JP6901722B2 - 流体加熱器、流体制御装置、および流体加熱器の製造方法 - Google Patents

流体加熱器、流体制御装置、および流体加熱器の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体製造装置等に使用される流体制御装置で用いられる流体加熱器、流体制御装置、および流体加熱器の製造方法に関する。
従来、ヒータによりガスラインに流す流体を加熱する流体制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、複数のガスラインのうちの、所定のガスラインのパージガス配管に対し、パージガスを加熱するための流体加熱器が設けられる場合がある。流体加熱器は、パージガスが流れる流路部材と、流路部材を加熱するヒータとを有し、流路部材には、軸方向に直線的に伸びる流路が形成されている。
特開平１０−２４６３５６号公報
しかし、従来の流体加熱器の流路部材では、加熱効率が悪く、所望の温度が高温になる場合、ガスラインに対する加熱距離を大きく取る必要があった。加熱距離が大きくなると、流路部材、及び流体加熱器の大型化を招き、近年の流体制御装置の更なる小型化を阻害する。
そこで本発明は、流体の加熱効率を高めることが可能な流体加熱器、および流体制御装置を提供することを目的の一つとする。
上記目的を解決するために、本発明の一態様である流路部材は、流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続配管と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、長手方向に沿った断面の形状が多角形状をなしている。
また、本発明の一態様である流体制御装置は、継手に固定された複数の流体制御機器と、前記流体制御機器に流す流体を加熱するための流体加熱器と、を備え、前記流体加熱器は、 流路が形成された流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、 前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続配管と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、長手方向に沿った断面の形状が多角形状をなしている。
また、本発明の一態様である流体加熱器の製造方法は、流路が形成された流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続配管と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、長手方向に沿った断面の形状が多角形状をなしている流体加熱器を製造する製造方法であって、前記流路部材を金属粉末焼結造形方式により作成する工程と、前記流路部材に前記ヒータ、前記固定部材、および前記接続配管を組み合わせる工程と、を備える。
また、流路部材は、その造形方向が、前記多角形状の対角線の一つと平行をなすように造形される。
また、前記流路部材は、円柱状をなし、その長手方向が前記流路部材の造形方向と同方向となるように造形される。
また、本発明の一態様である流路部材は、流路が形成された流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続配管と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、前記流路の表面積は、前記流路部材のうち前記流路が形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている。
また、本発明の一態様である流体制御装置は、継手に固定された複数の流体制御機器と、前記流体制御機器に流す流体を加熱するための流体加熱器と、を備え、前記流体加熱器は、 流路が形成された流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、 前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続配管と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、前記流路の表面積は、前記流路部材のうち前記流路が形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている。
また、本発明の一態様である流体加熱器の製造方法は、流路が形成された流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続配管と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、前記流路の表面積は、前記流路部材のうち前記流路が形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている流体加熱器を製造する製造方法であって、前記流路部材を金属粉末焼結造形方式により作成する工程と、前記流路部材に前記ヒータ、前記固定部材、および前記接続配管を組み合わせる工程と、を備える。
本発明によれば、流体の加熱効率を高めることが可能な流体加熱器、流体制御装置、および流体加熱器の製造方法を提供することができる。
