JP4275433B2 - ゲート弁のシールプレートおよびシール材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート弁のシールプレートおよびシール材に関し、詳しくは、半導体製造装置の処理室などに組み込まれるゲート弁のシールプレートと、このようなシールプレートに用いられるシール材とを対象にしている。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置の処理室（チャンバーとも呼ばれる）は、高い気密性を要求されるとともに、被処理物であるシリコン基板などの出し入れが容易に行えることが要求される。処理室の基板が出入りする開口を開閉する気密性および開閉動作性に優れた弁構造として、シールプレートを用いたゲート弁が知られている。
シールプレートは、弁体として作動する盤状のプレート本体のうち、弁座面に接離する外周縁に沿って、弾性ゴムなどからなる周環状のシール材を取り付けている。シール材が弁座面に弾力的に圧接されることで、封止性を発揮する。
【０００３】
具体的には、例えば、プレート本体の蟻溝に、断面が逆ハート形の封止材（シール材）を装着した構造のシールプレートが知られている（特許文献１参照）。
この従来技術では、シール材が蟻溝に嵌め込まれているだけなので、ゲート弁を開いたときに、弁座に固着したシール材が蟻溝から抜け出てしまうという問題がある。
このような問題を解消できる技術として、シールプレートに凹溝を形成し、この凹溝に、断面が略Ω形のシール材を挿入し、シール材の底面および左右の側面を凹溝に接着しておく技術が知られている（特許文献２）。
【０００４】
この従来技術では、シール材が、その底面および左右の側面という広い範囲で凹溝と強固に接合された状態になるので、ゲート弁の開閉を繰り返しても、凹溝からシール材が脱落することが防止できる利点がある。しかも、略Ω形の断面形状を備えていることで、中央の凸部分を挟んで左右に延びるスカート状のフランジ部分が凹溝と接合されて固定されているので、圧縮されたときに、垂直成分と水平成分との双方の応力が発生し、小さな変形でも大きな圧縮応力が得られるので、良好な封止性が発揮できるとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３１８３７３号公報
【０００６】
【特許文献２】
特表２００１−５１２８９７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記した特許文献２の従来技術では、半導体製造装置などのゲート弁に使用したときに耐久性が劣るという問題がある。
その理由について検討したところ、半導体製造装置の処理室に存在する腐食性のガスやプラズマガス、イオン性ガスなどが、シール材を構成する弾性ゴム材料の腐食劣化を促進することで、シールプレートの気密性が損なわれてしまうのであることが判明した。
前記した略Ω形の断面形状を有するシール材では、中央の凸部分と、プレート本体の凹溝と接着されているフランジ部分との間に谷状の凹みが存在している。負荷時に中央の凸部分が変形すると、その影響で両側の谷状凹みに局部的に応力の高い部分が発生する。高応力下のゴム材料に、腐食性のあるプラズマガスなどが接触すると、ゴム材料の腐食劣化が促進されて、シール材の機能が低下してしまうことになる。無荷重状態では十分な耐腐食性が確認されているフッ素系ゴムなどからなるシール材であっても、前記した高応力状態で腐食環境と接触すると、極端に耐腐食性が低下してしまう。
【０００８】
プレート本体の凹溝にシール材を接合する構造を採用した場合、凹溝との接合部分は実質的に変形せず、弁座面との接離部分では十分な弾力変形が必要であるため、その中間に存在する谷状凹み部分には、特に大きな応力が発生することになり、この部分から腐食が進行して、シール材の機能を低下させてしまう。
本発明の課題は、前記したゲート弁のシールプレートの技術において、シールプレート、特にシール材が本来有する封止性などの機能を損なうことなく、腐食環境においても十分な耐久性を発揮できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるゲート弁のシールプレートは、ゲート弁の弁体に配置され弁体と対向する弁座面に接離するシールプレートであって、全体が盤状をなし、前記弁座面と対向する外周縁に沿って外周側が開放された段差溝を有するプレート本体と、弾性材料からなり前記プレート本体の段差溝に装着される周環状のシール材とを備えてなり、前記シール材は、その断面形状が、段差溝の底面に接合される底辺と、段差溝の内側面に接合される内側辺と、前記プレート本体の前面から前記弁座面に向かって突き出し弁座面に接離する弧状突出部と、弧状突出部の側方で前記段差溝の開放側に配置される開放側傾斜辺と、弧状突出部の側方で前記段差溝の内側に配置される内側傾斜辺とを有し、前記プレート本体の前面と直交する垂線方向に対する前記開放側傾斜辺の傾斜角θ1および前記垂線方向に対する前記内側傾斜辺の傾斜角θ2が、θ2＞θ1の関係にある。
【００１０】
〔ゲート弁〕
基本的には通常のゲート弁と同様の構造を有し、同様の用途に使用することができる。
半導体製造装置やプラズマ処理装置、薄膜形成装置、ドライエッチング装置など処理室において、被処理物である半導体基板などの出入口となる開口部分に適用できる。
ゲート弁の基本構造は、開口部分の周縁に配置される弁座と、弁座に対して接離自在で開口部分を遮蔽あるいは開放する弁体とを備える。弁座および弁体の材料や構造は、基本的には通常のゲート弁と同様の技術が適用できる。弁体の開閉動作は、弁座に対して垂線方向から直線的に移動して接離するもののほか、斜め方向から接離するもの、旋回を伴って接離するものなどもある。
【００１１】
ゲート弁には、弁体あるいはシートプレートを駆動させる駆動機構を備えることができる。駆動機構には、機械的な駆動機構のほか、電磁気的な駆動機構なども採用できる。
ゲート弁は、独立した部品として構成されていて、完成された状態のゲート弁を装着する装置に組み込んで使用するようになっていてもよいし、ゲート弁の全体または一部が、ゲート弁が取り付けられる装置の構造部材と一体的に構成されていてもよい。例えば、弁座は、半導体製造装置の処理室において開口が設けられた壁面材の一部であることができる。
【００１２】
〔シールプレート〕
ゲート弁の弁体に配置され弁体と対向する弁座面に接離する。
基本的には通常のゲート弁におけるシールプレートと共通する技術が適用できる。
シールプレートは、単独で弁体を構成する場合もあるし、他の部材と組み合わせられて弁体を構成する場合もある。
シールプレートの基本構造として、プレート本体とシール材を備える。
〔プレート本体〕
全体が盤状をなし、弁座面と対向する外周縁に沿って外周側が開放された段差溝を有する。
【００１３】
プレート本体の材料は、使用条件に合わせて、必要な機械的強度や耐久性を有する材料が使用される。具体的には、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミ合金、ニッケル合金等の金属材料が採用できる。
