JP2019124194A - 真空バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ分子ポンプのような高真空用のポンプで、大気開放後の真空チャンバを吸引する場合等、所定の圧力以上の真空チャンバを吸引する場合であっても、ポンプの破損を防止できる真空バルブを提供する。【解決手段】真空バルブ１は、バルブ開口１５と、バルブ開口１５を開閉する開閉弁（バルブプレート）１６と、開閉弁１６を開閉制御する制御装置１３とを備え、制御装置１３は真空装置内の圧力が第１圧力以上か否かを判断し、真空装置内の圧力が第１圧力以上であると判断した場合には、開閉弁を全閉に制御するか、または、開閉弁の最大開閉速度を第１速度に設定し、真空装置内の圧力が第１圧力よりも低いと判断した場合には、開閉弁の最大開閉速度を第１速度より速い第２速度に設定する。【選択図】図４

Description

本発明は、真空バルブに関する。

真空処理装置の真空チャンバにターボ分子ポンプなどの真空ポンプを装着する場合には、一般的に真空バルブを介在させる。特許文献１には、真空処理装置の真空チャンバとターボ分子ポンプの間に、開閉弁を有する真空バルブを介在させ、開閉弁を開閉することで真空チャンバ内のプロセスガスの圧力を制御する真空制御システムの例が開示される。

特開２０１１−２４８９１６号公報

ターボ分子ポンプのような高真空用のポンプは、高真空領域での使用を前提に設計されている。従って、大気開放後の真空チャンバを吸引する場合等で、チャンバ内の圧力が１０００ｐａ程度以上になった状態でターボ分子ポンプを動作させると、多量のガス分子が高速で作動するターボ翼に衝突することによりターボ分子ポンプが破損する恐れがある。しかし、特許文献１に記載の発明では、上記の状況においてターボ分子ポンプを保護する手段は示されていない。

本発明の真空バルブは、真空装置と真空ポンプとの間に接続される真空バルブであって、バルブ開口と、前記バルブ開口を開閉する開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記真空装置内の圧力が第１圧力以上か否かを判断し、前記真空装置内の圧力が前記第１圧力以上であると判断した場合には、前記開閉弁を全閉に制御するか、または、前記開閉弁の最大開閉速度を第１速度に設定し、前記真空装置内の圧力が前記第１圧力よりも低いと判断した場合には、前記開閉弁の最大開閉速度を前記第１速度より速い第２速度に設定する。

本発明によれば、接続される真空装置内が比較的高圧であっても真空ポンプの破損を防止する真空バルブを実現できる。

本発明の実施形態による真空バルブの斜視図。 本発明の実施形態による真空バルブの上面図。 本発明の実施形態による真空バルブを組み込んだ真空装置の側面概略図。 開閉弁の最大開閉速度の設定フローの第１実施形態を示すフローチャート。 開閉弁の最大開閉速度の設定フローの変形例を示すフローチャート。 開閉弁の最大開閉速度の設定フローの第２実施形態を示すフローチャート。

（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による真空バルブ１の外観を示す斜視図である。
真空バルブ１は、バルブ本体１１と駆動部１２とを備えている。バルブ本体１１には、開口部１５が形成されていると共に、フランジ１８と、開閉弁の一形態としてのスライド駆動されるバルブプレート１６とを備えている。図示は省略するが、バルブ本体１１のフランジ１８とは反対側の図中下方側に、別のフランジを備えている。同じく図示は省略するが、駆動部１２には、バルブプレート１６を駆動するモータが設けられ、モータは制御装置１３から伝達される制御信号により駆動される。バルブプレート１６は、バルブプレート１６の面と平行な方向にバルブ本体１１内の回転中心１７を中心として回転移動するように構成されている。

図１中の破線円１６ｅは、図中で最も右側に移動した状態のバルブプレート１６を表しており、この状態では開口部１５はバルブプレート１６に遮蔽されず、全開状態となる。バルブプレート１６の回転位置を変更することにより、開口部１５の開口面積を変更することができる。
制御装置１３は、モータの駆動を通してバルブプレート１６の位置を制御し、すなわち、開口部１５の開口面積を制御する。

