JP2023010480A - Groove-matched ultra-low gas permeability composite seal with rubber o-ring seal and backup ring seal integrated - Google Patents
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本発明は、ゴム0-リングシールの取扱い性を損なうことなくそのシール性能を向上させるバックアップリングシールとゴム0-リングシールとを一体化したあり溝適合超低ガス透過率複合シールに関するものである。 The present invention relates to a dovetail groove compatible ultra-low gas permeability composite seal that integrates a backup ring seal and a rubber O-ring seal to improve the sealing performance without impairing the handling properties of the rubber O-ring seal. .
半導体製造装置、あるいは、分析装置等の真空を利用する機器において、メタルシールと比べて、その取扱い性が容易であること、価格が安価であること、相手シール面と馴染みやすいこと、相手シール面との熱膨張率の違いによるシール面の変位に強いこと等から、ゴム0-リングシールを利用している場合が多々あるが、近年の半導体製造プロセスにおける更なる微細化、あるいは、計測や分析における更なる高精度化等のために、ゴム0-リングシールの内部を拡散透過する大気中の酸素ガスや水成分ガスあるいはゴム0-リングシール自身から放出される高分子量ガスが、真空チャンバー内環境を仕様内に維持する障害となってきている。即ち、その仕様を達成するには、ゴム0-リングシール装着部分のメタルシール化への設計変更、あるいは、真空チャンバー内へ導入するプロセスガス量や被測定ガス量または真空チャンバー内ガスを排気する真空ポンプの排気速度を増大させること等が必要になってきている。また、真空装置ではないが、チャンバー内のあるガス分子の解離と結合によりレーザ発光させるエキシマレーザにおいても、チャンバー内へ侵入する酸素ガスや水成分ガス等を如何に抑制するかがレーザ出力安定の課題になっている。 Compared to metal seals, it is easier to handle, less expensive, more compatible with the mating sealing surface, and is compatible with the mating sealing surface in equipment that uses vacuum such as semiconductor manufacturing equipment or analytical equipment. Rubber 0-ring seals are often used because they are resistant to displacement of the seal surface due to differences in thermal expansion coefficients, etc. However, in recent years, further miniaturization in the semiconductor manufacturing process, or measurement and analysis In order to further improve the accuracy of the rubber O-ring seal, oxygen gas and water component gas in the atmosphere that diffuses and permeates the inside of the rubber O-ring seal or high molecular weight gas released from the rubber O-ring seal itself It has become an obstacle to maintaining the environment within specifications. In other words, in order to achieve the specification, the design change to a metal seal for the rubber O-ring seal mounting part, or the amount of process gas introduced into the vacuum chamber, the amount of gas to be measured, or the gas in the vacuum chamber must be exhausted. There is a need, for example, to increase the pumping speed of the vacuum pump. Also, although it is not a vacuum device, even in the excimer laser that emits laser light by dissociation and combination of gas molecules in the chamber, how to suppress oxygen gas and water component gas entering the chamber is the key to stable laser output. has become an issue.
