JP3924867B2 - 高真空バルブのボディーの均一加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高真空バルブのボディーを均一に加熱する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備においては、高真空チェンバーと真空ポンプを接続する排気通路（高真空配管）に高真空バルブが配設されている。そして、半導体の製造のエッチング工程においては、真空チェンバー内の真空圧力を所定値（反応ガスの種類によって定められた最適な真空圧力）に保ち、真空チェンバー内に反応ガスを導入してシリコンウエハと化学反応させている。反応ガスの反応生成物は、一定温度以下の場合には液体状又は半固体状になって、真空チェンバー、配管、高真空バルブ等の内部に付着する。この付着物の発生により、(1) 排気通路が次第に狭められるためチェンバー内の圧力が目標値よりも上昇し、化学反応にバラツキが生じて、半導体の品質低下をもたらす、(2) 高真空バルブのシール面（弁座又は弁体のＯリング）に付着して、高真空バルブの制御が困難となる、(3) 反応生成物が付着した真空チェンバー、配管、高真空バルブ等の内面が、反応生成物と反応して腐食する、などの問題が生じていた。
【０００３】
反応生成物の付着を防止するには、装置全体を反応生成物が液化又は凝固する温度以上に維持することが必要である。そして、高真空バルブについては、図４に示すように、ボディー７ではボディー上部▲１▼、弁側フランジ▲２▼、ベローズ側フランジ▲３▼、弁部外側（▲２▼と▲３▼の間）▲４▼の温度均一性が要求されている。ボディー７の内部には弁体▲５▼，ベローズ▲６▼があり、ボディー７と同様の温度均一性を要求されるが、ボディー７の内部は高真空のため熱伝達は熱放射が主であり、ボンネット８への熱伝導による熱の逃げがなければ、ボディー７の温度に従う。
【０００４】
従来、高真空バルブを所定温度以上に維持するため、ボディー７及びボンネット８に熱伝導率の高いアルミ材を用い、弁体▲５▼及びベローズ▲６▼にはステンレス材を用い、ボディー７の外側にヒーター９を取り付けていた。そして、ボディー７とボンネット８との間を密着させ、ボディー７の熱をアルミ材のボンネット８に伝達し、ボンネット８からベローズ及び弁体へ伝熱させている。従来のボディー７にアルミ材を用いた高真空バルブを加熱したときの温度分布（ヒーター９に通電後１時間）は、図３のアルミ材の欄に記載のとおりであり、測定箇所▲１▼〜▲６▼がほぼ同じ温度（最大温度差１１°Ｃ）になっており、デポジット（反応生成物の付着）防止の機能を有する高真空バルブとして広く使用されている。
【０００５】
アルミ材は熱伝導率は高いが強度と耐蝕性に乏しいので、ボディーに強度と耐蝕性に優れたステンレス（ＳＵＳ）材を使いたいという要望がある。そこで、図４に示す高真空バルブと同一の構造、大きさで、ボディー７の材質をアルミ材からＳＵＳ材に変更した高真空バルブを製作し、ヒーター９に通電させた。その温度分布（ヒーター９に通電後１時間）は、図３のＳＵＳ材の欄に記載のとおりであり、ＳＵＳ材の熱伝導率がアルミ材のそれの約１／１２であるので、測定箇所の温度のばらつきが大きく、最大温度差３８°Ｃになっており、この高真空バルブではデポジット防止が困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
真空チェンバー内のウエハを大気中に取り出すため、真空状態にある真空チェンバーに窒素ガス等の不活性ガスを流入させて真空を破壊する。このとき、真空チェンバー、配管内の床面や壁面に付着しているダスト（パーティクル）が注入ガスによって巻き上げられて室内、管内に浮遊し、ウエハ上に付着して半導体の性能に悪影響を与える。ダストは付着した箇所に留まり続けていれば、特に弊害とはならないので、真空破壊時のダストの浮遊を回避するため、ガス流量を徐々に増加させる装置が使用されている。
