JP2020056430A - ダイヤフラムバルブ及び流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムをより確実にシールできるダイヤフラムバルブを提供する。【解決手段】内部に流体の流路１６ａ、１６ｂを有し、一面にダイヤフラム配置部１６ｄが設けられたバルブボディ１６と、前記ダイヤフラム配置部１６ｄに配置され、弾性変形により前記流路の開閉及び開度の調節が可能なダイヤフラム１７と、前記バルブボディ１６に取りつけられ、アクチュエータ２で駆動されて前記ダイヤフラム１７を弾性変形させるステム８を含む駆動部１２と、を有するダイヤフラムバルブ１において、前記ダイヤフラム配置部１６ｄは、内周部にねじが形成された有底穴状の凹部であり、前記ダイヤフラム配置部１６ｄの内周部に外周部が螺合されて端部で前記ダイヤフラム１７を固定するとともに、内周部が前記ステム８を軸方向に変位可能に保持する、略円筒状のインナーボンネット１１をさらに有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラムバルブ、流量制御装置、流体制御装置、及び半導体製造装置に関する。

半導体製造プロセス等に用いられるプロセスガスの流量制御には、質量流量装置（マスフローコントローラ）が広く用いられている。この質量流量制御装置は、例えば圧力式の質量流量制御装置の場合、流路に設けられたオリフィスの前後の圧力を用いて質量流量を測定し、この質量流量が目標値になるように制御バルブで調節している。このような制御バルブとして、ダイヤフラムバルブが広く用いられている。

ダイヤフラムバルブは、例えば、図７に示すように、金属の薄板等からなるダイヤフラム１７を、駆動部１２により押圧して弾性変形させ、流路の開閉及び開度の調節を行う構造になっている。このダイヤフラム１７は、中央部を上方へ膨出させた球殻状の部材で、バルブボディ１６上面に形成されているバルブシート１６ｅを密閉するように配置されている。ダイヤフラム１７の外周縁部の上に円環状の押えアダプタ１８が配置され、これをボンネット１０と呼ばれる部材で上から抑えることにより、流路１６ａが気密に密封されている。このボンネット１０は、支持プレート３と共にバルブボディ１６に２本のボルト１３で共締めされており、ダイヤフラム１７を駆動するステム８のガイドとしての機能も持っている。

国際公開番号ＷＯ２０１７／０３３４２３Ａ１

しかし、上記機構では、ボンネット１０と支持プレート３を共締めする際の２本のボルト１３の締め付け力のバランスによっては、ボンネット１０が傾いて押えアダプタ１８を適切に押圧できず、その結果、ダイヤフラム１７の外周縁から流体が漏れる恐れがあった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、ダイヤフラムをより確実にシールできるダイヤフラムバルブを提供することにある。

本発明のダイヤフラムバルブは、
内部に流路を有し、一面にダイヤフラム配置部が設けられたバルブボディと、前記ダイヤフラム配置部に配置され、弾性変形により前記流路の開閉及び開度の調節が可能なダイヤフラムと、前記バルブボディに取りつけられ、アクチュエータで駆動されて前記ダイヤフラムを弾性変形させるステムとを含む駆動部と、を有するダイヤフラムバルブにおいて、
前記ダイヤフラム配置部は、ねじが形成された内周面を有する凹部であり、
前記ダイヤフラム配置部の内周面に螺合された略円筒状のインナーボンネットをさらに有し、前記インナーボンネットは端部で前記ダイヤフラムを押圧固定するとともに、内周部が前記ステムを軸方向に変位可能に保持することを特徴とする。

好適には、前記インナーボンネットは、樹脂製のスリーブを介して前記ステムをガイドする、構成を採用できる。

代替的には、前記インナーボンネットは、Ｏリングを介して前記ステムをガイドする、構成を採用できる。

本発明の流量制御装置は、上記構成のダイヤフラムバルブを用いたものである。

本発明の流体制御装置は、上流から下流に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、上記構成のダイヤフラムバルブ又は流量制御装置を含むものである。

本発明の半導体製造装置は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に上記構成のダイヤフラムバルブ又は流量制御装置を用いる。

本発明によれば、ボンネットを２本のねじで締め付け、そのボンネットによりダイヤフラムを固定する構造の代わりに、円筒状のインナーボンネットをダイヤフラム配置部の内周面と螺合してダイヤフラムを固定する構造にしたので、締め付けバランスの不備によるダイヤフラム周縁部からの流体漏れの問題を解決したダイヤフラムバルブが実現する。