実施形態に係る流体制御装置の斜視図を示す。 実施形態に係る流体制御装置の側面方向から見た一部断面図を示す。 （ａ）は、実施形態に係る流路部材の斜視図を示し、（ｂ）は、実施形態に係る流路部材の縦断面図を示す。 流路部材の造形方法の説明図を示す。 （ａ）は、変形例に係る流路部材の斜視図を示し、（ｂ）は、変形例に係る流路部材の縦断面図を示す。 本発明の実施形態に係る流体制御装置としてのファイナルバルブを備える半導体製造装置の概略図を示す。
本発明の実施形態に係る流体加熱器２０、および流体制御装置１について、図面を参照して説明する。以下の説明における上下は、図２の上下とする。
図１は、本実施形態に係る流体制御装置１の斜視図を示している。図２は、本実施形態に係る流体制御装置１の側面図を示している。
流体制御装置１は、基盤２と、複数（４ライン）のガスライン３と、パージガス主配管４とを備えている。また、各ガスライン３の構成はほぼ同じであるので、以下では複数のガスライン３のうちの一つのガスライン３についてのみ説明を行う。
図１に示すように、ガスライン３は、複数の継手５〜７と、複数の流体制御機器８〜１４と、パージガス分岐配管１５と、流体加熱器２０と、を備える。なお、流体加熱器２０は、図１における最も手前のガスライン３にのみ設けられている。
複数の継手５〜７は、プロセスガスの入口となる入口継手５と、プロセスガスの出口となる出口継手７と、入口継手５と出口継手７との間に配置される複数のブロック状のブロック継手６とにより構成さている。
複数の継手５〜７は、基盤２上に一列に並ぶように設けられ、図示せぬボルトにより基盤２に固定されている。図２に示すように、各継手５〜７には、ガスの流路５ａ〜７ａが形成されている。各流路５ａ〜７ａは、対応する流体制御機器８〜１４の流路に連通している。
複数の流体制御機器８〜１４は、自動弁（例えば空圧作動式の自動弁）であるバルブ８〜１１（バルブ９を第１バルブ９、バルブ１０を第２バルブ１０とする。）と、手動式のレギュレータ（減圧弁）１２と、圧力計１３と、流量制御機器（例えば、マスフローコントローラ（ＭＦＣ：Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ））１４とにより構成されている。図１に示すように、各流体制御機器８〜１４は、ボルト１６（図の簡略化のため一つのボルト１６にのみ参照番号を付している。）により、継手５〜７に対しそれぞれ連結されている。
第１バルブ９は、第１バルブ本体部９Ａと、第１ボディ９Ｂとを備える。第１バルブ本体部９Ａは、アクチュエータ等を備える。第１ボディ９Ｂには、ガス流路９ｃと、パージガス流入路９ｄと、パージガス排出路９ｅとが形成されている。
第２バルブ１０は、三方弁であり、第２バルブ本体部１０Ａと、第２ボディ１０Ｂとを備える。第２バルブ本体部１０Ａは、アクチュエータ等を備える。第２ボディ１０Ｂには、ガス流入路１０ｃと、ガス排出路１０ｄと、パージガス流路１０ｅとが形成されている。第１ボディ９Ｂと第２ボディ１０Ｂとは、互いに接続されている。
ガス流路９ｃの、一端はブロック継手６の流路６ａに接続され、他端はガス流入路１０ｃの一端に接続されている。パージガス流入路９ｄの、一端は流体加熱器２０に接続され、他端は図示せぬ弁室に接続されている。パージガス排出路９ｅの、一端は図示せぬ弁室に接続され、他端はパージガス流路１０ｅの一端に接続されている。
ガス流入路１０ｃの、一端はガス流路９ｃの他端に接続され、他端は図示せぬ弁室に接続されている。ガス排出路１０ｄの、一端は図示せぬ弁室に接続され、他端はブロック継手６の流路６ａに接続されている。パージガス流路１０ｅの、一端はパージガス排出路９ｅの他端に接続され、他端は図示せぬ弁室に接続されている。
流体加熱器２０は、第１バルブ９の第１ボディ９Ｂ上に設けられている。
パージガス分岐配管１５は、一端が流体加熱器２０に接続され、他端がパージガス主配管４に接続されている。
そして、入口継手５から流入するプロセスガスは、流体制御機器８〜１４、複数のブロック継手６、出口継手７を通過して、図示せぬチャンバへ供給される。また、パージガス主配管４から供給されるパージガス（例えば、窒素）は、パージガス分岐配管１５に流入し、流体加熱器２０において加熱された後、第１バルブ９のパージガス流入路９ｄおよびパージガス排出路９ｅを通過して、第２バルブ１０のパージガス流路１０ｅを介して、ガス流入路１０ｃから入口継手５側へ、ガス排出路１０ｄから出口継手７側へ流れる。
次に、本実施形態に係る流体加熱器２０について、図１、２を参照して説明する。
流体加熱器２０は、固定ブロック２１と、流路部材２２と、接続配管２３と、アルミブロック２４と、一対のヒータ２５と、を備える。
固定部材である固定ブロック２１は、ボルト２６により、第１バルブ９の第１ボディ９Ｂに固定されている。固定ブロック２１は、流路部２７を有し、その上端は、流路部材２２の下端に接続されている。
接続配管２３は、上端がパージガス分岐配管１５に接続され、下端が流路部材２２の上端に接続されている。
アルミブロック２４は、流路部材２２を覆うように構成されている。なお、アルミブロック２４の外周面を断熱ジャケットで覆うように構成してもよい。
