JP5529601B2 - 金属リップシールおよびそれを取付けた機械 - Google Patents

Description

本発明は、特に高温において、および制御された雰囲気において緊密性を確保できる金属リップシールの分野に関する。更に具体的には、本発明は検出器の生産における電子部品または光電子部品のハイブリッド化の分野に含まれる。

従来技術

雰囲気制御チャンバを用いる機器においては、シールを用いて当該チャンバ内に必要な圧力を維持し、これらチャンバを耐漏洩性にすることができる。

例えば、米国特許５，９６８，３８９号には、マイクロビードを用いて部品を基板に溶接することのできるハイブリッド化ユニットが記載されている。このユニットはベルジャーを用い、その中に制御された雰囲気を形成し、基板とマイクロビードと部品とで構成するアッセンブリの上下移動を可能にし、その結果、前記アッセンブリをオーブンの加熱底板に接触させたりさせなかったりすることができる一方、基板に対する部品の非整列の原因を低減することができる。更に詳しく述べると、基板は、基板の周囲上に加えられる負圧によって、ベルジャーの下部の端に対してシールされている。

従って、基板と部品とマイクロビードとで構成するこのアッセンブリは移動可能であり、特に、例えばマイクロビードの融合温度にまで底板を予熱するのに十分な長時間、底板から切離しておくことができる。

基板は、基板に接触するベルジャー下部に接触するシールを用いて周囲に取付けることができ、これにより、制御された雰囲気の内側チャンバを確実に耐漏洩性に保持することができる。更に、シールは基板とベルジャーの下部との間に存在しうる平行度の欠如を補正する。

半導体産業分野において用いられるユニット、例えばプラズマエッチングマシンまたは真空蒸着マシンにおいては、シールと、耐漏洩状態に保持すべき要素との間に、良好な圧縮および最大接触面を得るため、可塑性ポリマ製（例えば、KalrezRまたはPerlastRブランドシール）のシールを用いる技術が知られている。

しかしながら、これらシールの使用可能温度は、暴露時間３０秒ないし３００秒のとき３３０℃に限られ、これらシールはいかなる場合にも３３０℃を超える温度に耐えることができない。

実際に上記のようないくつかの用途において、部品が載っている基板を予熱された底板に接触させると、熱伝達による温度上昇は極めて急速である。従って基板およびシールは急速に４００℃、あるいは５００℃にも達しうる高温にさらされる。

この問題の解決方法の一つとして、円形チューブ状の金属シールを用いることがあり得る。しかしながらこの解決方法は、シールを機械的に締付けることができる場合にのみ、すなわち、シールがベルジャーの形状になじむことができるように、シールを壁の下部に確実に接触させるため、十分な力を加えることができる場合にのみ、有効である。

また、環状体にバネを取付けたバネ付きＯ−リングシール（例えばTamshellRバネ付きのシール）を用い、シールとベルジャーの接触力を高める一方、シールの可撓性を維持し、面に凹凸があっても、シールが形状的になじむようにすることもできる。

しかしながら、この種のバネシールを用いるためには、特にシールをベルジャーに押付ける耐力が必要であり、例えば真空気密性を確実に保持するためには、シールの線方向長さ１ミリメートル当たり６０ニュートンより大きくする必要があり、シールの形状がベルジャーの下部の形になじんで良好な緊密性を保持できるためには、この最小限の耐力は、シールを２０％だけ圧縮する必要がある。

実際いくつかの用途において、また特に先に述べた用途において、ベルジャーの耐力は１ミリメートル当たり５ニュートンを超えない。従って先に概説した解決方法においては、加圧による負圧によって自己保持するシールの場合、十分な程度のシール圧縮の提供には適当でない。実際、シールは、ベルジャー内に適切な負圧を形成できる程十分には圧縮されないであろう。

更に、応力下で作用するシールの使用に係る欠点の一つは、シールとベルジャーの壁との接触面が減少し、シールの形状がベルジャーの下部の形になじまず、その結果、必要な緊密性を確保できないという事実にある。

このような状況において、本発明の目的は、上記制約の少なくとも一つを除去した金属リップシールを提案することである。より具体的には、特に４００℃あるいは５００℃にも達する高温に耐え、部品の緊密性を確保することができ、１ミリメートル当たり６０ニュートン以下の耐力であっても良好な緊密性を確保でき、大きな接触面を提供する、解決方法を提供することである。