本発明の第１の実施形態に係るダイヤフラムバルブの概略断面図。 図１のダイヤフラム押え機構を示す拡大断面図。 本発明の第２の実施形態に係るダイヤフラムバルブのダイヤフラム押え機構を示す拡大断面図。 本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略断面図。 本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図。 本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図。 従来のダイヤフラムバルブのダイヤフラム押え機構を示す拡大断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態のダイヤフラムバルブについて図面を参照して説明する。図１に本実施形態に係るダイヤフラムバルブ１の概略断面図、図２にそのダイヤフラム押え機構の拡大断面図を示す。

図１に示すように、本実施形態のダイヤフラムバルブ１は、バルブボディ１６と、ダイヤフラム１７と、駆動部１２とを含んで構成される。

バルブボディ１６は、略ブロック形状を成し、内部に上流側流路１６ａと下流側流路１６ｂとを有する。図２に示すように、上流側流路１６ａは、バルブボディ１６の上面に形成された円柱状の窪みであるダイヤフラム配置部１６ｄの底面の中央部に開口し、この開口の周囲は環状に盛り上がってバルブシート１６ｅを形成している。一方、下流側流路１６ｂは、ダイヤフラム配置部１６ｄの底面の周辺部に開口している。

ダイヤフラム１７は、本実施形態では、特殊ステンレス鋼等の金属製薄板やニッケル・コバルト合金薄板の中央部を上方へ膨出させた球殻状の部材で、バルブボディ１６上面におけるダイヤフラム配置部１６ｄに嵌め込まれてダイヤフラム配置部１６ｄを密閉するように配置されている。ダイヤフラム１７の外周縁部の上に円環状の抑えアダプタ１８が配置され、その上から後述するインナーボンネット１１の下端部が当接し、押圧することで、ダイヤフラム１７は固定され、流路が気密に密封されている。

ダイヤフラム１７とバルブシート１６ｅとの間には、所定量の隙間があり、上流側流路１６ａからこの隙間を通ってダイヤフラム１７で封止されたダイヤフラム配置部１６ｄに連通し、さらに下流側流路１６ｂへ連通する流路が形成されている。ダイヤフラム１７が駆動部１２により押圧されてバルブシート１６ｅに当接すると、流路１６ａと流路１６ｂとの連通が遮断され、ダイヤフラム１７がバルブシート１６ｅから離隔することにより、流路１６ａと流路１６ｂとが連通する。これにより、流路の開閉及び開度の調節が可能になっている。

駆動部１２は、図１に示すように、支持プレート３と、圧電アクチュエータ２と、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）と、ステム８と、ダイヤフラム押え１９と、ばね９とを有する。

支持プレート３は、圧電アクチュエータ２と変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）を軸方向に変位可能に保持するもので、２本のボルト１３で、バルブボディ１６に固定されている。

圧電アクチュエータ２は、円筒状のケース２ｃに図示しない積層された圧電素子を内蔵している。ケース２ｃは、ステンレス合金等の金属製で、半球状の先端部２ａ側の端面および基端部２ｂ側の端面が閉塞している。ケース２ｃは、積層された圧電素子に電圧を印加して伸長させることで、ケース２ｃの先端部２ａ側の端面が弾性変形し、半球状の先端部２ａが長手方向において変位する。すなわち、ケース２ｃは、積層された圧電素子に電圧を印可することで、先端部２ａから基端部２ｂまでの全長が伸びる。

圧電アクチュエータ２は、先端部２ａが支持プレート３に当接するように垂直方向に配置されている。先端部２ａの先端は半球状を成し、本実施形態では支持プレートの上面に形成された円錐状の窪みに落ち込むようになっている。圧電アクチュエータ２の基端部２ｂは、変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）の受け部である押圧部材４に嵌合保持されている。

押圧部材４の上面は、上部連結部材６のねじ穴に螺合された調整ねじ７の先端に当接している。前記上部連結部材６は、有底円筒を伏せて両側をカットした略コの字型を有し、その内側に一対の変位伝達部材５が、ねじで連結されている。

一対の変位伝達部材５は、熱膨張係数の小さいインバー材等の金属材料で形成され、圧電アクチュエータ２の外周面に沿う円筒状部材を長手方向に沿って二つに分割した形態を呈している。これらの一対の変位伝達部材５は、それぞれの開口部５ａに支持プレート３を挿通させてその下側に伸び、先端部に係止部５ｂが形成されている。

一方、ステム８は、支持プレート３の下側に、前記圧電アクチュエータ２と同軸に配置され、軸方向に可動に設けられている。ステム８は、一対の変位伝達部材５の下端部に形成された各係止部５ｂがそれぞれ係合するアーム部８ａを備えている。ステム８は、ばね９により下方向に付勢されている。圧電アクチュエータ２が伸長すると、ステム８もばね９の付勢力に抗して一対の変位伝達部材５により上方向に引き上げられる。このように、圧電アクチュエータ２の長さの変位が、一連の変位伝達機構（４，７，６，５，５ｂ）を通してステムに伝達され、ステムが軸方向に変位するようになっている。
ステム８の先端（下端）には、ダイヤフラム押え１９が取り付けられてダイヤフラム１７に当接している。