このような問題を解決するために、特願2019-144034では、ゴム0-リングシール溝内に収まる形状のバックアップリングシールをゴム0-リングシールの外周側あるいは内周側に配し、チャンバー部材表面とシール表面間におけるシール性能はゴム0-リングシールで従来通りに実現し、ゴム0-リングシールの内部を拡散透過するガス量の低減は、バックアップリングシールをゴム0-リングシールの場合よりガス透過率が十分低い材質とし、しかもその表面とチャンバー部材表面間におけるシール性能をゴム0-リングシールの悪くとも10~30%程度はあるような表面状態にすること、更にはゴム0-リングシールとの接触面になる表面は充分にシール可能な表面状態であることにより、両シールを密着させた複合シールとし、全体でシール性能を向上させる事を提案している。また、特願2019-239715では安価に製造できるバックアップリングシールの形状を更には特願2020-100469では複雑な形状のゴム0-リングシール溝に対応可能な組み合わせ形状のバックアップリングシールを提案している。 In order to solve such a problem, in Japanese Patent Application No. 2019-144034, a backup ring seal having a shape that fits inside the rubber 0-ring seal groove is arranged on the outer peripheral side or the inner peripheral side of the rubber 0-ring seal, and the chamber member The rubber 0-ring seal achieves the same sealing performance between the surface and the seal surface as before, and the amount of gas that diffuses and permeates inside the rubber 0-ring seal is reduced, making the backup ring seal more efficient than the rubber 0-ring seal. The material should have a sufficiently low gas permeability, and the surface condition should be such that the sealing performance between the surface and the surface of the chamber member is at least 10 to 30% of that of the rubber O-ring seal, and the rubber O-ring. The surface that comes into contact with the seal is in a surface state that can be sufficiently sealed, so that a composite seal in which both seals are in close contact is proposed to improve the sealing performance as a whole. In addition, Japanese Patent Application No. 2019-239715 proposes a backup ring seal shape that can be manufactured at low cost, and Japanese Patent Application No. 2020-100469 proposes a combined shape backup ring seal that can correspond to a rubber O-ring seal groove with a complicated shape. there is
特願2019-144034Patent application 2019-144034
特願2019-239715Patent application 2019-239715
特願2020-100469Patent application 2020-100469
出願特許文献1では、ゴム0-リングシールのガス透過率を低減するためのバックアップリングシールのキーポイントを説明しその要件を満たすバックアップリングシールの例を図示しているが、その製造方法には言及していない。また、出願特許文献2では、シート材から成形可能な長尺形状のバックアップリングシールを安価で製造できる形状として提案しているが、短い曲率の円弧形状には対応できない。出願特許文献3では、短い曲率の円弧を含む複雑なゴム0-リングシール溝形状のゴム0-リングシール用のバックアップリングシールを組み合わせ型で対応する事を安価で製造する手段として提案している。しかしながら、それらはシール溝断面形状が一般的な矩形断面形状の場合を想定したもので、半導体製造装置等でシール部の開閉時のゴム0-リングシールの粘着防止等のために用いられているあり溝断面形状の場合には適用しにくい不都合がある。本発明はこの不都合を解消するあり溝適合超低ガス透過率複合シールに関するものである。 Application Patent Document 1 describes the key points of a backup ring seal for reducing the gas permeability of a rubber O-ring seal and illustrates an example of a backup ring seal that satisfies the requirements. not mentioned. Further, in Patent Document 2, a long backup ring seal that can be formed from a sheet material is proposed as a shape that can be manufactured at low cost, but it cannot correspond to an arc shape with a short curvature. Application Patent Document 3 proposes a combination type of backup ring seal for a rubber 0-ring seal having a complicated rubber 0-ring seal groove shape including a short curvature arc as a means of manufacturing at low cost. . However, these are based on the assumption that the cross-sectional shape of the seal groove is a general rectangular cross-sectional shape, and are used to prevent adhesion of the rubber O-ring seal when opening and closing the seal part in semiconductor manufacturing equipment. In the case of a dovetail groove cross-sectional shape, there is a problem that it is difficult to apply. The present invention is directed to a dovetail matched ultra-low gas permeability composite seal that overcomes this disadvantage.