プレート本体の全体形状は、ゲート弁が開閉する開口の形状に対応して開口を塞ぐことのできる形状を有している。例えば、開口が矩形状であれば、プレート本体は、開口よりも少し大きな矩形盤状のものが採用できる。開口の形状によって、矩形以外の多角形状や円形状、楕円形状、長円形状なども採用できる。プレート本体は、通常、平坦な盤状をなしているが、開閉する開口の形状によっては、曲面状をなす場合もある。
【００１４】
プレート本体の厚みは、段差溝を設けた状態で必要な強度や機能が発揮できればよく、材質によっても異なる。例えば、長辺２５０〜３５０ｍｍ×短辺５０ｍｍの矩形状の場合に、厚みを１０〜３０ｍｍに設定できる。
段差溝は、取り付けるシール材の形状に対応する構造を有する。段差溝には、プレート本体の前面よりも凹んだ底面と、プレート本体の中央側で底面から立ち上がる内側面を有する。プレート本体の外周側については、底面がプレート本体の外周端までつづいて開放されており、側面は存在しない。段差溝の具体的形状は、通常、底面と内側面とで構成されるＬ字形をなすが、内側面が傾斜している場合もある。底面あるいは内側面に凹凸が設けられる場合もある。
【００１５】
〔シール材〕
弾性材料からなり、プレート本体の段差溝に装着され、周環状をなす。
シール材を構成する弾性材料は、通常のシールプレートにおけるシール材と同様の材料が使用できる。具体的には、フッ素系ゴムが挙げられる。使用環境に合わせて、耐腐食性、耐プラズマ性、耐熱性、耐真空性などの機能に優れた材料を選択して使用することができる。
シール材の断面形状は、段差溝の底面に接合される底辺と、段差溝の内側面に接合される内側辺と、プレート本体の前面から弁座面に向かって突き出し弁座面に接離する弧状突出部と、弧状突出部の側方で段差溝の開放側に配置される開放側傾斜辺と、弧状突出部の側方で段差溝の内側に配置される内側傾斜辺とを有する。
【００１６】
底辺および内側辺は、段差溝すなわちシールプレートに対して十分な接合力が発揮できる長さを有する。具体的には、使用条件によっても異なるが、底辺の長さＬを３〜１０ｍｍ、内側辺の高さＨ2を０．５〜５ｍｍに設定できる。底辺の長さＬは、段差溝の底面の幅に対応する。内側辺の高さＨ2は、段差溝の深さに対応する。
内側辺は、通常、段差溝の底辺の端部から垂直に立ち上がるが、段差溝の内側面が傾斜している場合には傾斜辺になる場合もある。
弧状突出部は、段差溝に収容された状態で、段差溝の上端すなわちプレート本体の前面よりも突き出す。ゲート弁の使用状態で、弧状突出部が弁座面に向かって突き出して弁座面に接離し、弁座の開口を開閉する機能を果たす。弧状突出部は、円弧状、楕円弧状を包含する滑らかな曲線弧をなしている。弁座に対して滑らかに接離して弾力的に変形できる形状が好ましい。
【００１７】
シール材に加わる負荷の大きさや弁座面との隙間量などの条件に合わせて、弧状突出部の段差溝上端に対する突出量すなわち出代Ｈ1を適切な量に設定することで、必要とされる封止機能を実現することができる。例えば、シールプレート幅２５０ｍｍの場合、深さ３〜８ｍｍの段差溝にシール材が配置され、シール材の出代Ｈ1を、０．５〜２．０ｍｍに設定できる。大口径ゲートバルブ用などでシールプレート幅３５０ｍｍの場合は、深さ５〜１０ｍｍの段差溝にシール材が配置され、シール材のＨ1を、１．０〜３．０ｍｍに設定できる。
曲率半径Ｒ／出代Ｈ1＝０．５〜１．１に設定できる。曲率半径Ｒが小さ過ぎると、弁座面との接触幅が狭くなって実質的に線接触になってしまい、封止性が低下する。曲率半径Ｒが大き過ぎると、負荷時にシール材の変形量が少なくなり、やはり封止性が低下する。弁座と弁体との取付誤差や寸法誤差、ガタなどをシール材の弾力変形によって吸収することが難しくなる。結果として、弧状突出部の頂部における曲率半径Ｒは０．７〜１．５ｍｍになる。
【００１８】
弧状突出部の両側に配置される傾斜辺のうち、開放側傾斜辺は、シールプレート装着時に弧状突出部に対して段差溝の開放側に配置される。内側傾斜辺は、段差溝の内側に配置される。半導体製造装置などの処理室に配置されるゲート弁の場合、ゲート弁を閉じた状態では、段差溝の内側空間は処理室の内部空間と連通する。内側傾斜辺は、処理室内のガスやプラズマと触れることになる。これに対して、段差溝の開放側は処理室の外部空間に連通し、処理室内のガスやプラズマと接触することはない。
何れの傾斜辺も、上端を弧状突出部と滑らかに連続させてつなげることができる。開放側傾斜辺の下端は、底辺につなげることができる。内側傾斜辺は、内側辺につなげることができる。
【００１９】
両傾斜辺の傾斜角度を以下の条件に設定する。プレート本体の前面と直交する垂線方向に対する開放側傾斜辺の傾斜角θ1と、同じ垂線方向に対する内側傾斜辺の傾斜角θ2とで、θ2＞θ1の関係を満足するように設定する。θ2とθ1の差は３５°以下に設定できる。
開放側傾斜辺の傾斜角θ1は、１５〜３０°が好ましい。傾斜角θ1が小さ過ぎると、負荷時に弧状突出部が座屈を起こし易くなる。傾斜角θ1が大き過ぎると、負荷時に開放側への逃げ変形が生じ難くシール材の変形量が少なくなって、弁座面の封止が不十分になってリークが発生し易い。弁座と弁体との位置誤差やガタをシール材の弾性変形によって吸収することが困難になる。
【００２０】
内側傾斜辺の傾斜角θ２は、３０〜５０°が好ましい。傾斜角θ２が小さ過ぎると、弧状突出部から両側の傾斜辺で構成されるシール材の弾性変形に主に関わる部分の肉厚Ｂが小さくなり耐腐食性が低下する。傾斜角θ２が大き過ぎると、内側傾斜辺が腐食性ガスやプラズマと接触する範囲が広くなり耐腐食性が低下する。
内側傾斜辺と段差溝の内面と接合される内側辺とを、延出辺でつなぐことができる。延出辺は、段差溝の上端と同じ高さ位置で、底辺と平行な水平方向に延ばすことができる。延出辺は、負荷時に内側傾斜辺の根元部分における応力を低減し、シール材の成形製造において、プレス成形後のバリ取り加工で、バリ取り刃物がシール材を傷付けることを防止するのに有効である。延出辺の長さＦは、０．５ｍｍ以上に設定できる。
【００２１】
シール材としては、上記した以外にも通常のシール材が有する構造や技術を組み合わせて採用することができる。例えば、シール材を構成する弾性材料を部分的に変えたり、金属や繊維などの非弾性材料を組み合わせたり、シール材の内部に空洞を設けたりすることができる。
シール材を段差溝に接合する手段は、通常の接着型シール材と同様の手段が採用できる。例えば、段差溝の底面および内側面と、シール材の底辺および内側辺とを、接着剤によって接合することができる。接着剤として、シリコン系接着剤、シアノアクリル系接着剤などが使用できる。
【００２２】
接着作業としては、通常、以下の方法が採用できる。シール材となる未加硫ゴム材料に接着剤を塗布してプレートに加熱接着する。つぎに、プレートと未加硫ゴムとを一体的に熱プレス成形することで、未加硫ゴムを加硫成形する。これとは別の方法として、ゴム材料を加硫成形してシール材の成形品を得た後、得られた成形品をプレートに接着剤を用いて加熱接着する方法も採用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〔半導体製造装置〕
図１は、本発明のシールプレートおよびシール材を用いたゲート弁構造を備える半導体製造装置を示す。