上記目的のため、本発明の対象は、２個の要素間の緊密性の確保を可能にする金属リップシールである。本発明によれば、上記シールは以下を含む：
− ２個の弾性部材であって、各一方が２個の要素の一方のキャビティ内に収容され、前記キャビティは、２個の要素の相互係合ゾーンに整列して配置され、緊密性が要求され；
− 可撓体が、弾性部材を収容する要素に固定され、２個の自由端を有し、前記両自由端は少なくとも前記係合ゾーンに整列して延在し、弾性部材に接触している。

本発明によれば、各弾性部材は自由端に接触力を作用させて両要素間の緊密性を確保することができる。

すなわち、第１要素と第２要素との間の、また特にエンクロージャの緊密性を確保するため、本発明は、第１要素に固定された弾性部材と可撓体とを用い、可撓体が全体としては変形せず、当該変形は弾性部材によってのみ誘発されることを提案する。

従って、作動位置において、すなわちシールが緊密性を確保する必要がある場合、圧力差に起因する耐力は、前記シールの自由端（すなわちリップ）を、緊密性を必要とする係合ゾーンの面に対してほぼ接線方向に向けるような力であり得る。従って本発明は、シールを平坦に維持し、それによってシール接触面積を増加させるように、局部的に接触力を作用させる副部材の使用を提案する。

これは従って、例えば２つのチャンバの緊密性を確保できるダブルリップシールを提供する。

前記可撓体は、金属ブレードで構成してもよく、または環状としてもよく、典型的には中心孔つきのワッシャであってもよい。

可撓体を環状形とする場合、中心部に弾性部材を収容する要素に可撓体を固定し、中央固定点に関して直径方向に対向するエッジによって自由端を形成してもよい。

各弾性部材は、リング状のバネで構成してもよい。

有利なことに、可撓体は、例えば接着剤、または溶接、またはネジなどの締結手段を用いて両要素の一方に固定することができる。用いる締結手段次第で、可撓体は弾性部材を収容している前記要素から取外し可能または取外し不可能となる。

本発明のいま一つの目的は、少なくとも以下を含み、溶接ビードによって構成部品をハイブリッド化するための装置であって、少なくとも：
− 支持プレート上において、溶接マイクロビードを用いてハイブリッド化のための構成部品を受け入れる可能な内側チャンバと、内側チャンバの周囲にあり、かつ、アッパーブロックの内側の壁によって内側チャンバから隔離した外側チャンバと、外側チャンバの周囲にある外壁とを含むアッパーブロックと、
− 加熱要素が所定の融合温度に達した後、支持プレートを加熱要素に熱的に接触させる手段と、
− 基板が加熱された後、支持プレートを加熱要素から切離す手段。

本発明によれば、支持プレートには上記のようにシールが取付けられ、前記シールの各弾性部材は前記支持プレートに設けたキャビティ内に収容され、可撓体の固定された部分は外側チャンバに対向して配置され、前記可撓体の各自由端は、緊密性が求められる前記内壁と外壁にそれぞれ対向して配置されている。

すなわち、作動位置において、シールの自由端は支持プレートに対してピン止めされ、支持プレートは基板で構成してもよく、弾性部材のみが前記自由端へ接触力を作用させ、アッパーブロックの緊密性を確保する。これら自由端をアッパーブロックと支持プレートとの接触面に平行にすることによって、緊密化を容易にし、接触面積が最大化される。

このようにして本発明は、この場合外側チャンバである第１ゾーンの緊密性を確保するとともに、この場合内側チャンバである第２密閉ゾーンを形成する。

有利なことに、前記自由端は、それぞれ内壁と外壁の、シールの線方向ミリメートル当たり６０ニュートン未満の耐力を受ける。これら耐力は少なくとも内側チャンバと外側チャンバとの間、または外側チャンバと前記装置が置かれている大気圧との間の圧力差に起因する。

