JP2012026554A - 伸縮継手、接続構造、伸縮継手の製造方法および接続構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に製造することができ、配管系の真空気密性を保持しうる伸縮継手、接続構造、伸縮継手の製造方法および接続構造の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の伸縮継手１０は、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズ１１と、中心孔を有する板状をなし、ベローズ１１の端部に気密に形成されるベローズ１１と異なる金属からなる接続部１２と、を備える。接続部１２を、伸縮継手１０を接続する配管等を構成する金属と同一の金属にすることにより溶接またはろう付けにより配管と接続可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、伸縮継手、接続構造、伸縮継手の製造方法および接続構造の製造方法に関する。

従来、半導体製造装置において、反応室から反応ガスを排気させる排気系や（特許文献１を参照）、マルチチャンバシステムにおける各チャンバの連結系に（特許文献２を参照）、ベローズを接続した配管系が採用されている。

特開平１０−１９９８１８号公報 特開２００２−３２９７６３号公報

特許文献１および２などに使用されるベローズは、強度や伸縮性等の観点から通常ステンレス製のものが使用されており、ベローズ端部に溶接やろう付けにより接合されるフランジの材質もステンレス製である。これに対し、半導体製造装置においては、ベローズが結合される配管またはチャンバはアルミニウム製であることが多く、異なる金属からなる配管またはチャンバ等とベローズに接続されたフランジを、溶接またはろう付け等により真空気密性や十分な強度を保持しながら接合することが困難であった。このため、従来は、配管またはチャンバとフランジとをＯ−リング等で気密を取りながらクランプまたはボルトで接合していた。

しかしながら、半導体装置の配管内には、高温かつ腐食性のガス等が流入し、Ｏ−リングが劣化するため、気密を保持するためにＯ−リングを交換する必要があり、交換作業には手間とコストがかかっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易に製造することができ、配管系の真空気密性を保持しうる伸縮継手、接続構造、伸縮継手の製造方法および接続構造の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る伸縮継手は、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズと、中心孔を有する板状をなし、前記ベローズの端部に気密に接続され、前記ベローズと異なる金属からなる接続部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の伸縮継手は、上記発明において、前記接続部は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記金属製ベローズの端部に吹き付けることにより形成されることを特徴とする。

また、本発明の伸縮継手は、上記発明において、前記ベローズはステンレスからなり、前記接続部はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする。

また、本発明の接続構造は、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズと、中心孔を有する板状をなし、前記ベローズの端部に気密に接続され、前記ベローズと異なる金属からなる少なくとも１の接続部と、を有する伸縮継手と、前記接続部と同一の金属からなり、前記接続部の端部のうち、前記ベローズと接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合される少なくとも１の金属製の配管と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の接続構造は、上記発明において、前記接続部は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記ベローズの端部に吹き付けることにより形成されることを特徴とする。

また、本発明の接続構造は、中空の金属製の配管と、中心孔を有する板状をなし、前記配管の端部に気密に接続され、前記配管と異なる金属からなる接続部と、を有し、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記配管の端部に吹き付けることにより前記接続部が形成される継手付配管と、前記接続部と同一の金属からなり、前記接続部の端部のうち、前記配管と接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合される金属製のベローズと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の接続構造は、上記発明において、前記ベローズは、前記接続部と接合される側の端部にフランジを備えることを特徴とする。

また、本発明の接続構造は、上記発明において、前記配管はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記接続部および前記ベローズはステンレスからなることを特徴とする。

また、本発明の伸縮継手の製造方法は、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズの端部に、中心孔を有する板状をなし、前記ベローズと異なる金属から形成される接続部を気密に接続する接続部形成工程を有し、前記接続部形成工程は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記ベローズの端部に吹き付けることにより、前記接続部を形成することを特徴とする。

また、本発明の接続構造の製造方法は、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズの端部に、中心孔を有する板状をなし、前記ベローズと異なる金属からなる接続部を気密に接続する接続部形成工程と、前記接続部と同一の金属からなる金属製の配管を、前記接続部の端部のうち、前記ベローズと接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合する接合工程と、を有し、前記接続部形成工程は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記ベローズの端部に吹き付けることにより、前記接続部を形成することを特徴とする。

また、本発明の接続構造の製造方法は、中空の金属製の配管の端部に、中心孔を有する板状をなし、前記配管と異なる金属からなる接続部を気密に接続する接続部形成工程と、前記接続部と同一の金属からなり、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能なベローズを、前記接続部の端部のうち、前記配管と接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合する接合工程と、を有し、前記接続部形成工程は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記配管の端部に吹き付けることにより前記接続部を形成することを特徴とする。

