JP2021116846A - バタフライバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ロッドの回転に対するシールの耐久性を高めることで、プロセスガスの外部漏れによる外気汚染を防止するとともに高寿命なバタフライバルブを提供すること。【解決手段】駆動部２と弁部３とが結合されてなるバタフライバルブ１において、駆動部２は、ＤＤモータ１１と弁部３が結合されている側の端部との間に、ロッド１０が挿通される中空部１６ａを備えること、中空部１６ａにおいて、ロッド１０と同軸に、ロッド１０の外周面を覆う円筒状の磁性部材１８が配置され、磁性部材１８の外周面と中空部１６ａの内周面との間の空隙に、磁性流体１９が充填されていること、ロッド１０は非磁性の耐食性合金からなること、を特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、真空チャンバと真空ポンプとを接続する配管上に配設され、真空チャンバの真空圧力制御を行うバタフライバルブであって、モータを備える駆動部と、内部に流路およびバタフライ弁体を備える弁部と、が結合されてなり、モータに接続されたロッドが、駆動部から延伸し、弁部の備える挿通孔から流路に挿入され、バタフライ弁体に結合されているバタフライバルブに関するものである。

従来、半導体製造工程では、真空チャンバと真空ポンプとの間に、真空圧力制御装置として、流路のコンダクタンスが大きいバタフライバルブを配置し、真空チャンバの真空圧力を制御することが多い。例えば、特許文献１に開示されるような、モータを備える駆動部と、内部に流路およびバタフライ弁体を備える弁部と、が結合されてなり、モータに接続されたロッドが、駆動部から延伸し、弁部の備える挿通孔から流路に挿入され、バタフライ弁体に結合されているバタフライバルブが用いられる。

特開２０１９−１９８５１号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題があった。
近年、原子層堆積法（ＡＬＤ法）などにより、半導体の製造サイクルが高速化されていることに伴い、バタフライバルブのロッドの回転回数として、数千万回の高耐久性が求められる。従来のバタフライバルブにおいては、制御流体（プロセスガス）が流路からロッドを挿通する挿通孔を通ってバタフライバルブの外部へ流出しないよう、ロッド外周面にＯリングを配設し、挿通孔のシールを行っているが、Ｏリングは数千万回の回転に耐えられるような十分な耐久性を有していない。Ｏリングの耐久性が十分でないために、短期間で、ロッドの回転に対するシールが不完全となり、プロセスガスがバタフライバルブの外部へ流出し、外気が汚染されるおそれがあった。また、短期間でシールが不完全となると、短期間でバタフライバルブを新しいものに交換しなければならず、半導体製造効率を低下させるおそれがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、ロッドの回転に対するシールの耐久性を高めることで、プロセスガスの外部漏れによる外気汚染を防止するとともに高寿命なバタフライバルブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のバタフライバルブは、次のような構成を有している。
（１）真空チャンバと真空ポンプとを接続する配管上に配設され、真空チャンバの真空圧力制御を行うバタフライバルブであって、モータを備える駆動部と、内部に流路およびバタフライ弁体を備える弁部と、が結合されてなり、モータに接続されたロッドが、駆動部から延伸し、弁部の備える挿通孔から流路に挿入され、バタフライ弁体に結合されているバタフライバルブにおいて、駆動部は、モータと弁部が結合されている側の端部との間に、ロッドが挿通される中空部を備えること、中空部において、ロッドと同軸に、ロッドの外周面を覆う円筒状の磁性部材が配置され、磁性部材の外周面と中空部の内周面との間の空隙に、磁性流体が充填されていること、ロッドは非磁性の耐食性合金からなること、を特徴とする。

（１）に記載のバタフライバルブによれば、駆動部は、モータと弁部が結合されている側の端部との間に、ロッドが挿通される中空部を備え、中空部において、ロッドと同軸に、ロッドの外周面を覆う円筒状の磁性部材が配置され、磁性部材の外周面と中空部の内周面との間の空隙に、磁性流体が充填されているため、中空部において、磁性流体が磁性部材の磁力により保持され、いわゆる磁性流体シールが形成されている。磁性流体シールは、ロッドが数千万回の回転を行っても劣化しにくく、Ｏリングに比べてロッドの回転に対するシールの耐久性が高い。また、流路から挿通孔を通ってバタフライバルブの外部へ流出しようとするプロセスガスは、磁性流体シールによって流出を阻まれる。よって、シールの耐久性を高めつつ、プロセスガスがバタフライバルブの外部へ流出し、外気が汚染されることを防止することができ、バタフライバルブの寿命の低下、ひいては半導体製造効率の低下を防止することができる。

磁性流体を用いることで、次のような新たな課題が生じる。磁性流体をロッドの外周に保持するためには、例えば、ロッドに磁性体のステンレス鋼を用いることが考えられる。しかし、磁性体のステンレス鋼は、非磁性体のステンレス鋼に比べて耐食性が劣る。ロッドは、流路に挿入され、プロセスガスに接する接ガス部材であるため、ロッドが磁性体のステンレス鋼からなる場合、ロッドがプロセスガスにより腐食するおそれがある。