図２は、真空バルブ１の外観を示す上面図である。上述のとおり、バルブプレート１６は、回転中心１７を中心として回転移動するように構成されている。図２では、図１と同様に、バルブプレート１６は開口部１５の一部を遮蔽する位置に配置されている。以下では、開口部１５のうちバルブプレート１６に遮蔽されない部分を有効開口部１９とし、有効開口部１９の面積を開口面積とする。
また、開口部１５を完全に遮蔽する際のバルブプレート１６の中心位置１６ａを回転中心１７と接続した直線と、開口部１５から退避するバルブプレート１６の中心位置１６ｃを回転中心１７と接続した直線との開き角、すなわち、バルブプレート１６の回転角度を、角度位置θとする。

図３は、真空バルブ１を真空装置１００に組み込んだ一例を示す図である。真空バルブ１のフランジ１８は、半導体製造装置等の真空チャンバ２のバルブ取り付け部３に固定されている。一方、バルブ本体１１に対してフランジ１８の反対側にある上述の別のフランジは、ターボ分子ポンプ４の真空側取り付け部４ａに取り付けられている。

真空装置１００においては、真空バルブ１のバルブプレート１６の位置を変化させ有効開口部１９の開口面積を変化させることで、真空チャンバ２からターボ分子ポンプ４に流れる気体の流量、すなわち、ターボ分子ポンプ４の排気能力が調整される。
真空チャンバ２には、真空チャンバ２を粗排気するための配管６も接続され、配管６はバルブ９を介して配管７に接続され、配管７は、粗排気用のバックポンプ８に接続されている。

ターボ分子ポンプ４の排気口には配管５が接続されており、配管５は配管７と合流してバックポンプ８に接続されている。
真空チャンバ２には圧力計１０が設けられており、真空チャンバ２内の気体の圧力を計測する。圧力計１０による圧力の計測値は電気信号Ｓｐに変換され、真空バルブ１の入力装置１４に入力される。

次に、真空装置１００において、メンテナンス等のために大気開放した真空チャンバ２を真空に復帰させる工程の一例を説明する。
なお、真空チャンバ２をメンテナンス等のために大気開放する際には、メンテナンス担当者は、事前にバルブ９を閉じ、真空バルブ１のバルブプレート１６を有効開口部１９が最小または全閉（開口面積が０）としておくことが好ましい。このように設定することで、メンテナンス後の真空への復帰時間を短縮できる。

大気圧状態にある真空チャンバ２を真空に復帰する際には、メンテナンス担当者はバルブ９を開き、バックポンプ８の吸引力により真空チャンバ２を粗排気する。そして、メンテナンス担当者は、真空バルブ１の制御装置１３に対し、バルブプレート１６の開閉制御の許可を入力する。

（制御フローの第１実施形態）
従来の真空バルブと同様に、本例の真空バルブ１も、バルブプレート１６を駆動（開閉）して有効開口部１９の開口面積を可変とすることで、真空チャンバ２内の圧力を制御する。半導体製造装置としての生産性を挙げるためには、プロセスガスの導入時やプロセスガスの排気時に真空チャンバ２内の圧力を高速に変化させる必要があるため、一般にバルブプレート１６は高速で開閉動作することが好ましい。
ただし、本例の真空バルブ１は、接続されるターボ分子ポンプ４を保護するために、真空チャンバ２内の圧力が高い場合には、制御装置１３がバルブプレート１６の最大開閉速度を抑制する。

図４は、制御装置１３による開閉弁（バルブプレート１６）の最大開閉速度の設定フローの第１実施形態を示したフローチャートを表す。
バルブプレート１６の開閉制御が許可されると、設定フローはステップＳ１１に進み、制御装置１３は、入力装置１４に入力された真空チャンバ２内の圧力の計測値を読み込む。
真空チャンバ２内の圧力計測値が所定の第１圧力以上の場合には、真空チャンバ２内の圧力がまだ高く、有効開口部１９の開口面積が急激に増大するとターボ分子ポンプ４を破損する恐れがある。そこで、ステップＳ１２に進み、バルブプレート１６の開閉動作の最大開閉速度を比較的低速な第１速度に制限する。その後、設定フローはステップＳ１１に戻り、ステップ１２とステップ１１の間のループを繰り返す。