本発明の伸縮継手は、ベローズに接合する接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度でベローズの端部に吹き付けて、伸縮継手を接続する配管等と同一の金属からなる接続部を形成することにより、伸縮継手を溶接等により簡易に接合できるだけでなく、配管系の真空気密性を保持し、メンテナンスにかかる時間やコストが低減できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手を使用する半導体製造装置を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手の斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手の製造に使用される溶射装置の概要を示す説明図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手を含む接続構造の製造工程を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手の一部縦断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る接続構造の拡大図である。 図７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る伸縮継手の一部縦断面図である。 図８は、本発明の実施の形態１の変形例に係る伸縮継手を含む接続構造の製造工程を示すフローチャートである。 図９は、本発明の実施の形態２に係る接続構造に使用する継手付配管の構成を示す斜視図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る接続構造の製造工程を示すフローチャートである。 図１１は、本発明の実施の形態２に係る接続構造の拡大図である。

以下に、本発明に係る伸縮継手、接続構造、伸縮継手の製造方法および接続構造の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手１０を使用した半導体製造装置１００の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手１０の斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手１０の製造に使用される溶射装置２００の概要を示す説明図である。

半導体製造装置１００は、ウェハ等の半導体基板にＣＶＤ等により薄膜形成、エッチング等の処理を行う反応室１を備える。反応室１には、反応ガスやエッチングガス等を供給し、プラズマ処理用の電極としても機能する上部電極２と、ウェハ３を載置するステージ４が配置されている。ステージ４は、シャフト５を介して高周波電源６と接続され、下部電極としての機能も有する。

また、反応室１には、処理後の反応ガスやエッチングガスを排出する排気系２０が設けられる。排気系２０は、伸縮継手１０の両端にそれぞれ接続される配管７、８と、配管８を介して伸縮継手１０と接続される真空ポンプ９とを備える。図２に示すように、伸縮継手１０は、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズ１１と、中心孔を有する板状をなし、ベローズ１１の端部に気密に接続され、ベローズ１１と異なる金属からなる接続部１２と、を備える。ベローズ１１は、ステンレス、ハステロイ、インコネル、チタン、ニッケル、金、銀、銅などの金属から形成される。このうち、伸縮性、強度、コスト等の観点から、ステンレス製ベローズが好適に使用されている。

接続部１２は、ベローズ１０と異なる金属材料から選択される。接続部１２を、伸縮継手１０を接合する配管等の部材と同一の材料で形成することにより、溶接またはろう付け等で簡易に接合でき、接合した接続構造についてメンテナンスに要する時間やコストを低減することが可能となる。本実施の形態１では、ステンレス製ベローズ１１をアルミニウム製（アルミニウム合金を含む）の配管７、８と接合するため、接続部１２を構成する材料は配管７、８と同一の材料であるアルミニウム（アルミニウム合金を含む）が選択される。配管７と配管８を構成する材料が異なる場合は、接続部１２は、それぞれ接合される配管と同一の金属材料で形成する。接続部１２は、コールドスプレー法により形成する。

コールドスプレー法による接続部１２の形成は、図３に示すような溶射装置２００を用いて行う。溶射装置２００は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器２０１と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン２０４に供給する粉末供給装置２０２と、スプレーガン２０４で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材に噴射するガスノズル２０３とを備えている。

圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ２０５および２０６により、ガス加熱器２０１と粉末供給装置２０２にそれぞれ供給される。ガス加熱器２０１に供給された圧縮ガスは、例えば５０〜７００℃に加熱された後、スプレーガン２０４に供給される。より好ましくは、基材であるベローズ１１上に噴射される溶射材料粉末の上限温度を金属材料の融点以下に留めるように圧縮ガスを加熱する。粉末材料の加熱温度を金属材料の融点以下に留めることにより、金属材料の酸化を抑制できるためである。粉末供給装置２０２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置２０２内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン２０４に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状のガスノズル２０３により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。スプレーガン２０４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、本発明の一実施の形態に係る伸縮継手１０の製造に使用可能であり、図３の溶射装置２００に限定されるものではない。

接続部１２は、ベローズ１１と接続部１２との密着性、気密性、製造に要する時間等を考慮すると、上述したコールドスプレー法により形成することが好ましいが、フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射等の溶射によって形成することも可能である。

次に、図４〜７を参照して、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手１０を使用する接続構造３０の製造方法を説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手１０を使用する接続構造３０の製造方法を説明するフローチャートである。

図４のフローチャートに示すように、まず、上述した溶射装置２００等を使用して、コールドスプレー法によりベローズ１１の端部に接続部１２を形成する（ステップＳ１）。ベローズ１１の端部にコールドスプレーにより接続部１２を積層形成する際には、図３に示すようなマスキング２０７を使用して接続部１２を積層形成する。コールドスプレーされる接続部１２の材料粉末は、ベローズ１１の端部に高速で衝突して皮膜を形成するため、その衝撃でベローズ１１が伸縮しないようにベローズ１１を固定してコールドスプレーを行う。図５は、本発明の実施の形態１に係るベローズ１１を使用した伸縮継手１０の一部縦断面図である。図５に示すベローズ１１は、金属板を円筒形状にした後、圧力により蛇腹構造を形成した成型ベローズであり、その端面に接続部１２を形成する。

