JP7161780B2 - バルブ装置 - Google Patents
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Description
上記のような流体制御装置では、管継手の代わりに、流路を形成した設置ブロック(以下、ベースブロックと呼ぶ)をベースプレートの長手方向に沿って配置し、このベースブロック上に複数の流体機器や管継手が接続される継手ブロック等を含む各種流体機器を設置することで、集積化を実現している(例えば、特許文献1参照)。
ある種の流体制御装置では、複数のキャリアガスラインのそれぞれに流量制御されたプロセスガスを所定量ずつ添加することが行われる。これはプロセスチャンバに複数のガス噴き出し口を設けて、流量比制御されたキャリアガスに乗せてプロセスガスを送ることで、ウエハ全面について均一なプロセスを行うことを目的としている。この場合、長手方向に並んだ一組の各種流体機器のラインの数はプロセスガスの種類数とキャリアガスラインの数を乗じた本数だけ必要になり、小型化、集積化を阻害している。
半導体ウエハの大口径化等の処理対象物の大型化が進んでおり、これに合わせて流体制御装置からプロセスチャンバ内へ供給する流体の供給流量も増加させる必要がある。
流体制御装置に使用されるバルブ装置では、ブロック状のバルブボディに流体流路が直接形成される。
流体制御装置の小型化に伴い、バルブボディの小型化も当然必要である。しかしながら、バルブボディを小型化すると、流路の流量を確保しつつ流路を最適に配置するのは容易ではない。
また、バルブ装置の一次側の流路に流入するプロセスガスを、バルブを通じて、二次側で多数に分流させて流出させる必要がある場合には、分流の数に応じた流路をバルブボディに形成する必要があり、バルブボディを大型化する必要がある。加えて、一般的には、プロセスガスを流した分流流路には、窒素ガス等のパージガスを流す必要がある。バルブを通じてパージガスを供給する流路をバルブボディに形成すると、バルブボディをさらに大型化する必要がある。
また、従来の流体制御装置においては、プロセスガスを分流する継手とパージガスを分流させる継手は別々に存在しており、流体制御装置の一本のラインごとに、どちらのガスを流すかを選択するバルブが設けられていた。そのため、プロセスガスとパージガスを切り替えるためのバルブが、ラインの数に比例して必要であった。さらに、この従来の構造では、ラインにガスを流した際にガスの置換性が悪く元のガスが残留、滞留してしまう滞留部を小さくする努力が行われてきた。しかし、流路のうち、ガスが流通しない領域に形成される滞留部をなくすのは困難であった。
本発明の他の目的は、装置の小型化を維持しつつ、一次側の流路に流入する複数の流体を二次側で多数に分流可能なバルブ装置を提供することにある。また、それによりバルブの総数を減らして小型化された流体制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、ガスの滞留を最小限に抑えてガスの置換性が改善されたバルブ装置を提供することにある。
前記バルブボディは、第1および第2のバルブ要素がそれぞれ内蔵される第1および第2の収容凹部と、前記第1および第2の収容凹部をそれぞれ前記バルブボディの外部と連通させる一次側流路と、前記第1および第2の収容凹部をそれぞれ前記バルブボディの外部と連通させる二次側流路と、前記第1および第2の収容凹部を接続して前記二次側流路の各々を互いに連通させる連通流路を画定し、
前記第1および第2のバルブ要素の各々は、前記第1および第2の収容凹部に接続された前記一次側流路の各々と前記各二次側流路との連通状態を選択的に切り換える。
前記第1および第2のバルブ要素の各々は、
一端面に形成された環状の座面と、他端面に形成された環状のシール面と、前記座面およびシール面の内側に形成され前記一端面および他端面を貫通する流通流路と、を有するバルブシートと、
前記バルブシートのシール面が当接し当該シール面からの押圧力を支持する支持面を有するバルブシートサポートと、
前記バルブシートサポートに支持された前記バルブシートの座面に当接および離隔可能に設けられたダイヤフラムと、を有し、
前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムと前記バルブシートの座面との間隙を通じて、前記バルブシートの流通流路と対応する前記二次側流路とを連通させ、
前記バルブシートサポートは、対応する前記収容凹部の内壁面の一部と協働して対応する前記一次側流路と前記二次側流路との連通を遮断するシール面と、前記一次側流路と前記バルブシートの流通流路とを接続する迂回流路とを有する、構成を採用できる。