一実施形態によれば、内側チャンバは負圧状態にある。

別の実施形態によれば、内側チャンバが制御された雰囲気下に置かれ、外側チャンバが負圧下にある。

本発明の他の特徴と利点は、参考目的であって決して限定的でない以下の説明から、添付図面を参照して、更に明らかになるであろう。
本発明の一実施形態によるダブルリップシールの概略平面図である。 本発明の別の実施形態によるダブルリップシールの概略平面図である。 図１ａまたは図１ｂに係るダブルリップシールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る、あるユニットに取付けられたダブルリップシールが前記ユニットのアッパーブロックに接触する前の概略部分図である。 本発明の一実施形態に係る、あるユニットに取付けられたダブルリップシールが前記ユニットのアッパーブロックに接触した後の概略部分図である。

特定の実施例の詳細な開示

図１ａ、図１ｂ、および図２を参照すると、以下、理解を容易にするため第１要素および第２要素と称する二つの要素間の緊密性を確保するためのダブルリップ金属シールは以下を含む：
− 例えばリング状のバネであって、第１要素の第１キャビティ内に収容されることを意図する第１弾性部材１２ａと、
− 例えばリング状のバネであって、第１要素の第２キャビティ内に収容されることを意図する第２弾性部材１２ｂと、
− 部分１０によって第１要素に固定されるとともに、以下を含む可撓体１：
第１リップを形成するとともに、第１弾性部材１２ａに接触する下面と、第２要素への接触を意図し下面に対向する上面とを提供する、第１自由端１１ａと、
第２リップを形成するとともに、第２弾性部材１２ｂに接触する下面と、第２要素への接触を意図する上面とを提供する、第２自由端１１ｂ。

第１および第２弾性部材１２ａ、１２ｂはそれぞれ緊密性を確保するため、第１および第２端１１ａ、１１ｂにそれぞれ接触力を及ぼすことができる。

可撓体１は、図１ｂに示すような長方形の金属板であってもよく、あるいは図１ａに示すような環状ワッシャ形であってもよい。

次にこのシールの作用を、図３と図４を参照し、米国特許第５，９６８，３８９号の書類に記載されたユニットの文脈に従って説明する。

ハイブリッド化ユニット２すなわちハイブリッド化装置は以下を含む：例えばベルジャーであって、例えば基板である支持プレート２０上に溶接マイクロビードを用いてハイブリッド化するための構成部品を受け入れ可能な内側チャンバ２６と、内側チャンバ２６の周囲にあり、かつアッパーブロック２１の内壁２４によって内側チャンバ２６から隔離された外側チャンバ２２と、外側チャンバ２２の周囲にある外壁２３とを含むアッパーブロック２１を含む。

支持プレート２０にはダブルリップシールが取付けられ、第１弾性部材１２ａが支持プレート２０の第１キャビティ２５ａに収容され、第２弾性部材１２ｂが支持プレート２０の第２キャビティ２５ｂに収容されている。

ダブルリップシールは、外側チャンバ２２に対向して配置された締結手段３によって支持プレート２０に固定されている。第１自由端１１ａは内壁２４の下面に対向して配置され、第２自由端１１ｂは外壁２３に対向して配置されている。

本実施例において、シールは、この場合には外側チャンバ２２である第１ゾーンの緊密性を確保するが、更に、この場合にはシールの二つのリップ間の内側チャンバ２６である第２密閉ゾーンを形成する。例えば、内側チャンバ２６は制御された雰囲気下にあり、外側チャンバ２２は負圧下にある。

支持プレート２０は、二つのリップ間に生成される負圧によって持ち上げられ、アッパーブロック２１へ固定される。負圧制御弁を設けて、例えば外側チャンバ２２内に負圧を生成すること、またはガス制御弁を設けてガスを内側チャンバ２６へ導入し、その中に制御された雰囲気を形成してもよい。

ダブルリップシールは以下の方法によって埋め込んでもよい：
− 薄い金属シートから可撓体１を切り出して例えば金属リングとする；
− この可撓体１の直径の中間部分にわたって複数のネジ用の貫通孔をあけた後、支持プレート２０に固定し、可撓体１を支持プレート２０から取外し可能とする；
− 切り出されたリングの例えば直径方向に対向する両端の下部ゾーンを圧迫するように設計製作された完全にキャリブレートされたバネを２個製作する；
− これらのバネを支持プレート上に形成された保持溝内へ挿入する；
− 前記複数のネジと、支持プレートに形成された前記複数の貫通孔とを用いて可撓体を支持プレートに固定し、可撓体の直径方向に対向する外側エッジを前記２つのバネが及ぼす力によって押上げる。

