JP4855356B2 - Sealed structure - Google Patents
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Description
本発明は密封構造体に関する。 The present invention relates to a sealing structure.
半導体製造装置や液晶製造装置に於て、石英やセラミックと、ステンレス鋼等の金属材とが組み合わせて用いられる箇所があり、このような箇所の密封構造には、従来からゴムシールが多く使用されている。
その理由は、石英やセラミックは割れ易い(脆い)ため、弾性変形しやすいゴム材質が好適なものとして選定されていた。
In semiconductor manufacturing equipment and liquid crystal manufacturing equipment, there are places where quartz, ceramics, and metal materials such as stainless steel are used in combination, and rubber seals have often been used for the sealing structure of such places. Yes.
The reason is that quartz or ceramic is easily broken (brittle), and therefore, a rubber material that is easily elastically deformed has been selected as a suitable material.
しかしながら、近年の半導体や液晶の製造装置に於ては、高精度化・高機能化されつつあり、従来のゴムシールでは、ガス透過性、耐熱性、耐プラズマ性、耐ラジカル性及び寿命の面で、対応不可能になってきている。
そこで、これらの特性に優れた材質として金属を用いたメタル(金属)シールが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
Therefore, a metal seal using metal as a material excellent in these characteristics has been proposed (for example, see Patent Document 1).
ところで、上述のメタル(金属)シールを用いた密封構造体では、メタルシールはゴムシールと比べて相手面とのなじみ性が小さく、低線膨張係数の石英フランジと、それよりも線膨張係数が大きい(高い)金属製フランジの間に、メタルシールを介装して密封する場合、ヒートサイクル等の熱変形や、ボルト等の締付外力と歪及びその変動によって、石英フランジが割れるという問題がある。さらに、上記特許文献1のものでは、比較的小径の管継手の部位に適用されているが、図5に例示するような大型の石英(又はセラミック)の板状脆性部材40では、熱変形(熱歪)、部品寸法誤差による歪、ボルト締付力等による外力歪等も過大となって、割れる危険性は一層高まる。
By the way, in the sealing structure using the above-mentioned metal (metal) seal, the metal seal is less compatible with the mating surface than the rubber seal, and has a low linear expansion coefficient quartz flange and a larger linear expansion coefficient than that. When sealing with a metal seal between (high) metal flanges, there is a problem that the quartz flange breaks due to thermal deformation such as heat cycle, tightening external force and strain such as bolts, and fluctuations. . Furthermore, in the thing of the said
そこで、本発明は、半導体や液晶の製造装置に於て用いられる石英(又はセラミック)と金属という線膨張係数が相違する2部材間の密封性(シール性)に優れ、特に、ヒートサイクルを繰り返しても高いシール性能を維持できて、かつ、石英(又はセラミック)から成る相手部材が割れることがない寿命の長い密封構造体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is excellent in sealing (sealability) between two members having different linear expansion coefficients, such as quartz (or ceramic) and metal, which are used in semiconductor and liquid crystal manufacturing apparatuses, and in particular, repeats a heat cycle. It is an object of the present invention to provide a sealed structure that can maintain high sealing performance and has a long life without causing a counterpart member made of quartz (or ceramic) to break.
上記目的を達成するため、本発明は、低線膨張係数の脆性部材の被密封用外縁部を、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第1金属平坦面部・第2金属平坦面部にて、挾着保持すると共に、密封空間を区画形成する上記第1金属平坦面部と上記外縁部の一面の間に介設したメインシールと、相対的歪及び相対的形状寸法誤差を緩和するための緩衝材として上記第2金属平坦面部と上記外縁部の他面の間に介設した副シールとによって、上記脆性部材を上記第1金属平坦面部・第2金属平坦面部から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成し、上記メインシール及び副シールは、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシール単体である。
また、石英又はセラミックから成る脆性部材の被密封用外縁部を、第1金属平坦面部・第2金属平坦面部にて、挾着保持すると共に、密封空間を区画形成する上記第1金属平坦面部と上記外縁部の一面の間に介設したメインシールと、相対的歪及び相対的形状寸法誤差を緩和するための緩衝材として上記第2金属平坦面部と上記外縁部の他面の間に介設した副シールとによって、上記脆性部材を上記第1金属平坦面部・第2金属平坦面部から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成し、上記メインシール及び副シールは、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシール単体である。
In order to achieve the above object, according to the present invention, the sealing outer edge portion of the brittle member having a low linear expansion coefficient is used as the first metal flat surface portion and the second metal flat surface portion having a linear expansion coefficient larger than the low linear expansion coefficient. And a main seal interposed between the first metal flat surface portion and the one surface of the outer edge portion for partitioning and forming the sealed space, and for reducing relative distortion and relative shape error. The brittle member is elastically released from the first metal flat surface portion and the second metal flat surface portion by a secondary seal interposed between the second metal flat surface portion and the other surface of the outer edge portion as a cushioning material. The main seal and the sub-seal are single metal seals that can be compressed and elastically deformed with a metal as a main material .
