JP7237370B2 - バルブ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、バルブ装置、流体制御装置、流体制御方法、半導体製造装置及び半導体製造方法に関する。
例えば、半導体製造工程においては、半導体製造装置のチャンバに対して、各種のプロセスガスの供給を制御する流体制御装置が用いられる。例えば、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）等においては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより正確な流量で安定的に供給可能でかつ小型化された流体制御装置が求められている。
引用文献１は、上記のような流体制御装置に用いられるダイヤフラム弁を開示している。このダイヤフラム弁は、ボディに着脱可能に配置されたシートと、このシートをボディ上に拘束するシートホルダを備える。このシートホルダは、シートをボディ上に拘束することに加え、ダイヤフラムの周縁部を支持する役割を果たしている。
引用文献１は、上記のような流体制御装置に用いられるダイヤフラム弁を開示している。このダイヤフラム弁は、ボディに着脱可能に配置されたシートと、このシートをボディ上に拘束するシートホルダを備える。このシートホルダは、シートをボディ上に拘束することに加え、ダイヤフラムの周縁部を支持する役割を果たしている。
引用文献１に開示したようなダイヤフラム弁では、バルブ毎に流量のばらつきが比較的大きいという問題が存在した。
本発明の目的の一つは、上述の事情に鑑みてされたものであり、より正確な流量で安定的に供給可能で、装置間で流量のばらつきが抑制されたバルブ装置、そのバルブ装置を用いた流体制御装置、流体制御方法、半導体製造装置及び半導体製造方法を提供することにある。
本発明の目的の一つは、上述の事情に鑑みてされたものであり、より正確な流量で安定的に供給可能で、装置間で流量のばらつきが抑制されたバルブ装置、そのバルブ装置を用いた流体制御装置、流体制御方法、半導体製造装置及び半導体製造方法を提供することにある。
本発明のバルブ装置は、第１の流路及び第２の流路を画定する金属合金製のバルブボディと、
前記バルブボディ上の前記第１の流路の開口周囲に配置されるバルブシートと、
前記バルブシートと係合することにより当該バルブシートを前記バルブボディ上に拘束する内側環状部、前記内側環状部の外周側に配置されかつ前記バルブボディに接触する外側環状部および前記内側環状部と前記外側環状部とを接続しかつ前記第２の流路と連通する複数の開口をもつ接続部を有する金属合金製のインナーディスクと、
周縁部が前記外側環状部に接触し、かつ、前記インナーディスクおよび前記バルブシートを覆うように設けられ、前記バルブシートに対して接触しない開位置及び接触する閉位置の間で移動することにより前記第1の流路と前記第２の流路との連通及び遮断を行う金属合金製のダイヤフラムと、
前記外側環状部と前記ダイヤフラムとの間および前記外側環状部と前記バルブボディとの間をシールすべく、前記ダイヤフラムの周縁部の前記外側環状部の側とは反対側の面を当該外側環状部に向けて押圧する押えアダプタと、を有し、
前記インナーディスクは、前記バルブシートよりも高い硬度を有し、前記バルブボディおよび前記ダイヤフラムの双方よりも低い硬度を有する。
前記バルブボディ上の前記第１の流路の開口周囲に配置されるバルブシートと、
前記バルブシートと係合することにより当該バルブシートを前記バルブボディ上に拘束する内側環状部、前記内側環状部の外周側に配置されかつ前記バルブボディに接触する外側環状部および前記内側環状部と前記外側環状部とを接続しかつ前記第２の流路と連通する複数の開口をもつ接続部を有する金属合金製のインナーディスクと、
周縁部が前記外側環状部に接触し、かつ、前記インナーディスクおよび前記バルブシートを覆うように設けられ、前記バルブシートに対して接触しない開位置及び接触する閉位置の間で移動することにより前記第1の流路と前記第２の流路との連通及び遮断を行う金属合金製のダイヤフラムと、
前記外側環状部と前記ダイヤフラムとの間および前記外側環状部と前記バルブボディとの間をシールすべく、前記ダイヤフラムの周縁部の前記外側環状部の側とは反対側の面を当該外側環状部に向けて押圧する押えアダプタと、を有し、
前記インナーディスクは、前記バルブシートよりも高い硬度を有し、前記バルブボディおよび前記ダイヤフラムの双方よりも低い硬度を有する。
好適には、前記バルブボディ、ダイヤフラムおよびインナーディスクのうち、前記インナーディスクのみ、または、実質的に前記インナーディスクのみに前記押えアダプタによる押圧による塑性変形が生じる。
好適には、前記ダイヤフラムは、前記バルブボディよりも硬度が低く、
前記インナーディスクは、前記ダイヤフラムよりも硬度が低い。
前記インナーディスクは、前記ダイヤフラムよりも硬度が低い。
より好適には、前記インナーディスクは、硬度がＨｖ９０～Ｈｖ１５０の範囲にあり、
前記ボディは、硬度がＨｖ２００以上であり、
前記ダイヤフラムは、硬度がＨｖ４００～Ｈｖ７００の範囲にある。
前記ボディは、硬度がＨｖ２００以上であり、
前記ダイヤフラムは、硬度がＨｖ４００～Ｈｖ７００の範囲にある。
好適には、前記インナーディスクの外側環状部は、前記ダイヤフラムと接触する環状の第１の接触端面部と、前記バルブボディと接触する環状の第２の接触端面部とを有し、
前記インナーディスクの外側環状部は、塑性変形を受ける前の状態において、前記第２の接触端面部の面積が、前記第１の接触端面部の面積よりも小さくなるように形成されている、構成を採用できる。この場合に、前記インナーディスクの外側環状部は、塑性変形を受ける前の状態において、前記第２の接触端面部の半径方向の幅が、前記第１の接触端面部の半径方向の幅よりも小さくなるように形成されている、構成とすることができる。
