JP6307557B2 - 流体制御弁 - Google Patents

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Description

本発明は、第1流路及び第2流路に連通する弁室に弁座を設けたバルブボディと、弁座と当接又は離間するメタルダイアフラムと、メタルダイアフラムを上下動させるステムと、ステムを駆動させるアクチュエータとを備え、高温流体を制御する流体制御弁に関するものである。
半導体製造工程における成膜技術として原子層堆積技術(以下、ALD)がある。ALDでは、ガスの供給が少量で行われる。ガスを少量精度よく供給するためには、Cv値を安定させる必要がある。
ALDでは、例えば、塩化チタン(沸点160℃)のように、約200℃の高温ガスが供給される。そこで、高温ガスに耐えるため、厚さ0.1mmのニッケル・コバルト合金製のメタルダイアフラムを使用している。しかし、ステムで駆動されるとき、薄板状のメタルダイアフラムの挙動が不安定となるため、Cv値が不安定になる。これは、メタルダイアフラムの金属板の特性により、ある時点でメタルダイアフラムが急激に変化するためであると考えられる。
ALDにおけるCv値の安定性の要請がある一方、高温ガスの供給時にはCv値が不安定になるという問題があり、高温ガスの供給時においてもCv値の変動率が小さいダイアフラム式の流体制御弁が求められている。高温ガスの供給時において、Cv値の変動率が小さい流体制御弁に関する技術は、本出願人による特許文献1に開示されている。図10に示す流体制御弁100は、ダイアフラムのストロークを調整することにより、高温ガスの供給時におけるCv値の変動率を抑えている。流体制御弁100のCv値の変動率は±10%である。
特許第5546018号公報 特許第4137267号公報 特開2000-75931号公報
しかしながら、従来の流体制御弁100には、次のような問題があった。
高温ガスの供給時におけるCv値の変動率を±10%以内に抑えることは、現状のALDにおいて妥当な範囲内である。しかし、流体制御弁100では、ストロークを調整するための制御装置を用いる必要があるため、部品点数が多くなり、コストが高くなるという問題があった。
さらに、近年、ALDにおいてガスを少量精度よく供給する必要性が高まり、さらにCv値の変動率が小さい高精度の流体制御弁(±5%以下の変動率)が求められている。従来の流体制御弁100では、このような高精度の流体制御弁の実現は困難であった。
なお、特許文献2、3に示すように、ガスの供給量を制御するため、流路にオリフィスを設ける技術は一般的に知られている。しかし、オリフィスの径について、具体的な記載は一切ない。特に、高温ガスの供給におけるCv値については全く分かっていなかった。
本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、高温流体を供給しても、Cv値の変動率が小さく、安定した流量を確保できる流体制御弁を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様における流体制御弁は、次のような構成を有している。
(1)第1流路及び第2流路に連通する弁室に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座と当接又は離間するメタルダイアフラムと、前記メタルダイアフラムを上下動させるステムと、前記ステムを駆動させるアクチュエータとを備え、高温流体を制御するものであって、前記高温流体に加熱された前記メタルダイアフラムの挙動が不安定になることによりCv値が変動する流体制御弁において、前記第1流路に形成された第1オリフィスと、前記第2流路に形成された第2オリフィスの何れかを有すること、前記弁座と前記メタルダイアフラムが離間しているとき、前記弁座と前記メタルダイアフラムの間で形成される円筒状の流路面積を、弁座部流路面積とすること、前記第1オリフィスを有する場合、前記第1オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の25%以下であり、且つ、前記第1オリフィスの流路面積を前記弁座部流路面積と同じにした場合に前記Cv値が変動するときの最小Cv値を100%としたときに、当該最小Cv値に対して50%以上のCv値を確保する値であること、前記第2オリフィスを有する場合、前記第2オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の25%以下であり、且つ、前記第2オリフィスの流路面積を前記弁座部流路面積と同じにした場合に前記Cv値が変動するときの最小Cv値を100%としたときに、当該最小Cv値に対して50%以上のCv値を確保する値であること、を特徴とする