In addition, the outer edge portion to be sealed of the brittle member made of quartz or ceramic is fixedly held by the first metal flat surface portion and the second metal flat surface portion, and the first metal flat surface portion that defines and forms a sealed space; A main seal interposed between one surface of the outer edge, and a buffer between the second metal flat surface and the other surface of the outer edge as a cushioning material for reducing relative strain and relative shape error. The brittle member is held in a resiliently released state from the first metal flat surface portion and the second metal flat surface portion by the sub seal, and the main seal and the sub seal are made of metal as a main material. This is a single metal seal that can be compressed and elastically deformed.
本発明によれば、次のような著大な効果を奏する。
石英やセラミックの脆性部材は、線膨張係数の相違する第1金属平坦面部・第2金属平坦面部の間に、弾発的遊離状態として挾着保持され、第1・第2金属平坦面部の熱変形(熱歪)、ボルト締付による外力変形、加工精度上の形状寸法誤差による影響等が、脆性部材に加わらず、ヒートサイクルを繰返しても、優れたシール性能を、長期間にわたって発揮する。しかも、脆性部材の割れを防止できる。これによって、半導体や液晶の製造装置の高性能化及び高機能化に貢献できる。さらに言えば、比較的簡素な構成にて、これまで困難とされていた脆性部材に対する金属シール(メタルシール)の使用が可能となった。
According to the present invention, the following remarkable effects can be obtained.
The brittle member of quartz or ceramic is held in a resiliently released state between the first metal flat surface portion and the second metal flat surface portion having different linear expansion coefficients, and the heat of the first and second metal flat surface portions is retained. Deformation (thermal strain), external force deformation due to bolt tightening, and influence of shape dimension error on processing accuracy are not applied to brittle members, and excellent sealing performance is exhibited over a long period of time even if the heat cycle is repeated. In addition, the brittle member can be prevented from cracking. This can contribute to higher performance and higher functionality of semiconductor and liquid crystal manufacturing apparatuses. Furthermore, it has become possible to use a metal seal (brittle seal) for a brittle member, which has been considered difficult until now, with a relatively simple configuration.
以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図1と図4の実施の一形態に於て、1は石英(又はセラミック)から成る低線膨張係数の脆性部材である。この脆性部材1の被密封用外縁部(フランジ部)1Aは、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第1金属平坦面部11と第2金属平坦面部12にて、(間接的に)挾着保持されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiment.
1 and 4,
そして、図1は簡略要部断面図、図4は要部断面図であって、本発明に於て、低線膨張係数とは、 0.5×10-6〜 9.2×10-6と定義する。なお、石英の線膨張係数は 0.5×10-6である。
図1又は図4の上方から平面的に見た場合、脆性部材1は円形、あるいは、矩形や正方形や六角形や楕円等、その形状はいろいろある。また、半導体製造装置や液晶製造装置に用いられる、負圧(又は正圧)の密封空間2を備える。
FIG. 1 is a simplified cross-sectional view of the main part, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part. In the present invention, the low linear expansion coefficient is defined as 0.5 × 10 −6 to 9.2 × 10 −6 . Note that the coefficient of linear expansion of quartz is 0.5 × 10 −6 .
When viewed in plan from above in FIG. 1 or FIG. 4, the
さらに、具体的には、ケーシング本体6と、押え部材7と、締結用ボルト8と、を備え、図1では簡略化して倒立L字型横断面にて示す押え部材7と、第1金属平坦面部11の間に凹周溝3が形成され、全体が平板状脆性部材1が差込状態で第1・第2金属平坦面部11, 12間に挾着保持される。図4では、2枚のスペーサ4,5を介して平板円環状押え部材7がボルト8にてケーシング本体6に固着されている。
More specifically, the
10はメインシールであり、ケーシング本体6の第1金属平坦面部11と、平板状脆性部材1の外縁部1Aの一面(下面)13との間に、介設される。このメインシール10は密封空間2を区画形成するシールである。
このメインシール10は、図3(A),(B)又は(C)に例示するような金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールである。
20は、押え部材7の第2金属平坦面部12と、脆性部材1の外縁部1Aの他面(上面)14との間に、介設される副シール(補助シール)であり、大気9側に配設されている。
この副シール(補助シール)20は、図3(A),(B)又は(C)に例示するような金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールである。
そして、図1と図4で明らかなように、脆性部材1は、第1・第2金属平坦面部11, 12から、(メインシール10と副シール20の弾発的支持力によって)弾発的遊離状態で、挾着保持されている。
A
The
This sub seal (auxiliary seal) 20 is a metal seal capable of compressing and elastically deforming with a metal as a main material as exemplified in FIG. 3 (A), (B) or (C).
