JP2016191405A - ダイアフラムバルブ、流体制御装置およびこれらを用いた半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体制御機器を集積した流体制御装置の３次元的な集積度を高める。【解決手段】 流体流路を画定するとともに、矩形状の底面１１ａとこれに直交する４つの側面１１ｄをもつブロック状のベース部１１Ｂを有するバルブボディ１１と、流体流路の一部を画定するようにバルブボディ１１に設けられてバルブとして機能するダイアフラム２０と、ダイアフラム２０が画定する流体流路の断面積を変更するように第１の方向Ａ１，Ａ２に移動可能に保持されたダイアフラムを操作するダイアフラム押さえ３０と、第１の方向Ａ１，Ａ２とは異なる第２の方向Ｂ１，Ｂ２に移動可能に保持され、ダイアフラム押さえ３０と係合することによりダイアフラム押さえ３０を駆動するステムピストン７０とを有する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、半導体製造装置等に使用されるダイアフラムバルブ、流体制御装置およびこれらを用いた半導体製造方法に関する。

半導体製造装置に用いられるクリーンルームは、ランニングコストの低減等の観点から、小型化が求められている。このため、クリーンルームとともに用いられる、開閉バルブ、マスフローコントローラ等の各種の流体制御機器を集積化して筐体に収容した流体制御装置の小型化も同様に求められている。例えば、特許文献１、２等は、流体制御装置の占有スペースを抑制するための技術を開示している。

特開平１０−２２７３６８号公報 特開２０１２−１９７９４１号公報

特許文献１等の技術では、各流体制御機器のベース部の仕様が標準化され、各流体制御機器の間の接続および各流体制御機器と他の部品との接続が、チューブを介さずに、ブロック状の継手部材により行われている。これにより、流体制御装置の占有スペースの抑制を実現しているが、さらなる占有スペースの抑制に対する要求が存在する。特に、平面的な集積度のみならず、３次元的な集積度を高めることが求められている。

本発明のダイアフラムバルブは、流体流路を画定するとともに、ブロック状のベース部を有するバルブボディと、
前記流体流路の一部を画定するように前記バルブボディに設けられて弁体として機能するダイアフラムと、
前記ダイアフラムが画定する流体流路の断面積を変更するように第１の方向に移動可能に保持された前記ダイアフラムを操作する操作部材と、
前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動可能に保持され、前記操作部材と係合することにより前記操作部材を駆動する駆動部材と、
を有することを特徴とする。

特定的には、前記駆動部材の前記第２の方向の運動は、カム作用により前記操作部材の第１の方向の運動に変換される。

好適には、前記バルブボディは、前記ベース部の底面に前記流体流路の開口を有し、前記底面にブロック状継手部材を適用可能に形成されている。
さらに好適には、前記駆動部材を含む駆動機構を有し、
前記第１の方向から見て、前記駆動機構の少なくとも一部が前記バルブボディのベース部の側面から横方向に突出している。

本発明の流体制御装置は、複数の流体制御機器が集積化された流体制御装置であって、
前記複数の流体制御機器の少なくとも一つが上記したいずれかのダイアフラムバルブである、ことを特徴とする。

本発明の半導体製造方法は、半導体製造プロセスにおいて使用される流体を制御する流体制御機器として、上記のいずれかに記載のダイアフラムバルブを用いることを特徴とする。

本発明の半導体製造方法は、半導体製造プロセスにおいて使用される流体を制御する流体制御装置として、上記の流体制御装置を用いることを特徴とする。

本発明によれば、流体制御装置の３次元的集積度をさらに向上させることができるダイアフラムバルブおよび３次元的集積度が向上した流体制御装置が提供される。この結果、本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の製造プロセスのランニングコストを低減できる。