前記インナーディスクの外側環状部は、塑性変形を受ける前の状態において、前記第２の接触端面部の面積が、前記第１の接触端面部の面積よりも小さくなるように形成されている、構成を採用できる。この場合に、前記インナーディスクの外側環状部は、塑性変形を受ける前の状態において、前記第２の接触端面部の半径方向の幅が、前記第１の接触端面部の半径方向の幅よりも小さくなるように形成されている、構成とすることができる。
本発明の流体制御装置は、上流側から下流側に向かって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、上記のバルブ装置を含む流体制御装置である。
本発明の流体制御方法は、上記のバルブ装置を用いて、流体の流量を調整する流体制御方法である。
本発明の半導体製造装置は、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制御に上記のバルブ装置を用いる半導体製造装置である。
本発明の半導体製造方法は、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上記のバルブ装置を用いる半導体製造方法である。
本発明によれば、より安定的に流量を制御することができる。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。説明において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
先ず、図９を参照して、本発明が適用される流体制御装置の一例を説明する。
図９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。
先ず、図９を参照して、本発明が適用される流体制御装置の一例を説明する。
図９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。
ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。
本発明は、上記した開閉弁９９１Ａ、９９１Ｄ、レギュレータ９９１Ｂ等の種々のバルブ装置に適用可能であるが、本実施形態では、開閉弁（３方弁）に適用する場合を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る閉状態におけるバルブ装置１の構成を示す断面図である。図２は、図１のバルブ装置１における、閉状態を示す要部拡大断面図である。図３は、図１のバルブ装置１における、開状態を示す要部拡大断面図である。
図１に示すように、バルブ装置１は、ケーシング６と、ボンネット５と、ボンネットナット８と、バルブボディ２と、インナーディスク３と、バルブシート４８と、ダイヤフラム４１と、押えアダプタ４３と、ダイヤフラム押え４２と、ステム４４と、コイルばね４５とを有している。なお、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。
バルブボディ２は、ステンレス鋼により形成されており、上面２ａ、これに対向する底面２ｂ、互いに対向する側面２ｃ及び２ｄを画定している。バルブボディ２は第１の流路２１及び第２の流路２２、２３を画定している。第１の流路２１及び第２の流路２２，２３はバルブボディの底面２ｂでそれぞれ開口している。なお、バルブ装置１は、第１の流路２１と第２の流路２２，２３とを連通および遮断する三方弁であるが、本発明はこれに限定されるわけではなく、二方弁にも当然適用可能である。
図１に示すように、バルブ装置１は、ケーシング６と、ボンネット５と、ボンネットナット８と、バルブボディ２と、インナーディスク３と、バルブシート４８と、ダイヤフラム４１と、押えアダプタ４３と、ダイヤフラム押え４２と、ステム４４と、コイルばね４５とを有している。なお、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。
バルブボディ２は、ステンレス鋼により形成されており、上面２ａ、これに対向する底面２ｂ、互いに対向する側面２ｃ及び２ｄを画定している。バルブボディ２は第１の流路２１及び第２の流路２２、２３を画定している。第１の流路２１及び第２の流路２２，２３はバルブボディの底面２ｂでそれぞれ開口している。なお、バルブ装置１は、第１の流路２１と第２の流路２２，２３とを連通および遮断する三方弁であるが、本発明はこれに限定されるわけではなく、二方弁にも当然適用可能である。
図２および図３に示すように、バルブボディ２は、上面２ａから上方向Ａ１に向けて延在する円筒部２４を画定している。円筒部２４の外周には、ボンネットナット８が螺合するねじ部２５が形成されている。円筒部２４の内周側は、バルブシート４８、インナーディスク３およびダイヤフラム４１を収容する弁室Ｃ１を画定している。弁室Ｃ１の底面２７には、環状溝２６が形成され、流路２２，２３の一端部と連通している。
ケーシング６は、ダイヤフラム４１を操作する図示しないアクチュエータを内蔵し、このアクチュエータは、ボンネット５に固定されているとともにアクチュエータの可動部が上下方向Ａ１，Ａ２に延びるステム４４と接続されている。アクチュエータは、圧縮エア等の駆動ガスで駆動されるものが使用されるが、これに限定されるわけではない。