半導体製造装置１０には、開閉可能な閉塞蓋１４で塞がれた処理室１２の内部で上下に電極１６，１８が配置されている。両電極１６、１８には配線１７、１９を介して電圧が印加される。処理室１２の壁材は配線１１でアースされており、各電極１６、１８との間に電圧を印加することができる。下側電極１６に、シリコン基板などの被処理物Ｗが配置される。各配線１１、１７、１９間に印加される高周波電圧の作用で、処理室１２内に発生させたプラズマによって、被処理物Ｗに所望のプラズマ処理を施すことができる。図示を省略したが、処理室１２には、処理ガスの導入路や真空排気路なども接続される。
【００２４】
処理室１２の側壁には、シリコン基板などの被処理物Ｗを出し入れするための開口１５が設けられる。開口１５の外側には通路２０が連結されている。通路２０を搬送されてくる被処理物Ｗが、開口１５から処理室１２に送りこまれる。処理済みの被処理物Ｗは、開口１５から通路２０を経て、外部に取り出したり、次の処理工程へと送り出されたりする。
〔ゲート弁〕
開口１５の外側には、ゲート弁の弁体となるシールプレート３０のプレート本体３２が配置されて、開口１５を塞ぐ。図示を省略しているが、プレート本体３２は、開口１５を塞ぐ位置と開口１５を開放する位置との間を移行動作するように、駆動機構を備えている。処理室１２の側壁外面で開口１５の外周縁部分が、ゲート弁の弁座面として機能する。弁座部分は、処理室１２の壁面材とは別の部材で作製されていて、開口１５に嵌め込み取り付けしておくことができる。
【００２５】
プレート本体３２のうち、弁座面１２と対面する外周部分に、弾性材料からなる周環状のシール材４０が取り付けられている。シール材４０が開口１５の外側で弁座面１２と接離することで、開口１５の封止および開放を果たす。
〔シール材〕
図３（ａ）に示すように、シール材４０は、プレート本体３２のうち、弁座面１２と対面する側の周縁部分に配置された段差溝３４に装着される。
段差溝３４は、プレート本体３２の隅角部分をＬ形に切り取った形状をなしており、プレート本体３２の前面と直交する内側面と、内側面と直交してプレート本体３２の前面と平行な底面とを有する。
【００２６】
図２に詳しく示すように、シール材４０はその断面形状が、底辺４１、内側辺４２、延出辺４４、内側傾斜辺４５、弧状突出部４６および開放側傾斜辺４３で構成されている。
底辺４１は、段差溝３４の底面幅と同じ長さＬを有している。内側辺４２は、底辺４１の端部から垂直に立ち上がっており、段差溝３４の深さと同じ高さＨ2を有する。底辺４１と内側辺４２が、段差溝３４の底面および内側面に当接し、接着剤によって接合される。これによって、シール材４０がプレート本体３２に強固に取り付けられる。底辺４１の先端は、段差溝３４の外周端面に臨み、内側辺４２の上端は段差溝３４の上端位置に配置されている。
【００２７】
弧状突出部４６は、曲率半径Ｒの円弧状をなす。図３（ａ）（ｂ）に示すように、弧状突出部４６の先端が弁座面１２に当接し、弾力的に変形することで、弁座面１２を気密性良好に封止することができる。
開放側傾斜辺４３の上端は、弧状突出部４６と滑らかに連続し、下端は底辺４１の先端につながっている。開放側傾斜辺４３は、底辺４１と直交する垂線方向に対して傾斜角θ1を有している。
内側傾斜辺４５の上端も、弧状突出部４６と滑らかに連続している。下端は延出辺４４の先端につながっている。内側傾斜辺４５は、底辺４１と直交する垂線方向に対して傾斜角θ2を有している。図２に明らかなように、θ2＞θ1の関係にある。
【００２８】
延出辺４４は、内側傾斜辺４５の下端と内側辺４２の上端とを水平方向につないでおり、長さＦを有する。
延出辺４４から弧状突出部４６の先端までの高さＨ1が、図３（ａ）において、段差溝３４からのシール材４０の突出高さになる。図２において、肉厚Ｂは、延出辺４４と内側傾斜辺４５との接続位置と、同じ高さ位置における開放側傾斜辺４３の途中位置との間における水平方向の幅であり、シール材４０の弾性変形に主に関与する部分の幅を規定する。
〔シール材のシール作用〕
図３（ａ）に示すように、プレート本体３２の外周縁に沿ってシール材４０が接合された状態で、シールプレート３０を弁座面１２と対面させる。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、シールプレート３０を弁座面１２に向かって移行させると、シール材４０の弧状突出部４６の先端が弁座面１２に当接する。さらにシールプレート３０を移行させると、弧状突出部４６が弾力的に変形することで、弁座面１２に対して広い範囲で面接触をした状態で圧接される。これによって、シール材４０の両側の空間が遮断される。
その結果、図１において、処理室１２の内部空間が、通路２０側の空間に対して気密状態で封止される。この状態で、処理室１２の内部における各種処理作業が行われる。
【００３０】
図３（ｂ）に矢印で示すように、処理室１２内のプラズマガスなどは、プレート本体３２と弁座面１２との隙間を通って、シール材４０の内側傾斜辺４５と接触する位置に到達する。
もしも、内側傾斜辺４５に大きな応力が発生していると、応力下におけるプラズマガスの腐食促進作用によって、プラズマガスが接触する内側傾斜辺４５の腐食劣化が進行することになる。
しかし、前記実施形態では、内側傾斜辺４５には大きな応力が発生せず、内側傾斜辺４５に隣接する延出辺４４や、延出辺４４と内側辺４２との連結位置、内側傾斜辺４５から弧状突出部４６に至る露出部分の全領域においても、局部的に大きな応力が発生することがない。
【００３１】
その理由は、以下のように考えられる。
図３（ｂ）において、弧状突出部４６に対して垂直方向に負荷が加わると、弧状突出部４６が押し潰されるように変形するとともに、弧状突出部４６から両傾斜辺４３、４５が左右に拡がるように変形しようとする。
このとき、内側傾斜辺４５は、相対的に傾斜角度θ2が大きく、しかも、下端は延出辺４４を経て内側辺４２につながっている。内側辺４２は段差溝３４の内側面で拘束されている。これに対し、開放側傾斜辺４３は、相対的に傾斜角度θ1が小さく、しかも、上下の全長にわたって側方に開放されている。
【００３２】
そのため、開放側傾斜辺４３は外側に膨れるように変形し易く、内側傾斜辺４５はあまり変形しない。大きく変形する開放側傾斜辺４３とその近傍には大きな変形応力が生じ、あまり変形しない内側傾斜辺４５とその近傍には小さな変形応力しか発生しない。
プラズマなどの腐食性ガスが接触する可能性のある内側傾斜辺４５とその近傍に大きな変形応力が発生しないので、応力下における腐食促進作用が生じ難い。その結果、ゲート弁の開閉動作を繰り返し、シール材４０に繰り返し応力が発生しても、腐食性ガスによるシール材４０の腐食劣化が生じ難くなる。
【００３３】
図４は、図３（ｂ）の状態におけるシール材４０の模式的な応力分布を等応力線で表現している。図中にハッチングを施した領域が、特に高い応力が発生しているところである。この応力状態では、弁座面１２から直接に圧力が加わる弧状突出部４６に大きな応力が発生し、そこからシール材４０の内部に向かって徐々に応力が小さくなっている。但し、シール材４０は左右対称形ではなく、段差溝３４による拘束もあるので、左右で応力分布に偏りが生じている。具体的には、開放側傾斜辺４３の側に比較的に大きな応力が発生し、内側傾斜辺４５の側には比較的に小さな応力しか発生していない。なお、開放側傾斜辺４３の下端と底辺４１との隅角部では特に大きな応力が発生している。