上記課題を解決するために、特願2019-144034から引用した本特許図1に示すバックアップリングシール100、即ち、溝内に収まる形状のバックアップリングシール100をゴム0-リングシール200の外周側に配し、真空チャンバー表面300とシール表面間におけるシール性能はゴム0-リングシール200で従来通りに実現し、ゴム0-リングシール200の内部を拡散透過するガス量の低減はバックアップリングシール100をゴム0-リングシール200の場合よりガス透過率が十分低い材質とし、しかもその表面と真空チャンバー表面300間におけるシール性能をゴム0-リングシール200の悪くとも10~30%程度はあるような表面状態にすること、更にはゴム0-リングシール200との接触面になる表面は充分にシール可能な表面状態であることにより、両シールを密着させた複合シールとして、全体でシール性能を向上させるためのバックアップリングシール100とゴム0-リングシール200とを一体化した超低ガス透過率複合シールを矩形断面形状のシール溝向け超低ガス透過率複合シール構造とすると、図2に示すようなあり溝断面形状、あるいは図3に示すような片あり溝断面形状に適合する超低ガス透過率複合シール構造は、例えば、従来から一般的に用いられている図4のゴム0-リングシール201あるいは図5のゴム0-リングシール202とバックアップリングシールとの組み合わせでできる超低ガス透過率複合シールでなければならない。従来のゴム0-リングをそのまま利用するには、図6のバックアップリングシール101にゴム0-リングシール形状にあわせた逃げの凹部111をあるいは、図7のバックアップリングシール102にゴム0-リングシール形状にあわせた逃げの凹部112を形成しなければならない。さらに、図7の片あり溝の場合、バックアップリングシールが片あり溝に固定されるように、バックアップリングシールの外周部にも122のような凹部を形成することが必要になる。また、ゴム0-リングシールの断面形状を変更できるなら、図8に示すゴム0-リングシール203とバックアップリングシール103のように、バックアップリングシール103の凹部をあり溝形状とし、バックアップリングシール103とゴム0-リングシール203とが構造上で一体化するようにしたあり溝適合超低ガス透過率複合シールは低価格化と高性能化を両立させるには最適な構造である。 In order to solve the above problems, the
バックアップリングシールが、従来のゴム0-リングシール溝に収まるような形状であるので、従来のシール部構造を設計変更することなく適用でき、しかも従来のゴム0-リングシールの外側にバックアップリングシールを収めることにより、チャンバー内のガスと接している部分は従来と同様のゴム0-リングシールとなり、チャンバー内のガスとゴム0-リングシール表面との反応やその表面から発生するガスの影響等は従来と全く変わらずに、大気中の酸素ガスや水成分ガス等のチャンバー内への侵入速度を大幅に減少させる効果があり、チャンバー内の酸素ガス濃度や水成分ガス濃度の上昇を嫌う真空チャンバーまたは真空装置、例えば成膜装置用のあり溝適合超低ガス透過率複合シールとして使える。 Since the backup ring seal has a shape that fits in the conventional rubber O-ring seal groove, it can be applied without changing the design of the conventional seal structure, and the backup ring seal is placed outside the conventional rubber O-ring seal. By containing the, the part in contact with the gas in the chamber becomes the same rubber O-ring seal as before, and the reaction between the gas in the chamber and the surface of the rubber O-ring seal and the influence of the gas generated from that surface, etc. has the effect of greatly reducing the intrusion speed of oxygen gas and water component gas in the atmosphere into the chamber without any change from the conventional vacuum. It can be used as a dovetail matched ultra-low gas permeability composite seal for chambers or vacuum equipment such as deposition equipment.
また、真空装置ではなく、大気中の酸素ガスや水成分ガス等のチャンバー内への侵入を嫌うエキシマレーザ装置の密封チャンバー用のあり溝適合超低ガス透過率複合シールとして使える。 In addition, it can be used as a dovetail groove-compatible ultra-low gas permeability composite seal for a sealed chamber of an excimer laser device, which is not a vacuum device, but which avoids intrusion of atmospheric oxygen gas, water component gas, etc. into the chamber.
また、大気側からゴム0-リングシールに侵入するガスが減少するのに従い、ゴム0-リングシールから発生するガス放出速度も低減されるので、高分子量のガスの侵入を嫌う分析装置およびその真空ポンプ用のあり溝適合超低ガス透過率複合シールとして使える。 In addition, as the amount of gas entering the rubber O-ring seal from the atmosphere decreases, the rate of release of gas generated from the rubber O-ring seal also decreases. Can be used as a dovetail groove compatible ultra-low gas permeability composite seal for pumps.