ボンネット５の下端部の外周面５ａは、バルブボディ２の円筒部２４の内周に嵌合しており、ボンネット５の環状の下端面５ｂは、押えアダプタ４３の上面に接触している。ボンネット５は、バルブボディ２の円筒部２４のねじ部２５に螺合するボンネットナット８を締付けることにより、ボンネットナット８がボンネット５の突出部５ｔに係合し、ボンネット５が下方向Ａ２に押圧される。ボンネット５の環状の下端面５ｂとバルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７との間には、ダイヤフラム４１の周縁部とインナーディスク３の外側環状部３１とが介在している。なお、本実施形態では、押えアダプタ４３とボンネット５とを別体としたが、ボンネットと押さえアダプタとを一体的に形成してもよい。
ボンネット５の下端部の外周面５ａは、バルブボディ２の円筒部２４の内周に嵌合しており、ボンネット５の環状の下端面５ｂは、押えアダプタ４３の上面に接触している。ボンネット５は、バルブボディ２の円筒部２４のねじ部２５に螺合するボンネットナット８を締付けることにより、ボンネットナット８がボンネット５の突出部５ｔに係合し、ボンネット５が下方向Ａ２に押圧される。ボンネット５の環状の下端面５ｂとバルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７との間には、ダイヤフラム４１の周縁部とインナーディスク３の外側環状部３１とが介在している。なお、本実施形態では、押えアダプタ４３とボンネット５とを別体としたが、ボンネットと押さえアダプタとを一体的に形成してもよい。
ステム４４は、ボンネット５の内部において、コイルばね４５により、ボンネット５に対して下方向Ａ２、つまりダイヤフラム４１を閉位置に移動させる方向に付勢されている。
ステム４４は、下端部に形成された凹部４４ａにダイヤフラム押え４２が嵌め込まれている。ダイヤフラム押え４２は、ダイヤフラム４１の中央部上面に当接するポリイミド等の合成樹脂製である。本実施形態では、コイルばね４５を使用しているが、これに限定されるわけではなく、皿ばねや板バネ等の他の種類の弾性部材を使用することができる。
バルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７には、流路２１の開口の周囲に円環状の突起２ｋが形成され、これにバルブシート４８の内周が嵌合することで、弁室Ｃ１の底面２７上に位置決めされている。バルブシート４８は、ＰＦＡ、ＰＡ、ＰＩ、ＰＴＦＥ等の樹脂製であるが、後述するように、インナーディスク３よりも軟らかい金属であってもよい。
ステム４４は、下端部に形成された凹部４４ａにダイヤフラム押え４２が嵌め込まれている。ダイヤフラム押え４２は、ダイヤフラム４１の中央部上面に当接するポリイミド等の合成樹脂製である。本実施形態では、コイルばね４５を使用しているが、これに限定されるわけではなく、皿ばねや板バネ等の他の種類の弾性部材を使用することができる。
バルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７には、流路２１の開口の周囲に円環状の突起２ｋが形成され、これにバルブシート４８の内周が嵌合することで、弁室Ｃ１の底面２７上に位置決めされている。バルブシート４８は、ＰＦＡ、ＰＡ、ＰＩ、ＰＴＦＥ等の樹脂製であるが、後述するように、インナーディスク３よりも軟らかい金属であってもよい。
インナーディスク３は、弁室Ｃ１内に配置され、図４Ａ，４Ｂに示すように、内側環状部３２、外側環状部３１及び接続部３７を有している。インナーディスク３は、ステンレス合金等の金属材料で形成されている。
内側環状部３２は第１の流路２１の開口周囲に配置され、開口３３を有している。外側環状部３１は内側環状部３２と同心の環状形状である。接続部３７は、第２の流路２２と連通する複数の開口３４を有し内側環状部３２と外側環状部３１とを接続する。
外側環状部３１の外周面は、バルブボディ２の円筒部２４の内周面に嵌合している。外側環状部３１の上側の環状の第１の接触端面部３１ｆ１は、ダイヤフラム４１の周縁部の下面と接触する。外側環状部３１の下側の環状の第２の接触端面部３１ｆ２は、バルブボディ２の弁室Ｃ１の平坦な底面２７に接触する。
内側環状部３２の開口３３の内周面の形状と、バルブシート４８の外周面の形状とは合致するように形成されており、バルブボディ２の弁室Ｃ１の平坦な底面２７に位置決めされたバルブシート４８の外周面に内側環状部３２の開口３３の内周面が上方から嵌ることで、バルブシート４８は内側環状部３２により底面２７に押さえつけられて底面２７に拘束される。
内側環状部３２は第１の流路２１の開口周囲に配置され、開口３３を有している。外側環状部３１は内側環状部３２と同心の環状形状である。接続部３７は、第２の流路２２と連通する複数の開口３４を有し内側環状部３２と外側環状部３１とを接続する。
外側環状部３１の外周面は、バルブボディ２の円筒部２４の内周面に嵌合している。外側環状部３１の上側の環状の第１の接触端面部３１ｆ１は、ダイヤフラム４１の周縁部の下面と接触する。外側環状部３１の下側の環状の第２の接触端面部３１ｆ２は、バルブボディ２の弁室Ｃ１の平坦な底面２７に接触する。
内側環状部３２の開口３３の内周面の形状と、バルブシート４８の外周面の形状とは合致するように形成されており、バルブボディ２の弁室Ｃ１の平坦な底面２７に位置決めされたバルブシート４８の外周面に内側環状部３２の開口３３の内周面が上方から嵌ることで、バルブシート４８は内側環状部３２により底面２７に押さえつけられて底面２７に拘束される。
