JP2018080726A - シール装置およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】壁部に設けられた貫通穴と、貫通穴に挿入設置される軸部との間に生じる隙間を確実かつ簡易な構造で気密封止することを可能にする。【解決手段】壁部に設けられた貫通穴に挿入設置される軸部の外周面と、貫通穴内周面との間の隙間を気密封止するシール装置であって、軸部の外周側を覆って貫通孔周囲の壁面に沿って配置され、軸部が貫通するシール軸孔を有するシール部材と、シール部材を基準にして壁面の反対側に位置して少なくともシール部材の外面を覆い、シール部材のシール軸孔に応じて軸部が貫通する軸孔を有するカバー部材と、カバー部材を壁面に押圧する押圧部材と、を有し、シール部材は、押圧部材と対向する外面の内周面側に、シール部材の内周端に向けて壁面側に近づくテーパ面を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、壁部に設けられた貫通穴と、前記貫通穴に挿入設置される軸部との間に生じる隙間を気密封止するシール装置と、前記シール装置を有するプラズマ処理装置に関するものである。

高周波放電によってガスをプラズマ化させる装置には、高周波を放電させるアンテナをチャンバの内部に備えるものが知られている。このプラズマ処理装置では、アンテナ導入部と真空容器との間の隙間を気密封止する必要がある。
従来、チャンバなどに生じる隙間を気密封止する手段として、例えば特許文献１、２で提案されているものがある。
特許文献１に開示されている技術では、処理室である反応管内の温度を検知する温度検知管を有しており、反応管に設けられた温度検知ポートに温度検知管が挿通されている。温度検知ポートの周壁面には、温度検知管が貫通する当接体の当接面が当接されるとともに温度検知ポートの開口端面の隙間がＯリングで密閉されている。密閉されている当接体の内部空間では、温度検知管の軸方向に沿って一対のＯリングが所定の間隔で配されて締め付けにより気密性を得ており、一対のＯリング間の空間に、減圧排気部が接続されている。
特許文献２に開示されている技術では、真空容器に設けられた孔にパイプが挿通され、パイプは円筒形状のハウジングで真空容器壁面に取り付けられている。ハウジング内ではパイプの軸方向に沿って、二つのＯリングを所定の間隔をあけて配置して、孔とパイプとの間の隙間に対する気密性を得ている。

特開平１１−１４５０７２号公報 特開２０１１−２４１９１７号公報

しかし、特許文献１に開示されたシール構造では、軸シールが単一のＯリングでなされているため、Ｏリングの位置ずれなどによって気密性が損なわれるおそれがあり、さらに高真空プロセスの場合、気密性が十分ではない。さらに形状が複雑であり、コストやメンテナンスに手間がかかる。
特許文献２に開示されたシール構造では、二つのＯリングが配置されているため、位置ずれに起因したシール機能の低下が防止されているが、Ｏリング間でガスが滞留（大気からの真空引きの場合、空気）しやすく、高真空まで真空引きを行う場合、時間が掛かってしまう。またパイプとハウジングとの間で真空漏れが起きてしまった場合、二つのＯリングのどちらが、真空漏れを起こしたかを判断することができない。また、ハウジングの形状も複雑になって製作工程が増えてしまう。

この発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、簡易な構造で気密性に優れたシール装置を提供することを目的の一つとしている。

すなわち、本発明のシール装置のうち第１の本発明は、壁部に設けられた貫通穴に挿入設置される軸部の外周面と、前記貫通穴内周面との間の隙間を気密封止するシール装置であって、
前記軸部の外周側を覆って前記貫通孔周囲の壁面に沿って配置され、前記軸部が貫通するシール軸孔を有するシール部材と、前記シール部材を基準にして前記壁面の反対側に位置して少なくとも前記シール部材の外面を覆い、前記シール部材のシール軸孔に応じて前記軸部が貫通する軸孔を有するカバー部材と、
前記カバー部材を前記壁面に押圧する押圧部材と、を有し、
前記シール部材は、前記押圧部材と対向する外面の内周面側に、シール部材の内周端に向けて前記壁面側に近づくテーパ面を有することを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において前記カバー部材は、前記シール部材の側面側を覆う側壁を有するハウジング構造からなることを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において、前記テーパ面の傾斜角度が３〜２０°であることを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において、前記シール部材の外面は、テーパ面外側に０．５〜１．５ｃｍの径方向長さを有する平坦面を有することを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において、前記シール部材は、前記壁部側に位置する地点と前記テーパ面の内周端となる地点の間の肉厚が０．５〜２ｃｍ以上であることを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において、前記押圧部材が前記カバー部材の外面側から前記カバー部材を押圧した状態で前記壁面に取り付けられる固定具であることを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において、前記シール部材は、押圧部材による押圧によって前記シール軸孔の内周面が前記軸部外周面に押圧されるものであることを特徴とする。