(2)()に記載する流体制御弁において、前記高温流体は200℃のプロセスガスであること、を特徴とする。
)()又は()に記載する流体制御弁において、前記高温流体は、常温では液体であって加熱することにより気化させた高温のプロセスガスであること、を特徴とする。
)(1)乃至()の何れか1つに記載の流体制御弁において、前記第1オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の16%以下であること、または、前記第2オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の16%以下であること、を特徴とする。
)(1)乃至()の何れか1つに記載する流体制御弁において、前記メタルダイアフラムはビッカーズ硬度Hv500以上の硬度であること、を特徴とする。
このような特徴を有する本発明の流体制御弁は、以下のような作用効果を奏する。
第1または第2流路に形成されたオリフィスの径が第2流路の径の50%以下に設定することにより、高温流体を供給しても、Cv値の変動率を±10%以内に抑えることができる。オリフィスを流路に形成するだけで、制御装置を別個に設けることなく、高精度に流量制御することができる。
オリフィスの径が他の流路の径の40%以下に設定することにより、高温流体を供給しても、Cv値の変動率を±5%以内に抑えることができる。近年、産業界において求められている、ALDにおいてさらにCv値の変動率が小さい高精度の流体制御弁(±5%以下の変動率)の提供を実現することができる。
本発明の第1実施形態に係る流体制御弁の全体断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。 本発明の第1実施形態に係る流体制御弁の全体断面図であって、メタルダイアフラムの弁開状態を示す。 図2のA部拡大図である。 本発明の第1実施形態に係る流体制御弁を用いて、オリフィス径とCv値との関係を求めたグラフである。 図4の一部拡大図である。 本発明の第2実施形態に係る流体制御弁の全体断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。 図6のB部拡大図であって、メタルダイアフラムの弁開状態を示す。 本発明の第3実施形態に係る流体制御弁の全体断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。 図8のC部拡大図であって、メタルダイアフラムの弁開状態を示す。 従来の流体制御弁の断面図である。
本発明の流体制御弁の実施形態について、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
<第1実施形態>
(構成)
まず、本発明の第1実施形態に係る流体制御弁1の構成について図1及び図2を用いて説明する。図1及び図2は、流体制御弁1の全体断面図である。図1は、メタルダイアフラム27の弁閉状態を示し、図2はその弁開状態を示す。図3は、図2のA部拡大図である。
流体制御弁1は、半導体製造装置のガス供給系に組み付けられ、約200℃の高温ガスの供給を制御する。流体制御弁1は、ノーマルクローズタイプのエアオペレイト式開閉弁である。流体制御弁1は、アクチュエータ部2と、弁部3とから構成されている。アクチュエータ部2は、エアシリンダ部4とスプリング部5とから構成されている。
まず、エアシリンダ部4について説明する。図1に示すように、エアシリンダ部4の底面に位置するシリンダベース11は、筒状のシリンダケース12が上から螺合されている。シリンダベース11の上側には、上フランジ11aが張り出している。シリンダケース12内には、上ピストン13Aが、上フランジ11a内には、下ピストン13Bが、それぞれ摺動自在に保持されている。上下ピストン13A、13Bの間には、中間プレート14が固設されている。中間プレート14には、上下ピストン13A、13Bと連結されたピストンロッド15の上下動を案内するガイド孔14aが中央に穿設されている。