ダイヤフラム４１は、その周縁部が、インナーディスク３の外側環状部３１の第１の接触端面部３１ｆ１と接触し、インナーディスク３およびバルブシート４８を覆い、流路２１と流路２２，２３とを連通させる流路を画定する。ダイヤフラム４１は、バルブシート４８に対して接触する閉位置及び非接触の開位置の間で移動することにより第１の流路２１と第２の流路２２，２３との連通及び遮断を行う。ダイヤフラム４１は、例えば、ニッケル合金薄板からなるものとされ、円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させた逆皿形に形成される。ダイヤフラムは、例えば、ステンレス鋼薄板からなるものや、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板との積層体よりなるものとしてもよい。また、ダイヤフラム４１は、１枚であっても、複数枚を重ねた積層体であってもよく、仕様や条件などによって自由に選択することができる。
ダイヤフラム押え４２は、コイルばね４５の復元力により常時下方向Ａ２に付勢されており、図２に示したように、ダイヤフラム４１は中心部付近をダイヤフラム押え４２により押圧されることで変形し、バルブシート４８に押し付けられた状態となる。これにより、第１の流路２１と、第２の流路２２，２３との間の流路は閉鎖される。
図示しないアクチュエータを駆動して、ステム４４を上方向Ａ１に移動させると、図３に示すように、ダイヤフラム４１は、バルブシート４８から離れる。これにより、流路２１と流路２２，２３との間の流路は開放され、流路２１と流路２２，２３とが連通する。
ダイヤフラム押え４２は、コイルばね４５の復元力により常時下方向Ａ２に付勢されており、図２に示したように、ダイヤフラム４１は中心部付近をダイヤフラム押え４２により押圧されることで変形し、バルブシート４８に押し付けられた状態となる。これにより、第１の流路２１と、第２の流路２２，２３との間の流路は閉鎖される。
図示しないアクチュエータを駆動して、ステム４４を上方向Ａ１に移動させると、図３に示すように、ダイヤフラム４１は、バルブシート４８から離れる。これにより、流路２１と流路２２，２３との間の流路は開放され、流路２１と流路２２，２３とが連通する。
上記構造のバルブ装置１では、ダイヤフラム４１の周縁部とインナーディスク３の外側環状部３１との間およびインナーディスク３の外側環状部３１とバルブボディ２との間を確実にシールするために、ボンネットナット８を締め付けてボンネット５の下端面５ｂから押えアダプタ４３を下方向Ａ２に押す力を作用させ、押えアダプタ４３でダイヤフラム４１の周縁部の外側環状部３１の側とは反対側の面を外側環状部３１に向けて押圧する。
この結果、ダイヤフラム４１とインナーディスク３との間およびバルブボディ２とインナーディスク３との間に生じる塑性変形により、各部材間が密接してシールされる。
この結果、ダイヤフラム４１とインナーディスク３との間およびバルブボディ２とインナーディスク３との間に生じる塑性変形により、各部材間が密接してシールされる。
外側環状部の構造
図５に図４Ｂの円Ａ内の拡大断面図を示す。
図５に示すように、インナーディスク３の外側環状部３１は、上端側にダイヤフラム４１の周縁部と接触する環状の平坦面からなる第１の接触端面部３１ｆ１と、下端側にバルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７に接触する環状の平坦面からなる第２の接触端面部３１ｆ２とを有する。インナーディスク３は、第１の接触端面部３１ｆ１においてのみダイヤフラム４１と接触し、ダイヤフラム４１は第１の接触端面部３１ｆ１によって支持されている。インナーディスク３は、第２の接触端面部３１ｆ２においてのみバルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７と接触している。インナーディスク３の内側環状部３２は、バルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７とは接触していない。
重要な点は、第２の接触端面部３１ｆ２の半径方向の幅Ｘ２は、第１の接触端面部３１ｆ１の半径方向の幅Ｘ１よりも小さくなるように形成されていることである。本実施形態では、第２の接触端面部３１ｆ２は、上下方向Ａ１，Ａ２において、第１の接触端面部３１ｆ１の直下に位置しているので、第２の接触端面部３１ｆ２の総面積は、第１の接触端面部３１ｆ１の総面積よりも小さい。
なお、第２の接触端面部３１ｆ２が第１の接触端面部３１ｆ１に対して内周寄り又は外周よりに位置していてもよいが、第２の接触端面部３１ｆ２の総面積が第１の接触端面部３１ｆ１の総面積よりも小さくなるように形成されている必要がある。
外側環状部３１に、図５の構造を採用した理由については後述する。
図５に図４Ｂの円Ａ内の拡大断面図を示す。
図５に示すように、インナーディスク３の外側環状部３１は、上端側にダイヤフラム４１の周縁部と接触する環状の平坦面からなる第１の接触端面部３１ｆ１と、下端側にバルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７に接触する環状の平坦面からなる第２の接触端面部３１ｆ２とを有する。インナーディスク３は、第１の接触端面部３１ｆ１においてのみダイヤフラム４１と接触し、ダイヤフラム４１は第１の接触端面部３１ｆ１によって支持されている。インナーディスク３は、第２の接触端面部３１ｆ２においてのみバルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７と接触している。インナーディスク３の内側環状部３２は、バルブボディ２の弁室Ｃ１の底面２７とは接触していない。
重要な点は、第２の接触端面部３１ｆ２の半径方向の幅Ｘ２は、第１の接触端面部３１ｆ１の半径方向の幅Ｘ１よりも小さくなるように形成されていることである。本実施形態では、第２の接触端面部３１ｆ２は、上下方向Ａ１，Ａ２において、第１の接触端面部３１ｆ１の直下に位置しているので、第２の接触端面部３１ｆ２の総面積は、第１の接触端面部３１ｆ１の総面積よりも小さい。
