JP7409694B2 - ダイヤフラム、バルブ、および成膜方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体製造装置等に用いるダイヤフラム、バルブ、および成膜方法に関する。

半導体の微細化に伴い、プロセスチャンバ内へ進入するパーティクルの抑制が求められている。プロセスチャンバ内へのパーティクルの進入を抑制するために、基盤に薄膜層を形成したダイヤフラムが提案されている。

特開２００４－６０７４１号公報

ガス種によっては薄膜層の方がダイヤフラムよりも耐食性が弱く、薄膜層が剥離してしまいパーティクル発生の原因につながる可能性がある。このため、薄膜層の量を減らすために、薄膜層を環状に形成した方が望ましい。しかし、環状の薄膜層を基盤に形成したのみでは、薄膜層と基盤との境界にパーティクルの滞留部が発生してしまう。

そこで本開示は、ダイヤフラムにおいて、パーティクルの滞留を抑制可能な技術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、本開示の一態様であるダイヤフラムは、金属製の薄板と、前記薄板の一方側の面に形成された薄膜層と、を備え、前記薄膜層は、環状の本体部と、前記本体部に対し径方向の内側に位置する環状の内側部と、前記本体部に対し径方向の外側に位置する環状の外側部とを備え、前記内側部は、その外周縁から内周縁に近づくにつれて前記一方側の面に近づく内側傾斜面を有し、前記外側部は、その内周縁から外周縁に近づくにつれて前記一方側の面に近づく外側傾斜面を有する。

前記本体部と前記内側部との境界部は凸面状をなし、前記内側部の内周縁部は、凹面状をなしていてもよい。

本開示の一態様であるバルブは、流体通路が形成されたボディと、前記ボディに設けられた弁座と、前記弁座に当接および前記弁座から離間して前記流体通路を開閉する上記のダイヤフラムと、を備え、前記ダイヤフラムの前記薄膜層は、前記弁座側に位置している。

本開示の一態様である成膜方法は、第１冶具と第２冶具とを用いて薄板に薄膜層を成膜する成膜方法であって、前記第１冶具には、平面視円形の開口孔が形成され、前記開口孔を形成する内周面の一方側の端部には、一方側へ近づくにつれて径が拡大する環状の第１傾斜面が形成され、前記第２冶具は、円柱状をなし、その直径は前記開口孔の内径よりも小さく構成され、その外周面の先端部には、先端に近づくにつれて径が縮小する環状の第２傾斜面４２Ｂが形成され、前記薄板を前記第１冶具に対し前記第１傾斜面を覆うように装着し、前記第２冶具を前記開口孔に対し前記第１傾斜面側とは反対側から挿入し、前記薄板のうち、前記第１冶具と第２冶具との間の環状に露出している部分に対して、前記薄膜層を成膜する。

本開示によれば、ダイヤフラムにおいて、パーティクルの滞留を抑制可能な技術を提供することができる。

実施形態に係る開状態にあるバルブの断面図である。 閉状態にあるバルブにおけるダイヤフラム近傍の拡大断面図である。 （ａ）は、最もシート側に位置する薄板と薄膜層の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の薄板と薄膜層の一部を拡大した断面図である。 薄板に薄膜層を成膜する成膜方法の説明図である。 （ａ）は、第１冶具の下面図であり、（ｂ）は、第１冶具および第２冶具の一部拡大断面図である。 変形例に係る薄膜層の一部を拡大した断面図である。 変形例に係る第１冶具の説明図である。

本開示の一実施形態に係るダイヤフラム３０およびバルブ１について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る開状態にあるバルブ１の断面図である。

図１に示すように、バルブ１は、ボディ１０と、アクチュエータ２０と、を備える。なお、以下の説明において、バルブ１の、アクチュエータ２０側を上側、ボディ１０側を下側として説明する。

［ボディ１０］
ボディ１０は、ボディ本体１１と、弁座であるシート１２と、ボンネット１３と、ダイヤフラム３０と、押えアダプタ１４と、ダイヤフラム押え１５と、ホルダ１６と、圧縮コイルスプリング１７を備える。

ボディ本体１１には、弁室１１ａと、弁室１１ａに連通する流入路１１ｂおよび流出路１１ｃとが形成されている。樹脂製のシート１２は、環状をなし、ボディ本体１１において、弁室１１ａと流入路１１ｂとが連通する箇所の周縁に設けられている。図２に示すように、シート１２の頂面１２Ａは、平面状をなしている。流入路１１ｂおよび流出路１１ｃは流体通路に相当する。