そこで、本発明においては、ロッドは非磁性の耐食性合金からなるものとし、ロッドの腐食を防いでいる。そして、磁性流体の保持には、ロッドの外周面を覆う円筒状の磁性部材を用いることとした。

（２）（１）に記載のバタフライバルブにおいて、弁部は、パージガスを入力するための入力ポートと、入力ポートと挿通孔とを連通するパージガス流路と、を備え、入力ポートと流路とが、パージガス流路と挿通孔とにより連通されていること、を特徴とする。

（２）に記載のバタフライバルブによれば、パージガスを入力するための入力ポートと弁部の流路とが、パージガス流路と挿通孔とにより連通されているため、入力ポートから入力されるパージガスが、パージガス流路と挿通孔を通り、流路に出力される。挿通孔から流路に向かってパージガスが流れることにより、流路から挿通孔を通って、磁性流体シール部への侵入や、バタフライバルブの外部へ流出をしようとするプロセスガスは流路へ押し戻される。よって、プロセスガスが、磁性流体シール部に侵入することや、バタフライバルブの外部に流出することを防止することができ、外気の汚染や、バタフライバルブの寿命の低下、ひいては半導体製造効率の低下を防止することができる。

（３）（２）に記載のバタフライバルブにおいて、弁部は、弁部を加熱するヒータを備えること、パージガス流路は、ヒータの近傍に形成されたものであるとともに、熱交換器を備えること、ヒータに熱せられた熱交換器によって、パージガスは所定の温度に温められること、を特徴とする。

（３）に記載のバタフライバルブによれば、プロセスガスの成分の固形化によるパーティクルの発生を防止することができる。

半導体製造工程に用いられるプロセスガスは、常温では固体または液体であるものがあり、高温に熱せられたガス状態で用いられる（例えば２００度程度に熱せられている）。したがって、入力ポートから入力されるパージガスは、流路に出力される前に熱しておく必要がある。これは、温度が低い状態で流路に出力されたパージガスがプロセスガスと接触してしまうと、プロセスガスの温度が低下することでプロセスガスが固体化または液化し、流路や配管に固形化したプロセスガス等の生成物が堆積するおそれがあるためである。これを防ぐためには、パージガスをバタフライバルブの外部で熱した後にバタフライバルブに供給することも考えられるが、バタフライバルブを用いる半導体製造装置に、加熱のための装置が別途に必要となるため好ましくない。そこで、本発明のように、弁部がヒータを備え、パージガス流路がヒータの近傍に形成されたものであるとともに、熱交換器を備えたものとすれば、ヒータの熱を利用して、パージガス流路を通るパージガスを所定の温度に熱することができるため、半導体製造装置に別途加熱のための装置を要することなく、プロセスガスの固形化または液化を防止することができ、流路や配管に固形化したプロセスガス等の生成物が堆積することを防止することができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のバタフライバルブにおいて、ロッドは、挿通孔の内周面に対向する外周面に、ロッドの軸方向に並ぶ複数の凹部を備えること、挿通孔の内周面と、複数の凹部と、によりラビリンスシールが形成されること、を特徴とする。

（４）に記載のバタフライバルブによれば、真空チャンバの急激な圧力変動による磁性流体シールの破壊を防止することができる。

例えば、作業者が操作を誤り、真空チャンバの圧力が急激に低下した場合、流路に急激な負圧が発生する。流路に生じる急激な負圧によって駆動部内の気体が流路へ急激に吸い出され、駆動部内の圧力が急激に低下する。磁性流体は磁性部材の磁力により保持されているが、駆動部内の圧力が急激に低下すると、磁性流体に過大な圧力衝撃が加わり、磁性流体シールが破壊され、機能しなくなるおそれがある。磁性流体シールが破壊されてしまうと、駆動部へのプロセスガスの侵入を防ぐことができなくなる。そこで、本発明のように、ロッドが挿通孔の内周面に対向する外周面に、ロッドの軸方向に並ぶ複数の凹部を備え、挿通孔の内周面と複数の凹部とによりラビリンスシールを形成することで、流路に急激な負圧が発生したとしても、ラビリンスシールが駆動部内から流路へ吸い出される気体の量を絞るため、駆動部内の圧力が急激に低下することがなく、磁性流体に加わる圧力衝撃が緩和される。これにより、磁性流体シールの破壊を防止することができる。

（５）（４）に記載のバタフライバルブにおいて、磁性流体とラビリンスシールとの間に、バッファ容積を有すること、を特徴とする

（５）に記載のバタフライバルブによれば、磁性流体とラビリンスシールとの間に、バッファ容積を有しているため、流路において急激な圧力低下が発生した際に駆動部から吸い出される気体の量が、バッファ容積を有しない場合に比べて増加し、より確実に磁性流体に加わる圧力衝撃を緩和すること、ひいては磁性流体シールの破壊を防止することができる。

本発明のバタフライバルブは、上記構成を有することにより、ロッドの回転に対するシールの耐久性を高めることで、プロセスガスの外部漏れによる外気汚染を防止するとともに高寿命なバタフライバルブとすることができる。