他の形態のシール装置の発明は、前記形態において、前記貫通孔が真空容器壁部または真空容器との間に介在した部材の壁部に設けられたものであることを特徴とする。

本発明のプロセス処理装置のうち、第１の形態は、前記形態に記載されたシール装置を有し、前記シール装置で気密封止される軸部を高周波アンテナとして備えることを特徴とする。

他の形態のプロセス処理装置の発明は、前記形態において、 前記軸部に接続される電気接続端子をさらに備え、シール部材の外面を覆うカバー部材が誘電体からなることを特徴とする。

この発明によれば、簡単な構造で高い気密性を得ることができるシール装置が得られる効果がある。

本発明の一実施形態のシール装置を示す分解斜視図である。 同じく、シール部材を示す断面図である。 同じく、シール装置の取付状態を示す側面図である。 同じく、シール装置の取付状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。 本発明のシール部材と単一Ｏリングとの気密性を比較した模式図である。 本発明のシール部材とテーパ面を有していないシール部材の比較をした模式図である。

（実施形態１）
以下に、本発明の一実施形態のシール装置およびプラズマ処理装置を添付図面に基づいて説明する。
シール装置１は、図１に示すように、シール部材２とカバー部材４を有している。シール部材２は、軸部が貫通するためのシール軸孔３を中央に有する薄肉円柱形状からなる。カバー部材４は、シール部材２の外面を覆う蓋部４Ａとシール部材２の側面周囲を覆う周壁部４Ｂを有し、これらの間に円柱形状の凹入穴５Ａを有するハウジング形状を有しており、蓋部４Ａの中央に軸部が貫通するための軸孔５Ｂを有している。凹入穴５Ａは、シール部材２がほぼ隙間なく収まる形状を有しており、凹入穴５Ａの深さは、後述するようにカバー部材４を押圧した際に、シール部材２の底面が密接対象の壁部に密接するように設定する。

蓋部４Ａは、シール部材２を基準にしてシール装置１が取り付けられる側とは反対側でシール部材２の外面を覆うものである。
また、カバー部材４には、蓋部４Ａから周壁部４Ｂに亘って貫通する４つのボルト貫通孔５Ｃが等角度間隔で形成されており、各ボルト貫通孔５Ｃには、ボルト６が挿入されてシール装置１の取付けを行う壁部に固定する。ボルト６は、シール装置１を壁部に取り付けた際にカバー部材４およびシール部材２を壁部側に押圧するものであり、この実施形態では、ボルト６は本発明の押圧部材に相当する。

この実施形態では、カバー部材４は、蓋部４Ａと周壁部４Ｂとを有するものとして説明したが、シール部材２を基準にして取付けを行う壁部の反対側の外面を覆う形状のみで構成されているものであってもよい。
なお、シール部材２、カバー部材４の材質は本発明としては特に限定されるものではないが、樹脂などを用いることができる。後述する真空装置などに用いられる場合は、フッ化系の材料を用いることができ、例えばフッ素ゴムなどを用いることができる。軸部に通電されるような用途では、シール部材２、カバー部材４を絶縁材で構成するのが望ましく、高周波を用いる場合は、これらの材質を誘電体とするのが望ましい。

また、この実施形態では、図１、２に示すように、シール部材２の外面にテーパ面２Ｃを有している。シール部材２は、シール装置１の取付けが行われる側の平坦面からなる第１の外面２Ａと、カバー部材４の内面と接する側の平坦面である第２の外面２Ｂとを有している。第２の外面２Ｂでは、内周側に、シール軸孔３に向けて次第に第１の外面２Ａに近づくように傾斜したテーパ面２Ｃを有しており、その傾斜角度は、第２の外面２Ｂの平坦面からθの傾斜角度を有している。θの角度としては３°〜２０°が望ましい。θの角度が３°より小さいと、テーパ面を設けた効果が十分に得られない。θの角度が２０°を超えると、第１の外面２Ａの地点とテーパ面２Ｃのシール軸孔３における地点との間の距離Ｔが小さくなり、シール性が損なわれる。なお、θの角度は、同様の理由で下限を５°、上限を１０°とするのが一層望ましい。なお、テーパ面２Ｃは、次第に第１の外面２Ａに近づくように傾斜していればよく、必ずしも直線的な傾斜面を有している必要はなく、適宜傾斜をしているものであればよい。