図１に示すように、ボンネット１３は、有蓋の略円筒状をなし、その下端部をボディ本体１１に螺合させることにより、弁室１１ａを覆うようにボディ本体１１に固定されている。

弁体であるダイヤフラム３０は、ボンネット１３の下端に配置された押えアダプタ１４とボディ本体１１の弁室１１ａを形成する底面とにより、その外周縁部が挟圧され保持されている。ダイヤフラム３０がシート１２に対し離間および当接（圧接）することによって、流体通路の開閉が行われる。ダイヤフラム３０の詳細な構成について後述する。

ダイヤフラム押え１５は、ダイヤフラム３０の上側に設けられ、ダイヤフラム３０の中央部を押圧可能に構成されている。ダイヤフラム押さえ１５はホルダ１６に嵌合されている。

ホルダ１６は、略円柱状をなし、ボンネット１３内に上下移動可能に配置されている。後述のステム２３Ｂは、ホルダ１６の上部に対し螺合されている。

圧縮コイルスプリング１７は、ボンネット１３内に設けられ、ホルダ１６を常に下側に付勢している。バルブ１は、圧縮コイルスプリング１７によって、通常時（アクチュエータ２０の非作動時）は閉状態に保たれる。

［アクチュエータ２０］
アクチュエータ２０は、エア駆動式であり、全体で略円柱形状をなし、ケーシング２１と、仕切ディスク２２と、第１ピストン部２３と、第２ピストン部２４と、を備える。

ケーシング２１は、下ケーシング２１Ａと、下端部が下ケーシング２１Ａの上端部に螺合された上ケーシング２１Ｂとを有する。下ケーシング２１Ａは、略段付き円筒状をなしている。下ケーシング２１Ａの下端部の外周が、ボンネット１３の貫通孔の内周に螺合されている。上ケーシング２１Ｂは、有蓋の略円筒状をなしている。上ケーシング２１Ｂの上端部には、流体導入路２１ｃが形成されている。

下ケーシング２１Ａの下端部の外周には、ナット２５が螺合されている。ナット２５は、ボンネット１３に当接して、下ケーシング２１Ａのボンネット１３に対する回動を抑制する。

仕切ディスク２２は、略円盤状をなし、ケーシング２１内に移動不能に設けられている。

第１ピストン部２３は、第１ピストン２３Ａと、ステム２３Ｂと、第１上延出部２３Ｃとを有する。第１ピストン２３Ａは、仕切ディスク２２と下ケーシング２１Ａとの間に設けられ、略円盤状をなしている。下ケーシング２１Ａと第１ピストン２３Ａとにより、第１圧力室Ｓ１が形成されている。

ステム２３Ｂは、第１ピストン２３Ａの中央部から下側に向かって延びている。ステム２３Ｂは、その下端部はホルダ１６に螺合されている。第１上延出部２３Ｃは、第１ピストン２３Ａの中央部から上側に向かって延び、仕切ディスク２２を貫通している。

第１ピストン２３Ａ、ステム２３Ｂ、および第１上延出部２３Ｃには、上下方向に延び第１圧力室Ｓ１および第２圧力室Ｓ２に連通する第１流体流入路２３ｄが形成されている。

第２ピストン部２４は、第２ピストン２４Ａと、第２上延出部２４Ｂとを有する。第２ピストン２４Ａは、仕切ディスク２２と上ケーシング２１Ｂとの間に設けられ、略円盤状をなしている。仕切ディスク２２と第２ピストン２４Ａとにより、第２圧力室Ｓ２が形成される。第２ピストン２４Ａには、第１上延出部２３Ｃの上端部が連結されている。

第２上延出部２４Ｂは、第２ピストン２４Ａの中央部から上側に向かって延び、流体導入路２１ｃに挿入されている。第２上延出部２４Ｂには、流体導入路２１ｃおよび第１流体流入路２３ｄに連通する第２流体流入路２４ｃが形成されている。

［バルブ１の開閉動作］
次に、本実施形態に係るバルブ１の開閉動作について説明する。
図２は、閉状態にあるバルブ１におけるダイヤフラム３０近傍の拡大断面図である。

本実施形態のバルブ１では、第１、２圧力室Ｓ１、Ｓ２に駆動流体が流入していない状態では、図２に示すように、ホルダ１６およびステム２３Ｂは圧縮コイルスプリング１７の付勢力によって下死点にあり（ボディ本体１１に近接し）、ダイヤフラム押え１５によりダイヤフラム３０が押され、ダイヤフラム３０の下面がシート１２に圧接されてバルブ１は閉状態となっている。つまり、バルブ１は、通常状態（駆動流体が供給されていない状態）では閉状態である。