真空チャンバ２内の圧力は、バックポンプ８による粗排気と一部ではあるがターボ分子ポンプ４による排気とにより、時間と共に低下していく。真空チャンバ２内の圧力が所定の第１圧力より低くなりターボ分子ポンプ４を破損する恐れが解消した際には、制御装置１３による設定フローはステップ１１からステップ１３に進む。そして、制御装置１３はバルブプレート１６の開閉動作の最大開閉速度を上述の第１速度より速い第２速度に設定する。
その結果、バルブプレート１６の開閉動作は高速化され有効開口部１９の開口面積が比較的短時間で増大し、真空チャンバ２はターボ分子ポンプ４の高い排気能力により排気される。その後、メンテナンス担当者がバルブ９を閉じ粗排気系（配管６およびバルブ９）を閉鎖することで、真空チャンバ２内が高真空化される。

上記の例において、バルブプレート１６の開閉速度とは、有効開口部１９の開口面積の単位時間あたりの変化量をいう。
第２速度は、例えば、バルブプレート１６やモータの構造上から実現できる機械的な最大開閉速度とするが、機械的な最大開閉速度に対してある程度の安全係数（０．５以上、かつ１以下）を掛けた速度としても良い。
なお、現在市販されている真空バルブにおいては、開閉弁の全閉から全開に要する時間は１秒程度のものが一般的であるので、本例においても第２速度は、有効開口部１９が全閉から全開するまでの所要時間が１秒程度となる速度に定めてもよい。

第１速度は、第２速度の例えば５％程度から２５％程度の速度とする。第１速度が第２速度の５％より小さいと、ステップＳ１２による低速制御時にはターボ分子ポンプ４による排気が実質的に機能しなくなり、排気速度が低下する。一方２５％より大きいと、真空チャンバ２内の圧力が比較的高くてもバルブプレート１６が急激に開くことになり、ターボ分子ポンプ４が破損する恐れがある。

なお、ステップＳ１２およびステップＳ１３のいずれにおいても、バルブプレート１６は開閉の最大開閉速度がそれぞれ第１速度および第２速度に制限されているだけであって、それぞれの最大開閉速度よりも遅い開閉速度での開閉も可能であることは言うまでもない。

ステップＳ１１での判断の基準となる第１圧力は、使用するプロセスガスの分子量や使用するターボ分子ポンプ４によっても異なるが、１００〜１０００Ｐａ程度の圧力とすることが望ましい。第１圧力がこれより高いとターボ分子ポンプ４を破損する恐れがあり、これより低いと真空チャンバ２の真空引きに要する時間が長くなり処理能力が低下する。

（制御フローの変形例）
図５は、制御装置１３による開閉弁（バルブプレート１６）の最大開閉速度の設定フローの変形例を示したフローチャートを表す。
本変形例においても、バルブプレート１６の開閉制御が許可されると、設定フローはステップＳ２１に進み、制御装置１３は、入力装置１４に入力された真空チャンバ２内の圧力の計測値を読み込む。本変形例においては、真空チャンバ２内の圧力が所定の第１圧力以上の場合には、設定フローはステップＳ２２に進み、バルブプレート１６を全閉（開口面積＝０）に制御してターボ分子ポンプ４を保護する点が、上述の第１実施形態と異なっている。

真空チャンバ２内の圧力は、バックポンプ８による粗排気により、時間と共に低下していく。そして、真空チャンバ２内の圧力が所定の第１圧力より低くなりターボ分子ポンプを破損する恐れが無くなった際には、設定フローはステップ２１からステップ２３に進み、制御装置１３はバルブプレート１６の開閉動作の最大開閉速度を上述の第２速度に設定する。

以上の実施形態（制御フローの第１実施形態および変形例を含む）においては、真空バルブ１中の開閉弁を回転式のバルブプレート１６としたが、これに代えて１方向に直線的にスライドするプレートを使用しても良い。また、バタフライ弁等の他の方式の開閉弁を使用しても良い。
また、バルブプレート１６の開閉速度として、上述の有効開口部１９の開口面積の単位時間あたりの変化量のみでなく、回転中心１７に対するバルブプレート１６の角度位置θの単位時間あたりの変化量を使用しても良い。
また、真空ポンプもターボ分子ポンプ４に限らず、他の高真空用のポンプであってもよい。