本発明は、高真空バルブのボディー加熱装置において、ボディーに強度と耐蝕性に優れたステンレスを用い、ヒーターからの熱を広範囲に分散し、ボディーの温度をボディーにアルミを用いた場合と同程度の均一な値にすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するために、ベローズ側ポートと弁側ポートとが主弁室を介して連通され、主弁室と弁側ポートとを結ぶ流路に主弁座が形成され、主弁座に対向して主弁体が往復動可能に配設されている、高真空バルブのステンレス製ボディーにヒーターが配設されている高真空バルブのボディーの均一加熱装置であって、ボディーの表面に熱伝導率の高い金属製の単数又は複数枚の熱伝導板が密着させて配置され、熱伝導板の表面の一部にヒーターが配置され、断熱材製のカバーによって熱伝導板の全面及びボディーの表面が所定の間隙をもたせて被覆され、加熱面積が小さいヒーターからの熱が、熱伝導板を通ってボディーの広範囲に伝熱され、更にカバーとボディーとの間の密閉空間で自然対流が発生し、自然対流熱伝達によりボディーの広範囲に伝熱されることを第１の構成とする。
なお、所定の間隙とは自然対流が発生するのに適した間隙をいう。
本発明は、第１の構成において、ヒーターとしてサーミスタが用いられ、熱伝導板として銅製又はアルミ製のものが用いられることを第２の構成とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明のボディーの均一加熱装置の実施の形態を示す。高真空バルブ１のＳＵＳ（ステンレス）材製のボディー10には、側部にベローズ側管部11、ベローズ側フランジ12及びベローズ側ポート13が突出して形成され、下部には弁側管部14、弁側フランジ15及び弁側ポート16が突出して形成され、ベローズ側管部11の軸線と弁側管部14の軸線とは略直角をなしている。ベローズ側ポート13と弁側ポート16とは主弁室31を介して連通され、主弁室31と弁側管部14とを結ぶ流路に主弁座18が形成されている。主弁室31の下端に位置する主弁座18に対向して、主弁体19・中空主弁軸21が上下動可能に配設され、主弁体19には副弁体23・副弁軸26が上下動可能に配設されている。主弁体19の下側に弁座プレート29がボルト28で固定され、弁座プレート29の中央に副弁座24が形成され、副弁座24の上側（副弁室30）と主弁体19の上側部とが連通路25によって連通されている。主弁体19の下側の周縁部に環状凹溝が形成され、この環状凹溝にシールリング20が装着されている。主弁座18に主弁体19のシールリング20を接触させ、更に副弁座24に副弁体23のフランジ部を接触させることにより（図１の中心線より左側）、ベローズ側ポート13と弁側ポート16との間の流路が閉じられる。ベローズ側ポート13と弁側ポート16との間の流路は、副弁体23を副弁座24から離すことにより（図１の中心線より右側）連通路25を介して連通され、主弁体19を主弁座18から離すことによって直接連通される。
【０００９】
ボディー10の上端の段差部にＳＵＳ材製の上側金属リング37が載置され、熱伝導率の高いアルミ材製のボンネット32の下端の段付の環状平面が上側金属リング37の上面に接触している。ボディー10の上端の外周部とボンネット32の下端の外周部とが密着され、ボディー10とボンネット32とが連結され、ボディー10とボンネット32とによって上側金属リング37が挟持されている。ボンネット32の底部の隔壁33の中央孔34に中空主弁軸21が摺動自在かつ気密状態に挿通され、ボンネット32の主シリンダ孔35に摺動自在に嵌合された主ピストン38に中空主弁軸21の上端が連結されている。主弁体19の上側の段部（連通路25よりも上方）にＳＵＳ材製の下側金属リング41及びスプリング受42が固定され、スプリング受42と隔壁33との間に２個のスプリング43、44が装着されている。中空主弁軸21・スプリング43、44を覆うＳＵＳ材製のベローズ45が配設され、ベローズ45の下端は下側金属リング41の外周に溶接され、ベローズ45の上端は上側金属リング37の内周部に溶接されている。
【００１０】