本発明の実施形態に係るバタフライバルブを用いた真空圧力制御システムの概略図である。 本発明の実施形態に係るバタフライバルブの、回転軸の軸線に平行かつ流路に平行な方向に切断した断面図である。 本発明の実施形態に係るバタフライバルブの、回転軸の軸線に平行かつ流路に直交する方向に切断した断面図である。 図３のＸ２部分の部分拡大図である。 図２のＸ１部分の部分拡大図である。 真空チャンバの圧力値と、磁性流体に負荷される圧力値の関係を表したグラフである。

本発明のバタフライバルブの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態のバタフライバルブ１は、図１に示すように、半導体製造工程において、真空チャンバ３２と真空ポンプ３３を接続する配管３４上に配設され、ガス供給源３７からガスが供給されている真空チャンバ３２の圧力を制御する真空圧力制御装置として使用される。

図２は、本発明の実施形態に係るバタフライバルブ１の、回転軸１１ａの軸線ＲＡに平行かつ流路３０に平行な方向に切断した断面図である。また、図２は、本発明の実施形態に係るバタフライバルブ１の、回転軸１１ａの軸線ＲＡに平行かつ流路３０に直交する方向に切断した断面図である。なお、図２、図３ともに閉弁状態を表している。

図２および図３に示すように、バタフライバルブ１は、駆動部２と弁部３とからなる。駆動部２は、耐久性に優れたダイレクトドライブモータ（モータの一例。以下ＤＤモータ）１１を有しており、図１に示すように、ＤＤモータ１１は、モータドライバ１２と、エンコーダ１４に接続されている。また、モータドライバ１２は、制御基板１３に接続されている。ＤＤモータ１１は減速機等の中間機構を要さないため、駆動部２の小型化、騒音の低減の他、応答性能、速度安定性能、位置決め精度が向上される。よって、バタフライバルブ１による真空圧力制御の精度が高まる。また、ＤＤモータ１１は、図２および図３に示すように、回転軸１１ａを有しており、回転軸１１ａの回転中心を軸線ＲＡとする。

制御基板１３には、図１に示すように、モータドライバ１２と、真空チャンバ３２の圧力を検出する圧力計３５が接続されている。制御基板１３は、記憶手段１３１を有しており、記憶手段１３１には、例えば、バタフライ弁体９の全閉位置および全開位置や、真空チャンバ３２の任意の目標圧力等に対応する回転軸１１ａの回転角度（即ち、後述するロッド１０の回転角度）が記憶されている。そして、記憶手段１３１から読み出される回転角度に基づき、モータドライバ１２がＤＤモータ１１の回転を制御する。

回転軸１１ａには、図２および図３に示すように、金属板ばね式のカップリング１７を介してロッド１０の一端が接続されている。カップリング１７により、ロッド１０が後述する流路３０を流れるプロセスガス（例えば、２００度程度のガス）によって熱せられても、その熱がＤＤモータ１１に伝わりにくくなっている。

また、駆動部２は、弁部３に、ハウジング１６と、断熱部材７と、ヒートシンク１５とＤＤモータ１１が積みあがるようにして結合されている。駆動部２は、ＤＤモータ１１と弁部３との間に、ヒートシンク１５と断熱部材７を有するため、プロセスガスや、後述するヒータ２７により熱せられた弁部３の熱が、ＤＤモータ１１に伝達されることを防ぐことができる。

ハウジング１６は、中空の円筒状に形成されている。これにより、駆動部２は、ＤＤモータ１１と駆動部２の弁部３が結合されている側の端部との間に、中空部１６ａを備えている。中空部１６ａには、ロッド１０が挿通されており、ロッド１０と同軸に、ロッド１０の外周面を覆う円筒状の磁性部材１８が配置されている。さらに、磁性部材１８の外周面と中空部１６ａの内周面との間の空隙には、磁性流体１９が充填されている。磁性流体１９は、磁性部材１８の磁力により保持されるため、いわゆる磁性流体シールが形成される。

ハウジング１６と弁部３との間には、Ｏリング３１が配設されており、Ｏリング３１によって、後述する流路３０およびバッファ容積５１の気密を保っている。

磁性部材１８および磁性流体１９のＤＤモータ１１側には、ロッド１０の軸方向に隣接して並ぶ２つのボールベアリング２１Ａ，２１Ｂが配設されており、ボールベアリング２１Ａ，２１Ｂは、ロッド１０を回転可能に軸支している。ボールベアリング２１Ａ，２１Ｂは、軸受け押さえ２４と、磁性部材１８とによって、上下方向から挟まれることで固定されている。

また、ハウジング１６は、弁部３側の端部に、ロッド１０の外形よりも大きい内径を有する貫通孔１６ｂを有しており、中空部１６ａに挿通されたロッド１０は、貫通孔１６ｂを通り、弁部３へ挿入される。