（実施形態の効果）
以上の実施形態（制御フローの第１実施形態および変形例を含む）の真空バルブ１は、開閉弁（バルブプレート）１６を開閉制御する制御装置１３とを備える。制御装置１３は真空装置内の圧力が第１圧力以上か否かを判断し、真空装置内の圧力が第１圧力以上であると判断した場合には、開閉弁を全閉に制御するか、または、開閉弁の最大開閉速度を第１速度に設定し、真空装置内の圧力が第１圧力よりも低いと判断した場合には、開閉弁の最大開閉速度を第１速度より速い第２速度に設定する。
このような構成としたので、接続される真空チャンバ２内が比較的高圧であっても真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）４の破損を防止することができる。
また、真空チャンバ２の高真空化を短時間で実現すると共に、従来は必要であった開閉弁１６の開閉に関するメンテナンス担当者の作業を最小限に留めることができ、真空装置１００を低コストで運転することができる。

（制御フローの第２実施形態）
図６は、制御装置１３による開閉弁（バルブプレート１６）の最大開閉速度の設定フローの第２実施形態を示したフローチャートを表す。
設定フローの本第２実施形態においても、真空バルブ１自体は図１から図３に示した実施形態の真空バルブ１と同様である。ただし、開閉弁（バルブプレート１６）の最大開閉速度が３段階に設定される点が、上述の設定フローの第１実施形態とは異なっている。

バルブプレート１６の開閉制御が許可されると、設定フローはステップＳ３１に進み、制御装置１３は、入力装置１４に入力された真空チャンバ２内の圧力の計測値を読み込む。
制御装置１３は、真空チャンバ２内の圧力が所定の第１圧力以上の場合には、第１のステップＳ３２に進み、上述の制御フローの第１実施形態と同様に、バルブプレート１６の開閉動作の最大開閉速度を比較的低速な第１速度に制限する。そして、ステップＳ３１に戻る。

ステップ３１とステップ３２のループを繰り返し、真空チャンバ２内の圧力が所定の第１圧力より低くなった場合には、設定フローはステップ３１からステップ３３に進む。制御装置１３は、ステップ３３において、真空チャンバ２内の圧力と所定の第２圧力とを比較する。第２圧力は、上述の第１圧力よりも低い圧力である。制御装置１３は、真空チャンバ２内の圧力が第２圧力以上の場合には、ステップＳ３４に進みバルブプレート１６の開閉動作の最大開閉速度を上述の第１速度よりも高速な第２速度に設定する。

そして、設定フローはステップＳ３３に戻り、ステップ３３とステップ３４の間のループを繰り返し、真空チャンバ２内の圧力が所定の第２圧力より低くなった場合には、ステップ３５に進み、制御装置１３は、バルブプレート１６の開閉動作の最大開閉速度を上述の第２速度より速い第３速度に設定する。これにより、バルブプレート１６は高速での動作が可能となり、真空チャンバ２はターボ分子ポンプ４の高い排気能力により排気される。
その後、メンテナンス担当者がバルブ９を閉じ粗排気系を閉鎖することで、真空チャンバ２内が高真空化される。

本制御フローの第２実施形態においては、第３速度が、例えばバルブプレート１６やモータの構造上から実現できる機械的な最大開閉速度となる。もちろん、第３速度は、機械的な最大開閉速度に対してある程度の安全係数（０．５以上、かつ１以下）を掛けた速度としても良い。

第２速度は、第３速度の例えば１０％程度から２０％程度の速度とし、第１速度は、第３速度の例えば５％程度から１５％程度であって第２速度より遅い速度とする。第１速度が第３速度の５％より小さいと、ステップＳ１２による低速制御時にはターボ分子ポンプ４による排気が実質的に機能しなくなる。一方、真空チャンバ２の真空引きに要する時間を短縮するためには、第１速度を第３速度の１５％より大きく設定するよりも、上述の第２速度を第３速度の１０％程度から２０％程度に設定して、ステップ３４における排気速度を向上させた方が、効果的である。