また、バックアップリングシール101、102、103、の形状はシート材から長尺状にカットし、その表面の長尺方向に一定形状の凹部を最適に成形した工具で削り出すことで用意に製作可能なため、安価で量産可能なあり溝適合超低ガス透過率複合シール構造用のバックアップリングシールとなる。 In addition, the
図1は特願2019-144034のバックアップリングシールを挿入した超低ガス透過率複合シールの装着断面を示す。この図で本発明のもととなる超低ガス透過率複合シールの動作機構を説明する。実線→経路Eは外側に配置したバックアップリングシール100の表面+ゴム0-リングシール200の表面とフランジ表面300間を通過するガス経路である。ここで、バックアップリングシール100の表面のシール効果がゴム0-リングシール200のそれより劣っていても、ゴムO-リングシール200で経路Eのシールをするため、結果的にはフランジ表面300に対するシール性能は低下しない。一方、図1における破線→経路Fと一点鎖線→経路Gのガス透過量を低減することが肝要である。ここで、経路Gは、ゴム0-リングシール200の表面にガスが侵入する前にガス拡散係数がゴム0-リングシール200の1/100以下のバックアップリングシール100を透過するので、その透過経路長がゴム0-リングシール200の1/10しかなくてもゴム0-リングシール200の大気側表面へのガス侵入数はそれが大気圧にさらされていた従来の場合の1/10以下になる。また経路Fは、たとえバックアップリングシール100の表面のシール性能がゴム0-リングシール200の表面のシール性能の10~30%程度であってもバックアップリングシール100の表面とフランジ表面300の間を通過したガスのみがゴム0-リングシール200の大気側表面に到達し、しかも、その大気側表面の大部分はバックアップリングシール100の表面と密着しているので、ゴム0-リングシール200の大気側表面に侵入するガス数は、それが大気圧にさらされていた従来の場合と比べるとその侵入ガス数は1/10よりはるかに少量となる。従って、本超低ガス透過率複合シールは、ゴム0-リングシール200のみでシールする場合の1/10以下のガス透過率となる。 FIG. 1 shows a mounted cross section of an ultra-low gas permeability composite seal in which a backup ring seal of Japanese Patent Application No. 2019-144034 is inserted. This figure explains the operating mechanism of the ultra-low gas permeability composite seal that is the basis of the present invention. A solid line→path E is a gas path that passes between the surface of the
図2はあり溝形状の断面図、図3は片あり溝形状の断面図である。また図4の201はあり溝形状用のゴム0-リングシールの断面形状の例で、図5の202は片あり溝形状用のゴム0-リングシールの断面形状の例である。 2 is a cross-sectional view of a dovetail groove shape, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a one-sided dovetail groove shape. Further, 201 in FIG. 4 is an example of a cross-sectional shape of a rubber O-ring seal for a dovetail groove shape, and 202 in FIG. 5 is an example of a cross-sectional shape of a rubber O-ring seal for a one-sided dovetail groove shape.
図6は本発明のあり溝適合超低ガス透過率複合シールの一つの実施例の装着断面形状図である。バックアップリングシール101にゴム0-リングシール201の形状に合わせた凹部111をバックアップリングシール101のゴム0-リングシール側の表面に形成し、ゴム0-リングシールとバックアップリングシールとを密着・一体化することにより、あり溝適合超低ガス透過率複合シールとなる。 FIG. 6 is an installed cross-sectional view of one embodiment of the dovetail matched ultra-low gas permeability composite seal of the present invention. A
図7は本発明の片あり溝断面形状に適合するあり溝適合超低ガス透過率複合シールの一つの実施例の装着断面形状図である。バックアップリングシール102にゴム0-リングシール202の形状に合わせた凹部112をバックアップリングシール102のゴム0-リングシール側の表面に形成し、ゴム0-リングシールとバックアップリングシールとを密着・一体化し、さらにあり溝にバックアップリングシール102が固定されるように、バックアップリングシール102のゴム0-リングシール202と反対側の表面に凹部122を形成することにより、あり溝適合超低ガス透過率複合シールが片あり溝から外れないようにしたあり溝適合超低ガス透過率複合シールである。 FIG. 7 is an installed cross-sectional view of one embodiment of a dovetail groove compatible ultra-low gas permeability composite seal that conforms to the single dovetail groove cross-sectional configuration of the present invention. A
図8は本発明の低価格あり溝適合超低ガス透過率複合シールの一つの実施例の装着断面形状図である。バックアップリングシール103にゴム0-リングシール203の形状に合わせたあり溝様の凹部をバックアップリングシール103のゴム0-リングシール203側の表面に形成し、ゴム0-リングシール203とバックアップリングシール103とを密着・一体化し、バックアップリングシール103もあり溝から外れないようにしたあり溝適合超低ガス透過率複合シールである。 FIG. 8 is an installed cross-sectional view of one embodiment of the low cost dovetail groove matched ultra-low gas permeability composite seal of the present invention. The