1 and FIG. 4, the
次に、図2は本発明の他の実施の形態を示す。脆性部材1は容器型(椀型)や浅皿型であり、被密封用外縁部(フランジ部)1Aは、外鍔状に突出形成される。
図2では、上方の(平板状の)金属部材15と、脆性部材1の外縁部(フランジ部)1Aの上面との間に、(前述の)メインシール10が介設され、このメインシール10は密封空間2を区画形成している。
また、図2では横断面L字型の金属製保持部材16と、上方の金属部材15によって凹周溝3が形成され、この凹周溝3内に、外縁部1Aが差込まれて保持される。
Next, FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. The
In FIG. 2, the main seal 10 (described above) is interposed between the upper (flat plate-shaped)
In FIG. 2, a concave
第1金属平坦面部11は金属部材15の下面が相当し、メインシール10は、この第1金属平坦面部11と外縁部1Aの上面との間に介設(介装)され、密封空間2を区画形成する。
第2金属平坦面部12は、横断面L字型の金属製保持部材16の内方突出片部16aの上面が相当し、副シール20は、この第2金属平坦面部12と、外縁部1Aの下面との間に介設(介装)され、大気側に対応する。なお、一点鎖線にてボルト8を示し、このボルト8の締結によって、金属部材15と保持部材16は連結一体化される。
The first metal
The second metal
図2で明らかなように、脆性部材1は、第1・第2金属平坦面部11, 12から弾発的遊離状態で、挾着保持されている。
図2に示したメインシール10と副シール20も、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシールであり、例えば、図3(A)(B)(C)に例示する。
As is apparent from FIG. 2, the
The
図3(A)では横断面U字状であって開口側の外側の小突条17, 17が、(図1,図2に示した)第1・第2金属平坦面部11, 12に接触して、矢印F,Fのように圧縮力を受け、この小突条17, 17が密封作用をなす。図3(B)では、弯曲S字(Z字)型であり、(図1,図2に示した)第1・第2金属平坦面部11, 12から矢印F,Fのような力を受けると、矢印Mのように撚り変形し、その反対方向の弾発付勢力を生じて、弯曲凸部18, 18が弾発的に相手面に圧接して、密封作用をなす。
また、図3(C)では、横断面矩形状の基本部から半円山型突部19, 19が突出した形状である。第1・第2金属平坦面部11, 12から矢印F,Fのような力を受けると矢印Mのように撚り変形し、その反対方向の弾発付勢力を生じて、上記突部19, 19が弾発的に相手面に圧接して、密封作用をなす。
In FIG. 3 (A), the
Moreover, in FIG.3 (C), it is the shape where the semicircle mountain-shaped
ところで、密封空間2内は、負圧の場合と、正圧の場合と、負圧・正圧の両方が生ずる場合が、考えられる。図1では、メインシール10をその開口側を大気(外部)側に向けて装着しているが、密封空間2が負圧の場合に好適である。また、副シール20は、メインシール10と同じ断面形状でも、異なる断面形状でも、自由である。つまり、例えば、図3(A)と(A)とを組み合わせる以外に、図3(A)と(B)とを組み合わす等も自由である。但し、図3(A)の小突条17, 図3(B)の弯曲凸部18, 又は、図3(C)の半円山型凸部19の外形形状及び外形寸法を、メインシール10と副シール20において、同一乃至略同一とするのが望ましい。(なお、略同一とは、図3に示すように各シール10, 20の幅寸法W以内の寸法差であることを言うと定義する。)言い換えると、両シール10, 20の平面的に見てシール線が一致するのが望ましい。また、副シール20は補助用であるので密封性能は余り必要がなく、特別な表面被覆や仕上げは省略できる。つまりメインシール10は、防触用、あるいは、なじみを与えるため等の表面被覆層として、銀,金,ニッケル,銅,インジウム等の各種メッキ層を形成したり、PTFE等の樹脂被覆層をコーティング形成しても良い。これに対し、副シール20は、密封空間2内の流体に直接的に触れないので、これ等を省略するのが、コスト面等から好ましい。
By the way, in the sealed
また、メインシール10,副シール20のベース金属材料としては、ステンレス鋼やニッケル合金や鉄合金(A286等)が、好適である。
なお、図3に例示した以外に、金属Oリングや金属Cリングや金属板製波形リング等を用いるも好ましい場合もある。
Further, as the base metal material of the
In addition to the examples shown in FIG. 3, it may be preferable to use a metal O-ring, a metal C-ring, a metal plate corrugated ring, or the like.