テーパ面２Ｃは、径方向において、１〜１．５ｃｍの長さを有するのが望ましい。これは１ｃｍ未満であると、押圧により発生したシール部材２の応力を逃がすことが出来ず、１．５ｃｍを超えると、シール部材２の押圧による変形が小さくなり、封止性能が得られないためである。同様の理由で、下限を１．２ｃｍ、上限を１．３ｃｍとするのが望ましい。

また、距離Ｔは、０．５〜２ｃｍの範囲が望ましい。これは０．５ｃｍ未満であると、シール部分の面積が小さくなり封止特性が得られない、２ｃｍを超えると、シール部材２の押圧による変形が小さくなり、封止性能が得られないためである。同様の理由で、下限を１ｃｍ、上限を１．５ｃｍとするのが望ましい。

また、第２の外面２Ｂは、径方向において長さＷとして０．５ｃｍ〜１．５ｃｍを有しているのが望ましい。これは０．５ｃｍ未満であると、押圧箇所の据わりが悪く、全体が均一に押圧できなくなり封止特性が損なわれる、１．５ｃｍを超えると、シール部材２の押圧による変形が小さくなり、封止性能が得られないためである。同様の理由で、下限を０．８ｃｍ、上限を１．２ｃｍとするのが望ましい。

次に、シール装置１が取り付けられた状態を図３、４に基づいて説明する。
この実施形態では、シール装置１がフランジ８に取り付けられており、フランジ８を真空容器に気密に取り付けることができる。真空容器にシール装置１を取り付ける際に、真空容器の外壁に直接シール装置１を取り付けるようにしてもよく、また、フランジ８のように、他の部材を介して真空容器にシール装置１を取付けるようにしてもよい。シール装置１では、カバー部材４の軸孔５Ｂおよびシール部材２のシール軸孔３を軸部としてのパイプ７が貫通している。パイプ７は、図示しない真空容器に形成された貫通穴に挿通される。

カバー部材４に設けられた各ボルト貫通孔５Ｃにはボルト６が挿入されてフランジ８のねじ穴にねじ込まれている。これによりボルト６の応力がカバー部材４に加わって押圧力が与えられ、さらに、この押圧力がシール部材２に加わって、シール部材２を適度に変形させ、シール部材２の第１の外面とフランジ外面との接触およびシール部材２のシール軸孔３とパイプ７外面との接触が密接状態になり、確実なシール性を得ることができる。したがって、この実施形態ではボルト６は、本発明の押圧部材に相当する。なお、本発明としては、押圧部材の構成は特に限定されるものではなく、バネなどの付勢部材などを用いてもよい。また、真空容器や取付けで介在する側に固定された部材の一部でカバー部材を取付側に押圧するように構成するものであってもよい。

（実施形態２）
次に、シール装置１が取り付けられた、具体的な例を図５に基づいて説明する。
本実施形態のシール装置１は、高周波アンテナを備えるプラズマ処理装置２０に使用するものであり、この実施形態では、軸部としてパイプ状のプラズマアンテナ１７が用いられている。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して、その説明を省略または簡略化する。

プラズマ処理装置２０は、真空減圧可能な処理室２１を備えており、処理室２１には、処理室２１内を真空排気する真空排気系２２が接続されている。さらに処理室２１にはプラズマガスを導入するプラズマガス導入部２３と、反応ガスを導入するガス導入部２４とが接続されている。この実施形態では処理室２１は本発明の真空容器に相当する。

処理室２１内には、被処理体である基板１００を保持するための基板ホルダー２５が設けられており、基板１００は、シリコンウエハなどの半導体基板や、ガラス基板などが用いられる。基板ホルダー２５には、図示しない基板用ヒーターを設けて基板ホルダー２５上の基板１００を加熱できるようにしてもよい。また、基板ホルダー２５を処理室２１と絶縁し、さらに図示しないバイアスを掛けられるバイアス電源を備えることで、基板ホルダー２５上の基板１００にバイアスを印加した状態でプラズマ処理を行うことができる。