駆動部２と連結している弁部３は、バルブボディ８と、バタフライ弁体９とを有している。バルブボディ８は、耐腐食性や耐熱性を有するステンレス鋼からなる。

バルブボディ８は、図２中の左端部に継手５を、図２中の右端部に継手６を備えており、継手５の内壁には入力側流路８ｂが形成され、継手６の内壁には出力側流路８ｃが形成されている。そして、入力側流路８ｂと出力側流路８ｃとの間には、断面円弧状の内壁からなる弁孔８ａが形成されている。入力側流路８ｂと弁孔８ａと出力側流路８ｃは、同軸上に設けられるとともに連通し、一連の流路３０を構成する。そして、継手５は真空チャンバ３２に、継手６は真空ポンプ３３に、それぞれ配管３４を介して接続され、流路３０によって真空チャンバ３２の排気を行う。

また、バルブボディ８は、図３に示すように、バルブボディ８の温度を計測する温度センサとしての熱電対２８を備えている。さらに、バルブボディ８は、流路３０を流れる流体の温度を保つため、弁孔８ａを挟むように、一対のヒータ２７Ａ，２７Ｂを備えている。ヒータ２７Ａ，２７Ｂは、カートリッジヒータであり、バタフライバルブ１の外部の制御装置（図示せず）と接続されている。そして、ヒータ２７Ａ，２７Ｂは、制御装置によって熱電対２８の計測値に基づいたＯＮまたはＯＦＦの制御がされ、バルブボディ８の温度を調整する。また、バルブボディ８は、サーモスタット２９を備えている。サーモスタット２９は、ヒータ２７Ａ，２７Ｂが暴走して、バルブボディ８が過剰に加熱された場合に作動する。サーモスタット２９が作動すると、制御装置は、ヒータ２７を停止させる。

さらに、バルブボディ８は、図２および図３に示すように、駆動部２側の端面（上端面）と弁孔８ａとを貫通する挿通孔８ｄを有しており、挿通孔８ｄにはロッド１０が挿通されている。挿通孔８ｄに挿通されたロッド１０は、弁孔８ａに、流路３０に対して直交する方向に架設されている。なお、挿通孔８ｄは、ブッシュ２０を備えており、ブッシュ２０の内周面２０ａが挿通孔８ｄの内周面の一部を形成している。ブッシュ２０は耐食性が高く、摺動性の良い樹脂からなっているため、ロッド１０のスムーズな回転が確保されている。

挿通孔８ｄの上端部は、ブッシュ２０を備える部分に比べて拡径されており、図４に示すように、ロッド１０の外周面との間に第１空間５１１が形成されている。さらに、ハウジング１６の貫通孔１６ｂの内周面とロッド１０の外周面との間に第２空間５１２が形成されており、第１空間５１１と第２空間５１２とによりバッファ容積５１が形成されている。

ロッド１０は、非磁性の耐腐食性合金であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌ）を削り出して、円柱状に形成されたものである。ロッド１０の挿通孔８ｄに挿通されている部分の外周面には、図５に示すように、ロッド１０の軸方向に並ぶ複数の凹部１０ａ〜１０ｅが設けられており、挿通孔８ｄの内周面（ブッシュ２０の内周面２０ａ）と複数の凹部１０ａ〜１０ｅとによりラビリンスシール５０が形成されている。

また、ロッド１０は、図２および図３に示すように、流路３０に挿通されている側の一端が、ブッシュ２２によって回転可能に軸支されている。ブッシュ２２は耐食性が高く、摺動性の良い樹脂からなる。上記した通り、ロッド１０は、ボールベアリング２１Ａ，２１Ｂによっても軸支されているため、ロッド１０は、ボールベアリング２１Ａ，２１Ｂとブッシュ２２とによって、両持ち状態に軸支されていることになる。ロッド１０は、両持ち状態に軸支されることで、回転中心軸が安定し、ぶれにくくなっている。

ロッド１０の流路３０に挿入されている部分は、弁体取付部１０ｆを備えており、バタフライ弁体９が結合されている。バタフライ弁体９は、耐腐食性や耐熱性を有するステンレス鋼を削り出して円板状に形成したものである。外径は、弁孔８ａの内径とほぼ同一であり、バタフライ弁体９の外周と、弁孔８ａの内壁との隙間は極小となっている。

バタフライ弁体９は、図２に示すように、ねじ２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃおよび座金２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃによりロッド１０に結合されている。なお、ねじ２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃは３つとも全て同一種類のねじであり、座金２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃも３つとも全て同一種類の座金である。

バタフライ弁体９がロッド１０に結合されているため、ＤＤモータ１１の回転軸１１ａが軸線ＲＡを中心に正方向Ｋに回転すると、回転軸１１ａとカップリング１７を介して接続されたロッド１０が正方向Ｋに回転され、弁孔８ａを塞いでいたバタフライ弁体９が同方向に回転される。回転角度が９０度になると、バタフライ弁体９は、流路３０が開放される全開位置となるため、真空チャンバ３２から大量の排気が可能となる。

一方、バタフライ弁体９が全開位置となった状態で、ＤＤモータ１１の回転軸１１ａが軸線ＲＡを中心に、開弁時とは逆方向である負方向−Ｋに９０度回転すると、ロッド１０が−Ｋ方向に回転し、バタフライ弁体９が弁孔８ａを塞ぐ全閉位置となる。バタフライ弁体９が全閉位置となったとき、バタフライ弁体９の外周面と弁孔８ａの内壁との間には、極小の隙間が設けられているため、完全にシールされている状態ではなく、バタフライ弁体９は、いわば絞りの役割を果たしている。したがって、真空チャンバ３２は、排気が停止されることなく、絶えず排気されている状態にある。これは、ＡＬＤでは真空チャンバ３２の圧力が制御できていれば良く、完全に流路３０をシールする必要がないためである。

