圧排気弁を有し、前記第１の減圧排気弁は、前記排気路に接続される管部と、前記管部内において支持軸によって支持され、当該支持軸の軸芯回りに回転して前記排気路を開閉すると共に、その全体に通気孔を有する多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁を備え、前記第２の減圧排気弁は、前記排気路に接続される管部と、前記管部内に収容された、前記排気路を開閉する第２の開閉弁とを備えることを特徴としている。

このように、減圧排気機構は、その全体に通気孔を有する多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁を備えた第１の減圧排気弁と、多孔質体部を有しない第２の減圧排気弁とを備えているので、第１および第２の減圧排気弁を閉じた状態で、圧力を緩衝しつつ、緩やかに排気することができる。そして、第１，第２の減圧排気弁を開くことで一気に排気し、排気速度を上げることができる。
したがって、この減圧排気機構を用いることで、一つの排気路で、圧力を緩衝しつつ緩やかに排気する工程と、排気速度を上げて排気する工程とを実現することができる。

ここで、前記第１の減圧排気弁におけるバタフライ弁の全体を構成する多孔質部材が、攪拌起泡によって形成されたセラミックス多孔質焼結体であることが望ましい。

更に、前記第１の減圧排気弁が閉じた状態とし、かつ第２の減圧排気弁が開い状態にした場合における排気流量が、１．３（ＫＰａ／ｓ）〜２．６（ＫＰａ／ｓ）であることが望ましい。
排気流量が、１．３（ＫＰａ／ｓ）未満の場合には、排気効率的に好ましくなく、一方、排気流量が、２．６（ＫＰａ／ｓ）を超える場合には、パーティクルの舞い上がりを抑制する効果が少なく、好ましくないためである。

本発明によれば、一つの排気路（主排気路）のみ有する減圧装置にも適用でき、排気速度が速くパーティクルの舞い上がりを抑制できる減圧排気弁及びこの減圧排気弁を含む減圧排気機構を用いた減圧装置を得ることができる。

本発明の実施形態にかかる減圧排気弁及びこの減圧排気弁を含む減圧排気機構を用いた減圧装置について、図１乃至図３に基づいて説明する。
尚、図１は本発明にかかる減圧装置の概略構成図、図２は本発明にかかる減圧排気弁を示す正面図であって、バタフライ弁が閉じた状態を示す図、図３は本発明にかかる減圧排気弁を示す正面図であって、バタフライ弁が開いた状態を示す図である。

図１に示すように、本発明にかかる減圧装置１は、真空に減圧され処理室となる真空チャンバ２を備え、更にこの真空チャンバ２を真空に減圧する減圧排気機構３を備えている。前記排気機構３は、一端が真空チャンバ２の底部に設けられた排気口２ａを介して真空チャンバ２に連通し、他端が真空ポンプ４に連通する排気路５と、前記排気路５中に取付けられる減圧排気弁１０とを備えている。

なお、前記減圧排気機構３には減圧排気弁１０の他に、図１には示されていないが、前記減圧排気弁１０の前段（上流側）あるいは後段（下流側）の前記排気路５中に、従来技術で用いられバルブ３８と同様の第２の減圧排気弁が配置される場合もある。この第２の減圧排気弁を具備した減圧排気機構３については、後で他の実施例として説明する。

この減圧排気弁１０は、図２、図３に示すように、排気路５に接続される管部１１と、前記管部内において支持軸１４によって、その中央部が支持され、前記支持軸１４の軸芯回りに回転して前記排気路５を開閉する偏平状、すなわち円板状に形成されたバタフライ弁１２により構成されている。
そして、前記バタフライ弁１２は、その全体が通気孔を有する多孔質部材により形成されている。

前記支持軸１４は、排気路５（管部１１）の軸線に対して垂直に、かつ管部１１に対して回動可能に取付けられている。
この支持軸１４の端部にはギヤ部１４ａが形成され、管部１１の外部において、駆動軸１５の端部に形成されたギヤ部１５ａと噛合している。即ち、前記駆動軸１５をモータ等の駆動手段（図示せず）によって回転させることにより、前記支持軸１４を回動させ、これによりバタフライ弁１２回動させて、排気路５（管部１１）の開閉を行うことができるように構成されている。
尚、前記回動軸１４のギヤ部１４ａ及び駆動軸１５のギヤ部１５ａは、ケーシング１６内に収容されている。