本発明の一実施形態に係る流体制御装置の正面図。 図１ＡのIＢ−IＢ線に沿った断面図。 本発明の一実施形態に係るダイアフラムバルブの断面図であって、開放状態を示す。 図２ＡのIIＢ−IIＢ線に沿った断面図。 図２Ａのダイアフラムバルブの底面図。 閉鎖状態にあるダイアフラムバルブの断面図。 図３ＡのIIIＢ−IIIＢ線方向に沿った断面図。 ストレートヘッドタイプのバルブを集積化した流体制御装置の正面図。 図４ＡのIＶＢ-IＶＢ線に沿った断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る流体制御装置１の正面図および断面図である。また、図２Ａ〜２Ｃは本発明の一実施形態に係るダイアフラムバルブ１０の構造を示す図であって、図２Ａ，２Ｂはバルブの開放状態を示している。図３Ａ，３Ｂは図２Ａ，２Ｂのダイアフラムバルブ１０の遮断状態を示している。なお、図２Ｂ，３Ｂにおいて、後述するダイアフラム押さえ３０およびコネクタ４０については、説明の便宜上、断面にしていない。
この流体制御装置１は、半導体製造プロセスに使用され、例えば、マスフローコントローラの入口側又は出口側の各種ガスの通路を開閉するのに用いられる。なお、本実施形態では、ガスを対象にしているが、これに限定されるわけではなく、液体にも適用可能である。
流体制御装置１において、収容ボックス１１０内には、水平方向に沿って延在する支持部材１２０が収容ボックス１１０の背面側の壁面に固定されている。この支持部材１２０上に、支持部材１２０の長手方向に沿って複数のダイアフラムバルブ１０が配列されている。すなわち、収容ボックス１１０内には、ダイアフラムバルブ１０が集積されている。

図２Ａ〜２Ｃに示すように、ダイアフラムバルブ１０の金属製のバルブボディ１１のベース部１１Ｂは、矩形状の底面１１ａとこの底面１１ａに直交する４つの側面１１ｄとを有し、ブロック状に形成されている。バルブボディ１１のベース部１１Ｂの仕様は、例えば、ＳＥＭＩ規格のＦ８３−０３０４において標準化されている。
バルブボディ１１は、ガス流路１２Ａおよび１２Ｂを画定しており、各ガス流路１２Ａおよび１２Ｂの一端部は、底面１１ａで開口しており、それぞれ出入口１１ｂ，１１ｂが形成されている。バルブボディ１１のベース部１１Ｂの四隅には、ねじ孔１１ｃがそれぞれ形成されている。ねじ孔１１ｃは、図１Ａ，１Ｂに示すブロック状の継手部材１３１および１３２とバルブボディ１１とを締結するのに用いられる。なお、ブロック状の継手部材１３１は、ガス流路１２Ａと配管１４０とを連結している。ブロック状の継手部材１３２は、支持部材１２０に固定されているとともに、ガス流路１２Ｂと配管１５０が側面に接続されたブロック状の継手部材１３３とを連結している。これにより、配管１４０と配管１５０とが連通している。

バルブボディ１１の上側のガス流路１２Ａの他方端部には、金属やＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の樹脂で形成されたバルブシート１３が設けられ、このバルブシート１３に対向するようにダイアフラム２０が設けられている。バルブシート１３は環状に形成されている。
ダイアフラム２０は、バルブシート１３よりも大きな直径を有する円板状に形成され、例えば、ステンレス、ＮｉＣｏ系合金などの金属やフッ素系樹脂で形成されている。図２Ａ，２Ｂに示すように、バルブが開放されている状態では、ダイアフラム２０はバルブシート１３に対して凹状に湾曲しており、ガス流路１２Ａとガス流路１２Ｂとを連通するガス流路１２Ｃを画定している。後述するように、ダイアフラム２０が変形することにより、バルブシート１３とダイアフラム２０との間のガス流路の断面積が変化し、図３Ａ，３Ｂに示すように、ダイアフラム２０がバルブシート１３に押し付けられることにより、ガス流路１２Ｃが遮断される。