バルブボディ８には、図３に示すように、パージガスを入力するための入力ポート４１が、パージガス管４２を介して接続されている。パージガス管４２の内部には、流路４２ａが設けられている。

さらに、バルブボディ８には、後述する熱交換器４３を挿入するための挿入孔８ｆが、バルブボディ８の上端面からヒータ２７Ａ付近まで、軸線ＲＡに対して角度を持って穿設されている。この挿入孔８ｆは、連通孔８ｇにより、パージガス管４２の流路４２ａに連通されるとともに、連通孔８ｈ，８ｉにより、挿通孔８ｄにも連通している。

挿入孔８ｆには、挿入孔８ｆの内径よりもやや小さい外径を有するとともに、内部に中空部４３ａを有する円筒状の熱交換器４３が挿入されている。熱交換器４３が挿入孔８ｆの内径よりもやや小さい外径を有するため、熱交換器４３の外周面と挿入孔８ｆとの間に空間８１が形成される。そして、熱交換器４３の、バルブボディ８の上端面側の端部にはＯリング４５が取り付けられており、挿入孔８ｆにより圧縮されるＯリング４５が、空間８１を密閉している。

上記に説明した流路４２ａと、連通孔８ｇと、熱交換器４３の中空部４３ａと、連通孔８ｈ，８ｉとにより、パージガス流路４４が形成され、パージガス流路４４は、入力ポート４１と挿通孔８ｄとを連通している。つまり、パージガス流路４４と挿通孔８ｄとにより、入力ポート４１とプロセスガスを流す流路３０とが連通するため、入力ポート４１から入力されるパージガスが、流路３０に出力される。

詳しく説明すると、パージガスは、流路４２ａ、連通孔８ｇを通った後、挿入孔８ｆに達する。このとき、Ｏリング４５はパージガスがバルブボディ８の上端面側へ流れること防ぐため、パージガスは空間８１をヒータ２７Ａの側へ向かって流れていく。そして、挿入孔８ｆの最下端に達したパージガスは、熱交換器４３の中空部４３ａを通り、バルブボディ８の上端面側へ向かって流れていく。熱交換器４３は、ヒータ２７Ａにより、２００度程度まで熱せられているため、パージガスは、空間８１と中空部４３ａとを通る際に熱せられる。そして、中空部４３ａを通り、バルブボディ８の上端面に達したパージガスは、さらに連通孔８ｈ，８ｉを通り、挿通孔８ｄまで流れる。挿通孔８ｄの上方は、磁性流体シールが形成されているため、パージガスがＤＤモータ１１側へ流入することはなく、挿通孔８ｄに達したパージガスは、流路３０へ出力される。

次に、バタフライバルブ１を用いた真空圧力制御の概要を説明する。
バタフライ弁体９は、全閉位置にある場合でも、弁孔８ａの内周面に対して極小の隙間を持っているため、絞りの役割を果たすものである。したがって、バタフライバルブ１は、真空ポンプ３３の動作による真空チャンバ３２の排気を、常に行っている。そして、バタフライ弁体９は、真空チャンバ３２が目標の圧力となるように、全閉位置（回転角度０°）から、全開位置（回転角度９０°）までの間で、任意の回転角度をもって回転し、流路３０の流路面積を調整する。

例えば、全閉位置の状態、または、任意の回転角度で回転された位置から、より大量に排気を行い、真空チャンバ３２の圧力を低下させる場合、バタフライバルブ１の制御基板１３は、記憶手段１３１から目標とする圧力に対応する回転角度を読み出す。そして、読み出された回転角度に基づき、モータドライバ１２が、エンコーダ１４を用いてＤＤモータ１１を駆動する。ロッド１０は、ＤＤモータ１１により、読み出された回転角度まで正方向Ｋに回転する。ロッド１０に結合されたバタフライ弁体９は、ロッド１０と一体的に正方向Ｋに回転し、絞られていた流路面積を拡大させていく。

一方で、全開位置の状態、または任意の回転角度で回転された位置から、排気する量を絞り、真空チャンバ３２の圧力を上昇させる場合は、バタフライバルブ１の制御基板１３は、記憶手段１３１から目標とする圧力に対応する回転角度を読み出す。そして、読み出された回転角度に基づき、モータドライバ１２が、エンコーダ１４を用いてＤＤモータ１１を駆動する。そして、ロッド１０は、真空チャンバ３２の圧力を低下させる場合とは逆方向である−Ｋに回転する。ロッド１０に結合されたバタフライ弁体９は、ロッド１０と一体的に−Ｋの方向に回転し、拡大されていた流路面積を絞っていく。

