JP7445314B2 - ダイヤフラム、バルブ、およびダイヤフラムの製造方法 - 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、およびダイヤフラムの製造方法に関する。

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サイズの適切な制御が求められている。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

しかし、特許文献１のダイヤフラムでは、薄膜層の表面の粗さは考慮されておらず、半導体の製造中にプロセスチャンバ内へ進入するパーティクルのサイズを適切に制御することができない。

そこで本開示は、半導体の製造中にプロセスチャンバ内へ進入するパーティクルのサイズを適切に制御することができる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の全体に形成された薄膜層と、を備える。前記薄膜層の表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．１μｍより小さい。

前記薄膜層の表面粗さの最大高さＲｍａｘは０．０２μｍより小さくてもよい。

前記薄膜層の表面粗さの最大高さＲｍａｘは０．０１μｍより小さくてもよい。

前記薄膜層は、炭素膜またはフッ素樹脂膜であってもよい。

前記炭素膜は、ＤＬＣにより構成されていてもよい。

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ダイヤフラムの製造方法は、金属製の薄板と、薄膜層とを備えるダイヤフラムの製造方法であって、前記薄板を球殻状に成形し、前記薄板の凹状面の全体に、表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．１μｍより小さい前記薄膜層を形成する。

本開示によれば、半導体の製造中にプロセスチャンバ内へ進入するパーティクルのサイズを適切に制御することができる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。

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の全体に形成されている。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２～４μｍであり、表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．１μｍより小さい。すなわち、薄膜層３２の表面粗さの最大高さＲｍａｘは、０μｍより大きく、０．１μｍより小さい。薄膜層３２の表面粗さの最大高さＲｍａｘは、好ましくは０．０２μｍより小さく、より好ましくは０．０１μｍより小さい。ここで、薄膜層３２の表面粗さの最大高さ（Ｒｍａｘ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）で規定されている「最大高さ（Ｒｍａｘ）」である。なお、薄板３１の接液面３１Ａの表面粗さは、例えばＲａ０．０５μｍである。

次に、ダイヤフラム３０の製造方法について説明する。

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を、成膜装置の冶具に固定して、薄板３１の凹状面に薄膜層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、静電塗装またはフィルム熱着プレスを用いて成膜する。なお、成膜条件を変更することにより、薄膜層３２の表面粗さの最大高さＲｍａｘを制御することができ、上記のような最大高さＲｍａｘを有する薄膜層３２を得ることができる。また、ＤＬＣコーティングに関して、噴霧塗装、浸漬塗装ではなく蒸着法を用いることで、被コーティング面（薄板３１の接液面３１Ａ）の凹部に選択的に付着し、結果物（薄膜層３２）のコーティング表面がより平滑になる。

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、その膜厚は２～４μｍであり、表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．１μｍより小さい。このため、パージの際中に、粒径φ０．１μｍ以上のサイズのパーティクルが薄膜層３２の表面に捕捉され堆積することを抑制できる。よって、半導体の製造中にプロセスチャンバ内へ粒径φ０．１μｍ以上のサイズのパーティクルが進入するのを抑制することができる。したがって、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、半導体の製造中にプロセスチャンバ内へ進入するパーティクルのサイズを適切に制御することができる。例えば、線幅１００ｎｍの半導体を、従来からある半導体製造装置を用いて製造する場合に、当該ダイヤフラム３０を備えるバルブ１を用いることにより、製造プロセスにおいてプロセスチャンバ内へ粒径φ０．１μｍ以上のサイズのパーティクルが進入するのを抑制することができる。よって、従来からある半導体製造装置をそのまま用いた場合と比較して、半導体の歩留まりを向上させることができる。

薄膜層３２の表面粗さの最大高さＲｍａｘは、好ましくは０．０２μｍより小さく、より好ましくは０．０１μｍより小さい。これにより、線幅が０．０２μｍの現在の半導体の製造プロセスにおいて、プロセスチャンバ内へ粒径φ０．０２μｍ以上のサイズのパーティクルが進入するのを抑制することができる。さらに、線幅が０．０１μｍの次世代の半導体の製造プロセスにおいて、プロセスチャンバ内へ粒径φ０．０１μｍ以上のサイズのパーティクルが進入するのを抑制することができる。

薄膜層３２は、炭素膜またはフッ素樹脂膜であり、炭素膜は、ＤＬＣにより構成されているので、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への転写を抑制することができる。

ダイヤフラム３０の製造方法は、薄板３１を球殻状に成形し、薄板３１の凹状面の全体に、表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．１μｍより小さい薄膜層３２を形成している。当該製造方法によれば、薄膜層３２形成後に、薄板３１の成形を行わないので、表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．１μｍより小さい薄膜層３２を有するダイヤフラム３０を確実に提供することができる。

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。

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

Claims (6)

1. 金属製の薄板と、
   前記薄板の一方側の面の全体に形成された薄膜層と、を備え、
   前記薄膜層の表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．０２μｍより小さい、ダイヤフラム。
2. 前記薄膜層の表面粗さの最大高さＲｍａｘは０．０１μｍより小さい、請求項１に記載のダイヤフラム。
3. 前記薄膜層は、炭素膜またはフッ素樹脂膜である、請求項１または請求項２に記載のダイヤフラム。
4. 前記炭素膜は、ＤＬＣにより構成されている、請求項３に記載のダイヤフラム。
5. 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から請求項４のいずれか一項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。
6. 金属製の薄板と、薄膜層とを備えるダイヤフラムの製造方法であって、
   前記薄板を球殻状に成形し、
   前記薄板の凹状面の全体に、表面粗さの最大高さＲｍａｘが０．０２μｍより小さい前記薄膜層を形成する、ダイヤフラムの製造方法。

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