前記バタフライ弁１２は、全体が通気孔を有する多孔質部材により形成されており、この多孔質部材は、多孔質金属体、ガラス多孔質体、石英製多孔質体、通常の粉末焼結による多孔質焼結体、セラミックス繊維を焼結した多孔質焼結体、攪拌起泡によって形成され焼結した多孔質焼結体などを用いることができる。
特に、攪拌起泡によって形成されたセラミックス多孔質焼結体であることが望ましい。このようなセラミックス多孔質体の製造は、本出願人が先に出願した特開２０００−２６４７５３号公報、特開２００３−２３８２６７号公報に記載した方法により製造することができる。
ここで、前記多孔質部材を製造する原料としては、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ムライト、コーディエライト、シリカ、水酸化アパタイトなどの他、金属製多孔体などの種々の材料を採用することができるが、これらの内、特に耐食性および機械的特性に優れている炭化ケイ素が好ましい。

また、平均気孔径が５〜９０μｍ、気孔率は３０〜６５％であるのが好ましい。
特に、炭化ケイ素の場合、平均気孔径３０〜９０μｍ、気孔率５５〜６５％が好ましい。具体的には、水銀ポロシメーターを用いて測定（ＪＩＳ Ｒ１６３４ １９９８に基づく）した気孔の平均気孔径が３０μｍ以上９０μｍ以下であって、前記気孔が１０μｍ以上２０μｍ以下（ＳＥＭ観察に基づく）の連通孔で連通する三次元網目状の骨格構造を有しているのが好ましい。
また、この気孔率（サンプルを特定体積に機械加工し、この重量を測定することで、前記体積、重量及びＳｉＣ密度：３．２１ｇ／ｃｍ³ より算出）は５５％以上、６５％未満に形成されているのが好ましい。
尚、前記平均気孔径、気孔率は、製造工程における原料粉、攪拌起泡条件を調整することによって可変することができ、所望の平均気孔径、気孔率を有するセラミックス多孔質焼結体を得ることができる。

次に減圧装置の作用について説明する。図１に示すように、処理室となる真空チャンバ２を減圧する場合、減圧開始時は、排気路５に設けた減圧排気弁１０を構成するバタフライ弁１２を閉じた状態になし、真空ポンプ４を運転する。真空チャンバ２中のガスは、排気口２ａ、排気路５、減圧排気弁１０のバタフライ弁１２を構成する多孔質部材を介して真空ポンプ４に流れ、真空チャンバ２内は減圧される。

この時、前記バタフライ弁１２を構成する多孔質部材を介したガスの排気流量が、１．３（ＫＰａ／ｓ）〜２．６（ＫＰａ／ｓ）になされる。そして、前記多孔質体１３の平均気孔径が５〜９０μｍ、気孔率が３０〜６５％と適度なガス通気抵抗に設定されているので、真空チャンバ２内の急激な減圧が避けられ、パーティクルの舞い上がりが抑制されて、穏やかに減圧を行うことができる。

そして、この緩やかな減圧工程の後、駆動軸１５を回転させ、前記支持軸１４を回動させることにより、バタフライ弁１２を開弁する。
このバタフライ弁２の開弁により、バタフライ弁２を構成する多孔質部材の緩衝作用が弱められ、排気速度の速い状態での排気が行なわれる。

次に本発明にかかる減圧装置の第２、第３の実施形態を図４及び図５に基づいて説明する。
図４に示す第２の実施形態は、多孔質部材により構成されたバタフライ弁１２による減圧排気弁１０が、排気路５中に複数段設けられているものである。このように、複数の減圧排気弁１０が排気路５中に設けられている場合には、排気速度を細かく調整することができる。

また、図５に示す第３の実施形態は、多孔質部材により構成されたバタフライ弁１２による第１の減圧排気弁１０の前段（上流側）に、第２の減圧排気弁２０を配置した構成にされている。なお、この図５に示す実施の形態においては、第１の減圧排気弁として２つの減圧排気弁１０が備えられている。そして、第２の減圧排気弁２０は、通気性のない例えば金属板によるバタフライ弁が採用されている。
この図５に示す構成によると、図４に示す実施形態の作用に加えて、第２の減圧排気弁２０により、排気路５中の気体の流れを完全に遮断させることもできる。