なお、第２の接触端面部３１ｆ２が第１の接触端面部３１ｆ１に対して内周寄り又は外周よりに位置していてもよいが、第２の接触端面部３１ｆ２の総面積が第１の接触端面部３１ｆ１の総面積よりも小さくなるように形成されている必要がある。
外側環状部３１に、図５の構造を採用した理由については後述する。
複数のバルブ装置１の間における流量のばらつきを抑制するために、ボンネットナット８の締め付けトルクの管理が従来から行われていた。
しかしながら、ボンネットナット８の締め付けトルクの管理のみでは、複数のバルブ装置１の間における流量のばらつきを十分には抑制できていないのが実状である。
しかしながら、ボンネットナット８の締め付けトルクの管理のみでは、複数のバルブ装置１の間における流量のばらつきを十分には抑制できていないのが実状である。
本発明者らは、複数のバルブ装置１の間における流量のばらつきが発生する原因の一つとして、ダイヤフラム４１とインナーディスク３との間およびバルブボディ２とインナーディスク３との間に生じる塑性変形に着目した。すなわち、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係は、ダイヤフラム４１とインナーディスク３とバルブボディ２との間に生じる塑性変形量および樹脂製のバルブシート４８の変形量によって大きく変わると予測される。各部材のそれぞれに塑性変形が生じる構成では、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係を精密に管理するのは容易ではない。
そこで、本発明者らは、ダイヤフラム４１とインナーディスク３とバルブボディ２のうち、各部材間の相対的な硬度を調整し、インナーディスク３にのみ、または、実質的にインナーディスク３のみに押えアダプタ４３からの押圧力を受けて塑性変形が生じる構成とした。
そこで、本発明者らは、ダイヤフラム４１とインナーディスク３とバルブボディ２のうち、各部材間の相対的な硬度を調整し、インナーディスク３にのみ、または、実質的にインナーディスク３のみに押えアダプタ４３からの押圧力を受けて塑性変形が生じる構成とした。
具体的には、バルブシート４８の硬度をＨ１、インナーディスク３の硬度をＨ２、ダイヤフラム４１の硬度をＨ３、バルブボディ２の硬度をＨ４とすると、下記式（１）を満たすように硬度Ｈ１～Ｈ４を調整した。
Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３，Ｈ４ （１）
より具体的には、バルブシート４８の硬度Ｈ１を、Ｈｖ(３０)～Ｈｖ８０（ビッカースで測定不能なので、ロックウェルからの換算値）、インナーディスク３の硬度Ｈ２をＨｖ９０～Ｈｖ１５０、ダイヤフラム４１の硬度Ｈ３をＨｖ４００～Ｈｖ７００、バルブボディ２の硬度Ｈ４をＨｖ２００～Ｈｖ４００に調整した。
バルブ装置１を組み立てた際に、インナーディスク３のみに塑性変形を生じさせる構成とすることにより、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係に影響を及ぼす要素をインナーディスク３の塑性変形に絞り込み、かつ、インナーディスク３の硬度を精密に管理することで、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係の管理が容易になり、複数のバルブ装置１の間の流量のばらつきを抑制することが可能となる。
次に、外側環状部３１の図５の構造の作用について説明する。
図６および図７に、インナーディスク３の外側環状部３１が押えアダプタ４３からの押圧力を受けて、第２の接触端面部３１ｆ２が塑性変形する例を示す。なお、図６、図７において、第１の接触端面部３１ｆ１における塑性変形は省略している。
インナーディスク３の外側環状部３１は、ダイヤフラム４１の周縁部を介して押えアダプタ４３から力Ｆ１を受けると、第２の接触端面部３１ｆ２は、バルブボディ２の底面２７から反力Ｆ２を受ける。力Ｆ１と反力Ｆ２は向きが逆向きで大きさは同じである。
第２の接触端面部３１ｆ２は反力Ｆ２を受けて塑性変形するが、図６に示すように、外側環状部３１の第２の接触端面部３１ｆ２の一部が内周側および外周側にはみ出すように変形する場合と、図７に示すように、外側環状部３１の第２の接触端面部３１ｆ２の一部が内周側に偏って塑性変形する場合等が想定される。
重要な点は、第１の接触端面部３１ｆ１と第２の接触端面部３１ｆ２とには、逆向きで同じ大きさの力が作用しているが、第２の接触端面部３１ｆ２の総面積が第１の接触端面部３１ｆ１の総面積よりも小さい。したがって、第２の接触端面部３１ｆ２に生じる応力は、第１の接触端面部３１ｆ１に生じる応力よりも大きくなり、第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量は第１の接触端面部３１ｆ１の塑性変形量と比較して相対的に大きくなる。第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形にともなって、バルブシート４８も内側環状部３２によりバルブボディ２の底面２７に向けて押圧され第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量に対応して変形する。第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量を相対的に増加させたとしても、それに応じてバルブシート４８のダイヤフラム４１との接触面の上下方向Ａ１，Ａ２の位置および上下方向Ａ１，Ａ２のダイヤフラム４１の位置も下方向Ａ２に移動する。その結果、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係は維持される。
