JP3971355B2

JP3971355B2 - 磁性流体シール装置

Info

Publication number: JP3971355B2
Application number: JP2003308175A
Authority: JP
Inventors: 学野口; 修平嶋; 友康加藤
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: JP2005076758A

Description

本発明は、シール部を所望の温度に維持することが可能な磁性流体シール装置に関する。

磁性流体シール装置の主要な用途として，気密容器の外部から内部に回転運動を伝達するための回転導入機構がある。気密容器の内部では，例えば，半導体関連の成膜処理などを実施するが，そのような成膜処理においては，特殊な反応ガスを使って高温で成膜するなどの特殊な環境を使うことが多い。このような特殊な環境で磁性流体シール装置を使用するときは，そのような環境でも支障なく動作することが要求される。

ＣＶＤ装置で窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜を成膜するときに，副生成物の付着の問題が生じることが知られている。窒化シリコン膜を成膜するには，原料ガスとして，ＳｉＨ₄とＮＨ₃の組み合わせ，または，ＳｉＨ₂Ｃｌ₂とＮＨ₃の組み合わせを用いるが，その際に，副生成物として塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）が生成される。この副生成物が反応空間の露出面に付着する問題がある。この塩化アンモニウムは，成膜時の圧力条件（数１０Ｐａ）では，１２０℃付近に気相と固相の境界がある。したがって，反応空間の露出面の温度を１２０℃よりも高温にすれば，塩化アンモニウムは露出面に付着しないが，１２０℃よりも低温になると，露出面に付着することになる。

磁性流体シール装置を上述のＣＶＤ装置で用いる場合，磁性流体シール装置のシール部付近の温度が１２０℃以下であると，この部分に塩化アンモニウムが付着してシール性能が劣化するおそれがある。そこで，このような副生成物の付着を防ぐために，磁性流体シール装置をヒータで加熱したり，シール部の近傍に不活性ガスを流したりする対策が提案されている。ヒータで加熱することは次の特許文献１に開示されており，不活性ガスを流すことは特許文献２に開示されている。
特開２０００−２０５４１７号公報特開平１０−３３５３１７号公報

ところで，熱ＣＶＤ装置では，基板の処理温度が例えば７００〜１０００℃程度になり，基板ホルダーはそのような高温に加熱される。その場合，基板ホルダーの回転導入機構として使われる磁性流体シール装置は，基板ホルダーからの熱の影響を受けて温度が上昇する。磁性流体は，高温になると蒸発したり変質したりするので，高温環境で使用するときは磁性流体シール装置を冷却する必要がある。上述の特許文献１や次の特許文献３は，ポールピースを冷却水で直接冷却している。また，特許文献４は，磁性流体シール装置のハウジングの外周に冷却水ジャケットを装着して，ハウジング全体を冷却している。
特開平１０−１６９７８９号公報特公平５−７００３４号公報

図５は，特許文献４に開示された冷却水ジャケットを磁性流体シール装置のハウジングに装着した例を示す部分断面正面図である。円筒状のハウジング１０の外周面には，環状の冷却水ジャケット１２が装着されている。冷却水ジャケット１２の内側には環状の凹部１４が形成されていて，この凹部１４とハウジング１０の外周面とで環状の冷却水通路１６が形成され，ここに冷却水２０を流すようになっている。冷却水２０は冷却水入口１８から入り，冷却水通路１６内を流れて，冷却水口２２から出て行く。冷却水ジャケット１２は止めねじ２４によってハウジング１０に着脱可能に取り付けることができる。これにより，水冷が必要なときだけ，冷却水ジャケット１２を装着できる。この冷却水ジャケット１２はハウジング１０の外周のほぼ全体を取り囲んでいる。

熱ＣＶＤ装置で磁性流体シール装置を用いる場合には，高温になると磁性流体の蒸発や変質の問題があり，低温になると副生成物の付着の問題があるので，シール部を，どちらの問題も生じないような適切な温度に維持することが大切になる。上述の窒化シリコン膜の成膜の例で言えば，塩化アンモニウムが付着しないで，かつ，磁性流体に支障が生じないような，１３０℃程度に，シール部の温度を維持するのが好ましい。基板の処理温度が例えば７００〜１０００℃程度である場合は，磁性流体シール装置を適切に冷却すれば，シール部を１３０℃程度に維持することは可能である。例えば，上述の特許文献３には冷却水の流量を制御して温度制御することが記載されている。このように，冷却水の温度や流量を適切に制御すれば，シール部を所望の温度に維持することは可能である。

しかしながら，現実には，冷却水の温度や流量を制御することは困難な場合が多い。例えば，半導体製造プロセスでは，各種の装置において冷却水を循環利用しており，冷却水の供給源は共通になっている。このような場合，磁性流体シール装置の冷却水だけ，その温度や流量を変えるのは不可能である。また，磁性流体シール装置の冷却水だけ，専用の冷却水供給設備を準備するのは，高額になり，現実的ではない。したがって，冷却水の温度や流量を制御すれば磁性流体シール装置のシール部の温度を適切に維持できることが分かっていても，現実には，これを実施できないことが多い。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり，その目的は，冷却水の温度や流量を変更することなく，冷却水ジャケットを用いてシール部の温度を所望の値に維持できる磁性流体シール装置を提供することにある。