ここで本発明では、従来のボンネット１０（図７参照）の代わりに、インナーボンネット１１を用いている。すなわち、図２に示すように、ダイヤフラム配置部１６ｄを内周面にねじが形成された凹部とし、このダイヤフラム配置部１６ｄの内周面に、外周部にねじが形成された略円筒状のインナーボンネット１１を螺合させている。インナーボンネット１１は下端部で押えアダプタ１８を押圧してダイヤフラム１７を固定するとともに、インナーボンネット１１の内周部でステム８を軸方向に変位可能に保持する構造にした。
ダイヤフラム１７と略同心円状の１つのねじにより押圧する構造なので、締め方によってバランスが崩れることがなく、ダイヤフラム１７の周囲を均等に押圧でき、シール性を向上することができる。

また、本実施形態では、インナーボンネット１１の内周に樹脂製のスリーブ１５の外周を嵌合固定し、その内周がステム８を軸方向に変位可能に保持している。スリーブ１５は、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、フッ素樹脂、フェノール樹脂などの自己潤滑性樹脂で形成されているので、ガイドされるステンレス鋼製のステム８との摩擦係数が小さく、ステム８を良好にガイドできる。

次に、このように構成された本実施形態のダイヤフラムバルブ１の動作について、図１を参照して説明する。

まず、圧電アクチュエータ２への印加電圧がゼロである初期状態では、圧電アクチュエータ２の長さは初期長さで最小であり、変位伝達部機構（４，７，６，５，５ｂ）とこれに係合されたステム８は、ばね９に押し下げられて最下位置にある。したがって、ダイヤフラム１７はステム８に押圧されて、バルブシート１６ｅに密着し、バルブ１は全閉状態になる。

次に、圧電アクチュエータ２に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２の長さは大きくなるため、ばね９の付勢力に打ち勝って、変位伝達部機構（４，７，６，５，５ｂ）とステム８は押し上げられ、ダイヤフラム１７とバルブシート１６ｅの間に隙間ができて、バルブ１は開き、流体がダイヤフラムバルブ１を通過できるようになる。圧電アクチュエータ２への印可電圧を調節することにより、ダイヤフラム１７とバルブシート１６ｅとの隙間を調節でき、流体の流量を調節できる。

以上のように、本実施形態では、従来のボンネット１０（図７参照）が有していたステム８のガイド機能を保持しつつ、ダイヤフラム１７のシール性を向上することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態において、インナーボンネット１１が、樹脂製のスリーブの代わりに、従来と同様にＯリング１４を介してステム８を軸方向に変位可能に保持するする実施形態である。
図３に示すように、第１の実施形態と同様に、ダイヤフラム配置部１６ｄを内周部にねじが形成された有底穴状の凹部とし、このダイヤフラム配置部１６ｄの内周部に、外周部にねじが形成された略円筒状のインナーボンネット１１を螺合させて、下端部で押えアダプタ１８を押圧してダイヤフラム１７を固定する。

但し、インナーボンネット１１の内周には、樹脂製のスリーブを設けず、ステム８の外周部に設けた周溝８ｄに嵌合されたＯリング１４の外周とインナーボンネット１１の内周を接触させている。
第２の実施形態のこの部分以外の構成および動作は第１の実施形態と同様なので、記載を省略する。
本実施形態の構成でも、従来のボンネットが有していたステム８のガイド機能を保持しつつ、ダイヤフラム１７のシール性を向上させることができる。

尚、上記各実施形態では、インナーボンネット１１の内周部は、樹脂製のスリーブ１５又はＯリング１４を介してステムを軸方向に変位可能に保持する構造としたが、本願はこれらに限定されず、公知の適切な機構で変位可能に保持する構成にしてもよい。
また、実施形態１では樹脂製のスリーブ１５の外周をインナーボンネット１１の内周に嵌合させてステム８を軸方向に変位可能に保持する構成としたが、スリーブ１５の内周をステム８の外周に嵌合させて、一体でインナーボンネット１１の内周で軸方向に変位可能に保持される構成にしてもよい。

次に、本発明の流量制御装置について説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る流量制御装置の概略断面図であり、上記したダイヤフラムバルブ１が組み込まれた圧力式の流量制御装置２０を示す。
図４において、流量制御装置２０の全体を覆うカバーやフィードバック制御用の基板が実際には存在するが、説明の便宜上図示していない。
流量制御装置２０は、上記したダイヤフラムバルブ１の構成要素に加えて、下流側ブロック２５、圧力検出器２２、オリフィス２１、圧力検出器２６、流路１６ｃ、２５ａを有する。