さらに好適には、前記一次側流路の各々は、前記バルブボディの底面で開口し、前記二次側流路の各々は、前記バルブボディ内で複数に分岐する複数の分岐流路を含み、前記複数の分岐流路の各々は、前記バルブボディの上面、底面および側面のいずれかで開口している、構成を採用できる。
さらに好適には、前記二次側流路と前記連通流路とは、前記バルブボディの長手方向に延在し、かつ、共通の軸線上に形成されている、構成を採用できる。また、前記第1の収容凹部に一端部が接続された二次側流路は、他端部が前記バルブボディ内で閉塞し、前記第2の収容凹部に一端部が接続された二次側流路は、他端部が前記バルブボディの側面で開口している、構成とすることも可能である。
上記のバルブ装置を含む、流量制御装置である。
本発明の流量制御方法は、プロセスガスの流量制御に上記構成のバルブ装置を用いる、流量制御方法である。
前記複数の流体機器は、上記のバルブ装置を含む。
前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
前記流体機器は、上記のバルブ装置を含む。
また、本発明によれば、連通流路により第1および第2の二次側流路を互いに連通させることで、各一次側流路からそれぞれ流入する流体を、第1および第2のバルブ要素を通じて、第1の収容凹部に接続された二次側流路と第2の収容凹部に接続された二次側流路の両方に流すことができ、各一次側流路からの流体を多数に分流できるとともにバルブボディの小型化も可能となる。
また、本発明によれば、プロセスガスとパージガスを切り替えるバルブ要素が複数の流体制御装置のラインについて共用されて、流体制御装置のバルブ要素の総数を削減し、低コスト化が可能となる。
また、本発明によれば、第1および第2のバルブ要素のいずれを通じて流体を流通させた場合であっても、各二次側流路と連通流路の全てにガスが流れるため、滞留部の形成を最小限に抑えることができ、流体の置換性を大幅に改善することが可能となる。
図1A~図1Eは本発明の一実施形態に係るバルブ装置の構造を示し、図2はバルブ装置の要部を示し、図3Aおよび図3Bはバルブ装置の動作を示す。図4はインナーディスク、図5はバルブシートおよび図6はバルブシートサポートの断面構造を示している。
図1A~図3Bにおいて、図中の矢印A1,A2は上下方向であってA1が上方向、A2が下方向を示すものとする。矢印B1,B2は、バルブ装置1のバルブボディ20の長手方向であって、B1が一端側、B2が他端側を示すものとする。C1,C2は、バルブボディ20の長手方向B1,B2に直交する幅方向を示し、C1が前面側、C2が背面側を示すものとする。
図2等からわかるように、収容凹部22は、直径の異なる内周面22a,22b,22cと底面22dとで構成されている。内周面22a,22b,22cは、この順に直径が小さくなっている。
バルブボディ20は、前記第1および第2の収容凹部22A,22Bにそれぞれ接続された一次側流路21A,21Bと、収容凹部22A,22Bにそれぞれ接続された二次側流路24A,24Bと、収容凹部22Aと収容凹部22Bとを接続する連通流路24Cとを画定する。連通流路24Cは、後述するように、二次側流路24の一部として機能する。一次側流路21A,21Bは、ガス等の流体が外部から供給される側の流路である。二次側流路24は、一次側流路21A,21Bからバルブ要素2A,2B通じて流入するガス等の流体を外部へ流出させる流路である。
一次側流路21Bは、バルブボディ20の底面20f2に対して一次側流路21Aとは逆向きに傾斜して形成され、一端が収容凹部22Bに底面22dで接続され、他端が底面20f2で開口している。
一次側流路21A,21Bの開口の周囲には、シール保持部21a,21bがそれぞれ形成されている。シール保持部21a,21bには、シール部材としてガスケットが配置される。バルブボディ20は図示しない他の流路ブロックとねじ穴20h1,20h2に締結ボルトをねじ込むことで連結される。この際に、シール保持部21a,21bに保持部されたガスケットは、図示しない他の流路ブロックとの間で締結ボルトの締結力で押し潰されるので、一次側流路21A,21Bの開口の周囲はシールされる。
(1)軟質ガスケット
・ゴムOリング
・ゴムシート(全面座用)
・ジョイントシート
・膨張黒鉛シート
・PTFEシート
・PTFEジャケット形
(2)セミメタルガスケット
・うず巻形ガスケット(Spiral-wound gaskets)
・メタルジャケットガスケット
(3)メタルガスケット
・金属平形ガスケット
・メタル中空Oリング
・リングジョイント
なお、後述する分岐流路25,26の開口の周囲に設けられたシール保持部25a1,26b1も同様であり詳細説明は省略する。