ステップＳ３１の判断の基準となる第１圧力は、使用するプロセスガスの分子量や使用するターボ分子ポンプ４によっても異なるが、１００〜３００Ｐａ程度の圧力に設定することが望ましい。
ステップＳ３３の判断の基準となる第２圧力は、使用するプロセスガスの分子量や使用するターボ分子ポンプ４によっても異なるが、３００〜１０００Ｐａ程度の圧力に設定することが望ましい。
第１圧力および第２圧力がこれより高いとターボ分子ポンプ４を破損する恐れがあり、これより低いと真空チャンバ２の真空引きに要する時間が長時間化し処理能力が低下する。

なお、本制御フローの第２実施形態においては、ステップＳ３２において開閉速度の最大開閉速度を第１速度としてバルブプレート１６を制御するものとしたが、上述の図５に示した変形例と同様に、ステップＳ３２においてはバルブプレート１６を全閉とすることもできる。そして、この場合には、第２速度は、第３速度の５％から２５％程度に設定することが好ましい。その理由は、上述の制御フローの第１実施形態における第１速度の範囲の理由と同様である。

（制御フローの第２実施形態の効果）
以上の制御フローの第２実施形態では、制御装置１３は、上述の制御フローの第１実施形態および変形例に比べ、さらに、入力装置１４から入力された圧力計測値が第１圧力より低い第２圧力よりもさらに低い場合には、開閉弁（バルブプレート１６）の最大開閉速度を第２速度より速い第３速度とする。
このような構成としたので、接続される真空チャンバ２内が比較的高圧であっても真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）４の破損を防止することができる。
また、真空チャンバ２の高真空化を、上述の実施形態に比べてさらに短時間で実現することができる。

本発明は以上の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１：真空バルブ、２：真空チャンバ、４：ターボ分子ポンプ、８：バックポンプ、１０：圧力計、１１：バルブ本体、１２：駆動部、１３：制御装置、１４：入力装置、１５：開口部、１６：開閉弁（バルブプレート）、１８：有効開口

Claims (6)

1. 真空装置と真空ポンプとの間に接続される真空バルブであって、
   バルブ開口と、
   前記バルブ開口を開閉する開閉弁と、
   前記開閉弁を開閉制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記真空装置内の圧力が第１圧力以上か否かを判断し、
   前記真空装置内の圧力が前記第１圧力以上であると判断した場合には、前記開閉弁を全閉に制御するか、または、前記開閉弁の最大開閉速度を第１速度に設定し、
   前記真空装置内の圧力が前記第１圧力よりも低いと判断した場合には、前記開閉弁の最大開閉速度を前記第１速度より速い第２速度に設定する真空バルブ。
2. 請求項１に記載の真空バルブであって、
   前記第１圧力が、前記開閉弁の最大開閉速度を前記第２速度とした場合に、前記真空ポンプが破損する圧力であり、
   前記第１速度が、前記真空装置内の圧力が前記第１圧力以上であっても、前記真空ポンプが破損しない速度であり、
   前記第２速度が、前記開閉弁を駆動するモータの構造上から実現できる最大開閉速度、又は、前記開閉弁を駆動するモータの構造上から実現できる最大開閉速度に所定の安全係数を乗算した速度である、真空バルブ。
3. 請求項１または請求項２に記載の真空バルブであって、
   前記第１圧力が、１００〜１０００Ｐａの範囲内のいずれかである真空バルブ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の真空バルブであって、
   前記第１速度は、前記第２速度の５％から２５％の速度である真空バルブ。
5. 請求項１に記載の真空バルブであって、
   前記制御装置は、
   前記真空装置内の圧力が前記第１圧力より低い第２圧力よりもさらに低い場合には、前記開閉弁の最大開閉速度を前記第２速度より速い第３速度とする真空バルブ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の真空バルブであって、
   前記真空装置内の圧力計測値が入力される入力装置をさらに備え、
   前記真空装置内の圧力が、前記入力装置に入力される圧力計測値である、真空バルブ。

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