一方、第１の接触端面部３１ｆ１に生じる応力を相対的に小さくすることで、第１の接触端面部３１ｆ１の塑性変形量は相対的に小さくなり、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係の変動も相対的に小さくなる。
図６および図７に、インナーディスク３の外側環状部３１が押えアダプタ４３からの押圧力を受けて、第２の接触端面部３１ｆ２が塑性変形する例を示す。なお、図６、図７において、第１の接触端面部３１ｆ１における塑性変形は省略している。
インナーディスク３の外側環状部３１は、ダイヤフラム４１の周縁部を介して押えアダプタ４３から力Ｆ１を受けると、第２の接触端面部３１ｆ２は、バルブボディ２の底面２７から反力Ｆ２を受ける。力Ｆ１と反力Ｆ２は向きが逆向きで大きさは同じである。
第２の接触端面部３１ｆ２は反力Ｆ２を受けて塑性変形するが、図６に示すように、外側環状部３１の第２の接触端面部３１ｆ２の一部が内周側および外周側にはみ出すように変形する場合と、図７に示すように、外側環状部３１の第２の接触端面部３１ｆ２の一部が内周側に偏って塑性変形する場合等が想定される。
重要な点は、第１の接触端面部３１ｆ１と第２の接触端面部３１ｆ２とには、逆向きで同じ大きさの力が作用しているが、第２の接触端面部３１ｆ２の総面積が第１の接触端面部３１ｆ１の総面積よりも小さい。したがって、第２の接触端面部３１ｆ２に生じる応力は、第１の接触端面部３１ｆ１に生じる応力よりも大きくなり、第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量は第１の接触端面部３１ｆ１の塑性変形量と比較して相対的に大きくなる。第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形にともなって、バルブシート４８も内側環状部３２によりバルブボディ２の底面２７に向けて押圧され第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量に対応して変形する。第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量を相対的に増加させたとしても、それに応じてバルブシート４８のダイヤフラム４１との接触面の上下方向Ａ１，Ａ２の位置および上下方向Ａ１，Ａ２のダイヤフラム４１の位置も下方向Ａ２に移動する。その結果、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係は維持される。
一方、第１の接触端面部３１ｆ１に生じる応力を相対的に小さくすることで、第１の接触端面部３１ｆ１の塑性変形量は相対的に小さくなり、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係の変動も相対的に小さくなる。
外側環状部３１の第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量が相対的に増加すると、バルブボディ２の底面２７と第２の接触端面部３１ｆ２との密着性が増し、第２の接触端面部３１ｆ２と底面２７との間のシール性が改善される。
外側環状部３１の第１の接触端面部３１ｆ１の塑性変形量が相対的に減少したとしても、押えアダプタ４３の押圧力は、第１の接触端面部３１ｆ１を通じてインナーディスク３に作用するため、ダイヤフラム４１と第１の接触端面部３１ｆ１との間のシール性が著しく低下することはない。
外側環状部３１の第１の接触端面部３１ｆ１の塑性変形量が相対的に減少したとしても、押えアダプタ４３の押圧力は、第１の接触端面部３１ｆ１を通じてインナーディスク３に作用するため、ダイヤフラム４１と第１の接触端面部３１ｆ１との間のシール性が著しく低下することはない。
本実施形態によれば、バルブ装置１の組み立て時に塑性変形を受ける部材を各部材間の相対的な硬度を調整することでインナーディスク３のみに絞り、なおかつ、インナーディスク３の硬度を正確に管理することで、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係を容易にかつより正確に管理することが可能となる。この結果、複数のバルブ装置１の間で生じる流量のばらつきを抑制することが可能となる。
また、本実施形態によれば、インナーディスク３の外側環状部３１の第１の接触端面部３１ｆ１と第２の接触端面部３１ｆ２の相対的な面積を調整することで、第１の接触端面部３１ｆ１と第２の接触端面部３１ｆ２に生じる応力を調整し、第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量を相対的に増加させることが可能となる。この結果、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係の変動を抑えつつ、第２の接触端面部３１ｆ２とバルブボディ２との間のシール性を改善できる。
また、本実施形態によれば、インナーディスク３の外側環状部３１の第１の接触端面部３１ｆ１と第２の接触端面部３１ｆ２の相対的な面積を調整することで、第１の接触端面部３１ｆ１と第２の接触端面部３１ｆ２に生じる応力を調整し、第２の接触端面部３１ｆ２の塑性変形量を相対的に増加させることが可能となる。この結果、ダイヤフラム４１とバルブシート４８との相対的な位置関係の変動を抑えつつ、第２の接触端面部３１ｆ２とバルブボディ２との間のシール性を改善できる。
次に、図８を参照して、上記したバルブ装置１の適用例について説明する。