二次側流路24A,24Bと連通流路24Cとは、バルブボディ20の長手方向B1,B2に延びる共通の軸線J1上に形成されている。
二次側流路24Aは、一端が収容凹部22Aの内周面22bで開口し、他端24a1はバルブボディ20の内部で閉塞している。
二次側流路24Bは、一端が収容凹部22Bの内周面22bで開口し、他端24b1は側面20f6側で開口している。
二次側流路24Bの側面20f6の開口には、溶接等の手段により、閉塞部材30が設けられ、二次側流路24Bの開口は閉塞されている。
連通流路24Cは、一端が収容凹部22Aの内周面22bで開口し、他端が収容凹部22Bの内周面22bで開口している。連通流路24Cを介して二次側流路24Aと二次側流路24Bとは連通している。
二次側流路24を構成する二次側流路24A,24Bおよび連通流路24Cは、ドリル等の工具を用いて容易に加工できる。なお、二次側流路24はバルブボディ20の他端からドリル等を用いて切削加工しても良いし、一端、及び他端 の両方からドリル等を用いて切削加工を行い、バルブボディ20内で連通させても良い。
二次側流路24Aは、他端24a1で2本の分岐流路25に分岐し、上面20f1で開口している。
二次側流路24Bは、中途で2本の分岐流路26に分岐し、上面20f1で開口している。
すなわち、本実施形態に係るバルブ装置1では、一次側流路21A,21Bにそれぞれ流入するガス等の流体を、二次側流路24の分岐流路25,26により4つに分流することができる。
収容凹部22A,22B内には、内周面22cと嵌合する外径をもつバルブシートサポート50がそれぞれ挿入されている。バルブシートサポート50は、図6に示すように、円柱状の金属製部材であり、中心部に貫通孔からなる迂回流路50aが形成され、上端面に迂回流路50aを中心とする環状の支持面50f1が形成されている。バルブシートサポート50の支持面50f1は、平坦面からなり、その外周部には、段差が形成されている。バルブシートサポート50の外周面50b1は、収容凹部22の内周面22cに嵌る直径を有し、下端側の小径化された外周面50b2との間には段差が存在する。この段差により、円環状の端面50b3が形成されている。外周面50b2には、図2等に示すように、PTFE等の樹脂製のシール部材51が嵌め込まれる。シール部材51は、断面形状が矩形状に形成され、収容凹部22の底面22dとバルブシートサポート50の端面50b3との間で押し潰される寸法を有する。シール部材51が収容凹部22の底面22dとバルブシートサポート50の端面50b3との間で押し潰されると、バルブシートサポート50の外周面50b1と収容凹部22の内周面22cおよび底面22dとの間に樹脂が入り込み、バルブシートサポート50と収容凹部22との間が確実にシールされる。すなわち、シール面としての外周面50b2および端面50b3は、収容凹部22の内周面22cおよび底面22dと協働して、一次側流路21Aと二次側流路24Aとの連通および一次側流路21Bと二次側流路24Bとの連通を遮断する。
バルブシートサポート50の支持面50f1上には、バルブシート16が設けられている。
バルブシート16は、PFA、PTFE等の樹脂で弾性変形可能に形成され図5に示すように、円環状に形成され、一端面に円環状の座面16sが形成され、他端面に円環状のシール面16fが形成されている。座面16sおよびシール面16fの内側には、貫通孔からなる流通流路16aが形成されている。バルブシート16は、その外周側に小径部16b1と大径部16b2とを有し、小径部16b1と大径部16b2との間には段差部が形成されている。
インナーディスク15の平坦面15f2は、収容凹部22の内周面22aと内周面22bとの間に形成された平坦な段差面上に設置される。インナーディスク15の平坦面15f1上には、ダイヤフラム14が設置され、ダイヤフラム14上には、押えリング13が設置される。
ダイヤフラム14は、バルブシート16よりも大きな直径を有し、ステンレス、NiCo系合金などの金属やフッ素系樹脂で球殻状に弾性変形可能に形成されている。ダイヤフラム14は、バルブシート16の座面16sに対して当接離隔可能にバルブボディ20に支持されている。
バルブ要素2Aのダイヤフラム14をダイヤフラム押え12による押圧から開放すると、図3Aに示すように、球殻状に復元する。ダイヤフラム14がバルブシート16の座面16sに押し付けられている状態では、一次側流路21Aと二次側流路24との間の流路は閉鎖された状態にある。バルブ要素2Aのダイヤフラム押え12が上方向A1に移動されると、図3Aに示すように、ダイヤフラム14がバルブシート16の座面16sから離れる。そして、一次側流路21Aから供給されるプロセスガス等の流体G1は、バルブ要素2A側のダイヤフラム14とバルブシート16の座面16sとの間隙を通じて、二次側流路24Aに流入するとともに、連通流路24Cを介して二次側流路24Bにも流入する。流体G1は、最終的には、分岐流路25,26を通じてバルブボディ20の外部に流出する。すなわち、流体G1は4つに分流される。
