JP4517924B2 - 真空調圧バルブ - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置などの理化学機械においてワークに化学的処理を施すための真空チャンバーの減圧などに使用する真空調圧バルブに関するものである。

例えば、半導体製造装置において、プロセスガスを用いて半導体基板上に成膜処理を施す場合、真空チャンバ内でその処理が行われる。その際、成膜処理に先立つ真空チャンバ内の段階的な減圧や、成膜反応中の該真空チャンバ内の真空圧の調整等に、例えば特許文献１に示すような真空調圧バルブが使用され、弁部材（弁シール部材）による弁座の開放度即ち弁開度を制御することにより、上記減圧や真空圧の調整等を精度良く行うようにしている。

ところが、この種の真空調圧バルブは、上記プロセスガスとの接触によってバルブの内部に副生成物（成膜による生成物以外の生成物）が付着し易く、特に、弁座を僅かに開放した状態で真空圧を調整する際に、該弁座と弁シール部材との距離が近いことから、これらの弁座と弁シール部材とがプロセスガスに直接晒されて副生成物が付着し易くなり、これらの部分に副生成物が付着すると、その付着の度合いによって弁部材の開閉ストロークと実際の弁開度との相関関係が変化し、調圧精度に狂いが生じたり、弁閉時のシールが不完全になってリークを生じるという問題があった。
特開平８−１６６０８５号公報

そこで本発明の目的は、弁座と弁シール部材とに対する副生成物の付着を防止することができる有効かつ新規な機構を備えた真空調圧バルブを提供することにある。

上記目的を達成するため，本発明によれば、バルブハウジングに形成された真空チャンバーに接続する第１主ポート及び真空ポンプに接続する第２主ポートと、これらの主ポートと弁室とを結ぶ第１流路孔及び第２流路孔と、該弁室内において上記第１流路孔の端部に該第１流路孔を取り囲むように形成された環状の弁座と、上記弁室内において該弁座を環状の弁シール部材で開閉する弁部材と、上記弁座と弁シール部材とに向けて不活性ガスを噴射するためのノズル部とを有し、上記ノズル部が、上記弁座の内側に該弁座と同心状に配設された噴射口を有すると共に、この噴射口全体に不活性ガスを均等に供給するための整流室を有し、上記噴射口及び整流室がそれぞれ円環状をしていて、上記第１流路孔内に嵌着した筒状部材の外周面と該第１流路孔の内周面との間に形成され、上記筒状部材の先端は、上記弁座と同じ高さにあるか又は該弁座よりも弁部材側に突出していることを特徴とする真空調圧バルブが提供される。

また、本発明の真空調圧バルブにおいては、上記筒状部材が、上記第１流路孔の端部の孔径が拡大された拡大孔部内に嵌め付けられるか、あるいは、上記第１流路孔のほぼ全長にわたって延在するように取り付けられる。

さらに、本発明の真空調圧バルブにおいては、上記バルブハウジングに、該バルブハウジングを加熱するための電気ヒーターを付設することができる。

この場合に好ましくは、上記バルブハウジングの外面に上記ヒーターからの熱を伝達するための伝熱カバーを付設し、該伝熱カバーに、上記不活性ガスが流通するガス流路を、該流路内の不活性ガスと伝熱カバーとの間で熱伝達が可能なるように形成し、このガス流路の一端を上記噴射口に接続すると共に、他端に不活性ガス供給源に接続するための接続口を設けることである。

より好ましくは、上記伝熱カバーに連なるガス加熱部を上記第１主ポートの回りに形成して、このガス加熱部に上記ガス流路を該第１主ポートを取り巻くように形成し、不活性ガスを上記伝熱カバーと同等の温度に加熱できるようにすることである。

本発明によれば、弁座と弁シール部材とに向けてノズル部から不活性ガスを噴射することにより、これらの弁座と弁シール部材とに対する副生成物の付着を効果的に抑制することができる。