図２(b) に明示されているように、主弁体19の中央部には、下側から大径孔27、中径孔及び小径孔からなる貫通した段付中央孔が形成されており、大径孔27の内部が副弁室30となっている。中空主弁軸21の下方部分は内側が下端から切り欠かれて筒状部21Ａとなっており、下端部には外側に突出するフランジ21Ｂが形成されている。中空主弁軸21は主弁体19の段付中央孔に下側から挿入されており、中空主弁軸21のフランジ21Ｂが主弁体19の小径孔と中径孔との間の段差部に当接した状態で、中空主弁軸21と主弁体19とが連結されている。中空主弁軸21のフランジ21Ｂの環状溝にはＯリング64が装着され、Ｏリング64によって中空主弁軸21と主弁体19との間が密封されており、副弁体23は副弁室30に往復動可能に挿入されている。副弁体23の上側の雌ねじ部に副弁軸26の下端の雄ねじ部が螺合されて連結されており、中空主弁軸21の筒状部21Ａの内側の上端と副弁体23の上側との間に引っ張り用スプリング47が装着され、副弁体23を上方（副弁体23と副弁座24からなる副弁の開方向）に引っ張っている。副弁軸26の表面と中空主弁軸21の内面との間は、中空主弁軸21の内面の環状溝に装着されたＯリング60によって密封されている。また、副弁体23の表面と筒状部21Ａの内面との間は、副弁体23の外周環状溝に装着されたＯリング65によって密封されている。
【００１１】
図２(a) に明示されているように、主ピストン38の中央部には、上側から大径孔、副シリンダ孔（中径孔）48及び小径孔からなる貫通した段付中央孔が形成されている。主ピストン38の小径孔には中空主弁軸21の先端小径部21Ｃが嵌合され、この先端小径部21Ｃの上端に金具39が装着され、中空主弁軸21の抜け出しが防止されている。主ピストン38の小径孔の下端の環状溝にはＯリング68が装着され、Ｏリング68により先端小径部21Ｃと主ピストン38の小径孔との間が密封されている。副シリンダ孔48には副ピストン52が摺動自在に嵌合され、副ピストン52の中央孔には副弁軸26の上端小径部26Ａが挿通されている。副ピストン52の中央孔の下端には環状溝が形成され、この環状溝にＯリング63が装着され、Ｏリング63によって中央孔と上端小径部26Ａとの間が密封されている。Ｏリング63の下端は上端小径部26Ａの段差部に当接し、上端小径部26Ａの先端で副ピストン52より上方へ突出した部分は、ナット等の金具53によって連結され、こうして副弁軸26と副ピストン52とが固定されている。
【００１２】
ボンネット32の隔壁33の中央孔34には、上端部と下端部に環状溝が形成されており、これらの環状溝にシールリング61、62が装着され、シールリング61、62によって中空主弁軸21の表面と中央孔34の内面との間が密封されている。ボンネット32の側部には逃がしポート50が配設され、中央孔34の内面と逃がしポート50との間が連通孔49、49Ａにより連通されている。連通孔49、49Ａ及び逃がしポート50を通して、主弁室31から中央孔34へ漏洩した流体を高真空バルブ１の外部へ排出することができる。中空主弁軸21の中空孔の上方部は内径がやや大きくされており、その中空孔と副弁軸26との間に連通路54が形成されている。連通路54の上端は副シリンダ孔48のシリンダ室48Ａ（副ピストン52の下方部）に連通し、連通路54は半径方向の連通路54Ａ、中央孔34、連通孔49、連通孔49Ａを介して逃がしポート50に連通されている。
【００１３】
ボンネット32の上端に蓋体70が嵌合され、蓋体70と主ピストン38との間にシリンダ上室71が形成され、主ピストン38と主シリンダ孔35の底部との間にシリンダ下室72が形成されている。蓋体70の中央孔にはアジャスト金具77が回動自在に装着され、蓋体70の段付横孔にはストッパー76が装着され、ストッパー76を段付横孔に螺合させることにより、ストッパー76の先端がアジャスト金具77の側部に圧接され、アジャスト金具77の回動が停止される。アジャスト金具77の中央部には角穴75が形成されており、角穴75には角軸57が往復自在に挿通されている。主ピストン38の段付中央孔の大径孔にはプレート56が螺合され、ねじの戻り止めが施され、プレート56の中央部の雌ねじ部56Ａには角軸57の下方の雄ねじ部57Ａが螺合されている。角軸57の下端の環状溝にはストッパー78が装着され、角軸57と副弁軸26とは同一軸線上に配置されている。副ピストン52は引っ張り用スプリング47により上方へ付勢されているので、角軸57の下端面と副弁軸26の上端面とは常に接触している。