本発明の磁性流体シール装置は、冷媒ジャケットの取り付け位置を変更できる点に特徴があり，次の構成を備えている。（ア）磁性材料で形成された回転シャフト。（イ）前記回転シャフトを取り囲むハウジング。（ウ）前記回転シャフトと前記ハウジングとの間に配置された複数のポールピース。（エ）前記回転シャフトと前記ハウジングとの間に配置されて，前記ポールピースと前記回転シャフトとの間に磁気通路を形成する複数の磁石。（オ）前記ポールピースと前記回転シャフトとの隙間に滞留する磁性流体。（カ）前記ハウジングの外周面に取り付けられて前記ハウジングを冷却する冷媒ジャケットであって，その取り付け位置が前記回転シャフトの軸方向に変更可能となっている冷媒ジャケット。

このように冷媒ジャケットの取り付け位置を変更することにより，冷媒の温度や流量が一定のままでも，磁性流体シール装置のシール部の温度を所望の値に維持することができる。シール部の近傍の温度を測定するために，ハウジングには，熱電対などの温度検出素子を挿入するための挿入穴を形成するのが好ましい。

本発明の磁性流体シール装置は、高温条件で用いる場合には，冷媒ジャケットを用いてシール部を冷却することができ，かつ，冷媒の温度や流量を変更することなく，きわめて簡単な構造で，シール部の温度を所望の値に維持できる。これにより，例えば，熱ＣＶＤ装置の回転導入機構として磁性流体シール装置を利用したときに，シール部に副生成物が付着せずに，磁性流体シール装置の寿命が延びる。また，冷媒供給設備の冷媒温度や流量を変更することなく，シール部の温度を所望の値に維持することができる。

次に，図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明の磁性流体シール装置のひとつの実施例を示す部分断面正面図である。磁性材料で形成された回転シャフト３０は，円筒状のハウジング３２（ＳＵＳ３１６ステンレス鋼製）に取り囲まれている。回転シャフト３０とハウジング３２の間には軸受３８が配置されていて，この軸受３８によって回転シャフト３０は回転可能に支持されている。回転シャフト３０とハウジング３２の間には複数のポールピース３４が配置されている。隣り合うポールピース３４の間には磁石３６が配置されている。この磁石３６により，ポールピース３４と回転シャフト３０の間に磁気通路が形成される。そして，ポールピース３４と回転シャフト３０の隙間に磁性流体が滞留し，この磁性流体とポールピース３４と回転シャフト３０とによってシール部が形成される。ハウジング３２の端部にはフランジ６８が形成されていて，このフランジ６８は例えば気密容器７６に取り付けられる。

次に，冷却水ジャケットを説明する。冷却水ジャケット４０（ＳＵＳ３０３ステンレス鋼製）は円環状であり，ハウジング３２の外周面５２に装着される。図２は冷却水ジャケット４０の一部を切り欠いた斜視図である。この冷却水ジャケット４０は円環状であり，その内周面に環状の凹部４２が形成されている。この凹部４２とハウジングの外周面とによって空間が形成され，この空間が冷却水通路４３（図１を参照）になる。したがって，ハウジング３２の外周面５２は冷却水によって直接冷却される。図２において，凹部４２の上下には，それぞれ，環状のＯリング溝４４，４６が形成されている。これらのＯリング溝４４，４６にはＯリングが挿入され，このＯリングが冷却水をシールする。ハウジングの外周面は，Ｏリングのためのシール面になっている。

この冷却水ジャケット４０には管用ねじでできた２個のねじ孔４８，５０が形成されている。これらのねじ孔４８，５０は，一端が冷却水ジャケット４０の外周面４１に開口しており，他端は内側の凹部４２に開口している。２個のねじ孔のうち，一方のねじ孔４８には，冷却水入口５４（図１を参照）となる配管部品が接続され，他方のねじ孔５０には，冷却水出口５６（図１を参照）となる配管部品が接続される。また，冷却水ジャケット４０には止めねじ用のねじ孔５８が，外周面４１から内面まで貫通するように，形成されている。このねじ孔５８に六角穴付きの止めねじ６０をねじ込んで，図１に示すように，その先端をハウジング３２の外周面５０に押し付けることで，冷却水ジャケット４０をハウジング３２に固定できる。

図１において，冷却水ジャケット４０の内径は，ハウジング３２の外径よりも，わずかに大きくなっている。したがって，冷却水ジャケット４０は，止めねじ６０をゆるめれば，ハウジング３２の外周面５２に被せた状態で，回転シャフト３０の軸方向６２（すなわち，ハウジング３２の軸方向）に移動させることができる。そして，止めねじ６０をねじ込んで，その先端をハウジング３２の外周面５２に押し付けることで，冷却水ジャケット４０をハウジング３２に固定することができる。