図１は本発明に関連する構成を備えた真空調圧バルブの第１構成例を示すものである。このバルブは、流路中の弁座１６を開閉する弁部材１７を備えた主弁部１と、上記弁部材１７を操作するシリンダ部２とを有していて、これらの主弁部１とシリンダ部２とが、筒形をした連結用ハウジング３を介してバルブの軸線Ｌに沿って直列に結合されている。

上記主弁部１は、実質的に角柱状又は円柱状をした中空のバルブハウジング１０を有している。このバルブハウジング１０は、ステンレスなどの高耐食性素材からなるもので、真空チャンバーに接続するための第１主ポート１１と、真空ポンプに接続するための第２主ポート１２とを有し、上記第１主ポート１１は、バルブハウジング１０の軸線Ｌ方向の一端側に該軸線Ｌに沿う方向に開口し、第２主ポート１２は、バルブハウジング１０の側面に上記軸線Ｌと直交する方向に開口している。

上記バルブハウジング１０の内部には、上記第１主ポート１１に通じる第１流路孔１３と、上記第２主ポート１２に通じる第２流路孔１４と、これらの流路孔１３，１４が連通する弁室１５とが形成され、上記第１流路孔１３の端部の該弁室１５内に開口する部分には、該第１流路孔１３の開口部を同心状に取り囲む円環状の上記弁座１６が形成されている。また、上記弁室１５の内部には、該弁座１６を開閉するポペット式の上記弁部材１７が、該弁座１６と同心状に設けられている。この弁部材１７は、円形のディスク形をしていて、その先端面１７ａの外周端寄りの位置に、上記弁座１６に接離する円環形をした弾性部材製の弁シール部材１８が取り付けられている。

上記弁部材１７の背面中央部には、バルブハウジング１０の内部を上記シリンダ部２側に向けて延びる弁シャフト２０の基端部が取り付けられている。この弁シャフト２０は、主弁部１とシリンダ部２とを区画する隔壁２１を、シール部材２２を介して気密にかつ摺動自在に貫通し、その先端が該シリンダ部２のピストン室２３内に延出してピストン２４に連結されている。

また、上記弁部材１７の背面には、該弁部材１７が弁座１６を全開した時の位置を規定するスリーブ状のストッパ２６が、上記弁シャフト２０を取り囲むように取り付けられている。このストッパ２６は、上記弁部材１７の背面から弁シャフト２０に沿って一定長さ延びていて、上記弁部材１７の全開位置でその先端が上記隔壁２１の端部に当たるようになっている。また、上記弁部材１７の背面にはばね座２７が設けられ、このばね座２７と上記隔壁２１との間に、上記弁部材１７を弁座１６側に向けて弾発するコイル状の復帰ばね２８が設けられている。

さらに、上記弁部材１７の背面には、上記弁シャフト２０とストッパ２６及び復帰ばね２８の回りを取り囲むように伸縮自在のベローズ２９が設けられている。このベローズ２９は、金属等の耐食性素材で形成され、その一端が上記弁部材１７の背面に連結され、他端が、上記連結用ハウジング３から弁室１５内に向けてフランジ状に延出する支持部３ａに取り付けられており、上記弁部材１７の開閉に伴って伸縮する。なお、該ベローズ２９の内側空間は、上記連結用ハウジング３に設けられた呼吸孔３ｂを通じて外部に開放されている。

また、上記バルブハウジング１０の外周面には、その全周または一部の側面に、アルミニウム合金などの熱伝導性に勝れた素材からなる伝熱カバー３１が鋳込みなどの方法により密に取り付けられると共に、電気ヒーター３２が付設され、この電気ヒーター３２により該伝熱カバー３１を介してバルブハウジング１０が加熱されるようになっている。上記電気ヒーター３２は、発熱体を内蔵する膜状ヒーターや棒状ヒーターなど、どのような形態のものであっても良く、このようなヒーターが、上記伝熱カバー３１の外面の全体や一部に適宜方法で取り付けられる。あるいは、該伝熱カバー３１の内部に設けた孔内に埋め込んで取り付けることもできる。