以上のように、バタフライ弁体９により流路面積を調整される流路３０を、真空ポンプ３３に吸引されたプロセスガスが流れることとなる。流路３０を流れるプロセスガスは、挿通孔８ｄから駆動部２へ侵入しようとするが、駆動部２を構成するハウジング１６の中空部１６ａには、磁性部材１８の磁力により保持された磁性流体１９が、磁性流体シールを形成しているため、プロセスガスは、磁性流体シールからＤＤモータ１１側には侵入することができないようになっている。これにより、パージガスがバタフライバルブ１の外部へ流出し、外気が汚染されることや、バタフライバルブ１の寿命の低下、ひいては半導体製造効率の低下を防止することができる。また、磁性流体シールはロッド１０が数千万回の回転を行ったとしてもシール性が劣化しにくく、回転回数の増大に対する耐久性が非常に高い。

さらに、入力ポート４１から入力されるパージガスが、パージガス流路４４と挿通孔８ｄを通って流路３０に出力されているため、流路３０から挿通孔８ｄを通って、バタフライバルブ１の外部へ流出しようとするプロセスガスは流路３０に押し戻される。よって、より確実にパージガスがバタフライバルブ１の外部へ流出し、外気が汚染されることや、バタフライバルブ１の寿命の低下、ひいては半導体製造効率の低下を防止することができる。

また、パージガスは、流路３０に流出することでプロセスガスと接触する。
プロセスガスは、常温では固体または液体であるため、例えば２００度程度まで熱せられて用いられる。このため、パージガスの温度が低いと、プロセスガスが固形化または液化し、流路３０や配管３４に固形化したプロセスガス等の生成物が堆積するおそれがある。しかし、本実施形態においては、パージガスがパージガス流路４４を流れる際に、熱交換器４３により、例えば１６０度程度まで熱せられているため、パージガスがプロセスガスに接触しても、プロセスガスを固形化または液化させるおそれがない。

ここで、磁性流体１９は、磁性部材１８の磁力により保持されているものの、真空チャンバ３２の急激な圧力変動により過大な圧力衝撃が加わると、磁性部材１８の保持力が、圧力衝撃に耐えることができず、磁性流体シールが破壊されるおそれがある。例えば、作業者が真空ポンプ３３の操作を誤り、真空チャンバ３２の圧力が急激に低下した場合、流路３０に急激な負圧が発生する。駆動部２には、入力ポート４１からパージガスが入力されているが、流路３０に急激な負圧が生じると、パージガスの供給量が追い付かず、駆動部２内の気体が流路３０へ急激に吸い出され、駆動部２内の圧力が急激に低下する。駆動部２内の圧力が急激に低下すると、磁性流体１９に過大な圧力衝撃が加わり、磁性流体シールが破壊され、機能しなくなるおそれがある。磁性流体シールが破壊されると、駆動部２へのプロセスガスの侵入を防ぐことができなくなるおそれがある。

しかし、バタフライバルブ１は、挿通孔８ｄの内周面（ブッシュ２０の内周面２０ａ）と、ロッド１０に設けられた複数の凹部１０ａ〜１０ｅとによりラビリンスシール５０が形成されているため、流路３０に急激な負圧が発生したとしても、ラビリンスシール５０が、駆動部２内から流路３０へ吸い出される気体の量を絞るため、駆動部２内の圧力が急激に低下することがなく、磁性流体１９に加わる圧力衝撃が緩和される。よって、磁性流体シールの破壊を防止することができる。

さらに、バタフライバルブ１は、磁性流体１９とラビリンスシール５０との間に、バッファ容積５１を有するため、流路３０において急激な圧力低下が発生したとしても、駆動部２から吸い出される気体の量が、バッファ容積５１を有しない場合に比べて増加するため、より確実に磁性流体１９に加わる圧力衝撃を緩和すること、ひいては磁性流体シールの破壊を防止することができる。

図６は真空チャンバ３２の圧力値Ｐ１１と、磁性流体１９に負荷される圧力値Ｐ１２の関係を表したグラフである。縦軸が圧力値（ｋＰａ）であり、横軸が時間（秒）である。

真空チャンバ３２の圧力値Ｐ１１は、０秒の時点から急激に低下している。これは、例えば、作業者が操作を誤るなどして、真空チャンバ３２の圧力が急激に低下した状態を表している。真空チャンバ３２の圧力が急激に低下していることは、真空チャンバ３２と連通している流路３０において急激に負圧が発生していることを意味する。このような急激な圧力変動が生じているにも関わらず、磁性流体１９に負荷される圧力値Ｐ１２は、０秒の時点から緩やかに低下していることが図６のグラフから分かる。圧力値Ｐ１２が緩やかに低下していることは、磁性流体１９に加わる圧力衝撃が緩和されていることを意味している。これは、上記の通り、ラビリンスシール５０が、流路３０に発生する急激な負圧により駆動部２内から流路３０へ吸い出される気体の量を絞るとともに、バッファ容積５１が吸い出される気体の量を増加させていることによる。