尚、前記した実施の形態においては、減圧排気弁１０として全体に通気孔を有する多孔質部材により形成されたバタフライ弁１２を用いているが、このバタフライ弁は、その中央部に比較して外周縁における気孔が緻密に形成されたものを好適に採用することができる。
または、前記バタフライ弁１２の外周縁に沿って、例えばリング状の補強部材（図示せず。）を取り付けることで、バタフライ弁の全体を構成する多孔質部材の機械的な脆弱性を補うことができ、これを用いた減圧装置の信頼性を向上させることに寄与できる。

また、前記した実施形態にあっては、減圧排気弁を排気路を一つしか有しない減圧装置に搭載した場合を例にとって説明したが、従来のように二つの排気路を備える減圧装置にも、当然に搭載することができる。

平均粒径０．５μｍのＳｉＣ粉末１００重量部、液体媒質としてイオン交換水４５重量部、気泡剤としてラウリル硫酸トリエタノールアミン１重量部、焼結助剤としてカーボンブラック１重量部及び平均粒径１．４μｍのＢ₄ Ｃ粉末０．２重量部並びにゲル化主剤としてポリエチレンイミン５重量部を攪拌機で混合攪拌しながら空気を導入して泡立て、泡状のスラリーを調整した。

次に、泡状のスラリーを攪拌しながら、これにゲル化副剤としてエポキシ樹脂１重量部を添加し、型に鋳込み、３時間経過すると、ゲル化が十分に進行し、ゲル化体となった。 次いで、ゲル化体を型から取り出し、６０℃の温度で数日間乾燥して成形体（乾燥体）を得た。得られた成形体は、ほぼ球形状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して互いに連通する三次元網目状の骨格構造を有していた。

次に、成形体をＡｒガス雰囲気において１７８０℃の温度で１時間加熱（仮焼成）して仮焼成体とし、これをダイヤモンド砥石を用いて加工し直径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤形状の仮焼成を得た。

次に、仮焼成体をＡｒガス雰囲気において２１００℃の温度で１時間焼成して焼成体とした。
この炭化ケイ素多孔質焼結体（セラミックス多孔質焼結体）の平均気孔径は、８０μｍ、気孔率は６０％であった。

その後、図１に示すような一つの排気路のみを有する減圧装置を用いて、真空チャンバの排気口に前記炭化ケイ素多孔質焼結体（セラミックス多孔質焼結体）からなるフィルターを配置した場合（比較例１）と、前記排気路中に、前記炭化ケイ素多孔質焼結体（セラミックス多孔質焼結体）を用いた本発明にかかる減圧排気弁を配置した場合（実施例１）における到達真空度及び所要時間を計測した。

また、比較例１における炭化ケイ素多孔質焼結体（フィルター）は、外径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍとし、この多孔質焼結体を枠体に嵌め込み、内径３９ｍｍの排気口に取付けた。

一方、実施例１における減圧排気弁としてのバタフライ弁を構成する多孔質部材は、前記比較例１と同様に、外径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍとし、このバタフライ弁を、内径３９ｍｍの管路内に取付けた。
更に、排気路（排気管）の内径は３９ｍｍであり、真空ポンプは、７０００リットル／分の性能を有しているものを用いた。

また、実施例１にあっては、真空度が５００Ｔｏｒｒに達した際、バタフライ弁を６度回転した状態まで弁を開き、真空度が２００Ｔｏｒｒに達した際、バタフライ弁を８度回転した状態まで弁を開く。更に、真空度が５０Ｔｏｒｒに達した際、バタフライ弁を１２度回転した状態まで弁を開き、真空度が１０Ｔｏｒｒに達した際、バタフライ弁を全開（９０度回転した状態）することとした。
その結果を図６に示す。

比較例１の場合、排気ガスは常時フィルターを通過するため、パーティクルの舞い上がりはないものの排気時間が非常にかかり、更には、真空チャンバ内の真空度も数十Ｔｏｒｒまでしか到達しないため、排気路を一つしか有しない減圧装置への搭載は困難であることが確認された。