上記シリンダ部２は、上記バルブハウジング１０に連結用ハウジング３を介して同軸状に結合されたシリンダハウジング３５を有している。このシリンダハウジング３５は、上記バルブハウジング１０と同じ四角柱状又は円柱状をしていて、該バルブハウジング１０側の端部に主弁部１との間を隔てる上記隔壁２１を有すると共に、内部に上記ピストン室２３を有している。円形孔からなるこのピストン室２３の内部には、ディスク形をした上記ピストン２４が、シール部材３６を介して軸線Ｌ方向に摺動自在に収容され、上記弁シャフト２０に連結されている。図中３７は、この弁シャフト２０をピストン２４に固定するナットである。

上記ピストン２４の前面側には、該ピストン２４と上記隔壁２１との間に圧力室３８が形成され、この圧力室３８が、上記シリンダハウジング３５の側面に開口するパイロットポー３９トに連通している。また、上記ピストン２４の背面側の空間４０は外部に開放している。

従って、上記パイロットポート３９を外部に開放して上記圧力室３８を排気状態にすると、図１の右半部に示すように、復帰ばね２８のばね力によって弁部材１７が弁座１６に押し付けられ、弁シール部材１８によって該弁座１６が閉鎖される。また、上記パイロットポート３９から圧力室３８に圧力エアを供給すると、図１の左半部に示すように、ピストン２４が図の上向きに移動することによって弁部材１７が引き上げられ、弁シール部材１８が弁座１６から離れて該弁座１６が開放する。

上記シリンダ部２の上部には、シリンダハウジング３５の上部に連結された上部カバー５の内部に、上記弁部材１７による弁座１６の開放量を設定しあるいは調節するための開度調節機構６が設けられている。この開度調節機構６は、上記上部カバー５の中央の上記軸線Ｌ上の位置にベアリング４２で回転自在なるように支持されたねじ棒４４と、このねじ棒４４の外周のボールねじに螺合する移動子４５と、上記ねじ棒４４を駆動するモーター４７とを有していて、該移動子４５の下端が上記ピストン２４の上面に当接し、この移動子４５で該ピストン２４の動作位置が規定されるようになっている。また、上記ねじ棒４４の上端部には、該ねじ棒４４を上記モータ４７に連結するためのギヤ４６が取り付けられ、このギヤ４６を介してねじ棒４４をモーター４７で正逆に回転させることにより、上記移動子４５が該ねじ棒４４に沿って移動するようになっている。

そして、上記弁部材１７で弁座１６を段階的に開放させて真空チャンバ内を段階的に減圧する場合や、弁座１６の開放度を制御することによって真空チャンバ内の真空圧を調整する場合などに、上記移動子４５を必要な位置まで移動させて上記ピストン２４の動作位置を規定することにより、上記弁部材１７による弁座１６の開放度を必要な大きさに無段階に設定しあるいは調節することができるように構成されている。

上記真空調圧バルブには、さらに、上記弁座１６と弁シール部材１８とに向けて不活性ガスを供給するためのガス噴射機構５０が設けられている。このガス噴射機構５０は、真空チャンバ内に供給されるプロセスガスとの接触によって上記弁座１６と弁シール部材１８とに副生成物が付着するのを防止するためのもので、上記不活性ガスを噴射するためのノズル部５１を有し、このノズル部５１が、図２に示すように、上記弁座１６に近接する位置に該弁座１６と同心状に配設された噴射口５２と、この噴射口５２全体に不活性ガスを均等に供給するための整流室５３とを有している。