【００３４】
処理室１２側からの腐食性ガスと接触する内側傾斜辺４５を含む露出面には、局部的に大きな応力が発生している個所はなく、全体としても、比較的に小さな応力しか発生していないので、応力下における腐食促進作用は働かない。
開放側傾斜辺４３の側では、露出面に応力集中個所が存在するが、こちら側では腐食性ガスが接触することはないので、腐食が促進される心配はない。
【００３５】
【実施例】
本発明のシール材およびシールプレートを具体的に作製し、その性能を評価した結果を示す。
〔シール材およびシールプレート〕
図２に示す構造のシール材４０を、フッ素ゴムを材料にして作製した。
シール材４０の各部の寸法を、表１に示すとおりに設定した。表１に記載された以外の個所における寸法は、以下のとおりである。
底辺の長さＬ＝４．２５ｍｍ
内側辺の高さＨ2＝１．５ｍｍ
延出辺の長さＦ＝０．５ｍｍ
シール材の肉厚Ｂ＝３．２４ｍｍ
シールプレート３０は、アルミ（ＪＩＳ Ａ６０６３）を材料とし、寸法２２５×４０×１１．５ｍｍの概略矩形板状をなす。
【００３６】
比較例１として、特表２００１−５１２８９７号公報に開示された断面Ω形のシール材を、同じ材料で作製したものを用いた。概略寸法は、全幅４．５ｍｍ、全高２．４ｍｍである。
〔有限要素解析〕
一般的な有限要素解析（ＦＥＡ）法を適用して、シール材の変形および発生する応力を求めた。
解析条件は以下のとおりであった。
シール材の材質：フッ素ゴム相当の線形体
弁座面の材質：アルミニウム相当の剛体
摩擦係数：１．０
圧縮荷重：１．６Ｎ／ｍｍ（０．１６５ｋｇｆ／ｍｍ）
図４に示す構造において、シール材の接着面ではシール材は動かないので完全な拘束状態であると仮定した。弁座面から垂直に圧縮荷重を与えるという条件で有限要素解析を行った。図４に示すような応力分布線図が得られた。解析データから、シール材と弁座面との接触幅およびシール材の変形量を求めた。図５は比較例１のシール材９０について、同じ解析条件で解析したときの応力状態を示す。
【００３７】
〔密封性試験〕
アムスラー圧縮試験機を使用した。シールプレートのシール材の上に、弁座面となるフランジ板を置き、厚み方向に所定の圧縮負荷を加えた。フランジ板とシール材の中央空間にヘリウムリークディテクターを接続した。シール材の外側空間にヘリウムガスを供給した。ヘリウムリークディテクターで検出されたヘリウム量をシール材の漏洩量として測定した。
測定結果を、以下の評価基準で評価判定した。
○：１０-8Ｐａ・ｍ3以下
△：１０-8〜１０-5Ｐａ・ｍ3
×：１０-5Ｐａ・ｍ3以上
〔耐久性試験〕
プラズマＣＶＤ処理装置のゲート部にシールプレートを装着し、プラズマＣＶＤ処理を繰り返して、シール材の腐食状況を観察評価した。
【００３８】
作業条件は以下のとおりであった。
作業処理：プラズマＣＶＤ
シールプレート装着個所：ゲート部
導入ガス：ＳｉＨ4、Ｏ2、Ｈｅ、Ａｒ／ＮＦ3
プラズマ出力：ＲＦ３２００Ｗ／ＭＷ３２００Ｗ
設定温度：１２０℃
弁座の材質：アルミ
被処理物の処理枚数を１００００枚まで実施した。シール材の損傷が甚だしく実用に耐えないと判断された場合は、その時点で試験を中止した。具体的には、シール材の肉厚Ｂが５０％以下になった時点で使用に耐えない、と判定した。
【００３９】
試験結果を、以下の評価基準で評価判定した。
○：処理枚数５０００枚以上
△：処理枚数５０００〜１０００枚
×：処理枚数１０００枚以下
−：密封性試験で十分な密封性が得られなかったため、試験せず。
各試験の結果を、表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
〔評価〕
(1) 開放側傾斜辺の傾斜角θ1および内側傾斜辺の傾斜角θ2を適切に設定することで、良好な密封性を維持しながら、腐食劣化を起こしにくく、実用性に優れたシールプレートおよびシール材が得られる。
具体的には、試験例３、４、９、１０、１５、１６は、変形量および接触幅が適切で、密封性に優れ、腐食環境での耐久性にも優れている。
(2) 比較例１についても同様の耐久性試験を行なったところ、処理枚数約５００枚でシール材の肉厚Ｂが削り取られて試験前の６０％まで減ってしまっていた。
【００４２】
図５に示すように、比較例１では、負荷状態において、中央の凸部分の両側に存在する谷状の凹み部分に局部的に大きな応力集中が発生しており、この応力集中部分で腐食が促進されて、前記したような耐久性に劣る結果となったものと判断できる。
試験後のシール材を観察すると、腐食環境に晒される側で谷状の凹み部分から中央の凸部分の側面にかけて大きく削り取られていることが確認できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明にかかるシールプレートは、プレート本体の外周縁で外周側が開放された段差溝にシール材を装着して、シール材の断面形状で底辺と内側辺とを段差溝に接合しているとともに、シール材の弧状突出部の両側に配置された開放側傾斜辺の傾斜角θ1と内側傾斜辺の傾斜角θ2とが、θ2＞θ1の関係にあることによって、使用状態で腐食環境に晒される内側傾斜辺とその近傍部分に、局部的に大きな応力が発生し難くなる。高応力下における腐食促進作用が発生せず、シール材の腐食耐久性が大幅に向上することになる。
【００４４】
その結果、ゲート弁におけるシールプレートおよびシール材の交換間隔が延長され、ゲート弁が取り付けられた半導体製造装置などの稼動率あるいは生産性の向上に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を表す使用状態の断面図
【図２】 シール材の断面図
【図３】 シール材の装着状態（ａ）および封止状態（ｂ）の断面図
【図４】 応力分布状態を示す模式図
【図５】 従来技術の応力分布状態を示す模式図
【符号の説明】
１０ 半導体製造装置
１２ 処理室
１５ 基板出入口
２０ 基板出入通路
３０ シールプレート
３２ プレート本体
３４ 段差溝
４０ シール材
４１ 底辺
４２ 内側辺
４３ 開放側傾斜辺
４４ 延出部
４５ 内側傾斜辺
４６ 弧状突出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート弁のシールプレートおよびシール材に関し、詳しくは、半導体製造装置の処理室などに組み込まれるゲート弁のシールプレートと、このようなシールプレートに用いられるシール材とを対象にしている。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置の処理室（チャンバーとも呼ばれる）は、高い気密性を要求されるとともに、被処理物であるシリコン基板などの出し入れが容易に行えることが要求される。処理室の基板が出入りする開口を開閉する気密性および開閉動作性に優れた弁構造として、シールプレートを用いたゲート弁が知られている。
シールプレートは、弁体として作動する盤状のプレート本体のうち、弁座面に接離する外周縁に沿って、弾性ゴムなどからなる周環状のシール材を取り付けている。シール材が弁座面に弾力的に圧接されることで、封止性を発揮する。
【０００３】