シリンダケース12の上端中央には、パイロットポート12aと、ピストンロッド15の上下動を案内するガイド孔12bとが、上下貫通して形成されている。ピストンロッド15には、パイロットポート12aを介して操作エア(圧縮エア)を送給する送給孔15aが穿設されている。送給孔15aを介して、上ピストン13Aと中間プレート14との間に形成された加圧室29及び、下ピストン13Bとシリンダベース11との間に形成された加圧室17に操作エアを供給する。パイロットポート12aに操作エアを送給すると、上下ピストン13A、13B及びピストンロッド15は上方(弁開方向)に駆動する。
シリンダケース12の内周面とピストンロッド15の外周面の間に、Oリング16が配置されている。上ピストン13Aの内周面とピストンロッド15の外周面の間に、Oリング30が配置されている。中間プレート14の内周面とピストンロッド15の外周面の間に、Oリング31が配置されている。下ピストン13Bの内周面とピストンロッド15の外周面の間に、Oリング32が配置されている。シリンダベース11の内周面とピストンロッド15の外周面の間には、Oリング33が配置されている。
また、上ピストン13Aの外周面とシリンダケース12の内周面の間に、Oリング34が配置されている。中間プレート14の外周面とシリンダケース12の内周面との間に、Oリング36が配置されている。下ピストン13Bの外周面とシリンダベース11の内周面の間に、Oリング37が配置されている。
次に、スプリング部5について説明する。図1に示すように、シリンダベース11の下端には、下フランジ11bが形成されている。下フランジ11bは、下方(弁閉方向)に付勢する圧縮スプリング19を保持するスプリングリテーナ18の上面に当接している。下フランジ11bの下方には、雄ねじ部11cが形成され、スプリングリテーナ18の内周面に設けた雌ねじ部18aに螺合されている。貫通したピストンロッド15の下端部には、雄ねじ部15bが形成され、第1ステム21の上端中央に形成された雌ねじ部21aに螺合されている。そのため、ピストンロッド15の上方への駆動力が、第1ステム21に伝達される。
第1ステム21の外周側上面には、圧縮スプリング19の下端が当接している。そのため、圧縮スプリング19の弾性力が、第1ステム21を下方に押圧する。スプリングリテーナ18の下方には、中空状のアダプタ22が形成されている。アダプタ22内には、圧縮スプリング19と、第1ステム21が配置されている。アダプタ22の上部外周面には、第1雄ねじ部22aが形成され、押えナット20の内周面に形成された雌ねじ20aと螺合されている。押えナット20の上方内周面には、スプリングリテーナ18と係合している。押えナット20のねじを締結することによって、アダプタ22は、スプリングリテーナ18と連結されている。
アダプタ22の下部外周面には、第2雄ねじ部22bが形成され、弁部3を構成するバルブボディ25の上部に突設された筒部25aの内周面に設けられた雌ねじ部25eに螺合されている。アダプタ22の下端には、ホルダ23の上面が当接している。ホルダ23は、メタルダイアフラム27の外周縁の上面に配設され、弁室28の底面との間でメタルダイアフラム27を気密状に挟圧している。
次に、弁部3について説明する。図1に示すように、バルブボディ25の上部に突設された筒部25aの内面には、入力側の第2流路25bと、出力側の第1流路25cに連通する弁室28が形成されている。弁室28の底面には、第2流路25bに連通する箇所に弁座26が設けられている。弁座26の材質は、耐熱性の優れたPI(ポリイミド)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)である。弁座26は、バルブボディ25にかしめ結合されている。弁座26の上方には、弁座26と当接又は離間し、上方に膨出するメタルダイアフラム27が配設されている。メタルダイアフラム27は、ニッケル・コバルト合金製の薄膜が複数枚積層され、シート状に圧着されている。メタルダイアフラム27は、0.1mm厚の薄膜を3枚積層して、中央の膨出量は、自由状態で0.9mmとして、作製されている。また、メタルダイアフラム27は、高強度化するため、熱処理を行っているので、硬度は、ビッカース硬度Hv500以上を有している。メタルダイアフラム27の上面に第2ステム24の下端が押し当てられている。