一対のヒータ２５は、アルミブロック２４に埋め込まれており、発熱してアルミブロック２４を加熱し、流路部材２２を加熱する。また、ヒータ２５には、図示せぬ電源リード線が接続され、図示せぬ電源リード線を介してヒータ２５に対し通電されることにより、ヒータ２５は発熱する。なお、アルミブロック２４を設けずに、ヒータ２５を流路部材２２に直接接触させて流路部材２２を加熱してもよい。また、流体加熱器２０は、流路部材２２に対し、アルミブロック２４に取り付けられたヒータ２５を組み合わせることにより製造される。
次に、本実施形態に係る流路部材２２について、図３を参照して説明する。
図３（ａ）は、流路部材２２の斜視図を示し、図３（ｂ）は、流路部材２２の縦断面図を示している。
図３（ａ）に示すように、流路部材２２は、円柱状、又は略円柱状をなし、両方の端部２２Ｄ、２２Ｅに開口２２ａ、２２ｂが形成されている。両端の開口２２ａ、２２ｂの間には、流路２２ｃが螺旋状に形成されている。流路２２ｃは、その両端においてそれぞれ開口２２ａ、２２ｂに連通している。流路２２ｃの流路部材２２の長手方向に沿った断面形状は、多角形状（本実施形態では、ひし形状）をなしている。なお、多角形状とは、３本以上の線分で囲まれた図形である。
流路部材２２は、三次元造形装置において、流路部材２２を形成するためのデータに基づいて、ステンレス、チタン等の金属粉末を積層する工程と、積層した金属粉末層をレーザまたは電子ビームで溶着（焼結）する工程とを繰り返すことにより、開口２２ａ、２２ｂを有さない流路部材２２が造形される。このように、流路部材２２は、金属粉末焼結造形方式により製造される。開口２２ａ、２２ｂを有さない流路部材２２を造形後に、ドリルにより両方の端部２２Ｄ、２２Ｅに開口２２ａ、２２ｂを形成することにより、流路部材２２が製造される。また、流路部材２２の端部２２Ｄ、２２Ｅは、エンドミル等で削られることによりその外形が縮径されている。これにより、流路部材２２の端部２２Ｄ、２２Ｅの肉厚を薄くして、接続配管２３および流路部２７との溶接性を向上させている。
また、図４に示すように、流路部材２２は、その長手方向が造形方向Ｍと同方向になるように造形される。また、金属粉末焼結造形方式により作成した流路部材２２に対し、一対のヒータ２５、固定ブロック２１、および接続配管２３を組み合わせることにより、流体加熱器が製造される。
また、流路２２ｃの表面積は、流路部材２２のうち流路２２ｃが形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている。すなわち、流路２２ｃの表面積は、流路部材２２の矢印Ｓで示した範囲の外周の表面積よりも大きく構成されている。かかる構成は、流路２２ｃを流れる流体の圧力に耐えられるように流路２２ｃと流路部材２２の外周面との肉厚を確保しつつ、径方向の流路間隔を広くし、かつ、造形方向Ｍの流路間隔を短くすることにより造形することができる。また、流路２２ｃの断面形状を、径方向における中心部分よりも内側の部分が内方に張り出すように構成してもよい。なお、この場合、流路２２ｃの断面形状は、円形または楕円形等であってもよい。当該構成により、流路部材２２の造形に要する材料を低減させ、かつ流体の加熱効率を高めることができる。
上記の流路部材２２によれば、その流路２２ｃは、螺旋状をなし、断面形状が多角形状をなしている。よって、流路部材２２の強度を確保するために、図４における流路２２ｃの中心間の距離Ａおよび外周面との距離をある程度とる必要がある場合において、例えば流路の形状を四角形、六角形等とすることにより、円形と比較して流体との接触面積を増加させることができ、流体の加熱効率を高めることができる。
そして、流路２２ｃは、ひし形をなし、その対角線の一つが、流路部材２２の造形方向と平行をなしている。これにより、流路２２ｃを形成する面が、造形方向に対して傾斜する面により構成されことになるので、オーバーハング部に生じ易い歪みや凹凸の発生を防止することができる。よって、流路２２ｃの造形精度を高めることができ、流路部材２２間における加熱時の温度のばらつきを抑制することができる。したがって、パージガスを所望の温度に加熱することができる流体加熱器２０を提供することができる。
また、流路部材２２は、その長手方向が造形方向Ｍと同方向になるように造形されている。これにより、流路部材２２の造形時の反りを防止でき、造形精度を高めることができる。よって、流路部材２２間における加熱時の温度のばらつきを抑制することができる。したがって、パージガスを所望の温度に加熱することができる流体加熱器２０を提供することができる。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。
上記の実施形態では、流路部材２２の一方の端部２２Ｄは、固定ブロック２１の流路部２７に接続され、流路部２７を介して流体制御機器に接続されるように構成していたが、図５に示した流路部材１２２の端部１２２Ｄのように、一方の端部にガスケットを収容可能な環状凹部１２２ａを形成して、他の流体制御機器に直接接続可能に構成してもよい。
また、上記の実施形態では、流体加熱器２０をパージガスの加熱をするために用いたが、プロセスガスを加熱するために用いてもよい。また、流路２２ｃの形状は、ひし形に限らず、多角形であれば他の形状であってもよい。また、流路２２ｃは一本であったが、複数本であってもよい。
また、実施形態では、流体制御装置１は、流体制御機器として開閉弁（バルブ）、圧力計、レギュレータ、およびマスフローコントローラを備えていたが、これらの他にフィルタ、逆止弁等を備えていてもよい。