上記噴射口５２及び整流室５３はそれぞれ円環状をしていて、上記第１流路孔１３内に嵌着した筒状部材５４の外周面と、該第１流路孔１３の内周面との間に形成されている。この点についてさらに詳述すると、上記第１流路孔１３の弁室１５に開口する側の端部には、孔径を複数段階に拡大して形成した拡大孔部１３Ａが形成されている。この拡大孔部１３Ａは、流路孔１３の先端に位置する噴射口形成用の第１拡大域５７と、その奥に連なる最も孔径の大きい整流室形成用の第２拡大域５８と、さらにその奥に連なる筒状部材固定用の第３拡大域５９とからなるもので、この第３拡大域５９がさらに、上記第２拡大域５８寄りに位置する孔径の小さい固定部５９ａと、その奥の孔径の大きい逃げ部５９ｂとに分かれている。

そして、上記拡大孔部１３Ａ内に、短円筒状をした上記筒状部材５４を嵌め込んで、その基端部を上記第３拡大域５９の固定部５９ａに密に嵌合させると共に、該基端部の外周に形成された係止縁５４ａを上記逃げ部５９ｂ内において該固定部５９ａに係止させることにより、この筒状部材５４が上記拡大孔部１３Ａ内に固定されている。これにより、この筒状部材５４の外周面と上記第１拡大域５７の内周面との間に、微小な間隙からなる円環状の上記噴射口５２が形成され、上記筒状部材５４の外周面と上記第２拡大域５８の内周面との間に、この噴射口５２に全周にわたって連通する上記整流室５３が形成されている。

上記筒状部材５４は、全長にわたり均一な内径を有していて、その内径は、上記第１流路孔１３の拡大孔部１３Ａを除いた部分である主孔部分１３Ｂの内径と等しく形成されていることが望ましく、これにより、この筒状部材５４の内周面と上記主孔部分１３Ｂの内周面とを、段差や隙間を生じることなく滑らかに連結させることができる。また、該筒状部材５４の外径は、上記係止縁５４ａが形成された基端部を除いて均一に形成されているが、必ずしも外径は均一である必要はなく、図３に第２構成例として示すように、上記噴射口５２を形成する先端部分５４ｂの外径を最も大きく、上記整流室５３を形成する中間部分５４ｃの外径をそれより小さくしても良い。この場合、これらの先端部分５４ｂと中間部分５４ｃとをテーパー面５４ｄで連結することが望ましい。

上記筒状部材５４を拡大孔部１３Ａ内に嵌め付けて固定する方法としては、該筒状部材５４を液体窒素（−１９６℃）等の低温流体に浸漬させることによって収縮させ、その状態で上記拡大孔部１３Ａ内に嵌め込んだあと、常温へ戻すことにより径を復元させて固定部５９ａに密嵌させる方法が、最も簡単で確実な方法である。この方法によれば、ねじを使用することなく筒状部材５４を拡大孔部１３Ａ内に固定することができるため、該ねじやねじ孔等による凹凸が流路内に形成されることがなく、プロセスガスとの接触による副生成物の付着を防止するうえで非常に有効である。

また、上記バルブハウジング１０には、上記ノズル部５１に不活性ガスを供給するためのガス流路６０が、該流路６０内の不活性ガスと上記伝熱カバー３１との間で熱伝達が可能なるように形成されている。即ち、上記伝熱カバー３１から延びて上記第１主ポート１１の基端部を取り囲むガス加熱部３１ａの内部には、金属などの伝熱性チューブ６１が該第１主ポート１１を複数回取り巻くように内蔵され、このチューブ６１の一端が、上記バルブハウジング１０に形成されたチューブ接続部６２に継手６３とＯリング６４とを介して接続されることにより、該チューブ接続部６２内の通孔６５を通じて上記整流室５３に連通しており、また、上記チューブ６１の他端には、不活性ガス供給源に接続するための接続口６６が設けられている。
上記チューブ接続部６２は、保護カバー６７で覆うこともできる。図中６８は、この保護カバー６７をバルブハウジング１０に着脱自在に取り付けるためのねじである。