以上説明したように、本実施形態のバタフライバルブ１によれば、
（１）真空チャンバ３２と真空ポンプ３３とを接続する配管３４上に配設され、真空チャンバ３２の真空圧力制御を行うバタフライバルブ１であって、ＤＤモータ１１を備える駆動部２と、内部に流路３０およびバタフライ弁体９を備える弁部３と、が結合されてなり、ＤＤモータ１１に接続されたロッド１０が、駆動部２から延伸し、弁部３の備える挿通孔８ｄから流路３０に挿入され、バタフライ弁体９に結合されているバタフライバルブ１において、駆動部２は、ＤＤモータ１１と弁部３が結合されている側の端部との間に、ロッド１０が挿通される中空部１６ａを備えること、中空部１６ａにおいて、ロッド１０と同軸に、ロッド１０の外周面を覆う円筒状の磁性部材１８が配置され、磁性部材１８の外周面と中空部１６ａの内周面との間の空隙に、磁性流体１９が充填されていること、ロッド１０は非磁性の耐食性合金からなること、を特徴とするので、中空部１６ａにおいて、磁性流体１９が磁性部材１８の磁力により保持され、いわゆる磁性流体シールが形成されている。磁性流体シールは、ロッド１０が数千万回の回転を行っても劣化しにくく、Ｏリングに比べてロッド１０の回転に対するシールの耐久性が高い。また、流路３０から挿通孔８ｄを通ってバタフライバルブ１の外部へ流出しようとするプロセスガスは、磁性流体シールによって流出を阻まれる。よって、シールの耐久性を高めつつ、プロセスガスがバタフライバルブ１の外部へ流出し、外気が汚染されることを防止することができ、バタフライバルブ１の寿命の低下、ひいては半導体製造効率の低下を防止することができる。

磁性流体１９を用いることで、次のような新たな課題が生じる。磁性流体１９を、ロッド１０の外周に保持するためには、例えば、ロッド１０に磁性体のステンレス鋼を用いることが考えられる。しかし、磁性体のステンレス鋼は、非磁性体のステンレス鋼に比べ、耐食性が劣る。ロッド１０は、流路３０に挿入され、プロセスガスに接する接ガス部材であるため、ロッド１０が磁性体のステンレス鋼からなる場合、ロッド１０がプロセスガスにより腐食するおそれがある。

そこで、本発明においては、ロッド１０は非磁性の耐食性合金（例えばＳＵＳ３１６Ｌ）からなるものとし、ロッド１０の腐食を防いでいる。そして、磁性流体１９の保持には、ロッド１０の外周面を覆う円筒状の磁性部材１８を用いることとした。

（２）（１）に記載のバタフライバルブ１において、弁部３は、パージガスを入力するための入力ポート４１と、入力ポート４１と挿通孔８ｄとを連通するパージガス流路４４と、を備え、入力ポート４１と流路３０とが、パージガス流路４４と挿通孔８ｄとにより連通されていること、を特徴とするので、入力ポート４１から入力されるパージガスが、パージガス流路４４と挿通孔８ｄを通り、流路３０に出力される。挿通孔８ｄから流路３０に向かってパージガスが流れることにより、流路３０から挿通孔８ｄを通って、磁性体シール部への侵入や、バタフライバルブ１の外部へ流出をしようとするプロセスガスは流路３０へ押し戻される。よって、プロセスガスが、磁性体シール部に侵入することや、バタフライバルブ１の外部に流出することを防止することができ、外気の汚染や、バタフライバルブ１の寿命の低下、ひいては半導体製造効率の低下を防止することができる。

（３）（２）に記載のバタフライバルブ１において、弁部３は、弁部３を加熱するヒータ２７Ａ，２７Ｂを備えること、パージガス流路４４は、ヒータ２７Ａの近傍に形成されたものであるとともに、熱交換器４３を備えること、ヒータ２７Ａに熱せられた熱交換器４３によって、パージガスは所定の温度に温められること、を特徴とするので、プロセスガスの成分の固形化によるパーティクルの発生を防止することができる。

半導体製造工程に用いられるプロセスガスは、常温では固体または液体であるものがあり、高温に熱せられたガス状態で用いられる（例えば２００度程度に熱せられている）。したがって、入力ポート４１から入力されるパージガスは、流路３０に出力される前に熱しておく必要がある。これは、温度が低い状態で流路３０に出力されたパージガスがプロセスガスと接触してしまうと、プロセスガスの温度が低下することでプロセスガスが固体化または液化し、流路３０や配管３４に固形化したプロセスガス等の生成物が堆積するおそれがあるためである。これを防ぐためには、パージガスをバタフライバルブ１の外部で熱した後にバタフライバルブ１に供給することも考えられるが、バタフライバルブ１を用いる半導体製造装置に、加熱のための装置が別途に必要となるため好ましくない。そこで、本発明のように、弁部３がヒータ２７Ａ，２７Ｂを備え、パージガス流路４４がヒータ２７Ａの近傍に形成されたものであるとともに、熱交換器４３を備えたものとすれば、ヒータ２７Ａの熱を利用して、パージガス流路４４を通るパージガスを所定の温度に熱することができるため、プロセスガスの固形化または液化を防止することができ、流路３０や配管３４に固形化したプロセスガス等の生成物が堆積することを防止することができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のバタフライバルブ１において、ロッド１０は、挿通孔８ｄの内周面（ブッシュ２０の内周面２０ａ）に対向する外周面に、ロッド１０の軸方向に並ぶ複数の凹部１０ａ〜１０ｅを備えること、挿通孔８ｄの内周面（ブッシュ２０の内周面２０ａ）と、複数の凹部１０ａ〜１０ｅと、によりラビリンスシール５０が形成されること、を特徴とするので、真空チャンバ３２の急激な圧力変動による磁性流体シールの破壊を防止することができる。