具体的には、例えば、プレート本体の蟻溝に、断面が逆ハート形の封止材（シール材）を装着した構造のシールプレートが知られている（特許文献１参照）。
この従来技術では、シール材が蟻溝に嵌め込まれているだけなので、ゲート弁を開いたときに、弁座に固着したシール材が蟻溝から抜け出てしまうという問題がある。
このような問題を解消できる技術として、シールプレートに凹溝を形成し、この凹溝に、断面が略Ω形のシール材を挿入し、シール材の底面および左右の側面を凹溝に接着しておく技術が知られている（特許文献２）。
【０００４】
この従来技術では、シール材が、その底面および左右の側面という広い範囲で凹溝と強固に接合された状態になるので、ゲート弁の開閉を繰り返しても、凹溝からシール材が脱落することが防止できる利点がある。しかも、略Ω形の断面形状を備えていることで、中央の凸部分を挟んで左右に延びるスカート状のフランジ部分が凹溝と接合されて固定されているので、圧縮されたときに、垂直成分と水平成分との双方の応力が発生し、小さな変形でも大きな圧縮応力が得られるので、良好な封止性が発揮できるとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３１８３７３号公報
【０００６】
【特許文献２】
特表２００１−５１２８９７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記した特許文献２の従来技術では、半導体製造装置などのゲート弁に使用したときに耐久性が劣るという問題がある。
その理由について検討したところ、半導体製造装置の処理室に存在する腐食性のガスやプラズマガス、イオン性ガスなどが、シール材を構成する弾性ゴム材料の腐食劣化を促進することで、シールプレートの気密性が損なわれてしまうのであることが判明した。
前記した略Ω形の断面形状を有するシール材では、中央の凸部分と、プレート本体の凹溝と接着されているフランジ部分との間に谷状の凹みが存在している。負荷時に中央の凸部分が変形すると、その影響で両側の谷状凹みに局部的に応力の高い部分が発生する。高応力下のゴム材料に、腐食性のあるプラズマガスなどが接触すると、ゴム材料の腐食劣化が促進されて、シール材の機能が低下してしまうことになる。無荷重状態では十分な耐腐食性が確認されているフッ素系ゴムなどからなるシール材であっても、前記した高応力状態で腐食環境と接触すると、極端に耐腐食性が低下してしまう。
【０００８】
プレート本体の凹溝にシール材を接合する構造を採用した場合、凹溝との接合部分は実質的に変形せず、弁座面との接離部分では十分な弾力変形が必要であるため、その中間に存在する谷状凹み部分には、特に大きな応力が発生することになり、この部分から腐食が進行して、シール材の機能を低下させてしまう。
本発明の課題は、前記したゲート弁のシールプレートの技術において、シールプレート、特にシール材が本来有する封止性などの機能を損なうことなく、腐食環境においても十分な耐久性を発揮できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるゲート弁のシールプレートは、ゲート弁の弁体に配置され弁体と対向する弁座面に接離するシールプレートであって、全体が盤状をなし、前記弁座面と対向する外周縁に沿って外周側が開放された段差溝を有するプレート本体と、弾性材料からなり前記プレート本体の段差溝に装着される周環状のシール材とを備えてなり、前記シール材は、その断面形状が、段差溝の底面に接合される底辺と、段差溝の内側面に接合される内側辺と、前記プレート本体の前面から前記弁座面に向かって突き出し弁座面に接離する弧状突出部と、弧状突出部の側方で前記段差溝の開放側に配置される開放側傾斜辺と、弧状突出部の側方で前記段差溝の内側に配置される内側傾斜辺とを有し、前記プレート本体の前面と直交する垂線方向に対する前記開放側傾斜辺の傾斜角θ1および前記垂線方向に対する前記内側傾斜辺の傾斜角θ2が、θ2＞θ1の関係にある。
【００１０】
〔ゲート弁〕
基本的には通常のゲート弁と同様の構造を有し、同様の用途に使用することができる。
半導体製造装置やプラズマ処理装置、薄膜形成装置、ドライエッチング装置など処理室において、被処理物である半導体基板などの出入口となる開口部分に適用できる。
ゲート弁の基本構造は、開口部分の周縁に配置される弁座と、弁座に対して接離自在で開口部分を遮蔽あるいは開放する弁体とを備える。弁座および弁体の材料や構造は、基本的には通常のゲート弁と同様の技術が適用できる。弁体の開閉動作は、弁座に対して垂線方向から直線的に移動して接離するもののほか、斜め方向から接離するもの、旋回を伴って接離するものなどもある。
【００１１】
ゲート弁には、弁体あるいはシートプレートを駆動させる駆動機構を備えることができる。駆動機構には、機械的な駆動機構のほか、電磁気的な駆動機構なども採用できる。
ゲート弁は、独立した部品として構成されていて、完成された状態のゲート弁を装着する装置に組み込んで使用するようになっていてもよいし、ゲート弁の全体または一部が、ゲート弁が取り付けられる装置の構造部材と一体的に構成されていてもよい。例えば、弁座は、半導体製造装置の処理室において開口が設けられた壁面材の一部であることができる。
【００１２】
〔シールプレート〕
ゲート弁の弁体に配置され弁体と対向する弁座面に接離する。
基本的には通常のゲート弁におけるシールプレートと共通する技術が適用できる。
シールプレートは、単独で弁体を構成する場合もあるし、他の部材と組み合わせられて弁体を構成する場合もある。
シールプレートの基本構造として、プレート本体とシール材を備える。
〔プレート本体〕
全体が盤状をなし、弁座面と対向する外周縁に沿って外周側が開放された段差溝を有する。
【００１３】
プレート本体の材料は、使用条件に合わせて、必要な機械的強度や耐久性を有する材料が使用される。具体的には、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミ合金、ニッケル合金等の金属材料が採用できる。
プレート本体の全体形状は、ゲート弁が開閉する開口の形状に対応して開口を塞ぐことのできる形状を有している。例えば、開口が矩形状であれば、プレート本体は、開口よりも少し大きな矩形盤状のものが採用できる。開口の形状によって、矩形以外の多角形状や円形状、楕円形状、長円形状なども採用できる。プレート本体は、通常、平坦な盤状をなしているが、開閉する開口の形状によっては、曲面状をなす場合もある。
【００１４】
プレート本体の厚みは、段差溝を設けた状態で必要な強度や機能が発揮できればよく、材質によっても異なる。例えば、長辺２５０〜３５０ｍｍ×短辺５０ｍｍの矩形状の場合に、厚みを１０〜３０ｍｍに設定できる。
段差溝は、取り付けるシール材の形状に対応する構造を有する。段差溝には、プレート本体の前面よりも凹んだ底面と、プレート本体の中央側で底面から立ち上がる内側面を有する。プレート本体の外周側については、底面がプレート本体の外周端までつづいて開放されており、側面は存在しない。段差溝の具体的形状は、通常、底面と内側面とで構成されるＬ字形をなすが、内側面が傾斜している場合もある。底面あるいは内側面に凹凸が設けられる場合もある。
【００１５】
〔シール材〕