そして、上記ガス供給源からの不活性ガスが、上記伝熱カバー３１のガス加熱部３１ａ内を通る間に加熱され、該伝熱カバー３１とほぼ等しい温度になって上記整流室５３に流れ込むことによりこの整流室５３全体に均等に分散し、上記噴射口５２全体から均等な圧力で弁座１６及び弁シール部材１８に向けて噴射されるようになっている。

なお、図示した例では、上記伝熱性チューブ６１がガス加熱部３１ａの内部に埋め込まれているが、この伝熱性チューブ６１はガス加熱部３１ａの外面に巻き付けても良い。その場合に好ましくは、このガス加熱部３１ａの外面に伝熱性チューブ６１が嵌合する螺旋状の溝を形成しておくことである。

また、上記ガス加熱部３１ａを形成する位置は、上述したような第１主ポート１１の基端部を取り囲む位置とは別の位置、例えばバルブハウジング１０の側面であっても良く、その際、ガス流路６０の流路長を確保するため、伝熱性チューブ６１を上記ガス加熱部の内部あるいは外面に波形に折り曲げて付設することが望ましい。
あるいは、上記のような伝熱カバー３１と一体のガス加熱部３１ａを設けることなく、伝熱性チューブ６１を第１主ポート１１の回りに直接巻き付けるか、あるいは、バルブハウジング１０の適宜位置に直接接触させて取り付けても良い。

上記不活性ガスの噴射は、真空チャンバ内の真空圧の調整時に、図２に示すように、弁部材１７で弁座１６を僅かに開放して真空圧を高める作用状態の時に行うのが効果的である。この状態では、真空チャンバ内のプロセスガスが、高圧の第１主ポート１１から第１流路孔１３及び弁室１５を通って低圧の第２主ポート１２に向けて流れるため、上記弁座１６と弁シール部材１８とがこのプロセスガスに直接晒され、副生成物が付着し易い。そこで、噴射口５２から不活性ガスを噴射することにより、この不活性ガスでプロセスガスが押し流されて第２主ポート１２から排出されるため、上記弁座１６及び弁シール部材１８と接触する度合いや回数が短くなって副生成物が付着しにくくなる。

上記第１構成例においては、長さの短い短円筒形の筒状部材５４が第１流路孔１３の先端部だけに取り付けられているが、図４に示す第３構成例のように、長さの長い筒状部材５４Ａを第１流路孔１３のほぼ全長にわたって圧入しても良い。この場合には、第１流路孔１３に、噴射口５２を形成するための第１拡大域５７と、整流室５３を形成するための第２拡大域５８とが形成されることになる。また、上記筒状部材５４の基端部５４ｅは、かしめ加工を施すことにより外側に向けて変形させ、第１流路孔１３の端部の係止部１３ａに係止させても良い。

また、上記各構成例においては、上記筒状部材５４の先端が弁座１６の面よりも低く形成されているが、その先端は弁座１６と同じ高さであっても、あるいは図５に示す第４構成例のように、弁座１６の面よりも弁部材１７側に突出していても良い。このように筒状部材５４の先端を弁座１６よりも突出させる場合は、この先端が弁部材１７に当たるのを防止するため、該弁部材１７の前面に逃げ用の凹部１７ｂを設けておくことが望ましい。かくして筒状部材５４の先端部を弁座１６よりも弁部材１７側に突出させることにより、不活性ガスが噴射口５２から外周側即ち弁座１６及び弁シール部材１８側に向けて広がった状態に噴射されるため、副生成物の付着防止効果が向上する。

図６ａ、図６ｂ、図６ｃには、不活性ガスを噴射口５２から外周側に向けて広がった状態に噴射するための他の構成例が示されている。図６ａの第５構成例では、筒状部材５４の先端を弁座１６よりも弁部材１７側に突出させると共に、その突出する部分の外周に、外広がり状に傾斜する部材側傾斜面５４ｆを形成している。また、図６ｂの第６構成例では、第１流路孔１３の端部に外広がり状の孔側傾斜面１３ｂを形成している。さらに、図６ｃの第７構成例では、上記部材側傾斜面５４ｆと孔側傾斜面１３ｂとを組み合わせることにより、噴射口５２を外広がり状をなすように形成している。
なお、上記第５構成例及び第７構成例においては、上記筒状部材５４の先端部の厚さをそれ以外の部分よりも外側に向けて大きくすることにより上記傾斜面５４ｆを形成しているが、均一厚さの筒状部材５４の先端部を先広がり状に変形させることによって上記傾斜面５４ｆを形成することもできる。