そして、図示せぬ駆動流体供給源からバルブ１へ駆動流体が流れる状態にする。これにより、バルブ１へ駆動流体が供給される。駆動流体は、図示せぬエアチューブおよび管継手を介して、流体導入路２１ｃを通過し、第１、２流体流入路２３ｄ、２４ｃを通過して、第１、２圧力室Ｓ１、Ｓ２に流入する。第１、２圧力室Ｓ１、Ｓ２に駆動流体が流入すると、第１、２ピストン２３Ａ、２４Ａが、圧縮コイルスプリング１７の付勢力に抗して上昇する。これにより、ホルダ１６、ダイヤフラム押さえ１５およびステム２３Ｂは上死点に移動してボディ本体１１から離間し、弾性力および流体（ガス）の圧力によってダイヤフラム３０は上側に移動し、流入路１１ｂと流出路１１ｃとが連通し、バルブ１は開状態となる。

バルブ１を開状態から閉状態にするには、図示せぬ三方弁を、駆動流体がバルブ１のアクチュエータ２０（第１、２圧力室Ｓ１、Ｓ２）から外部へ排出する流れに切り替える。これにより、第１、２圧力室Ｓ１、Ｓ２内の駆動流体が、第１、２流体流入路２３ｄ、２４ｃ、および流体導入路２１ｃを介して、外部へ排出される。これにより、ホルダ１６およびステム２３Ｂは圧縮コイルスプリング１７の付勢力によって下死点に移動し、バルブ１は閉状態となる。

［ダイヤフラム３０］
次に、ダイヤフラム３０の構成について説明する。

ダイヤフラム３０は、球殻状をなし、上に凸の円弧状が自然状態となっている。ダイヤフラム３０は、例えば、複数枚の金属の薄板３１と薄膜層３２とを備えている。各薄板３１は、ニッケルコバルト合金、ステンレス鋼等により構成され、平板状の素材を円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させて球殻状に形成される。

図３（ａ）は、最もシート１２側に位置する薄板３１と薄膜層３２の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の薄板３１と薄膜層３２の一部を拡大した断面図である。

薄膜層３２は、薄板３１の凹状面である接液面３１Ａに環状に形成されている。接液面３１Ａは、薄板３１の一方側の面に相当する。薄膜層３２は、例えば、炭素膜またはフッ素樹脂膜である。炭素膜は、例えば、ＤＬＣ（Diamond like Carbon）膜であり、フッ素樹脂膜は、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）や四フッ化エチレン六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）や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（ＰＦＡ）である。薄膜層３２は、その膜厚は例えば２～４μｍである。このため、低摩擦、耐摩耗、耐腐食性に優れたダイヤフラム３０を提供することができ、シート１２のダイヤフラム３０接触部への転写を抑制することができる。

薄膜層３２は、環状の本体部３３と、本体部３３に対し径方向の内側に位置する環状の内側部３４と、本体部３３に対し径方向の外側に位置する環状の外側部３５とを備える。本体部３３の膜厚は例えば２～４μｍである。本体部３３は、径方向に沿った断面が略矩形状をなし、下面３３Ａは接液面３１Ａに略平行になっている。下面３３Ａの径方向の幅は、シート１２の頂面１２Ａの径方向の幅より大きく構成される。内側部３４は、その外周縁から内周縁に近づくにつれて接液面３１Ａに近づく内側傾斜面３４Ａを有する。外側部３５は、その内周縁から外周縁に近づくにつれて接液面３１Ａに近づく外側傾斜面３５Ａを有する。

次に、ダイヤフラム３０の製造方法について説明する。

図４は、複数枚の薄板３１に薄膜層３２を成膜する成膜方法の説明図である。なお、図４では、薄板３１は一枚のみ図示している。
図５（ａ）は、第１冶具４１の下面図であり、（ｂ）は、第１冶具４１および第２冶具４２の一部拡大断面図である。

まず、複数枚の円板状かつ平板状の薄板（素材）を準備し、それらを積層して接着剤等により互いに接着させて一体にする。一体化した複数枚の薄板３１を、プレス装置の冶具に固定して、パンチにより中央部を押圧して、球殻状に成形する。