第2ステム24は、略円柱形状で、その下端は、下方になだらかに膨出して湾曲した形状で形成されている。バルブボディ25に取り付ける段階(初期段階)で、メタルダイアフラム27を第2ステム24の湾曲面に沿った形状に規制する。弁開時においても、メタルダイアフラム27は、押し当てられた第2ステム24の湾曲面に沿った形状に保持されている。
次に、第1実施形態に係る流体制御弁1の特徴であるバルブボディ25に形成された流路の構成について図1、図4及び図5を用いて説明する。図4は、流体制御弁1を用いて、オリフィス径とCv値との関係を求めたグラフである。縦軸はCv値の比率を示し、横軸は弁座部直径に対する第1流路25cに形成されたオリフィス251の径の比率を示す。Cv値の比率とは、弁座部直径に対するオリフィス251の径の比率が100%である場合にCv値が変動するときの最小Cv値を100%としたときの当該最小Cv値に対するCv値の割合をいう。折れ線XはCv値の最大値を示し、折れ線ZはCv値の最小値を示す。点線Yは折れ線Xと折れ線Zの中間点を示す。長さVはCv値の変動幅を示し、点線Yから折れ線Xの長さVと、点線Yから折れ線Zまでの長さVは、同じである。オリフィス251の径が弁座部直径と同じ径(100%)に近づくほどCv値の変動幅は大きくなる。Cv値の変動率は、±V/Yで得られる。図5は、図4のうち、縦軸のCv値の比率、50−150%、及び横軸の弁座部直径に対する第1流路25cに形成されたオリフィス251の径の比率、40−80%の部分を拡大した図である。
図1に示すように、第1流路25cには、オリフィス251が形成されている。オリフィス251の直径Rは、弁座部直径の50%に形成されている。弁座部直径とは、図3に示すように、弁座26とメタルダイアフラム27が離間しているとき、弁座26とメタルダイアフラム27の間で形成される円筒状の流路面積(略QπH)を円形の流路に換算した直径のことをいう。すなわち、第2流路25bの断面積よりも、弁座26とメタルダイアフラム27の間の流路面積(略QπH)の方が小さいため、弁座26とメタルダイアフラム27の間の流路面積が対象となる。オリフィス251の直径Rが弁座部直径の50%であるとき、図5のCv値の最大値X2、最小値Z2、中間値Y2が実験により得られたデータによると、Cv値の変動率は、±10%以下(±V2/Y2)に抑えることができる。
ここで、メタルダイアフラム27はビッカース硬度Hv500以上の硬度であるため、ある時点でメタルダイアフラム27の形状が急激に変化する。そのため、図4においてオリフィス251の径が弁座部直径と同じ径(100%)の場合には、薄板状のメタルダイアフラム27の挙動が不安定となるため、Cv値の変動率が±37%と大きい。それに対して、オリフィス251が第1流路25cに形成されていることにより、Cv値の変動率を±10%に抑えることができた。この理由は、メタルダイアフラムが急激に変化して圧力が急変した時に、流量がオリフィスにより制限されているため、Cv値の変動率が小さくなると考えられる。
本実施形態では、オリフィス251の直径Rを、弁座部直径の50%以下に設定しているが、これを40%以下に設定すると、図5に示すように、Cv値の最大値X1、最小値Z1、中間値Y1が得られ、Cv値の変動率は、さらに小さく±5%以下(±V1/Y1)となる。これにより、近年の産業界においてガスを精度よく供給する要請に応えた、さらに高精度の流体制御弁を提供することができる。
また、本実施形態では、第1流路25cにオリフィス251が形成されているが、第1流路25cにオリフィス251を形成する代わりに、第2流路25bにオリフィスを形成しても良い(図示なし)。第2流路25bに形成されたオリフィスの直径を弁座部直径の50%以下としたとき、Cv値の変動率は±10%以下となる。さらに、第2流路25bに形成されたオリフィスの直径を弁座部直径の40%以下としたときは、Cv値の変動率は±5%以下となる。このとき、弁座部直径とは、弁座26とメタルダイアフラム27が離間しているとき、弁座26とメタルダイアフラム27の間で形成される円筒状の流路面積を円形の流路の直径に換算した直径のことをいう。
(動作説明)
次に、流体制御弁1の動作について説明する。