また、上記の実施形態では、流体加熱器２０を備える流体制御装置１がガス供給器であったが、流体制御装置は図６に示すようなファイナルバルブ３０であってもよい。
図６は、本発明の実施形態に係る流体制御装置としてのファイナルバルブ３０を備える半導体製造装置１００の概略図を示している。
半導体製造装置１００は、例えば、ＣＶＤ装置であり、ガス供給手段４０と、ファイナルバルブ３０と、真空チャンバ５０と、排気手段６０とを有し、ウェハ上に不動態膜（酸化膜）を形成する装置である。
ガス供給手段４０は、ガス供給源４１と、流体制御装置４２とを備える。ファイナルバルブ３０は、ガス供給手段４０と真空チャンバ５０との間に設けられている。ファイナルバルブ３０は、３本の配管３１を備え、各配管３１に対し自動弁３２および流体加熱器２０が設けられている。各流体加熱器２０は、真空チャンバ５０の入口直近に設けられ、各流体加熱器２０により加熱されたガスが真空チャンバ５０内に供給される。
従来の流体加熱器は大型であったためチャンバから離間して設置する必要があったが、本実施形態の流体加熱器２０の構成によれば、真空チャンバ５０の入口直近に設置することができるので、所望の温度に加熱したガスを真空チャンバ５０内に供給することができる。
また、流体制御装置としては、ファイナルバルブに限らず、ＤＬＩ気化器、キャリア気化器、プリ加熱パージライン等の流体の加熱が必要な装置であればどんな装置であってもよい。
１：流体制御装置、２：基盤、３：ガスライン、４：パージガス主配管、５：入口継手、５ａ：流路、６：ブロック継手、６ａ：流路、７：出口継手、７ａ：流路、８〜１４：流体制御機器、９Ａ：第１バルブ本体部、９Ｂ：第１ボディ、９ｃ：ガス流路、９ｄ：パージガス流入路、９ｅ：パージガス排出路、１０Ａ：第２バルブ本体部、１０Ｂ：第２ボディ、１０ｃ：ガス流入路、１０ｄ：ガス排出路、１０ｅ：パージガス流路、１５：パージガス分岐配管、１６：ボルト、２０：流体加熱器、２１：固定ブロック、２２：流路部材、２２ａ：開口、２２ｂ：開口、２２ｃ：流路、２２Ｄ、２２Ｅ：端部、２３：接続配管、２４：アルミブロック、２５：ヒータ、２６：ボルト、２７：流路部、３０：ファイナルバルブ、１２２：流路部材、１２２ａ：環状凹部、１２２Ｄ：端部、Ａ：距離、Ｍ：造形方向

Claims (7)

  1. 金属粉末焼結造形方式により作成され、流路が形成された流路部材と、
    前記流路部材を加熱するためのヒータと、
    前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、
    前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続部材と、を備え、
    前記流路は、螺旋状をなし、長手方向に沿った断面の形状が多角形状をなし、
    前記流路部材の造形方向は、前記多角形状の対角線の一つと平行をなしている、流体加熱器。
  2. 前記流路の表面積は、前記流路部材のうち前記流路が形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている、請求項１に記載の流体加熱器。
  3. 継手に固定された複数の流体制御機器と、
    前記流体制御機器に流す流体を加熱するため流体加熱器と、を備え、
    前記流体加熱器は、
    金属粉末焼結造形方式により作成され、流路が形成された流路部材と、
    前記流路部材を加熱するためのヒータと、
    前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、
    前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続部材と、を備え、
    前記流路は、螺旋状をなし、長手方向に沿った断面の形状が多角形状をなし、
    前記流路部材の造形方向は、前記多角形状の対角線の一つと平行をなしている、流体制御装置。
  4. 前記流路の表面積は、前記流路部材のうち前記流路が形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている、請求項３に記載の流体制御装置。
  5. 流路が形成された流路部材と、前記流路部材を加熱するためのヒータと、前記流路部材を流体制御機器に固定するための固定部材と、前記流路部材に接続され、流体を前記流路部材に流入させるための接続部材と、を備え、前記流路は、螺旋状をなし、長手方向に沿った断面の形状が多角形状をなしている流体加熱器を製造する製造方法であって、
    前記流路部材を金属粉末焼結造形方式により作成する工程と、
    前記流路部材に前記ヒータ、前記固定部材、および前記接続部材を組み合わせる工程と、を備え、
    前記流路部材は、その造形方向が、前記多角形状の対角線の一つと平行をなすように造形される、流体加熱器の製造方法。
  6. 前記流路部材は、円柱状をなし、その長手方向が前記流路部材の造形方向と同方向となるように造形される、請求項５に記載の流体加熱器の製造方法。
  7. 前記流路の表面積は、前記流路部材のうち前記流路が形成されている部分の外周の表面積より大きく構成されている、請求項５または請求項６に記載の流体加熱器の製造方法。
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