ダイアフラム２０上には、操作部材としてのダイアフラム押さえ３０が設けられている。ダイアフラム押さえ３０は、ダイアフラム２０を押圧するための押圧部３０ａ、垂直方向に伸びる断面が円形の軸部３０ｂ、傾斜面からなるカム面３０ｆが形成されたカム部３０ｃを有し、軸部３０ｂはバルブボディ１１上に固定されたボンネット１７のガイド孔１７aにより、垂直方向に移動可能に案内されている。すなわち、ダイアフラム押さえ３０は、バルブシート１３とダイアフラム２０との間のガス流路の断面積が変化する方向である操作方向Ａ１，Ａ２に移動可能に案内されている。なお、ガイド孔１７aの中途には、ダイアフラム押さえ３０のダイアフラム２０に対する偏心を抑えるために、ＯリングＲ１が設けられている。
ボンネット１７の下端面とバルブボディ１１の上側に形成された環状の支持部１１ｓとの間には、ダイアフラム２０の外周縁部と押さえアダプタ１５が介在しており、バルブボディ１１と螺合するボンネットナット１９を締め付けることにより、ボンネット１７，ダイアフラム２０および押さえアダプタ１５がバルブボディ１１に固定されるようになっている。

コネクタ４０は、上側部材４１および下側部材４２を有し、駆動部材としてのステムピストン７０の先端部７１を上下方向から挟むことにより、ステムピストン７０に固定されている。上側部材４１および下側部材４２はボルトにより互いに締結されている。コネクタ４０の下側部材４２の底面側には、上記したダイアフラム押さえ３０のカム部３０ｃの上端部分を受容する溝部４２ａが形成され、この溝部４２ａに傾斜面からなるカム面４２ｆが形成されている。カム面４２ｆは、上記したカム部３０ｃのカム面３０ｆと同じ角度で傾斜し、カム面３０ｆおよびカム面４２ｆは、互いに摺動可能に形成されている。

カバー５０は、中心軸線が途中で９０度に曲がった円筒状部材であり、一端がボルトＢＴによりボンネット１７に固定され、他端部にアクチュエータボディ６０の先端部が挿入され、アクチュエータボディ６０を支持している。アクチュエータボディ６０は、ボルトＢＴによりカバー５０に固定されている。
アクチュエータボディ６０は、操作方向Ａ１，Ａ２に直交する方向に伸びる、案内孔６０ａおよびシリンダを形成する内周壁面６０ｂを有し、案内孔６０aおよび内周壁面６０ｂによりステムピストン７０が操作方向Ａ１，Ａ２に直交する駆動方向Ｂ１，Ｂ２に移動可能に案内保持されている。
ステムピストン７０の先端側の軸部７２には、ＯリングＲ２を保持する小径の保持部７３が形成され、後端側の軸部７９には、ＯリングＲ４を保持する小径の保持部７７が形成されている。ステムピストン７０の中途には、拡径されたピストン部７４が形成され、ピストン部７４の外周にコイルバネ９０の一端を受け止めるバネ受け部７５およびＯリングＲ３を保持する保持部７６が一体的に形成されている。保持部７６の先端側の端面７６ａは、アクチュエータボディ６０の内周壁面６０ｂに隣接する端面６０ｃと当接可能となっており、端面６０ｃはステムピストン７０のＢ１方向への移動を規制するストッパとして機能する。
ステムピストン７０の内部には、エア流路７８が形成され、このエア流路７８は一端がステムピストン７０の後端面で開口するとともに、先端側の軸部７２とピストン部７４との境界部で開口している。
ＯリングＲ２は、ステムピストン７０の軸部７２とアクチュエータボディ６０との間をシールしており、ＯリングＲ３は、ピストン部７４の外周の保持部７６とアクチュエータボディ６０の内周壁面６０ｂとの間をシールしている。これにより、アクチュエータボディ６０とステムピストン７０との間には、気密な閉空間ＳＰ１が形成されている。気密な閉空間ＳＰ１は、エア流路７８と連通している。