なお、本実施形態によれば、4つに分流する場合について例示したが、例えば、二次側流路24A,24Bからの分岐数を増やせば、さらに多数に分流することが容易に可能である。好適には、後述の処理チャンバ800に送出されるキャリアガスのラインの本数と同じ数の分岐数とすることが望ましい。
また、流体G1,G2のいずれを流通させた場合にも、二次側流路24A,24Bおよび連通流路24Cの全てに流れが発生するため液だまりを生じる流路が存在せず、ガスの置換性に極めて優れている。
特に、バルブボディ20を一体として形成したため、連通流路24Cの体積を小さくでき、各分流先についてのガス切り替え時の応答の差異を最小限に抑えることができる。
上記実施形態では、インナーディスク15とバルブシート16とを別部材としたが、インナーディスク15とバルブシート16とを一体化することも可能である。
図7に示す流体制御装置には、幅方向W1,W2に沿って配列され長手方向G1,G2に延びる金属製のベースプレートBSが設けられている。なお、W1は正面側、W2は背面側,G1は上流側、G2は下流側の方向を示している。ベースプレートBSには、複数の流路ブロック992を介して各種流体機器991A~991Eが設置され、複数の流路ブロック992によって、上流側G1から下流側G2に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
半導体製造装置1000は、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition 法)による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、600はプロセスガス供給源、700はガスボックス、710はタンク、800は処理チャンバ、900は排気ポンプを示している。図7に示した流体制御装置は、ガスボックス700内に収容される。
基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、処理ガスを安定的に供給するためにガスボックス700から供給される処理ガスをバッファとしてのタンク710に一時的に貯留し、処理チャンバ800の直近に設けられたバルブ720を高頻度で開閉させてタンクからの処理ガスを真空雰囲気の処理チャンバへ供給する。
ALD法は、化学気相成長法の1つであり、温度や時間等の成膜条件の下で、2種類以上の処理ガスを1種類ずつ基板表面上に交互に流し、基板表面上原子と反応させて単層ずつ膜を堆積させる方法であり、単原子層ずつ制御が可能である為、均一な膜厚を形成させることができ、膜質としても非常に緻密に膜を成長させることができる。
ALD法による半導体製造プロセスでは、処理ガスの流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化等により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
流体制御装置を内蔵するガスボックス700は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ800に供給する。タンク710は、ガスボックス700から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。
処理チャンバ800は、ALD法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ900は、処理チャンバ800内を真空引きする。
2A,2B バルブ要素
10 アクチュエータ
11 ケーシング
12 ダイヤフラム押え
13 押えリング
14 ダイヤフラム
15 インナーディスク
15h 流路
16 バルブシート
16a 流通流路
16f シール面
16s 座面
20 バルブボディ
20f1 上面
20f2 底面
20f3~20f6 側面
20h1,20h2 ねじ穴
21A,21B,21 一次側流路
21a,21b シール保持部
22A,22B,22 収容凹部
24A,24B,24 二次側流路
24C 連通流路(二次側流路)
25,26 分岐流路
30 閉塞部材
50 バルブシートサポート
50a 迂回流路
50f1 支持面
50b2,50b3 シール面
51 シール部材
600 プロセスガス供給源
700 ガスボックス
710 タンク
720 バルブ
800 処理チャンバ
900 排気ポンプ
1000 半導体製造装置
A1 上方向