コールドスプレー法により形成した接続部１２は、そのまま配管７、８と溶接またはろう付けにより接合されるか、あるいは接続部１２の上面、外周面および内周面を切削または研磨により所定の形状に仕上げた後、接続部１２と配管７、８とを溶接またはろう付けして接合される（ステップＳ２）。接続部１２を構成する金属材料は、接合する配管７と同一の金属材料を選択しているため、接続部１２と配管７、８とは溶接またはろう付け等により容易に接合することができる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る伸縮継手１０を含む接続構造３０の拡大図である。伸縮継手１０の上部接続部１２の端面に配管７が溶接またはろう付けにより接合され、下部接続部１２の端面に配管８が溶接またはろう付けにより接合される。本発明の実施の形態１に係る接続構造３０は、真空気密性や強度を保持しながら、ベローズと配管等との接合をより簡易な溶接またはろう付けで行うことができる。また、これにより、メンテナンスの時間やコストも低減することが可能となる。

また、本発明の実施の形態１にかかる伸縮継手の変形例として、金属板から、波付きプレスされた薄板金属板を型抜きし、薄板金属板の内縁部と外縁部とを交互に溶接して形成した溶接ベローズ１１Ａを使用した伸縮継手が例示される。図７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る伸縮継手１０Ａの一部縦断面図である。溶接ベローズ１１Ａは、波付きプレスされた薄板金属板１５の内縁部と外縁部とを交互に溶接（１４）して形成され、その端部には、エンドフィッティング１３が溶接により接合されている。

本発明の実施の形態１の変形例に係る伸縮継手１０Ａを備える接続構造は、実施の形態１の接続構造３０と同様に、溶接ベローズ１１Ａの端部にコールドスプレー法により接続部１２を形成し（図４、ステップＳ１）、形成した接続部１２と配管７、８とを溶接またはろう付けにより接合（図４、ステップＳ２）して製造してもよい。あるいは、薄板金属板１５と接合されていないエンドフィッティング１３にコールドスプレーにより接続部１２を形成し（図８、ステップＳ１１）、接続部１２を形成したエンドフィッティング１３と薄板金属板１５とを溶接により接合して伸縮継手１０Ａとした後（図８、ステップＳ１２）、接続部１２と配管７、８とを溶接またはろう付けにより接合することもできる（図８、ステップＳ１３）。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る接続構造５０は、配管７にコールドスプレーにより接続部２１を形成した継手付配管４０と、フランジ１６を溶接した伸縮継手１０Ｂとを溶接またはろう付けにより接合してなる。

図９は、本発明の実施の形態２に係る接続構造５０に使用する継手付配管４０の構成を示す斜視図である。継手付配管４０は、中空の円柱状をなす金属製の配管７と、中心孔を有する板状をなし、配管７の端部に気密に接続され、配管７と異なる金属からなる接続部２１とを備える。接続部２１は、図３に示す溶射装置２００等により、接続部２１を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で配管７の端部に吹き付けるコールドスプレー法によって形成する。接続部２１は、配管７を構成する金属と異なる金属材料であって、接続部２１を介して継手付配管４０を接合する伸縮継手１０Ｂと同一材料で形成することにより、溶接またはろう付け等で簡易に接合でき、接合した接続構造についてメンテナンスに要する時間やコストを低減することが可能となる。本発明の実施の形態２では、アルミニウム製（アルミニウム合金を含む）の配管７をステンレス製の伸縮継手１０Ｂに接合するため、接続部２１の材料はステンレスが選択されるが、これはあくまで例示であって、本例に限定されるものではない。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る接続構造５０の製造方法を説明するフローチャートである。図１０に示すように、まず、上述した溶射装置２００等を使用して、コールドスプレー法により配管７の端部に接続部２１を形成する（ステップＳ２１）。配管７の端部にコールドスプレーにより接続部２１を積層形成する際には、マスキングを使用して接続部２１を形成する。コールドスプレー法により形成された接続部２１の上面、外周面および内周面は、切削または研磨により所定の形状に仕上げられる。