アクチュエータボディ６０の後端側の外周には、有底円筒状に形成されたアクチュエータキャップ８０の先端部がねじ込まれている。アクチュエータキャップ８０の底部８１には、底面で開口するとともに中心軸線方向に伸びるエア供給路８２が形成されている。エア供給路８２の一部は、ステムピストン７０の後端側の軸部７９を案内保持する案内孔８３となっている。案内孔８３とステムピストン７０との間は、ＯリングＲ４によりシールされ、エア供給路８２に外部から供給される圧縮エアがステムピストン７０のピストン部７４側へ漏れないようになっている。エア供給路８２および案内孔８３が形成された円筒部８４の先端面８４ａは、ステムピストン７０のピストン部７４と当接可能に形成され、ステムピストン７０のＢ２方向への移動を規制するストッパとして機能する。
ステムピストン７０のバネ受け部７５とアクチュエータキャップ８０の底部８１との間には、コイルバネ９０が設けられており、このコイルバネ９０は、ステムピストン７０をＢ１方向へ常時付勢している。

次に、上記構成のダイアフラムバルブの作動の一例について説明する。
図３Ａに示すように、アクチュエータキャップ８０のエア供給路８２への圧縮エアの供給を停止したバルブ閉状態では、閉空間ＳＰ１内の圧力は大気圧と同じであり、ステムピストン７０はコイルバネ９０の付勢力によって、保持部７６の端面７６ａがアクチュエータボディ６０の端面６０ｃに当接する位置にある。この状態では、コネクタ４０がＢ１方向の最も前進した位置にあり、コネクタ４０のカム面４２ｆとダイアフラム押さえ３０のカム面３０ｆとの間のカム作用により、ダイアフラム押さえ３０はＡ２方向へ最も押し下げられた位置となる。この結果、ダイアフラム２０はＡ２方向へ押圧されて変形し、バルブシート１３に対して凸状に湾曲するとともにバルブシート１３に押し付けられる。この結果、ガス流路１２Ｃは遮断される。

バルブ閉状態から、図２Ａに示すように、アクチュエータキャップ８０のエア供給路８２へ圧縮エアを供給すると、閉空間ＳＰ１内の圧力が高まり、ステムピストン７０は、コイルバネ９０の付勢力に抗してＢ２方向に移動する。ステムピストン７０がＢ２方向に移動し、ステムピストン７０のピストン部７４がアクチュエータキャップ８０の円筒部８４の先端面８４ａに当接する位置で停止する。ステムピストン７０がＢ２方向に移動すると、コネクタ４０のカム面４２ｆもＢ２方向に後退し、ダイアフラム押さえ３０のカム面３０ｆを押し下げる力が作用しなくなる。ダイアフラム２０は自身の復元力又はガス流路１２Ｃ内の圧力により、バルブシート１３に対して凹状に湾曲する状態に復元する。バルブシート１３とダイアフラム２０との間には一定の隙間が形成される。この結果、ガス流路１２Ｃが開放される。

なお、本実施形態のダイアフラムバルブ１０では、コネクタ４０、カバー５０、アクチュエータボディ６０、ステムピストン７０、アクチュエータキャップ８０およびコイルバネ９０が、ダイアフラム押さえ３０を駆動する駆動機構を構成している。

ここで、図４Ａ，４Ｂは、ダイアフラム押さえの駆動機構をバルブボディ１１の横方向に突出させるのではなく、バルブボディ１１の上方に延在させたダイアフラムバルブ５１０を集積化した流体制御装置５００を示している。なお、図４Ａ，４Ｂにおいて、上記実施形態と同様の構成部分については同一の符号を使用している。
図４Ａと図１Ａとを比較すると分かるように、いずれの場合も、バルブボディ１１のベース部１１Ｂの仕様は標準化されているので、集積度はすでに高められており、本実施形態の収容ボックス１１０と比較例の収容ボックス６１０の幅寸法ＷＡは同じである。
一方、図４Ｂからわかるように、ダイアフラムバルブ５１０の駆動機構部分であるヘッド５１１は、バルブボディ１１の上方に伸びている。このため、図４Ｂと図１Ｂとを比較すると、収容ボックス１１０の高さＬＡと比較例の収容ボックス６１０の高さＬＢは、ＬＡ＜ＬＢとなる。したがって、本実施形態の収容ボックス１１０のほうが比較例よりも容積が小さく、集積度が高いことがわかる。
図４Ｂを参照すると、ダイアフラムバルブ５１０の右側には無駄なスペースＳＰが形成されていることがわかる。本実施形態によれば、ダイアフラム押さえ３０と、これを駆動する駆動機構とを分離し、駆動機構をバルブボディ１１の外形から横方向に突出させることで、無駄なスペースＳＰの有効活用をして集積度を高めることが可能となる。加えて、バルブボディ１１は標準化されたものを使用できるため、製造コストの上昇も最低限に抑制できる。