バルブボディ１６の内部において、ダイヤフラム１７の下流側の流路１６ｂ内にオリフィス２１（本実施形態では、ガスケット型オリフィス）が設けられている。オリフィス２１の上流側の流路１６ｂの途中には、圧力を検出する上流側の圧力検出器２２が流路１６ｃを介して設けられている。
下流側ブロック２５は、バルブボディ１６にボルトにより連結され、バルブボディ１６の下流側の流路１６ｂに連通する下流側流路２５ａを有し、下流側流路２５ａ内の圧力を検出する下流側の圧力検出器２６が設けられている。
図示しない制御装置により、各圧力検出器２２、２６の検出値に基づいてダイヤフラムバルブ１がＰＩＤ制御により開閉制御される。

本発明により、ダイヤフラム１７のシール性の一層の向上が図られるので、流体の漏れのリスクが軽減される。

次に、本発明の流体制御装置について説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図である。
図５に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１、Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１、Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側、Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ〜９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２には、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。

ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路ロを有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。

本発明は、上記した開閉弁９９１Ａ、９９１Ｄ、レギュレータ９９１Ｂ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等の種々のダイヤフラムバルブに適用可能である。

次に、本発明の半導体製造装置について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図である。
図６に示す半導体製造装置９８０は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉ ｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス（流体制御装置）、９８３はタンク、９８４は開閉バルブ、９８５は制御部、９８６は処理チャンバ、９８７は排気ポンプを示している。

本発明は、上記したガスボックス９８２およびガスボックス９８２を構成する流体機器、開閉バルブ９８４に適用可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。例えば、上記適用例では、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスに用いる場合について例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は、例えば原子層エッチング法（ＡＬＥ ：Ａｔ ｏｍｉ ｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ 法）等、精密な流量調整が必要なあらゆる対象に適用可能である。

１ ：ダイヤフラムバルブ
２ ：圧電アクチュエータ
２ａ ：先端部
２ｂ ：基端部
２ｃ ：ケース
３ ：支持プレート
４ ：押圧部材
５ ：変位伝達部材
６ ：上部連結部材
７ ：調整ねじ
８ ：ステム
９ ：ばね
１０ ：ボンネット
１０ａ ：ガイド孔
１１ ：インナーボンネット
１２ ：駆動部
１３ ：ボルト
１４ ：Ｏリング
１５ ：スリーブ
１６ ：バルブボディ
１６ａ ：上流側流路
１６ｂ ：下流側流路
１６ｄ ：ダイヤフラム配置部
１６ｅ ：バルブシート
１７ ：ダイヤフラム
１８ ：押えアダプタ
１９ ：ダイヤフラム押え
２０ ：流量制御装置
２１ ：オリフィス
２２ ：圧力検出器
２５ ：下流側ブロック
２５ａ ：下流側流路
２６ ：圧力検出器
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：開閉バルブ
９８５ ：制御部
９８６ ：処理チャンバ
９８７ ：排気ポンプ
９９１Ａ〜９９１Ｅ ：流体機器
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
ＢＳ ：ベースプレート
ＧＩ、Ｇ２：長手方向
Ｗ１、Ｗ２：幅方向

Claims (6)

1. 内部に流路を有し、一面にダイヤフラム配置部が設けられたバルブボディと、前記ダイヤフラム配置部に配置され、弾性変形により前記流路の開閉及び開度の調節が可能なダイヤフラムと、前記バルブボディに取りつけられ、アクチュエータとアクチュエータで駆動されて前記ダイヤフラムを弾性変形させるステムとを含む駆動部と、を有するダイヤフラムバルブにおいて、
   前記ダイヤフラム配置部は、ねじが形成された内周面を有する凹部であり、
   前記ダイヤフラム配置部の内周面に螺合された略円筒状のインナーボンネットをさらに有し、前記インナーボンネットは端部で前記ダイヤフラムを押圧固定するとともに、内周部が前記ステムを軸方向に変位可能に保持することを特徴とする、ダイヤフラムバルブ。
2. 前記インナーボンネットは、樹脂製のスリーブを介して前記ステムを軸方向に変位可能に保持する、請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。
3. 前記インナーボンネットは、Ｏリングを介して前記ステムを軸方向に変位可能に保持する、請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤフラムバルブを有する流量制御装置。
5. 複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
   前記複数の流体機器は、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤフラムバルブ又は請求項４に記載の流量制御装置を含む、流体制御装置。
6. 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤフラムバルブ又は請求項４に記載の流量制御装置を用いる、半導体製造装置。
   

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