例えば、作業者が真空ポンプ３３の操作を誤り、真空チャンバ３２の圧力が急激に低下した場合、流路３０に急激な負圧が発生する。流路３０に生じる急激な負圧によって駆動部２内の気体が流路３０へ急激に吸い出され、駆動部２内の圧力が急激に低下する。磁性流体１９は磁性部材１８の磁力により保持されているが、駆動部２内の圧力が急激に低下すると、磁性流体１９に過大な圧力衝撃が加わり、磁性流体シールが破壊され、機能しなくなるおそれがある。磁性流体シールが破壊されてしまうと、駆動部２へのプロセスガスの侵入を防ぐことができなくなる。そこで、本発明のように、ロッド１０が挿通孔８ｄの内周面（ブッシュ２０の内周面２０ａ）に対向する外周面に、ロッド１０の軸方向に並ぶ複数の凹部１０ａ〜１０ｅを備え、挿通孔８ｄの内周面（ブッシュ２０の内周面２０ａ）と複数の凹部１０ａ〜１０ｅとによりラビリンスシール５０を形成することで、流路３０に急激な負圧が発生したとしても、ラビリンスシール５０が駆動部２内から流路３０へ吸い出される気体の量を絞るため、駆動部２内の圧力が急激に低下することもなく、磁性流体１９に加わる圧力衝撃が緩和される。これにより、磁性流体シールの破壊を防止することができる。

（５）（４）に記載のバタフライバルブ１において、磁性流体１９とラビリンスシール５０との間に、バッファ容積５１を有すること、を特徴とするので、流路３０において急激な圧力低下が発生した際に駆動部２から吸い出される気体の量が、バッファ容積５１を有しない場合に比べて増加するため、より確実に磁性流体１９に加わる圧力衝撃を緩和すること、ひいては磁性流体シールの破壊を防止することができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、本実施形態においては、バタフライ弁体９が全閉位置にあっても、流路３０を完全にシールするものとなっていないが、弁孔８ａに弁座を設け、弁座にバタフライ弁体９を当接させることで、完全にシールできるものとしても良い。

１ バタフライバルブ
２ 駆動部
３ 弁部
８ｄ 挿通孔
９ バタフライ弁体
１０ ロッド
１１ ＤＤモータ（モータの一例）
１６ａ 中空部
１８ 磁性部材
１９ 磁性流体
３０ 流路
３２ 真空チャンバ
３３ 真空ポンプ
３４ 配管

Claims (5)

1. 真空チャンバと真空ポンプとを接続する配管上に配設され、前記真空チャンバの真空圧力制御を行うバタフライバルブであって、モータを備える駆動部と、内部に流路およびバタフライ弁体を備える弁部と、が結合されてなり、前記モータに接続されたロッドが、前記駆動部から延伸し、前記弁部の備える挿通孔から前記流路に挿入され、前記バタフライ弁体に結合されているバタフライバルブにおいて、
   前記駆動部は、前記モータと前記弁部が結合されている側の端部との間に、前記ロッドが挿通される中空部を備えること、
   前記中空部において、前記ロッドと同軸に、前記ロッドの外周面を覆う円筒状の磁性部材が配置され、
   前記磁性部材の外周面と前記中空部の内周面との間の空隙に、磁性流体が充填されていること、
   前記ロッドは非磁性の耐食性合金からなること、
   を特徴とするバタフライバルブ。
2. 請求項１に記載のバタフライバルブにおいて、
   前記弁部は、パージガスを入力するための入力ポートと、前記入力ポートと前記挿通孔とを連通するパージガス流路と、を備え、
   前記入力ポートと前記流路とが、前記パージガス流路と前記挿通孔とにより連通されていること、
   を特徴とするバタフライバルブ。
3. 請求項２に記載のバタフライバルブにおいて、
   前記弁部は、前記弁部を加熱するヒータを備えること、
   前記パージガス流路は、前記ヒータの近傍に形成されたものであるとともに、熱交換器を備えること、
   前記ヒータに熱せられた前記熱交換器によって、前記パージガスは所定の温度に温められること、
   を特徴とするバタフライバルブ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載のバタフライバルブにおいて、
   前記ロッドは、前記挿通孔の内周面に対向する外周面に、前記ロッドの軸方向に並ぶ複数の凹部を備えること、
   前記挿通孔の内周面と、前記複数の凹部と、によりラビリンスシールが形成されること、
   を特徴とするバタフライバルブ。
5. 請求項４に記載のバタフライバルブにおいて、
   前記磁性流体と前記ラビリンスシールとの間に、バッファ容積を有すること、
   を特徴とするバタフライバルブ。

Images