上記実施形態では、ステムピストン７０の移動方向を、ダイアフラム押さえ３０の移動方向に直交する方向としたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、斜め方向にすることも可能である。
上記実施形態では、カム機構を用いて運動方向を変換する場合を例に挙げたが、これに限定されるわけではなく、運動方向を変更できる機構であればいずれの機構も採用可能である。
上記実施形態では、ダイアフラム２０とダイアフラム押さえ３０とが分離しているが、これに限定されるわけではなく、ダイアフラムとこれを操作する操作部材とが連結していても良い。

上記実施形態では、いわゆるノーマルクローズのバルブについて説明したが、これに限定されるわけではなく、いわゆるノーマルオープンのバルブにも適用可能である。
上記実施形態では、開閉バルブ（ダイアフラムバルブ）を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、開閉だけでなく流量調整可能なバルブにも適用可能である。
上記実施形態では、ダイアフラムバルブを集積化した流体制御装置を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、ダイアフラムバルブに加えて、マスフローコントローラ等のその他の流体制御機器を集積した流体制御装置にも適用可能である。
上記実施形態では、ベース部の仕様が標準化された矩形状の底面をもつブロック状のバルブボディ１１を例示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、将来的に仕様が標準化される可能性のある形状、例えば、円柱形状等の種々のブロック状のバルブボディにも適用可能である。

１ 流体制御装置
１０ ダイアフラムバルブ
１１ バルブボディ
１３ バルブシート
１５ 押さえアダプタ
１７ ボンネット
１９ ボンネットナット
２０ ダイアフラム
３０ ダイアフラム押さえ（操作部材）
４０ コネクタ
４１ 上側部材
４２ 下側部材
５０ カバー
６０ アクチュエータボディ
７０ ステムピストン（駆動部材）
８０ アクチュエータキャップ
９０ コイルバネ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ Ｏリング
ＢＴ ボルト
１１０ 収容ボックス

Claims (7)

1. 流体流路を画定するとともに、ブロック状のベース部を有するバルブボディと、
   前記流体流路の一部を画定するように前記バルブボディに設けられて弁体として機能するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムが画定する流体流路の断面積を変更するように第１の方向に移動可能に保持された前記ダイアフラムを操作する操作部材と、
   前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動可能に保持され、前記操作部材と係合することにより前記操作部材を駆動する駆動部材と、
   を有することを特徴とするダイアフラムバルブ。
2. 前記駆動部材の前記第２の方向の運動は、カム作用により前記操作部材の第１の方向の運動に変換される、ことを特徴とする請求項１に記載のダイアフラムバルブ。
3. 前記バルブボディは、前記ベース部の底面に前記流体流路の開口を有し、前記底面にブロック状継手部材を適用可能に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のダイアフラムバルブ。
4. 前記駆動部材を含む駆動機構を有し、
   前記第１の方向から見て、前記駆動機構の少なくとも一部が前記バルブボディのベース部の側面から横方向に突出している、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のダイアフラムバルブ。
5. 複数の流体制御機器が集積化された流体制御装置であって、
   前記複数の流体制御機器の少なくとも一つが請求項１〜４のいずれかに記載のダイアフラムバルブである、ことを特徴とする流体制御装置。
6. 半導体製造プロセスにおいて使用される流体を制御する流体制御機器として、請求項１〜４のいずれかに記載のダイアフラムバルブを用いることを特徴とする半導体製造方法。
7. 半導体製造プロセスにおいて使用される流体を制御する流体制御装置として、請求項５の流体制御装置を用いることを特徴とする半導体製造方法。
   

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