中古の成膜装置の性能向上を目的とするアップグレイド整備の際に、図6、図7,図8に示したあり溝適合超低ガス透過率複合シールを利用することにより、排気速度の大きな真空ポンプに変更することなく、真空チャンバー内に微量ながら侵入する酸素ガス、水成分ガス等の大気成分ガスの濃度を低くすることが可能になる。また、メタルシールを使用したくても使用できなかった箇所、例えばセラミック電極とアルミ製部材間のゴム0-リングシールのシール性能をメタルシールとほぼ同等まで向上させることが可能になる。 When performing upgrade maintenance for the purpose of improving the performance of used film deposition equipment, by using the dovetail groove compatible ultra-low gas permeability composite seal shown in Figs. Without changing to a vacuum pump, it is possible to reduce the concentration of atmospheric component gases such as oxygen gas and water component gas that enter the vacuum chamber, albeit in very small amounts. In addition, it is possible to improve the sealing performance of a rubber O-ring seal between a ceramic electrode and an aluminum member where a metal seal could not be used even if desired, to almost the same level as that of a metal seal.
図6、図7,図8に示したあり溝適合超低ガス透過率複合シールを利用することにより、チャンバー内のガスと接している部分は従来と同様のゴム0-リングシールとなり、チャンバー内のガスとゴム0-リングシール表面との反応やその表面から発生するガスの影響等は従来と全く変わらずに、大気中の酸素ガスや水成分ガス等のチャンバー内への侵入を大幅に減少させる効果があり、チャンバー内の酸素ガス濃度や水成分ガス濃度の上昇を嫌う真空チャンバー、例えば成膜装置用のあり溝適合超低ガス透過率複合シールとして使える。 By using the dovetail groove compatible ultra-low gas permeability composite seal shown in FIGS. The reaction between the gas and the rubber O-ring seal surface and the influence of the gas generated from that surface are the same as before, and the intrusion of oxygen gas and water component gas in the atmosphere into the chamber is greatly reduced. It can be used as a dovetail-groove compatible ultra-low gas permeability composite seal for vacuum chambers that do not tolerate increases in oxygen gas concentration and water component gas concentration in the chamber, such as film deposition equipment.
図6、図7,図8に示したあり溝適合超低ガス透過率複合シールを利用することにより、ゴム0-リングシール仕様で設計されたエキシマレーザ装置の密封チャンバーにおけるそのシール部からチャンバー内に侵入する酸素ガス、水成分ガス等のガス侵入速度を低減できるため、チャンバー内のガス交換頻度を低減したエキシマレーザ装置を実現できる。 By utilizing the dovetail matched ultra-low gas permeability composite seals shown in FIGS. Since the intrusion rate of gases such as oxygen gas and water component gas can be reduced, an excimer laser device in which the frequency of gas exchange in the chamber is reduced can be realized.
また、ゴム0-リングシールから発生するガス放出速度も低減されるので、高分子量のガスの侵入を嫌う分析装置およびその真空ポンプ用のあり溝適合超低ガス透過率複合シールとして使える。 In addition, since the rate of outgassing generated from the rubber O-ring seal is also reduced, it can be used as a dovetail-matched ultra-low gas permeability composite seal for analyzers and their vacuum pumps that dislike the intrusion of high-molecular-weight gases.
100、101、102、103 バックアップリングシール
111、112、113 ゴム0-リングシールの形状に合わせたバックアップリングシールの凹部
200、201、202、203 ゴムO-リングシール
300 フランジ表面100, 101, 102, 103 backup ring seals 111, 112, 113 backup ring seal recesses 200, 201, 202, 203 to match the shape of the rubber O-ring seal rubber O-
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