上記第２〜第７構成例における図示された部分以外の構成は、実質的に第１構成例と同じである。
また、図示した例においては、上記バルブハウジング１０とシリンダハウジング３５とが連結用ハウジング３を介して連結されているが、両ハウジング１０，３５は直接連結されていても良い。

本発明に関連する構成を備えた真空調圧バルブの第１構成例を示す断面図であって、右半部は閉弁状態を示し、左半部は全開状態を示すものである。 図１の要部拡大図で、中間開放状態を示すものである。 本発明に関連する第２構成例を示す要部断面図である。 本発明に関連する第３構成例を示す要部断面図である。 本発明に関連する第４構成例を示す要部断面図である。 本発明に関連する第５構成例を示す要部断面図である。 本発明に関連する第６構成例を示す要部断面図である。 本発明に関連する第７構成例を示す要部断面図である。

符号の説明

１０ バルブハウジング
１１ 第１主ポート
１２ 第２主ポート
１３ 第１流路孔
１４ 第２流路孔
１５ 弁室
１６ 弁座
１７ 弁部材
１８ 弁シール部材
３１ 伝熱カバー
３１ａ ガス加熱部
３２ 電気ヒーター
５１ ノズル部
５２ 噴射口
５３ 整流室
５４ 筒状部材
６０ ガス流路
６６ 接続口

Claims (5)

1. バルブハウジングに形成された真空チャンバーに接続する第１主ポート及び真空ポンプに接続する第２主ポートと、これらの主ポートと弁室とを結ぶ第１流路孔及び第２流路孔と、該弁室内において上記第１流路孔の端部に該第１流路孔を取り囲むように形成された環状の弁座と、上記弁室内において該弁座を環状の弁シール部材で開閉する弁部材と、上記弁座と弁シール部材とに向けて不活性ガスを噴射するためのノズル部とを有し、
   上記ノズル部が、上記弁座の内側に該弁座と同心状に配設された噴射口を有すると共に、この噴射口全体に不活性ガスを均等に供給するための整流室を有し、
   上記噴射口及び整流室がそれぞれ円環状をしていて、上記第１流路孔内に嵌着した筒状部材の外周面と該第１流路孔の内周面との間に形成され、上記筒状部材の先端は、上記弁座と同じ高さにあるか又は該弁座よりも弁部材側に突出している、
   ことを特徴とする真空調圧バルブ。
2. 上記筒状部材が、上記第１流路孔の端部の孔径が拡大された拡大孔部内に嵌め付けられていることを特徴とする請求項１に記載の真空調圧バルブ。
3. 上記筒状部材が、上記第１流路孔の全長にわたって延在していることを特徴とする請求項１に記載の真空調圧バルブ。
4. 上記バルブハウジングに、該バルブハウジングを加熱するための電気ヒーターが付設され、上記バルブハウジングが、上記ヒーターからの熱を伝達するための伝熱カバーを外面に有していて、該伝熱カバーに、上記不活性ガスが流通するガス流路が、該流路内の不活性ガスと伝熱カバーとの間で熱伝達が可能なるように形成され、このガス流路の一端が上記噴射口に接続されると共に、他端に不活性ガス供給源に接続するための接続口が設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の真空調圧バルブ。
5. 上記伝熱カバーに連なるガス加熱部が上記第１主ポートの回りに形成され、このガス加熱部に上記ガス流路が該第１主ポートを取り巻くように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の真空調圧バルブ。

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