A2 下方向
J1 軸線
Claims (14)
- ブロック状のバルブボディを有するバルブ装置であって、
前記バルブボディは、対向する上面および底面、前記上面および底面の間で延びる側面を画定するとともに、第1および第2のバルブ要素がそれぞれ内蔵される第1および第2の収容凹部と、前記第1および第2の収容凹部をそれぞれ前記バルブボディの外部と連通させる一次側流路と、前記第1および第2の収容凹部をそれぞれ前記バルブボディの外部と連通させる二次側流路と、前記第1および第2の収容凹部を接続して前記二次側流路の各々を互いに連通させる連通流路を画定し、
前記第1および第2のバルブ要素の各々は、前記第1および第2の収容凹部に接続された前記一次側流路の各々と前記各二次側流路との連通状態を選択的に切り換えるものであり、
当該第1および第2のバルブ要素の各々は、
一端面に形成された環状の座面と、他端面に形成された環状のシール面と、前記座面およびシール面の内側に形成され前記一端面および他端面を貫通する流通流路と、を有するバルブシートと、
前記バルブシートのシール面が当接し当該シール面からの押圧力を支持する支持面を有するバルブシートサポートと、
前記バルブシートの座面に当接および離隔可能に設けられたダイヤフラムと、を有し、
前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムと前記バルブシートの座面との間隙を通じて、前記バルブシートの流通流路と対応する前記二次側流路とを連通させ、
前記バルブシートサポートは、対応する前記収容凹部の内壁面の一部と協働して対応する前記一次側流路と前記二次側流路との連通を遮断するシール面と、前記一次側流路と前記バルブシートの流通流路とを接続する迂回流路とを有する、バルブ装置。 - 前記一次側流路の各々は、前記バルブボディの底面で開口し、
前記二次側流路の各々は、前記バルブボディ内で複数に分岐する複数の分岐流路を含み、
前記複数の分岐流路の各々は、前記バルブボディの上面、底面および側面のいずれかで開口している、請求項1に記載のバルブ装置。 - 前記二次側流路と前記連通流路とは、前記バルブボディの長手方向に延在し、かつ、共通の軸線上に形成されている、請求項1又は2に記載のバルブ装置。
- 前記第1の収容凹部に一端部が接続された二次側流路は、他端部が前記バルブボディ内で閉塞し、
前記第2の収容凹部に一端部が接続された二次側流路は、他端部が前記バルブボディの側面で開口している、請求項3に記載のバルブ装置。 - 前記第1および第2の収容凹部の各々の内壁面の一部と前記バルブシートサポートのシール面との間に設けられたシール部材をさらに有する、請求項1ないし4のいずれかに記載のバルブ装置。
- 前記シール部材は、前記バルブシートからの押圧力を受けて、前記収容凹部の内壁面の一部と前記バルブシートサポートとの間で押し潰されるように形成されている、請求項5に記載のバルブ装置。
- 前記バルブシートを前記バルブシートサポートの支持面に対して位置決めし、かつ当該さらに有し、
前記位置決め押圧部材は、前記ダイヤフラムと前記座面との間の間隙を介して前記バルブシートの流通流路と前記二次側流路とを連通させる流路を有する、請求項1~6に記載のバルブ装置。 - 前記位置決め押圧部材は、前記バルブボディと前記ダイヤフラムとの間に設けられている、請求項7に記載のバルブ装置。
- 前記ダイヤフラムを駆動するアクチュエータをさらに有し、
前記アクチュエータを収容するケーシングが前記バルブボディにねじ込まれ、
前記位置決め押圧部材は、前記ケーシングのねじ込み力を利用して前記バルブシートを前記バルブシートサポートの支持面に向けて押圧する、請求項7又は8に記載のバルブ装置。 - 流体の流量を制御する流量制御装置であって、
請求項1~9のいずれかに記載のバルブ装置を含む、流量制御装置。 - 流体の流量制御に請求項1~9のいずれかに記載のバルブ装置を用いた流量制御方法。
- 複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、請求項1~9のいずれかに記載のバルブ装置を含む、流体制御装置。 - 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に請求項1~9のいずれかに記載のバルブ装置を用いる、半導体製造方法。
- 処理チャンバにプロセスガスを供給する流体制御装置を有し、
前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
前記流体機器は、請求項1~9のいずれかに記載のバルブ装置を含む、半導体製造装置。
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