図８に示す半導体製造装置９８０は、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス、９８３はタンク、９８４は制御部、９８５は処理チャンバ、９８６は排気ポンプを示している。
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、基板の大口径化により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
ガスボックス９８２は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ９８５に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体制御機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク９８３は、ガスボックス９８２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。
制御部９８４は、バルブ装置１への操作ガスの供給制御による流量調整制御を実行する。
処理チャンバ９８５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９８６は、処理チャンバ９８５内を真空引きする。
図８に示す半導体製造装置９８０は、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス、９８３はタンク、９８４は制御部、９８５は処理チャンバ、９８６は排気ポンプを示している。
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、基板の大口径化により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
ガスボックス９８２は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ９８５に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体制御機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク９８３は、ガスボックス９８２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。
制御部９８４は、バルブ装置１への操作ガスの供給制御による流量調整制御を実行する。
処理チャンバ９８５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９８６は、処理チャンバ９８５内を真空引きする。
上記のようなシステム構成によれば、処理チャンバに正確な流量のプロセスガスを安定供給できるため、ウエハを均一に成膜できる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。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。例えば、上記適用例では、バルブ装置１をＡＬＤ法による半導体製造プロセスに用いる場合について例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は、例えば原子層エッチング法（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ 法）等、精密な流量調整が必要なあらゆる対象に適用可能である。
上記実施形態では、アクチュエータとして、ガス圧で作動するシリンダに内蔵されたピストンを用いたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、制御対象に応じて最適なアクチュエータを種々選択可能である。
上記実施形態では、バルブ装置１を流体制御装置としてのガスボックス９８２の外部に配置する構成としたが、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した流体制御装置に上記実施形態のバルブ装置１を含ませることも可能である。
上記実施形態では、流体制御装置として複数の流路ブロック９９２にバルブ装置を搭載したものを例示したが、分割タイプの流路ブロック９９２以外にも、一体型の流路ブロックやベースプレートに対しても本発明のバルブ装置は適用可能である。
１ ：バルブ装置
２ ：バルブボディ
２ａ ：上面
２ｂ ：底面
２ｃ，２ｄ：側面
２ｋ ：突起
３ ：インナーディスク
５ ：ボンネット
５ａ ：外周面
５ｂ ：下端面
５ｔ ：突出部
６ ：ケーシング
８ ：ボンネットナット
２１ ：第１の流路
２２，２３：第２の流路
２４ ：円筒部
２５ ：ねじ部
２６ ：環状溝
２７ ：底面
３１ ：外側環状部
３１ｆ１ ：第１の接触端面部
３１ｆ２ ：第２の接触端面部
３２ ：内側環状部
３３ ：開口
３４ ：開口
３７ ：接続部
４１ ：ダイヤフラム
４２ ：ダイヤフラム押え
４３ ：押えアダプタ
４４ ：ステム
４４ａ ：凹部
４５ ：コイルばね
４８ ：バルブシート
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：制御部
９８５ ：処理チャンバ
９８６ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：開閉弁(流体機器)
９９１Ｂ ：レギュレータ(流体機器)
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ(流体機器)