次に，磁性流体シール装置を使用するときの温度条件について説明する。図１において，この磁性流体シール装置は，熱ＣＶＤ装置の基板ホルダー６４の回転導入機構として用いることを想定している。基板ホルダー６４の表面６５（基板を載せる面）は７００〜１０００℃に加熱される。このような高温の基板ホルダー６４の影響を受けて磁性流体シール装置の温度も上昇する。磁性流体は，高温になると蒸発したり変質したりするので，冷却水ジャケット４０に冷却水６６を流して，磁性流体シール装置を冷却する必要がある。ところで，熱ＣＶＤ装置で窒化シリコン膜を成膜するときには，副生成物として塩化アンモニウムが生成され，これが磁性流体シール装置のシール部（磁性流体の近傍のポールピースや回転シャフトの部分）に付着するおそれがある。このような付着を防ぐには，シール部付近の温度を１２０℃以上にする必要がある。そこで，このような熱ＣＶＤ装置で磁性流体シール装置を使用する場合には，シール部付近の温度を１３０℃程度に維持するのが好ましい。この温度では，磁性流体の蒸発や変質も起こらず，かつ，塩化アンモニウムの付着も起こらない。それよりも温度を高くすると，磁性流体の蒸発や変質が生じるおそれがある。

次に，シール部が所望の温度を維持するための冷却水ジャケットの取り付け位置について説明する。図１において，ハウジング３２のフランジ６８には熱電対挿入穴７０が形成されている。この熱電対挿入穴７０に熱電対を挿入すると，磁性流体シール装置のシール部の近傍の温度を測定することができる。この熱電対で測定した温度が１３０℃になるように，冷却水ジャケット４０の取り付け位置を変更すればよい。冷却水ジャケット４０をフランジ６８に近づければ，シール部近傍の温度が下がり，フランジ６８から遠ざけると，シール部近傍の温度が上昇することになる。

次に，冷却水ジャケットの取り付け位置とシール部近傍の温度との関係を調べた実験について説明する。図３はその実験装置の部分断面正面図である。フランジ６８には，真空排気可能な加熱容器７６を取り付けた。そして，加熱容器７６を真空に排気した状態で，ヒータ７８を加熱した。そして，ヒータの温度が１７０℃になるようにヒータ７８の加熱電源をフィードバック制御した。ヒータの温度は熱電対８０で測定した。ヒータの温度を１７０℃に維持することにより，この加熱容器７６が，図１に示す高温の基板ホルダー６４と同等の熱源になることを想定している。このような加熱条件において，冷却水ジャケット４０の端面７２からフランジ６８の下面７４までの距離Ｌを変化させて，熱電対挿入穴７０に挿入した熱電対でＡ点の温度Ｔを測定した。冷却水ジャケット４０に流す冷却水の温度は２５℃であり，流量は毎分１．５リットルであり，どちらも一定にした。

図４は距離Ｌと温度Ｔの関係を示すグラフである。距離Ｌがゼロのときは温度Ｔは１０３℃であった。距離Ｌが大きくなるにつれて温度Ｔが上昇した。距離Ｌが３６ｍｍのときに温度Ｔは１３８℃になった。そして，温度Ｔがちょうど１３０℃になるときの距離Ｌは２０ｍｍであった。この実験により，冷却水ジャケット４０の取り付け位置を変更することで，磁性流体シール装置のシール部近傍の温度を所望の値に維持できることが分かった。上述の加熱条件のもとでは，距離Ｌが２０ｍｍのときにシール部近傍の温度が１３０℃になったが，使用環境に応じて，距離Ｌの最適値は変化する。現実の使用環境において同様の実験をすれば，その使用環境における距離Ｌの最適値を容易に求めることができる。

この実施例では，ハウジングを冷却するための冷媒として水を使ったが，その他の液体冷媒を使ってもよい。

本発明の磁性流体シール装置のひとつの実施例を示す部分断面正面図である。冷却水ジャケットの一部を切り欠いた斜視図である。実験装置の部分断面正面図である。距離Ｌと温度Ｔの関係を示すグラフである。従来の磁性流体シール装置の部分断面正面図である。

符号の説明

３０回転シャフト
３２ハウジング
３４ポールピース
３６磁石
３８軸受
４０冷却水ジャケット
４３冷却水通路
５４冷却水入口
５６冷却水出口
６０止めねじ
６６冷却水
６８フランジ
７０熱電対挿入穴

Claims

次の構成を備える磁性流体シール装置。
（ア）磁性材料で形成された回転シャフト。
（イ）前記回転シャフトを取り囲むハウジング。
（ウ）前記回転シャフトと前記ハウジングとの間に配置された複数のポールピース。
（エ）前記回転シャフトと前記ハウジングとの間に配置されて，前記ポールピースと前記回転シャフトとの間に磁気通路を形成する複数の磁石。
（オ）前記ポールピースと前記回転シャフトとの隙間に滞留する磁性流体。
（カ）前記ハウジングの外周面に取り付けられて前記ハウジングを冷却する冷媒ジャケットであって，その取り付け位置が前記回転シャフトの軸方向に変更可能となっている冷媒ジャケット。
請求項１に記載の磁性流体シール装置において，温度検出素子を挿入するための挿入穴が前記ハウジングに形成されていることを特徴とする磁性流体シール装置。