接続部２１を形成した後、接続部２１と伸縮継手１０Ｂとを溶接またはろう付けして接合する（ステップＳ２２）。図１１は、本発明の実施の形態２に係る接続構造５０の拡大図である。上部の継手付配管４０の接続部２１と伸縮継手１０Ｂの上部フランジ１６が溶接またはろう付けにより接合され、下部の継手付配管４０の接続部２１と伸縮継手１０Ｂの下部フランジ１６が溶接またはろう付けにより接合される。本発明の実施の形態２のフランジ１６はベローズ１１と同一の金属であり、通常ステンレスが好適に使用され、市販されているものが使用できる。フランジ１６はベローズ１１と溶接またはろう付けにより接合される。フランジ１６を介して継手付配管４０と伸縮継手１０Ｂとを接合することにより、接続構造５０の真空気密性および強度を保持することができるが、フランジ１６をベローズ１１に接合しないで、ベローズ１１と接続部２１とを直接溶接またはろう付けして接合してもよい。

本発明の実施の形態２に係る接続構造５０は、実施の形態１に係る接続構造３０と同様に、真空気密性や強度を保持しながら、ベローズと配管等との接合を、より簡易な溶接またはろう付けで行うことができる。また、これにより、メンテナンスの時間やコストも低減することが可能となる。

本発明は、伸縮性配管を備える半導体製造装置に有用であり、駆動系と共に使用される真空シールとしても利用可能である。

１ 反応室
２ 上部電極
３ ウェハ
４ ステージ
５ シャフト
６ 高周波電源
７、８ 配管
９ 真空ポンプ
１０、１０Ａ、１０Ｂ 伸縮継手
１１ ベローズ
１２、２１ 接続部
１３ エンドフィッティング
１４ 溶接部
１５ 薄板金属板
１６ フランジ
２０ 排気系
３０、５０ 接続構造
４０ 継手付配管
２００ 溶射装置
２０１ ガス加熱器
２０２ 粉末供給装置
２０３ ガスノズル
２０４ スプレーガン
２０５、２０６ バルブ
２０７ マスキング

Claims (11)

1. 壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズと、
   中心孔を有する板状をなし、前記ベローズの端部に気密に接続され、前記ベローズと異なる金属からなる接続部と、
   を備えることを特徴とする伸縮継手。
2. 前記接続部は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記金属製ベローズの端部に吹き付けることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の伸縮継手。
3. 前記ベローズはステンレスからなり、前記接続部はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の伸縮継手。
4. 壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズと、
   中心孔を有する板状をなし、前記ベローズの端部に気密に接続され、前記ベローズと異なる金属からなる少なくとも１の接続部と、を有する伸縮継手と、
   前記接続部と同一の金属からなり、前記接続部の端部のうち、前記ベローズと接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合される少なくとも１の金属製の配管と、
   を備えることを特徴とする接続構造。
5. 前記接続部は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記ベローズの端部に吹き付けることにより形成されることを特徴とする請求項４に記載の接続構造。
6. 中空の金属製の配管と、
   中心孔を有する板状をなし、前記配管の端部に気密に接続され、前記配管と異なる金属からなる接続部と、
   を有し、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記金属製配管の端部に吹き付けることにより前記接続部が形成される継手付配管と、
   前記接続部と同一の金属からなり、前記接続部の端部のうち、前記配管と接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合される金属製のベローズと、
   を備えることを特徴とする接続構造。
7. 前記ベローズは、前記接続部と接合される側の端部にフランジを備えることを特徴とする請求項６に記載の接続構造。
8. 前記配管はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記接続部および前記ベローズはステンレスからなることを特徴とする請求項６または７に記載の接続構造。
9. 壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズの端部に、中心孔を有する板状をなし、前記ベローズと異なる金属から形成される接続部を気密に接続する接続部形成工程を有し、
   前記接続部形成工程は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記ベローズの端部に吹き付けることにより、前記接続部を形成することを特徴とする伸縮継手の製造方法。
10. 壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能な金属製のベローズの端部に、中心孔を有する板状をなし、前記ベローズと異なる金属からなる接続部を気密に接続する接続部形成工程と、
    前記接続部と同一の金属からなる金属製の配管を、前記接続部の端部のうち、前記ベローズと接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合する接合工程と、を有し、
    前記接続部形成工程は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記ベローズの端部に吹き付けることにより、前記接続部を形成することを特徴とする接続構造の製造方法。
11. 中空の金属製の配管の端部に、中心孔を有する板状をなし、前記配管と異なる金属からなる接続部を気密に接続する接続部形成工程と、
    前記接続部と同一の金属からなり、壁面が蛇腹構造を有する筒状をなし、軸方向に伸縮可能なベローズを、前記接続部の端部のうち、前記配管と接触する端部と異なる端部を介して前記接続部と溶接またはろう付けにより接合する接合工程と、を有し、
    前記接続部形成工程は、前記接続部を構成する固相状態の金属材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該金属材料粉末の融点より低い温度で前記配管の端部に吹き付けることにより前記接続部を形成することを特徴とする接続構造の製造方法。

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