いずれの場合にも、溶接、ボンディング、または機械的締結によるいずれかの締結手段を採用して、アッパーブロック２１上に締結手段３に対向する凹部を設けてもよい。締結手段次第でシールは当然のことながら、取外し可能または不可能としてもよい。

本発明の金属リップシールは特に、例えば繰返し高真空を形成しかつ高温に急速に上昇させる必要のあるユニットのような、エンクロージャ内において自己保持真空を生成する技術を採用するユニット、またはシールによるカバーの高温溶接と真空とを許容するユニットにおいて用いられる。

本発明の金属リップシールは、例えば以下の条件下で用いられてもよい：
− 最低温度：４００℃
− 前記温度への最少暴露時間：３０秒を１０００回繰返し
− 最大耐力：5 N/mm
本発明はこのようにして、負圧と極めて高い温度下において動作可能なユニットの製作を可能にする。本発明は例えば、３２０℃を超える温度上昇を必要とする真空溶接機アッセンブリチャンバ用、プラズマエッチングマシンチャンバ用、または真空金属層堆積マシン用、またはシール上の耐力の低減を要求される耐高温シールを必要とする他の任意のタイプの機器用に、実施されてもよい。この耐力は例えば従来技術の金属シールに関して十分であった６０Ｎ／ｍｍを超える値よりも、明らかに認められるほど小さくすることができる。

本発明は特に、電子部品または光電子部品の生産中における高真空生成装置および更に特殊な溶接ビード生産の分野に適用される。

Claims (10)

1. 二つの要素間に緊密性を確保可能な金属リップシールであって：
   − 二つの弾性部材であって、各々が前記二つの要素のうちの一方のキャビティ内に収容されることを意図され、前記キャビティは緊密性が要求されて相互に係合する前記二つの要素の係合ゾーンに整列して配置される、弾性部材と；
   − 前記弾性部材を受け入れる前記要素に固定された金属製の可撓体であって、二つの自由端を有し、前記自由端は前記係合ゾーンに整列して延在するとともに前記弾性部材に接触する前記可撓体と；を含み、
   前記弾性部材はそれぞれ前記自由端に接触力を及ぼして前記二つの要素間の緊密性を確保できることを特徴とする、
   金属リップシール。
2. 前記弾性部材がリング状のバネであることを特徴とする、請求項１に記載のリップシール。
3. 前記可撓体が長方形の金属板によって構成されていることを特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載のリップシール。
4. 前記可撓体が環状のリングによって構成されていることを特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載のリップシール。
5. 前記可撓体が締結手段を用いて前記二つの要素の一方に固定されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のリップシール。
6. 前記締結手段が接着剤、溶接、またはネジであることを特徴とする、請求項５に記載のリップシール。
7. 溶接ビードによって構成部品をハイブリッド化するための装置であって、少なくとも：
   − 支持プレート上において、溶接マイクロビードを用いてハイブリッド化のための構成部品および特に基板を受け入れ可能な内側チャンバと、前記内側チャンバの周囲にあり、かつアッパーブロックの内側の壁によって前記内側チャンバから隔離される外側チャンバと、前記外側チャンバの周囲にある外壁とを含むアッパーブロックと；
   − 加熱要素が特定の融合温度に達した後、前記支持プレートを前記加熱要素に熱的に接触させる手段と；
   − 前記基板が加熱された後、前記支持プレートを前記加熱要素から切離す手段と；を含み、
   前記支持プレートには、請求項１ないし６のいずれかに記載のシールが取付けられ、前記シールの弾性部材は前記支持プレートのキャビティに収容され、前記支持プレートに固定された前記可撓体の部分は前記外側チャンバに対向し、前記シールの自由端はそれぞれ緊密性が求められる前記内壁と前記外壁とに対向することを特徴とする装置。
8. 前記自由端に、シールの線方向１ミリメートルあたり６０ニュートン未満の耐力が前記内壁と前記外壁からそれぞれ及ぼされ、前記耐力は少なくとも前記内側チャンバと外側チャンバとの間、および前記外側チャンバと、前記装置が配置されている環境との間の圧力差からそれぞれ生じることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記内側チャンバが負圧下にあることを特徴とする、請求項７および８のいずれかに記載の装置。
10. 前記内側チャンバが制御された雰囲気下にあり、前記外側チャンバが負圧下にあることを特徴とする、請求項８および９のいずれかに記載の装置。

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