次に、成形後の複数枚の薄板３１を、成膜装置４０の金属製または樹脂製の第１冶具４１に固定する。

第１冶具４１は、図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、平面視略正方形の板状をなし、その下面側の中央部には平面視円形の開口孔４１ａが形成されている。第１冶具４１には、一方の側面（図５（ａ）における上側の側面）から他方の側面（図５（ａ）における下側の側面）に向かって延びるスリット４１ｂが形成されている。スリット４１ｂは、一方の端面に開口し、開口孔４１ａに連通している。スリット４１ｂは、第１冶具４１の中央部において上に凸の略球殻状をなしている。図５（ｂ）に示すように、第１冶具４１において、開口孔４１ａを形成する内周面４１Ｃのスリット４１ｂ側の端部には、スリット４１ｂ側（外側）に近づくにつれて径が拡大する環状の第１傾斜面４１Ｄが形成されている。

第１冶具４１の側面の開口から薄板３１が挿入され、図４（ａ）に示すように、薄板３１が第１冶具４１に対し装着される。これにより、薄板３１は、第１傾斜面４１Ｄを覆うように第１冶具４１に装着され、薄板３１の接液面３１Ａは、開口孔４１ａを介して外部に露出している。

次に、第２冶具４２を開口孔４１ａに挿入して、薄板３１の接液面３１Ａに当接させる。第２冶具４２は、金属製または樹脂製であり、円柱状をなしている。第２冶具４２の直径は、開口孔４１ａの内径よりも小さく構成されている。開口孔４１ａの中心軸と、第２冶具４２の中心軸とが、同軸となるように、第２冶具４２は開口孔４１ａに挿入される。薄板３１の接液面３１Ａのうち、開口孔４１ａを介して露出している部分は環状をなしている。図５（ｂ）に示すように、第２冶具４２の外周面４２Ａの先端部には、先端に近づくにつれて径が縮小する環状の第２傾斜面４２Ｂが形成されている。

次に、図４（ｃ）に示すように、薄板３１の接液面３１Ａのうち、環状に露出している部分に対して、薄膜層３２を成膜する。薄膜層３２がＤＬＣ膜である場合には、物理蒸着法（ＰＶＤ）および／または化学蒸着法（ＣＶＤ）により薄膜層３２を成膜する。例えば、マグネトロンスパッタとＰＡＣＶＤ（プラズマアシストＣＶＤ）とを組み合わせてＤＬＣ膜を成膜する。薄膜層３２がＰＦＡ膜である場合には、静電塗装を用いて成膜する。なお、薄膜層３２がＤＬＣ膜である場合には、噴霧塗装であってもよい。

そして、第１冶具４１および第２冶具４２を外すことにより、ダイヤフラム３０が得らえる。すなわち、第１傾斜面４１Ｄおよび第２傾斜面４２Ｂに沿って、内側部３４の内側傾斜面３４Ａおよび外側部３５の外側傾斜面３５Ａを有する薄膜層３２が成膜されたダイヤフラム３０が得られる。

以上説明した本実施形態のダイヤフラム３０を備えるバルブ１によれば、薄膜層３２は、環状の本体部３３と、本体部３３に対し径方向の内側に位置する環状の内側部３４と、本体部３３に対し径方向の外側に位置する環状の外側部３５とを備え、内側部３４は、その外周縁から内周縁に近づくにつれて接液面３１Ａに近づく内側傾斜面３４Ａを有し、外側部３５は、その内周縁から外周縁に近づくにつれて接液面３１Ａに近づく外側傾斜面３５Ａを有する。当該構成によれば、ダイヤフラム３０の薄膜層３２と薄板３１との境界において、パージの際にパーティクルが滞留するのを抑制することができる。よって、半導体の製造中にプロセスチャンバ内へ滞留したパーティクルが進入するのを抑制することができ、半導体の歩留まりを向上させることができる。

本実施形態の第１冶具４１と第２冶具４２とを用いて薄板３１に薄膜層３２を成膜するによれば、第１冶具４１には、平面視円形の開口孔４１ａが形成され、開口孔４１ａを形成する内周面の一方側の端部には、一方側へ近づくにつれて径が拡大する環状の第１傾斜面４１Ｄが形成され、第２冶具４２は、円柱状をなし、その直径は開口孔４１ａの内径よりも小さく構成され、その外周面の先端部には、先端に近づくにつれて径が縮小する環状の第２傾斜面４２Ｂが形成されている。そして、薄板３１を第１冶具４１に対し第１傾斜面４１Ｄを覆うように装着し、第２冶具４２を開口孔４１ａに対し第１傾斜面４１Ｄ側とは反対側から挿入し、薄板３１のうち、第１冶具４１と第２冶具４２との間の環状に露出している部分に対して、薄膜層３２を成膜する。