弾性材料からなり、プレート本体の段差溝に装着され、周環状をなす。
シール材を構成する弾性材料は、通常のシールプレートにおけるシール材と同様の材料が使用できる。具体的には、フッ素系ゴムが挙げられる。使用環境に合わせて、耐腐食性、耐プラズマ性、耐熱性、耐真空性などの機能に優れた材料を選択して使用することができる。
シール材の断面形状は、段差溝の底面に接合される底辺と、段差溝の内側面に接合される内側辺と、プレート本体の前面から弁座面に向かって突き出し弁座面に接離する弧状突出部と、弧状突出部の側方で段差溝の開放側に配置される開放側傾斜辺と、弧状突出部の側方で段差溝の内側に配置される内側傾斜辺とを有する。
【００１６】
底辺および内側辺は、段差溝すなわちシールプレートに対して十分な接合力が発揮できる長さを有する。具体的には、使用条件によっても異なるが、底辺の長さＬを３〜１０ｍｍ、内側辺の高さＨ2を０．５〜５ｍｍに設定できる。底辺の長さＬは、段差溝の底面の幅に対応する。内側辺の高さＨ2は、段差溝の深さに対応する。
内側辺は、通常、段差溝の底辺の端部から垂直に立ち上がるが、段差溝の内側面が傾斜している場合には傾斜辺になる場合もある。
弧状突出部は、段差溝に収容された状態で、段差溝の上端すなわちプレート本体の前面よりも突き出す。ゲート弁の使用状態で、弧状突出部が弁座面に向かって突き出して弁座面に接離し、弁座の開口を開閉する機能を果たす。弧状突出部は、円弧状、楕円弧状を包含する滑らかな曲線弧をなしている。弁座に対して滑らかに接離して弾力的に変形できる形状が好ましい。
【００１７】
シール材に加わる負荷の大きさや弁座面との隙間量などの条件に合わせて、弧状突出部の段差溝上端に対する突出量すなわち出代Ｈ1を適切な量に設定することで、必要とされる封止機能を実現することができる。例えば、シールプレート幅２５０ｍｍの場合、深さ３〜８ｍｍの段差溝にシール材が配置され、シール材の出代Ｈ1を、０．５〜２．０ｍｍに設定できる。大口径ゲートバルブ用などでシールプレート幅３５０ｍｍの場合は、深さ５〜１０ｍｍの段差溝にシール材が配置され、シール材のＨ1を、１．０〜３．０ｍｍに設定できる。
曲率半径Ｒ／出代Ｈ1＝０．５〜１．１に設定できる。曲率半径Ｒが小さ過ぎると、弁座面との接触幅が狭くなって実質的に線接触になってしまい、封止性が低下する。曲率半径Ｒが大き過ぎると、負荷時にシール材の変形量が少なくなり、やはり封止性が低下する。弁座と弁体との取付誤差や寸法誤差、ガタなどをシール材の弾力変形によって吸収することが難しくなる。結果として、弧状突出部の頂部における曲率半径Ｒは０．７〜１．５ｍｍになる。
【００１８】
弧状突出部の両側に配置される傾斜辺のうち、開放側傾斜辺は、シールプレート装着時に弧状突出部に対して段差溝の開放側に配置される。内側傾斜辺は、段差溝の内側に配置される。半導体製造装置などの処理室に配置されるゲート弁の場合、ゲート弁を閉じた状態では、段差溝の内側空間は処理室の内部空間と連通する。内側傾斜辺は、処理室内のガスやプラズマと触れることになる。これに対して、段差溝の開放側は処理室の外部空間に連通し、処理室内のガスやプラズマと接触することはない。
何れの傾斜辺も、上端を弧状突出部と滑らかに連続させてつなげることができる。開放側傾斜辺の下端は、底辺につなげることができる。内側傾斜辺は、内側辺につなげることができる。
【００１９】
両傾斜辺の傾斜角度を以下の条件に設定する。プレート本体の前面と直交する垂線方向に対する開放側傾斜辺の傾斜角θ1と、同じ垂線方向に対する内側傾斜辺の傾斜角θ2とで、θ2＞θ1の関係を満足するように設定する。θ2とθ1の差は３５°以下に設定できる。
開放側傾斜辺の傾斜角θ1は、１５〜３０°が好ましい。傾斜角θ1が小さ過ぎると、負荷時に弧状突出部が座屈を起こし易くなる。傾斜角θ1が大き過ぎると、負荷時に開放側への逃げ変形が生じ難くシール材の変形量が少なくなって、弁座面の封止が不十分になってリークが発生し易い。弁座と弁体との位置誤差やガタをシール材の弾性変形によって吸収することが困難になる。
【００２０】
内側傾斜辺の傾斜角θ２は、３０〜５０°が好ましい。傾斜角θ２が小さ過ぎると、弧状突出部から両側の傾斜辺で構成されるシール材の弾性変形に主に関わる部分の肉厚Ｂが小さくなり耐腐食性が低下する。傾斜角θ２が大き過ぎると、内側傾斜辺が腐食性ガスやプラズマと接触する範囲が広くなり耐腐食性が低下する。
内側傾斜辺と段差溝の内面と接合される内側辺とを、延出辺でつなぐことができる。延出辺は、段差溝の上端と同じ高さ位置で、底辺と平行な水平方向に延ばすことができる。延出辺は、負荷時に内側傾斜辺の根元部分における応力を低減し、シール材の成形製造において、プレス成形後のバリ取り加工で、バリ取り刃物がシール材を傷付けることを防止するのに有効である。延出辺の長さＦは、０．５ｍｍ以上に設定できる。
【００２１】
シール材としては、上記した以外にも通常のシール材が有する構造や技術を組み合わせて採用することができる。例えば、シール材を構成する弾性材料を部分的に変えたり、金属や繊維などの非弾性材料を組み合わせたり、シール材の内部に空洞を設けたりすることができる。
シール材を段差溝に接合する手段は、通常の接着型シール材と同様の手段が採用できる。例えば、段差溝の底面および内側面と、シール材の底辺および内側辺とを、接着剤によって接合することができる。接着剤として、シリコン系接着剤、シアノアクリル系接着剤などが使用できる。
【００２２】
接着作業としては、通常、以下の方法が採用できる。シール材となる未加硫ゴム材料に接着剤を塗布してプレートに加熱接着する。つぎに、プレートと未加硫ゴムとを一体的に熱プレス成形することで、未加硫ゴムを加硫成形する。これとは別の方法として、ゴム材料を加硫成形してシール材の成形品を得た後、得られた成形品をプレートに接着剤を用いて加熱接着する方法も採用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〔半導体製造装置〕
図１は、本発明のシールプレートおよびシール材を用いたゲート弁構造を備える半導体製造装置を示す。
半導体製造装置１０には、開閉可能な閉塞蓋１４で塞がれた処理室１２の内部で上下に電極１６，１８が配置されている。両電極１６、１８には配線１７、１９を介して電圧が印加される。処理室１２の壁材は配線１１でアースされており、各電極１６、１８との間に電圧を印加することができる。下側電極１６に、シリコン基板などの被処理物Ｗが配置される。各配線１１、１７、１９間に印加される高周波電圧の作用で、処理室１２内に発生させたプラズマによって、被処理物Ｗに所望のプラズマ処理を施すことができる。図示を省略したが、処理室１２には、処理ガスの導入路や真空排気路なども接続される。
【００２４】
処理室１２の側壁には、シリコン基板などの被処理物Ｗを出し入れするための開口１５が設けられる。開口１５の外側には通路２０が連結されている。通路２０を搬送されてくる被処理物Ｗが、開口１５から処理室１２に送りこまれる。処理済みの被処理物Ｗは、開口１５から通路２０を経て、外部に取り出したり、次の処理工程へと送り出されたりする。
〔ゲート弁〕