【００１４】
主ピストン38の外周環状溝にはシール部材66が装着され、主ピストン38の外周面と主シリンダ孔35の内周面との間が密封され、同様に副ピストン52の外周環状溝にはシール部材67が装着され、副ピストン52の外周面と副シリンダ孔48の内周面との間が密封されている。アジャスト金具77を回転させると、角軸57が同期して回転し、角軸57の雄ねじ部57Ａとプレート56の雌ねじ部56Ａとの螺合により、プレート56に対して角軸57が相対的に上下動する。このとき、シール部材66,67 の存在により生ずる摩擦力が、雄ねじ部57Ａと雌ねじ部56Ａとを通して回転させようとする力よりも大きいので、主ピストン38及び副ピストン52は回転しない。プレート56には逃がし孔56Ｂが形成されており、逃がし孔56Ｂを介してプレート56と副ピストン52との間の空間が、シリンダ上室71及びボンネット32の逃がし孔59を介して大気に連通されている。
【００１５】
高真空バルブ１のベローズ側ポート13が高真空配管を介して高真空チェンバーに連通され、弁側ポート16が切換弁を介して真空ポンプと不活性ガスタンクに連通される。不活性ガスを高真空チェンバーに供給するときは、高真空バルブ１の主弁体19及び副弁体23をともに主弁座18及び副弁座24に接触させて、弁側ポート16とベローズ側ポート13との流通を遮断させ、切換弁を操作して弁側ポート16と不活性ガスタンクとを連通させる。アジャスト金具77をゆっくり回転させて角軸57を徐々に上昇させると、引っ張り用スプリング47の引っ張り力により、副弁体23が副弁座24から徐々に離れる。不活性ガスが副弁体23と副弁座24との隙間、連通路25、ベローズ側ポート13、高真空配管を通って高真空チェンバーに流量を連続的に増大させながら供給される。連通路25のみを通した不活性ガスの供給は少流量で流量が徐々に増加するのでダストの巻き上げは生じない。角軸57のストッパー78がプレート56の下面に当接し、又は副弁体23のフランジが段付中央孔の段部に当接すると、副弁体23の移動が停止する。高真空チェンバー内の圧力が所定値になってから、圧縮空気をボンネット32の供給ポート84を介してシリンダ下室72に流入させると主ピストン38が上昇し、主弁体19が主弁座18から離れ、主弁が開放する。圧力が所定圧以上であるので、大流量のガスを流しても、ダストの巻き上げの危険はない。
【００１６】
図１に示すように、ボディー10及びボンネット32の側部には、ボディー10の下端部からボンネット32の上端部に至り、かつ所定の横幅を持ち、熱伝導率の高い金属材料製の単数又は複数の熱伝導板80が密着させて配設されている。この熱伝導板80に適した熱伝導率の高い金属としては、銅、アルミ、亜鉛等が挙げられる。熱伝導板80からボディー10及びボンネット32への熱伝導を確実に行わせるため、ボディー10・ボンネット32の外側面と熱伝導板80の内側面とを密着させる。熱伝導板80の略中央の表面にはヒーター81が配置され、ヒーター81はボルト等により熱伝導板80に固定されている。ヒーター81としては、小型で発熱量が多い半導体製のサーミスタが適しており、配線は省略されている。１個の熱伝導板80にヒーター81を１個以上配設し、ヒーター81を配設した熱伝導板80を１個の高真空バルブ１に１個以上取り付ける。なお、銅やアルミを用いた熱伝導板80とＳＵＳ（ステンレス）のボディー10とは線膨張係数が異なり、熱伝導板80の一方的な伸びの増加を吸収するため、熱伝導板80の一方端を伸縮可能な状態に固定し、熱伝導板80とボディー10・ボンネット32の接触面積を最大にする工夫が必要である。
【００１７】