これにより、内側部３４に、その外周縁から内周縁に近づくにつれて接液面３１Ａに近づく内側傾斜面３４Ａを有し、外側部３５に、その内周縁から外周縁に近づくにつれて接液面３１Ａに近づく外側傾斜面３５Ａを有する薄膜層３２を形成することができる。よって、ダイヤフラム３０の薄膜層３２と薄板３１との境界において、パージの際にパーティクルが滞留するのを抑制することができる。

なお、本開示は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本開示の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

薄板３１は、複数枚であったが、一枚であってもよい。また、シート１２の頂面１２Ａは、平面状であったが、上に凸の曲面（径方向に沿った断面形状がＲ面）であってもよい。アクチュエータ２０は、エア駆動式であったが、電磁駆動式またはピエゾ素子駆動式であってもよい。

図６に示すように、本体部３３と内側部３４との境界部３４Ｂは凸面状をなし、内側部３４の内周縁部３４Ｃは、凹面状をなしていてもよい。同様に、本体部３３と外側部３５との境界部３５Ｂは凸面状をなし、内側部３５の外周縁部３５Ｃは、凹面状をなしていてもよい。当該構成によれば、薄膜層３２と薄板３１との境界において、パージの際にパーティクルが滞留するのをさらに抑制することができる。

図７に示すように、第１冶具４１を、第１－１冶具４１Ｅと、第１－２冶具４１Ｆとにより構成してもよい。第１－１冶具４１Ｅに開口孔４１ａ、第１傾斜面４１Ｄが形成され、第１－１冶具４１Ｅと第１－２冶具４１Ｆとを組み合わせることによりスリット４１ｂが形成される。

１：バルブ
１１：ボディ本体
１１ｂ：流入路
１１ｃ：流出路
１２：シート
３０：ダイヤフラム
３１：薄板
３１Ａ：接液面
３２：薄膜層
３３：本体部
３４：内側部
３４Ａ：内側傾斜面
３５：外側部
３５Ａ：外側傾斜面
４１：第１冶具
４１ａ：開口孔
４１Ｃ：内周面
４１Ｄ：第１傾斜面
４１Ｅ：第１－１冶具
４１Ｆ：第１－２冶具
４２：第２冶具
４２Ａ：外周面
４２Ｂ：第２傾斜面

Claims (4)

1. 金属製の薄板と、
   前記薄板の一方側の面に環状に形成された薄膜層と、を備え、
   前記薄膜層は、環状の本体部と、前記本体部に対し径方向の内側に位置する環状の内側部と、前記本体部に対し径方向の外側に位置する環状の外側部とを備え、
   前記内側部は、その外周縁から内周縁に近づくにつれて前記一方側の面に近づく内側傾斜面を有し、
   前記外側部は、その内周縁から外周縁に近づくにつれて前記一方側の面に近づく外側傾斜面を有する、ダイヤフラム。
2. 前記本体部と前記内側部との境界部は凸面状をなし、
   前記内側部の内周縁部は、凹面状をなしている、請求項１に記載のダイヤフラム。
3. 流体通路が形成されたボディと、
   前記ボディに設けられた弁座と、
   前記弁座に当接および前記弁座から離間して前記流体通路を開閉する請求項１または請求項２に記載のダイヤフラムと、を備え、
   前記ダイヤフラムの前記薄膜層は、前記弁座側に位置している、バルブ。
4. 第１冶具と第２冶具とを用いて薄板に薄膜層を成膜する成膜方法であって、
   前記第１冶具には、平面視円形の開口孔が形成され、前記開口孔を形成する内周面の一方側の端部には、一方側へ近づくにつれて径が拡大する環状の第１傾斜面が形成され、
   前記第２冶具は、円柱状をなし、その直径は前記開口孔の内径よりも小さく構成され、その外周面の先端部には、先端に近づくにつれて径が縮小する環状の第２傾斜面が形成され、
   前記薄板を前記第１冶具に対し前記第１傾斜面を覆うように装着し、
   前記第２冶具を前記開口孔に対し前記第１傾斜面側とは反対側から挿入し、
   前記薄板のうち、前記第１冶具と第２冶具との間の環状に露出している部分に対して、前記薄膜層を成膜する、成膜方法。

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