次に、図4と図6に示した本発明実施例と、図5と図6に示した従来例のシール性能の比較試験を行った。即ち、本発明実施例(図4)と従来例(図5)の相違点は、副シール20を有するか否かである。シール10, 20は図3(A)で述べたと同じ形状のものであって、シール母材はSUS630とし、これに銀めっきを30〜50μm施した。かつ、脆性部材1は平板状の石英材を用いて、スペーサ5の厚みを変えて、従来例(図5)では押え部材7が直接的に脆性部材40を押圧して固定している。
Next, a comparative test of the sealing performance of the embodiment of the present invention shown in FIGS. 4 and 6 and the conventional example shown in FIGS. 5 and 6 was performed. That is, the difference between the embodiment of the present invention (FIG. 4) and the conventional example (FIG. 5) is whether or not the
図5の従来例のシール性能と、図4の本発明の実施例(実施品)のシール性能を、比較して試験したところ、従来は1×10-9〜1×10-10 Pa・m3/sec程度のHeのリーク量であったが、本発明実施品では、Heのリーク量は、1×10-11 Pa・m3/secレベルに大きく改善できた。なお、密封空間は真空(負圧)に保つと共に 100℃のヒートサイクル試験中に計測した値である。 When the sealing performance of the conventional example of FIG. 5 and the sealing performance of the embodiment (exemplary product) of the present invention of FIG. 4 were compared and tested, the conventional sealing performance was 1 × 10 −9 to 1 × 10 −10 Pa · m. Although the He leak amount was about 3 / sec, the He leak amount was greatly improved to the level of 1 × 10 −11 Pa · m 3 / sec in the product of the present invention. The sealed space is a value measured during a heat cycle test at 100 ° C while maintaining a vacuum (negative pressure).
以上のように、図4と図5で大きなシール性能に差が出た理由について考察すると、以下の通りである。
(i)押え部材7には元来の歪や形状寸法誤差が存在し、その場合、従来例(図5)では、その歪や形状寸法誤差が直接的に接触しているところの板状脆性部材40に影響し、この板状脆性部材40に歪(変形)を発生させ、メインシール10全周に不均等な当接を生じ、シール性能を悪化させていた。これに対し、本発明実施品(図4)では、押え部材7の元来持っている歪や形状寸法誤差が副シール(補助シール)20によって緩和(緩衝)され、メインシール10に対して全周に均等に脆性部材1が当接し、全体のシール性能が優秀な結果を示したと考えられる。
As described above, the reason why the large sealing performance is different between FIGS. 4 and 5 is as follows.
(I) The holding
(ii)脆性部材1,40は、石英又はセラミックであり、その線膨張係数が第1・第2金属平坦面部11, 12に比べて、低い(小さい)ため、低温と高温の温度変化(熱変化)に伴って、相対的に脆性部材40と第1・第2金属平坦面部11, 12の間に、歪や(相対)変動を発生し、しかも、ボルト8の対応位置とそこから離れた位置でも相対的に変形量が相違して歪や変動を発生し、従来例(図5)では、その歪や変動(形状寸法の変化)が、押え部材7と脆性部材40の間で相互に影響しあい、メインシール10と脆性部材40の一面40Aとの間で生じ、シール性能を悪化させていた。これに対し、本発明実施品(図4)では、脆性部材1と第2金属平坦面部12との間に生ずる相対的歪や相対的形状寸法誤差が、巧妙に副シール(補助シール)20によって、緩和(緩衝)される。これによって、メインシール10が全周にわたって両相手面に対して均等に当接(接触)して、全体のシール性能が優秀な結果を示したものと考えられる。副シール(補助シール)20は、いわば緩衝材の役目を果していると言うこともできる。
(Ii) The
以上述べたように、本願発明に係る密封構造体は、低線膨張係数の脆性部材1の被密封用外縁部1Aを、上記低線膨張係数よりも大きい線膨張係数の第1金属平坦面部11・第2金属平坦面部12にて、挾着保持すると共に、密封空間2を区画形成する上記第1金属平坦面部11と上記外縁部1Aの一面13の間に介設したメインシール10と、上記第2金属平坦面部12と上記外縁部1Aの他面14の間に介設した副シール20とによって、上記脆性部材1を上記第1金属平坦面部11・第2金属平坦面部12から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したので、副シール20が緩衝材の役目を果して、形状寸法誤差による歪や、ヒートサイクル等による熱変形や熱歪が、脆性部材1へは、直接的に伝わらず、脆性部材1の割れを生じないと共に、高いシール性能を長時間にわたって維持できる。これに伴って、半導体や液晶等の製造装置に用いられている石英やセラミック等の脆性部材1の密封(シール)に、金属(メタル)シールの適用を実現できた。
As described above, in the sealing structure according to the present invention, the sealed
また、石英又はセラミックから成る脆性部材1の被密封用外縁部1Aを、第1金属平坦面部11・第2金属平坦面部12にて、挾着保持すると共に、密封空間2を区画形成する上記第1金属平坦面部11と上記外縁部1Aの一面13の間に介設したメインシール10と、上記第2金属平坦面部12と上記外縁部1Aの他面14の間に介設した副シール20とによって、上記脆性部材1を上記第1金属平坦面部11・第2金属平坦面部12から弾発的遊離状態で挾着保持するように構成したので、副シール20が緩衝材の役目を果して、形状寸法誤差による歪や、ヒートサイクル等による熱変形や熱歪が、脆性部材1へは、直接的に伝わらず、脆性部材1の割れを生じないと共に、高いシール性能を長時間にわたって維持できる。これに伴って、半導体や液晶等の製造装置に用いられている石英やセラミック等の脆性部材1の密封(シール)に、金属(メタル)シールの適用を実現できた。