これに対して、実施例１の場合には、真空度が５００Ｔｏｒｒに達するまで、パーティクルの舞い上がりはなかった。バタフライ弁を６度回転した際、パーティクルの舞い上がりが多少認められたが、バタフライ弁を全開した際のパーティクルの舞い上がりに比べて、パーティクルの舞い上がりが抑制されているのが確認された。

このように、パーティクルが舞わない程度にバタフライ弁の開閉度を随時調節することができ、またバタフライ弁の開閉時期を調節することもができる。しかも、比較例１に比べて排気時間を短縮することができることが確認された。また、到達真空度に関しても比較例１に比べて高真空度が得られることが確認された。
このように、実施例１の場合には、排気路を一つしか有しない減圧装置への搭載に適していることが確認された。

本発明にかかる減圧装置の概略構成図である。 本発明にかかる減圧排気弁を示す正面図であって、バタフライ弁が閉じた状態を示す図である。 本発明にかかる減圧排気弁を示す正面図であって、バタフライ弁が開いた状態を示す図である。 本発明にかかる第２の実施形態を示す側面図である。 本発明にかかる第３の実施形態を示す側面図である。 実施例１と比較例１との実験結果を示す真空度及び到達時間を表した図である。 従来の減圧装置を示す概略構成図である。 他の従来の減圧装置を示す概略構成図である。 本願出願人が先に提案した減圧装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 減圧装置
２ 真空チャンバ
２ａ 排気口
３ 減圧排気機構
４ 真空ポンプ
５ 排気路
１０ 減圧排気弁
１１ 管部
１２ バタフライ弁
１４ 支持軸
１４ａ ギヤ部
１５ 駆動軸
１５ａ ギヤ部
１６ ケーシング
２０ 第２の減圧排気弁

Claims (8)

1. 一端が真空チャンバに連通し、他端が真空ポンプに連通する排気路中に取付けられる減圧排気弁において、
   前記減圧排気弁が、前記排気路中に接続される管部と、前記管部内において支持軸によって支持され、当該支持軸の軸芯回りに回転して前記排気路を開閉する偏平状に形成されたバタフライ弁により構成され、
   前記バタフライ弁の全体が通気孔を有する多孔質部材により形成されていることを特徴とする減圧排気弁。
2. 前記多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁は、その中央部に比較して外周縁の気孔が緻密に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の減圧排気弁。
3. 前記多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁には、外周縁に沿って補強部材が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の減圧排気弁。
4. 前記バタフライ弁の全体を構成する多孔質部材が、攪拌起泡によって形成されたセラミックス多孔質焼結体であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の減圧排気弁。
5. 前記バタフライ弁が閉じた状態における排気流量が、１．３（ＫＰａ／ｓ）〜２．６（ＫＰａ／ｓ）であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の減圧排気弁。
6. 真空チャンバと、この真空チャンバ内を減圧する排気機構を備えた減圧装置において、
   前記排気機構は、一端が前記真空チャンバに連通し、他端が真空ポンプに連通する排気路と、前記排気路中に取付けられた第１の減圧排気弁と、前記第１の減圧排気弁の上流側あるいは下流側の排気路中に取付けられた第２の減圧排気弁を有し、
   前記第１の減圧排気弁は、前記排気路に接続される管部と、前記管部内において支持軸によって支持され、当該支持軸の軸芯回りに回転して前記排気路を開閉すると共に、その全体に通気孔を有する多孔質部材により偏平状に形成されたバタフライ弁を備え、
   前記第２の減圧排気弁は、前記排気路に接続される管部と、前記管部内に収容された、前記排気路を開閉する第２の開閉弁とを備えることを特徴とする減圧装置。
7. 前記第１の減圧排気弁におけるバタフライ弁の全体を構成する多孔質部材が、攪拌起泡によって形成されたセラミックス多孔質焼結体であることを特徴とする請求項６に記載の減圧装置。
8. 前記第１の減圧排気弁が閉じた状態とし、かつ第２の減圧排気弁が開い状態にした場合における排気流量が、１．３（ＫＰａ／ｓ）〜２．６（ＫＰａ／ｓ）であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の減圧装置。

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