開口１５の外側には、ゲート弁の弁体となるシールプレート３０のプレート本体３２が配置されて、開口１５を塞ぐ。図示を省略しているが、プレート本体３２は、開口１５を塞ぐ位置と開口１５を開放する位置との間を移行動作するように、駆動機構を備えている。処理室１２の側壁外面で開口１５の外周縁部分が、ゲート弁の弁座面として機能する。弁座部分は、処理室１２の壁面材とは別の部材で作製されていて、開口１５に嵌め込み取り付けしておくことができる。
【００２５】
プレート本体３２のうち、弁座面１２と対面する外周部分に、弾性材料からなる周環状のシール材４０が取り付けられている。シール材４０が開口１５の外側で弁座面１２と接離することで、開口１５の封止および開放を果たす。
〔シール材〕
図３（ａ）に示すように、シール材４０は、プレート本体３２のうち、弁座面１２と対面する側の周縁部分に配置された段差溝３４に装着される。
段差溝３４は、プレート本体３２の隅角部分をＬ形に切り取った形状をなしており、プレート本体３２の前面と直交する内側面と、内側面と直交してプレート本体３２の前面と平行な底面とを有する。
【００２６】
図２に詳しく示すように、シール材４０はその断面形状が、底辺４１、内側辺４２、延出辺４４、内側傾斜辺４５、弧状突出部４６および開放側傾斜辺４３で構成されている。
底辺４１は、段差溝３４の底面幅と同じ長さＬを有している。内側辺４２は、底辺４１の端部から垂直に立ち上がっており、段差溝３４の深さと同じ高さＨ2を有する。底辺４１と内側辺４２が、段差溝３４の底面および内側面に当接し、接着剤によって接合される。これによって、シール材４０がプレート本体３２に強固に取り付けられる。底辺４１の先端は、段差溝３４の外周端面に臨み、内側辺４２の上端は段差溝３４の上端位置に配置されている。
【００２７】
弧状突出部４６は、曲率半径Ｒの円弧状をなす。図３（ａ）（ｂ）に示すように、弧状突出部４６の先端が弁座面１２に当接し、弾力的に変形することで、弁座面１２を気密性良好に封止することができる。
開放側傾斜辺４３の上端は、弧状突出部４６と滑らかに連続し、下端は底辺４１の先端につながっている。開放側傾斜辺４３は、底辺４１と直交する垂線方向に対して傾斜角θ1を有している。
内側傾斜辺４５の上端も、弧状突出部４６と滑らかに連続している。下端は延出辺４４の先端につながっている。内側傾斜辺４５は、底辺４１と直交する垂線方向に対して傾斜角θ2を有している。図２に明らかなように、θ2＞θ1の関係にある。
【００２８】
延出辺４４は、内側傾斜辺４５の下端と内側辺４２の上端とを水平方向につないでおり、長さＦを有する。
延出辺４４から弧状突出部４６の先端までの高さＨ1が、図３（ａ）において、段差溝３４からのシール材４０の突出高さになる。図２において、肉厚Ｂは、延出辺４４と内側傾斜辺４５との接続位置と、同じ高さ位置における開放側傾斜辺４３の途中位置との間における水平方向の幅であり、シール材４０の弾性変形に主に関与する部分の幅を規定する。
〔シール材のシール作用〕
図３（ａ）に示すように、プレート本体３２の外周縁に沿ってシール材４０が接合された状態で、シールプレート３０を弁座面１２と対面させる。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、シールプレート３０を弁座面１２に向かって移行させると、シール材４０の弧状突出部４６の先端が弁座面１２に当接する。さらにシールプレート３０を移行させると、弧状突出部４６が弾力的に変形することで、弁座面１２に対して広い範囲で面接触をした状態で圧接される。これによって、シール材４０の両側の空間が遮断される。
その結果、図１において、処理室１２の内部空間が、通路２０側の空間に対して気密状態で封止される。この状態で、処理室１２の内部における各種処理作業が行われる。
【００３０】
図３（ｂ）に矢印で示すように、処理室１２内のプラズマガスなどは、プレート本体３２と弁座面１２との隙間を通って、シール材４０の内側傾斜辺４５と接触する位置に到達する。
もしも、内側傾斜辺４５に大きな応力が発生していると、応力下におけるプラズマガスの腐食促進作用によって、プラズマガスが接触する内側傾斜辺４５の腐食劣化が進行することになる。
しかし、前記実施形態では、内側傾斜辺４５には大きな応力が発生せず、内側傾斜辺４５に隣接する延出辺４４や、延出辺４４と内側辺４２との連結位置、内側傾斜辺４５から弧状突出部４６に至る露出部分の全領域においても、局部的に大きな応力が発生することがない。
【００３１】
その理由は、以下のように考えられる。
図３（ｂ）において、弧状突出部４６に対して垂直方向に負荷が加わると、弧状突出部４６が押し潰されるように変形するとともに、弧状突出部４６から両傾斜辺４３、４５が左右に拡がるように変形しようとする。
このとき、内側傾斜辺４５は、相対的に傾斜角度θ2が大きく、しかも、下端は延出辺４４を経て内側辺４２につながっている。内側辺４２は段差溝３４の内側面で拘束されている。これに対し、開放側傾斜辺４３は、相対的に傾斜角度θ1が小さく、しかも、上下の全長にわたって側方に開放されている。
【００３２】
そのため、開放側傾斜辺４３は外側に膨れるように変形し易く、内側傾斜辺４５はあまり変形しない。大きく変形する開放側傾斜辺４３とその近傍には大きな変形応力が生じ、あまり変形しない内側傾斜辺４５とその近傍には小さな変形応力しか発生しない。
プラズマなどの腐食性ガスが接触する可能性のある内側傾斜辺４５とその近傍に大きな変形応力が発生しないので、応力下における腐食促進作用が生じ難い。その結果、ゲート弁の開閉動作を繰り返し、シール材４０に繰り返し応力が発生しても、腐食性ガスによるシール材４０の腐食劣化が生じ難くなる。
【００３３】
図４は、図３（ｂ）の状態におけるシール材４０の模式的な応力分布を等応力線で表現している。図中にハッチングを施した領域が、特に高い応力が発生しているところである。この応力状態では、弁座面１２から直接に圧力が加わる弧状突出部４６に大きな応力が発生し、そこからシール材４０の内部に向かって徐々に応力が小さくなっている。但し、シール材４０は左右対称形ではなく、段差溝３４による拘束もあるので、左右で応力分布に偏りが生じている。具体的には、開放側傾斜辺４３の側に比較的に大きな応力が発生し、内側傾斜辺４５の側には比較的に小さな応力しか発生していない。なお、開放側傾斜辺４３の下端と底辺４１との隅角部では特に大きな応力が発生している。
【００３４】
処理室１２側からの腐食性ガスと接触する内側傾斜辺４５を含む露出面には、局部的に大きな応力が発生している個所はなく、全体としても、比較的に小さな応力しか発生していないので、応力下における腐食促進作用は働かない。
開放側傾斜辺４３の側では、露出面に応力集中個所が存在するが、こちら側では腐食性ガスが接触することはないので、腐食が促進される心配はない。
【００３５】
【実施例】
本発明のシール材およびシールプレートを具体的に作製し、その性能を評価した結果を示す。
〔シール材およびシールプレート〕
図２に示す構造のシール材４０を、フッ素ゴムを材料にして作製した。
シール材４０の各部の寸法を、表１に示すとおりに設定した。表１に記載された以外の個所における寸法は、以下のとおりである。
底辺の長さＬ＝４．２５ｍｍ
内側辺の高さＨ2＝１．５ｍｍ
延出辺の長さＦ＝０．５ｍｍ
シール材の肉厚Ｂ＝３．２４ｍｍ