図1に示すように、流体制御弁1は、パイロットポート12aに操作エアを送給すると、操作エアが加圧室17、29に供給され、上下ピストン13A、13B及びピストンロッド15は上方(弁開方向)に駆動される。第1ステム21は、ピストンロッド15と連結されているので、圧縮スプリング19の弾性力に抗して、上昇端位置まで上昇する。第1ステム21によって上昇を規制されていた第2ステム24は、メタルダイアフラム27の復元力によって上昇する。メタルダイアフラム27は、弁座26と離間し、弁開状態となる。メタルダイアフラム27が弁開すると、高温ガスは第2流路25bから弁室28を通って第1流路25cに供給される。
一方、流体制御弁1は、パイロットポート12aへの操作エアの送給を停止すると、図2に示すように、圧縮スプリング19の弾性力によって、第1ステム21は下方(弁閉方向)に駆動される。第1ステム21は、第2ステム24の上昇を規制したまま、第2ステム24とともに下降する。第2ステム24の下降に伴いメタルダイアフラム27は、弁座26と当接し、弁閉状態となる。メタルダイアフラム27が弁閉すると、高温ガスの第1流路25cへの供給が停止される。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態の流体制御弁1の構成について、図6、7を用いて説明する。図6は、第2実施形態に係る流体制御弁1の断面図である。図7は、図6のB部拡大図であって、メタルダイアフラム27の弁開状態を示す。
第1実施形態と第2実施形態の主な相違点は、バルブボディの流路の形状である。なお、第1実施形態に係る流体制御弁1と同じ構造は、同じ引用番号を付すことにより、説明を省略する。
図6に示すように、バルブボディ35には、入力側の第2流路35bと、出力側の第1流路35cが形成されている。バルブボディ35内の第2流路35bの第1ポートと、第2流路35bの第2ポートが側面に対向して設けられている。第1流路35cには、オリフィス351が形成されている。オリフィス351の直径Tは、弁座部直径の50%以下に形成されている。オリフィス351の直径Tを弁座部直径の50%以下としたとき、Cv値の変動率は±10%以下となる。さらに、オリフィス351の直径Tを弁座部直径の40%以下としたときは、Cv値の変動率は±5%以下となる。弁座部直径とは、図7に示すように、弁座26をメタルダイアフラム27が離間しているとき、弁座26とメタルダイアフラム27の間で形成される円筒状の流路面積(略πH)を円形の流路に換算した直径のことをいう。
以上、説明したように、本発明の流体制御弁1によれば、(1)第1流路25c、35c及び第2流路25b、35bに連通する弁室28に弁座26を設けたバルブボディ25、35と、弁座26と当接又は離間するメタルダイアフラム27と、メタルダイアフラム27を上下動させる第1ステム21及び第2ステム24と、第1ステム21を駆動させるアクチュエータ部2とを備え、高温ガスを制御する流体制御弁1において、第1流路25c、35cに形成された第1オリフィス251の直径R、オリフィス351の直径Tは、弁座部直径の50%以下であること、または、第2流路25b、35bに形成された第2オリフィス(図示なし)の直径は、弁座部直径の50%以下であること、弁座部直径とは、弁座26とメタルダイアフラム27が離間しているとき、弁座26とメタルダイアフラム27の間で形成される円筒状の流路面積(略QπH、略SπH)を円形の流路に換算した直径のことをいう、を特徴とし、高温ガスを供給しても、Cv値の変動率を±10%以内に抑えることができる。
(2)(1)に記載の流体制御弁1において、第1オリフィス251の直径R、オリフィス351の直径Tは、弁座部直径の40%以下であること、または、第2オリフィス(図示なし)の直径は、弁座部直径の40%以下であること、を特徴とし、高温ガスを供給しても、Cv値の変動率を±5%以内に抑えることができる。近年、産業界において求められている、ALDにおいてさらにCv値の変動率が小さい高精度の流体制御弁(±5%以下の変動率)の提供を実現することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態の流体制御弁1の構成について、図8、9を用いて説明する。図8は、本発明の第3実施形態に係る流体制御弁1の断面図である。図9は、図8のC部拡大図であって、メタルダイアフラム27の弁開状態を示す。
第1実施形態と第3実施形態の主な相違点は、バルブボディの流路の形状である。なお、第1実施形態に係る流体制御弁1と同じ構造は、同じ引用番号を付すことにより、説明を省略する。