９９１Ｄ ：開閉弁(流体機器)
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ(流体機器)
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
Ａ１ ：上方向
Ａ２ ：下方向
ＢＳ ：ベースプレート
Ｃ１ ：弁室
Ｇ１ ：長手方向上流側
Ｇ２ ：長手方向下流側
Ｈ１～Ｈ４：硬度
Ｗ１ ：幅方向正面側
Ｗ２ ：幅方向背面側
Ｘ１ ：第１の接触端面幅
Ｘ２ ：第２の接触端面幅
２ ：バルブボディ
２ａ ：上面
２ｂ ：底面
２ｃ，２ｄ：側面
２ｋ ：突起
３ ：インナーディスク
５ ：ボンネット
５ａ ：外周面
５ｂ ：下端面
５ｔ ：突出部
６ ：ケーシング
８ ：ボンネットナット
２１ ：第１の流路
２２，２３：第２の流路
２４ ：円筒部
２５ ：ねじ部
２６ ：環状溝
２７ ：底面
３１ ：外側環状部
３１ｆ１ ：第１の接触端面部
３１ｆ２ ：第２の接触端面部
３２ ：内側環状部
３３ ：開口
３４ ：開口
３７ ：接続部
４１ ：ダイヤフラム
４２ ：ダイヤフラム押え
４３ ：押えアダプタ
４４ ：ステム
４４ａ ：凹部
４５ ：コイルばね
４８ ：バルブシート
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：制御部
９８５ ：処理チャンバ
９８６ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：開閉弁(流体機器)
９９１Ｂ ：レギュレータ(流体機器)
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ(流体機器)
９９１Ｄ ：開閉弁(流体機器)
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ(流体機器)
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
Ａ１ ：上方向
Ａ２ ：下方向
ＢＳ ：ベースプレート
Ｃ１ ：弁室
Ｇ１ ：長手方向上流側
Ｇ２ ：長手方向下流側
Ｈ１～Ｈ４：硬度
Ｗ１ ：幅方向正面側
Ｗ２ ：幅方向背面側
Ｘ１ ：第１の接触端面幅
Ｘ２ ：第２の接触端面幅
Claims (9)
- 第１の流路及び第２の流路を画定する金属合金製のバルブボディと、
前記バルブボディ上の前記第１の流路の開口周囲に配置されるバルブシートと、
前記バルブシートと係合することにより当該バルブシートを前記バルブボディ上に拘束する内側環状部、前記内側環状部の外周側に配置されかつ前記バルブボディに接触する外側環状部および前記内側環状部と前記外側環状部とを接続しかつ前記第２の流路と連通する複数の開口をもつ接続部を有する金属合金製のインナーディスクと、
周縁部が前記外側環状部に接触し、かつ、前記インナーディスクおよび前記バルブシートを覆うように設けられ、前記バルブシートに対して接触しない開位置及び接触する閉位置の間で移動することにより前記第1の流路と前記第２の流路との連通及び遮断を行う金属合金製のダイヤフラムと、
前記外側環状部と前記ダイヤフラムとの間および前記外側環状部と前記バルブボディとの間をシールすべく、前記ダイヤフラムの周縁部の前記外側環状部の側とは反対側の面を該外側環状部に向けて押圧する押えアダプタと、を有し、
前記インナーディスクは、前記バルブシートよりも高い硬度を有し、かつ、前記バルブボディおよび前記ダイヤフラムの双方よりも低い硬度を有し、
前記インナーディスクの外側環状部は、前記ダイヤフラムと接触する環状の第１の接触端面部と、前記バルブボディと接触する環状の第２の接触端面部とを有し、
前記インナーディスクの外側環状部は、塑性変形を受ける前の状態において、外周面が前記第２の接触端面部に向かって、水平面と垂直面からなる階段状に縮径することにより、当該第２の接触端面部の面積が、前記第１の接触端面部の面積よりも小さくなるように形成されている、バルブ装置。 - 前記バルブボディ、ダイヤフラムおよびインナーディスクのうち、前記インナーディスクのみ、または、実質的に前記インナーディスクのみに前記押えアダプタによる押圧による塑性変形が生じる、請求項１に記載のバルブ装置。
- 前記インナーディスクは、硬度がＨｖ９０～Ｈｖ１５０の範囲にある、請求項２に記載のバルブ装置。
- 前記バルブボディは、硬度がＨｖ２００以上であり、
前記ダイヤフラムは、硬度がＨｖ４００～Ｈｖ７００の範囲にある、請求項３に記載のバルブ装置。 - 前記インナーディスクの外側環状部は、塑性変形を受ける前の状態において、前記第２の接触端面部の半径方向の幅が、前記第１の接触端面部の半径方向の幅よりも小さくなるように形成されている、請求項１に記載のバルブ装置。
- 上流側から下流側に向かって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ないし５のいずれかに記載のバルブ装置を含む、流体制御装置。 - 請求項１ないし５のいずれかに記載のバルブ装置を用いて、流体の流量を調整する、流量制御方法。
- 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制御に請求項１ないし５のいずれかに記載のバルブ装置を用いる、半導体製造装置。
- 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ないし５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。
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