シールプレート３０は、アルミ（ＪＩＳ Ａ６０６３）を材料とし、寸法２２５×４０×１１．５ｍｍの概略矩形板状をなす。
【００３６】
比較例１として、特表２００１−５１２８９７号公報に開示された断面Ω形のシール材を、同じ材料で作製したものを用いた。概略寸法は、全幅４．５ｍｍ、全高２．４ｍｍである。
〔有限要素解析〕
一般的な有限要素解析（ＦＥＡ）法を適用して、シール材の変形および発生する応力を求めた。
解析条件は以下のとおりであった。
シール材の材質：フッ素ゴム相当の線形体
弁座面の材質：アルミニウム相当の剛体
摩擦係数：１．０
圧縮荷重：１．６Ｎ／ｍｍ（０．１６５ｋｇｆ／ｍｍ）
図４に示す構造において、シール材の接着面ではシール材は動かないので完全な拘束状態であると仮定した。弁座面から垂直に圧縮荷重を与えるという条件で有限要素解析を行った。図４に示すような応力分布線図が得られた。解析データから、シール材と弁座面との接触幅およびシール材の変形量を求めた。図５は比較例１のシール材９０について、同じ解析条件で解析したときの応力状態を示す。
【００３７】
〔密封性試験〕
アムスラー圧縮試験機を使用した。シールプレートのシール材の上に、弁座面となるフランジ板を置き、厚み方向に所定の圧縮負荷を加えた。フランジ板とシール材の中央空間にヘリウムリークディテクターを接続した。シール材の外側空間にヘリウムガスを供給した。ヘリウムリークディテクターで検出されたヘリウム量をシール材の漏洩量として測定した。
測定結果を、以下の評価基準で評価判定した。
○：１０-8Ｐａ・ｍ3以下
△：１０-8〜１０-5Ｐａ・ｍ3
×：１０-5Ｐａ・ｍ3以上
〔耐久性試験〕
プラズマＣＶＤ処理装置のゲート部にシールプレートを装着し、プラズマＣＶＤ処理を繰り返して、シール材の腐食状況を観察評価した。
【００３８】
作業条件は以下のとおりであった。
作業処理：プラズマＣＶＤ
シールプレート装着個所：ゲート部
導入ガス：ＳｉＨ4、Ｏ2、Ｈｅ、Ａｒ／ＮＦ3
プラズマ出力：ＲＦ３２００Ｗ／ＭＷ３２００Ｗ
設定温度：１２０℃
弁座の材質：アルミ
被処理物の処理枚数を１００００枚まで実施した。シール材の損傷が甚だしく実用に耐えないと判断された場合は、その時点で試験を中止した。具体的には、シール材の肉厚Ｂが５０％以下になった時点で使用に耐えない、と判定した。
【００３９】
試験結果を、以下の評価基準で評価判定した。
○：処理枚数５０００枚以上
△：処理枚数５０００〜１０００枚
×：処理枚数１０００枚以下
−：密封性試験で十分な密封性が得られなかったため、試験せず。
各試験の結果を、表１に示す。
【００４０】
【表１】
〔評価〕
(1) 開放側傾斜辺の傾斜角θ1および内側傾斜辺の傾斜角θ2を適切に設定することで、良好な密封性を維持しながら、腐食劣化を起こしにくく、実用性に優れたシールプレートおよびシール材が得られる。
具体的には、試験例３、４、９、１０、１５、１６は、変形量および接触幅が適切で、密封性に優れ、腐食環境での耐久性にも優れている。
(2) 比較例１についても同様の耐久性試験を行なったところ、処理枚数約５００枚でシール材の肉厚Ｂが削り取られて試験前の６０％まで減ってしまっていた。
【００４２】
図５に示すように、比較例１では、負荷状態において、中央の凸部分の両側に存在する谷状の凹み部分に局部的に大きな応力集中が発生しており、この応力集中部分で腐食が促進されて、前記したような耐久性に劣る結果となったものと判断できる。
試験後のシール材を観察すると、腐食環境に晒される側で谷状の凹み部分から中央の凸部分の側面にかけて大きく削り取られていることが確認できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明にかかるシールプレートは、プレート本体の外周縁で外周側が開放された段差溝にシール材を装着して、シール材の断面形状で底辺と内側辺とを段差溝に接合しているとともに、シール材の弧状突出部の両側に配置された開放側傾斜辺の傾斜角θ1と内側傾斜辺の傾斜角θ2とが、θ2＞θ1の関係にあることによって、使用状態で腐食環境に晒される内側傾斜辺とその近傍部分に、局部的に大きな応力が発生し難くなる。高応力下における腐食促進作用が発生せず、シール材の腐食耐久性が大幅に向上することになる。
【００４４】
その結果、ゲート弁におけるシールプレートおよびシール材の交換間隔が延長され、ゲート弁が取り付けられた半導体製造装置などの稼動率あるいは生産性の向上に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を表す使用状態の断面図
【図２】 シール材の断面図
【図３】 シール材の装着状態（ａ）および封止状態（ｂ）の断面図
【図４】 応力分布状態を示す模式図
【図５】 従来技術の応力分布状態を示す模式図
【符号の説明】
１０ 半導体製造装置
１２ 処理室
１５ 基板出入口
２０ 基板出入通路
３０ シールプレート
３２ プレート本体
３４ 段差溝
４０ シール材
４１ 底辺
４２ 内側辺
４３ 開放側傾斜辺
４４ 延出部
４５ 内側傾斜辺
４６ 弧状突出部
Claims (4)
- ゲート弁の弁体に配置され弁体と対向する弁座面に接離するシールプレートであって、
全体が盤状をなし、前記弁座面と対向する外周縁に沿って外周側が開放された段差溝を有するプレート本体と、
弾性材料からなり前記プレート本体の段差溝に装着される周環状のシール材とを備えてなり、
前記シール材は、その断面形状が、段差溝の底面に接合される底辺と、段差溝の内側面に接合される内側辺と、前記プレート本体の前面から前記弁座面に向かって突き出し弁座面に接離する弧状突出部と、弧状突出部の側方で前記段差溝の開放側に配置される開放側傾斜辺と、弧状突出部の側方で前記段差溝の内側に配置される内側傾斜辺とを有し、
前記プレート本体の前面と直交する垂線方向に対する前記開放側傾斜辺の傾斜角θ1および前記垂線方向に対する前記内側傾斜辺の傾斜角θ2が、θ2＞θ1の関係にある
ゲート弁のシールプレート。 - 前記シール材が、
前記開放側傾斜辺の傾斜角θ1が１５〜３０°であり、
前記内側傾斜辺の傾斜角θ2が３０〜５０°である
請求項１に記載のゲート弁のシールプレート。 - 前記シール材が、
前記弧状突出部と前記開放側傾斜辺および前記内側傾斜辺とが滑らかに連続しており、
前記弧状突出部の曲率半径Ｒと、前記段差溝の上端から弧状突出部の先端までの距離Ｈ1とが、Ｒ／Ｈ1＝０．５〜１．１の関係にある
請求項１または２に記載のゲート弁のシールプレート。 - 請求項１〜３の何れかに記載のシールプレートに用いられ、弾性材料からなり前記プレート本体の段差溝に装着される周環状のシール材であって、
その断面形状が、
前記段差溝の底面に接合される底辺と、
前記段差溝の内側面に接合される内側辺と、
前記プレート本体の前面から突き出す弧状突出部と、
前記弧状突出部の側方で前記段差溝の開放側に配置される開放側傾斜辺と、
前記弧状突出部の側方で前記段差溝の内側に配置される内側傾斜辺とを備え、前記プレート本体の前面と直交する垂線方向に対する前記開放側傾斜辺の傾斜角θ1および前記垂線方向に対する前記内側傾斜辺の傾斜角θ2が、θ2＞θ1の関係にある
シールプレート用のシール材。
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