In addition, the
また、上記メインシール10は表面被覆層を有するメタルシールから成り、上記副シール20は表面被覆層の省略されたメタルシールから成るので、全体のコストダウンを図り、かつ、外部(大気)側の副シール20を過剰品質とせずに済む。
また、上記メインシール10と上記副シール20の外形形状及び外形寸法を同一に設定したので、脆性部材1の両面の外形が同一の位置にて弾発的に保持されて、脆性部材1に曲げモーメントが作用せず、脆性部材1の耐久性、及び、メインシール10の耐久性に好影響を与える。
Further, since the
Further, since the outer shape and the outer dimensions of the
1 脆性部材
1A 外縁部
2 密封空間
10 メインシール
11 第1金属平坦面部
12 第2金属平坦面部
13 一面
14 他面
20 副シール
1
10 Main seal
11 1st metal flat surface
12 2nd metal flat surface
13 One side
14 Other side
20 Secondary seal
Claims (2)
上記メインシール(10)及び副シール(20)は、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシール単体であることを特徴とする密封構造体。 The outer edge portion (1A) to be sealed of the brittle member (1) having a low linear expansion coefficient is composed of a first metal flat surface portion (11) and a second metal flat surface portion (12) having a linear expansion coefficient larger than the low linear expansion coefficient. The main seal (10) interposed between the first metal flat surface portion (11) and the one surface (13) of the outer edge portion (1A) that holds and holds the sealing space (2). And a secondary seal (between the second metal flat surface portion (12) and the other surface (14) of the outer edge portion (1A) as a cushioning material for alleviating relative strain and relative dimensional error. 20) and configured to hold the brittle member (1) in a resiliently released state from the first metal flat surface portion (11) and the second metal flat surface portion (12).
The sealing structure according to claim 1, wherein the main seal (10) and the sub-seal (20) are metal seals that are made of metal as a main material and are capable of compressive and elastic deformation .
上記メインシール(10)及び副シール(20)は、金属を主材とした圧縮弾性変形可能なメタルシール単体であることを特徴とする密封構造体。 The outer edge portion (1A) to be sealed of the brittle member (1) made of quartz or ceramic is adhered and held by the first metal flat surface portion (11) and the second metal flat surface portion (12), and the sealed space ( 2) The main seal (10) interposed between the first flat metal surface portion (11) and the one surface (13) of the outer edge portion (1A), and the relative distortion and relative shape error. The brittle member (1) is provided by a secondary seal (20) interposed between the second metal flat surface portion (12) and the other surface (14) of the outer edge portion (1A) as a cushioning material for relaxation. The first metal flat surface portion (11) and the second metal flat surface portion (12) are configured to be held in a resiliently released state,
The sealing structure according to claim 1, wherein the main seal (10) and the sub-seal (20) are metal seals that are made of metal as a main material and are capable of compressive and elastic deformation .
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