プラズマアンテナ１７は、実施形態１で示したシール装置１によって処理室２１に取り付けられており、プラズマアンテナ１７内には、必要に応じて冷却水や冷却ガスなどの冷媒を流すことができる。
プラズマアンテナ１７には、電気接続端子２６を接続することで高周波アンテナとして利用できる。電気接続端子２６には、マッチングボックス２７を介して高周波電源２８が接続されており、他端は接地電位に接続されている。なお、この実施形態では、プラズマアンテナ１７と処理室２１との通電を防ぎ、高周波の影響を防ぐため、フランジ８には誘電体が用いられる。
本実施形態では、プラズマアンテナ１７とフランジ８の貫通孔８Ａとの間の気密性が確保される。また、プラズマアンテナ１７に生じる振動などによって気密性が損なわれることなく安定した気密性が得られる。さらに、シール装置１の構造は簡略であり、取り外しも容易であるため保守作業が容易であり、プラズマアンテナの補修、交換なども容易に行うことができる。

次に、本発明の動作を比較例と比較しつつ説明する。
図６に機密性能力を評価する図を示す。Ａ図は、本発明におけるシール部材の端面形状を示し、Ｂ図に従来の単Ｏリング（比較材）の端面形状を示す。
本発明では、比較的小さい押圧によっても、Ａ図下図に示すように、広い面積で他部材と接触することができ、変形力を大きくしなくても良好な気密性が得られる。一方、単Ｏリングでは、接触面積が小さく、本発明と同等の接触面積を得ようとすると、Ｂ図の下図に示すように大きな変形を与える必要があり、早期にダレが生じて封止性能が損なわれる。本発明では、単Ｏリングと同等の接触面積を比較的小さい押圧によって得ることができる。

次に、本発明におけるテーパ面の作用を示すために、本発明の実施例（発明材）と、テーパ面を設けていないシール部材を用いた比較例とを図７に示す。
Ｂ図に示すようにテーパ部分は押圧力によってシール部材が変形して発生する余分な応力の逃がす空間になる。
一方、Ａ図は、テーパ無しの形状でシール部材を構成したものであり、押圧力によってシール部材が変形する際に、目的の変形量に達する前にハウジングが過度な応力が加わり破損しやすくなる。ハウジングを剛性の高いものに変更すると、ハウジング自体が大きくなってしまう。ハウジングが大きくなるとシール装置が大型化し、省スペース化という観点から好ましくない。

以上、本発明について上記実施例および実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは実施形態および実施例に対し適宜の変更が可能である。

１ シール装置
２ シール部材
２Ａ 第１の外面
２Ｂ 第２の外面
２Ｃ テーパ面
３ シール軸孔
４ カバー部材
４Ａ 蓋部
４Ｂ 周壁部
５Ａ 凹入穴
５Ｃ ボルト貫通孔
６ ボルト
７ パイプ
８ フランジ
１７ プラズマアンテナ
２０ プラズマ処理装置
２１ 処理室
２６ 電気接続端子

Claims (10)

1. 壁部に設けられた貫通穴に挿入設置される軸部の外周面と、前記貫通穴内周面との間の隙間を気密封止するシール装置であって、
   前記軸部の外周側を覆って前記貫通孔周囲の壁面に沿って配置され、前記軸部が貫通するシール軸孔を有するシール部材と、前記シール部材を基準にして前記壁面の反対側に位置して少なくとも前記シール部材の外面を覆い、前記シール部材のシール軸孔に応じて前記軸部が貫通する軸孔を有するカバー部材と、
   前記カバー部材を前記壁面に押圧する押圧部材と、を有し、
   前記シール部材は、前記押圧部材と対向する外面の内周面側に、シール部材の内周端に向けて前記壁面側に近づくテーパ面を有することを特徴とするシール装置。
2. 前記カバー部材は、前記シール部材の側面側を覆う側壁を有するハウジング構造からなることを特徴とする請求項１記載のシール装置。
3. 前記テーパ面の傾斜角度が３〜２０°であることを特徴とする請求項１または２に記載のシール装置。
4. 前記シール部材の外面は、テーパ面外側に０．５〜１．５ｃｍの径方向長さを有する平坦面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. 前記シール部材は、前記壁部側に位置する地点と前記テーパ面の内周端となる地点の間の肉厚が０．５〜２ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシール装置。
6. 前記押圧部材が前記カバー部材の外面側から前記カバー部材を押圧した状態で前記壁面に取り付けられる固定具であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシール装置。
7. 前記シール部材は、押圧部材による押圧によって前記シール軸孔の内周面が前記軸部外周面に押圧されるものであることを特徴とする請求項６記載のシール装置。
8. 前記貫通孔が真空容器壁部または真空容器との間に介在した部材の壁部に設けられたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のシール装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のシール装置を有し、前記シール装置で気密封止される軸部を高周波アンテナとして備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 前記軸部に接続される電気接続端子をさらに備え、シール部材の外面を覆うカバー部材が誘電体からなることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理装置。

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