図１に示すように、断熱材製のカバー82によって熱伝導板80の全面及びボディー10・ボンネット32の表面の略全部（蓋体70、ベローズ側フランジ12及び弁側フランジ15を除く）が所定の間隙をもたせて被覆されている。ここに、所定の間隔とは、カバー82とボディー10・ボンネット32との間の空間内で自然対流が発生しうる大きさである。カバー82の端部（カバー82が高真空バルブ１と接触する部分）がボンネット32の上端の表面（外周面）、ベローズ側管部11の表面及び弁側管部14の表面に気体の流動が困難な程度に接近されている。具体的に説明すると、カバー82は、上下に内向きのフランジを付け、ベローズ側管部11及び弁側管部14を挿通させるための円形孔が形成された形状で、高真空バルブ１に装着させるため、ベローズ側管部11及び弁側管部14を通る中心線で半割りにされている。半割りカバーの接合部にはカバー82の内外間に対流の生じない程度の隙間があり、同様にカバー82とボディー10・ボンネット32との間にもカバー82の内外間に対流の生じない程度の隙間が設けられている。
【００１８】
ヒーター81に電流を流すと、加熱面積が小さいヒーター81からの熱が、熱伝導板80を通ってボディー10及びボンネット32の広範囲に熱伝導により伝熱され、さらにベローズ45、主弁体19及び副弁体23へ熱伝導により伝熱される。このとき、カバー82とボディー10・ボンネット32との間の密閉空間で自然対流が発生し、密閉空間が自然対流域85となり、自然対流伝熱によりヒーター81・熱伝導板80からボディー10・ボンネット32の広範囲に伝熱される。そして、主弁室31内は高真空であるので、熱放射による伝熱も行われる。
【００１９】
本発明の実施の形態の高真空バルブを加熱したときの温度分布（ヒーター81に通電後1 時間）は、図３のＳＵＳ本発明の欄に記載のとおりであり、測定箇所▲１▼〜▲６▼が概ね同じ温度（最大温度差１８°Ｃ）になっており、デポジット（反応生成物の付着）防止の機能を有する高真空バルブとして使用することが可能であることが明らかである。
【００２０】
【発明の効果】
高真空バルブのボディーの均一加熱装置は、ボディーに強度と耐蝕性に優れたステンレスを用いることができ、そしてヒーターからの熱が熱伝導率の高い金属製の熱伝導板を通してボディーに広範囲に熱伝導により伝熱され、またカバーとボディーとの間の密閉空間で自然対流が発生し、自然対流熱伝達によりボディーの広範囲に伝熱される。従って、ボディーの温度をボディーにアルミを用いた場合と同程度の均一な値にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のボディーの均一加熱装置を示す断面図である。
【図２】図２(a) は図１の副ピストン部分の拡大図であり、図２(b) は図１の副弁体部分の拡大図である。
【図３】従来のボディーと本発明の実施の形態のボディーの性能を比較した表である。
【図４】ボディーにアルミ材を用いた従来のボディーを示す断面図である。
【符号の説明】
10 ボディー
18 主弁座
19 主弁体
21 中空主弁軸
24 副弁座
26 副弁軸
30 副弁室
31 主弁室
32 ボンネット
33 隔壁
38 主ピストン
45 ベローズ
47 引っ張り用スプリング
48 副シリンダ孔
57 角軸
80 熱伝導板
81 ヒーター
82 カバー

Claims (2)

1. ベローズ側ポートと弁側ポートとが主弁室を介して連通され、主弁室と弁側ポートとを結ぶ流路に主弁座が形成され、主弁座に対向して主弁体が往復動可能に配設されている、高真空バルブのステンレス製ボディーにヒーターが配設されている加熱装置であって、
   ボディーの表面に熱伝導率の高い金属製の単数又は複数枚の熱伝導板が密着させて配置され、熱伝導板の表面の一部にヒーターが配置され、断熱材製のカバーによって熱伝導板の全面及びボディーの表面が所定の間隙をもたせて被覆され、
   加熱面積が小さいヒーターからの熱が、熱伝導板を通ってボディーの広範囲に伝熱され、更にカバーとボディーとの間の密閉空間で自然対流が発生し、自然対流熱伝達によりボディーの広範囲に伝熱される、
   ことを特徴とする高真空バルブのボディーの均一加熱装置。
2. ヒーターとしてサーミスタが用いられ、熱伝導板として銅製又はアルミ製のものが用いられる請求項１記載の高真空バルブのボディーの均一加熱装置。

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