図8に示すように、バルブボディ45には、入力側に第2流路45bと第3流路45d、出力側の第1流路45cが形成されている。メタルダイアフラム27が弁座26から離間すると、材料ガスは第2流路45bから、キャリアガスは第3流路45dから弁室28を通って第1流路45cに供給される。一方、メタルダイアフラム27が弁閉すると、材料ガスとキャリアガスの第1流路45cへの供給が停止される。
また、キャリアガスは、第3流路45dから弁座26を通って第1流路45cへ他の手段により制御された流量が常時供給されている。
第1流路45cには、オリフィス451が形成されている。オリフィス451の直径Wは、弁座部直径の50%以下に形成されている。オリフィス451の直径Wを弁座部直径の50%以下としたとき、Cv値の変動率は±10%以下となる。さらに、オリフィス451の直径Wを弁座部直径の40%以下としたときは、Cv値の変動率は±5%以下となる。弁座部直径とは、弁座26とメタルダイアフラム27が離間しているとき、弁座26とメタルダイアフラム27の間で形成される円筒状の流路面積(略UπH)を円形の流路に換算した直径のことをいう。
なお、本実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。
例えば、本実施形態では、バルブボディにオリフィスを形成しているが、オリフィスを別の部材で流路に設けても良い。
1 流体制御弁
2 アクチュエータ部
3 弁部
21 第1ステム
24 第2ステム
25,35 バルブボディ
25b,35b 第2流路
25c,35c 第1流路
26 弁座
27 メタルダイアフラム
28 弁室
251,351,451 オリフィス

Claims (5)

  1. 第1流路及び第2流路に連通する弁室に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座と当接又は離間するメタルダイアフラムと、前記メタルダイアフラムを上下動させるステムと、前記ステムを駆動させるアクチュエータとを備え、高温流体を制御するものであって、前記高温流体に加熱された前記メタルダイアフラムの挙動が不安定になることによりCv値が変動する流体制御弁において、
    前記第1流路に形成された第1オリフィスと、前記第2流路に形成された第2オリフィスの何れかを有すること、
    前記弁座と前記メタルダイアフラムが離間しているとき、前記弁座と前記メタルダイアフラムの間で形成される円筒状の流路面積を、弁座部流路面積とすること、
    前記第1オリフィスを有する場合、前記第1オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の25%以下であり、且つ、前記第1オリフィスの流路面積を前記弁座部流路面積と同じにした場合に前記Cv値が変動するときの最小Cv値を100%としたときに、当該最小Cv値に対して50%以上のCv値を確保する値であること、
    前記第2オリフィスを有する場合、前記第2オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の25%以下であり、且つ、前記第2オリフィスの流路面積を前記弁座部流路面積と同じにした場合に前記Cv値が変動するときの最小Cv値を100%としたときに、当該最小Cv値に対して50%以上のCv値を確保する値であること、
    を特徴とする流体制御弁。
  2. 請求項に記載する流体制御弁において、
    前記高温流体は200℃のプロセスガスであること、
    を特徴とする流体制御弁。
  3. 請求項又は請求項に記載する流体制御弁において、
    前記高温流体は、常温では液体であって加熱することにより気化させた高温のプロセスガスであること、
    を特徴とする流体制御弁。
  4. 請求項1乃至請求項の何れか1つに記載の流体制御弁において、
    前記第1オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の16%以下であること、または、前記第2オリフィスの流路面積は、前記弁座部流路面積の16%以下であること、
    を特徴とする流体制御弁。
  5. 請求項1乃至請求項の何れか1つに記載する流体制御弁において、
    前記メタルダイアフラムはビッカーズ硬度Hv500以上の硬度であること、
    を特徴とする流体制御弁。
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